為了滿足海上無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)能量需求,提出了一種可收集波浪能的旋轉(zhuǎn)壓電發(fā)電裝置。該裝置不僅能夠獲取低頻率環(huán)境中的能量,而且具有可調(diào)頻特性。本文介紹了利用旋轉(zhuǎn)壓電發(fā)電機(jī)的壓電波浪能結(jié)構(gòu),建立了旋轉(zhuǎn)壓電發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型,探討了可調(diào)頻機(jī)理,最后,基于旋轉(zhuǎn)壓電發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型建立了波能裝置的整體模型,進(jìn)行了分析,主要內(nèi)容如下:提出了一種利用旋轉(zhuǎn)壓電發(fā)電機(jī)的點(diǎn)吸收式壓電波浪能裝置,該裝置由三大部件組成,即一級(jí)換能部件、中間轉(zhuǎn)換部件和二級(jí)換能部件。一級(jí)換能部件將波浪能轉(zhuǎn)換成直線形式的機(jī)械能裝置,主要結(jié)構(gòu)包括有阻尼板、浮漂以及平衡彈簧組成。中間轉(zhuǎn)換部件將直線形式的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)形式的機(jī)械能,主要結(jié)構(gòu)包括齒輪、齒條。二級(jí)換能部件為非接觸旋轉(zhuǎn)壓電發(fā)電機(jī)。對旋轉(zhuǎn)壓電發(fā)電機(jī)進(jìn)行建模與分析,搭建相關(guān)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),對旋轉(zhuǎn)壓電發(fā)電機(jī)的性能進(jìn)一步驗(yàn)證。研究表明,發(fā)電機(jī)最佳轉(zhuǎn)動(dòng)頻率乘以驅(qū)動(dòng)輪陣列永磁鐵個(gè)數(shù)等于壓電雙晶梁一階固有頻率。驅(qū)動(dòng)輪半徑的增加,壓電雙晶梁峰值輸出電壓不斷降低。驅(qū)動(dòng)輪與雙晶梁間距越大,雙晶梁的輸出電壓越低。陣列不同固有頻率的壓電懸臂梁,能夠增加發(fā)電機(jī)頻帶寬度。針對發(fā)電機(jī)的調(diào)頻機(jī)理建立數(shù)學(xué)模型,搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證。研究結(jié)果顯示,調(diào)頻磁鐵旋轉(zhuǎn)從0-π弧度的范圍內(nèi),在發(fā)電機(jī)(陣列一個(gè)壓電懸臂梁)輸出功率超過2.8 mW條件下,可調(diào)頻發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率范圍是未調(diào)頻的3.4倍。基于微幅波理論和高級(jí)邊界元理論建立了一級(jí)能量轉(zhuǎn)換裝置的水動(dòng)力學(xué)模型,聯(lián)合中間轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)壓電發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型,建立了發(fā)電裝置的多場耦合方程。優(yōu)化分析結(jié)果顯示,阻尼板最優(yōu)長度0.46 m和平衡彈簧最優(yōu)剛度434 N/m。本文的研究為海洋無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的能量供給提供了一個(gè)新的思路。
【學(xué)位單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TM612;P743.2
【文章目錄】：
摘要
Abstract
1 緒論
    1.1 課題背景及意義
    1.2 海洋波浪能研究現(xiàn)狀
        1.2.1 波浪能一級(jí)轉(zhuǎn)換
        1.2.2 中間轉(zhuǎn)換裝置類型
        1.2.3 波浪能二級(jí)轉(zhuǎn)換類型
    1.3 本文的主要工作
2 壓電波浪能裝置結(jié)構(gòu)與工作原理
    2.1 微幅波基本理論
    2.2 壓電發(fā)電基本理論
    2.3 壓電波浪能發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)
        2.3.1 一級(jí)轉(zhuǎn)換裝置
        2.3.2 中間轉(zhuǎn)換裝置
        2.3.3 二級(jí)轉(zhuǎn)換裝置
    2.4 壓電波浪能發(fā)電裝置工作原理
    2.5 本章小結(jié)
3 旋轉(zhuǎn)壓電發(fā)電機(jī)建模與分析
    3.1 發(fā)電機(jī)理論建模
        3.1.1 永磁作用力
        3.1.2 旋轉(zhuǎn)壓電發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型
    3.2 發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型分析
        3.2.1 轉(zhuǎn)動(dòng)頻率
        3.2.2 驅(qū)動(dòng)輪半徑對換能效果的影響
        3.2.3 驅(qū)動(dòng)輪與壓電雙晶梁間距對發(fā)電機(jī)性能的影響
    3.3 實(shí)驗(yàn)測試
        3.3.1 轉(zhuǎn)動(dòng)頻率
        3.3.2 驅(qū)動(dòng)輪與雙晶梁間距對換能效果的影響
        3.3.3 驅(qū)動(dòng)輪陣列永磁鐵數(shù)對換能效果的影響
        3.3.4 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率范圍
    3.4 本章小結(jié)
4 旋轉(zhuǎn)壓電發(fā)電機(jī)可調(diào)頻特性
    4.1 可調(diào)頻共振調(diào)頻技術(shù)研究現(xiàn)狀
        4.1.1 機(jī)械調(diào)頻法
        4.1.2 永磁剛度法
        4.1.3 壓電法
    4.2 理論分析
        4.2.1 永磁作用力
        4.2.2 壓電梁的共振頻率
    4.3 實(shí)驗(yàn)測試
        4.3.1 振幅
        4.3.2 調(diào)頻永磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)角度與壓電雙晶梁共振響應(yīng)頻率的關(guān)系
        4.3.3 阻尼力
        4.3.4 發(fā)電機(jī)工作帶寬
    4.4 本章小結(jié)
5 壓電波浪能裝置整體建模與分析
    5.1 壓電波浪能裝置數(shù)學(xué)模型
        5.1.1 一級(jí)波浪能裝置的水動(dòng)力學(xué)模型
        5.1.2 中間轉(zhuǎn)換裝置數(shù)學(xué)模型
        5.1.3 壓電波浪能裝置數(shù)學(xué)模型
    5.2 WAFDUT1.4 軟件
        5.2.1 軟件簡介
        5.2.2 格林公式
    5.3 數(shù)值分析結(jié)果
        5.3.1 浮漂體和阻尼板位移
        5.3.2 壓電懸臂梁位移
        5.3.3 平衡彈簧剛度
        5.3.4 阻尼板尺寸
    5.4 壓電波浪能裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)
    5.5 本章小結(jié)
結(jié)論
參考文獻(xiàn)
攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文及專利情況
致謝

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