论文总字数：19448字

摘 要

本文基于有限元的思想，对悬臂梁振动压电发电机进行仿真分析，通过Comsol Multiphysics软件建立压电悬臂梁的有限元模型，在Comsol软件中计算模型的特征频率以及特定频率激励下的开路电压，结果表明，在一阶共振频率激励下开路电压最大。发电机接入负载电阻后，计算出接入负载下使输出功率最大化的最优负载电阻和激励频率。最后从实际应用出发，优化压电有悬臂梁的有限元模型，验证了不等长压电片接入负载情况下输出最大化的可行性。

关键词： 有限元法 压电悬臂梁 能量收集

Simulation analysis of vibration piezoelectric generator based on cantilever beam structure

abstract

In this paper, we will analyze the cantilevered piezoelectric energy harvester moldel based on the thought of finite element simulation(FEM), Using Comsol Multiphysics software to establish the finite element model of piezoelectric cantilever beam, then in Comsol, calculate the model under the resonance frequency excitation, to find the open circuit voltage and the output of the theory. The results are in accordance with the theory and the open circuit voltage is maximum under the characteristic frequency excitation. Then connect the load resistance to analyze the maximize output power under circuit and excitation frequency. Finally, for the practical application, the finite element model of piezoelectric cantilever beam is optimized to verify the feasibility of output maximization under the load of unequal length piezoelectric plate.

key words: The finite element method(FEM), Piezoelectric cantilever beam, Energy Harvest

目录

基于悬臂梁结构的振动压电发电机的仿真分析 II

第一章 绪 论 1

1.1 研究背景 1

1.2 基于压电效应的能量收集 3

1.2.1压电效应 3

1.2.2 压电方程 4

1.2.3 压电材料在能量收集中的应用 5

1.2.4压电悬臂梁发电机原理 6

1.2.5研究现状 7

1.2.6研究内容 11

第二章 基于悬臂梁结构的振动压电发电机的仿真分析 12

2.1结构原理 12

2.2建立模型 13

2.3结果讨论 15

2.3.1特征频率 15

2.3.2不同频率激励下的开路电压输出 17

2.3.3特征频率激励下的输出功率和电压 18

2.3.4不同频率激励下的输出电压和功率的情况 20

2.3.5悬臂梁的优化 21

第三章 全文总结 25

参考文献 26

致谢 29

第一章 绪 论

1.1 研究背景

近几十年来，得益于半导体材料和器件制造技术的快速发展，小型电子器件设备，如便携式电子终端、各类传感器等，在使用范围、性能、功耗、生产成本上都取得重大突破。在过去的10年中，随着无线传感技术和微电子机械系统（MEMS：Micro-electromechanical Systems）技术的发展，无线传感器和小型便携电子设备的使用数量急剧增加，在不久的将来，随着技术的快速发展，可以预料到的是，将会出现对无线传感器和小型电子设备的需求的更大规模的增长。然而，现阶段的情况是，对于此类小型设备的电池技术的研究却相对落后，这在一定程度上限制了无线传感技术和MEMS技术的进一步的发展和应用。

目前，大部分无线传感器和小型便携电子设备的能源，主要是以电池为主，其中包括化学电池，燃料电池、薄膜电池、微型涡轮等。其中，以传统化学电池供电技术最为普遍。传统化学电池有着成熟的生产工艺、较高能量密度、使用较为简单等特点，但相对于工作设备较长寿命而言传统的化学电池的使用寿命是有限的和很短的^[1]。在某些应用场合下，更换电池或充电是一项工作量巨大，成本很高，甚至是不可能的任务。尽管人们已经在提高电池性能上做出了很多努力，但是目前电池技术的发展还是不能满足半导体电子设备的发展的需求。此外，处理不当的废弃电池还会给环境带来十分严重的污染，随意丢弃的废旧电池所含的重金属元素会随渗液溢出，造成地下水和土壤的污染，随着大气和水循环最终还会严重危害人类健康。因此，新的能量供应技术的研究，已经迫在眉睫。

人类利用自然界中的能量来为自身服务已有数千年历史。早在公元前650年，古波斯人就发明了风车，使用风力来替代畜力。到了20世纪，由于蒸气机、内燃机的发明与利用，人类对能源的使用开始集中在石油、煤炭等不可再生能源上。进入21世纪后，世界人口出现了爆发式的增长，环境污染问题日益严重，石油等不可再生能源也逐步枯竭，因此人们对清洁能源或可再生能源的需求开始增加^[2]。可再生能源可重复利用，且对周围环境的破坏相对较小，因此被认为是未来清洁能源的主要形式。

目前，常见的可再生能源主要有风能、水能、地热能和太阳能。从能量利用的量级上来划分，千瓦或兆瓦级别能量的技术，被称为宏观能量收集技术，如水力、发电等。而微观能量收集技术指的是收集机械振动、应力和应变、声能、热能、日光或室内光能、人体生物源中所生成的毫瓦或微瓦级别的能量，这是当前能量收集技术研究的主要方向，表1.1列出了常见能量回收系统的能量密度。当前，将环境中的各种能量转换为电能的方法主要有：光伏效应、电磁感应、静电效应、热电势、压电效应等^[3]。

表1.1各种能量回收系统的能量密度

在各种能量收集形式中，光伏效应收集太阳能具有很高的能量密度，已经得到大规模应用，但是收集太阳能受到环境因素的影响较大，如阴天或者在多阴雨天气的地区收集太阳能的效率就很不理想。此外，很多无线传感器经常工作在一些没有光线的环境中，这些影响因素都限制了光能收集的应用。环境中的电磁波能和声能能量较低，实用价值低。利用温度梯度产生的电势差的原理制作的温度传感器，早已被人们所研究利用。但是收集能量时，将器件小型化非常困难，因为需要较大的体积，因此这个方法不适合用在小型器件里。

自然界环境里，光能、电磁波、声能和温差热电势在应用上都受到各种因素的制约。但环境中，有一种能量无处不在，那就是振动，收集环境中振动的能量来给无线传感器或小型设备供电，已被广泛研究并且已经得到具体的应用^[4]。如图1.1所示，一个温度和湿度无线传感器集成了一个压电振动能量收集器作为供电装置。当前，有三种振动-电能转换机制，分别是电磁感应、静电效应和压电效应。其中，压电效应相比较于其它两种效应，有着结构简单、功率密度高、且便于与微型器件集成的优点，因此得到最为广泛的研究和重视。

请支付后下载全文，论文总字数：19448字