压电陶瓷剪切模式用于超声波电动机的研究

介绍了已经采用d15逆压电效应的切变型压电陶瓷元件,如激励扭转振动的压电陶瓷环和筒以及激励行波的压电陶瓷盘等,分析了其在行波型、驻波型等超声波电动机中的应用方式和驱动机理。提出了一种新的切变型弯曲振动的压电陶瓷柱元件,并应用于弯曲摇头型超声波电动机中,有助于满足发展大应变、微型化超声波电动机的需求。     

压电叠堆联接方式及低频发电特点的研究

压电发电是一种新型的振动能量收集技术。论文推导并给出了压电叠堆在33模式低频振动时输出电压和功率的数学表达式,并分析指出了输出电压和功率与压电系数、压电片个数、压电片厚度、激振力、激振频率正相关,与电极面积和介电常数负相关;电学串联的压电叠堆可以输出较高的开路电压;电学并联的压电叠堆可以输出较高的输出电流和功率。文中设计了压电叠堆夹持装置和振动发电实验装置,在振动频率5Hz、激振力26N的情况下得到两片电学串联叠堆和并联叠堆的最大功率分别为0.14μW和0.4μW;实测输出电压随振动频率、电阻、压电片个数、振子厚度和电极面积的变化趋势与理论预测相符。     

压电式振动能量采集电源管理电路分析

压电式振动能量采集的应用十分广泛,在许多能量采集装置中都采用压电元件实现能量转换。分析了振动能量采集装置中压电元件采集的能量输出管理电路,包括标准能量采集电路、DC-DC变换的优化标准能量采集电路、同步电荷提取电路、电感同步开关采集电路和双同步开关采集电路等五种电源管理电路的原理,比较了它们的能量采集输出效率,指出了各种电源管理电路的特点和适用条件。     

悬臂梁式压电振动能量俘获装置输出功率分析与建模

文章通过理论分析,从悬臂梁式压电振动能量俘获装置常见结构的等效电路出发,结合俘能装置的结构参数以及电气参数等特性,总结推导出了该装置输出电压的近似公式,以及低阻值负载情况下恒流源的等效输出模型,也由此推出了多装置并联拓扑结构的输出电压公式。并基于该理论分析,利用Matlab对悬臂梁式压电振动能量俘获装置进行仿真,仿真结果验证了这些近似公式的正确性。     

能量回馈型超声波电动机的结构设计与特性分析

为解决极端封闭环境中微机器人检测精密驱动及其电子设备自供电问题,提出了一种具有振动能量采集功能的超声波电动机。电机定子由两组压电陶瓷和金属基体构成锥面夹心结构,一组压电陶瓷利用逆压电效应将电能转换成机械振动能,实现电机的精密驱动与定位;另一组压电陶瓷利用正压电效应将定子机械振动能采集转换成电能,实现对电子器件自供电。对电机定子结构和压电陶瓷极化分区模式进行了设计,利用有限元分析软件建立了电机定子结构有限元机电耦合模型,仿真分析了电机振动模态、谐响应、输入导纳特性、能量采集转换特性和阻抗匹配特性等。研究结果为实现基于压电转换的驱动和能量采集一体化机电产品提供理论基础。     

振动式压电风能发电装置的研究

建立了振动式压电风能发电装置在风流场中的有限元分析模型。基于标准k-ε模型进行了风流场仿真分析,并通过系统耦合实现了风流场和发电装置固体之间的双向耦合分析。获得了压电发电装置在风流体作用下的振动特性结果,结果显示:发电装置在流场中径向放置比其他放置方式能产生更多的电能。制作了压电发电装置,并在微型风洞中进行了实验。结果表明,发电装置在风场中径向放置时产生的电压明显比其他放置方式高,当风速为15 m/s时,径向放置的输出电压峰峰值大约是轴向放置的两倍。     

