小型振动压电发电机气流致振激励技术与其实验分析

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1、硕士论文小型振动压电发电机气流致振激励技术及其实验研究1绪论1．1论文选题背景及研究问题1．1．1课题研究背景气流致振式振动压电发电机(压电发电机，piezoelectricene唱ygenerator，简称PEG)工作的基本原理是，在外部气流诱发下激励含有压电元件的压电换能装置振动，利用压电元件的正压电效应，将该振动引起的压电元件机械变形转换成其表面上正负电荷的堆积，通过能量采集电路将其转换成用户(负载)所需要的形式，并存储在电容或电池中，以保证给用户或负载持续、稳定地供电。振源可以来自环境中风

2、能和气流能，它属于一种清洁的再生能源。理论上，一般的振动能量采集(VEH：ⅥbrationEnergyHarvesting)器，以强迫振动阻尼谐振器为理论基础，设计成与压电元件谐振的机械谐振器结构。实际上，对于无恢复力的机械谐振器结构来说，无法保证与压电元件谐振的工作状态。另一方面，激励来自工作环境中的自然风(或迎面空气产生的气流)的风力发电机，其风速范围在1～10州s(即1～5级的微风、和风)，目前都采用水平轴或垂直轴涡轮式旋转激励结构，靠风或气流直接推动涡轮叶片驱动磁电换能器发电，故发电机体积

3、庞大。对于一般设备的自供电系统来说，使用这类大体积发电机，存在无合适安装地方、结构复杂、成本高、噪声大、电磁污染等问题，这正是至今自然风力发电机得不到广泛实施和应用的根本所在。气流致振PEG与传统的电源不同，其源阻抗呈电容性，它可以由不同振幅的振动来驱动。其核心部件是激励和压电换能装置，完成振动能量的产生并将机械能转化为电能。将压电换能器用于供电，近10多年来才被人们关注。压电换能器的换能技术，可以将外部机械激励(例如，人或动物的机体运动、气流或液体的流动、声波等)转变为电能的发电技术，因其环保、

4、易于小型化的特征，在弹药引信系统、各种民用系统的自驱动、自供电中也备受关注。然而，小型化给PEG带来的体积与能量的矛盾，已成为当今应用系统自供电的瓶颈。因此，开展外部机械激励特性研究，对于提高小型振动PEG的输出能力，具有重要的应用价值。本论文研究的应用背景是引信物理电源。引信物理电源是一种弹载(on．board)发电机，它是一种利用弹药发射和飞行环境中受到的环境力(阻力、气流、热等物理参量)直接或间接转化成电能发电的专用电源，其主要功能是为电引信(电子引信和电力引信)正常工作提供所需电能n3。安

5、全性、长储性是引信电源必须满足的基本要求。从安全性考虑，应该在发射环境开始后尽可能延迟给引信电路供电，希望电源在内弹道、外弹道上或子弹被抛撤后才供电。综合振1绪论硕士论文动压电发电、风力发电技术的优点和应用优势，开展气流致振的引信PEG发电技术研究，并促进气流、振动利用和控制技术在引信技术中的应用，具有重要的理论价值和工程指导意义。因此，本论文以引信PEG为研究对象，在课题组前期研究的基础上口‘101，针对涡轮式电磁发电机噪声大、电磁兼容性差，小体积、挤压式气流压电发电机不连续供电、输出功率小的问

6、题，以及振动PEG小型化、振动与压电换能装置固有频率不一致时面临的输出能量小、频带窄等关键问题，根据气流流过管道后气流产生的变化特性和声波在空腔、管孔内传播引起结构振动的特性，以增长振动的设计思想为指导，从气流、声波等振动中采集能量，采取增大振动能机械方法，提高小型压电换能器输出能量。根据振腔哨、喷注发生器的工作原理，采用频率泵浦技术，提出一种无活动零件的管流诱发振动的频率放大机械结构方案，通过计算流体数值分析与实验室模拟相结合的方法，进行管流场分析、气流致振机理研究，确定管流致振结构及其敏感参数

7、，为设计具有频率俘获功能的空腔发声结构奠定基础。本论文的研究得到总装备部“十二五”预研项目(51305070102)和国家自然科学基金《小型振动压电发电机气流致振发电技术》(51377084)资助。1．1．2气流致振压电发电机工作原理及研究关键问题1．气流致振压电发电机工作原理根据压电晶体的压电效应：在没有外力作用下，晶体内部的电偶极矩是平衡的，此时压电晶体处于不带电状态。当在压电晶体表面施加某一方向外力时，晶体的电偶极矩遭到破坏，此时，在压电晶体表面会产生电荷。电荷极性随着晶体受力方向不同而不同

8、。晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。图1．1所示气流致振PEG的压电换能器就是利用正压电效应制成的。但是，正是由于正压电效应，在无外力作用的情况下，压电晶体不会有电荷输出，也就是说，压电式发电机的压电换能器本身在变化的外力作用下，存在一个不能稳定地供电或连续地供电的问题。对于传统的大功率压电变换器来说，可以通过改变驱动和发电原理，来适应不同输入和输出要求，解决稳定供电或连续供电的问题。南京理工大学陈荷娟教授课题组提出了图1．1所示的气流致振PEG方案示意图，其设计思想就是基