复合式振动发电机本体设计(附件)
复合式振动发电机用一系列定理效应来设计，由于周围环境的振动对本体产生损伤，怎么减少本体损伤又可以转换成可利用的能量又广大的应用。因此利用压电和电磁各个优点以及用软件仿真制作设计复合式振动发电机首先，理论分析得到在谐振频率及特点，振动机构末端永磁铁相对位移，同时本文利用了COMSOL仿真软件对发电机本体进行振动机构，电磁机构，复合机构等一系列的限元建模,到建模完成后的材料添加求解器设置完成后进行仿真得出特征频率与频域响应以及磁通电势，振动机构厚度、振动机构宽度、振动机构的长度与振动特性的关系。然后进行仿真分析，计算出效率最高输出性能。然后对仿真的结果来进行分析，其中仿真的结果是在耦合后的压电片电势，在由原来的14.6V下降为12.7V。关键词 振动机构，电磁机构，压电，电磁，复合式振动发电机，仿真 目 录
1 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 研究意义 2
1.3 压电式振动发电机 2
1.3.1 压电式能量收集 2
1.3.2 压电式振动发电机国内外研究 3
1.4 电磁式振动发电机 3
1.4.1 电磁式能量收集 3
1.4.2 电磁式振动发电机国内外研究 4
1.5 电磁压电复合式振动发电机 4
1.5.1 电磁压电复合式能量收集 4
1.5.2 电磁压电复合式振动发电机国内外研究 5
1.6 本章小结 5
2 复合式振动发电机建模 6
2.1 振动机构建模 6
2.1.1 组件结构 6
2.1.2 材料参数 9
2.2 电磁机构建模 10
2.2.1 永磁铁建模 10
2.2.2 线圈建模 12
2. 3 复合机构建模 13
2.3.1 复合机构构成 13
2.3.2 材料参数 14
2.3.3 复合机构网格划分 15
2.3.4 接口设置 16
2.3.5 复合机构耦合 17
2.4 本章小结 17
3
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
铁建模 10
2.2.2 线圈建模 12
2. 3 复合机构建模 13
2.3.1 复合机构构成 13
2.3.2 材料参数 14
2.3.3 复合机构网格划分 15
2.3.4 接口设置 16
2.3.5 复合机构耦合 17
2.4 本章小结 17
3 压电电磁复合振动发电机仿真分析 17
3.1 压电仿真 17
3.1.1 特征频率及应力仿真 17
3.1.2 频域仿真分析 18
3.1.3 稳态分析 19
3.2 电磁仿真 19
3.2.1 线圈仿真 20
3.3 电磁压电复合仿真 23
3.3.1 特征频率及应力仿真 23
3.3.2 瞬态仿真分析 26
3.3.3 稳态仿真分析 28
4 实验 29
4.1 实验结果分析 29
4.2 本章小结 31
结论 32
致谢 33
参考文献 34
附录A 压电梁尺寸组合一阶特征频率仿真数据表 36
1 绪论
1.1 引言
近几年来，随着科学技术的不断发展以及电子产品等不断便携化，能量收集越来越受到关注，现在社会对于清洁能源不断开发，同样是清洁能源的振动能量还没得到有效的开发，以至于振动能量没能有效利用，不得不依靠传统电池[1,2]，锂聚合电池，但传统电池存在缺陷比如污染严重，体积大限制不断微型化的电子产品，而环境中的振动能量足够驱动电子产品，如果将环境中的振动能量有效的收集起来可大大降低污染。现如今，各个国家科学家研究有效收集环境中的能量，以此来代替传统高污染能源。研究者利用其他方法将环境能量收集的技术成为能量收集。机械能量广泛存在于环境之中，振动能量转换的方式为压电，电磁，复合式能量收集。通过能量收集技术收集环境中的振动能，对于改良或取代电池具有极大的应用前景[3]。现如今。能量收集主要是压电和电磁能量收集，但这两种各有缺陷。现在将设计压电电磁复合振动发电机，结合他们的优点，进一步有效收集环境中能量。振动式能量收集的技术有非常多的类型，它的装置结构还是千变万化的。现在振动能量收集技术以下几种：1.利用电磁感应原理的电磁式发电机 2.利用压电电磁复合原理的复合式振动发电机。但是各有优缺点优缺点对照表如表1-1所示：
表1-1 优缺点对照表
类型
优点
