多组多层宽频压电发电装置的发电性能_龚俊杰

第31卷第5期2015年10月机械设计与研究

Machine Design and ＲesearchVol．31No．5OCT．，2015

2343（2015）05-055-03文章编号：1006-

多组多层宽频压电发电装置的发电性能

龚俊杰，李康超，沈丽佳，韦源源，边义祥

（扬州大学机械工程学院，E-mail ：gjunj@126．com ）江苏扬州225127，

摘要：为了改善单层压电发电装置的发电性能和适应更宽范围的振动频率，提出了一种多组多层宽频

并进行了静力和模悬臂梁压电发电结构。运用ANSYS 软件建立了每组多层压电发电装置的有限元分析模型，

态分析，得到了各组的固有频率。由静力分析可知，每组结构中各层悬臂梁的变形和应力分布规律几乎相同。建立了单层压电悬臂梁的耦合分析模型，计算得到其固定端在受到外界激励作用下的发电电压。为了验证有限元计算结果的正确性，制造了其中一组多层悬臂梁结构，并通过实验测试了固有频率和发电电压，实验测试结果和计算结果一致。最后，研究了每一组单层悬臂梁在不同振动频率下的发电能力，研究结果表明：当外界

频率在35Hz 到55Hz 之间变化时，该多组多层压电发电装置的发电性能较好，三组中至少振动振幅为1mm ，

有一组单层悬臂梁的发电峰值电压在2．8V 以上。

关键词：压电发电；多组多层装置；有限元仿真；发电性能

文献标识码：A 中图分类号：TN384；TN712

DOI:10.13952/j.cnki.jofmdr.2015.0184

Generating Performance of A Wide Frequency Piezoelectric Generator

With Multiple Groups and Multilayer Cantilevers

Gong Junjie ，Li Kangchao ，Shen Lijia ，Wei Yuanyuan ，Bian Yixiang

（College of Mechanical Engineering ，Yangzhou University ，Yangzhou 225127，China ）

Abstract ：In order to improve the generating performance of single piezoelectric generator and adapt to a more wide range of external vibration frequency ，a piezoelectric generator with multiple groups of multilayer cantilever beams is designed．The finite element model with multilayer cantilever beams of every group is established with static analysis and modal analysis ，and the natural frequency of every groupis obtaing．The results of static analysis show that each group of piezoelectric cantilever beams have a consistent stress and vibration rule．Based on this ，Single cantilever piezoelectric coupling finite element model is established and is the electricity voltage calculated by the fixed end under the action of the external excitation．For verifying the correctness of the finite element results ，one group of physical device is manufactured to test the natural frequency and output voltage．It is found that the results of experiment measured results and the simulation calculation value almost unanimously．Finally the generating performance influence on each group of single cantilever with different vibration frequency is investigated．The results indicate that the piezoelectric generator with multiple groups of multilayer cantilever has the better generating performance with an environmental vibration frequency change between 35Hz to 55Hz and of amplitude 1mm and single piezoelectric cantilever generator voltage is always stay above 2．8V．

Key

words ：piezoelectric generator ；multilayer device with multiple groups ；finite element analysis ；generating

performance

随着微机电系统技术的广泛应用，对便携式、移动式电源的需求也渐渐增大，然而用电池为其提供电能有着较大的缺陷，如体积大、供能寿命有限、环境污染严重等。为了解决这个问题，人们开始致力于研究从振动的环境中收集能量并将其转化为电能的方法。依据不同的转换原理，振动－电能可分为静电、电磁和压电等转换方法

［1－3］

化成电能，从而可以替代电池为微功耗器件供电。压电发电装置具有结构简单、无需外部供电、寿命几乎无限、易于实现机构的微小化和集成化等优点，近年来得到了人们更多的关注

［4，5］

。

为了为提高压电发电机对环境随机振动的适应性及发电能力，国内外学者先后提出由多个压电振子构成的宽频带压电发电机并进行了相关研究。王光庆

［6］

。其中，压电转换

方式是通过压电材料的正压电效应，将环境中振动的能量转

收稿日期：2015－04－01

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51275447）；江苏省2014年

度普通高校研究生实践创新计划资助项目（SJLX －0601）

采用

压电片叠堆的方式，设计了一种能量收集和转换的压电发电装置，并建立了该装置的机电耦合模型，通过该模型对压电结构尺寸、弹簧刚度和外界激振频率等进叠堆的材料参数、

56机械设计与研究第31卷

——P3行了参数化研究。华盛顿州立大学研发的高能密度—微热力发动机

［7，8］

由质量板外伸的两端方孔处对悬臂梁施加竖直方向的压力，于质量板方孔和梁的间隙可使梁截面在该处自由的转动，所以此处相当于悬臂梁的自由端，从而该装置中每层梁均视为典型的悬臂梁结构形式，而非简支梁结构。

