多功能压电超声换能器的有限元设计及其机电转换特性研究

作     者：周铄 

作者单位：浙江工商大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王光庆

授予年度：2023年

学科分类：07[理学] 08[工学] 070206[理学-声学] 070104[理学-应用数学] 0802[工学-机械工程] 0701[理学-数学] 0702[理学-物理学] 

主      题：多功能压电超声换能器 压电效应 有限元分析 机械动力学特性 超声振动能量采集与实验验证 

摘      要：当前,国家对新能源发展给予了高度重视,超声振动能量作为一种新能源以声波的形式广泛存在于自然环境和工业生产中。但是由于其研究机理较为复杂,大多数压电超声换能器的功能设计单一,仅适合某些特定场景,容易因器件的故障使整个机电系统出现崩溃。相对于单一功能器件,多功能器件具有更高的稳定性、更加广阔的应用背景,可以大幅度减少器件故障时对整个微机电系统的影响,保证微机电系统持续运行。然而,由于多功能器件包含多种功能,需要多种不同原理实现其不同功能,因此复杂程度较大。对此,本文设计出一种基于压电效应原理具有超声振动能量转换与机械传动一体化的新型多功能压电超声换能器,使加装了该器件的机械或电子设备具有能量减耗与转换功能,减少自身消耗或为其他低功耗器件提供能源,大大提高了整个微机电系统的生命周期及适应各种环境的能力。并且在压电效应原理的基础上,设计出电磁式旋转能量采集,实现多种能量采集一体化,增加为其他器件供电的能力,本论文的主要研究内容包括:(1)设计了一种多功能的压电超声换能器结构,一是通过压电陶瓷的逆压电效应设计出器件机械传动功能,将电能转换成机械能;二是通过压电陶瓷的正压电效应将其自身产生的超声振动能量转换成电能并为其他低功耗电子产品供能;三是融合电磁感应原理,将多功能压电超声换能器旋转运动的能量转换成电能。该设计使多功能压电超声换能器突破了当前压电超声换能器功能单一的局限性。(2)利用有限元软件ANSYS建立多功能压电超声换能器的有限元实体离散模型并进行解析,改变模型的结构参数,研究不同结构尺寸变化对其模态特性、谐响应特性和瞬态特性的影响;基于灵敏度方法,优化得到器件最佳性能的结构尺寸,为多功能压电超声换能器的实用化提供设计理论基础。(3)基于压电陶瓷的逆压电效应和Hamilton原理建立多功能压电超声换能器机械动力学模型,并对模型进行振动分析、接触面摩擦分析、压电特性等效转换分析;考虑多功能压电超声换能器在不同条件下,其机械输出特性的变化,结合龙格库塔算法,得到转速随预压力变化的仿真曲线。最后对多功能压电超声换能器的进行机械特性实验,验证理论分析结果。仿真得出器件在150N的预压力条件下,其空载时的转速为112 r/min,最大堵转力矩为1.043N·m、最大输出功率为3.34W;并且预压力对压电超声换能器的影响很大,预压力增大时压电超声换能器的转速相应减小,而堵转力矩则会增大。压电超声换能器最大效率在预压力F为200-400N之间,此时最大效率约为17%;只有当激振频率非常接近压电超声换能器的谐振频率时,压电超声换能器的各种机械性能才会达到最优。激励频率与谐振频率相差的绝对值越大,则转速与转矩减小的幅度越大。(4)基于正压电效应原理建立多功能压电超声换能器的超声振动能量采集数学模型,分别研究压电超声换能器在驻波和行波不同激励条件下采集电压、电流以及电功率等特性随系统参数变化的规律;结合匹配阻抗方法,获得压电超声换能器的最佳输出功率及其负载参数,为后续拓扑电路的设计提供理论参考。研究结果表明:在谐振频率为35.2k Hz、电压幅值为67 V的行波激励条件下,采集PZT各个扇区及孤极PZT扇区的输出电压幅值平均为39 V和34.4 V,最大输出功率分别达到113 m W和82.4 m W;在负载匹配电阻R=6kΩ时,采集PZT扇区的输出电压平均为18.8V,输出电流为3.1m A,输出功率可达到60m W;器件工作在最大转速时,采集PZT输出电压为28V,外接负载匹配电阻R=6kΩ时,输出电压为13.7V。并且得出,无预压力时行波激励下采集PZT的输出电压和功率,为各相驻波激励下采集PZT的输出电压和功率的平方和开根。(5)在多功能压电超声换能器压电效应设计原理的基础上,设计出超声旋转-电磁感应复合型能量采集,将压电超声换能器的旋转运动转换成电能。