双质量块结构和旋转磁结构d15模式压电俘能器的俘能特性

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1、学校代码10530学号201510161660分类号TP212密级公开硕士学位论文双质量块结构和旋转磁结构d15模式压电俘能器的俘能特性学位申请人王永峰指导教师郑学军教授学院名称机械工程学院学科专业机械工程研究方向先进制造工艺及装备二〇一八年六月六日Performanceofd15ModePiezoelectricEnergyHarvesterswithDouble-massStructureandRotatingMagneticStructureCandidateYongfengWangSuper

2、visorProfessorXuejunZhengCollegeMechanicalEngineeringProgramMechanicalEngineeringSpecializationAdvancedManufacturingTechniquesandEquipmentDegreeMasterofEngineeringUniversityXiangtanUniversityDate2018-6-6摘要将自然界的机械振动能转化为电能，并应用于无线电子设备和MEMS微机电系统中的传感装置已成为一个

3、研究热点。压电俘能器具有结构简单，易于微型化和集成化，无环境污染，无电磁干扰等优势而广泛的被研究讨论。用于压电俘能器的压电陶瓷的压电系数越高，其俘能性能越好。很多压电陶瓷的压电系数存在着这样的关系d15>d33>d31，比如，PMN-PT单晶、PZT-51、PZT-4、PZT-5H、PZT-7A、PZT-6B系列。因此，对d15模式压电俘能器在俘能领域的研究是具有潜在的应用价值。其次，双质量块结构已经被报道有助于提高d31和d33模式压电俘能器的俘能性能。旋转磁结构d15模式压电俘能器可应用于轨道交

4、通中车轮及其轴承健康状态监测系统持续自供能的需求。综上所述，研究双质量块结构和旋转磁结构d15模式压电俘能器是具有学术价值和应用前景的。本论文做的工作如下：(1)选取了d15系数较高的PZT-51压电材料，设计并制作了双质量块结构d15模式压电俘能器。通过搭建的悬臂梁振动测试实验和有限元ANSYS模型，分析了质量块结构d15模式压电俘能器在不同负载电阻RL下的峰值电压和输出功率随频率变化规律和质量块的位置对压电俘能器峰值电压与固有频率的影响。该俘能器在共振频率为140Hz、负载电阻RL=300kΩ时

5、，其最大峰值电压和输出功率分别是6.8V和77.1μW。对于在120Hz到150Hz的振动频率下的自然环境，通过调整压电俘能器质量块的位置以适应振动环境的频率，从而将振动能量最大化转化为电能。(2)利用有限元ANSYS软件和臂梁振动测试实验，对比了双质量块和传统单质量块结构d15模式压电俘能器的峰值电压。结果表明，双质量块结构d15模式压电俘能器在低频环境中具有更好的俘能性能。(3)针对轨道交通中车轮及其轴承健康状态监测系统持续自供能的需求，设计并制作了旋转磁结构d15模式压电俘能器并进行了性能测试

6、。讨论了转速、负载电阻、磁场强度对旋转磁结构d15剪切型压电俘能器的峰值电压和输出功率影响规律。在最佳转速690r/min、负载电阻RL=300kΩ时，其最大峰值电压和输出功率达别为6.5V和70.4μW。关键词：d15模式；压电俘能器；双质量块结构；旋转磁结构IAbstractEnergyharvestingfromambitionvibrationsourceintoelectricalhasbecomeahotresearchtopicduetoitspotentialtoapplicatio

7、ninwirelesselectronicsensingdevicesandMEMS.Piezoelectricenergyharvesterhasbeenstudiedextensivelybecauseofitsoutstandingadvantagesofsimpleconfigurationandeasyminimization,noenvironmentalpollution,andnoelectromagneticinterference.Thehigherpiezoelectricco

8、efficientofapiezoelectricceramicusedinpiezoelectricenergyharvester,thegreateritsperformanceinenergyharvesting.Actually,thepiezoelectriccoefficientofmanypiezoelectricmaterialsareusuallylargeintheorderofd15>d33>d31,suchasPMN-PTcrystal,PZT