多方向壓電振動(dòng)能量收集方法及性能優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著微機(jī)電技術(shù)和精密加工制造技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代機(jī)電產(chǎn)品日趨微型化和人性化且其應(yīng)用也日趨廣泛。目前，微機(jī)電產(chǎn)品的能量供給主要依賴于化學(xué)電池，化學(xué)電池在使用過(guò)程中的諸多弊端如體積大、壽命有限、需要定期更換及易造成環(huán)境污染等使得研制長(zhǎng)壽命、清潔環(huán)保及微型化的新能源成為亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一。
　　本文從微型能量供給技術(shù)的研究進(jìn)展出發(fā)，從能量的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換及其應(yīng)用研究等方面綜合比較了各種形式微能源的優(yōu)劣?；诰哂休^高的能量密度、清潔環(huán)

2、保、工作可靠及易于微型化等諸多優(yōu)點(diǎn)，提出了研究環(huán)境振動(dòng)驅(qū)動(dòng)的壓電式振動(dòng)能量收集裝置。針對(duì)目前研究者所提出的壓電振動(dòng)能量收集裝置只能進(jìn)行某個(gè)單一方向環(huán)境振動(dòng)能量的收集的特點(diǎn)，同時(shí)考慮到環(huán)境振源的多方向性，本文主要研究環(huán)境振動(dòng)驅(qū)動(dòng)的多方向壓電式振動(dòng)能量收集裝置的理論計(jì)算、有限元仿真、優(yōu)化分析及試驗(yàn)研究等關(guān)鍵技術(shù)。
　　利用環(huán)境振動(dòng)驅(qū)動(dòng)的多方向壓電式振動(dòng)能量收集的最顯著特點(diǎn)就是其多方向性，本文綜合考慮了單方向性壓電振動(dòng)能量收集裝置的結(jié)構(gòu)

3、形式，提出了兩種新穎的多方向壓電振動(dòng)能量收集裝置，即立方體狀多方向壓電振動(dòng)能量收集裝置和蒲公英狀多方向壓電振動(dòng)能量收集裝置。重點(diǎn)進(jìn)行了立方體狀多方向壓電振動(dòng)能量收集裝置的分析、計(jì)算與試驗(yàn)研究，對(duì)蒲公英狀多方向壓電振動(dòng)能量收集裝置的發(fā)電性能進(jìn)行了初步探索。
　　本文首先對(duì)立方體狀多方向壓電振動(dòng)能量收集裝置的關(guān)鍵部件——Rainbow型壓電換能器進(jìn)行了全面研究。根據(jù)虛功原理，建立了Rainbow型壓電換能器的動(dòng)力學(xué)理論模型并進(jìn)行了數(shù)值

4、模擬分析。根據(jù)彈性結(jié)構(gòu)力學(xué)理論和壓電學(xué)理論建立了Rainbow型壓電換能器的理論發(fā)電模型，并就鈹青銅和鋼兩種常見(jiàn)的金屬?gòu)椥曰牧蟁ainbow型壓電換能器的發(fā)電性能進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，所得結(jié)論可為研究Rainbow型壓電換能器的發(fā)電性能及其優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。根據(jù)壓電學(xué)理論和能量的轉(zhuǎn)換原理建立了Rainbow型壓電換能器機(jī)電耦合系數(shù)的理論分析模型，為研究換能器結(jié)構(gòu)機(jī)械能與電能間轉(zhuǎn)換的強(qiáng)弱提供參考。
　　為從整體上研究立方體狀多方向

5、壓電振動(dòng)能量收集裝置的發(fā)電性能，本文接著根據(jù)振動(dòng)的合成與分解原理建立了立方體狀多方向壓電振動(dòng)能量收集裝置的動(dòng)力學(xué)理論模型，并數(shù)值模擬分析了立方體狀多方向壓電振動(dòng)能量收集裝置主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其諧振頻率的影響關(guān)系。在上述研究基礎(chǔ)上，為了研究立方體狀多方向壓電振動(dòng)能量收集裝置與能量存儲(chǔ)電路間的相互機(jī)電耦合作用，根據(jù)電路學(xué)原理，建立了裝置負(fù)載電壓與負(fù)載功率的理論模型，并數(shù)值模擬了外部激勵(lì)條件、結(jié)構(gòu)參數(shù)及所接負(fù)載對(duì)裝置負(fù)載功率的影響。最后，建立了立

6、方體狀多方向壓電振動(dòng)能量收集裝置能量轉(zhuǎn)化效率的理論模型并進(jìn)行了數(shù)值模擬與分析。上述研究、分析為從理論上預(yù)測(cè)、評(píng)估立方體狀多方向壓電振動(dòng)能量收集裝置的發(fā)電性能提供了重要理論依據(jù)。
　　為了實(shí)際測(cè)試和驗(yàn)證立方體狀多方向壓電振動(dòng)能量收集裝置的發(fā)電性能，本文接著進(jìn)行了立方體狀多方向壓電振動(dòng)能量收集裝置的試驗(yàn)研究。研究中首先根據(jù)多方向振動(dòng)能量收集的試驗(yàn)需要，設(shè)計(jì)并制作了小型多方向環(huán)境振動(dòng)模擬平臺(tái)，為模擬實(shí)際環(huán)境的多方向振動(dòng)及立方體狀多方向壓

7、電振動(dòng)能量收集裝置的多方向振動(dòng)能量收集試驗(yàn)提供了支持和保障。最后，對(duì)設(shè)計(jì)、制作的立方體狀多方向壓電振動(dòng)能量收集裝置試驗(yàn)樣機(jī)的發(fā)電性能進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明，在外部激勵(lì)頻率為136 Hz、激勵(lì)方向?yàn)閅向時(shí)，立方體狀多方向壓電振動(dòng)能量收集裝置負(fù)載功率達(dá)到了0.139 mW;當(dāng)外部激勵(lì)方向變化時(shí)，最大負(fù)載功率達(dá)到了0.28 mW，且立方體狀多方向壓電振動(dòng)能量收集裝置對(duì)外部激勵(lì)方向的選擇性較弱，有利于環(huán)境多方向振動(dòng)能量的收集。
　　

8、為初步了解蒲公英狀多方向壓電振動(dòng)能量收集裝置的發(fā)電性能，本文最后對(duì)蒲公英狀多方向壓電振動(dòng)能量收集裝置中一種最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了發(fā)電能力的初步探索，為全面、深入研究蒲公英狀多方向壓電振動(dòng)能量收集裝置提供參考。根據(jù)力學(xué)基本理論和壓電學(xué)理論，建立了懸臂梁壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)開(kāi)路電壓及產(chǎn)生電能的理論模型并進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。為從整體上了解蒲公英狀多方向壓電振動(dòng)能量收集裝置的發(fā)電性能，建立了裝置負(fù)載電壓與負(fù)載功率的理論模型，并數(shù)值模擬了外部激勵(lì)條件、結(jié)