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多方向压电振动能量收集方法及性能优化关键技术研究

作　者: 刘祥建
导　师: 陈仁文
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 多方向压电振动能量收集 Rainbow型立方体状蒲公英状电能负载功率机电耦合系数能量转化效率
分类号: TM619
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着微机电技术和精密加工制造技术的不断发展，现代机电产品日趋微型化和人性化且其应用也日趋广泛。目前，微机电产品的能量供给主要依赖于化学电池，化学电池在使用过程中的诸多弊端如体积大、寿命有限、需要定期更换及易造成环境污染等使得研制长寿命、清洁环保及微型化的新能源成为亟待解决的关键技术问题之一。本文从微型能量供给技术的研究进展出发，从能量的产生、转换及其应用研究等方面综合比较了各种形式微能源的优劣。基于具有较高的能量密度、清洁环保、工作可靠及易于微型化等诸多优点，提出了研究环境振动驱动的压电式振动能量收集装置。针对目前研究者所提出的压电振动能量收集装置只能进行某个单一方向环境振动能量的收集的特点，同时考虑到环境振源的多方向性，本文主要研究环境振动驱动的多方向压电式振动能量收集装置的理论计算、有限元仿真、优化分析及试验研究等关键技术。利用环境振动驱动的多方向压电式振动能量收集的最显著特点就是其多方向性，本文综合考虑了单方向性压电振动能量收集装置的结构形式，提出了两种新颖的多方向压电振动能量收集装置，即立方体状多方向压电振动能量收集装置和蒲公英状多方向压电振动能量收集装置。重点进行了立方体状多方向压电振动能量收集装置的分析、计算与试验研究，对蒲公英状多方向压电振动能量收集装置的发电性能进行了初步探索。本文首先对立方体状多方向压电振动能量收集装置的关键部件——Rainbow型压电换能器进行了全面研究。根据虚功原理，建立了Rainbow型压电换能器的动力学理论模型并进行了数值模拟分析。根据弹性结构力学理论和压电学理论建立了Rainbow型压电换能器的理论发电模型，并就铍青铜和钢两种常见的金属弹性基片材料Rainbow型压电换能器的发电性能进行了数值模拟分析，所得结论可为研究Rainbow型压电换能器的发电性能及其优化设计提供指导。根据压电学理论和能量的转换原理建立了Rainbow型压电换能器机电耦合系数的理论分析模型，为研究换能器结构机械能与电能间转换的强弱提供参考。为从整体上研究立方体状多方向压电振动能量收集装置的发电性能，本文接着根据振动的合成与分解原理建立了立方体状多方向压电振动能量收集装置的动力学理论模型，并数值模拟分析了立方体状多方向压电振动能量收集装置主要结构参数对其谐振频率的影响关系。在上述研究基础上，为了研究立方体状多方向压电振动能量收集装置与能量存储电路间的相互机电耦合作用，根据电路学原理，建立了装置负载电压与负载功率的理论模型，并数值模拟了外部激励条件、结构参数及所接负载对装置负载功率的影响。最后，建立了立方体状多方向压电振动能量收集装置能量转化效率的理论模型并进行了数值模拟与分析。上述研究、分析为从理论上预测、评估立方体状多方向压电振动能量收集装置的发电性能提供了重要理论依据。为了实际测试和验证立方体状多方向压电振动能量收集装置的发电性能，本文接着进行了立方体状多方向压电振动能量收集装置的试验研究。研究中首先根据多方向振动能量收集的试验需要，设计并制作了小型多方向环境振动模拟平台，为模拟实际环境的多方向振动及立方体状多方向压电振动能量收集装置的多方向振动能量收集试验提供了支持和保障。最后，对设计、制作的立方体状多方向压电振动能量收集装置试验样机的发电性能进行了实际测试。试验结果表明，在外部激励频率为136Hz、激励方向为Y向时，立方体状多方向压电振动能量收集装置负载功率达到了0.139mW；当外部激励方向变化时，最大负载功率达到了0.28mW，且立方体状多方向压电振动能量收集装置对外部激励方向的选择性较弱，有利于环境多方向振动能量的收集。为初步了解蒲公英状多方向压电振动能量收集装置的发电性能，本文最后对蒲公英状多方向压电振动能量收集装置中一种最简单的结构形式进行了发电能力的初步探索，为全面、深入研究蒲公英状多方向压电振动能量收集装置提供参考。根据力学基本理论和压电学理论，建立了悬臂梁压电发电结构开路电压及产生电能的理论模型并进行了数值模拟分析。为从整体上了解蒲公英状多方向压电振动能量收集装置的发电性能，建立了装置负载电压与负载功率的理论模型，并数值模拟了外部激励条件、结构参数及所接负载对装置负载功率的影响。为了实际测试和评估蒲公英状多方向压电振动能量收集装置的发电性能，制作了试验样机并搭建了相应的试验测试系统。试验结果表明，在外部激励频率为141Hz、激励方向为Y向时，蒲公英状多方向压电振动能量收集装置负载功率达到了0.68mW；当外部激励方向变化时，最大负载功率约为0.68mW，但负载功率波动较大，最小功率仅约0.046mW，装置对外部激励方向的选择性较强，不利于环境多方向振动能量的收集。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-19
