基于PZT的悬臂梁式俘能器建模仿真及能量回收电路设计

发布时间：2020-03-27 05:42

【摘要】：能源是人类社会发展的动力,而能源短缺是人类面临的一大发展难题。若能把环境能量收集起来并加以利用,那么可以在一定程度上解决人类对常规能源的依赖程度,为此能量回收技术应运而生。能量回收技术是无线系统,自供能系统以及便携式电子设备朝向微型化发展的关键技术之一。相比较各类回收技术,如太阳能、潮汐、风能、电磁等,振动能量回收技术具有能量密度大、输出功率高、设备制造成本低廉且易于集成化等优点,迅速成为研究热点。本文基于悬臂梁式结构,以PZT为能量转换材料,分别研究了线性压电系统发电特性、双稳态发电系统发电特性以及能量回收电路,并进行实验研究。主要研究内容和所得结论如下:(1)以线性悬臂梁发电系统为研究对象,建立线性悬臂梁能量采集器的理论模型。线性悬臂梁能量采集器分为单晶和双晶结构,其中由于单晶悬臂梁结构不对称致使中性层位置不在截面几何中心处,在建模过程中,主要针对单晶机构进行建模,再在单晶的基础上建立双晶的模型。模型建立后,对线性悬臂梁进行了仿真分析。(2)以双稳态悬臂梁发电心态为研究对象,双稳态系统是一种非线性系统,与线性系统相比较最大的优势是它具有低频共振带宽更宽,这克服了线性系统带宽窄的缺陷。本文从双稳态动力学分析入手,先建立两磁铁间磁力模型,以此为基础建立双稳态模型,并进行了求解,研究了影响双稳态系统的因素。(3)针对双稳态系统,搭建了实物实验平台,用实物实验验证理论模型与仿真结果,并分析产生理论与实验结果差异性的原因。(4)推导了标准能量收集电路、同步电荷提取电路、并联同步开关电感电路和串联同步开关电感电路四种经典接口电路的回收功率,分析了这些电路的最大输出功率与最佳负载匹配,并进行了优化设计,同时用Multisim对其进行了仿真分析。
【图文】：

聚偏氟乙烯膜,采集器,电能,运动能量

集器构型的不同大致分为以下几种：冲击能量转化为电能的俘能器本研究人员设计了一种俘能器，，该俘能器是在一，使一个球体从高处自由落下撞击该俘能器，从能[15]。1998 年 Funasaka[16]等人用新材料 LiNbO集器。类型的采集器没有再继续的被研究下去，大多数关文献上看，也没能给出采集器详尽的外形和性，很难应用在 MEMS 技术上，对于今天微型化的。运动能量转化为电能的俘能器的 Joe Paradiso 等人发明了一种可以将人在行进[17-18]，如图 1-1 所示，这是一种置于鞋子底部的陶瓷与聚偏氟乙烯膜，放于鞋底的前后两部分。弹簧钢结构，而聚偏氟乙烯膜置于脚尖处并加有

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哈尔滨工业大学工程硕士学位论文果中看，当人行进时，该俘能器各部分都有电能产生，别为 1.3mW 和 8.3mW。输出电能功率比较高，发出的上的一些电子产品，不过其只能用于人体活动的时候，限制。自由振动能量转化为电能的膜片构型俘能器的 H.W.Kim 等人一直从事着基于压电原理采集振动能该研究团队制作的 Cymbal 俘能器是具有代表性的膜片图 1-2 所示。Cymbal 俘能器由两部分组成，分别为压电帽，这样可提高应变片的强度和整个结构的可靠程度。可以输出电能功率为 39mW，其能量密度也可达 60mW
【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】：2018
【分类号】：TM619

【参考文献】