薄片式Galfenol能量收集器的設計與研究.pdf

1、近年來隨著科技的發(fā)展，能源問題越來越受到各界專家和學者的密切關(guān)注，除了從根本上減少資源浪費，加大資源的利用效率外，發(fā)掘和利用新型能源來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的不可再生資源已經(jīng)成為國內(nèi)外學者的研究重點。機械振動能是眾多能量存在形式中覆蓋范圍最廣的能量形式之一，它不受氣候、時間和地域的影響，伴隨著也誕生了多種基于機械振動能的能量收集方式。傳統(tǒng)的能量收集技術(shù)有靜電式、電磁式和壓電式。隨著對磁致伸縮材料研究的深入，隨之誕生的磁致伸縮式能量收集技術(shù)也越來越受到

2、專家學者們的關(guān)注。本文基于薄片狀磁致伸縮材料設計制作了一套振動能量收集器，并展開了相關(guān)研究。
　　首先，對比了磁致伸縮材料相對于其它智能材料在能量收集領域的優(yōu)點，分析了利用磁致伸縮材料進行能量收集的基本原理。在眾多磁致伸縮材料中，著重對Galfenol和Terfenol-D進行了性能對比。由于前者具有良好的機械性能，能夠適應不同的器件結(jié)構(gòu)，而且不含稀土元素價格低廉。因此，將Galfenol作為本文研究所用的智能材料。
　　其

3、次，根據(jù)Galfenol的機電轉(zhuǎn)換原理得出其本構(gòu)關(guān)系，并引入了磁滯模型建立了Galfenol的磁化強度模型。再根據(jù)Jiles-Atherton模型、經(jīng)典的機電耦合模型、電磁感應定律、電磁學原理得出Galfenol振動能量收集的數(shù)學模型。
　　再次，基于懸臂梁結(jié)構(gòu)在能量收集技術(shù)方面的優(yōu)點（主要表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)簡單且易于微型化），本文設計的振動能量收集器的主體結(jié)構(gòu)即為懸臂梁結(jié)構(gòu)。對懸臂梁進行了彎曲振動分析和基座在簡諧激勵作用下的強迫振動分析

4、，在此基礎上對四種形狀（矩形、梯形、三角形和雙曲線形）懸臂梁通過相關(guān)的理論計算進行了性能對比，并利用Ansys軟件對懸臂梁進行靜力學分析、模態(tài)分析和諧響應分析，確定了懸臂梁的尺寸和固有頻率以及不同振動頻率作用下，裝置的輸出電壓的響應情況。除此之外，還對裝置的其他部件進行了相關(guān)設計。通過Matlab軟件結(jié)合不同形狀懸臂梁的應力應變理論計算過程，對振動能量收集的數(shù)學模型進行模擬仿真輸出，在激振幅值為20um，激振頻率為其各自的一階固有頻率時

5、，數(shù)學模型仿真輸出的感應電壓峰峰值分別為145.7mV、177.8.4mV、225.3mV、279.7mV。
　　最后，設計制作了實驗樣機，并對其分別進行了四種形狀懸臂梁樣機的輸出性能對比實驗、雙曲線式實驗樣機的單因素實驗和正交實驗。實驗結(jié)果表明四種懸臂梁形狀的實驗樣機中，雙曲線式能量收集器的輸出感應電壓峰峰值最高，平均可達269.8mV；在單一因素實驗中，分別得出了激振頻率、激振幅值以及偏置磁場與雙曲線式實驗樣機的輸出感應電壓峰