内置压电臂流致振动能量收集研究

内置压电臂流致振动能量收集研究

王金亮

（阳化工大学，辽宁沈阳110142）

摘要：随着经济的发展，人们对各种能源的需求越来越多，如电能、风能、石油天然气等能源，这些能源现都被广泛应用到各个领域，为了缓解资源紧张的状况，也研制和应用了一些压电能量收集技术，以满足人们的日常生活和工业等需要，本文重点概述了内置压电臂这种压电能量收集技术，以更好的提升其质量，发挥其作用。

关键词：内置压电臂；流致振动；能量收集

一、概述

为了提高压电能量收集器的的输出功率，本文从压电振动能量收集的结构设计及实现入手，并作出了具体分析，有利于为能量收集等提供指导。能量收集技术有效利用生活中常见的各项能源，如风能、太阳能等，最终通过微机电系统（MEMS）转换成人们所需的电能，因此，本文研究内置压电臂以及如何将其准换成人们所需要的电能，更有利于造福于人类。

二、压电悬臂梁振动能量采集装置

该装置有其独特的优点，如较高的机电耦合特性和功率密度等，为了更好的发挥其优点，本文对其进行了重点概述。在该装置中都要使其满足以下特点：最大化输出响应，可通过增大梁的形变，或采用d33耦合方式来实现，最小化机械阻尼，工艺简单。

（一）压电悬臂梁层合梁模型

该装置一般使用三层结构来进行设计，通过微加工技术，为了降低谐振频率，在自由端固定一质量块，使之在环境振动频率下能够实现纸共振，从而满足最大电能输出。工作时，质量块和压电悬臂梁一起振动，上下两个表面所受应力相异，即若上表面受压应力，则下表面受拉应力，反之亦然，因此上下电极所产生的电荷极性也相反。依据正压电效应，压电层表面将产生电荷，从而在上下两个电极之间产生电势差，利用转换电路可将该电能输入到储能元件中，或直接作为微功耗负载的供电电源。

压电悬臂梁的工作原理是:在压电层的上下电极之间施加交变电压，由于逆压电效应，在压电层上将产生相应的变形从而带动微悬臂梁振动。同时，由于正压电效应，微悬臂梁的振动在压电层上将产生电荷的积聚，

（二）基于振动的压电悬臂梁以不规则的随机突发的形式提供能量。所以，要选择新的设计方案来取代这一局限性，因为这种充电装置必须是在充满电之后才能进行工作，才能将其中的能量转换成电能，所以缺少灵活性，在使用了MEMS之后，更容易进行电能转换，在延长其使用寿命的同时也更易于进行电能转换，能实现一边充电一边进行电能的存储。

简单说来，压电元件的振动将产生交流电压，所以，要对其进行震动频率的调整和控制，以保持电压的稳定性，而微型系统则恰恰需要稳定的电压来维持其正常运转，因此，需要及时调整电压等，以使系统维持稳定的正常运行，从而更易于根据公式计算出功率等数值，为实际使用中和实验提供科学数据。由各个数据可以得出以下推断，功率与振动频率、电压等都有关，但是震动频率对其影响最大，它在工作中通过振动装置转换成电能，能更充分利用资源，根据研究发现，当振动频率达到一定幅度时，振幅最大，同时会影响装置电压等，会使其达到最大，因此，振动能量采集装置在设计上要考虑这些影响因素，不但与自身所应用材料有关，还与外界这些电压、电功率等都有关。

（三）压电悬臂梁振动的其他分析方式

该能量转换过程主要是利用振动中所产生的能量进行转换，以提升能源的应用范围，可以从内部结构等进行研究，使该装置充分发挥其有效性，首先可以从弯曲程度来研究，这种压电悬臂梁是利用其弯曲程度来实现振动，然后将能量进行存储在通电过程中进行转换，其弯曲特性借助力学基础来实现能量转换，需借鉴电源等效电路电路替代力学模型；第二种方式结合了欧拉-伯努利梁理论，而不能完全反映结构实际动态特性。欧拉-伯努利梁理论是从弯曲特点等进行的分析，更具有科学依据，同时对其影响因素等也做出了具体分析，该数据模型是建立在科学基础上的，因此更具有指导性和实践性，更利于其在设计过程中选择新的设计方案，使该能量转换装置得到改进。

这三种方式各有其优缺点，因此，在实际使用中一般选择较为适宜当前场合的，通常可利用电流等效电路去反映结构的机械特性前分析梁结构模型使用较广泛的理论分析方式，并依据其数学模型等进行科学分析，在经过实践推理等得出结论，以更好的进行科学分析和总结，同时在应用材料上也选择更加耐用实用的材料。

三、压电悬臂梁结构的有限元分析

压电式振动能量采集装置的研究多集中在实验科学的基础上。在科学研究中，它所耗费的成本更高，同时时间更长，因此可以选择新的研究模式或方式。但随着科技的发展，也出现了一些CAE软件，以使其更好的发挥作用，同时可以根据科学模型直接输入数据以获得结果，利用ANSYS的耦合场分析功能对压电悬臂梁结构进行了模拟仿真，并对其影响因素等不进行分析，以降低其影响因素的影响，提高其准确度。

（一）有限元法理论

压电悬臂梁结构中运用有限元法可以将比较复杂的事物进行合理的拆分，有限元法的运用原理是将力学理论和计算机技术相结合，来解决相对复杂的问题，这是一种数值分析的方法。这种方法的优点在于可以将很复杂的事情进行合理分析，将复杂的问题具体化，然后经过科学的而研究和计算来得到最后的结果。在工程领域中，工程设计的安全性越高，那么对工程元件的精确度就要求越高，那么在这种设计复杂的情况下，运用有限元法对数值进行模拟研究可以帮助设计人员更快的达到预期效果。

（二）压电耦合场分析

该分析主要考虑其结构和电场之间的作用，因此更具有实践意义。顺序耦合方法指的是对多种情况和方法等进行物理分析，通过分析其前面的结果对后面进行预测和估计，以提升结果的准确性，例如在ANSYS软件环境下，使用SOLID5PLANE13或SOLID98单元的压电分析。

（三）压电悬臂梁结构的仿真分析

通过上述对压电悬臂梁振动能量采集装置的研究和分析，能够很清晰的了解到转换功率的大小变化与材料的选择有很大关系。即，不同材料的特性会使转换的功率发生变化。另外，能够影响到压电悬臂梁转化功率的因素还包括压电模式、结构尺寸、振动位移以及振动频率等。为更加了解压电悬臂梁的功率转化中各种因素之间的关系，对压电悬臂梁结构进行了更深入的研究，其中，运用ANSYS的耦合场分析功能的仿真分析技术结合到数值分子中，分析压电悬臂梁结构的尺寸在整体结构中起到的作用以及影响。

四、总结

随着经济的发展，人们对于能源的需求越来越多，科学家也在不断探索和寻找新能源，以更好的满足人们需求，如近年来的自然环境中的振动能源引起人们重视，研发人员也在不断研究其变化，同时使其更好的应用到实际生活中，利用电悬臂梁振动能量采集装置来实现能源供应和电能转换，以更好的为人们提供便利。因此，本文重点概述了该装置的能量收集研究。

参考文献

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作者简介：王金亮（1993.4—），男，汉，辽宁铁岭人，研究生，研究方向：压电能量收集。