基于复合磁电材料的宽带低频振动能量采集器的研究

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1、（申请工学硕士学位论文）基于复合磁电材料的宽带低频振动能量采集器的研究培养单位：物流工程学院学科专业：机械制造及其自动化研究生：刘江驰指导教师：刘志平教授2014年5月万方数据分类号密级UDC学校代码10497学位论文题目基于复合磁电材料的宽带低频振动能量采集器的研究英文ResearchonAWide-bandwidthandLow-frequencyEnergy题目HarvestersBasedonCompositeMagnetoelectricMaterials研究生姓名刘江驰姓名刘志平职称教授学位博士指导教师单位名称物流工程学院邮编430063申请学位级别硕士学

2、科专业名称机械制造及其自动化论文提交日期2014.4论文答辩日期2014.5学位授予单位武汉理工大学学位授予日期答辩委员会主席评阅人2014年5月万方数据独创性声明本人声明，所呈交的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。尽我所知，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，也不包含为获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：日期：学位论文使用授权书本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留

3、并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人承诺所提交的学位论文（含电子学位论文）为答辩后经修改的最终定稿学位论文，并授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。（保密的论文在解密后应遵守此规定）研究生（签名）：导师（签名）：日期万方数据武汉理工大学硕士学位论文摘要通过能量采集技术将环境中的振动能转换成电能，从而为电子设备供电。这将实现电子设备的自供电，并且可提供长

4、期电源。利用换能器的MEMS加工工艺，使电源集成到电子设备中，为实现电子设备的智能化、便携化提供有利条件。在包括风能、太阳能、热能、振动能等各类能量采集中，振动能量的应用前景极其广阔。通过国内外研究现状的研究与分析发现振动能量采集器具备结构简单、与MEMS工艺兼容性较好、输出能量密度大、无需启动电源、便于与电子器件集成的优点。但也存在一些缺点：1）能量采集器必须与环境振动达到共振才能获得较高的电能输出，而大部分的振动能量采集器的固有频率一定；2）振动能量采集器的固有频率相对普遍存在与环境中的振动能的振动频率来说都很高，必须采取相应的措施来降低能量采集器的固有频率。因此

5、，本文的目的是研究一种具有宽带低频特点的振动能量采集器。（1）本文设计了一种新型的振动能量采集器。采集器主要由能量转换器和双稳态系统两部分构成，采集器的主要器件是Terfenol-D/PZT/Terfenol-D复合磁电换能器。本文分析了复合磁电换能器的换能过程和复合方式。利用PZT的压电效应和Terfenol-D的磁致伸缩效应，当复合磁电换能器在磁场中运动时，实现机械能到电能的转换。（2）完成了能量采集器各部分尺寸设计。换能器的能量转化与永磁体空气隙中的磁场强度密切相关。本文利用ansys软件，对永磁体空气隙磁路进行了仿真。通过理论分析得到了与系统实现双稳态密切相关

6、的参数。通过matlab仿真得到当永磁体间距d小于5.5mm时所设计的能量采集器表现出显著的双稳态特性。利用matlab中的simulink工具箱。取d=5mm，输入一个带有噪声的正弦信号，得到系统的位移响应具有双稳态特性。（3）完成了振动能量收集电路设计。该电路用于将采集器输出的不规则的、波动性较大的电能存储起来，为电子元件提供一个稳定的电源。选择了MAX1795芯片，该芯片可实现电压从2V到5.5V的调节。（4）进行了实验验证。在输入信号为20Hz的正弦激励下，分别取d=5mm和d=7mm进行了实验。实验表明d=5mm时输出电压表现双稳态特性，输出电压大，且响应频

7、带宽。通过能量收集电路的测试实现了3.3V的稳定电压输出。关键词：能量采集；Terfenol-D；PZT；双稳态；宽带低频I万方数据武汉理工大学硕士学位论文AbstractThroughenergyharvestingtechnology,energyofvibrationintheenvironmentisconvertedtoelectricity,thenpoweringforelectroniccomponents.Thiswillmakeelectronicdevicesareself-poweredones,andcanprovidepo