新型风力压电发电装置设计及发电性能

为了利用压电发电装置采集自然界中的风能,并解决传统压电发电装置受外界振源限制的缺陷,设计了一种新型的风力压电发电装置。对装置中的悬臂梁压电振子进行了发电电压的理论分析及有限元验证,结果表明,压电振子发电电压的理论计算结果与ANSYS仿真结果基本吻合,两者之间的误差仅为0.54%。在此基础上,运用ANSYS有限元软件来计算该新型风力压电发电装置的发电能力,计算得到装置在振幅为1 mm、频率为20Hz的简谐力作用下,一个悬臂梁压电振子所产生的电压为30.1V。为了获得最佳的发电性能,对发电装置的结构参数进行了优化设计,研究结果表明,当悬臂梁压电振子的上表面比风车轴凸轮上凸点的最低点位置高2mm时,该装置具有最佳的发电性能,一个悬臂梁压电振子可产生约60.3V的发电电压。     

基于ANSYS的工形压电发电装置有限元分析

针对目前悬臂梁压电发电装置的局限性,设计了一种工形的压电发电装置。运用ANSYS有限元软件建立了工形压电发电装置的有限元模型,并进行了静力分析及模态分析。分析结果表明,该工形压电发电装置的最大应变出现在每个转角折弯处,且每个转角折弯处的应变基本一致。根据压电方程可知,该处将产生最大的发电电压,所以在此粘贴压电片将具有最佳的发电能力。通过建立发电装置的压电耦合分析模型,计算得到在0.1mm的位移载荷作用下,每片压电片上将产生约15.1V的电压。最后,对该工形压电发电装置进行了参数化研究,结果表明,当选择长80 mm、宽15 mm、厚0.4 mm的压电工形板时,发电效果最佳,最大发电电压可达16.5V。     

基于Hamilton原理的压电悬臂梁模型建立与分析

根据哈密顿(Hamilton)原理建立了压电悬臂梁(压电梁)能量转换模型,利用数值模拟和实验测试的方法研究了压电梁在固定端受到位移激励时结构尺寸、材料特性和激振频率等对其发电能力的影响规律。研究表明,当基板材料相同时,单、双晶压电梁均存在最佳厚度比(基板/总厚)使其输出电能最多;当基板材料不同时,最佳厚度比随杨氏模量比(基板/陶瓷)增加而减小,铜、钼基板构成的单、双晶压电梁的最佳厚度比分别为(0.7,0.35)和(0.45,0.2);当厚度比(0.5)和激励条件相同时,杨氏模量比对单、双晶压电梁发电能力影响不同;调整单、双晶压电梁自由端质量块使其工作在谐振状态,可显著提高压电梁的发电能力。     

变截面悬臂梁压电俘能器动力学特性分析

提出一种变截面悬臂梁压电俘能器结构,通过有限元仿真分析其振动特性和输出电压,有利于提高发电性能。该俘能器结构固定端为等截面梁,自由端为变截面梁,压电层粘贴在悬臂梁根部等截面梁表面,改变悬臂梁自由端与固定端的宽度比,得到多种不同形式的变截面悬臂梁。对比分析了三角形梁、矩形梁和具有不同宽度比梯形梁的固有频率、应力和应变分布及简谐激励输出电压响应。结果表明,三角形梁固有频率较大,输出电压最大,同时分析了不同变截面段长度对输出电压的影响。该文还分析了具有相同一阶频率、不同宽度比俘能器的输出电压,表明三角形结构单位体积压电层输出电压最大。对比分析了基体层上根部粘贴压电片和全部粘贴压电片的输出电压特性。结果表明,前者输出电压较大,发电性能更好。     

基于PVDF的枕形压电发电装置性能仿真分析

提出了一种枕形压电发电装置,为了解该压电发电装置的发电性能,该文对其进行了有限元仿真。结果表明,弹性金属基片厚度、弧形压电梁宽度及初始曲率半径的增加将引起压电发电装置压电薄膜输出电压的降低;弧形压电梁的长度及弹性模量比的增加将引起压电薄膜输出电压的不断升高;压电薄膜厚度的增加将使其输出电压先增大后减小;弧形压电梁内侧压电薄膜的输出电压都要大于外侧压电薄膜的输出电压,且铍青铜基片压电梁要优于钢基片压电梁。     

