回折型二维振动压电俘能器研究

作     者：王思情 

作者单位：盐城工学院 

学位级别：硕士

导师姓名：刘祥建

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：压电俘能器 输出功率 回折型 二维振动 多方向发电 

摘      要：随着物联网技术的持续深化,众多智能设备已在日常生活及生产领域得到广泛应用。但受到供能问题的限制,而压电俘能技术作为一种有效解决策略,能够通过收集环境中的振动能量为智能设备提供稳定供电。振动能是广泛分布的环境能源,尤其在低频范围内,并且振源方向多变,如何使压电俘能器直接俘获环境中各方向下的振动能始终是一个难题。 为了克服当前压电俘能器收集方向单一、结构复杂、输出功率低等缺点,本文设计了一种回折型二维振动压电俘能器,可以在不需要任何附加装置的情况下响应二维平面内不同方向的激励,并且在不同方向、不同大小的激励下呈现不同的振动形式,提升了俘能器的能量转换效果。首先,介绍了压电俘能的基本原理和悬臂梁式压电俘能器,并在悬臂梁式压电俘能器的基础上建立回折型二维振动压电俘能器静力学及动力学模型,通过理论分析研究回折型压电俘能器的变形规律。 利用ANSYS有限元仿真软件,分别对回折型二维振动压电俘能器的三种研究结构进行仿真,探究弹性金属基片的水平段长度、竖直段长度、宽度和厚度,压电陶瓷片的厚度和长度,以及钢片的厚度对三种压电俘能器发电性能的影响。确定了压电陶瓷片能产生较高开路电压的三种压电俘能器结构参数,并对此结构参数的三种压电俘能器进行模态仿真,分析各阶模态频率及模态振型。 其次,通过实验实际验证回折型二维振动压电俘能器的发电效果。搭建了多方向发电测试实验平台,根据仿真确定的结构参数制作了回折型二维振动压电俘能器三种不同结构的实验样机。研究在低频段和不同激励强度下三种压电俘能器每片压电片的开路电压;设计压电俘能器的能量提取电路,分析压电陶瓷片串、并联情况下,各压电俘能器接入不同阻值负载时的最佳匹配阻抗和输出功率。实验结果表明:在1.0g的激励强度下,回折型二维振动压电能俘器(结构一)的最大的输出功率为3.30m W;回折型二维振动压电俘能器(结构二)的最大的输出功率为0.38m W;回折型二维振动压电能俘器(结构三)的最大的输出功率为1.17m W。回折型二维振动压电俘能器(结构一)压电陶瓷片有7片,且在二维平面内多个方向下均可达到2.00m W以上的输出功率,具有较好的多方向发电性能;回折型二维振动压电俘能器(结构二)有3片压电陶瓷片,在二维平面内各方向下输出功率较低,发电性能较弱;回折型二维振动压电俘能器(结构三)有3片压电陶瓷片,但是结构中增加了固定钢片,在二维平面内具有一定的多方向发电能力,但发电效果远不及回折型二维振动压电俘能器(结构一)。