comsol的电磁和压电复合式振动发电机设计
环境中的振动能量无处不在，新型的能量收集装置将大有作为。本文所研究的复合式振动发电机利用压电和电磁两种能量转换方式实现环境中的振动能量向电能转换。该发电机模型为一种悬臂梁式结构，当系统处于谐振频率状态时，位于悬臂梁结构末端的永磁铁的相对位移最大，有利于收集振动能量。本文通过comsol-multiphysics仿真软件对发电机模型进行了有限元建模仿真，得到关于悬臂梁厚度、宽度、长度等相关参数与振动特性的关系。接着分别对压电机构和电磁机构进行有限元仿真分析，得到在最佳振动特性下的输出性能。同时对复合式振动发电机进行了实验验证。实验表明该复合式振动发电机的共振频率为11.1Hz，在共振频率处，电磁输出负载功率为3.2mW，压电输出的负载功率为0.75mW，复合式输出的负载功率为3.75mW，复合式输出与单一供电输出相比负载功率有了较大幅度的增加。关键词 能量收集，压电，电磁，复合振动发电机，悬臂梁，有限元仿真
目 录
1 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 振动发电机能量转换原理 1
1.3 振动发电机的研究现状 2
1.4 本章小结 5
2 振动发电机结构与仿真建模 5
2.1 Comsolmultiphysics介绍 5
2.2 振动机构的结构 5
2.3 振动机构的建模过程 6
2.4 电磁机构的结构 11
2.5 永磁铁建模过程 11
2.6 线圈建模过程 14
2.7 复合机构建模 16
3 压电电磁复合振动发电机的有限元仿真分析 17
3.1 压电模型仿真 17
3.2 电磁模型仿真 22
3.3 电磁压电复合仿真 25
3.4 耦合仿真分析 32
4 试验测试及实验分析 33
4.1 能量转换接口电路设计及实物展示 33
4.2 实验测试 34
4.3 本章小结 38
结论 39
致谢 40
参考文献 41
附录 43
研究成果 57
1 绪论 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
1.1 引言
高科技飞速发展的今天，电子产品发展得越来越微型化、便携化，人们对环境中能量的收集也越加迫切。当前，人们对环境中的太阳能、风能等清洁能源的研究与应用已经越来越成熟，然而同样作为清洁能源并且广泛存在于环境中的振动能量却没有得到合理地开发使用[1]，并且仍然依靠如氢镍电池、锂聚合物电池等传统电池[2]，但是这些化学电池存在寿命有限、污染环境、体积受限等诸多因素的影响[3]，不利于电子产品的微型化、便携化发展。其实，如果将这些振动能量收集起来足以供电许多电子产品，振动能量转换为电能的工作方式主要有三种：电磁式、静电式、压电式[4,5]。这种能量收集技术对于传统电池的更新换代具有很大的前景[6]。现在的能量转换形式主要有压电式和电磁式两种。电磁式能量收集方式俘获简单，输出电流较大，但输出电压较低，容易受到外界因素干扰。压电式振动发电具有输出电压高，容易集成，结构简单，抗干扰能力强等优点[7]，但存在非线性效应、输出电流较低等缺点。本文将结合两种能量收集方式的优点，设计一种电磁压电复合式振动发电机，从而提高发电机的输出性能。
1.2 振动发电机能量转换原理
1.2.1 压电式振动发电原理
通过利用压电材料所产生的不同压电效应，压电材料因为机械形产生电场，从而使该发电机能够将环境中难以利用的振动能转化为可利用的电能[6]。当在压电材料上施加某一方向的外力时，压电材料会出现形变，从而在材料内部产生电极化现象，压电晶体的两个对立面上附着不同极性的电荷[8]。外力撤销时，这种极化现象也随之消失，这就是压电效应。
压电材料是压电效应中极其重要的部分，压电材料在受到外力挤压会在极板两面产生电压。压电材料主要有三种，第一类是无机压电材料，也是研究中最常用的一种，主要是压电晶体和压电陶瓷[9]；第二类是有机压电材料；第三类是复合压电材料。目前，压电材料的应用很广泛，主要范围是在振动能和超声振动能电能换能器等方面。
