基于超磁致伸缩材料的能量收集装置研究

摘要

随着无线电通讯与微机电系统技术的快速发展，振动能量收集技术也随之被广泛研究，用于低功耗的微型机电设备供能。传统的振动能量收集方式有电磁式、静电式、压电式，其中压电式的振动能量收集研究最多、应用也最广泛。但由于压电材料脆硬，其承受力的范围有限、存在固有的极化现象、机电耦合系数较低、疲劳寿命短等因素的影响，使压电材料在使用过程中需要经常更换，一定程度上限制了其应用。随着超磁致伸缩材料（Giant Magnetostrictive Material，GMM）的研制，基于超磁致伸缩材料的振动能量收集已成为国际上一个新的研究热点。相对压电材料，超磁致伸缩材料不存在疲劳、老化问题，且不存在去极化失效问题，因而工作性能更可靠；其机电耦合系数可达0.75，约为压电陶瓷材料的2～3倍，因而能量转换效率更高；它在室温下有高达0.15％应变量，比压电材料更加灵敏，因此较小振幅条件也可输出更高的电压。
　　本论文以这种新型功能材料为基础，设计制作了一套超磁致伸缩式振动能量收集装置，以该装置为研究对象，展开了如下研究：
　　首先，简要介绍了振动能量收集的研究现状、发展趋势及目前存在的主要问题。综述了现有的几种不同方式的振动能量收集的基本原理，以及所使用的材料和结构形式，并比较了这几种不同方式的振动能量收集各自的优势与不足。详细介绍了超磁致伸缩材料的特性及机电转换原理，主要突出了超磁致伸缩材料的应用在振动能量收集方面的潜力与优势。
　　其次，基于Jiles-Atherton物理模型、超磁致伸缩材料的机电耦合模型、线性压磁方程及法拉第电磁感应定律推导出了超磁致伸缩式振动能量收集的数学模型，模型可以较好地描述激振应力或激振位移等与输出感应电动势之间的关系。并基于该模型，对超磁致伸缩式振动能量收集的规律进行仿真计算分析，仿真结果表明，超磁致伸缩式振动能量收集装置的输出感应电动势主要由激振应力大小和激振频率决定。
　　再次，根据超磁致伸缩材料的工作特性，结合超磁致伸缩式振动能量收集装置设计的几个关键问题，给出了设计的超磁致伸缩式振动能量收集装置的结构简图，介绍了其基本工作原理，并提出了超磁致伸缩式振动能量收集装置结构设计的方法，其中包括超磁致伸缩棒的设计优化、感应线圈的设计、线圈骨架的设计、预应力施加装置的设计、偏置磁场及磁路的设计。此外还对激振源进行了讨论和振动能量收集电路进行了设计和优化。
　　最后，设计并制作了超磁致伸缩式振动能量收集装置样机，并搭建实验平台进行测试研究。以模态激振器额定输出力100N，频率为100Hz的正弦应力作为输入信号，且对输入顶杆只施加正压应力的条件下，超磁致伸缩式振动能量收集装置的输出电动势峰-峰值为136.4mV，与计算值（156mV）符合较好，实验结果表明，增加激振应力和频率可有效提高超磁致伸缩式振动能量收集装置的输出功率。理论分析和实验研究为超磁致伸缩式振动能量收集装置在实际工程中应用提供了理论基础。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1课题研究背景与意义

1.2振动能量收集装置的研究现状

1.3各种振动能量收集的对比

1.4论文研究思路及工作安排

第2章 超磁致伸缩式振动能量收集模型的建立

2.1引言

2.2超磁致伸缩式振动能量收集的基本原理

2.3超磁致伸缩式振动能量收集的数学建模与仿真研究

2.4本章小结

第3章 超磁致伸缩式振动能量收集装置设计

3.1引言

3.2超磁致伸缩式振动能量收集装置的结构设计

3.3超磁致伸缩式振动能量收集装置的激振源选择

3.4超磁致伸缩式振动能量收集电路的设计

3.4本章小结

第4章 超磁致伸缩式振动能量收集实验研究

4.1引言

4.2超磁致伸缩式振动能量收集装置样机制作

4.3实验平台的搭建

4.4实验研究与结果分析

4.5本章小结

第5章 总结与展望

5.1论文工作总结

5.2论文工作展望

致谢

参考文献

附录