缺点
应用
电磁式能量收集
不需要其他智能材料
不需要驱动电源
其中输出电流较大
俘获简单
俘获能力受磁体或者其他参数的限制
输出的电压比较低，不能驱动外围的电路
干扰大，存在误差
适用在大集成系统之中、干扰小的系统
压电式能量收集
不要驱动电源驱动
其中转换效率高
抗干扰能量强
容易进行集成
阻抗输出较高
存在非线性效应
材料易损耗
适用于中小型集成系统、性能要求不高范围
针对某一种的压电或者电磁能量收集技术已经展开很多的研究，由于因为某一方式的能量收集有其特定的局限性和各种缺点，在经过一系列总结时我们发现在能量收集器中可以利用两种以上发电技术来同时去俘能，是改善系统发电性能的一种方法。
1.2 研究意义
由于其中设计意义是因为在我们的生活环境中存在各种各样的机械能量，如何有效的高效率的去收集周围的振动能量不让其能量去浪费，并将其收集能量转换为方便使用的电能，现在该技术已经成为科学的热点。由于周围环境的振动对本体产生损伤，怎么减少本体损伤又可以转换成可利用的能量又广大的应用。因此利用压电和电磁各个优点以及用软件仿真制作设计复合式振动发电机，提高能量收集的性能。由于其自身的优点，在建筑、航天，等领域已经开展了大量的研究工作，并成为目前新型发电方法之中的研究热点。
1.3 压电式振动发电机
1.3.1 压电式能量收集
目前的压电发电是一种相对比较新的研究方向，其中的压电示振动的俘能技术涉及到力学、材料、数学的多门的领域。如何增加采集能量的效率和其输出的功率，以此来满足其负载的需要这是设计发电发电机的核心所在。其中有关压电俘能的装置的研究主要表现在：压电的材料、压电的结构、与之匹配电路这三个方面。
压电式能量收集技术的过程是对于压电材料不同的压电效应将环境中的振动能变为电能，压电材料受到外力作用时，其会出现形变，在其内部产生电极。此装置的两个表面上都会产生不同的束复电荷，而且当电荷的表面的密度与此机械力的大小比例成正比，而且当其外力被撤去后，该装置又回复到不在带电的存在，而且当其外力作用发生不断变换改变时候，电荷的不同电极性也将随其不断变换也发生不断的改变，而且把它的振动能量有效的转换为电能量。其中压电式发电一套装置在现如今主要考虑其的结构，不断优化参数或者通过不断改变发电装置的结果用此来降低所需要匹配频率，而且使其装置可以采集得到较高的电能。其中在这些研究中主要还停留在理论和构想阶段，压电材料成为收集压电式振动能量的一大核心。利用压电材料可以将自然界中所存在的任何存在形式的振动能
1 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 研究意义 2
1.3 压电式振动发电机 2
1.3.1 压电式能量收集 2
1.3.2 压电式振动发电机国内外研究 3
1.4 电磁式振动发电机 3
1.4.1 电磁式能量收集 3
1.4.2 电磁式振动发电机国内外研究 4
1.5 电磁压电复合式振动发电机 4
1.5.1 电磁压电复合式能量收集 4
1.5.2 电磁压电复合式振动发电机国内外研究 5
1.6 本章小结 5
2 复合式振动发电机建模 6
2.1 振动机构建模 6
2.1.1 组件结构 6
2.1.2 材料参数 9
2.2 电磁机构建模 10
2.2.1 永磁铁建模 10
2.2.2 线圈建模 12
2. 3 复合机构建模 13
2.3.1 复合机构构成 13
2.3.2 材料参数 14
2.3.3 复合机构网格划分 15
2.3.4 接口设置 16
2.3.5 复合机构耦合 17
2.4 本章小结 17
3
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
铁建模 10
2.2.2 线圈建模 12
2. 3 复合机构建模 13
2.3.1 复合机构构成 13
2.3.2 材料参数 14
2.3.3 复合机构网格划分 15
2.3.4 接口设置 16
2.3.5 复合机构耦合 17
2.4 本章小结 17
3 压电电磁复合振动发电机仿真分析 17
3.1 压电仿真 17
3.1.1 特征频率及应力仿真 17
3.1.2 频域仿真分析 18
3.1.3 稳态分析 19
3.2 电磁仿真 19
3.2.1 线圈仿真 20