质量块位置对压电悬臂梁发电性能影响分析

利用ANSYS有限元仿真软件,建立压电悬臂梁发电振子的ANSYS模型,并进行了模态分析和谐响应分析。当加速度为0.015 m/s2,质量块在不同位置时,仿真分析了压电悬臂梁发电振子输出的开路电压随频率的变化。由仿真结果可知,当质量块距离夹持端75 mm时,压电悬臂梁发电振子输出的开路电压有效值最大可达19.3 V。搭建试验台,研究了质量块在不同位置时压电悬臂梁发电振子的输出特性。实验结果表明,当质量块距离夹持端77 mm时,在加速度一阶谐振频率下,压电悬臂梁发电振子输出的开路电压有效值最大可达17.8 V。在经全桥整流电路接阻容电路,电阻为1.3 MΩ时,电阻上获得最大瞬时功率为55 μW。研究结果表明,带质量块的压电悬臂梁发电振子振动能量发电梁中的质量块存在一个最佳位置,使装置开路电压和输出功率最大。     

悬臂梁双晶压电片不同连接方式发电性能

为了更加有效提高双压电振动能量采集器的发电效率,以双晶压电片为研究对象,设计了一种可收集电动机机械振动能量的双压电振动能量采集器。探究了电动机不同转速下,双晶压电片不同连接方式的内阻和发电特性;分析了电动机在不同转速下,双晶压电片不同连接方式时双压电振动能量采集器输出电压和输出功率的特性。理论计算与实验结果进行对比,选择一种最优的双晶压电片连接方式。     

压电式发电的悬臂梁结构参数分析

针对如何提高悬臂梁压电式发电效率的问题,通过所建立的压电转换模型,分析了结构参数对输出电压的影响,在设计悬臂梁的结构参数时,尽量在结构强度允许的条件下,选择大的附加质量块与压电双晶片宽度,是获得较大输出电压的重要方法.分析还表明,虽然压电双晶片的长度lb对输出电压影响较大,为满足压电发电装置的微型化要求,在设计中参数限制了lb的选取范围.在低频工作区,参数附加质量块与悬臂梁沿x轴方向上的接触长度lm、压电陶瓷层的厚度tc对输出电压作用较弱.经设计与搭建的实验平台及测试系统,进行了测试结果与仿真分析相比较,结果表明理论分析是可信的.     

压电等应变梁能量回收装置研究

针对应变分布对悬臂梁能量回收装置输出的影响,提出一种变厚度等应变结构,并用多层金属片构成的阶梯梁对该理想等应变结构进行近似.制作了4层阶梯梁能量回收装置,其中能量转换压电片采用压电纤维复合物(MFC).通过测量梁的应变分布和压电片输出,证明压电片能量在阶梯梁结构下是等截面梁结构下的2.89倍.     

和胃安神法治疗失眠的临床研究

针对应变分布对悬臂梁能量回收装置输出的影响,提出一种变厚度等应变结构,并用多层金属片构成的阶梯梁对该理想等应变结构进行近似.制作了4层阶梯梁能量回收装置,其中能量转换压电片采用压电纤维复合物(MFC).通过测量梁的应变分布和压电片输出,证明压电片能量在阶梯梁结构下是等截面梁结构下的2.89倍.     

Analytical modeling of piezoelectric vibration-induced micro power generator

In this article, a novel piezoelectric cantilever bimorph micro transducer electro-mechanical energy conversion model is proposed. Based on the curvature basis approach, the relationship between the deduced voltage and the mechanical strain induced piezoelectric polarization is formulated. In addition to the working equation for piezoelectric sensors, the damping effect is included to enable the resonance frequency, the maximum induced voltage at the resonance, the conversion energy density and the dimensions of the piezoelectric micro power generator to be analytically estimated. The analytical model shows that the vibration-induced voltage is proportional to the excitation frequency and the width of the device but is inversely proportional to the length of the cantilever beam and the damping factor. To verify the theoretical analysis, two micro transducer clusters are fabricated. The experimental results demonstrate that the maximum output voltage coincides with the energy conversion analytical model.     

