多方向壓電振動能量收集方法及性能優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著微機(jī)電技術(shù)和精密加工制造技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代機(jī)電產(chǎn)品日趨微型化和人性化且其應(yīng)用也日趨廣泛。目前，微機(jī)電產(chǎn)品的能量供給主要依賴于化學(xué)電池，化學(xué)電池在使用過程中的諸多弊端如體積大、壽命有限、需要定期更換及易造成環(huán)境污染等使得研制長壽命、清潔環(huán)保及微型化的新能源成為亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。
　　本文從微型能量供給技術(shù)的研究進(jìn)展出發(fā)，從能量的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換及其應(yīng)用研究等方面綜合比較了各種形式微能源的優(yōu)劣?；诰哂休^高的能量密度、清潔環(huán)

2、保、工作可靠及易于微型化等諸多優(yōu)點，提出了研究環(huán)境振動驅(qū)動的壓電式振動能量收集裝置。針對目前研究者所提出的壓電振動能量收集裝置只能進(jìn)行某個單一方向環(huán)境振動能量的收集的特點，同時考慮到環(huán)境振源的多方向性，本文主要研究環(huán)境振動驅(qū)動的多方向壓電式振動能量收集裝置的理論計算、有限元仿真、優(yōu)化分析及試驗研究等關(guān)鍵技術(shù)。
　　利用環(huán)境振動驅(qū)動的多方向壓電式振動能量收集的最顯著特點就是其多方向性，本文綜合考慮了單方向性壓電振動能量收集裝置的結(jié)構(gòu)

3、形式，提出了兩種新穎的多方向壓電振動能量收集裝置，即立方體狀多方向壓電振動能量收集裝置和蒲公英狀多方向壓電振動能量收集裝置。重點進(jìn)行了立方體狀多方向壓電振動能量收集裝置的分析、計算與試驗研究，對蒲公英狀多方向壓電振動能量收集裝置的發(fā)電性能進(jìn)行了初步探索。
　　本文首先對立方體狀多方向壓電振動能量收集裝置的關(guān)鍵部件——Rainbow型壓電換能器進(jìn)行了全面研究。根據(jù)虛功原理，建立了Rainbow型壓電換能器的動力學(xué)理論模型并進(jìn)行了數(shù)值

4、模擬分析。根據(jù)彈性結(jié)構(gòu)力學(xué)理論和壓電學(xué)理論建立了Rainbow型壓電換能器的理論發(fā)電模型，并就鈹青銅和鋼兩種常見的金屬彈性基片材料Rainbow型壓電換能器的發(fā)電性能進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，所得結(jié)論可為研究Rainbow型壓電換能器的發(fā)電性能及其優(yōu)化設(shè)計提供指導(dǎo)。根據(jù)壓電學(xué)理論和能量的轉(zhuǎn)換原理建立了Rainbow型壓電換能器機(jī)電耦合系數(shù)的理論分析模型，為研究換能器結(jié)構(gòu)機(jī)械能與電能間轉(zhuǎn)換的強(qiáng)弱提供參考。
　　為從整體上研究立方體狀多方向

5、壓電振動能量收集裝置的發(fā)電性能，本文接著根據(jù)振動的合成與分解原理建立了立方體狀多方向壓電振動能量收集裝置的動力學(xué)理論模型，并數(shù)值模擬分析了立方體狀多方向壓電振動能量收集裝置主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對其諧振頻率的影響關(guān)系。在上述研究基礎(chǔ)上，為了研究立方體狀多方向壓電振動能量收集裝置與能量存儲電路間的相互機(jī)電耦合作用，根據(jù)電路學(xué)原理，建立了裝置負(fù)載電壓與負(fù)載功率的理論模型，并數(shù)值模擬了外部激勵條件、結(jié)構(gòu)參數(shù)及所接負(fù)載對裝置負(fù)載功率的影響。最后，建立了立

6、方體狀多方向壓電振動能量收集裝置能量轉(zhuǎn)化效率的理論模型并進(jìn)行了數(shù)值模擬與分析。上述研究、分析為從理論上預(yù)測、評估立方體狀多方向壓電振動能量收集裝置的發(fā)電性能提供了重要理論依據(jù)。
　　為了實際測試和驗證立方體狀多方向壓電振動能量收集裝置的發(fā)電性能，本文接著進(jìn)行了立方體狀多方向壓電振動能量收集裝置的試驗研究。研究中首先根據(jù)多方向振動能量收集的試驗需要，設(shè)計并制作了小型多方向環(huán)境振動模擬平臺，為模擬實際環(huán)境的多方向振動及立方體狀多方向壓

7、電振動能量收集裝置的多方向振動能量收集試驗提供了支持和保障。最后，對設(shè)計、制作的立方體狀多方向壓電振動能量收集裝置試驗樣機(jī)的發(fā)電性能進(jìn)行了實際測試。試驗結(jié)果表明，在外部激勵頻率為136 Hz、激勵方向為Y向時，立方體狀多方向壓電振動能量收集裝置負(fù)載功率達(dá)到了0.139 mW;當(dāng)外部激勵方向變化時，最大負(fù)載功率達(dá)到了0.28 mW，且立方體狀多方向壓電振動能量收集裝置對外部激勵方向的選擇性較弱，有利于環(huán)境多方向振動能量的收集。
　　

8、為初步了解蒲公英狀多方向壓電振動能量收集裝置的發(fā)電性能，本文最后對蒲公英狀多方向壓電振動能量收集裝置中一種最簡單的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了發(fā)電能力的初步探索，為全面、深入研究蒲公英狀多方向壓電振動能量收集裝置提供參考。根據(jù)力學(xué)基本理論和壓電學(xué)理論，建立了懸臂梁壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)開路電壓及產(chǎn)生電能的理論模型并進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。為從整體上了解蒲公英狀多方向壓電振動能量收集裝置的發(fā)電性能，建立了裝置負(fù)載電壓與負(fù)載功率的理論模型，并數(shù)值模擬了外部激勵條件、結(jié)