3.3 电磁压电复合仿真 23
3.3.1 特征频率及应力仿真 23
3.3.2 瞬态仿真分析 26
3.3.3 稳态仿真分析 28
4 实验 29
4.1 实验结果分析 29
4.2 本章小结 31
结论 32
致谢 33
参考文献 34
附录A 压电梁尺寸组合一阶特征频率仿真数据表 36
1 绪论
1.1 引言
近几年来，随着科学技术的不断发展以及电子产品等不断便携化，能量收集越来越受到关注，现在社会对于清洁能源不断开发，同样是清洁能源的振动能量还没得到有效的开发，以至于振动能量没能有效利用，不得不依靠传统电池[1,2]，锂聚合电池，但传统电池存在缺陷比如污染严重，体积大限制不断微型化的电子产品，而环境中的振动能量足够驱动电子产品，如果将环境中的振动能量有效的收集起来可大大降低污染。现如今，各个国家科学家研究有效收集环境中的能量，以此来代替传统高污染能源。研究者利用其他方法将环境能量收集的技术成为能量收集。机械能量广泛存在于环境之中，振动能量转换的方式为压电，电磁，复合式能量收集。通过能量收集技术收集环境中的振动能，对于改良或取代电池具有极大的应用前景[3]。现如今。能量收集主要是压电和电磁能量收集，但这两种各有缺陷。现在将设计压电电磁复合振动发电机，结合他们的优点，进一步有效收集环境中能量。振动式能量收集的技术有非常多的类型，它的装置结构还是千变万化的。现在振动能量收集技术以下几种：1.利用电磁感应原理的电磁式发电机 2.利用压电电磁复合原理的复合式振动发电机。但是各有优缺点优缺点对照表如表1-1所示：
表1-1 优缺点对照表
类型
优点
缺点
应用
电磁式能量收集
不需要其他智能材料
不需要驱动电源
其中输出电流较大
俘获简单
俘获能力受磁体或者其他参数的限制
输出的电压比较低，不能驱动外围的电路
干扰大，存在误差
适用在大集成系统之中、干扰小的系统
压电式能量收集
不要驱动电源驱动
其中转换效率高
抗干扰能量强
容易进行集成
阻抗输出较高
存在非线性效应
材料易损耗
适用于中小型集成系统、性能要求不高范围
针对某一种的压电或者电磁能量收集技术已经展开很多的研究，由于因为某一方式的能量收集有其特定的局限性和各种缺点，在经过一系列总结时我们发现在能量收集器中可以利用两种以上发电技术来同时去俘能，是改善系统发电性能的一种方法。
1.2 研究意义
由于其中设计意义是因为在我们的生活环境中存在各种各样的机械能量，如何有效的高效率的去收集周围的振动能量不让其能量去浪费，并将其收集能量转换为方便使用的电能，现在该技术已经成为科学的热点。由于周围环境的振动对本体产生损伤，怎么减少本体损伤又可以转换成可利用的能量又广大的应用。因此利用压电和电磁各个优点以及用软件仿真制作设计复合式振动发电机，提高能量收集的性能。由于其自身的优点，在建筑、航天，等领域已经开展了大量的研究工作，并成为目前新型发电方法之中的研究热点。
1.3 压电式振动发电机
1.3.1 压电式能量收集
目前的压电发电是一种相对比较新的研究方向，其中的压电示振动的俘能技术涉及到力学、材料、数学的多门的领域。如何增加采集能量的效率和其输出的功率，以此来满足其负载的需要这是设计发电发电机的核心所在。其中有关压电俘能的装置的研究主要表现在：压电的材料、压电的结构、与之匹配电路这三个方面。
压电式能量收集技术的过程是对于压电材料不同的压电效应将环境中的振动能变为电能，压电材料受到外力作用时，其会出现形变，在其内部产生电极。此装置的两个表面上都会产生不同的束复电荷，而且当电荷的表面的密度与此机械力的大小比例成正比，而且当其外力被撤去后，该装置又回复到不在带电的存在，而且当其外力作用发生不断变换改变时候，电荷的不同电极性也将随其不断变换也发生不断的改变，而且把它的振动能量有效的转换为电能量。其中压电式发电一套装置在现如今主要考虑其的结构，不断优化参数或者通过不断改变发电装置的结果用此来降低所需要匹配频率，而且使其装置可以采集得到较高的电能。其中在这些研究中主要还停留在理论和构想阶段，压电材料成为收集压电式振动能量的一大核心。利用压电材料可以将自然界中所存在的任何存在形式的振动能
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