振动发电与压电发电混合式能量捕获装置的研究

发布时间：2017-09-26 22:21

  本文关键词：振动发电与压电发电混合式能量捕获装置的研究

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【摘要】：无线传感器因为具备体积小、能耗低、并且可以在特殊或危险的环境使用等优点而广泛应用在各个领域,比如桥梁监控、医学治疗等,但是传统的蓄电池储存电能有限,导致供应一段时间必须进行更换,不仅浪费了资源,还出现环境污染的问题。因此,收集环境中普遍存在的振动能,经过转换变成电能来解决无线传感器的供电问题成为行之有效的方案。目前,常用的振动能量捕获装置根据发电原理不同分为电磁式和压电式。本文在振动发电研究的基础上,提出一种新型的电磁-压电混合式振动能量捕获装置,有效的提高了输出功率。并从理论、仿真和实验三个角度进行了分析研究。本文首先介绍了混合式能量捕获装置中电磁部分和压电部分的模型设计过程。对电磁式能量捕获装置的基本原理、永磁的有限元分析、感应电动势的计算和永磁体之间磁力计算进行了理论分析;同时,提出压电材料和压电悬臂梁的一些理论知识,并且对压电悬臂梁进行有限元方法分析,对其固有频率进行计算。在此基础上,提出混合式能量捕获装置的数学模型,并且通过传统的弹簧-质量-阻尼系统模型对混合式能量捕获装置进行阻尼分析;然后通过有限元仿真软件对混合式能量捕获装置各部分进行仿真计算,最终得到电压和功率的输出情况;最后搭建实验平台,首先对独立的电磁能量捕获装置和独立的压电能量捕获装置进行能量输出的测试,其次对混合式能量捕获装置的综合能量输出进行实验分析。分析结果得出结论,混合式能量捕获装置中各部分的输出电压和功率都比耦合前独立的能量捕获装置有所减少,这是因为耦合影响了能量的输出,但是经过混合后的总输出电压和功率是提高的,有效的提高了能量转换效率。
【关键词】：电磁 压电 能量捕获 有限元
【学位授予单位】：河北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM619
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-17
• 1.1 引言9-10
• 1.2 振动发电和压电发电能量捕获装置的发展现状10-16
• 1.2.1 振动能量捕获装置的分类10
• 1.2.2 国内外研究10-16
• 1.3 本文的主要研究内容16-17
• 第二章 电磁式能量捕获装置的模型设计与分析17-25
• 2.1 电磁感应定律17-18
• 2.2 永磁式能量捕获装置的数学模型的设计与分析18-23
• 2.2.1 电动势的计算18-19
• 2.2.2 永磁磁场的有限元分析19-21
• 2.2.3 用解析法计算永磁体之间磁力21-23
• 2.3 本章小结23-25
• 第三章 压电式能量捕获装置的模型设计与分析25-31
• 3.1 压电材料与正压电效应25-27
• 3.1.1 压电材料25
• 3.1.2 正压电效应25-27
• 3.2 悬臂梁压电振子的数学模型设计与分析27-30
• 3.2.1 悬臂梁压电振子的有限元分析27-28
• 3.2.2 压电振子的耦合方式28
• 3.2.3 悬臂梁压电振子的振动频率28-30
• 3.3 本章小结30-31
• 第四章 电磁-压电混合式能量捕获装置数学模型的建立与仿真31-49
• 4.1 混合式振动能量捕获装置的结构31-32
• 4.2 混合式振动能量捕获装置数学模型的建立32-37
• 4.2.1 混合式振动能量捕获装置的传统等效模型32-35
• 4.2.2 混合式能量捕获装置的输出功率35-37
• 4.3 混合式能量捕获装置的仿真分析37-48
• 4.3.1 单一电磁式能量捕获装置的有限元仿真分析38-42
• 4.3.2 单一压电式能量捕获装置的有限元仿真分析42-46
• 4.3.3 混合能量捕获装置的有限元瞬态分析46-48
• 4.4 本章小结48-49
• 第五章 混合式能量捕获装置的实验研究49-55
• 5.1 混合式能量捕获装置的输出电压的研究49-51
• 5.1.1 单一电磁能量捕获装置的电压输出49-50
• 5.1.2 单一压电能量捕获装置的电压输出50
• 5.1.3 混合式能量捕获装置的电压输出50-51
• 5.2 混合式能量捕获装置的输出功率的研究51-54
• 5.2.1 单一电磁能量捕获装置的功率输出51-52
• 5.2.2 单一压电能量捕获装置的功率输出52
• 5.2.3 混合式能量捕获装置的功率输出52-54
• 5.3 本章小结54-55
• 第六章 结论55-57
• 参考文献57-61
• 攻读学位期间所取得的相关科研成果61-63
• 致谢63

【共引文献】

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本文编号：926037