磁力调频压电-电磁复合俘能器研究

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1、分类号：密级：UDC：编号：工学硕士学位论文磁力调频压电-电磁复合俘能器研究硕士研究生：孙文祎指导教师：刘少刚教授学科、专业：机械工程论文主审人：孔凡凯教授哈尔滨工程大学2018年3月分类号：密级：UDC：编号：工学硕士学位论文磁力调频压电-电磁复合俘能器研究硕士研究生：孙文祎指导教师：刘少刚教授学位级别：工学硕士学科、专业：机械工程所在单位：机电工程学院论文提交日期：2017年12月论文答辩日期：2018年03月学位授予单位：哈尔滨工程大学ClassifiedIndex:U.D.C:ADissertationfortheDegree

2、ofM.EngResearchonMagneticFrequencyPiezoelectric-ElectromagneticHybridEnergyHarvesterCandidate:SunWenyiSupervisor:Prof.LiuShaogangAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpecialty:MechanicalEngineeringDateofSubmission:Dec.2017DateofOralExamination:Mar.2018University:

3、HarbinEngineeringUniversity哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者（签字）：日期：年月日哈尔滨工程大学学位论文授权使用声明本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读学位期间论文工

4、作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。本论文（□在授予学位后即可□在授予学位12个月后□解密后）由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。作者（签字）：导师（签字）：日期：年月日年月日摘要在过去的十年中，振动能

5、量采集技术受到了越来越多的关注。小型电子元器件的低功率化是促进这一研究领域发展的一个动力源，其优势在于不仅可以省去外部电源、降低由于周期性更换电池（组）带来的维护保养费用，还能减少传统电池造成的化学废弃物。振动-电能转换机制一般有三种，分别是磁电式、静电式以及压电式，其中压电式及电磁式相比于静电式俘能装置，俘能效率相对更高，同时不需要外接电源，进而得到了更多关注。本文回顾了压电式振动能量回收装置的研究现状，针对现有微型压电俘能装置共振频率单一、工作带宽范围有限、低频环境下能量采集效率不高的问题，提出并设计了一种新型的磁力调频压电电磁复

6、合俘能装置，并对该俘能装置的发电性能分别从理论建模、仿真分析以及实验三个方面进行研究。首先，根据性能要求设计了一种磁力调频压电-电磁复合俘能装置，并建立该装置的三维模型。基于欧拉-伯努利梁理论和能量法，建立了压电-电磁复合俘能器的集中参数模型。为了达到拓宽复合俘能系统发电频带的目的，引入非线性磁力对系统进行调频，综合磁力模型，建立了磁力调频压电电磁复合俘能器的机电耦合数学模型。其次，对该磁力调频压电-电磁复合俘能装置的机电耦合模型进行求解，得到了系统输出功率频响应曲线，确定了系统的最优负载，证明了磁力调频作用能够拓宽系统的发电频带，并

7、同时分析研究了负载电阻、质量比、固有频率比、机械阻尼比和磁铁中心距对磁力调频压电电磁复合俘能器谐振频率、输出功率的影响规律。然后，应用有限元仿真软件ANSYSworkbench以及AnsoftMaxwell对该磁力调频复合俘能装置进行仿真分析。采用顺序耦合的方法，分别对压电部分和电磁部分进行谐响应分析及瞬态响应分析，得到了磁力调频复合俘能装置在单一压电俘能、单一电磁俘能以及压电-电磁复合俘能情况下的输出功率频响曲线。对曲线进行分析结果表明：压电电磁复合俘能的输出功率并不简单的等于单一压电俘能部分和单一电磁俘能部分输出功率的叠加，两者之

8、间确实存在一种耦合，这与理论模型相符。同时也对磁铁中心距等参数对发电性能的影响进行了仿真分析，验证了磁力的引入可以达到调频的目的，与数值计算结果相吻合。最后，搭建了磁力调频压电-电磁复合俘能装置发电性能研究的实验平台。分