提高压电振动发电机发电能力的理论及关键技术研究

摘要

为了不断的提供电力，发电和供电设备应具有故障诊断和恢复能力，无线传感器网络在线监测系统以其性能稳定、可靠和移动方便、灵活等优点而得到广泛的应用。但是，由于传感器节点众多，且不易停机更换供能器件，致使传统的电池供电方式已不能满足要求。应用微机电加工技术制造的悬臂梁压电振动发电机，可以持续地为低功耗器件提供能量。由于存在理论基础薄弱和苛刻的环境振动频率需求的缺点，致使悬臂梁压电发电机的广泛应用受到了一定限制。针对上述问题，本文深入研究了悬臂梁压电发电机分布参数的机电耦合力学模型，并且对旁路电容及发电机阵列整合技术进行了全面、系统的分析，力求提高有限体积下悬臂梁压电发电机的发电能力。 1.为了提高理论模型精度和有限体积下发电装置的发电能力，在分析压电材料机电转换理论的基础上，将悬臂梁压电发电机的分布质量引入参数模型中，以悬臂梁分布参数力学模型为基础，研究振动与输出电压的机电耦合作用，将机电耦合项引入稳态电压响应与相对固定支座的横向位移响应，建立了精确的分布参数机电耦合力学模型。同时，为了全面分析力学模型的准确性，采用有限元仿真软件，分析固有频率和开路输出电压特性，结合理论计算，研究结构和材料参数对发电性能的影响，进行结构优化设计，并通过实验测试，验证分析了单晶片、双晶片串联和双晶片并联型式压电发电机的发电能力，提高了有限体积下压电发电机的能量转换效率。 2.采用旁路电容调节压电梁的固有频率，克服了以往采用机械方式调节固有频率压电梁体积增大的缺点。研究压电梁的材料和结构参数对旁路电容频率调节范围的影响规律，提出材料和结构参数优化配置方案，扩大了压电梁固有频率调节范围。综合考虑压电梁的频率调节范围和发电能力，提出频率调节优化方式，提高了能量收集效率。为了节约成本和降低固有频率调节装置的体积，设计了二元电容阵列，实现了固有频率的连续调节。 3.为了扩大悬臂梁压电发电机的工作频率范围，提高能量转换效率，研究了集中质量块对运动控制方程、质量归一化函数、模态响应、激励项和机电耦合项等因素的影响，建立了具有集中质量块的悬臂梁压电发电机机电耦合的分布参数力学模型。分析了压电梁的振幅——固定支座加速度的转移函数及固有频率特性，研究了高能量输出密度的发电机阵列。以最低成本、最小体积和最大发电能力为目标，提出了融合旁路电容和压电发电机阵列的复合式振动发电机。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究的目的和意义

1．2 国内外研究进展

1．2．1 压电振动发电机结构性能研究

1．2．2 压电振动发电机基础理论研究

1．2．3 压电振动发电机谐振频率研究

1．2．4 对压电发电机研究的简要评价

1．3 本文的研究目标与内容

1．3．1 研究目标

1．3．2 研究内容

第2章 压电材料机电转换性能研究

2．1 引言

2．2 压电材料机电转换机理

2．3 压电效应与压电方程

2．4 压电材料分类与性能参数

2．4．1 压电材料分类

2．4．2 压电材料性能参数

2．5 压电材料机电转换模式

2．5．1 33型机电转换模式

2．5．2 31型机电转换模式

2．6 本章小结

第3章 压电振动发电机力学模型研究

3．1 引言

3．2 压电振动发电机结构

3．3 压电振动发电机力学建模

3．3．1 悬臂梁振动模型

3．3．2 单晶片压电发电机机电耦合振动模型

3．3．3 双晶片串联型式压电发电机机电耦合振动模型

3．3．4 双晶片并联型式压电发电机机电耦合振动模型

3．4 本章小结

第4章 压电振动发电机结构优化研究

4．1 引言

4．2 压电振动发电机发电性能有限元仿真研究

4．2．1 压电振动发电机结构参数与材料属性

4．2．2 压电振动发电机结构模型建立与网格划分

4．2．3 压电振动发电机模态与谐响应分析

4．2．4 压电振动发电机结构与材料参数优化研究

4．3 压电发电机发电能力实验研究

4．3．1 实验平台与工作原理

4．3．2 固有频率与开路电压测试

4．3．3 机械阻尼比测试

4．3．4 负载输出电压与功率测试

4．4 本章小结

第5章 压电发电机旁路电容频率调节研究

5．1 引言

5．2 旁路电吞频率调节理论建模与数值分析

5．2．1 旁路电容频率调节理论研究

5．2．2 旁路电容频率调节数值分析

5．3 旁路电容频率调节实验研究

5．3．1 压电电容测量

5．3．2 旁路电容阵列的构建

5．3．3 压电发电机频率调节与能量收集方案研究

5．3．4 压电发电机固有频率调节测试

5．3．5 压电发电机能量收集测试

5．4 本章小结

第6章 复合式振动发电机研究

6．1 引言

6．2 具有集中质量块的压电发电机性能研究

6．2．1 具有集中质量块的压电发电机力学模型

6．2．2 具有集中质量块的压电发电机仿真分析

6．2．3 具有集中质量块的压电发电机实验研究

6．3 压电发电机阵列研究

6．3．1 压电发电机阵列理论模型建立

6．3．2 压电发电机阵列性能参数研究

6．3．3 压电发电机阵列仿真研究

6．3．4 压电发电机阵列实验研究

6．4 复合式压电发电机阵列研究

6．4．1 复合式振动发电机的构建

6．4．2 复合式振动发电机的实验研究

6．5 本章小结

第7章 结论与展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简介