薄片式Galfenol能量收集器的設(shè)計(jì)與研究.pdf

1、近年來隨著科技的發(fā)展，能源問題越來越受到各界專家和學(xué)者的密切關(guān)注，除了從根本上減少資源浪費(fèi)，加大資源的利用效率外，發(fā)掘和利用新型能源來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的不可再生資源已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究重點(diǎn)。機(jī)械振動(dòng)能是眾多能量存在形式中覆蓋范圍最廣的能量形式之一，它不受氣候、時(shí)間和地域的影響，伴隨著也誕生了多種基于機(jī)械振動(dòng)能的能量收集方式。傳統(tǒng)的能量收集技術(shù)有靜電式、電磁式和壓電式。隨著對(duì)磁致伸縮材料研究的深入，隨之誕生的磁致伸縮式能量收集技術(shù)也越來越受到

2、專家學(xué)者們的關(guān)注。本文基于薄片狀磁致伸縮材料設(shè)計(jì)制作了一套振動(dòng)能量收集器，并展開了相關(guān)研究。
　　首先，對(duì)比了磁致伸縮材料相對(duì)于其它智能材料在能量收集領(lǐng)域的優(yōu)點(diǎn)，分析了利用磁致伸縮材料進(jìn)行能量收集的基本原理。在眾多磁致伸縮材料中，著重對(duì)Galfenol和Terfenol-D進(jìn)行了性能對(duì)比。由于前者具有良好的機(jī)械性能，能夠適應(yīng)不同的器件結(jié)構(gòu)，而且不含稀土元素價(jià)格低廉。因此，將Galfenol作為本文研究所用的智能材料。
　　其

3、次，根據(jù)Galfenol的機(jī)電轉(zhuǎn)換原理得出其本構(gòu)關(guān)系，并引入了磁滯模型建立了Galfenol的磁化強(qiáng)度模型。再根據(jù)Jiles-Atherton模型、經(jīng)典的機(jī)電耦合模型、電磁感應(yīng)定律、電磁學(xué)原理得出Galfenol振動(dòng)能量收集的數(shù)學(xué)模型。
　　再次，基于懸臂梁結(jié)構(gòu)在能量收集技術(shù)方面的優(yōu)點(diǎn)（主要表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且易于微型化），本文設(shè)計(jì)的振動(dòng)能量收集器的主體結(jié)構(gòu)即為懸臂梁結(jié)構(gòu)。對(duì)懸臂梁進(jìn)行了彎曲振動(dòng)分析和基座在簡(jiǎn)諧激勵(lì)作用下的強(qiáng)迫振動(dòng)分析

4、，在此基礎(chǔ)上對(duì)四種形狀（矩形、梯形、三角形和雙曲線形）懸臂梁通過相關(guān)的理論計(jì)算進(jìn)行了性能對(duì)比，并利用Ansys軟件對(duì)懸臂梁進(jìn)行靜力學(xué)分析、模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，確定了懸臂梁的尺寸和固有頻率以及不同振動(dòng)頻率作用下，裝置的輸出電壓的響應(yīng)情況。除此之外，還對(duì)裝置的其他部件進(jìn)行了相關(guān)設(shè)計(jì)。通過Matlab軟件結(jié)合不同形狀懸臂梁的應(yīng)力應(yīng)變理論計(jì)算過程，對(duì)振動(dòng)能量收集的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬仿真輸出，在激振幅值為20um，激振頻率為其各自的一階固有頻率時(shí)

5、，數(shù)學(xué)模型仿真輸出的感應(yīng)電壓峰峰值分別為145.7mV、177.8.4mV、225.3mV、279.7mV。
　　最后，設(shè)計(jì)制作了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，并對(duì)其分別進(jìn)行了四種形狀懸臂梁樣機(jī)的輸出性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)、雙曲線式實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明四種懸臂梁形狀的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)中，雙曲線式能量收集器的輸出感應(yīng)電壓峰峰值最高，平均可達(dá)269.8mV；在單一因素實(shí)驗(yàn)中，分別得出了激振頻率、激振幅值以及偏置磁場(chǎng)與雙曲線式實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的輸出感應(yīng)電壓峰