1.设计的目的及意义

随着人们对环境问题的关注以及对新能源的渴望，新型环保的能量采集技术成为国内外研究学者探究的热点；同时随着对半导体元件的集成化研究的不断深入，将振动机械能通过采集技术转化为电能并为微机电系统供电成为可能。近年来，越来越多的研究人员致力于利用环境振动能量来发电的研究工作，并生产相应的产品投入到现实生活中去。例如麻省理工学院的John Kymissis等人设计发明的自发电鞋垫；Soon-Duck Kwon设计了一款电磁式低频振动发电装置用来采集汽车引发的桥梁振动能。

对于人类正常生活中的振动微能源，我聚焦于汽车发动机的振动能量流失。汽车的使用在生活中日趋广泛，据统计中国大中型城市家庭汽车的拥有率在60%以上,中小城市家庭汽车拥有率在20%以上,农村家庭汽车拥有率在5%以上。汽车中振动频率较低的在40~50hz，大型车辆中振动频率较高的能达到100hz甚至更高。将汽车发动机上所产生的能量损失利用起来将是能源利用上一个不小的突破。现今中国还没有专门的针对汽车发动机振动能量损失所进行的深入研究。

按照能量采集原理的不同，目前振动发电装置大致可分为静电式、电磁式、压电式和磁致伸缩式四种形式。其中压电式振动能量采集装置的工作原理是依据压电材料的压电效应，即通过压电陶瓷的振动来实现机械能与电能之间的转换，在其中中最为广泛也最受关注；在压电薄膜材料中，PZT是最受关注的，也正是 新型俘能器所需要的。PZT 薄膜是一种钙钛矿结构的铁电性薄膜材料，它具有高的介电常数，低的声波速度，高的耦合系数。它的横向压电系数和纵向压电系数都是很高的，因此，PZT 薄膜材料被视为最有前途的压电薄膜材料。基于 PZT 薄膜的新型俘能器的研究和开发开始于上世纪 80 年代，已经取得了一系列丰富的成果。而磁致伸缩式能量采集装置工作原理是在外界的压应力作用下，超磁致伸缩材料内部的磁通密度会发生变化，超磁致伸缩材料外部的感应线圈上能产生感应电动势，从而使项机械能向电能转换。

针对此问题，我小组提出一种多悬臂梁－中心质量块结构的新型复合式新型俘能器，从振动的角度以提高装置的发电性能，并预想把它运用到汽车发动机上。这种复合式新型俘能器能有效地把振动能这种微能源利用起来，通过自身，环境振动使中心质量块振动，PZT 压电敏感单元由于压电效应产生电势差; 同时中心质量块上集成的高密度线圈切割磁感线产生感应电动势，并且磁通密度的变化使得超磁致伸缩材料外部感应线圈产生电流，将压电转换，磁电转换及磁致伸缩转换相结合把振动能转换为电能。我将这种复合式新型俘能器件运用到汽车发动机上，利用其原理及特性，将发动机振动损失的能量有效的利用起来，从而达到能源的多次利用。汽车发动机振动能的再利用将成为新能源利用的重大突破。

2. 研究的基本内容与方案

2. 研究（设计）的目标、基本内容、拟采用的技术方案及措施

2.1 项目研究目标

本项目将基于压电发电、磁电发电、磁致伸缩发电三种发电原理，结合设计出一种高效复合式新型俘能装置。重点研究装置结构的设计及材料的选用，通过本项目的实施，以期获得一种具有较高的能量俘获及发电效率的装置，使其能够高效俘获汽车发动机因振动产生的未利用能量来对车载电池进行充电。

2.2项目研究内容

1.本项目组建的装置利用与汽车发动机固有频率相近的悬臂梁结构，以异质集成在悬臂梁上的PZT压电薄膜为载体进行共振式压电发电，悬臂梁通过振动带动高密度磁感线圈切割磁感线并激励超磁致伸缩材料产生维拉里效应，实现磁电发电与磁致伸缩发电。

2.该装置将三种发电方式结合完成复合能量输出连结，并组网收集使用。

3.研究重心放在共振装置结构的设计及材料的选择上，能够让悬臂梁的振动频率最接近发动机固有频率，保证线圈拥有较高的切割磁感线能力并力求以最大压应力作用于超磁致伸缩材料，使压电、磁电与磁致伸缩三种发电方式都能够输出较高的功率。