该结构的新颖之处在于将多组多层压电发电悬臂梁结构组合在一起，形成多组多层压电发电悬臂梁结构，通过调节该压电发电装置每组中质量块的大小，可以控制每组的固有频率，使之接近环境振动的频率，从而可以使得装置发生实现宽频发电。由于该装置中每组的第一阶固有频率谐振，

不同，组合在一起将使得整个装置的第一阶固有频率处于一更容易接近外界的振动频率，可以更加有效地个较宽的范围，

收集频率范围更广的环境振动能量，相对于传统的压电发电装置只具有一个固有频率而言，具有明显的优势和创新之处。

，其最关键的部分就是薄膜式压电发电机。

该装置是基于动态热力发动机原理设计而成的，通过外部热源的驱动，微热力发动机将热能从外部逐渐导入到发动机的内部，再通过二相工作溶液的膨胀和收缩，进而使热能被转化为机械能，最后，机械能通过压电薄膜发电机转化为电能。袁江波，谢涛等

［9］

基于单悬臂梁压电振子，针对环境中的振

动频率较低且频带较窄，当外界的振动频率与压电振子的共会导致压电振子的能量转换效率较振频率不接近的情况下，

低的问题，提出了一种复合型悬臂梁压电振子并建立了其振还用激光测振仪对复合型压电振子进行了扫频测动模型，试。阚君武

［10］

等研究了将多个压电振子直接串/并联及经

整流桥串/并联时的输出电压特性，研究发现压电振子经整流桥串联可有效提高多振子压电发电机的输出电压和频带宽度。刘祥建

［11］

2有限元分析及实验验证

使用ANSYS 有限元软件对结构中第三组装置进行仿真

等设计了一种蒲公英状宽频带压电振动能

以解决环境振源振动频率多变的问题，该装置量收集装置，

可有效地拓宽谐振频率范围，易于实现与环境振源的匹配而获得较高的能量收集能量。

本文设计了一种多组多层宽频悬臂梁压电发电结构，不但可以有效地提高压电发电装置的发电能量密度，而且可以适应较宽频率范围内振动能量的收集，为设计高能量发电能力的压电结构提供参考。

时，所需基本尺寸和性能参数如表1所示。每组中每个包含在多层悬臂梁压电发电装置的悬臂梁采用压电单晶梁的结构，即只在悬臂梁的单面粘贴1片压电陶瓷片，压电片到基座的距离为2mm 。

表1

组成材料密度/（kg ·m －3）弹性模量/GPa

泊松比长/mm宽/mm厚/mm

基本性能参数基板铍铜82301300．4245200．4

压电片PZT －5H 7500620．32

10200．55

1结构的创新设计

多组多层宽频悬臂梁结构每组采用两边对称的悬臂梁

L 形质量板、结构及质量块钣金结构，由六边形基座、横板、基板、质量块等部分组成，悬臂梁基板上贴覆有压电片。每组中基板的一端通过六边形基座固定约束，另一端末端变窄的矩形延伸端插入L 形质量板方孔中，方孔的宽度大于基板的厚度，因此，末端变窄的矩形延伸端可在其中自由抽动。每组两端的两个L 形质量板，由横板通过螺栓相连接，然后每组在再横板上面放置质量不等的质量块。图1为三组三层悬臂梁结构示意图，按照各组质量块从下往上的顺序分别第二及第三组编号为第一、

