悬臂梁单晶压电发电机的实验研究

建立了悬臂梁单晶压电振子的发电测试系统,对压电晶体与磷青铜基板材料的厚度比对单晶压电振子输出电压的影响进行了有限元分析,得出了压电晶体与磷青铜基板材料的最佳厚度比并进行了实验验证,同时对具有最佳厚度比的单晶压电振子进行了压电发电能力测试。研究结果表明,当压电晶体与磷青铜金属基板的最佳厚度比为0.5,单晶压电振子的输出电压最大,有限元分析与实验结果基本吻合。单晶压电振子输出电压随着负载的增大而随之增大,而输出功率并不随负载的增大而增大。压电振子存在一个最佳负载,当负载与压电振子内阻匹配时,此时的输出功率最大,能量转化效率最高。单晶压电振子在负载为50 时,输出电压最大可达5.4 ;当负载电阻为 时,负载与压电振子内阻匹配较好,输出功率达到最大为1.18 ,产生的能量能满足网络传感器等低耗能电子产品的供能需求。     

V型压电换能器的有限元分析与实验

为实现对不同方向环境振动能量的收集,提出了一种新颖的V型压电换能器,对其进行了有限元仿真分析和实验测试.有限元分析表明,压电陶瓷片与金属弹性基片之间有一个最佳厚度比,为0.5,使得换能器发电能力最强.随着换能器两金属基片夹角的增大,其输出电压不断减小.实验测试显示,有限元分析与实验结果具有较好的一致性,且都在压电陶瓷片厚度为0.15 mm时,其输出开路电压最大,验证了有限元分析的可靠性,在输出功率测试中,V型压电换能器对外负载供能具有较好的优越性,且在峰值为0.3N的作用力下,输出功率达到22 μW.     

悬臂梁压电俘能器的建模研究

为深入研究悬臂梁式压电俘能器的作用机理,从压电方程和内能平衡出发,建立了悬臂梁式压电俘能器单晶片压电振子、双晶片串联压电振子和双晶片并联压电振子的电压输出灵敏度数学模型.在ANSYS中分别建立了三种压电振子的有限元模型,仿真得到三种压电振子的基板厚度与输出电压的关系曲线,仿真结果表明串联双晶片压电振子的输出电压值最高,且数值模拟曲线和有限元仿真曲线基本吻合,验证了建立数学模型的正确性.     

基于圆弧限位的压电发电装置

提出一种基于圆弧限位压电发电装置来提高发电能力及可靠性。介绍了该装置的结构及工作原理,建立了其机电能量转换模型。通过模拟仿真分析获得了压电振子厚度比（基板与总厚度比）对最小限位圆弧半径及能量、及压电振子厚度和限位圆弧半径对电压及能量的影响规律。结果表明,最小限位圆弧半径随厚度比的增加而线性减小,且存在共同的最佳厚度比（0.35）使不同厚度压电振子的输出电压和能量最大;在最佳厚度比时,输出电压和能量随压电振子厚度增加或限位圆弧半径降低而增加。制作了一组限位圆弧半径不等的发电装置,并进行了相关试验测试。结果表明,压电振子的最大输出电压（变形量）仅与限位圆弧半径有关,故采用最小限位圆弧半径可同时获得最大的发电能力和较高的可靠性。     

线性悬臂梁式压电振子的理论分析与仿真

悬臂梁式压电俘能系统的输出电压和功率与压电振子的结构尺寸、外界激振频率等都有着密切的联系。同时,线性压电振子当与环境振动激励产生共振时才能获得最大的输出功率,而其固有频率又与压电振子的结构尺寸等参数有关。因此,为了在实际应用中提高俘能效率,就需要研究这些参数对悬臂梁式压电俘能系统性能的影响规律。现针对悬臂梁式压电振子结构进行了相关的理论分析,并通过COMSOL Multiphysics有限元软件,对系统输出电压和功率受外界激振频率、负载、外激励加速度的影响规律进行了仿真分析,从而为优化悬臂梁式压电振子结构,降低系统固有频率提供了参考。     

