旋磁激励式圆形压电振子发电机的设计与试验

摘要

随着对压电研究的不断深入，特定环境下的应用研究已成为国内外的研究热点。为满足旋转机械系统的自供电传感检测，提出一种旋磁激励式圆形压电振子发电机，介绍了其结构原理，并从理论和试验进行了研究，得到了影响其发电性能的关键因素，并对其输出特性进行了研究，具体内容如下:
　　1.针对现有旋转式压电发电机的不足，提出一种利用旋转磁铁激励的高强度、宽频带、高发电能力的圆形压电发电机，圆形压电振子是旋转式压电发电机的能量转换部件，其结构、参数、边界条件、动态特性及振动形态对发电能力、频带宽度、输出功率等均有较大影响，建立了圆形压电振子能量转换的理论模型，对固支边界条件下圆形压电振子在集中载荷作用下的发电性能进行建模仿真分析，具体研究了压电振子厚度比、半径比和材料杨氏模量比等对其发电能力的影响规律，为压电振子的选择提供理论依据。
　　2.旋磁激励式圆形压电发电机的激振力来源于永磁铁间的磁力，对永磁铁间磁力进行简化计算，通过COMSOL Multiphysics仿真及不同间隙比下磁力测试，并对其结果进行合理简化，得出了旋磁激励圆形压电振子发电机的磁力简化公式，结合圆形压电振子响应规律与输出电压特性得到影响压电发电机输出电压的主要因素，磁铁间距主要通过改变磁铁间激振力来改变输出特性，转盘转速主要通过改变压电陶瓷响应来影响其输出特性，为发电机的设计制作提供了依据。
　　3.建立了旋磁激励式圆形压电振子发电机模型，介绍了其工作原理，根据以上分析及仿真结果，选择适合的压电振子，搭建了试验平台。测试了磁铁间距及压电振子厚度等对压电振子一次受激所产生的最大输出电压及总能量的影响规律，结果表明，在其它条件确定时，增加磁铁尺度或减小磁铁间距均可有效提高发电机输出电压及频带宽度，此外，压电振子厚度对其输出电压及总发电量均有较大影响，低转速时采用薄压电振子、高转速时采用厚压电振子有助于提高发电与供电能力。测试了旋转磁铁数量（间隙）对激振力及压电振子发电特性的影响规律，结果表明，其它条件确定的情况下，存在使激振力最大的最佳旋转磁铁间隙比，此外，压电振子一次激励所生成电能（波形数量及幅值）还与旋转磁铁数量及转速有关，并通过输出电压的波形对发电机的整体性能进行了比较。
　　4.每一个压电振子都对应一个较好转速，使其发电量及输出功率最大，且随压电振子厚度降低最佳转速降低、而电能及功率增加，选择输出电压较好的磁铁配置，在不同转速下对电容充电，经过一段时间后，电容两端电压均达到稳定，不同的是随着转速增大，充电速率加大且稳定后电容两端电压随着增大，在功率测试的试验中，同一压电振子在不同转速下的最佳负载相同，输出电压均随负载的增加而增加，尽管变化趋势不同，但最终都逐渐趋近于压电振子的开路电压。

目录

论文说明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景意义

1．2 压电发电机的研究现状

1．2．1 惯性激励式

1．2．2 拨动式

1．2．3．撞击式

1．3 本文的主要研究的内容

第2章 集中载荷作用下圆形压电振子发电性能的建模仿真

2．1 引言

2．2 压电发电基础

2．2．1 压电材料的基本特征

2．2．2 压电振子的支撑方式

2．3 圆形压电振子发电性能的数学建模分析

2．3．1 圆形压电发电机的受力模型

2．3．2 压电振子发电量的计算

2．4 圆形压电振子发电性能的仿真分析

2．5 本章小结

第3章 圆形永磁铁磁力的仿真与测试

3．1 永磁体间磁力计算

3．2 永磁铁间磁力仿真分析

3．2．1 COMSOL Multiphysics简介

3．2．2 永磁铁间磁力仿真过程

3．3 永磁铁间磁力测试

3．4 本章小结

第4章 旋磁激励圆形压电振子发电机理论建模与试验研究

4．1 旋磁激励式圆形压电振子发电机的理论建模

4．1．1 旋磁激励式圆形压电振子发电机的结构及工作原理

4．1．2 旋磁激励式圆形压电振子发电机理论模型

4．1．3 旋磁激励式圆形压电振子发电机性能影响因素

4．2 旋磁激励圆形压电振子发电机的设计制作

4．3 旋磁激励圆形压电振子发电机的输出电压特性

4．3．1 磁极间距及压电振子厚度对输出的电压影响

4．3．2 均布磁铁数量对输出的影响

4．3．3 多个磁铁并排连接对输出电压的影响

4．3．4 旋磁激励圆形压电振子发电机的储能及功率特性

4．4 本章小结

第5章 结论与展望

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢

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