新型单振子多自由度超声波电机

提出一种基于压电陶瓷平面内应变的多自由度超声波电机。该电机的定子由中空金属圆柱加工而成,圆柱的四周加工成4个互相垂直的平面,上面分别粘贴四片沿厚度方向极化的钛锆酸铅(lead zirconate titanate,PZT)压电陶瓷。利用压电陶瓷在垂直极化方向平面内的变形,激励定子绕Z轴的扭转振动模态,实现转子绕Z轴的转动;激励在定子中固有频率接近、振动方向相垂直的伸缩振动模态和弯曲振动模态,并通过振动的叠加使定子末端质点产生绕X轴或者Y轴的椭圆运动,实现转子绕水平轴的转动。采用有限元方法对电机的定子进行分析设计,建立电机样机实验系统并测定样机的振动特性及输出机械特性。实验结果表明基于压电陶瓷平面内应变的电机可以实现绕3个互相垂直轴的多自由度转动。     

压电陶瓷风力发电机的创新设计

通过对压电发电模型的分析,总结出了各参数对压电陶瓷开路电能及破坏力的影响。在此基础上运用Solidworks软件设计出了创新型的悬臂梁式压电陶瓷风力发电机,该装置能实现能量的自供给,可以解决那些不能提供电源、不易更换电池地区微型器件的供电问题。     

动态应变压电传感技术的研究及工程应用

提出了一种通过动态应变的测量进行桥梁低频振动监测的新方法.论述了压电应变传感的原理和理论计算公式,实验研究了不同激振频率下(0.1Hz~40Hz)压电传感元件的动态响应,结果表明其灵敏度高,线性度好,符合桥梁低频振动测量的要求.最后对基于压电应变传感技术的桥梁振动监测进行了仿真研究,验证了该方法的可行性,为工程应用奠定了理论基础.     

变刚度升频压电式振动发电装置的仿真研究

为了解决压电振子在低频振动环境中俘能效率低下的问题,提出一种变刚度升频结构,变刚度结构可以增大压电振子在微弱信号下的响应振幅来俘获更大的能量。首先设计振动发电电池结构,并此建立整个系统的AMESim振动仿真模型,然后确定变刚度弹簧的刚度曲线及相应仿真参数并进行仿真。仿真结果表明:相对于定刚度升频系统,变刚度升频振动发电机响应频带拓宽15%,发电功率峰值可达7 m W。     

微型振动式压电发电机的设计与特性分析

为了设计出与应用场合相匹配的微型振动式压电发电机,采用模态分析和谐响应分析方法对压电双晶片发电机的振动特性进行了研究,并分析了压电晶片的长度、宽度、厚度、质量块质量等参数对压电发电机固有频率的影响.在此基础上,基于压电发电机的等效电路模型对发电机的发电特性进行了研究,并分析了压电发电机的上述结构参数对输出电压和功率的影...     

基于压电材料的变压器振动能量收集装置研究

变压器振动信号在线监测是检测变压器运行状态的重要手段,振动传感器的供能方式制约了振动检测方法的应用。为了实现振动传感器取能,文中设计了一种基于压电材料的变压器振动能量收集装置,利用收集的振动能量为振动传感器供电。首先,根据变压器振动特性,采用多模态取能方式,建立三悬臂式压电取能结构的输出电压与输出功率模型。其次,通过Comsol Multiphysics仿真分析能量收集装置输出功率和外加激励频率的关系。最后,搭建变压器振动能量收集实验平台,测得压电式能量收集装置的实际输出功率为11.547 μW。利用振动能量收集装置为振动传感器供电,可以保障在线监测设备的供电,减少外接电源对设备安全稳定运行的影响。     

能量回馈型超声波电机定子振动特性有限元分析与特性测试

提出一种集精密驱动和振动能量采集于一体的新型多功能压电振动电机——能量回馈型超声波电机,设计了电机夹心式内锥面压电定子,建立了电机压电定子的有限元模型,仿真分析定子振动特性和能量采集输出特性;研制电机原理样机,并对电机进行阻抗和能量采集特性测试与分析。研究结果为工作在极端封闭环境中的微型机器人系统提供一种集驱动与供电一体化的机电器件。     

低频振动倍频电磁式发电装置设计及仿真研究

设计了低频振动倍频电磁式发电装置。该装置形成了闭合磁路,显著提高了能量转化效率。采用2片磁轭构成多齿结构,显著提高了铁心磁通的变化频率,使装置能够应用于低频振动环境。永磁体上下两侧嵌入衔铁,减少了漏磁量。通过数值仿真,分析了气隙宽度、永磁体半径、铁心横截面积和衔铁齿厚度对线圈最大磁感应强度的影响,并对装置进行了优化设计。利用动态仿真,得到了磁链和感应电压随时间变化的特性曲线。得出了装置的最大有效功率,并与其它设计方法的结果进行了比较,证明了该装置具有更加良好的输出性能,可以为低功耗的无线传感网络节点供电。     

