螺旋形壓電發(fā)電裝置的發(fā)電性能研究.pdf

1、隨著MEMS技術(shù)、無(wú)線電技術(shù)的飛速發(fā)展，手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、筆記本電腦等電子產(chǎn)品極大的豐富和方便了人們的生活和工作。但在能量供給方面，依然采用著傳統(tǒng)的供能方式，即利用化學(xué)能電池作為主要的能量供應(yīng)裝置。雖然化學(xué)能電池有其方便之處，但需要經(jīng)常更換、浪費(fèi)材料、污染環(huán)境、回收困難等問(wèn)題日益突出，迫切需要尋求新的供能裝置。壓電發(fā)電裝置是最為常用的振動(dòng)式能量收集器，主要通過(guò)壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)，將振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。由于該裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，不會(huì)

2、向環(huán)境中排放有毒有害物質(zhì)，限制條件少等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為一種新型的節(jié)能環(huán)保發(fā)電裝置。
　　壓電發(fā)電裝置所采集到的能量與振動(dòng)的幅值、頻率、幾何尺寸有關(guān)，其中，頻率是個(gè)至關(guān)重要的因素。當(dāng)振動(dòng)頻率接近裝置的諧振頻率時(shí)，振幅最大，獲取的電壓和功率可以達(dá)到峰值。因此，壓電發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與所涉及的應(yīng)用環(huán)境是密切相關(guān)的，所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在使用時(shí)必須基于振動(dòng)頻譜的基本特性。目前主要是通過(guò)延長(zhǎng)梁的長(zhǎng)度和在末端增加質(zhì)量塊來(lái)降低結(jié)構(gòu)的諧振頻率，但延長(zhǎng)梁的長(zhǎng)

3、度在微機(jī)電系統(tǒng)中顯然是不合理的，沒(méi)有足夠的空間，增加質(zhì)量塊來(lái)降低結(jié)構(gòu)的諧振頻率其效果也同樣有限。這樣，就會(huì)大大降低換能器的換能效率。針對(duì)此問(wèn)題，本文提出了一種可以有效降低諧振頻率，且無(wú)需大幅度增加梁長(zhǎng)度的新型幾何結(jié)構(gòu)裝置。通過(guò)將直梁改為螺旋形，并在其上布置可以滑動(dòng)的質(zhì)量塊，通過(guò)質(zhì)量塊的滑動(dòng)可以很方便地調(diào)節(jié)裝置的固有頻率，解決了現(xiàn)有壓電發(fā)電裝置諧振頻率高、外界振動(dòng)頻率與裝置的固有頻率不匹配等問(wèn)題，大大提高了壓電發(fā)電裝置的發(fā)電能力。

4、　　本文首先設(shè)計(jì)了新型的螺旋形基板，然后制作了螺旋形壓電發(fā)電裝置實(shí)物模型，并搭建試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)裝置的固有頻率和開(kāi)路輸出電壓進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，同時(shí)對(duì)發(fā)電裝置進(jìn)行了模態(tài)分析和動(dòng)態(tài)發(fā)電特性分析。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，螺旋形壓電發(fā)電裝置的固有頻率較低，發(fā)電裝置上可以粘貼多個(gè)發(fā)電電壓都較大的壓電片。然后基于ANSYS14.5有限元軟件，建立了螺旋形壓電發(fā)電裝置的有限元分析模型，對(duì)裝置進(jìn)行了靜力分析、模態(tài)分析及壓電耦合分析，并將有限元分析計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)