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引信压电发电机原理及试验研究

作　者: 李映平
导　师: 赖百坛
学　校: 南京理工大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 压电效应引信电源发电机振动
分类号: TJ430.3
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

本文主要针对现代引信对电源的快速激活特性要求，研究了两种利用压电效应发电的引信电源：多层压电电源和射流激振式压电发电机。多层压电电源主要由多层压电叠堆、充电电路和DC／DC变换器组成。通过对多层压电电源工作原理的研究，建立了多层压电叠堆在弹丸发射过程中产生的高过载作用下，其极面上激发的电量向储能电容充电过程的数学模型。多片很薄的压电片叠放在一起构成的压电电源具有体积小，发电量大的特点。采用matlab软件对引信多层压电电源的充电过程进行了仿真，计算采用了某37高炮的发射数据，当储能电容为30μF时，结果表明储能电容的电压在弹丸出炮口时的电压达到18V，储存的能量为4.86mJ，从弹丸发射到储能电容电压充电达到5V的时间仅为250μs左右，多层压电电源的快速充电特性可以满足弹丸出炮口前供电的要求。对压电叠堆分别进行了静压试验和冲击试验，试验不仅验证了理论分析的正确性，而且验证了压电材料在高过载作用下压电电荷常数d₃₃增大的现象。PZT-5H32压电材料在59MPa压力作用下的d₃₃较给定的额定值增大一倍以上，这对提高引信多层压电电源的发电能力是有利的。在多层压电电源的原理研究和试验研究的基础上，建立了压电叠堆的强度设计准则和能量设计准则，对压电叠堆结构的各个参数都提出了应满足的要求和选择的依据，初步形成了压电叠堆设计的理论。多层压电电源适用于小口径高炮低功耗电子时间引信。射流激振压电发电机是在一般射流发电机的基础上提出的，它是利用压电效应将机械振动的能量转变成持续的电能输出。射流激振压电式发电机与射流激振电磁式发电机相比，省去了连杆、簧片和电磁组件，并具有可连续供电、响应速度快、体积小、可靠性高、电磁兼容性好、成本低等优点。本文指出了环音谐振器的固有频率与压电板的基频固有频率一致时，即发生谐振，可以提高发电机的电能输出。分析了受激振动的压电片给储能电容充电的过程，推导出了射流压电发电机的输出功率公式，并进行了原理性充电试验，试验结果表明压电片处在谐振状态下时，可以显著提高射流激振压电式发电机带负载的能力。

全文目录

1 绪论  11-20
  1.1 选题背景和意义  11-14
    1.1.1 现代引信对电源的需求  11-13
    1.1.2 物理电源在引信中的应用  13-14
  1.2 压电发电机技术研究现状和发展趋势  14-18
    1.2.1 冲击式压电电源技术研究  14-17
    1.2.2 振动式压电发电机技术研究  17-18
  1.3 本文主要研究内容  18-20
2 引信多层压电电源工作原理  20-37
  2.1 压电效应与压电方程  20-24
    2.1.1 压电效应  20-21
    2.1.2 压电方程  21-22
    2.1.3 压电陶瓷材料的老化现象及其预防  22-23
    2.1.4 提高压电性能、防止电性能老化的途径  23-24
  2.2 多层压电电源工作原理  24-30
    2.2.1 压电高压发生器  24-25
    2.2.2 多层压电电源工作原理  25-30
  2.3 多层压电电源充电过程的计算机仿真  30-34
    2.3.1 多层压电电源的参数  30-31
    2.3.2 计算机仿真计算  31-34
  2.4 多层压电电源在引信中应用的可行性分析  34-36
  2.5 本章小结  36-37
3 多层压电电源试验研究  37-50
  3.1 静压试验  37-44
    3.1.1 试验原理  37
    3.1.2 试验用试件  37-38
    3.1.3 试验记录及试验分析  38-44
  3.2 冲击试验  44-49
    3.2.1 冲击锤加载试验及试验分析  44-45
    3.2.2 惯性加载试验及试验分析  45-49
  3.3 本章小结  49-50
4 多层压电电源设计及应用  50-66
  4.1 压电叠堆设计  50-56
    4.1.1 压电片材料选择  50-51
    4.1.2 压电叠堆结构设计  51-52
    4.1.3 惯性质量  52-53
    4.1.4 压电叠堆能量利用率分析  53-54
    4.1.5 压电叠堆设计准则  54-56
  4.2 多层压电电源控制电路设计  56-57
    4.2.1 半波整流充电的多层压电电源控制电路  56-57
    4.2.2 全波整流充电的多层压电电源控制电路  57
  4.3 模块化DC/DC电路  57-60
  4.4 多层压电电源在可编程电子时间引信中的应用  60-64
    4.4.1 可编程电子时间引信对电源的要求  60-61
    4.4.2 低功耗引信电路设计方法  61-63
    4.4.3 多层压电电源的应用  63-64
  4.5 本章小结  64-66
5 射流激振压电式发电机原理  66-79
  5.1 射流发电机  66-68
    5.1.1 射流发电机原理  66-67
    5.1.2 射流发电机的应用  67-68
  5.2 空气射流激振原理  68-72
    5.2.1 旋涡脱落诱发的空气振荡  69-72
    5.2.2 谐振器效应  72
  5.3 流体动力型发声器  72-74
    5.3.1 葛尔登哨  73
    5.3.2 哈特曼哨  73-74
  5.4 环音振荡器  74-76
  5.5 射流激振压电发电机原理  76-77
  5.6 本章小结  77-79
6 圆形金属—压电复合薄板的弯曲振动分析  79-90
  6.1 周边固定的圆形复合薄板固有频率  79-84
    6.1.1 周边固定的弹性圆形薄板振型分析  79-82
    6.1.2 周边固定的圆形复合薄板固有频率数值计算  82-84
  6.2 激振力作用下的圆形复合薄板振动分析  84-89
    6.2.1 复合板在声波作用下的弯曲振动  84-86
    6.2.2 压电陶瓷材料复合板弯曲振动发电计算  86-89
  6.3 本章小结  89-90
7 激振式压电发电机工作分析与试验  90-101
  7.1 振动的压电片给储能电容充电过程分析  90-97
    7.1.1 不带负载时的充电过程分析  90-95
    7.1.2 带负载时的充电过程分析  95-97
  7.2 振动压电发电的原理性试验  97-100
    7.2.1 试验方案  97-98
    7.2.2 试验结果及分析  98-100
  7.3 本章小结  100-101
8 结束语  101-104
  8.1 本文主要创新点  101-102
  8.2 存在的问题与建议  102-104
致谢  104-105
攻读博士学位期间发表的论文  105-106
参考文献  106-112

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