［12，13］

由于该装置的每组结构除了质量板附件和质量块的总质量不一样外，其余均一样，所以只要取其中的任意一组多14］对该装置中第三组层压电发电悬臂梁进行研究。文献［

的静力分析显示，结构中所有悬臂梁的应力、变形及位移分布靠近基座处的压电片上产生的应力较大。结规律几乎一样，

构中其余两组悬臂梁的应力和变形也具有相同的分布规律。

对三组多层压电发电悬臂梁分别进行模态分析。根据有限元计算结果可知，多组多层压电发电装置中第三组结构的第一阶振型如图2所示，其余两组的第一阶振型与此相似。

。

▲图1装置示意图

▲图2

装置中第三组结构的第一阶振型

对于图1结构中所示的任何一组多层发电装置而言，当上端质量块的重力和振动惯性力在基座固定且发生振动时，

第5期龚俊杰等：多组多层宽频压电发电装置的发电性能57

压电发电装置各组的第一阶固有频率如表2所示。

表2

组号固有频率/Hz

装置各组的第一阶固有频率

155．8

244．4

335．6

将第三组装置的基座固定在激振器上，通过调整激振器的振动频率和振幅，可以模拟该压电发电装置在不同的外界激励下的振动情况。通过示波器可以直观地看到输出电压的波形和数值，通过数据采集系统可以测量并记录发电装置的发电电压和固有频率。实验测试数据及有限元计算结果如表3所示。

表3比较仿真实验

测试结果与有限元计算结果的比较

固有频率/Hz

35．636．8

发电电压/V

2．72．6

从表2可以看出，当外界环境振源的振动频率在55Hz 附近时，第一组压电发电装置发生谐振，当外界环境振源的振动频率在45Hz 附近时，第二组压电发电装置发生谐振，当外界环境振源的振动频率在35Hz 附近时，第三组压电发电装置发生谐振。说明该新型多组多层压电发电装置可以在较宽的频率范围内接近环境振动的频率，在谐振条件下实有利于收现与外界振动频率自适应的宽频范围高性能发电，集环境中振动着的能量。

从上述静力分析可以看出，每一组中每一层悬臂梁的变应力分布几乎相同，所以为了分析方便，下面在进行形规律、

机电耦合分析时，只建立第三组装置中的其中一个悬臂梁的有限元模型来计算其发电性能。

有限元计算主要模拟当装置的固定端受到频率为35Hz 、振幅为1mm 的简谐振动时的发电性能。经仿真计算得到，结构在发电电压达到峰值时的电压

分布云图如图3所示。

从表

3可以看出，实验测试结果与ANSYS 计算结果几乎一样，从而验证了有限元计算结果的正确性。

3装置的发电性能分析

外界环境的振动决定了多组多层宽频发电装置的发电

因此要施加不同的外界振动频率，以研究对本文所设能力，

计的宽频压电发电装置发电能力的影响规律。

在保持振幅为1mm 不变的情况下，分别在这三组结构的固定基座上施加不同的正弦激励载荷。对这三组装置中各层悬臂梁的峰值输出电压进行有

▲图5

不同激振频率作用下的电压

限元计算，相应的结果如图5所示。

图5表明，每一组压电陶瓷片上的电压都随着频率的增第一、二、三组悬臂梁的发电电压分别在其对应大先增后减，

45Hz 、35Hz ）附近达到最大。当的第一阶共振频率（55Hz 、

▲图3

单层悬臂梁的电压云图

外界激振频率在35Hz 到55Hz 之间变化时，该多组多层压电发电装置的发电性能较好，始终有一组的峰值电压保持在2．8V 以上。说明该结构可以适应环境中不同的激励振动频率，能够在较宽的频率范围内，始终保持较高的发电能力，从而达到充分利用环境中的振动能量的目的。

由图3可得，该压电片上产生的最大瞬时峰值发电电压约为2．7V 。

为验证ANSYS 有限元模型的正确性，搭建了如图4所示的实验测试平台，用于测试第三组装置的发电性能。测试装置包括信号发生器、

功率放大器、激振器、电荷放大器、数据采集箱等仪器和设备。

4结论

本文设计了一种多组多层宽频悬臂梁压电发电结构，对结构中的每一组建立了相应的有限元仿真分析模型。对每组进行了静力、模态及单层悬臂梁压电分析。研究了每组单层悬臂梁在不同振动频率下的发电能力。结果表明：该多组多层宽频悬臂梁压电发电装置各层间发电性能基本一致，当外界激振频率在55Hz 到35Hz 之间变化时，该多组多层压电发电装置的发电性能较好，始终有一组峰值发电电压保持45Hz 和35在2．8V 以上。并且当外界激振频率为55Hz 、Hz 时，发电性能最佳，最大输出峰值电压可达3．2V 。

（下转第61页）

▲图4实验测试平台

第5期张前图等：基于奇异值差分谱和对称极坐标法的轴承故障特征提取61

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