摘 要

本文采用异质集成的方法对现有俘能器发电问题进行分析，针对复合式新型俘能器结构和发电问题进行研究优化,优化结构后可俘获一定范围内更多的振动能量，并通过此设计出一种集压电、磁电磁致伸缩等多种发电方式为一体的复合式新型俘能器，该俘能器主要用来收集汽车发动机振动产生的能量。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，从而达到能源的回收利用目的。

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。

本文借助三维CAD软件SolidWorks对复合式俘能器进行建立相应几何模型 ,再通过运用有限元分析软件ANSYS/Workbench对单一组元的结构进行模态分析和谐响应分析。通过设计感应线圈和永磁体优化俘能器结构。

研究结果表明：最后得出电能输出量是。因此，该复合式新型俘能器能够实现为车载设备供电的目的，具有一定的应用价值。

本文的特色：

1、将压电发电式、磁电式、磁致伸缩等多种发电方式有机结合在一起,充分利用了能源与空间。

2、优化设备结构,俘获一定范围内更多的振动能量,增大发电效率，现有的微型俘能器发电效率都在级,通过分析计算,我们设计的复合式俘能器电能输出量至少是。

3、研究频率相似的工作环境中装置的互换性,使本俘能器的可利用性增大。

关键词：复合式俘能器；俘能发电；能量利用。

Abstract

In this paper, the heterogeneous integrated method is used to analyze the power generation problem of the existing energy harvester, and the optimization of the structure and power generation problem of the new composite energy harvester is studied. After optimizing the structure, more vibration energy can be captured within a certain range. Through this design, a new type of composite energy harvester integrating piezoelectric, magnetic, electromagnetic, and other power generation methods is designed. The energy harvester is mainly used to collect the energy generated by the vibration of a car engine. By using its principle and characteristics, the energy of engine vibration loss can be effectively utilized to achieve multiple uses of energy.

By vibrating the center mass with its own and ambient vibrations, the PZT piezoelectric sensitive cell generates a potential difference due to the piezoelectric effect. At the same time, the high-density coil integrated on the central mass cuts the magnetic induction line to generate an induced electromotive force, and the change in the magnetic flux density causes the external induction coil of the giant magnetostrictive material to generate a current^{. [1]}Combining piezoelectric conversion with magnetoelectric conversion and magnetostrictive conversion converts vibrational energy into electrical energy.

In this paper, a three-dimensional CAD software SolidWorks is used to establish a corresponding geometric model of the composite energy capture device. Then, the finite element analysis software ANSYS/Workbench is used to perform modal analysis and harmonic response analysis on the single component structure. The structure of the energy harvester is optimized by designing induction coils and permanent magnets.

The results of the study show that: Finally, the power output is. Therefore, the hybrid new energy harvester can achieve the purpose of supplying power to the on-board equipment and has a high utilization value.

This article features:

1. Combine piezoelectric, magnetoelectric, magnetostrictive and other power generation methods to make full use of energy and space.

2. Optimize the equipment structure, capture more vibration energy in a certain range, increase the power generation efficiency, and the existing micro-energy collectors generate power in the μW class. Through analysis and calculation, the energy output of the composite energy harvester designed by us is at least.

3. To study the interchangeability of devices in a work environment with a similar frequency, and to increase the availability of this energy harvester.

Key Words：Composite energy harvester；Captive power generation；Energy utilization.

