压电—电磁复合宽频俘能技术研究

发布时间：2020-02-12 12:26

【摘要】：近年来，电子、通讯等产品在向便携式、无线化发展方面有了长足的进展，各种短小轻薄的电子产品纷纷出现，但是滞后的微能源技术阻碍了各种高性能元器件的发展，因此对能量密度高、体积小、重量轻的微能源需求非常迫切。振动能是周围环境中普遍存在的能量，将振动能转换为电能的微型振动发电机已引起人们的广泛关注。为了使发电装置具有更好的输出性能，研究人员提出很多优化方法，包括优化电路、优化机械结构参数等。由于电磁式和压电式发电装置的机电耦合系数都较高，而且不需要外接电源，于是有研究人员考虑到将这两种装置耦合起来，制备成压电-电磁复合俘能器。 本文提出了一种新的压电-电磁复合俘能结构，并从数值分析，仿真分析和实验研究等方面对其进行分析研究。研究结果如下： 首先，，建立了压电电磁复合俘能系统的数学模型，分别得到单一压电，单一电磁以及压电-电磁复合俘能系统的输出功率表达式。使用MATLAB软件对其进行数值分析，考虑了负载电阻和结构参数对俘能系统输出功率的影响。数值分析结果表明，单一俘能系统存在最优负载电阻，可以通过优化结构参数来改善俘能系统的功率输出。复合俘能系统的输出功率比单一俘能系统的输出功率高，并且频带也拓宽了。 其次，使用ANSYS和Maxwell软件分别研究在不同负载电阻和结构参数条件下，单一压电俘能系统，单一电磁俘能系统以及压电-电磁复合俘能系统的功率输出。仿真结果表明，俘能系统的结构参数和负载电阻对其输出功率均有较大影响，压电-电磁复合俘能系统的输出功率比单一压电，单一电磁俘能系统的输出功率都高，且有宽频效果。 最后，本文搭建了压电电磁复合俘能装置的实验系统，并对其进行实验研究。进行单一俘能系统实验研究时，考虑了负载电阻，磁铁间距离以及加速度等因素对输出功率的影响。然后在最优外接负载下，进行压电电磁复合俘能系统的实验研究。实验结果表明，复合俘能装置在18-30Hz频率范围的输出功率均较理想。将其与数值分析和仿真分析结果进行对比可知，三者误差较小，验证了分析的正确性。
【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】：2014
【分类号】：TM619


本文编号：2578817