谈低频多振子串联压电发电装置设计与实验

论文导读：
摘要：压电式能量回收发电装置是使用压电效应来实现机械能向电能转换的。该类发电装置机电能量转换历程易实现，结构简单多样（如悬臂梁式、圆盘式等）、工作历程中不受电磁干扰，体系性能稳定、压电陶瓷能量密度大、工作历程中不产生污染物，环境友好性佳。圆盘式压电振子相比于悬臂梁式压电振子具有更高的强度，但固有频率较高、发电量低，由此，本论文提出将多个圆形振子串联叠加从降低压电发电装置固有频率、并提升其整体发电量。其中，振动激励式多振子串联压电发电装置是为了回收环境低频振动能量提出的，而旋转磁激励式多振子串联压电发电装置则是为了解决旋转体的自供电传感监测（如直升机螺旋桨、汽车轮胎压力、航空发动机/高速列车/油气钻主轴等的自供电传感监测）而提出的。本论文的主要内容如下：1.绪论简介了压电能量回收发电装置的工作原理、探讨作用、国内外探讨近况及运用实例，分析了现有压电能量回收装置的优、缺点，针对问题提出了本论文的探讨目标，即设计一种低固有频率、高强度、大变形/发电量的多振子串联压电发电装置。2.圆形压电振子结构优化分析圆形压电振子是多振子串联压电发电装置的基本发电单元，其工作性能优劣直接影响发电装置整体的工作性能好坏。在边界条件、受力形式确定的前提下，圆形压电振子的发电能力主要取决于其本身结构及材料参数等。本论文首先使用板壳论述从及压电学相关论述，对固支边界条件时圆形压电振子在中心载荷意义下的发电历程进行数学建模，并分别通过数值分析、有限元分析，探讨了压电振子厚度比、半径比和材料杨氏模量比等对其发电能力的影响规律，获得了基板材料分别为铝、铍青铜的压电振子的最佳半径比/厚度比组合。3.多振子串联压电发电装置的数学建模与仿真按工作场合不同，提出了两种多振子串联压电发电装置，简介了其工作原理，并分别对它们进行数学建模分析。从结构优化分析所得到的铍青铜压电振子最佳半径比/厚度比为基础，对两种多振子串联压电发电装置发电历程进行数值仿真分析，得到了频率、质量、鼓型压电振子组数对振动激励式多振子串联压电发电装置的影响规律，磁极间距、磁铁尺寸、转子转速、鼓型压电振子组数等对旋转磁励式多振子串联压电发电装置发电性能的影响规律。4.多振子串联压电发电装置的制作和试验测试分别设计制作了两种多振子串联压电发电装置，并针对它们的实际工作场合，搭建了实验测试体系。通过实验测试，得到了频率、质量、鼓型压电振子组数、电学连接模式对振动激励式多振子串联压电发电装置的影响规律，从及磁极间距、磁铁尺寸、转子转速、鼓型压电振子组数等对旋转磁励式多振子串联压电发电装置发电性能的影响规律。关键词：圆形压电振子论文能量回收论文多振子串联论文低频论文大功率论文
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ABSTRACT7-11
第1章 绪论11-23

1.1 探讨背景和作用11-12

1.2 压电发电装置的探讨近况12-22

1.2.1 压电材料的进展过程12-13

1.2.2 压电振子的工作方式13-14

1.2.3 压电发电装置的结构形式14-18

1.2.4 压电发电装置的运用近况18-22

1.3 本论文的主要内容22-23

第2章 圆形压电振子结构材料参数优化23-43

2.1 压电陶瓷的基本特性23-25

2.

1.1 压电效应和逆压电效应23

2.

1.2 压电陶瓷主要性能参数23-25

2.2 圆形压电振子的建模与仿真分析25-33

2.1 圆形压电振子结构及受力分析模型25-26

2.2 圆形压电振子的变形曲线26-29

2.3 圆形压电振子发电量的计算模型29-30

2.4 圆形压电振子发电性能的数值分析30-33

2.3 圆形压电振子发电性能的有限元分析33-41

2.3.1 压电振子有限元分析前处理33-36

2.3.2 求解及后处理36-41

2.4 本章小结41-43

第3章 多振子串联压电发电装置的数学建模与分析43-55

3.1 多振子串联压电装置的结构与工作原理43-44

3.2 振动激励式多振子串联压电发电装置的建模与分析44-49

3.

2.1 振动激励式多振子串联压电发电装置的结构及工作原理44-45

3.2.2 振动激励式论文导读：振子串联压电发电装置的建模与分析49-533.3.1旋转磁激励式多振子串联压电发电装置的结构及工作原理493.3.2旋转磁激励式多振子串联压电发电装置性能影响因素分析49-513.3.3旋转磁激励式多振子串联压电发电装置发电性能数值仿真分析51-533.4本章小结53-55第4章多振子串联压电发电装置的设计制作与实验测试55-67

4.1振动激

多振子串联压电发电装置性能影响因素分析45-47
3.

2.3 振动激励式多振子串联压电发电装置性能的数值仿真分析47-49

3.3 旋转磁激励式多振子串联压电发电装置的建模与分析49-53

3.1 旋转磁激励式多振子串联压电发电装置的结构及工作原理49

3.2 旋转磁激励式多振子串联压电发电装置性能影响因素分析49-51

3.3 旋转磁激励式多振子串联压电发电装置发电性能数值仿真分析51-53

3.4 本章小结53-55

第4章 多振子串联压电发电装置的设计制作与实验测试55-67

4.1 振动激励式多振子串联压电发电装置的设计与实验测试55-59

4.

1.1 振动激励式多振子串联压电发电装置的设计与制作55-56

4.

1.2 振动激励式多振子串联压电发电装置的实验测试56-59

4.2 旋转磁激励式多振子串联压电发电装置的设计与实验测试59-64
4.

2.1 旋转磁激励式多振子串联压电发电装置的设计与制作59-61

4.

2.2 旋转磁激励式多振子串联压电发电装置的实验测试61-64

4.3 本章小结64-67
第5章 结论和展望67-69

5.1 结论67-68

5.2 展望68-69

参考文献69-73
作者介绍73-75
致谢75