comsol的电磁和压电复合式振动发电机本体设计
目 录
1 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 振动能与电能转换原理 1
1.2.1 电磁式振动发电原理 1
1.2.2 压电式振动发电原理 2
1.3 电磁振动发电机的研究现状 2
1.4 压电振动发电机的研究现状 3
1.5 电磁压电复合式振动发电机的研究现状 4
1.6 本论文的研究内容 5
2 振动发电机结构与仿真建模过程 5
2.1 COMSOL-Multiphysics介绍 5
2.2 振动机构的结构 6
2.3 振动机构的建模过程 6
2.3.1 建立实体结构 6
2.3.2 材料设定 7
2.3.3 物理场接口 8
2.3.4 网格划分 9
2.3.5 求解器方法设置 9
2.4 电磁机构的结构 10
2.5 永磁铁建模过程 10
2.5.1 永磁铁模型建立 10
2.5.2 材料设定 11
2.5.3 物理场接口 11
2.5.4 网格划分 11
2.5.5 求解器设置 12
2.6 线圈建模过程 12
2.6.1 线圈模型建立 12
2.6.2 材料设定 12
2.6.3 物理场接口 13
2.6.4 网格划分 13
2.6.5 求解器设置 13
2.7 复合模型建模 13
3 压电悬臂梁振动机构有限元仿真优化分析 14
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
3.1 初设振动机构模型仿真分析 14
3.1.1 特征频率仿真分析 14
3.1.2 频域响应仿真分析 15
3.1.3 瞬态仿真分析 16
3.2 振动机构结构优化 18
3.2.1 永磁铁尺寸优化 19
3.2.2 压电梁尺寸优化 20
3.2.3 优化小结 21
3.3 本章小结 21
4 压电与电磁复合仿真分析 21
4.1 永磁铁有限元仿真分析 21
4.2 线圈有限元仿真分析 22
4.3 电磁力仿真分析 23
4.4 耦合仿真分析 24
4.5 实验结果分析 24
4.6 本章小结 26
结论 27
致谢 28
参考文献 29
附录A 永磁铁尺寸组合一阶特征频率仿真数据表 31
附录B 压电梁尺寸组合一阶特征频率仿真数据表 35
附录C 永磁铁尺寸组合仿真数据表 39
附录D 压电梁尺寸组合仿真数据表 42
1 绪论
1.1 引言
随着电子产品的分布化、便携化，环境能量收集越来越受关注。现如今，环境的太阳能、风能、热能的研究与应用已经越来越成熟。而同样存在于环境中的振动能量却不得到大量的开发应用，而一些存在机械运动的环境中振动这样的运动形式十分的普遍。集采存在于这些环境中的振动能量往往足以驱动某些电子设备。振动能量转换为电能一般的方式为电磁、静电、压电、磁致伸缩式及复合式能量采集技术[1]。现如今，能量转换形式以压电式和电磁式为主。压电式振动发电具有输出电压高，结构简单，易与包含硅体的微电子传感器集成和所需外围能量控制器件较少等优点，但输出电流较低。而电磁振动发电机往往输出电流较大，但输出电压较低。本文将设计一种压电电磁复合发电机，结合两者的优点，提高发电机的输出性能。
1.2 振动能与电能转换原理
振动能与电能的转换方式按原理的不同主要分为电磁式和压电式。本节将分别介绍这两种方式。
1.2.1 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。当永磁铁跟随振动装置运动，使固定线圈所包含的磁通量发生变化，根据法拉第电磁感应定律,磁通量的变化则会在线圈中感生电动势。
感应电动势 可以表示为：
（1-1）
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。
那么电磁机构的输出功率则为：
(1-2)
1.2.2 压电式振动发电原理