一种脱涡纵振式压电管道气流俘能器

为满足管道流体监测系统的自供电需求,针对流速/向恒定、空间有限的管道流环境下压电振子的有效激励问题,提出一种脱涡纵振式压电管道气流俘能器。介绍了其系统构成及工作原理,并进行了理论和试验研究,证明了其结构原理的可行性。研究结果表明:平均阻力随流速/直径比增长呈二次方关系,平均阻力过大时会减小压电振子振幅,平均阻力系数随直径比上升先增加最终达到固定值(6.23);其他参数确定时,分别存在最佳流速和最佳直径比使输出电压最大,外接电阻为240 kΩ,流速为32 m/s,直径比为0.93时,试验测得最大输出功率为1.25 mW,应根据实际流速范围确定合理的直径比及负载以提高俘能器的输出功率,低流速时适当增大直径比、高流速时适当减小直径比有助于提高发电能力。     

扭摆式多方向压电振动俘能器的研究

为实现多方向振动能量回收,提出了一种扭摆式多方向压电振动俘能器,并从有限元仿真与试验两方面对其输出电压特性进行研究,获得了不同激励角(激励方向与X轴在XOY面内的夹角为激励角)时的谐振频率及其所对应幅值的变化规律。研究结果表明,激励角变化对两阶谐振频率影响均较小,但对输出电压的影响较大且影响规律不同;激励角从0°增加到90°时,一阶谐振电压减小、二阶谐振电压增大,激励角为44°时两阶谐振电压相等。在此基础上,进行了电容充电特性及输出功率特性的试验研究。沿X轴和Y轴方向激励时,电容的存储能速度分别达0.58 mJ/s和0.54 mJ/s;沿X轴和Y轴方向激励时,均存在两个最佳电阻使输出功率最大,即沿X轴方向激励时的最佳负载和最大功率分别为(17,81) kΩ和(4.56,3.4) mW,沿Y轴方向激励时的最佳负载和最大功率分别为(17,61) kΩ和(3.96,3.89) mW。     

悬臂梁式压电发电装置的有限元分析

基于压电发电原理,对悬臂梁式压电振子进行有限元分析并与实测的试验数据进行比较。研究表明:在相同静载荷下,压电振子的输出电压随长度的增加而增大,随宽度、厚度的增加而减小,串联双晶片压电振子的输出电压较高,约为单晶片和并联双晶片压电振子输出电压的两倍。在设计压电发电装置时,应根据外界环境,选择适当的压电振子。     

压电-气动隔振器的能量回收特性

为实现低频／高强度振动能量回收以及基于能量回收的主动振动控制,提出一种压电-气动隔振器,介绍了其系统构成原理,并进行了其能量回收特性的理论与试验研究。理论分析结果表明,压电-气动隔振器的发电能力是由环境振动强度、气缸／压电振子的结构性能参数、气体容积／背压等多种要素共同决定的。其他条件确定时,发电量／电压随背压增加呈指数规律递增,且存在最佳的压电振子的厚度及厚度比(基板厚度／总厚度)使发电能力最大。采用Φ60×0.9mm3双晶压电振子及Φ16×100mm3气缸制作了试验样机,测试了频率／背压／振动强度对输出电压的影响规律。结果表明,在给定试验条件下,压电 气动隔振器输出电压随背压及气缸活塞振幅的增加线性递增,0.4MPa背压时输出电压约为无背压时的5倍。此外,还存在最佳工作频率(5 Hz)使其输出电压最大。     