本文研究的悬臂梁式振动结构，所采用的压电材料是压电陶瓷[10]，但是由于它的使用缺点是易碎、硬度大，所以将其粘在悬臂梁上端基板上，而不会单独使用，防止
材料破碎。
1.2.2 电磁式振动发电原理
电磁振动发电机利用电磁感应现象把振动能量转化为电能。当环境振动时，悬臂梁末端的永磁铁随着装置的振动而产生运动时，则与固定位置的线圈产生了相对位移，线圈切割永磁铁磁感线使得其磁通量瞬间发生变化，从而使得线圈产生感应电动势或者感应电流[11]。
感应电动势可以表示为[12]：
（11）
式中,表示线圈匝数；为穿过每匝线圈的磁通量；为磁感应强度；为线圈的面积矢量[4]。
从而电磁机构的输出功率则为：
（12）
1.2.3 电磁压电复合式振动能量收集
压电式能量收集方式和电磁式能量收集方式的应用已相当广泛[6]，并且技术也日益成熟。目前有些研究研学者表明，复合式的能量收集装置相比较于单一的电磁或压电，可以更有效的提高能量转换效率[13]。复合式振动能量收集方式已经成为研究的热点，并取得了相应成果。
电磁和压电复合式振动发电机是两种方式的复合，是利用压电式振动发电机压电材料的压电效应和电磁式发电机所运用的法拉第电磁感应定律两种能量收集方式结合的新型装置[14]。
1.3 振动发电机的研究现状
1.3.1 压电式振动发电机国内外研究
近年来，压电式能量收集方式的应用已经取得了很大的成果，其结构选择通常选用悬臂梁式结构。
悬臂梁结构的压电装置，具有低频并容易调整到谐振频率的特点，所以在俘能器方面悬臂梁结构得到很广泛的应用[15]。国外的研究中，Anderson和Sexton也基于悬臂梁结构的压电俘能器做出研究，他们的实验研究表明，压电双晶梁的尺寸和悬臂梁末端永磁铁的质量均会对俘获性能产生较大影响。同样的，2010年，美国麻省理工学院Kim等[17]也在这方面有所收获，他们对悬臂梁末端永磁体的转动惯量做出了分析，研究在其影响下，压电俘能性能的变化情况。实验说明，永磁铁的几何形状上的微小变动均会对装置浮能性能产生影响[16]。
2009年，李艳宁等在能量采集器方面，采用矩形压电悬臂梁结构分析其功率和谐振频率。其实验结果显示，适当增加质量块质量和减小梁长度的方式可以实现低频谐振并得到较大的功率输出[18]。
2012年，崔岩等人利用非线性振动在能量采集技术上频率较宽、输出电压较高的特点，研究出一种压电式能量采集器[19]并利用杜芬模型仿真测试，并在试验中测试能量采集器的开路电压，结果表明：非线性系统相较于线性系统，输出电压从131V提高到208V。
目 录
1 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 振动发电机能量转换原理 1
1.3 振动发电机的研究现状 2
1.4 本章小结 5
2 振动发电机结构与仿真建模 5
2.1 Comsolmultiphysics介绍 5
2.2 振动机构的结构 5
2.3 振动机构的建模过程 6
2.4 电磁机构的结构 11
2.5 永磁铁建模过程 11
2.6 线圈建模过程 14
2.7 复合机构建模 16
3 压电电磁复合振动发电机的有限元仿真分析 17
3.1 压电模型仿真 17
3.2 电磁模型仿真 22
3.3 电磁压电复合仿真 25
3.4 耦合仿真分析 32
4 试验测试及实验分析 33
4.1 能量转换接口电路设计及实物展示 33
4.2 实验测试 34
4.3 本章小结 38
结论 39
致谢 40
参考文献 41
附录 43
研究成果 57
1 绪论 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
1.1 引言
