多向振动压电发电关键技术研究

发布时间：2017-07-31 11:15

  本文关键词：多向振动压电发电关键技术研究

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【摘要】：振动能量在环境中广泛存在。近几十年,各国科学家积极致力于收集环境中的振动能量,以取代传统电池为微机电系统和低功耗电子器件供电。振动能量的收集方式有很多种,目前应用最广泛的是压电悬臂梁式能量收集装置,它利用压电材料的正压电效应,将环境中的振动能转换为电能。由于其结构简单、收集效率高、环保无污染、易于加工、使用寿命长等优点,已经成为微机电系统供电领域的研究焦点。 本文首先对压电式振动发电技术的国内外研究现状进行调研,通过调研发现,各国科学家所研制的振动发电装置只能收集一个方向上的振动能量,而环境中的振动方向是多变的,为提高能量收集效率,设计一种可以收集环境中多个振动方向的压电发电装置。本文主要从数学模型建立、有限元仿真分析、结构优化、电路设计及试验测试等方面对多向振动压电发电装置展开研究。 论文主要研究内容如下： 1.介绍压电材料的发电机理,为后续多向振动压电发电装置的性能分析提供理论依据。根据力学理论和压电理论构建压电悬臂梁开路电压的数学模型并进行理论分析,为下一步有限元仿真以及多向振动压电发电装置的性能分析奠定基础。 2.利用ANSYS对自由端不带质量块和带质量块的压电悬臂梁进行仿真分析,为压电悬臂梁的结构优化和试验测试提供参考。然后对多向振动压电发电装置所应用环境(交通轨道)振动频率进行分析。基于以上理论和仿真分析,最后对多向振动压电发电装置进行结构优化。 3.为全而评估多向振动压电发电装置的发电能力,构建多向振动装置输出电压与输出功率的数学模型,并设计多向振动发电装置的能量收集电路。 4.制作多向振动压电发电装置并对装置的发电性能进行测试。实验结果表明：多向振动压电发电装置对环境中各个方向上的振动都能进行有效收集。最后利用多向振动压电发电装置实现向发光二极管供能,并取得良好的发光效果。
【关键词】：多向 振动能 压电发电 有限元仿真 ANSYS
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM619
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第1章 绪论8-17
• 1.1 课题研究背景及其意义8-9
• 1.2 压电式振动发电的国内外研究现状9-14
• 1.2.1 国外研究现状9-12
• 1.2.2 国内研究现状12-14
• 1.3 论文研究思路及主要研究内容14-17
• 1.3.1 论文研究思路14
• 1.3.2 论文主要研究内容14-17
• 第2章 压电发电基础理论17-30
• 2.1 压电发电基础理论17-20
• 2.2 常用压电材料及其性能参数20-22
• 2.2.1 常用压电材料20
• 2.2.2 性能参数20-22
• 2.3 多向压电发电装置设计22-23
• 2.4 压电悬臂梁数学模型23-29
• 2.5 本章小结29-30
• 第3章 压电悬臂梁仿真分析与结构优化30-49
• 3.1 有限元简介30
• 3.2 有限元仿真分析30-33
• 3.2.1 前处理过程31-33
• 3.2.2 后处理过程33
• 3.3 不带质量块压电悬臂梁有限元分析33-37
• 3.3.1 静力学分析33-34
• 3.3.2 模态分析34-36
• 3.3.3 谐响应分析36-37
• 3.4 带质量块压电悬臂梁有限元分析37-44
• 3.4.1 质量块厚度对频率的影响40-41
• 3.4.2 压电陶瓷厚度对频率和输出电压的影响41-42
• 3.4.3 基片长度对频率和输出电压的影响42-43
• 3.4.4 基片厚度对频率和输出电压的影响43-44
• 3.5 压电悬臂梁结构优化44-48
• 3.5.1 环境振动频率44-46
• 3.5.2 结构优化46-48
• 3.6 本章小结48-49
• 第4章 装置动力学分析与收集电路设计49-58
• 4.1 多向振动压电发电装置的理论特性分析49-53
• 4.2 能量收集电路设计与输出功率分析53-56
• 4.3 本章小结56-58
• 第5章 装置制作与性能测试分析58-68
• 5.1 多向压电发电装置制作58-59
• 5.2 性能测试系统59
• 5.3 性能测试分析59-63
• 5.3.1 压电悬臂梁测试60-61
• 5.3.2 多向压电发电装置测试61-63
• 5.4 储能元件选择63-66
• 5.5 能量应用66-67
• 5.6 本章小结67-68
• 第6章 总结与展望68-70
• 6.1 总结68-69
• 6.2 展望69-70
• 致谢70-71
• 参考文献71-74
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果74

【参考文献】

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本文编号：598871