压电振动发电是利用压电材料的正压电效应。正压电效应可以描述为：在压电材料的某一特定方向施加作用力,压电晶体便会产生电极化现象,其表现为在晶体相对的两个面上附着极性不同的电荷。当没有作用力时,压电晶体的电极化现象便会消失。晶体发生电极化时附着的电荷数与外加作用力有关，且为正比关系。
因为压电陶瓷硬度较大而且易碎的特性,所以不能单独使用。通常是将压电陶瓷黏贴在悬臂梁这样的振动结构上。环境中的振动不直接作用于压电陶瓷，而是先作用于悬梁臂这样的结构上，再使黏贴在悬臂梁上的压电陶瓷产生形变，由于正压电效应而产生电能。
1.3 电磁振动发电机的研究现状
电磁式振动发电机通常是利用弹簧、悬臂梁等将环境中的振动幅度放大，并作用于永磁铁，使其和固定线圈之间产生幅度较大的相对运动，感生出电动势，从而将振动能量转换为电能。
2010年，上海交通大学的王佩红等人[2]设计了一种利用微加工技术的新型电磁式振动发电机，由永磁体、弹簧和线圈三大部分组成。弹簧以及线圈均利用微加工技术制成。永磁铁和弹簧构成一个整体作为发电机运动机构，线圈为发电机固定机构。研究给出了怎样提高振动发电机的工作频率范围，并证明了发电机在真空环境下性能更佳。
2007年，S. P. Beeby等人[3]设计的电磁振动发电机为团队改良版本。设计采用了悬臂梁式结构，悬臂梁一端固定于振动基座，另一端设有两组永磁铁，两块永磁铁为一组，线圈位置则在两组永磁铁之间。利用镀锌钢板将两组永磁铁的磁路连通。同时为了提高输出性能，在永磁铁端加装了质量块。团队研究了结构参数对电磁振动发电机输出性能的影响，并从能量密度的角度分析了电磁振动发电方式与其他振动能量发电方式输出性能的差别。
2012年，E. Arroyoa等人[4]对近年几种典型的电磁能量发生器(EMU)和压电能量发生器(PEU)进行对比研究，采用藕合系数、损失系数和机械品质因数三个参数建立了归一化的能量采集器模型。
2015年，苏六帅等人[5]研究了一种采集低频环境下振动的抗磁悬浮振动能量采集器。仿真分析结果表明:其设计的系统受到外界的加速度为6.25m/s2,频率输入为2-12 Hz,线圈产生最大感应电动势145mV,最大输出功率为19.7μW。
1 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 振动能与电能转换原理 1
1.2.1 电磁式振动发电原理 1
1.2.2 压电式振动发电原理 2
1.3 电磁振动发电机的研究现状 2
1.4 压电振动发电机的研究现状 3
1.5 电磁压电复合式振动发电机的研究现状 4
1.6 本论文的研究内容 5
2 振动发电机结构与仿真建模过程 5
2.1 COMSOL-Multiphysics介绍 5
2.2 振动机构的结构 6
2.3 振动机构的建模过程 6
2.3.1 建立实体结构 6
2.3.2 材料设定 7
2.3.3 物理场接口 8
2.3.4 网格划分 9
2.3.5 求解器方法设置 9
2.4 电磁机构的结构 10
2.5 永磁铁建模过程 10
2.5.1 永磁铁模型建立 10
2.5.2 材料设定 11
2.5.3 物理场接口 11
2.5.4 网格划分 11
2.5.5 求解器设置 12
2.6 线圈建模过程 12
2.6.1 线圈模型建立 12
2.6.2 材料设定 12
2.6.3 物理场接口 13
2.6.4 网格划分 13
2.6.5 求解器设置 13
2.7 复合模型建模 13
3 压电悬臂梁振动机构有限元仿真优化分析 14
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
3.1 初设振动机构模型仿真分析 14
3.1.1 特征频率仿真分析 14
3.1.2 频域响应仿真分析 15
3.1.3 瞬态仿真分析 16
3.2 振动机构结构优化 18
3.2.1 永磁铁尺寸优化 19
3.2.2 压电梁尺寸优化 20
3.2.3 优化小结 21
3.3 本章小结 21
4 压电与电磁复合仿真分析 21
4.1 永磁铁有限元仿真分析 21