高科技飞速发展的今天，电子产品发展得越来越微型化、便携化，人们对环境中能量的收集也越加迫切。当前，人们对环境中的太阳能、风能等清洁能源的研究与应用已经越来越成熟，然而同样作为清洁能源并且广泛存在于环境中的振动能量却没有得到合理地开发使用[1]，并且仍然依靠如氢镍电池、锂聚合物电池等传统电池[2]，但是这些化学电池存在寿命有限、污染环境、体积受限等诸多因素的影响[3]，不利于电子产品的微型化、便携化发展。其实，如果将这些振动能量收集起来足以供电许多电子产品，振动能量转换为电能的工作方式主要有三种：电磁式、静电式、压电式[4,5]。这种能量收集技术对于传统电池的更新换代具有很大的前景[6]。现在的能量转换形式主要有压电式和电磁式两种。电磁式能量收集方式俘获简单，输出电流较大，但输出电压较低，容易受到外界因素干扰。压电式振动发电具有输出电压高，容易集成，结构简单，抗干扰能力强等优点[7]，但存在非线性效应、输出电流较低等缺点。本文将结合两种能量收集方式的优点，设计一种电磁压电复合式振动发电机，从而提高发电机的输出性能。
1.2 振动发电机能量转换原理
1.2.1 压电式振动发电原理
通过利用压电材料所产生的不同压电效应，压电材料因为机械形产生电场，从而使该发电机能够将环境中难以利用的振动能转化为可利用的电能[6]。当在压电材料上施加某一方向的外力时，压电材料会出现形变，从而在材料内部产生电极化现象，压电晶体的两个对立面上附着不同极性的电荷[8]。外力撤销时，这种极化现象也随之消失，这就是压电效应。
压电材料是压电效应中极其重要的部分，压电材料在受到外力挤压会在极板两面产生电压。压电材料主要有三种，第一类是无机压电材料，也是研究中最常用的一种，主要是压电晶体和压电陶瓷[9]；第二类是有机压电材料；第三类是复合压电材料。目前，压电材料的应用很广泛，主要范围是在振动能和超声振动能电能换能器等方面。
本文研究的悬臂梁式振动结构，所采用的压电材料是压电陶瓷[10]，但是由于它的使用缺点是易碎、硬度大，所以将其粘在悬臂梁上端基板上，而不会单独使用，防止
材料破碎。
1.2.2 电磁式振动发电原理
电磁振动发电机利用电磁感应现象把振动能量转化为电能。当环境振动时，悬臂梁末端的永磁铁随着装置的振动而产生运动时，则与固定位置的线圈产生了相对位移，线圈切割永磁铁磁感线使得其磁通量瞬间发生变化，从而使得线圈产生感应电动势或者感应电流[11]。
感应电动势可以表示为[12]：
（11）
式中,表示线圈匝数；为穿过每匝线圈的磁通量；为磁感应强度；为线圈的面积矢量[4]。
从而电磁机构的输出功率则为：
（12）
1.2.3 电磁压电复合式振动能量收集
压电式能量收集方式和电磁式能量收集方式的应用已相当广泛[6]，并且技术也日益成熟。目前有些研究研学者表明，复合式的能量收集装置相比较于单一的电磁或压电，可以更有效的提高能量转换效率[13]。复合式振动能量收集方式已经成为研究的热点，并取得了相应成果。
电磁和压电复合式振动发电机是两种方式的复合，是利用压电式振动发电机压电材料的压电效应和电磁式发电机所运用的法拉第电磁感应定律两种能量收集方式结合的新型装置[14]。
1.3 振动发电机的研究现状
1.3.1 压电式振动发电机国内外研究
近年来，压电式能量收集方式的应用已经取得了很大的成果，其结构选择通常选用悬臂梁式结构。
悬臂梁结构的压电装置，具有低频并容易调整到谐振频率的特点，所以在俘能器方面悬臂梁结构得到很广泛的应用[15]。国外的研究中，Anderson和Sexton也基于悬臂梁结构的压电俘能器做出研究，他们的实验研究表明，压电双晶梁的尺寸和悬臂梁末端永磁铁的质量均会对俘获性能产生较大影响。同样的，2010年，美国麻省理工学院Kim等[17]也在这方面有所收获，他们对悬臂梁末端永磁体的转动惯量做出了分析，研究在其影响下，压电俘能性能的变化情况。实验说明，永磁铁的几何形状上的微小变动均会对装置浮能性能产生影响[16]。
2009年，李艳宁等在能量采集器方面，采用矩形压电悬臂梁结构分析其功率和谐振频率。其实验结果显示，适当增加质量块质量和减小梁长度的方式可以实现低频谐振并得到较大的功率输出[18]。
2012年，崔岩等人利用非线性振动在能量采集技术上频率较宽、输出电压较高的特点，研究出一种压电式能量采集器[19]并利用杜芬模型仿真测试，并在试验中测试能量采集器的开路电压，结果表明：非线性系统相较于线性系统，输出电压从131V提高到208V。
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