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基于旋转运动的磁力耦合压电能量俘获的机理研究

王哲  
【摘要】:近年来,无线传感器设备已广泛用于市政,军事,医疗和工业生产中,如何为传感器供电的研究得到人们广泛的关注。目前,无线传感设备使用电池供电,但电池存在使用寿命短,更换费用高以及难以微型化等问题。机械振动能作为一种潜在的替代能源,广泛地存在于人们的日常生活中。将环境中振动能量转化为电能为传感器供电是最具潜力的技术。本文针对旋转运动中压电能量俘获的关键技术进行了研究,设计了压电能量俘获装置,实现了旋转运动系统中机械能到电能的转换,提高其能量转换效率。具体研究内容如下:归纳总结了压电能量俘获装置的分类、特点及国内外发展历史与现状,分析了压电能量俘获装置存在的不足,获取了基于旋转运动的磁力耦合压电能量俘获装置的设计思路。介绍了压电效应与压电方程的基础理论知识;介绍了压电陶瓷晶片、压电聚合物薄膜和压电复合材料三种压电材料的特性及其制造工艺;介绍了压电元件的基本结构,机械夹持方式和振动模式;为压电元件的选取提供了指导。设计了基于旋转运动的磁力耦合压电能量俘获装置;分析了压电能量俘获装置的工作原理、压电梁受力情况和压电能量俘获系统的理论;为设计基于旋转运动的磁力耦合压电能量俘获装置提供了理论指导。仿真分析了两磁铁间距对压电能量俘获系统中磁力影响的规律,分析了外力对压电振子变形性能的影响规律。为基于旋转运动的磁力耦合压电能量俘获装置样机的设计制作提供了指导。制作了压电能量俘获装置试验样机,搭建实验平台并进行实验测试,实验分析了压电能量俘获装置结构参数对输出电压的影响规律,测试了压电能量俘获装置的负载功率特性,获得负载电阻对压电能量俘获装置输出性能的影响关系。验证了所设计的基于旋转运动的磁力耦合压电能量俘获装置性能的优越性。


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