悬臂梁基底对压电俘能器输出响应的影响分析
发布时间：2021-12-18 02:59
悬臂梁的材料与结构对压电俘能器的输出响应具有重要影响。为了研究在1.5～5.8 m/s低风速环境下不同基底材料对接触式压电俘能器的影响,该文选择聚氯乙烯（PVC）、304不锈钢、1060铝和H68黄铜材料为基底的柔性聚偏氟乙烯（PVDF）压电悬臂梁结构,并进行了对比实验与分析。结果表明,以304不锈钢为基底的悬臂梁结构输出功率最大。通过计算不同基底材料梁的结构参数发现,在低风速工况下,梁的结构刚度与减幅因数是影响压电俘能器输出性能的主要因素。同等工况下,梁的结构刚度越小,接触式压电俘能器的启动风速越低,风致振动的激振力频率越高;减幅因数越小,悬臂梁的输出功率越大。
【文章来源】：压电与声光. 2020,42(05)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
接触式压电俘能器示意图
式中:g(t)为外界拨片垂直激励;h(t)为夹持端微小旋转运动激励。模型中,假设拨片的接触面绝对光滑,与压电悬臂梁的接触长度是恒定的。由于重叠长度很小,忽略了表面滑动或承载牵引时可能产生的拉应力和切向力,且只有垂直的压力。赫兹线接触理论可用于确定每个拨出周期的弹性趋近量,则有
接触式压电俘能器的实验装置如图3(a)所示。由于压电陶瓷(PZT)梁刚度较大,拨动悬臂梁所需风速较大,故选用柔性PVDF材料。使用的单晶型悬臂梁分别由80 mm×22 mm×0.28 mm的PVC、304不锈钢、H68黄铜和1060铝基底层和45 mm×20 mm×28 μm的PVDF压电薄膜组成(见图3(c))。为了方便更换不同基底的悬臂梁,悬臂梁结构单独安装在夹具上。拨片采用ABS材料,并且与悬臂梁的重叠长度为3 mm。当三杯式旋转机构在风能作用下开始旋转后,悬臂梁将进行受迫振动,产生的输出电压经过MB6F整流桥进行整流后对负载提供电能。由于风速变化会改变整个系统的激振力频率,因此,在整个实验中选择了一组特定的风速值,使用调速器在1.5～5.8 m/s内调节实验的风速。表1为不同基底悬臂梁的参数。压电悬臂梁的共振频带窄,在实际环境中常处于非共振状态。针对1.5～5.8 m/s的实验环境,最大激励频率为7 Hz时对悬臂梁进行分析。通过实验得到了由PVC、304不锈钢、H68黄铜和1060铝为基底的压电悬臂梁的一阶固有频率分别为17.69 Hz、18.54 Hz、23.73 Hz和30.01 Hz。表1 为不同基底悬臂梁的参数 材料 弹性模量/GPa 泊松比 密度/(kg·m-3) 黄铜 106.0 0.324 8 500 1060铝 71.7 0.330 2 700 304不锈钢 195.0 0.247 7 930 PVC 3.8 0.470 1 380
【参考文献】：
期刊论文
[1]悬臂梁式PVDF压电风能发电装置的优化设计[J]. 宁艺文,张健滔,张佳,方舟. 微特电机. 2020(03)
[2]不同形状压电振子的振动发电行为研究[J]. 邓冠前,陈仲生,陶利民. 压电与声光. 2010(03)
硕士论文
[1]双质量块结构和旋转磁结构d15模式压电俘能器的俘能特性[D]. 王永峰.湘潭大学 2018
[2]基于冲击式振动的PVDF压电风能收集系统的研究[D]. 宋国梁.大连理工大学 2016
本文编号：3541489
【文章来源】：压电与声光. 2020,42(05)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
接触式压电俘能器示意图
式中:g(t)为外界拨片垂直激励;h(t)为夹持端微小旋转运动激励。模型中,假设拨片的接触面绝对光滑,与压电悬臂梁的接触长度是恒定的。由于重叠长度很小,忽略了表面滑动或承载牵引时可能产生的拉应力和切向力,且只有垂直的压力。赫兹线接触理论可用于确定每个拨出周期的弹性趋近量,则有
接触式压电俘能器的实验装置如图3(a)所示。由于压电陶瓷(PZT)梁刚度较大,拨动悬臂梁所需风速较大,故选用柔性PVDF材料。使用的单晶型悬臂梁分别由80 mm×22 mm×0.28 mm的PVC、304不锈钢、H68黄铜和1060铝基底层和45 mm×20 mm×28 μm的PVDF压电薄膜组成(见图3(c))。为了方便更换不同基底的悬臂梁,悬臂梁结构单独安装在夹具上。拨片采用ABS材料,并且与悬臂梁的重叠长度为3 mm。当三杯式旋转机构在风能作用下开始旋转后,悬臂梁将进行受迫振动,产生的输出电压经过MB6F整流桥进行整流后对负载提供电能。由于风速变化会改变整个系统的激振力频率,因此,在整个实验中选择了一组特定的风速值,使用调速器在1.5～5.8 m/s内调节实验的风速。表1为不同基底悬臂梁的参数。压电悬臂梁的共振频带窄,在实际环境中常处于非共振状态。针对1.5～5.8 m/s的实验环境,最大激励频率为7 Hz时对悬臂梁进行分析。通过实验得到了由PVC、304不锈钢、H68黄铜和1060铝为基底的压电悬臂梁的一阶固有频率分别为17.69 Hz、18.54 Hz、23.73 Hz和30.01 Hz。表1 为不同基底悬臂梁的参数 材料 弹性模量/GPa 泊松比 密度/(kg·m-3) 黄铜 106.0 0.324 8 500 1060铝 71.7 0.330 2 700 304不锈钢 195.0 0.247 7 930 PVC 3.8 0.470 1 380
【参考文献】：
期刊论文
[1]悬臂梁式PVDF压电风能发电装置的优化设计[J]. 宁艺文,张健滔,张佳,方舟. 微特电机. 2020(03)
[2]不同形状压电振子的振动发电行为研究[J]. 邓冠前,陈仲生,陶利民. 压电与声光. 2010(03)
硕士论文
[1]双质量块结构和旋转磁结构d15模式压电俘能器的俘能特性[D]. 王永峰.湘潭大学 2018
[2]基于冲击式振动的PVDF压电风能收集系统的研究[D]. 宋国梁.大连理工大学 2016
本文编号：3541489
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