超磁致伸缩/压电复合能量收集器的设计与分析
关键词 振动能量采集 能量转换 PZT Terfenol-D
毕业论文设计说明书外文摘要
Title Design and Study on the Energy Harvester Based on PZT/Terfenol-D Hybride Transducer
Abstract
In this paper,two vibration energy harvesters are designed,based on Terfenol-D/PZT/Terfenol-D composite transducer.One harvester consists of two cantilever beams,a transducer and magnets.The other harvester consists of a swing rope,a transducer and magnets.Comparing the advantages and disadvantages of the two structures,the transducer which includes the cantilever beams is selected. The mechanical-magnetic-electric energy conversions are analyzed.Magnetic induction intensity in the air gap and the magnetic force between the transducer and magnets is analyzed based on the theory of equivalent magnetic charge.The vibration equation and the electrical-output model of the harvester are established.Finally, the output voltage and power of the transducer are obtained.
Keywords vibration energy harvesters energy conversion PZT Terfenol-D
目 次
1 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2振动能量采集器研究现状 1
2 超磁致伸缩/压电复合材料 6
2.1 超磁致伸缩材料 6
2.2压电材料 7
2.3磁电复合材料 7
3 压电/超磁致伸缩复合式振动能量采集器结构设计 10
3.1 悬臂梁式电磁复合振动能量采集器 10
3.2 单摆式电磁复合振动能量采集器 10
4 机-磁-电能量转换分析 12
4.1磁力分析 12
4.2运动分析 15
4.3输出特性分析 16
结 论 18
致 谢 19
参考文献20
1 绪论
1.1 研究背景
随着无线传感器和便携式设备在无线传感网络和微机电系统的广泛应用，具有寿命周期短、文护费用高、污染环境等缺点的传统电池，已经不能满足其供电需求[1]。将环境中的各种能量通过一定的方法转化为电能利用起来的技术越来越受到人们的青睐。这种技术理论上寿命取决于其电子元器件的寿命，并且几乎没有污染排放，是一种绿色能源[2]。在各种环境能源中，与热能、电磁辐射能等相比，振动能量能量密度更高、存在也更为广泛，因此近年来研究较多。机械振动能量在自然界中和人们的生产生活中都大量存在，利用能量采集器将周围的振动能量转换为电能可以有效利用于无线传感网络和微机电系统的供电[3]。
1.2振动能量采集器研究现状
2 超磁致伸缩/压电复合材料
2.1 超磁致伸缩材料
在磁化状态发生改变时，铁磁性晶体的长度和体积会发生微小变化，这就是磁致伸缩现象。如图2.1所示，根据磁畴理论，在居里点温度以下，铁磁体发生自发磁化形成大量磁畴，在不施加外磁场时，磁畴的磁矩方向是随机的，所以不显示宏观效应。在外磁场的作用下，大量磁畴的磁矩方向转向外磁场，磁畴长轴形变方向也趋向外磁场方向，这就产生了宏观的磁致伸缩应变[17]。随着磁场增大磁致伸缩应变增大，直至饱和。若磁场反方向，磁畴的方向会发生变化，重新沿磁场方向取向，铁磁体长度亦发生变化。
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