微風(fēng)驅(qū)動的寬頻帶旋轉(zhuǎn)式壓電發(fā)電機設(shè)計.pdf

1、隨著便攜電子設(shè)備和無線傳感器的廣泛應(yīng)用，利用環(huán)境中的可再生能源為其提供實時電量已成為研究熱點。振動能在環(huán)境中存在范圍廣，資源豐富且無污染，適用于為便攜式設(shè)備供能，而風(fēng)可使物體產(chǎn)生振動。然而，目前基于風(fēng)能的發(fā)電設(shè)備主要是在較大風(fēng)速環(huán)境中發(fā)電或利用較高頻率振動能發(fā)電的發(fā)電機。為了實現(xiàn)對微風(fēng)環(huán)境下的低頻振動能量的利用，本文設(shè)計了一種微風(fēng)驅(qū)動的寬頻帶旋轉(zhuǎn)式壓電發(fā)電機。該發(fā)電機結(jié)構(gòu)主要包括:風(fēng)力傳動、壓電發(fā)電以及增頻緩沖三部分。在微風(fēng)驅(qū)動下，風(fēng)力

2、傳動部分通過旋轉(zhuǎn)將風(fēng)力轉(zhuǎn)化為迫使壓電發(fā)電部分產(chǎn)生振動的驅(qū)動力，根據(jù)壓電效應(yīng)，壓電發(fā)電部分將振動轉(zhuǎn)化為電能輸出。該發(fā)電機結(jié)構(gòu)中加入增頻緩沖部分，用來增加工作頻帶寬，同時可以限制壓電發(fā)電部分的振動位移對其加以保護。本文的主要工作如下:
　　首先，以垂直軸為基本形式設(shè)計了微風(fēng)驅(qū)動的寬頻帶旋轉(zhuǎn)式壓電發(fā)電機的總體結(jié)構(gòu)。其中，為減小啟動風(fēng)速，發(fā)電機整體為垂直軸，風(fēng)力傳動部分采用S型葉輪;壓電發(fā)電部分采用壓電懸臂梁;為增大工作頻帶寬收集更大范圍

3、風(fēng)能，在發(fā)電機結(jié)構(gòu)中加入增頻緩沖部分，并且針對增頻緩沖部分設(shè)計了兩種結(jié)構(gòu)形式:塊狀結(jié)構(gòu)和圓弧狀結(jié)構(gòu)。
　　其次，梳理了發(fā)電機風(fēng)力傳動部分的理論計算公式，包括磁鐵間的作用力等物理量的計算。根據(jù)所得公式設(shè)計該部分各零件的尺寸，計算其輸出功率、風(fēng)能利用效率等參數(shù)，并推導(dǎo)得出葉輪上游風(fēng)速與葉輪轉(zhuǎn)速的線性關(guān)系。
　　然后，針對發(fā)電機增頻緩沖部分的兩種結(jié)構(gòu):塊狀結(jié)構(gòu)和圓弧狀結(jié)構(gòu)，分別建立其理論模型并進行仿真分析。當(dāng)增頻緩沖部分為塊狀結(jié)構(gòu)

4、時，對壓電懸臂梁與塊狀結(jié)構(gòu)碰撞過程提出不同的分析建模方式:將壓電懸臂梁與塊狀結(jié)構(gòu)看作兩個對象或看作一個整體進行分析。比較仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，塊狀結(jié)構(gòu)能夠在非最佳風(fēng)速下增加輸出功率，且前一種計算繁瑣，后一種分析簡潔清晰。比較增頻緩沖部分的兩種結(jié)構(gòu)形式，在相同情況下，圓弧狀結(jié)構(gòu)能夠使壓電懸臂梁的輸出電壓更大，但與塊狀結(jié)構(gòu)相比使用起來受限較多，安裝要求高。
　　最后，為改善壓電發(fā)電機輸出性能，根據(jù)其壓電發(fā)電及增頻緩沖部分結(jié)構(gòu)的特點搭建實驗平臺

5、，測試了加入增頻緩沖部分對壓電發(fā)電機輸出性能的影響，驗證了增頻緩沖部分能夠增大壓電發(fā)電機的工作頻帶寬，并對壓電發(fā)電及增頻緩沖部分幾項重要參數(shù)進行優(yōu)化。優(yōu)化測試結(jié)果表明:當(dāng)驅(qū)動輪上磁鐵數(shù)量為4，固定在驅(qū)動輪與壓電懸臂梁自由端的磁鐵間距d為10mm～15mm，塊狀緩沖結(jié)構(gòu)在橫向間距Δl為7mm和縱向間距△為0.8mm～1.2mm的位置時，壓電發(fā)電機有最好的輸出性能。
　　本文通過在旋轉(zhuǎn)式壓電發(fā)電機系統(tǒng)中加入增頻緩沖部分，可將工作風(fēng)速范