考虑疲劳寿命的压电悬臂梁结构优化设计方法

提出了一种插入式的压电悬臂梁结构,通过将其末端质量块转化成等效惯性力和惯性力矩,得出了求解其固有频率的理论公式。在此基础上,设计了一系列一阶固有频率相同、长宽比不同的压电悬臂梁。通过ANSYS模态分析发现,理论计算和仿真结果的误差均在5%以内,证明了这种求解压电悬臂梁固有频率方法的可行性。通过瞬态分析得出,随着长宽比的增大,压电悬臂梁的输出电压及压电层的最大应力随长宽比呈近似线性关系增大,这种线性关系对于压电悬臂梁的性能预测很有意义。最后通过疲劳分析软件nCode DesignLife,求解出了各压电悬臂梁的疲劳寿命,并以此为依据,选取了最优的结构设计方案。为压电悬臂梁的结构优化设计建立了一种新的、相对完整的方法。     

双端固支式压电俘能器的特性研究

设计了基于矩形梁和梯形梁两种结构的双端固支式压电俘能器,其较传统的悬臂梁式压电俘能器,具有更高的压电材料利用率,且应变分布更均匀,输出功率更高。针对这两种结构建立了理论模型并进行了分析。结果表明双端固支梯形梁应变更均匀。另外,针对这两种结构设计了对比试验,测量了输出电压及输出功率。这两种结构均可通过串联提高输出性能,与双端固支矩形梁相比,双端固支梯形梁的一阶固有频率降低,其串联输出电压较矩形梁提高22.9%,输出功率提高34.7%。     

基于1×2阵列压电悬臂梁的AFM并行扫描

分析了阵列悬臂探针并行扫描的工作方式,以非接触磁力模拟样品与悬臂梁间的范德华力,研究了1×2阵列压电悬臂梁的并行扫描和驱动控制方法。每一压电梁均集成了微位移致动器和力传感器,在320Hz一阶共振频率下振动。实验表明:在0.2～1.0mm力作用区内,压电梁自由端每接近模拟样品0.1mm,表征悬臂梁振幅的锁相放大器输出电压减小1.7mV,但微力传感在扫描的升回程存在迟滞;致动器的控制电压每增加10V使锁相放大器输出减小约3mV,表明集成的致动器可调节压电梁与样品间的间距。两压电梁的电荷-位移响应曲线、间距调节灵敏度均不完全一致,讨论了阵列悬臂梁一致性问题和阵列规模大小问题。     

面向负载功率的压电悬臂梁研究

基于电路负载阻抗匹配原理,为最大程度利用压电悬臂梁发电装置收集环境振动能量,保证压电悬臂梁外接负载能够正常工作,需要研究压电悬臂梁结构参数对其最佳输出功率以及相对应外接负载匹配阻值的影响。该文通过压电电路分析,研究了基板和压电陶瓷片的长度、厚度、宽度和质量块质量对压电悬臂梁最佳输出功率以及相对应负载匹配阻值的影响。结果表明,一定范围内,增加基板长度、压电陶瓷片厚度、质量块质量可以增加压电悬臂梁外接负载匹配阻值,增加基板厚度、压电陶瓷片长和宽可降低压电悬臂梁外接负载匹配阻值;随着基板长度、压电陶瓷片宽和长、质量块质量的增加,压电悬臂梁最佳输出功率得到显著提高,基板宽度对压电悬臂梁最佳输出功率基本无影响,增加压电陶瓷片的厚度,压电悬臂梁最佳输出功率先增加后降低,存在一个最佳输出功率。     

基于压电双晶片的气动高速开关阀研究

基于智能材料驱动的高速开关阀具有比电磁高速开关阀更好的动静态特性。针对传统悬臂梁结构压电双晶片输出力较小的缺点，该文研究了一种基于压电双晶片的气动高速开关阀，提出了一种简支梁结构固定方式。借助 COMSOL对压电元件流固耦合问题进行分析，优化了阀的关键结构参数，并对样机进行了实验研究。实验结果表明，阀的工作频宽达到280 Hz，在压差0．3 MPa的条件下，最大流量为30．7 L/min。