磁励旋转式圆形压电振子发电机的设计与试验研究

摘要

压电发电机是利用压电效应来达到机电能量转换的目的，相比于其他微型发电装置，其具有结构简单样式多、工作过程中不发热、无电磁干扰、易于实现结构上的微小化与集成化、不会造成污染及能量密度高等诸多优点。因此，为满足旋转机械的自供电传感监测系统（如直升机螺旋桨、汽车压力轮胎、高速列车主轴等）的使用需求，本文提出磁励旋转式圆形压电振子发电机，并从理论和试验两方面对发电机的输出特性进行研究，具体研究内容如下:
　　1.分析了压电发电机国内外研究现状及应用实例，研究了现有的压电发电机存在的不足，针对其存在的振动噪声大、可靠性低等弊端，及旋转机械健康监测系统自供电的需求，提出了非接触激励、压电振子轴向弯曲变形的磁励旋转式圆形压电振子发电机。
　　2.分析了压电振子的性能参数及其支撑方式，利用有限元软件对矩形悬臂梁振子及圆形压电振子进行了模态分析，研究了简支及固支圆形压电振子的形变量，确定了压电振子的结构形式，即固支圆形压电振子，分析了圆形压电振子结构参数对基频的影响。
　　3.分析了磁励旋转式压电发电机的基本结构及工作原理，获得了影响其性能的关键要素，建立了磁励旋转式发电机的数学模型，测试了按水平及圆周方向均布的激励磁铁在吸引、排斥、吸排间隔三种激励方式下激振力的变化规律，获得了间隙比、距离比、弧长比等对激振力的影响规律;利用数值仿真软件，分析了周期比、载荷作用时间、转速及质量等因素对压电振子位移响应的影响规律。
　　4.设计制作了试验样机，搭建了试验测试系统，得到了单个磁铁激励时激励磁铁数量、激励频率、激励方式、附加质量、回转半径等因素对发电机输出电压的影响规律，并分析了发电机的时域响应。同时为更好地了解发电机的性能，研究了组合磁铁激励时每组激励磁铁数量及转速对发电机输出性能的影响规律，并以能量系数来表征输出电能的规律。

目录

论文说明

摘要

第1章 绪论

1．1 前言

1．2 研究背景和意义

1．3 压电发电装置的国内外研究现状

1．3．1 国外研究现状

1．3．2 国内研究现状

1．4 本文的主要研究内容

第2章 压电振子的设计与分析

2．1 压电发电基础理论

2．1．1 压电陶瓷主要性能参数

2．1．2 压电振子的支撑方式

2．2 压电振子的仿真分析

2．2．1 压电振子形式的确定

2．2．2 简支与固支圆形压电振子的对比分析

2．2．3 固支圆形压电振子结构参数对基频的影响

2．3 本章小结

第3章 磁励旋转式圆形压电振子发电机的建模与仿真分析

3．1 磁励旋转式圆形压电振子发电机的结构与工作原理

3．2 磁励旋转式压电发电机的建模与分析

3．2．1 磁励旋转式压电发电机的输出性能建模

3．2．2 磁励旋转压电发电机激振力的确定

3．2．3 磁励旋转发电机输出性能的数值分析

3．3 本章小结

第4章 磁励旋转式圆形压电振子发电机的设计与试验

4．1 磁励旋转式圆形压电振子发电机的设计与制作

4．2 单个磁铁激励的旋转式圆形压电振子发电机的试验研究

4．2．1 激励磁铁数量及转速对发电机输出电压的影响

4．2．2 周期比及激励频率对发电机输出电压的影响

4．2．3 激励方式对发电机输出电压的影响

4．2．4 附加质量对发电机输出电压的影响

4．2．5 回转半径对发电机输出电压的影响

4．3 单个磁铁激励的旋转式圆形压电振子发电机的时域响应

4．4 组合磁铁激励的旋转式圆形压电振子发电机试验研究

4．4．1 组合磁铁数量对旋转式圆形压电振子发电机输出电压的影响

4．4．2 组合磁铁激励的旋转发电机输出电能／能量的研究

4．5 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间取得的研究成果

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