基于压电陶瓷平面内应变的多自由度超声波电机驱动电路研究

介绍了一种新型基于压电陶瓷平面内应变特性的多自由度超声波电机，该电机通过两个平面内的弯曲振动模态的叠加实现转子绕Z轴的转动；并利用伸缩振动模态分别与上述弯曲振动模态叠加实现转子绕X轴和绕Y轴的转动。设计了一种基于直接数字频率合成器(DDS)原理的电机驱动电路，该电路利用在FPGA元件实现的DDS阵列产生四路正弦激励信号，并采用高压运算放大器进行功率放大。该驱动电路的特点是各路驱动信号幅值和频率及驱动信号之间的相位差均可以独立调整。电机样机的机械特性实验以及调节特性实验结果表明该驱动电路满足驱动基于压电陶瓷平面内应变的多自由度超声波电机的要求。     

压电执行器与应变计复合的电压传感器

将压电陶瓷执行器与悬臂梁式应变传感器通过纵-弯转换机械结构复合,设计了一种“电压-力-应变”转换的新型电压传感器。压电陶瓷执行器与弹性悬臂梁结构“T形”连接构成纵-弯转换结构,将压电执行器在电压作用下产生的纵向应力/应变转换为悬臂梁的弯曲应力/应变,实现应力/应变的纵向-弯曲转换。布置在弹性悬臂梁结构上下两侧的4个电阻应变片组成惠斯通电桥电路,实现对悬臂梁弯曲应力/应变的测量。高电压强电侧和力敏感的弱电侧之间的机械转换设计,保证了高度电气隔离。建立了传感器“电压-力-应变”转换物理模型并通过有限元仿真进行了验证。制备了传感器样机,测试结果表明,量程0～5 000 V,灵敏度为0.01μV/V,非线性误差1.83%,分辨率30 V。     

弯振复合型螺杆式压电驱动器研究

为了提高压电驱动器的机械输出性能,便于压电驱动器振动能量的传输,研制了一种弯振复合型螺杆式压电驱动器。该驱动器由圆筒和两个弯振夹心式换能器组成,换能器由变幅杆和两组弯振压电陶瓷片组成,且变幅杆和圆筒采用一体结构。对驱动器的工作原理进行了分析,利用有限元法对换能器进行了仿真,实现了换能器两个振动模态特征频率的匹配。对驱动器的基本输出特性进行了测试,测试结果表明该驱动器的螺杆最大输出速度为0.62mm/s,最大输出力为1.8 N。     

基于压电纤维复合材料的洋流能发电装置发电性能分析

设计了一种基于压电纤维复合材料(MFC)的洋流能发电装置,并分析了其发电性能。以悬臂梁结构为分析对象,对影响发电性能的因素进行了分析,研究了基底材料的类型和厚度、频率、位移激励幅值、单晶和双晶结构对发电性能的影响规律。基于上述分析结论,设计了一种洋流能发电装置。分析了该发电装置的发电性能。分析结果表明,该发电装置在转子转速为500 r/min的工作条件下,最大输出功率为9.31 W,能满足功率要求。     

一种双足驱动直线超声波电动机的设计

设计了一种单边双足驱动的面内振动直线超声波电动机，其定子采用了一片铜板和八片压电陶瓷构成的复合结构，压电点陶瓷沿着厚度方向极化，对称安装在矩形铜板的两个表面上。建立了该电机的机电耦合动力学模型，通过仿真确定了驱动足的位置，并试验研究了电机的特性。     

超声电机定子的简化复合梁模型裂纹扩展分析与实验

超声电机工作环境非常复杂,压电陶瓷极易发生断裂失效。为了分析研究电场、预压力及裂纹位置对压电陶瓷断裂失效的影响,将超声电机的定子沿周向简化为弹性复合梁模型,并在压电陶瓷上预制贯穿裂纹。首先用Ansys有限元软件对简化模型进行仿真,分析得到增大电场、预压力能增加裂纹尖端应力值,裂纹更加容易扩展。然后通过实验验证得到增大电场强度裂纹更加容易扩展。