新型多层悬臂梁压电发电装置的发电性能研究

摘要

自然环境中的振动能量无处不在，如何利用环境中的振动能量，并将环境中流失的振动能收集起来，为无线传感器等小型电子设备供电，从而替代或减少外部电源及充电电池的使用，在过去十年中吸引了来自机械、电子、土木和材料科学等不同工程领域的研究人员的广泛关注。目前，悬臂梁式压电发电装置是最为常用的振动式能量收集器，主要通过压电陶瓷片的压电正效应，将振动能转成电能。由于该装置具有结构简单，加工方便，不会向环境中排放有毒有害物质，限制条件较少等优点，已经成为一种新型的节能环保发电装置。
　　本研究提出了一种新型的多层悬臂梁压电发电装置，改进了传统多层结构中悬臂梁组件和质量块组件这两部分的组成方式，以解决传统多层结构中各层发电量不均匀及质量块连接等问题，并可进一步提高压电发电装置的发电能力。本文主要研究该新型多层悬臂梁压电发电装置中每个压电双晶悬臂梁的发电性能，对其进行了理论分析，包括谐振频率的求解和能量的转换计算。分别建立了在自由端外力及基座激励作用下压电悬臂梁的输出电压和压电等效电路理论模型，用来分析不同激励条件下压电双晶梁的开路输出电压和输出功率。基于ANSYS12.0有限元软件，建立了三层悬臂梁压电发电装置的有限元模型，对装置进行了静力分析和模态分析。整体的有限元分析结果证实该多层发电装置每一层的应力和变形规律基本一致，符合悬臂梁结构的典型特征。在此基础上，建立了单层悬臂梁的压电耦合有限元模型，分析了每一层悬臂梁模型的固定端（基座）在承受外界激励载荷作用时的电压分布和电压响应曲线。制作了三层压电发电装置，并搭建试验平台对装置的应力、固有频率和开路输出电压进行了实验测试，以及对发电装置进行了模态分析和动态发电特性分析。实验测量结果表明，多层压电发电装置中的每一个压电悬臂梁都与相同尺寸和材料的经典压电悬臂梁具有一致的输出电压及固有频率。最后对压电发电装置在振动模式下进行了模态测试及发电电压的测量，得到压电发电装置结构的固有频率及发电电压情况，将实验测试结果、理论计算结果以及有限元仿真结果进行对比，发现三者基本吻合，从而验证了理论模型和有限元模型的正确性。