本文關鍵詞：振動發(fā)電與壓電發(fā)電混合式能量捕獲裝置的研究

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【摘要】：無線傳感器因為具備體積小、能耗低、并且可以在特殊或危險的環(huán)境使用等優(yōu)點而廣泛應用在各個領域,比如橋梁監(jiān)控、醫(yī)學治療等,但是傳統(tǒng)的蓄電池儲存電能有限,導致供應一段時間必須進行更換,不僅浪費了資源,還出現(xiàn)環(huán)境污染的問題。因此,收集環(huán)境中普遍存在的振動能,經過轉換變成電能來解決無線傳感器的供電問題成為行之有效的方案。目前,常用的振動能量捕獲裝置根據發(fā)電原理不同分為電磁式和壓電式。本文在振動發(fā)電研究的基礎上,提出一種新型的電磁-壓電混合式振動能量捕獲裝置,有效的提高了輸出功率。并從理論、仿真和實驗三個角度進行了分析研究。本文首先介紹了混合式能量捕獲裝置中電磁部分和壓電部分的模型設計過程。對電磁式能量捕獲裝置的基本原理、永磁的有限元分析、感應電動勢的計算和永磁體之間磁力計算進行了理論分析;同時,提出壓電材料和壓電懸臂梁的一些理論知識,并且對壓電懸臂梁進行有限元方法分析,對其固有頻率進行計算。在此基礎上,提出混合式能量捕獲裝置的數(shù)學模型,并且通過傳統(tǒng)的彈簧-質量-阻尼系統(tǒng)模型對混合式能量捕獲裝置進行阻尼分析;然后通過有限元仿真軟件對混合式能量捕獲裝置各部分進行仿真計算,最終得到電壓和功率的輸出情況;最后搭建實驗平臺,首先對獨立的電磁能量捕獲裝置和獨立的壓電能量捕獲裝置進行能量輸出的測試,其次對混合式能量捕獲裝置的綜合能量輸出進行實驗分析。分析結果得出結論,混合式能量捕獲裝置中各部分的輸出電壓和功率都比耦合前獨立的能量捕獲裝置有所減少,這是因為耦合影響了能量的輸出,但是經過混合后的總輸出電壓和功率是提高的,有效的提高了能量轉換效率。
【關鍵詞】：電磁 壓電 能量捕獲 有限元
【學位授予單位】：河北工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TM619
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 緒論9-17
• 1.1 引言9-10
• 1.2 振動發(fā)電和壓電發(fā)電能量捕獲裝置的發(fā)展現(xiàn)狀10-16
• 1.2.1 振動能量捕獲裝置的分類10
• 1.2.2 國內外研究10-16
• 1.3 本文的主要研究內容16-17
• 第二章 電磁式能量捕獲裝置的模型設計與分析17-25
• 2.1 電磁感應定律17-18
• 2.2 永磁式能量捕獲裝置的數(shù)學模型的設計與分析18-23
• 2.2.1 電動勢的計算18-19
• 2.2.2 永磁磁場的有限元分析19-21
• 2.2.3 用解析法計算永磁體之間磁力21-23
• 2.3 本章小結23-25
• 第三章 壓電式能量捕獲裝置的模型設計與分析25-31
• 3.1 壓電材料與正壓電效應25-27
• 3.1.1 壓電材料25
• 3.1.2 正壓電效應25-27
• 3.2 懸臂梁壓電振子的數(shù)學模型設計與分析27-30
• 3.2.1 懸臂梁壓電振子的有限元分析27-28
• 3.2.2 壓電振子的耦合方式28
• 3.2.3 懸臂梁壓電振子的振動頻率28-30
• 3.3 本章小結30-31
• 第四章 電磁-壓電混合式能量捕獲裝置數(shù)學模型的建立與仿真31-49
• 4.1 混合式振動能量捕獲裝置的結構31-32
• 4.2 混合式振動能量捕獲裝置數(shù)學模型的建立32-37
• 4.2.1 混合式振動能量捕獲裝置的傳統(tǒng)等效模型32-35
• 4.2.2 混合式能量捕獲裝置的輸出功率35-37
• 4.3 混合式能量捕獲裝置的仿真分析37-48
• 4.3.1 單一電磁式能量捕獲裝置的有限元仿真分析38-42
• 4.3.2 單一壓電式能量捕獲裝置的有限元仿真分析42-46
• 4.3.3 混合能量捕獲裝置的有限元瞬態(tài)分析46-48
• 4.4 本章小結48-49
• 第五章 混合式能量捕獲裝置的實驗研究49-55
• 5.1 混合式能量捕獲裝置的輸出電壓的研究49-51
• 5.1.1 單一電磁能量捕獲裝置的電壓輸出49-50
• 5.1.2 單一壓電能量捕獲裝置的電壓輸出50
• 5.1.3 混合式能量捕獲裝置的電壓輸出50-51
• 5.2 混合式能量捕獲裝置的輸出功率的研究51-54
• 5.2.1 單一電磁能量捕獲裝置的功率輸出51-52
• 5.2.2 單一壓電能量捕獲裝置的功率輸出52
• 5.2.3 混合式能量捕獲裝置的功率輸出52-54
• 5.3 本章小結54-55
• 第六章 結論55-57
• 參考文獻57-61
• 攻讀學位期間所取得的相關科研成果61-63
• 致謝63

【共引文獻】

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本文編號：926037