磁致伸缩振动发电理论和能量采集电路的研究

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1、分类号：TM271密级：UDC：621.3编号：201221401020河北工业大学硕士学位论文磁致伸缩振动发电理论和能量采集电路的研究论文作者：桑杰学生类别：全日制工学硕士学科门类：学科专业：电气工程指导教师：曹淑瑛职称：教授DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheMasterDegreeofEngineeringRESEARCHOFMAGNETOSTRICTIVEVIBRATIONGENERATINGTHEORYANDENERGYHARVESTINGCIRCUITbySangJieSupervis

2、or:Prof.CaoShuyingNovember2014摘要磁致伸缩材料的振动发电技术是近些年的研究热点，在传统电力供电网不能直接提供电能的无线传感、嵌入式、便携式、微机电等小功率电子设备供电中具有广泛的应用前景。在能源危机的大背景下，振动作为一种存在广泛的能量形式，对其进行利用，越来越受到世界各国的重视。本文依据欧拉-伯努利梁结构动力学理论、磁致伸缩材料线性本构方程和法拉第电磁感应定律，建立了磁致伸缩式悬臂梁振动发电的分布参数机电耦合动态模型，并由该模型推导出了器件的频率特性。计算了在加速度激励下，器件输出的电压、电流、功率和顶端相对位移。计算结果与实验结果的比较表

3、明该模型能提供器件在低加速度激励时的合理数据趋势，能够较好描述器件输出电压随时间的变化规律，并能较好预测平均功率与负载电阻关系曲线。模型从时域和频域两方面综合描述器件电量与机械量之间的双向耦合作用，分析了器件各阶模态性能，确定了器件的模态共振频率工作区间，并粗估此区间器件的最佳负载电阻。将模型中的机械参数转化成了等效的电气参数，此时磁致伸缩发电机的理论模型就可以用电路的形式表现出来，为后续进行的能量采集电路的设计实现了完美的对接。在能量采集电路中先采用的是4倍压整流电路进行整流，目的在于提高输出电压。之后对电路进行DC-DC变换，目的在于实现对磁致伸缩发电的电能的有效利用

4、同时能够使得负载得到较为平稳的直流电压，这大大增强了采集电路的实用性。本文从整体上对磁致伸缩材料的振动发电进行把握，完成了机-电-能量采集一体化建模和设计，对于磁致伸缩式(如Galfenol)发电机的设计、整体性能预估、控制和使用具有较大的指导作用。关键字：磁致伸缩材料悬臂梁振动发电机机电耦合IABSTRACTVibrationgeneratorofMagnetostrictivematerialsbecomearesearchhotspotinrecentyears.Itcanbeusedinthewirelesssensorsandotherembedded,port

5、ableelectronicdeviceswhichtraditionalpowersupplycan’tdirectlyprovideelectricenergy.Inthebackgroundofenergycrisis,theresearchonvibrationenergyharvestingbasedonmagnetostrictivematerialshaspotentialtotheproblemsthatneedtoreplacepowersupplyfrequently.Countriesallovertheworldgetmoreandmoreatte

6、ntionofit.BasedonthestructuraldynamictheoryofEuler-Bernoulibeam,thelinearconstitutiveequationsofmagetostrictivematerialandtheFaradaylawofelectromagneticinduction,adistributedparametermechanical–electrocoupleddynamicmodelofGalfenolcantilevervibrationenergyharvesterhasbeenestablished,andthe

7、frequencycharacteristicofthedevicehasbeenderivedfromtheproposedmodel.Theoutputvoltage,current,powerandtiprelativedisplacementofthedeviceunderaccelerationexcitationhavebeencalculated.Comparisonsbetweentheexperimentalandcalculatedresultsshowthattheproposedmodelcanprov