压电—磁电振动能量收集器的设计与实现

发布时间：2019-10-29 18:50

【摘要】：MEMS技术和低功耗技术迅速发展的今天,无线传感网络及小型便携式电子终端的使用越来越多,传统电池供电时间短、需要频繁更换、对环境有污染、回收困难等问题,使得有效的能源供给成为亟待解决的问题。人们希望在更小的尺度范围内,找到一种能够独立、持久、长时间免维护的清洁能源来取代传统电池成为能源供给,为此能量收集技术应运而生。环境中可收集的能量包括:振动能、温差能、太阳能、风能、磁能等,其中振动能普遍存在,相比其他形式能量更具稳定性。目前振动能量收集技术主要包括压电式、电磁式和静电式三种形式,本文将其中的压电式和电磁式能量收集结合起来,设计和实现了一种复合式振动能量收集器。压电部分采用悬臂梁式结构,通过改变质量块质量调节共振频率,以达到收集不同频率振动能量的目的;磁电部分利用永磁体作为质量块,在压电片一端与线圈配合形成电磁能量收集;接着从压电和磁电原理入手,通过方程定性分析影响装置输出的各项因素;同时利用COMSOL Multiphysics有限元分析软件,分别对压电和磁电部分进行建模仿真,在确定最优参数的同时提供与实际测试比对的仿真数据。压电部分和磁电部分输出存在相位差,通过添加移相电路使压电部分和磁电部分的输出达到相位一致。两种能量收集直接输出的是交流电能,一般不能直接为器件供能,所以利用整流电路把交流转换为直流后,将输出电能存储在相应的电容中再为传感器等小型器件供电。利用3D打印技术设计和制作能量收集器外壳,在搭建好振动测试平台后,对能量收集器进行实物测试。经测试,压电输出功率为0.7845m W,磁电输出功率为6.8692m W,而压电磁电直接串联输出仅为6.3263m W,这说明有相位差的两种输出存在功率抵消现象;使用移相电路后得到联合输出为7.5944m W,基本为压电与磁电输出之和,即移相电路的使用可以减少两种输出的相互抵消。与单一的压电结构相比,该复合结构的能量收集器实现了输出功率的极大提升。
【图文】：

悬臂梁结构,经典,压电片

振动能量收集主要通过环境中实物所发出的各种振动对可以材料施加压力使其发生形变，从而改变材料的内部结构，这内部产生固定的分离的正负电荷，继而影响压电材料表面的产生电能，完成从机械能到电能的转化。振动能量收集主要采用悬臂梁结构，具体如图 1-1 所示。该成：固定端、压电片、质量块。压电片的一侧与固定端相连压在压电片的另一侧。固定端在固定压电片的同时，将环境压电片，使压电片跟随环境做机械振动；压电片振动会产生形内部产生固定的正负电荷，这种正负电荷的产生就像一个固时若把压电片两端介入电路，则在此固定电势场的左右下，荷就会受到影响，按照同一方向流动形成电流。处在压电片，是调节整个压电系统频率的关键组成部分，在可承受范围以导致系统有不同的共振频率，不仅如此，质量块的添加可压电材料的弯曲程度，使整个系统在不发生故障的同时极大输出功率。

收集器,磁力,收集装置

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文频率工作。为此国内外研究人员在悬臂梁结构的基础上研究和于拓展振动能量收集频率的工作：la V R 等人针对振动频率多变的问题，设计了一种能够人工调量收集装置，如图 1-2 所示。该能量收集装置通过在振动端安式，，不仅解决了质量块由于自然重力使压电片向下弯曲的问题距离的调整，还可以用来调节整个装置的共振频域。整个装置z 的频率范围内达到共振。这也是早期调节压电能量收集共振型的方式[18]。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM619

【参考文献】