雙穩(wěn)態(tài)壓電振動發(fā)電機關鍵技術研究.pdf

1、為了保障電力供應系統(tǒng)的連續(xù)供給，發(fā)電設備和供電設備都需要具有遠程監(jiān)測、故障診斷與故障恢復能力。但是這些電力設備的特點是數(shù)量多、分布廣、工作環(huán)境惡劣，使得用于監(jiān)測電力設備的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點難以獲得可靠、持久、穩(wěn)定的電源。基于壓電效應的雙穩(wěn)態(tài)壓電振動發(fā)電機能夠?qū)h(huán)境中的振動能量轉(zhuǎn)換為電能，可以為無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點等低功耗的電子設備無限、持續(xù)地供電，有效解決了無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點在惡劣環(huán)境中電力供給難題。本文以提高雙穩(wěn)態(tài)壓電振動發(fā)電機在不同激

2、勵環(huán)境下的發(fā)電能力為口標，采用理論建模、數(shù)值仿真和實驗驗證的研究方法，對雙穩(wěn)態(tài)壓電振動發(fā)電機系統(tǒng)關鍵技術進行了深入研究。主要研究內(nèi)容及成果如下：
　　(1)基于單自由度雙穩(wěn)態(tài)壓電振動發(fā)電結(jié)構(gòu)的機電耦合模型研究。建立雙穩(wěn)態(tài)壓電振動發(fā)電機系統(tǒng)的集總參數(shù)機電耦合模型，通過引入模型修正因子，降低了懸臂梁分布質(zhì)量引起的集總參數(shù)模型誤差?；趹冶哿涸诖髶隙茸冃螘r應變與位移的非線性，提出改進的計算雙穩(wěn)態(tài)壓電振動發(fā)電機模型參數(shù)的方法，降低了系統(tǒng)剛

3、度系數(shù)、阻尼系數(shù)、機電耦合系數(shù)非線性變化引起的模型誤差，實驗結(jié)果表明，改進后的模型參數(shù)計算方法提高了電壓的計算精度。
　　(2)基于系統(tǒng)的機電耦合模型，研究了雙穩(wěn)態(tài)壓電振動發(fā)電機系統(tǒng)動力學特性和發(fā)電特性。對系統(tǒng)動力學特性研究結(jié)果表明:當激勵頻率由小到大變化時，雙穩(wěn)態(tài)壓電振動發(fā)電機系統(tǒng)先后經(jīng)歷小幅周期運動、大幅周期運動、倍周期運動和混沌運動，最后又回到小幅周期運動;當激勵幅值由小到大變化時，雙穩(wěn)態(tài)壓電振動發(fā)電機系統(tǒng)先后經(jīng)歷小幅周期運

4、動、大幅周期運動、混沌運動、倍周期運動，最后又到混沌運動。對系統(tǒng)發(fā)電特性研究結(jié)果表明:大幅周期運動和混沌運動狀態(tài)下系統(tǒng)輸出的開路電壓能夠滿足能量管理電路對輸入電壓的要求，且大幅周期運動狀態(tài)下雙穩(wěn)態(tài)壓電振動發(fā)電機輸出電壓的有效值最大，實驗結(jié)果表明，同樣的負載條件下，大幅周期運動狀態(tài)下雙穩(wěn)態(tài)壓電振動發(fā)電機的輸出功率最大。
　　(3)基于系統(tǒng)幅值閾值設計的難點，開展對雙穩(wěn)態(tài)壓電振動發(fā)電機系統(tǒng)幅值閾值優(yōu)化研究。分析雙穩(wěn)態(tài)振動系統(tǒng)幅值閾值求

5、解方法，推導計算雙穩(wěn)態(tài)壓電振動發(fā)電機系統(tǒng)幅值閾值的表達式。研究激勵頻率、磁間距、懸臂梁幾何參數(shù)等因素對雙穩(wěn)態(tài)壓電振動發(fā)電機系統(tǒng)幅值閾值的影響規(guī)律，提出雙穩(wěn)態(tài)壓電振動發(fā)電機系統(tǒng)幅值閾值的優(yōu)化方法，并對優(yōu)化效果進行實驗驗證。
　　(4)提出二自由度雙穩(wěn)態(tài)壓電振動發(fā)電機結(jié)構(gòu)，通過增加彈性裝置，放大作用于懸臂梁上的激勵振幅?；诙杂啥入p穩(wěn)態(tài)壓電振動發(fā)電機新結(jié)構(gòu)，構(gòu)建其系統(tǒng)的動力學模型，并對二自由度雙穩(wěn)態(tài)壓電振動發(fā)電機的動力學特性和發(fā)電特