压电材料电荷能量回收技术研究

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1、压电材料电荷能量回收技术研究摘要：本文对压电材料电荷能量回收性能进行研究。通过在压电驱动器收缩时回收其在伸展时储存于其电场和应变场中的能量，来提高对驱动压电驱动器动作的激励电源使用效率。借助瞬时电容器（flyingcapacitor）所构成的一套封闭系统来实现电荷能量回收与利用，通过瞬时电容器与另一电容器串并联连接方式的不断切换，来有效收集封闭系统中压电驱动器上电荷，提高对电源利用率；同时，通过对电容串并联切换时间控制，实现压电驱动器所要求的振动频率。文章最后给出了实验结果。关键词：电荷能量回收，压电材料，

2、压电驱动器，闭环控制系统1．压电材料电荷能量回收性能研究1.1压电材料机电耦合性能原理性实验   压电材料本身具有很大电阻值，故当其两极加载一定电压时，可视之为电容器。这一假设在仅对压电陶瓷材料电性能进行分析时是完全可以接受的，有时还简化对问题的分析与计算。但压电材料不仅有电容特性，还有正、逆压电效应。在压电陶瓷中，特别是将其用作驱动元件时，其机械能和电能更是不能分开。对此，可以进行如下图[1]所示压电材料机电耦合性能原理性实验（采用压电陶瓷，取其压电应变常数为d33，同时无外加负载）。该实验中各步说明如下

3、：（1）图：压电陶瓷处于初始空闲状态，极化方向没有外加电压，此时伸缩变形方向上长度为L1；（2）图：闭合激励电源U开关K，对压电陶瓷进行充电。由于压电陶瓷的逆压电效应，在其伸缩变形方向发生形变，形变后压电陶瓷长度为L2；充电完毕后断开激励电源U，此时压电陶瓷两端电压值基本保持在U值，并有缓慢下降趋势；（3）图：将开关K掷向压电陶瓷放电回路，此时压电陶瓷由于两端放电而恢复形变，放电完毕后瞬间，其长度变为L3。此时L3并不等于初始长度L1。1.2利用压电方程进行理论分析   利用压电材料机电耦合方程对上述原理性

4、试验进行理论分析与说明：   由于压电材料既是介电体，又是弹性体，具有正、逆压电效应和一般弹性体弹性性质，因而便同时具有电学和力学性质，也即其电行为与机械行为是互相耦合的。   压电材料在介电性质方面根据介电理论有：，其中称为介电常数，参数为电位移，参数为电场强度；其在弹性性质方面根据广义虎克弹性理论有：，其中称为弹性模量，参数为应力，参数为应变；压电材料驱动过程是压电材料介电性与弹性之间相互作用产生正压电效应和逆压电效应过程。压电材料电学量与力学量之间具有一定比例关系：对于正压电效应有，对于逆压电效应有，

5、其中比例参数称为压电系数。一般对于压电材料来说，只考虑其电行为和力行为之间相互作用，而不考虑其它效应影响，即同时只存在四中参变量：应力、应变、电场强度、电位移。从力学量参数应力、应变及电学量参数电场强度、电位移这两组参数中分别任选一个参数组成两个自变量，另外两个作为因变量，便可建立四组表征压电材料机电耦合关系方程（压电方程）。   取压电方程中一组方程为：（以应力和电场强度为自变量）  方程1和方程2如下：            其中：Ei：压电材料应变；Di：压电材料电位移；：压电材料所受应力；Ej：压电

6、材料电场强度；：压电材料弹性柔顺系数；djx[din]：压电材料压电应变系数；Eij：应力为常数时介电常数；表示电场强度为零(常数)时，应力对应变贡献；djxEj表示电场强度对应变贡献；表示应力对电位移贡献；表示应力为零时，电场强度对电位移贡献；方程[1]意义是：压电材料总体应变量是其所承受应力和电场两部分贡献组成。方程[2]意义是：压电材料总体电位移是其所承受应力和电场两部分贡献组成。这说明压电材料电场和应力场(应变场)是相互作用的。从而在设计压电驱动器驱动电路时，通过对两者同时考虑来得到压电驱动器驱动电

7、路性能改进。   对该原理性实验解释与分析：图（2）中，压电陶瓷在充电完毕、断开电源后，其两极电压保持缓慢下降趋势，这是因为压电陶瓷本身具有很高电阻，极间漏电流很小，因而放电过程缓慢，表现为两极电压缓慢下降。这一点说明压电材料有电容特性，对电荷能够保存。这一点启发我们若能够及时有效回收这部分电能，对其重复利用，便可提高电能利用率；图（3）中：压电陶瓷放电后恢复长度L3不等于原始长度L1，这时因为：在压电陶瓷充电过程中，其输入能量一部分转变为压电陶瓷电场能，另一部分转变为应变场。当闭合压电陶瓷放电回路时，储存

8、其中的电场能瞬间释放，转变为热能；而应变场中储存能量则不能瞬间释放，有一定延迟。因而压电陶瓷放电后长度L3不等于初始长度L1。   应变场中储存能量释放有一定延迟，且能量储存和释放速度与所作用外载荷特性有关，具体分析为：外载荷为零，此时压电陶瓷在外加电场作用下，能够完全自由伸缩，输入电能就储存在电场和应变场中，最终压电陶瓷将发生伸长或缩短，其内部电场与应变场都将增大。当闭合其放电回路时，电场能则在闭合瞬间以热能形