微型振动式压电发电机的设计与特性分析

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1、第15卷第7期电机与控制学报Vol.15No.72011年7月ELECTRICMACHINESANDCONTROLJuly2011微型振动式压电发电机的设计与特性分析1，21，21，21，21，21，2邱清泉，肖立业，辛守乔，黄天斌，朱志芹，张国民(1．中国科学院应用超导重点实验室，北京100190;2．中国科学院电工研究所，北京100190)摘要:为了设计出与应用场合相匹配的微型振动式压电发电机，采用模态分析和谐响应分析方法对压电双晶片发电机的振动特性进行了研究，并分析了压电晶片的长度、宽度、厚

2、度、质量块质量等参数对压电发电机固有频率的影响。在此基础上，基于压电发电机的等效电路模型对发电机的发电特性进行了研究，并分析了压电发电机的上述结构参数对输出电压和功率的影响。实验结果表明，随着压电晶片长度和质量块质量的增加，固有频率降低，但共振情况下输出功率增加;随着压电晶片宽度和厚度的增加，固有频率增加，但在共振情况下输出功率减小。关键词:振动能量采集;压电发电机;模态分析;谐响应分析;等效电路中图分类号:TN320.0文献标志码:A文章编号:1007－449X(2011)07－0001－07D

3、esignandperformanceanalysisformicropiezoelectricvibrationgenerator1，21，21，21，2QIUQing-quan，XIAOLi-ye，XINShou-qiao，HUANGTian-bin，1，21，2ZHUZhi-qin，ZHANGGuo-min(1．AppliedSuperconductivityKeyLab，ChineseAcademyofSciences，Beijing100190，China;2．InstituteofEl

4、ectricalEngineering，ChineseAcademyofSciences，Beijing100190，China)Abstract:Todesignthemicropiezoelectricvibrationgeneratormatchedtheapplicationsituation，themo-dalanalysisandharmonicresponseanalysisareadoptedtostudythevibrationcharacteristicsofgenerator

5、withpiezoelectricbimorphs．Theinfluenceoflength，width，thicknessofpiezoelectricbeam，qualityofmassonthenaturalfrequencyofvibrationgeneratorwasanalyzed．Furthermore，theequivalentcircuitmodelofpiezoelectricgeneratorwasappliedtostudythepowercharacteristics，a

6、ndtheinfluenceofstruc-turalparametersontheoutputofvoltageandpowerwasanalyzed．Experimentalresultsshowthatthenat-uralfrequencydecreasesandtheoutputpowerinnaturalfrequencyincreasesastheincreaseofbeamlengthandmassquality;however，thenaturalfrequencyincreas

7、esandtheoutputpowerdecreasesastheincreaseofbeamwidthandthickness．Keywords:vibrationenergyharvester;piezoelectricgenerators;modalanalysis;harmonicresponseanal-ysis;equivalentcircuit收稿日期:2010－03－09基金项目:中国博士后科学基金(20090450569)作者简介:邱清泉(1979—)，男，博士，助理研究员，研究

8、方向为先进电磁材料与电磁装置;肖立业(1966—)，男，博士，研究员，博士生导师，研究方向为智能电网与超导电力技术;辛守乔(1980—)，男，博士研究生，研究方向为微能源与微传感技术;黄天斌(1971—)，男，博士，副研究员，研究方向为智能材料;朱志芹(1979—)，女，硕士，助理研究员，研究方向为测控技术与仪器;张国民(1963—)，男，博士，研究员，博士生导师，研究方向为电磁材料基础理论。2电机与控制学报第15卷5X45相对于目前常用的PZT－5A和PZT－5H压电0引言材料，