限幅激励式压电发电机性能分析与试验

为提高旋转式压电发电机的可靠性及有效带宽,提出一种限幅激励式压电发电机,利用凸轮激励压电振子使其发生幅值可控的单向变形。从理论和试验两方面研究凸轮升程与升角、激振力及弹簧刚度等对发电机输出性能的影响规律。研究结果表明,利用移动凸轮限幅激励压电振子可获得无明显峰值、较平坦的电压幅频特性曲线;其他条件相同时,降低凸轮升程有助于降低最大输出电压、拓宽有效转速带宽,凸轮升角(30°~45°)增加对最大输出电压无影响、但可拓宽有效转速带宽,增加激振力可拓宽某一输出电压所对应的有效带宽,复位和缓冲弹簧刚度对有效转速带宽及转速值都有一定的影响,当复位弹簧刚度50 N/m、缓冲弹簧刚度20 N/m、激励距离8 mm、凸轮升程2 mm、升角为40°时,输出电压大于30 V所对应的有效转速范围为0~537.6 r/min,故通过合理匹配系统参数可有效提高发电机的可靠性及有效带宽;存在最佳电阻使发电机输出功率达到最大值,最佳电阻70 kΩ、转速392 r/min时的输出功率为10.88 mW。     

Design and performance evaluation of a d33-mode piezocomposite electricity generating element

Energy harvesting using smart materials and, in particular, piezoelectric material has been a very hot subject for several decades. The brittleness and low performance of PZT, which is widely used for energy harvesting applications, were considered a weakness. The concept of piezocomposite electricity generating elements (PCGEs) has been proposed for improving the electricity generation performance and alleviating brittleness of piezoceramic wafers. The residual stress in the PZT layer after curing is one of the main reasons for the PCGE’s enhanced performance and the outer epoxy-based composites protect the brittle PZT layer. We propose a d ₃₃-mode PCGE that can be used for energy harvesting in roads and bridges. The effective piezoelectric coefficient d ₃₃ ^eff of the electricity generating element was used as a measure of the electricity generating performance. We fabricated several PCGEs and conducted simple dropping tests to verify the concept of the d ₃₃-mode coefficient of the electricity generating element. Moreover, to ensure even distribution of the impact force on the PCGE, we designed and tested an effective load transfer mechanism with a steel block and a rubber pad.     

形状参数对Cymbal换能器发电能力的影响

Cymbal(钹)换能器由两个金属端帽和夹在中间的压电陶瓷圆片组成。首次将Cymbal换能器作为发电装置研究,建立了刚性杆铰接简化力学模型。采用有限元方法对Cymbal换能器力电耦合场进行分析,计算出了产生的电压和电场能随空腔深度、端帽厚度和端帽顶部直径增大递减,随端帽空腔底部直径增大递增的变化规律。利用Cymbal换能器刚性杆铰接模型对计算结果给出了力学解释,并计算出了在金属端帽不屈服情况下的最大发电功率。     

双晶悬臂梁压电发电装置发电能力的仿真

针对双晶片悬臂梁式压电振子的理论模型,分析了压电振子的结构参数对压电发电装置发电能力的影响。运用ANSYS有限元软件建立了压电振子的压电耦合模型,研究了压电振子的配重质量、悬臂梁长度和金属基板厚度等结构参数对压电振子的固有频率以及压电发电装置发电量的影响规律。为了验证有限元模型的正确性,对典型结构参数压电悬臂梁的一阶固有频率和发电电压进行了实验测量。仿真结果表明,增加悬臂梁的配置质量和长度、减小悬臂梁基板的厚度都可以降低结构的固有频率,选择恰当的结构参数匹配可以使发电装置的固有频率接近外界的激振频率,从而实现最佳的发电性能。     

Topology optimum design of unimorph piezoelectric cantilevered Mindlin plates as a vibrating electric harvester

An FEM-based topology optimization approach is proposed to calculate the topologies of a substrate plate and a piezoelectric layer used for vibrating unimorph cantilevered plate-like electricity generators (energy harvesters). The Mindlin plate theory was combined with a topology optimization algorithm to consider the shear effect. Each optimum topology for a plate and a piezoelectric layer is computed and combined by reflecting the natural frequencies of the substrate plate, electromechanical couplings of piezoelectric materials, tip masses and method of moving asymptotes. The piezoelectric coefficients such as elasticity, piezoelectric coupling and capacitance are interpolated by element density variables. The cantilevered plate generators with optimal topologies were designed for three piezoelectric materials such as PZT, PMN-PT and PMN-PT single crystal fiber MFC, and their voltage outputs were compared using a developed FEM-based optimization code to investigate the suitable material for harvesters.     

