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1、中圖分類號(hào)：TB123UDC分類號(hào)：531壓電-電磁復(fù)合式俘能器性能研究作者姓名蔡華通學(xué)院名稱機(jī)電學(xué)院指導(dǎo)教師高世橋教授答辯委員會(huì)主席宋衛(wèi)東教授申請(qǐng)學(xué)位工學(xué)碩士學(xué)科專業(yè)工程力學(xué)學(xué)位授予單位北京理工大學(xué)論文答辯日期2015年1月壓電-電磁復(fù)合式俘能器性能研究蔡華通2015年1月ThestudyofHybridPiezoelectricandElectromagneticHarvesterCandidateName：CaiHuatongSchoolorDepartment:SchoolofMechatronicalEng
2、ineeringFacultyMentor:Prof.GaoShiqiaoChair,ThesisCommittee:Prof.SongWeidongDegreeApplied:MasterofEngineeringMajor：engineeringmechanicsDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：January，2015研究成果聲明本人鄭重聲明：所提交的學(xué)位論文是我本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作獲得的研究成果。盡我所知，文中除特別標(biāo)注
3、和致謝的地方外，學(xué)位論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得北京理工大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書所使用過的材料。與我一同工作的合作者對(duì)此研究工作所做的任何貢獻(xiàn)均已在學(xué)位論文中作了明確的說明并表示了謝意。特此申明。簽名：日期：北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要隨著微電子制造技術(shù)、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展及各種新型的低功耗元件的出現(xiàn)，將振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能并供給低功耗器件的振動(dòng)型俘能器成為了研究熱點(diǎn)。目前，振動(dòng)型俘能器主要有靜電式、壓電式與電磁式。靜電式俘能器需要外接電源，很大程度上限制了它的應(yīng)用。壓電式與電磁
4、式俘能器的工作原理不同，不能同時(shí)輸出大電壓和大電流，為了克服兩種單一俘能技術(shù)的缺點(diǎn)，研究人員在壓電式、電磁式俘能器的基礎(chǔ)上提出了壓電-電磁復(fù)合式俘能器。本文在對(duì)壓電-電磁復(fù)合式俘能器進(jìn)行了深入研究后，為了進(jìn)一步增加俘能器工作帶寬，實(shí)現(xiàn)對(duì)俘能器工作頻率的調(diào)節(jié)，又設(shè)計(jì)了一種新型的非線性壓電-電磁復(fù)合式俘能器。全文的主要工作主要包括以下幾個(gè)方面：針對(duì)壓電-電磁復(fù)合式俘能器建立了一種新型的機(jī)電耦合數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)出了簡(jiǎn)諧激勵(lì)下的壓電-電磁復(fù)合式俘能器振幅、壓電單元輸出功率、電磁單元輸出功率以及復(fù)合式俘能器總輸出功率的數(shù)學(xué)表達(dá)式
5、。其中，電學(xué)參數(shù)對(duì)于壓電-電磁復(fù)合式俘能器的影響可以通過機(jī)電耦合數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析，比傳統(tǒng)彈簧-質(zhì)量-阻尼數(shù)學(xué)模型更加直觀。利用ANSYS與ANSOFTMAXWELL對(duì)壓電-電磁復(fù)合式俘能器的輸出特性進(jìn)行了仿真。重點(diǎn)分析了壓電單元與電磁單元尺寸參數(shù)的變化對(duì)于復(fù)合式俘能器輸出的影響，以及壓電單元與電磁單元之間的耦合作用。根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)所設(shè)計(jì)的復(fù)合式俘能器樣機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，并對(duì)俘能器的設(shè)計(jì)提出了合理化的建議。制作出了壓電-電磁復(fù)合式俘能器樣機(jī)，并通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法與壓電式俘能器、電磁式俘能器進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明：相比于壓
6、電式俘能器與電磁式俘能器，復(fù)合式俘能器有效的拓寬了俘能器的3dB帶寬，增大了輸出功率與應(yīng)用范圍。針對(duì)線性壓電-電磁復(fù)合式俘能器工作頻帶窄，工作頻率單一的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了非線性壓電-電磁復(fù)合式俘能器，利用實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法對(duì)其性能與線性壓電-電磁復(fù)合式俘能器進(jìn)行了比較。結(jié)果表明：非線性壓電-電磁復(fù)合式俘能器解決了線性壓電-電磁復(fù)合式俘能器工作頻帶窄，工作頻率單一的缺點(diǎn)，磁力的方向與大小對(duì)于非線性俘能器的工作性能影響很大。關(guān)鍵詞：壓電-電磁；俘能；帶寬；功率；非線性I北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文AbstractWiththerapi
7、ddevelopmentofmicroelectronicsmanufacturingtechnology,wirelesssensornetworksandtheemergenceofvariousnewlow-powerdevices.Vibrationalenergyconvertedintoelectricalenergyforlow-powerdeviceshasbecamearesearchfocus.Currently,thevibrationenergyharvestermainlybasedonpi
8、ezoelectric,electromagneticandelectrostatic.However,theelectrostaticenergyharvesterrequiresanexternalpowersupplywhichgreatlylimitsitsapplication.Inaddition,piezoelectricener