4.2 线圈有限元仿真分析 22
4.3 电磁力仿真分析 23
4.4 耦合仿真分析 24
4.5 实验结果分析 24
4.6 本章小结 26
结论 27
致谢 28
参考文献 29
附录A 永磁铁尺寸组合一阶特征频率仿真数据表 31
附录B 压电梁尺寸组合一阶特征频率仿真数据表 35
附录C 永磁铁尺寸组合仿真数据表 39
附录D 压电梁尺寸组合仿真数据表 42
1 绪论
1.1 引言
随着电子产品的分布化、便携化，环境能量收集越来越受关注。现如今，环境的太阳能、风能、热能的研究与应用已经越来越成熟。而同样存在于环境中的振动能量却不得到大量的开发应用，而一些存在机械运动的环境中振动这样的运动形式十分的普遍。集采存在于这些环境中的振动能量往往足以驱动某些电子设备。振动能量转换为电能一般的方式为电磁、静电、压电、磁致伸缩式及复合式能量采集技术[1]。现如今，能量转换形式以压电式和电磁式为主。压电式振动发电具有输出电压高，结构简单，易与包含硅体的微电子传感器集成和所需外围能量控制器件较少等优点，但输出电流较低。而电磁振动发电机往往输出电流较大，但输出电压较低。本文将设计一种压电电磁复合发电机，结合两者的优点，提高发电机的输出性能。
1.2 振动能与电能转换原理
振动能与电能的转换方式按原理的不同主要分为电磁式和压电式。本节将分别介绍这两种方式。
1.2.1 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。当永磁铁跟随振动装置运动，使固定线圈所包含的磁通量发生变化，根据法拉第电磁感应定律,磁通量的变化则会在线圈中感生电动势。
感应电动势 可以表示为：
（1-1）
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。
那么电磁机构的输出功率则为：
(1-2)
1.2.2 压电式振动发电原理
压电振动发电是利用压电材料的正压电效应。正压电效应可以描述为：在压电材料的某一特定方向施加作用力,压电晶体便会产生电极化现象,其表现为在晶体相对的两个面上附着极性不同的电荷。当没有作用力时,压电晶体的电极化现象便会消失。晶体发生电极化时附着的电荷数与外加作用力有关，且为正比关系。
因为压电陶瓷硬度较大而且易碎的特性,所以不能单独使用。通常是将压电陶瓷黏贴在悬臂梁这样的振动结构上。环境中的振动不直接作用于压电陶瓷，而是先作用于悬梁臂这样的结构上，再使黏贴在悬臂梁上的压电陶瓷产生形变，由于正压电效应而产生电能。
1.3 电磁振动发电机的研究现状
电磁式振动发电机通常是利用弹簧、悬臂梁等将环境中的振动幅度放大，并作用于永磁铁，使其和固定线圈之间产生幅度较大的相对运动，感生出电动势，从而将振动能量转换为电能。
2010年，上海交通大学的王佩红等人[2]设计了一种利用微加工技术的新型电磁式振动发电机，由永磁体、弹簧和线圈三大部分组成。弹簧以及线圈均利用微加工技术制成。永磁铁和弹簧构成一个整体作为发电机运动机构，线圈为发电机固定机构。研究给出了怎样提高振动发电机的工作频率范围，并证明了发电机在真空环境下性能更佳。
2007年，S. P. Beeby等人[3]设计的电磁振动发电机为团队改良版本。设计采用了悬臂梁式结构，悬臂梁一端固定于振动基座，另一端设有两组永磁铁，两块永磁铁为一组，线圈位置则在两组永磁铁之间。利用镀锌钢板将两组永磁铁的磁路连通。同时为了提高输出性能，在永磁铁端加装了质量块。团队研究了结构参数对电磁振动发电机输出性能的影响，并从能量密度的角度分析了电磁振动发电方式与其他振动能量发电方式输出性能的差别。
2012年，E. Arroyoa等人[4]对近年几种典型的电磁能量发生器(EMU)和压电能量发生器(PEU)进行对比研究，采用藕合系数、损失系数和机械品质因数三个参数建立了归一化的能量采集器模型。
2015年，苏六帅
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