基于壓電-摩擦電復合式寬頻帶振動能量收集器的設計與實驗.pdf

1、近年來，隨著新型能量收集器的研究和發(fā)展，高效獲取與高效轉(zhuǎn)換環(huán)境動能為電能，并能寬頻帶工作、高功率輸出成為能量收集技術研究的新方向。如何實現(xiàn)工作頻帶拓頻，又提高能量獲取與轉(zhuǎn)換效率，是能量收集器研究的熱點。本文針對碰撞限幅拓頻存在能量損失，降低了能量收集器的能量獲取效率的問題，提出了一種壓電-摩擦電復合式寬頻帶振動能量收集器新結(jié)構(gòu)。在分析器件結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎上，分析了影響復合式寬頻帶振動能量收集器輸出性能的主要因素，采用ANSYS有限元

2、分析軟件完成了器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計；制定了高性能介電PDMS膜和柔性PDMS質(zhì)量塊的制備方案；完成了壓電-摩擦電復合式寬頻帶振動能量收集器的加工與組裝；研究了器件的測試方法，搭建了測試平臺；完成了壓電-摩擦電復合式寬頻帶振動能量收集器各能量轉(zhuǎn)換單元的測試與分析：樣機在3g、24.1Hz外部激勵下，頻帶寬度約為9Hz，壓電單元的輸出功率為0.9μW，摩擦電單元的輸出功率0.287μW，樣機總輸出功率達到1.187μW，為不限幅振動時壓電單元

3、輸出功率的90.6％。若限幅結(jié)構(gòu)無摩擦電單元，能量收集器只有壓電轉(zhuǎn)換單元，輸出功率為0.9μW，為不限幅振動時壓電單元輸出功率的69.4%。結(jié)果表明：論文設計的壓電-摩擦電復合式寬頻帶能量收集器在拓展工作頻帶的同時，能量獲取效率與轉(zhuǎn)換提高了21.2%，提高了器件的能量獲取和轉(zhuǎn)換效率。
　　本研究主要內(nèi)容包括：①分析了基于頻帶拓展、復合式機理的壓電振動能量收集器的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，確定了論文的研究目標和研究內(nèi)容；②提出了壓電-摩擦電復

4、合式寬頻帶振動能量收集器新結(jié)構(gòu)；研究了復合式寬頻帶振動能量收集器的工作原理；基于壓電懸臂梁的集總參數(shù)模型分析了影響壓電轉(zhuǎn)換單元輸出的主要因素；基于電動力學的相關理論分析了影響接觸-分離式摩擦電轉(zhuǎn)換單元輸出的主要因素；③采用ANSYS有限元仿真軟件，分析了結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)對輸出性能的影響，確定了優(yōu)化思路，完成了器件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計，分析了不同限幅高度對器件輸出性能的影響；④設計并制作了限幅拓頻結(jié)構(gòu)，制定了高性能介電PDMS膜和柔性PDMS質(zhì)量塊

5、的制備方法，完成了壓電-摩擦電復合式寬頻帶振動能量收集器的設計、加工和組裝；⑤研究了器件的測試方法，搭建了相應的測試平臺；完成了器件在碰撞限幅前和碰撞限幅后的性能測試與分析。測試結(jié)果表明：樣機在3g、24.1Hz外部激勵下，頻帶寬度約為9Hz；壓電轉(zhuǎn)換單元的最大輸出功率為0.9μW，摩擦電轉(zhuǎn)換單元的最大輸出功率為0.287μW，限幅結(jié)構(gòu)加入摩擦電單元比無摩擦電單元的能量獲取效率提高21.2%，該器件既實現(xiàn)壓電與摩擦電兩種俘能機理轉(zhuǎn)換，又