圓盤式壓電發(fā)電裝置發(fā)電性能及其關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、近年來(lái)，隨著微機(jī)電系統(tǒng)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，便攜式微電子產(chǎn)品無(wú)論是在軍事領(lǐng)域還是在民用工業(yè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，但以化學(xué)電池為微電子、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和MEMS等低耗能器件的供能方式存在質(zhì)量大、體積大（不利于電子產(chǎn)品微型化）、壽命有限、需定期更換以及由此產(chǎn)生的環(huán)境污染等諸多問(wèn)題。因此，如何向微電子產(chǎn)品無(wú)線供能已經(jīng)成為當(dāng)前迫切需要解決的問(wèn)題?；趬弘娔芰哭D(zhuǎn)換的壓電發(fā)電裝置是解決此問(wèn)題的一個(gè)行之有效的方法，通過(guò)壓電發(fā)電裝置俘獲微電子器件工作環(huán)

2、境中的振動(dòng)能并將其轉(zhuǎn)化為電能，從而實(shí)現(xiàn)為微電子器件無(wú)線供能。由于懸臂梁壓電振子直接承載能力小，不能直接應(yīng)用于高載環(huán)境中。針對(duì)此問(wèn)題，本文將以承載能力大且不需任何附加裝置就可直接應(yīng)用于高載環(huán)境中的圓盤式壓電發(fā)電裝置為研究對(duì)象，針對(duì)幾種典型的圓盤式壓電發(fā)電裝置的理論計(jì)算模型、結(jié)構(gòu)分析和輸出性能進(jìn)行全面的研究。
　　鈸型壓電振子是一種典型的圓盤式壓電換能器，本文首先以鈸型壓電發(fā)電裝置為研究對(duì)象，根據(jù)碟簧理論和壓電理論，建立了鈸型壓電發(fā)電

3、裝置的理論發(fā)電模型并進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。利用有限元手段分析了其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)壓電振子輸出電壓和諧振頻率的影響關(guān)系，針對(duì)鈸型壓電振子存在環(huán)向應(yīng)力集中而導(dǎo)致其力電轉(zhuǎn)化效率降低的問(wèn)題，提出了幾種對(duì)鈸型壓電振子進(jìn)行開(kāi)槽結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方式，分析了槽結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其輸出性能的影響關(guān)系并確定了其中發(fā)電性能最佳的開(kāi)槽形式。在此基礎(chǔ)上，為了研究壓電振子結(jié)構(gòu)與能量存儲(chǔ)電路間的相互機(jī)電耦合作用，建立了鈸型壓電振子—能量存儲(chǔ)電路多物理場(chǎng)機(jī)電耦合作用分析模型，并分析了振

4、動(dòng)頻率和負(fù)載對(duì)壓電發(fā)電裝置輸出性能的影響關(guān)系，為鈸型壓電發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論依據(jù)。
　　接著以力電轉(zhuǎn)化效率更高的鼓型壓電發(fā)電裝置為研究對(duì)象。利用薄板振動(dòng)理論和壓電理論，建立了鼓型壓電換能器的諧振頻率計(jì)算模型。將鼓型換能器作為壓電振子進(jìn)行壓電發(fā)電性能研究，建立了鼓型壓電發(fā)電裝置發(fā)電性能的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行數(shù)值模擬分析。對(duì)鼓型壓電振子進(jìn)行有限元仿真分析，獲得了其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)鼓型壓電振子諧振頻率和發(fā)電特性的影響規(guī)律，并在此基礎(chǔ)

5、上，對(duì)鼓型壓電振子—能量存儲(chǔ)電路進(jìn)行了多物理場(chǎng)機(jī)電耦合作用仿真分析，為鼓型壓電發(fā)電裝置的實(shí)際應(yīng)用提供了理論依據(jù)。
　　在綜合考慮了這兩種壓電換能器的優(yōu)點(diǎn)后，提出了一種鈸鼓復(fù)合型壓電換能器，它既具有鈸型換能器高的承載能力還具有鼓型換能器高的機(jī)電能量轉(zhuǎn)化效率。首先分析了鈸鼓復(fù)合型換能器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其發(fā)電、變形性能和諧振頻率的影響關(guān)系，以此確定換能器合理的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)；然后建立復(fù)合型壓電振子—能量存儲(chǔ)電路的機(jī)電耦合作用分析模型，針對(duì)負(fù)

6、載和振動(dòng)頻率對(duì)壓電發(fā)電裝置輸出性能的影響關(guān)系進(jìn)行了研究。
　　綜合前述章節(jié)的研究?jī)?nèi)容，根據(jù)壓電振子的發(fā)電特點(diǎn)和實(shí)際需要，選擇并設(shè)計(jì)了合理的能量存儲(chǔ)電路；采用合理工藝制造了壓電振子實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，最大程度地減小工藝環(huán)節(jié)的誤差對(duì)壓電振子各項(xiàng)性能指標(biāo)的影響；最后分別對(duì)本文所研究的幾種壓電發(fā)電裝置的發(fā)電性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。研究結(jié)果表明，壓電發(fā)電裝置輸出功率隨振動(dòng)頻率增加而增加；隨負(fù)載的增大先增大后減小，存在一個(gè)最佳的匹配負(fù)載使輸出功率達(dá)到最大，實(shí)