基于压电式与电磁式复合型振动发电机研究

摘要

随着社会的发展，无线传感器在社会中发挥着越来越重要的作用，尤其是在一些工作环境特殊的领域，比如环境监测、交通监控等领域，给社会的发展带来很大的便利。目前，绝大多数传感器采用化学电池进行供电，电池的有限生命导致了传感器必须定时更换，这不仅给工作人员带来巨大的工作量，同时换下的电池可能还会给环境带来污染。为解决这些问题，一些学者开始研究将环境中存在的各种振动能量转换成能为传感器供电的电能，从而给解决上述问题提供了可能。 本文针对目前研究常采用的压电式和电磁式发电技术，设计了一种新的压电和电磁复合式发电装置。文章首先根据弹性力学、压电学与电磁学等相关理论建立了复合式发电机的机电耦合数学模型，根据模型列出压电、电磁及复合式模型输出功率的表达式，并利用数值分析方法分析了模型结构参数及负载情况对系统功率输出的影响 。数值分析表明，复合式发电方式比单一的压电和电磁发电方式得到更高的功率输出，提高了发电效率。 在理论模型基础上，利用ANSYS和Maxwell分别建立压电发电部分和电磁发电部分的有限元模型，分析了压电、电磁及复合式模型在不同结构参数和不同电阻负载下的的输出功率响应。结果表明系统的输出功率会受到结构参数及负载很大的影响，验证了理论分析。 文章最后制作了压电-电磁复合式发电机样机，搭建振动发电系统，对样机的发电性能进行了相关的测试。实验首先测试了不同外接负载条件下的压电、电磁部分的功率输出，得到了两部分的最优负载；另外测试了不同激励频率下发电机的发电功率，并对实验结果进行了分析。实验结果表明，复合系统的压电和电磁输出功率比相互独立发电方式有所降低，但是总的输出功率却比单一发电方式有所提高。

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