懸臂梁的材料與結(jié)構(gòu)對壓電俘能器的輸出響應(yīng)具有重要影響。為了研究在1.5～5.8 m/s低風速環(huán)境下不同基底材料對接觸式壓電俘能器的影響,該文選擇聚氯乙烯（PVC）、304不銹鋼、1060鋁和H68黃銅材料為基底的柔性聚偏氟乙烯（PVDF）壓電懸臂梁結(jié)構(gòu),并進行了對比實驗與分析。結(jié)果表明,以304不銹鋼為基底的懸臂梁結(jié)構(gòu)輸出功率最大。通過計算不同基底材料梁的結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)現(xiàn),在低風速工況下,梁的結(jié)構(gòu)剛度與減幅因數(shù)是影響壓電俘能器輸出性能的主要因素。同等工況下,梁的結(jié)構(gòu)剛度越小,接觸式壓電俘能器的啟動風速越低,風致振動的激振力頻率越高;減幅因數(shù)越小,懸臂梁的輸出功率越大。 

【文章來源】：壓電與聲光. 2020,42(05)北大核心

【文章頁數(shù)】：6 頁

【部分圖文】：

接觸式壓電俘能器示意圖

式中:g(t)為外界撥片垂直激勵;h(t)為夾持端微小旋轉(zhuǎn)運動激勵。模型中,假設(shè)撥片的接觸面絕對光滑,與壓電懸臂梁的接觸長度是恒定的。由于重疊長度很小,忽略了表面滑動或承載牽引時可能產(chǎn)生的拉應(yīng)力和切向力,且只有垂直的壓力。赫茲線接觸理論可用于確定每個撥出周期的彈性趨近量,則有

接觸式壓電俘能器的實驗裝置如圖3(a)所示。由于壓電陶瓷(PZT)梁剛度較大,撥動懸臂梁所需風速較大,故選用柔性PVDF材料。使用的單晶型懸臂梁分別由80 mm×22 mm×0.28 mm的PVC、304不銹鋼、H68黃銅和1060鋁基底層和45 mm×20 mm×28 μm的PVDF壓電薄膜組成(見圖3(c))。為了方便更換不同基底的懸臂梁,懸臂梁結(jié)構(gòu)單獨安裝在夾具上。撥片采用ABS材料,并且與懸臂梁的重疊長度為3 mm。當三杯式旋轉(zhuǎn)機構(gòu)在風能作用下開始旋轉(zhuǎn)后,懸臂梁將進行受迫振動,產(chǎn)生的輸出電壓經(jīng)過MB6F整流橋進行整流后對負載提供電能。由于風速變化會改變整個系統(tǒng)的激振力頻率,因此,在整個實驗中選擇了一組特定的風速值,使用調(diào)速器在1.5～5.8 m/s內(nèi)調(diào)節(jié)實驗的風速。表1為不同基底懸臂梁的參數(shù)。壓電懸臂梁的共振頻帶窄,在實際環(huán)境中常處于非共振狀態(tài)。針對1.5～5.8 m/s的實驗環(huán)境,最大激勵頻率為7 Hz時對懸臂梁進行分析。通過實驗得到了由PVC、304不銹鋼、H68黃銅和1060鋁為基底的壓電懸臂梁的一階固有頻率分別為17.69 Hz、18.54 Hz、23.73 Hz和30.01 Hz。表1 為不同基底懸臂梁的參數(shù) 材料 彈性模量/GPa 泊松比 密度/(kg·m-3) 黃銅 106.0 0.324 8 500 1060鋁 71.7 0.330 2 700 304不銹鋼 195.0 0.247 7 930 PVC 3.8 0.470 1 380

【參考文獻】：
期刊論文
[1]懸臂梁式PVDF壓電風能發(fā)電裝置的優(yōu)化設(shè)計[J]. 寧藝文,張健滔,張佳,方舟.  微特電機. 2020(03)
[2]不同形狀壓電振子的振動發(fā)電行為研究[J]. 鄧冠前,陳仲生,陶利民.  壓電與聲光. 2010(03)

碩士論文
[1]雙質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)磁結(jié)構(gòu)d15模式壓電俘能器的俘能特性[D]. 王永峰.湘潭大學 2018
[2]基于沖擊式振動的PVDF壓電風能收集系統(tǒng)的研究[D]. 宋國梁.大連理工大學 2016



本文編號：3541489