梁式結構壓電-電磁復合俘能技術研究.pdf

1、無線傳感器因其具體積小、耗能低、應用范圍廣、可以在特殊環(huán)境下使用等優(yōu)點而具有廣闊的應用前景。但是以化學電池為其主的供能方式存在著供能壽命有限,需要定期充電或更換,及由此所帶來的材料浪費,重金屬環(huán)境污染等問題。因此,如何為這些低功耗的無線傳感器供給電能已成為亟待解決的問題。轉化環(huán)境中振動機械能的技術可以為之提供有效的解決方案。而壓電效應和電磁感應是兩種最為有效的將振動機械能轉化為電能的原理。為了使電磁俘能器和壓電俘能器有更好的俘能效果,研

2、究人員做了大量的優(yōu)化工作,這其中以結構參數的優(yōu)化和外界負載的優(yōu)化為主。他們中的一些人已經開展了將壓電和電磁兩種發(fā)電原理耦合在一起,即壓電-電磁復合俘能裝置的相關研究。
　　本文提出了一種新型的復合俘能結構。這種裝置不僅提高振動式發(fā)電裝置的功率輸出,還可以拓寬功率帶寬。全文的主要工作有以下幾個方面。
　　利用非線性振動的原理和壓電方程,分別建立以輸出功率為目標函數的單一電磁發(fā)電裝置和單一壓電發(fā)電裝置的數學模型。耦合分析了兩種發(fā)

3、電裝置的相互影響。耦合之后的輸出功率相疊加得到復合發(fā)電裝置輸出功率的數學模型。數值分析的結果表明,相比于單一的發(fā)電裝置,這種復合發(fā)電裝置提高了3倍的輸出功率帶寬。
　　利用Maxwell建立了電磁發(fā)電裝置的有限元模型,利用ANSYS建立了壓電發(fā)電裝置的有限元模型。為了獲得更好的輸出效果,我們優(yōu)化了結構參數和外接負載,并且將兩個有限元仿真結果結合起來,得到復合發(fā)電裝置的總輸出。有限元仿真結果表明無論是單一發(fā)電裝置還是復合發(fā)電裝置,其