压电悬臂梁风车的建模仿真与试验研究

摘要

为满足微功率遥感/埋植监测系统的自供电需求、避免大量废弃电池污染环境，人们提出了基于电磁、静电、热电等原理的微小型发电机。压电发电机的优势在于结构简单、发热少、无电磁干扰、易于实现结构上的微小化与集成化，其研究与应用得到了各国学者的广泛关注。为实现风、管道流等流体能量的有效回收，本文提出一种基于旋磁激励的压电悬臂风车，并从理论和试验两方面进行了研究，具体内容如下:
　　1.利用COMSOL软件进行了矩形及预弯型压电悬臂梁振子的建模与仿真分析，研究了压电晶片厚度给定时基板厚度/长度等结构尺度对其位移、应力分布、谐振频率及振动模态的影响规律;结果表明，外力给定时两种压电振子的最大压应力及位移均随金属基板厚度减小/长度增加、预弯梁半径增加而增加，且预弯梁固定端应力略大、宽度方向应力更为均匀，有利于提高可靠性及发电能力;此外，悬臂梁压电振子仅在一阶模态下才有较好的发电性能。
　　2.介绍了压电风车结构及其工作原理;利用傅里叶级数展开及叠加原理，建立了一般性周期三角波激励条件下压电风车的振动响应模型，并进行了时域及频域的模拟仿真;获得了激励磁铁数量、周期比、压电振子端部附加质量、转速等对振幅放大比时域波形及振幅放大比-转速特性曲线的影响规律。
　　3.设计制作了试验样机、搭建了试验测试系统，并在调节电机转速或风速的条件下进行了试验测试，获得了激励磁铁个数/组数、压电振子刚度、压电振子端部附加质量/定磁铁数等对压电风车输出性能的影响规律，包括压电风车输出电压的时域波形及频率响应特性;试验结果表明，在其它条件一定时，存在一个或几个使输出电压出现峰值的最佳转速/风速，且最佳转速/风速及所对应的峰值电压与激励磁铁的数量有关。

目录

论文说明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文的主要研究内容

第2章 有限元建模仿真与性能分析

2．1 压电发电基础知识

2．2 压电振子的有限元仿真

2．3 本章小结

第3章 压电悬臂梁风车的建模与仿真分析

3．1 压电风车的结构与工作原理

3．2 压电风车振动响应模型的建立

3．3 压电风车振动响应的仿真分析

3．4 本章小结

第4章 压电悬臂梁风车的设计与试验

4．1 压电风车及测试系统的设计与制作

4．2 压电风车的试验测试与分析

4．3 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间取得的研究成果

声明