目录

第1章 绪论 1

1.1课题研究的背景与意义 1

1.2国内外研究现状及趋势 2

1.2.1 压电发电式俘能器 3

1.2.2 电磁发电式俘能器 3

1.2.3 压电-电磁复合式俘能器 4

1.3 本课题主要研究内容 6

第2章 俘能器的结构设计 7

2.1 装置整体的结构设计 7

2.2 装置复合发电材料的选择 8

2.2.1 压电发电采用的相关材料及材料参数 8

2.2.2 磁致伸缩式发电采用的相关材料 10

2.2.3 磁致伸缩-压电复合式发电 11

2.3 装置结构的确定 11

2.4 本章小结 12

第3章 俘能器的结构建模与仿真分析 13

3.1 SolidWorks软件简介 13

3.2 利用SolidWorks构建模型 13

3.3 俘能器的工作原理 15

3.4 ANSYS软件简介 16

3.5 振动结构的有限元仿真模拟 16

3.5.1 ANSYS分析过程 17

3.5.2 模型网格划分 17

3.6 ANSYS仿真分析 19

3.6.1模态分析 19

3.6.2 谐响应分析 20

3.7 本章小结 22

第4章 结构优化分析和电量计算 23

4.1 感应线圈的设计 23

4.2 永磁体的设计及俘能器输出电量 24

第5章 结论与展望 25

参考文献 26

致 谢 27

第1章 绪论

1.1课题研究的背景与意义

随着微电子制造技术和无线传感器网络的迅速发展，几种新型低功率元件已经上市，如何为这些低功耗产品供电已成为一个新的研究热点。主要有以下缺点

(1)电池的体积过大，限制了其在微机电系统上的应用；

(2)由于能量密度低，设备无法长时间供电，需要定期更换电池，这显着增加了系统后期维护的难度和成本；

(3)可能发生的破损，泄漏等，以及使用和更换的电池都会造成污染。

随着人们对环境问题的关注和对新能源的渴望，新型节能环保技术已成为国内外研究人员的热门话题；同时，随着半导体器件集成研究的不断深入，通过采集技术将振动机械能转化为电能并为微机电系统提供动力成为可能。研究人员已经做了大量工作来克服传统能源供应方法的缺点。近年来，振动型能量收集器将振动能量转化为电能并供应低功率器件已成为主要解决方案之一。振动在自然环境中无处不在，为设备的长期稳定供电提供能量保证。另外，振动能量是一种不污染环境的绿色能源。近年来，越来越多的研究人员致力于研究如何利用环境振动产生的能量来产生电力并生产出投资于现实生活的产品。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设计了一款电磁发电式低频振动发电装置用来采集汽车引发的桥梁振动能^[2]。

对于正常人生活中产生的的振动微能量，我们专注于汽车发动机振动能量的损失。汽车的使用在生活中越来越普遍，据统计，中国中老年家庭轿车拥有率超过60％，中小城市家庭轿车比例超过20％，农村家庭轿车率超过5％。汽车一般振动频率为40 Hz到50Hz，大型车辆振动频率可达100Hz甚至更高。汽车发动机产生的能量损失的使用将是能源消耗使用的重要突破。现阶段来说还没有关于中国汽车发动机振动能量损失的具体研究。

随着微电子制造技术，无线传感器网络的迅速发展以及各种新型低能量元件的出现，将振动能量转换为电能并提供低功率器件的振动能量收集器已成为焦点。俘能器有一个非常良好的发展前景，根据麻省理工学院的John Kymissis的统计来看，市场上俘能器的销售在2010年到2015年有大幅增长（如图1.1所示）。

图1.1 2010年到2015年俘能器市场增量的分析

按照收集能量原理的不同，现阶段来说，振动型俘能器主要有静电发电式、压电发电式与电磁发电式。其中静电发电式俘能器需要外接电源，很大程度上限制了它的应用。压电发电式振动收集能量装置的工作原理是根据压电材料的压电效应，也就是通过压电陶瓷的振动来实现机械能与电能之间的转换，PZT压电薄膜材料在其中最为广泛也最受关注，同时也正是新型俘能器所需要的。PZT压电薄膜是一种钙钛矿结构的铁电性薄膜材料，它具有高介电常数，低声速和高耦合系数。其横向压电系数和纵向压电系数非常高，因此，PZT压电薄膜材料被视为最有前途的压电薄膜材料^[3]。基于 PZT压电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。电磁式能量收集装置的工作原理是：在外部压应力作用下，超磁致伸缩材料内部的磁通量密度发生变化，超磁致伸缩材料外部的感应线圈会产生感应电动势，物品的机械能量转化为电能。压电式和电磁式则有不同的工作原理。它们不能同时输出大电压和大电流。为克服两种单一捕获能量装置技术的不足，研究人员在压电发电式、电磁发电式俘能器的基础上又提出了一种创新结构，也就是压电-电磁复合式俘能器。

1.2国内外研究现状及趋势

下面本文将会根据压电式俘能器和电磁式俘能器的结构设计以及加工技术、压电-电磁复合式俘能器具体结构的目前发展状态进行一个大概的描述。

1.2.1 压电发电式俘能器

现阶段来说压电材料的压电效应是制作压电式俘能器的基本原理。压电材料都能够将自身受到的压力形变转换为需要的电能。目前，国内外已经设计出了很多种工作方式不同的压电发电式俘能器。不同的压电材料有不同的压电特性，现阶段主要是基于d31 模态和 d33 模态来设计研究压电发电式俘能器^[4]。比如shen基于d31 模态的 MEMS 研究出了一种压电式俘能器，他是通过溶胶-凝胶法制备PZT压电层，根据研究计算得到想要微俘能器的输出功率最大时负载要匹配，并且微俘能器的输出功率随着外激励加速度的增大而增大，根据测试得到在 2g 的加速度激励下，最大输出功率为 2.15μW、最大输出电压为 0.16m V。同样美国的Jeon也是第一个基于 d33 模态的 MEMS研究出压电俘能器的人。他也是通过溶胶-凝胶法制备PZT压电层，通过他的测试和计算得到：俘能器的能量密度为 0.74m Wh/cm2，最大输出功率 1µW、最大输出电压为 3V。通过这些证明了，在相同的梁尺寸下，基于 d33 模态的俘能器的输出电压是d31 工作模态的 20 倍。

哈尔滨工业大学教授袁江波和他的同事提出了一种复合型带有悬臂梁结构的压电俘能器，通过实验对俘能器进行了发电能力测试，得到结果在负载为 820KΩ，工作频率为 60 Hz 的时候，最大输出功率能够达到 4.9 m W，这种复合型悬臂梁结构的俘能器的压电振子谐振频率范围为 56Hz到72 Hz，可以有效的增加俘能器的带宽。其具体结构如图 1.2 所示。

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