薄片式Galfenol能量收集器的设计与研究

发布时间：2017-09-12 00:01

  本文关键词：薄片式Galfenol能量收集器的设计与研究

  更多相关文章： 振动能量收集 磁致伸缩材料 Galfenol 悬臂梁 单因素实验 正交实验

【摘要】：近年来随着科技的发展,能源问题越来越受到各界专家和学者的密切关注,除了从根本上减少资源浪费,加大资源的利用效率外,发掘和利用新型能源来代替传统的不可再生资源已经成为国内外学者的研究重点。机械振动能是众多能量存在形式中覆盖范围最广的能量形式之一,它不受气候、时间和地域的影响,伴随着也诞生了多种基于机械振动能的能量收集方式。传统的能量收集技术有静电式、电磁式和压电式。随着对磁致伸缩材料研究的深入,随之诞生的磁致伸缩式能量收集技术也越来越受到专家学者们的关注。本文基于薄片状磁致伸缩材料设计制作了一套振动能量收集器,并展开了相关研究。首先,对比了磁致伸缩材料相对于其它智能材料在能量收集领域的优点,分析了利用磁致伸缩材料进行能量收集的基本原理。在众多磁致伸缩材料中,着重对Galfenol和Terfenol-D进行了性能对比。由于前者具有良好的机械性能,能够适应不同的器件结构,而且不含稀土元素价格低廉。因此,将Galfenol作为本文研究所用的智能材料。其次,根据Galfenol的机电转换原理得出其本构关系,并引入了磁滞模型建立了Galfenol的磁化强度模型。再根据Jiles-Atherton模型、经典的机电耦合模型、电磁感应定律、电磁学原理得出Galfenol振动能量收集的数学模型。再次,基于悬臂梁结构在能量收集技术方面的优点(主要表现为结构简单且易于微型化),本文设计的振动能量收集器的主体结构即为悬臂梁结构。对悬臂梁进行了弯曲振动分析和基座在简谐激励作用下的强迫振动分析,在此基础上对四种形状(矩形、梯形、三角形和双曲线形)悬臂梁通过相关的理论计算进行了性能对比,并利用Ansys软件对悬臂梁进行静力学分析、模态分析和谐响应分析,确定了悬臂梁的尺寸和固有频率以及不同振动频率作用下,装置的输出电压的响应情况。除此之外,还对装置的其他部件进行了相关设计。通过Matlab软件结合不同形状悬臂梁的应力应变理论计算过程,对振动能量收集的数学模型进行模拟仿真输出,在激振幅值为20um,激振频率为其各自的一阶固有频率时,数学模型仿真输出的感应电压峰峰值分别为145.7mV、177.8.4mV、225.3mV、279.7mV。最后,设计制作了实验样机,并对其分别进行了四种形状悬臂梁样机的输出性能对比实验、双曲线式实验样机的单因素实验和正交实验。实验结果表明四种悬臂梁形状的实验样机中,双曲线式能量收集器的输出感应电压峰峰值最高,平均可达269.8mV;在单一因素实验中,分别得出了激振频率、激振幅值以及偏置磁场与双曲线式实验样机的输出感应电压峰峰值的关系;在正交实验结果分析过程中,得出三个影响因素中激振幅值对实验样机的输出性能影响程度最为显著。
【关键词】：振动能量收集 磁致伸缩材料 Galfenol 悬臂梁 单因素实验 正交实验
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB381;TB535
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-19
• 1.1 课题研究背景与意义10
• 1.2 振动能量收集技术的研究现状10-16
• 1.2.1 电磁式能量收集技术10-12
• 1.2.2 压电式能量收集技术12-13
• 1.2.3 静电式能量收集技术13-15
• 1.2.4 磁致伸缩式能量收集技术15-16
• 1.3 课题研究内容论文工作安排16-19
• 1.3.1 课题的主要研究内容16-17
• 1.3.2 论文撰写工作安排17-19
• 第二章 薄片式Galfenol振动能量收集数学模型的建立19-28
• 2.1 引言19
• 2.2 Galfenol振动能量收集的基本原理19-26
• 2.2.1 磁致伸缩材料及其基本性能19-20
• 2.2.2 Galfenol的性能概述20
• 2.2.3 Galfenol的机电转换原理20-23
• 2.2.4 Galfenol的本构关系23-24
• 2.2.5 Galfenol的磁化强度模型24-26
• 2.3 薄片式Galfenol振动能量收集的数学模型26-27
• 2.4 本章小结27-28
• 第三章 薄片式Galfenol能量收集器的结构设计28-49
• 3.1 引言28
• 3.2 梁的弯曲振动分析28-35
• 3.2.1 梁的动力平衡方程及振型函数28-31
• 3.2.2 能量收集器基座在简谐激励作用下的强迫振动分析31-35
• 3.3 振动能量收集器的结构设计35-46
• 3.3.1 振动能量收集器的整体结构设计35-36
• 3.3.2 悬臂梁的设计36-43
• 3.3.3 感应线圈骨架的设计43-44
• 3.3.4 感应线圈的设计44-45
• 3.3.5 偏置磁场的设计45-46
• 3.4 薄片式Galfenol能量收集器的仿真分析46-48
• 3.5 本章小结48-49
• 第四章 薄片式Galfenol能量收集器的实验研究49-62
• 4.1 引言49
• 4.2 能量收集器的样机制作49-50
• 4.3 实验平台的搭建50-52
• 4.3.1 实验原理50-51
• 4.3.2 实验平台的组成与搭建51-52
• 4.4 实验设计与分析52-61
• 4.4.1 实验设计52-53
• 4.4.2 不同形状悬臂梁实验与结果分析53-54
• 4.4.3 单因素变化实验与结果分析54-56
• 4.4.4 正交实验与结果分析56-61
• 4.5 本章小结61-62
• 第五章 总结与展望62-64
• 5.1 论文总结62-63
• 5.2 研究展望63-64
• 致谢64-65
• 参考文献65-70
• 附录 作者在读期间发表的学术论文及参加的科研项目70

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1 ;简易自动部分收集器的制造[J];微生物学通报;1975年02期

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3 ;凝胶渗透色谱的自动级分收集器[J];石油炼制与化工;1976年05期

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8 杨惠珍;吴丽冰;沈伟琪;呼格吉乐;;新型垃圾收集器的设计与制作[J];科技资讯;2010年35期

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10 林宏;生料收集器的研究开发[J];新世纪水泥导报;2002年01期

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2 贾腾飞;刘春霞;苏勇;;一种带垃圾收集器混凝土搅拌运输车[A];自主创新、学术交流——第十届河南省汽车工程科学技术研讨会论文集[C];2013年

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6 吉林 金克华;航星GZZ(GDZ)-D系列 自动烘干机的维护与故障排除[N];电子报;2012年

7 张孟军;一声长叹入大漠[N];科技日报;2004年

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本文编号：833832