多方向压电振动能量收集方法及性能优化关键技术的研究

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1、ReMNanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSch001CollegeofAerospaceEngineeringsearchonSomeKeyTechnologiesforulti．directionPiezoeleCtricVibrationEnergyHarvestingAThesisinInstrumentScienceandTechnology(IntelligentMonitoringandContr01)byLiuxian

2、gjianAdvisedbyProf．ChenrenwenSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyMarch，2012承诺书本人声明所呈交的博士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全

3、部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本承诺书)作者签名：j愀日期：么阻』!耸南京航空航天大学博士学位论文摘要随着微机电技术和精密加工制造技术的不断发展，现代机电产品日趋微型化和人性化且其应用也日趋广泛。目前，微机电产品的能量供给主要依赖于化学电池，化学电池在使用过程中的诸多弊端如体积大、寿命有限、需要定期更换及易造成环境污染等使得研制长寿命、清洁环保及微型化的新能源成为亟待解决的关键技术问题之一。本文从微型能量供给技术的研究进展

4、出发，从能量的产生、转换及其应用研究等方面综合比较了各种形式微能源的优劣。基于具有较高的能量密度、清洁环保、工作可靠及易于微型化等诸多优点，提出了研究环境振动驱动的压电式振动能量收集装置。针对目前研究者所提出的压电振动能量收集装置只能进行某个单一方向环境振动能量的收集的特点，同时考虑到环境振源的多方向性，本文主要研究环境振动驱动的多方向压电式振动能量收集装置的理论计算、有限元仿真、优化分析及试验研究等关键技术。利用环境振动驱动的多方向压电式振动能量收集的最显著特点就是其多方向性，本文综合考虑了单方向性压电振动

5、能量收集装置的结构形式，提出了两种新颖的多方向压电振动能量收集装置，即立方体状多方向压电振动能量收集装置和蒲公英状多方向压电振动能量收集装置。重点进行了立方体状多方向压电振动能量收集装置的分析、计算与试验研究，对蒲公英状多方向压电振动能量收集装置的发电性能进行了初步探索。本文首先对立方体状多方向压电振动能量收集装置的关键部件——Rainbow型压电换能器进行了全面研究。根据虚功原理，建立了Rainbow型压电换能器的动力学理论模型并进行了数值模拟分析。根据弹性结构力学理论和压电学理论建立了Rainbow型压电

6、换能器的理论发电模型，并就镀青铜和钢两种常见的金属弹性基片材料Rainbow型压电换能器的发电性能进行了数值模拟分析，所得结论可为研究Rainbow型压电换能器的发电性能及其优化设计提供指导。根据压电学理论和能量的转换原理建立了Rainbow型压电换能器机电耦合系数的理论分析模型，为研究换能器结构机械能与电能间转换的强弱提供参考。为从整体上研究立方体状多方向压电振动能量收集装置的发电性能，本文接着根据振动的合成与分解原理建立了立方体状多方向压电振动能量收集装置的动力学理论模型，并数值模拟分析了立方体状多方向压

7、电振动能量收集装置主要结构参数对其谐振频率的影响关系。在上述研究基础上，为了研究立方体状多方向压电振动能量收集装置与能量存储电路间的相互机电耦合作用，根据电路学原理，建立了装置负载电压与负载功率的理论模型，并数值模拟了外部激励条件、结构参数及所接负载对装置负载功率的影响。最后，建立了立方体状多方向压电振动能量收集装置能量转化效率的理论模型并进行了数值模拟与分析。上述研究、分析为从理论上预测、评估立方体状多方向压电振动能量收集装置的发电性能提供了重要理论依据。多方向压电振动能量收集方法及性能优化关键技术研究为了

8、实际测试和验证立方体状多方向压电振动能量收集装置的发电性能，本文接着进行了立方体状多方向压电振动能量收集装置的试验研究。研究中首先根据多方向振动能量收集的试验需要，设计并制作了小型多方向环境振动模拟平台，为模拟实际环境的多方向振动及立方体状多方向压电振动能量收集装置的多方向振动能量收集试验提供了支持和保障。最后，对设计、制作的立方体状多方向压电振动能量收集装置试验样机的发电性能进行了实际测试。试验结