第一章绪论  19-36
  1.1 课题的背景及其研究意义  19-20
  1.2 微能源技术研究概述  20-27
  1.3 压电能量收集技术国内外研究现状  27-34
    1.3.1 压电能量收集技术的基础性研究  27-30
    1.3.2 压电能量收集技术的可行性研究  30-33
    1.3.3 压电能量收集技术的能量转化效率研究  33-34
  1.4 本文研究的主要内容  34-36
第二章压电能量转换与多方向压电振动能量收集方案  36-44
  2.1 压电能量转换  36-40
    2.1.1 压电效应与压电方程  36-39
    2.1.2 压电发电常用压电材料  39-40
  2.2 多方向压电振动能量收集方案  40-42
  2.3 本章小结  42-44
第三章 RAINBOW 型压电换能器发电性能建模与仿真研究  44-73
  3.1 RAINBOW 型压电换能器的动力学分析  44-50
    3.1.1 理论推导  44-46
    3.1.2 理论模型的数值模拟与分析  46-49
    3.1.3 Rainbow 型压电换能器的动力学有限元仿真  49-50
  3.2 RAINBOW 型压电换能器开路电压与产生电能分析  50-66
    3.2.1 理论模型的建立  50-59
    3.2.2 理论模型的数值模拟与分析  59-66
      3.2.2.1 Rainbow 型压电换能器电压分布有限元仿真  59
      3.2.2.2 Rainbow 型压电换能器开路电压的有限元仿真  59-61
      3.2.2.3 理论模型的数值模拟  61-66
  3.3 RAINBOW 型压电换能器的机电耦合系数分析  66-72
    3.3.1 理论模型的建立  66-70
    3.3.2 理论模型的数值模拟与分析  70-72
  3.4 本章小结  72-73
第四章立方体状多方向压电振动能量收集装置设计与分析  73-97
  4.1 立方体状多方向压电振动能量收集装置动力学分析  73-86
    4.1.1 理论分析  73-84
    4.1.2 装置谐振频率的数值模拟  84-86
  4.2 立方体状多方向压电振动能量收集装置输出功率分析  86-93
    4.2.1 理论模型的建立  86-89
    4.2.2 理论模型的数值模拟与分析  89-93
  4.3 立方体状多方向压电振动能量收集装置能量转化效率分析  93-96
    4.3.1 理论模型的建立  93-94
    4.3.2 理论模型的数值模拟与分析  94-96
  4.4 本章小结  96-97
第五章立方体状多方向压电振动能量收集装置制作与试验研究  97-110
  5.1 小型多方向环境振动模拟平台设计与试验  97-102
    5.1.1 小型多方向环境振动模拟平台的功能需求分析  97-98
    5.1.2 小型多方向环境振动模拟平台结构设计  98
    5.1.3 小型多方向环境振动模拟平台控制算法及实验  98-102
  5.2 立方体状多方向压电振动能量收集装置试验研究  102-109
    5.2.1 零部件材料的选取  102-103
    5.2.2 结构参数优化  103-106
    5.2.3 试验设备与试验方法  106
    5.2.4 试验结果及分析  106-109
  5.3 本章小结  109-110
第六章蒲公英状多方向压电振动能量收集装置发电性能研究初探  110-128
  6.1 悬臂梁压电发电结构开路电压与产生电能分析  110-120
    6.1.1 理论模型的建立  110-115
    6.1.2 理论模型的数值模拟与分析  115-120
      6.1.2.1 悬臂梁压电发电结构开路电压的有限元仿真  115-117
      6.1.2.2 理论模型的数值模拟与分析  117-120
  6.2 蒲公英状多方向压电振动能量收集装置输出功率分析  120-124
    6.2.1 理论模型的建立  120-121
    6.2.2 理论模型的数值模拟与分析  121-124
  6.3 蒲公英状多方向压电振动能量收集装置试验研究  124-127
  6.4 本章小结  127-128
第七章全文总结与展望  128-132
  7.1 本文研究总结与主要结论  128-130
  7.2 下一步工作展望与建议  130-132
参考文献  132-140
致谢  140-141
在学期间的研究成果及发表的学术论文  141

多方向压电振动能量收集方法及性能优化关键技术研究

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