本文關鍵詞：基于壓電效應的路用能量收集器的研究

  更多相關文章： 壓電效應 拱形壓電能量收集器 高承載能力 低頻 輸出電壓

【摘要】：路面中存在著豐富的機械能,對路面能量進行收集不僅符合低碳環(huán)保的理念,而且可以減少因能量累積對路面造成的損傷。本文根據(jù)路面中荷載特點,利用理論推導及仿真分析的方法對壓電能量收集器的結(jié)構(gòu)及能量收集電路進行了設計,并通過搭建能量收集系統(tǒng)實驗平臺研究了壓電能量收集器的發(fā)電性能。為設計出與路面耦合特性高的能量收集器,首先對比分析了常用壓電能量收集器的結(jié)構(gòu)形式并對具有高承載能力的Cymbal能量收集器的結(jié)構(gòu)特性進行了理論推導及有限元仿真分析。但Cymbal結(jié)構(gòu)的固有頻率較高,故將其改進為固有頻率較低且剛度相對合適的拱形結(jié)構(gòu)。利用有限元仿真的方法分析了幾何參數(shù)對能量收集器輸出電壓及結(jié)構(gòu)固有頻率的影響規(guī)律及在動態(tài)荷載作用下輸出電壓、電流及功率與負載阻抗和振動頻率的關系。結(jié)合有限元分析的結(jié)果確定了最優(yōu)的拱形能量收集器結(jié)構(gòu)參數(shù)。為將壓電能量收集器產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)化為直流電,設計了具有升降壓功能的能量收集電路,并分析了其工作過程,對其輸出電壓、電感電流及輸入電阻進行了理論推導并利用Matlab中Simulink模塊對能量收集電路進行了仿真分析。得到占空比、開關頻率及電感值對輸出電壓的影響規(guī)律。設計并制作了能量收集電路。根據(jù)仿真結(jié)果及路面荷載特點,研制了不同結(jié)構(gòu)的拱形壓電能量收集器樣機,用實驗研究的方法分析了環(huán)境荷載、外加負載阻抗及幾何參數(shù)對輸出電壓的影響規(guī)律。當環(huán)境荷載大小為10 N,頻率為15 Hz,最佳負載阻抗匹配為100k?時,單個拱形壓電能量收集器產(chǎn)生的最大電功率達到了61 m W。
【關鍵詞】：壓電效應 拱形壓電能量收集器 高承載能力 低頻 輸出電壓
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TM619
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第1章 緒論9-18
• 1.1 課題背景及研究的目的和意義9-10
• 1.2 壓電能量收集技術(shù)的發(fā)展概況10-16
• 1.2.1 壓電材料的研究現(xiàn)狀10-11
• 1.2.2 壓電能量收集器結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀11-13
• 1.2.3 壓電能量收集電路的研究現(xiàn)狀13-14
• 1.2.4 壓電能量收集技術(shù)的應用現(xiàn)狀14-16
• 1.3 當前研究存在的不足16
• 1.4 本文主要研究內(nèi)容16-18
• 第2章 壓電基本理論及壓電能量收集器的結(jié)構(gòu)設計18-33
• 2.1 引言18
• 2.2 壓電能量收集技術(shù)相關理論的分析18-22
• 2.2.1 壓電方程的選擇18-20
• 2.2.2 壓電能量收集器等效物理模型的建立20-21
• 2.2.3 動態(tài)荷載作用下瀝青路面響應特征的分析21-22
• 2.3 壓電能量收集器的結(jié)構(gòu)設計22-30
• 2.3.1 常用壓電能量收集器的結(jié)構(gòu)特性比較22-24
• 2.3.2 Cymbal壓電能量收集器的結(jié)構(gòu)特性分析24-28
• 2.3.3 拱形壓電能量收集器電學模型的建立28-30
• 2.4 壓電能量收集效率理論計算模型的建立30-32
• 2.5 本章小結(jié)32-33
• 第3章 拱形壓電能量收集器發(fā)電性能的有限元分析33-47
• 3.1 引言33
• 3.2 壓電能量收集器有限元分析的理論模型33-36
• 3.3 有限元分析的模型與參數(shù)36-38
• 3.3.1 有限元分析單元的選擇36
• 3.3.2 壓電材料與端帽材料的選擇36-38
• 3.4 有限元仿真結(jié)果與分析38-46
• 3.4.1 壓電能量收集器的靜力學分析38
• 3.4.2 外界荷載對發(fā)電性能的影響38-39
• 3.4.3 負載阻抗對發(fā)電性能的影響39-40
• 3.4.4 結(jié)構(gòu)參數(shù)對發(fā)電性能的影響40-43
• 3.4.5 壓電能量收集器諧響應分析43-44
• 3.4.6 壓電能量收集器機電耦合作用的分析44-46
• 3.5 本章小結(jié)46-47
• 第4章 壓電能量收集電路的設計47-57
• 4.1 引言47
• 4.2 壓電能量收集電路模型的建立47-49
• 4.3 壓電能量收集電路工作過程的理論分析49-51
• 4.3.1 電路工作過程49-50
• 4.3.2 電路工作過程的理論推導50-51
• 4.4 壓電能量收集電路的仿真分析51-55
• 4.4.1 電路仿真模型的建立52
• 4.4.2 占空比對輸出電壓的影響52-53
• 4.4.3 開關頻率對輸出電壓的影響53-54
• 4.4.4 電感值對輸出電壓的影響54-55
• 4.5 整流濾波電路的硬件實現(xiàn)55-56
• 4.6 本章小結(jié)56-57
• 第5章 壓電能量收集器的實驗研究57-67
• 5.1 引言57
• 5.2 拱形壓電能量收集器的制備57-59
• 5.2.1 材料的選擇57-58
• 5.2.2 金屬端帽的制作58
• 5.2.3 拱形壓電能量收集器的粘結(jié)58-59
• 5.3 實驗條件的確定59-60
• 5.4 實驗設備的組成60-61
• 5.5 實驗方案61-62
• 5.6 實驗結(jié)果與分析62-65
• 5.6.1 荷載大小及頻率對發(fā)電性能的影響62
• 5.6.2 外界負載阻抗對發(fā)電性能的影響62-63
• 5.6.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)對發(fā)電性能的影響63-65
• 5.7 本章小結(jié)65-67
• 結(jié)論67-68
• 參考文獻68-72
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表的學術(shù)論文72-74
• 致謝74

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本文編號：897568