压电式振动发电机的建模及应用

振动式压电发电机是一种可为旋转机械故障诊断中的无线传感节点供电的微能源。本文设计了由压电悬臂梁、质量块和固定装置组成的振动式压电发电机,并建立了安装在恒速旋转机械上的悬臂梁式发电机的数学模型。分析了轴向分力对悬臂梁刚度和发电机频率的影响,在考虑悬臂梁受到轴向力影响的基础上,给出了发电机固有频率、输出电压和输出功率的公式。对一个安装于转动框架上的振动式压电发电机进行了测量,结果表明,当框架转动频率为14.25 Hz时,发电机的输出功率约为35 μW,随着旋转机械转动频率偏离发电机固有频率,发电机的输出功率很快降低。     

铁电材料滞回能量捕获能力分析

为解决微机电系统的供电问题,将基于力电耦合智能结构的滞回能量捕获技术应用到微能源技术中。首先对已有的基于压电材料的能量捕获技术展开了分析,介绍了压电材料的发电机理以及铁电材料的优点和自发极化特性,提出了一种将铁电材料用于能量捕获的方法;然后,利用力电耦合能量捕获实验台,对铁电和压电结构进行了能量捕获实验。实验及研究结果表明:铁电材料及压电材料皆可满足一定的供电要求,但就实验所用两种材料而言,铁电材料的供电能力比压电材料要高。     

一种特殊车载发电系统——驻车取力发电系统的研制

介绍了一种特殊车载发电系统——驻车取力发电系统的研制,着重阐述了在研制过程中需要解决的几个关键问题和相应的解决技术,即在不影响汽车本身行驶性能的情况下加装取力装置、设计取力转速控制系统来保证发电系统的电源品质等。     

Closed-form vibration analysis of thick annular functionally graded plates with integrated piezoelectric layers

This paper employs an analytical method to analyze vibration of piezoelectric coupled thick annular functionally graded plates (FGPs) subjected to different combinations of soft simply supported, hard simply supported and clamped boundary conditions at the inner and outer edges of the annular plate on the basis of the Reddy's third-order shear deformation theory (TSDT). The properties of host plate are graded in the thickness direction according to a volume fraction power-law distribution. The distribution of electric potential along the thickness direction in the piezoelectric layer is assumed as a sinusoidal function so that the Maxwell static electricity equation is approximately satisfied. The differential equations of motion are solved analytically for various boundary conditions of the plate. In this study closed-form expressions for characteristic equations, displacement components of the plate and electric potential are derived for the first time in the literature. The present analysis is validated by comparing results with those in the literature and then natural frequencies of the piezoelectric coupled annular FG plate are presented in tabular and graphical forms for different thickness-radius ratios, inner-outer radius ratios, thickness of piezoelectric, material of piezoelectric, power index and boundary conditions.     

悬臂梁式压电发电结构理论模型及其仿真研究

为提高压电悬臂梁发电能力以及将压电发电技术应用到日常生活中,开展了压电振动理论分析,建立了压电装置的发电能力与压电材料的厚度比、长度以及悬臂梁的材料、长度等之间的关系,提出了数学建模的分析方法,在理论上对压电悬臂梁的发电能力进行了评价,并进行了Matlab仿真实验.其结果表明:悬臂梁压电发电模型中,压电材料存在最佳厚度...