铰支梁压电俘能器及其特性研究
作者单位:哈尔滨工业大学
学位级别:硕士
导师姓名:单小彪
授予年度:2023年
学科分类:08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理]
摘 要:随着微机电系统和低耗电设备的快速发展,其供电问题急需合理的解决方案。基于环境振动的压电俘能器具有稳定性好、无污染、无电磁干扰、便于小型化和集成化等优点,被认为是理想的供电方式之一。然而,环境振动具有低频和多频的特点,为提高压电俘能器的环境适应性,本文提出一种新颖的铰支梁压电俘能器并研究俘能特性。 首先,本文设计了单铰支梁压电俘能系统、双铰支单梁压电俘能系统和双铰支十字梁压电俘能系统,并基于材料力学、振动力学、压电学等多学科理论对其工作原理进行分析,为后文有限元仿真与实验过程奠定基础。其次,本文对单铰支梁压电俘能系统、双铰支单梁压电俘能系统和双铰支十字梁压电俘能系统进行了仿真与实验分析,研究了尾端配重质量、梁上质量块、压电片粘贴位置以及加速度对铰支梁俘能器的振动频率及输出性能的影响规律。 本文将转轴引入压电振动俘能器,尾端配重与梁上质量块之间的惯性矩差可有效增大铰支梁压电俘能器部分工作模态下的压电片应变,从而提高其输出功率;转轴的引入降低了铰支梁压电俘能器的谐振频率,提高其在低频环境中的适应性;转轴的引入使铰支梁压电俘能器具有多模态俘能的特点,可用于具有多个离散固有频率的环境。当激励加速度为2.94m/s2时,在19.18Hz处单铰支梁压电俘能器的最大输出电压和功率分别为49.15V和4.03mW。双铰支单梁压电俘能器可在其一阶和三阶模态下高效工作,双铰支十字梁压电俘能器可在其一阶、四阶、五阶固有频率处工作。 仿真结果与实验结果有较好的一致性,验证了结论的正确性。综上所述,铰支梁压电俘能器具有优异的输出特性和环境适应性,在实现低频和多频环境振动能量俘获方面具有良好的应用前景。