磁夹外伸梁调频的压电旋转发电机研究

发布时间：2020-03-21 14:52

【摘要】：为提高压电发电机可靠性、环境适应性,提出一种磁夹外伸梁调频的压电旋转发电机,即利用旋转磁铁激励磁夹式压电外伸梁构造压电发电机,从理论和试验两方面对其发电特性进行了研究,具体内容如下:1.建立了磁夹式压电外伸梁的有限元仿真模型,分析了宽度比、厚度比及杨氏模量比等因素对压电振子应力分布和变形的影响规律,以及夹持间距(夹持磁铁与受夹持磁铁相邻磁极间初始距离)和跨度比(固定端到夹持磁铁中心的跨度与其最大值之比)对其应力分布、固有频率及振型的影响规律,结果表明:(1)应力差随杨氏模量比/夹持间距/跨度比增大而减小,存在最佳的宽度比和厚度比使其应力分布较均匀;外伸梁端部位移随宽度比/厚度比/杨氏模量比增大而减小;(2)磁夹式压电外伸梁一阶固有频率随夹持间距/附加质量增大而减小、随跨度比增大而增大,且其一阶振型下压电晶片同一表面电荷极性相同、发电效果较好。2.建立了激励磁铁与受激磁铁间激振力的有限元仿真模型,研究了激励距离/磁铁厚度比/磁铁直径比/磁铁数量比(激励磁铁数与其最多均布数之比)对激振力的影响规律;建立了压电发电机动力学模型、设计了相应的MAPLE仿真程序,研究了磁铁数量比/等效刚度/阻尼比/附加质量对其输出性能的影响规律,结果表明:(1)激振力幅值随激励距离增大而减小、随磁铁厚度比增大而增大,存在最佳的磁铁直径比和磁铁数量比使其幅值最大;(2)激振力波形和磁铁直径比/磁铁数量比有关;随磁铁数量比增大,激振力从半正弦波变为正弦波激励,继而变为偏置的正弦波激励;(3)存在使振幅放大系数出现最大谐振峰的最佳磁铁数量比,且最大谐振峰幅值随阻尼比增大而减小、谐振峰数随磁铁数量比增大而减少;(4)存在多个使振幅放大系数出现谐振峰的最佳转速,且最佳转速随等效刚度增大而增大、随附加质量增大而减小。3.为验证理论与仿真结果的正确性,制作了试验样机并进行了测试,获得了激励距离/附加质量/磁铁数量比/夹持间距/跨度比对输出电压的影响规律;在此基础上研究了夹持间距/跨度比/负载电阻对输出功率的影响规律,结果表明:(1)输出电压谐振峰幅值随激励距离/跨度比增大而减小、随夹持间距增大而增大;(2)存在使输出电压出现最大谐振峰的最佳磁铁数量比,且谐振峰数随磁铁数量比增大而减少;(3)存在多个使输出电压出现谐振峰的最佳转速,且最佳转速随夹持间距/附加质量增大而减小、随跨度比增大而增大;(4)其它条件不变、转速为234r·min~(-1)及负载为200KΩ时,发电机输出功率最大(约为10mW)。
【图文】：

26,27]。图1.1 基于齿轮拨动的压电旋转发电机 图1.2基于齿轮拨动的多振子压电发电机Janphuang等人[26]于 2015年提出了如图 1.1所示的齿轮拨动式压电旋转发电机。旋转的齿轮拨动压电振子弯曲变形，将机械能转换为电能；齿轮转速为 3-19r/s时发电机平均输出功率达几十毫瓦，可为微功率电子产品提供能量。同年，Wei等人[19]提出了如图 1.2 所示的齿轮拨动式多振子压电发电机。该发电机利用齿轮拨动多个压电振子发电，低频激励时可提高其发电带宽，适于收集风、潮汐及水

国内外热点[1-5]。其中，电磁式微小型发电机受线圈匝数限制、能量密度小，静电发电机工艺较复杂、能量密度较低；与之相比，压电发电机具有结构简单、能量密度大及无电磁干扰等优势，其研究成果也逐步应用于无线传感器节点、无人值守监测系统及微功率电子产品等领域[6-8]。到目前为止，现有的压电发电技术可用于回收环境中的各种能量，如人体运动能[9,10]、振动能[11,12]、流体能[13-15]及旋转运动能[16-18]等。其中，压电旋转发电机的研究虽起步较晚但发展较快，新结构/原理的发电机相继出现，，主要包括拨动式[19]、撞击式[20]、惯性式[21,22]及旋磁激励式[23-25]等压电旋转发电机。每种发电机都有其自身特点和适用环境，现针对相关研究中各种压电旋转发电机的结构原理及发电性能加以介绍，为进一步研究提供启发和借鉴。1.1 拨动式压电旋转发电机研究现状拨动式压电旋转发电机主要是通过旋转的机构（凸轮、叶轮或轮齿等）拨动压电振子，使其弯曲变形产生电能[19,26,27]。
【学位授予单位】：浙江师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM31

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本文编号：2593498