变刚度升频压电式振动发电装置得的仿真研究

         为了解决压电振子在低频振动环境中俘能效率低下的问题，提出一种变刚度升频结构，变刚度结构可以增大压电振子在微弱信号下的响应振幅来俘获更大的能量。首先设计振动发电电池结构，并此建立整个系统的A MESim振动仿真模型，然后确定变刚度弹簧的刚度曲线及相应仿真参数并进行仿真。仿真结果表明：相对于定刚度升频系统，变刚度升频振动发电机响应频带拓宽15%，发电功率峰值可达7mw。能量采集就是将周围环境的能量转换成电能，而振动发电就是利用环境中振动能量来发电。如何从周围环境中采集振动能量来代替传统电池成为如今能量采集方面的研究热点。压电式能量采集装置与电磁式能量采集装置相比，具有体积小、无电磁干扰、能量采集密度高等优点，但其常应用于高频振动环境，这为具有频率低、频带宽特点的自然环境中振动能量的采集带来了困难。为了拓宽采集频带Eichhorn等人利用可调悬臂梁，Peters等人利用电控的方式通过调整两压电悬臂梁的刚度来拓宽频带，Tadesse等人利用压电-电磁混合方式，但以上机构都无法避免电磁式发电装置体积大，电磁干扰等缺点，利用压电式能量采集装置可克服这些弊端，但压电陶瓷常利用于高频振动环境，如何使之应用于低频宽带的自然振动环境成为研究目的。大连理工大学的党永利用压电叠堆的连接方式并分析了低频发电的特点，但利用压电叠堆无法从根本上改变体积大的问题。中东科技大学HalukKulah等人和密歇根大学的Tzeno Galchev 等人均采用提高响应频率的方式，利用相应的拾振机构，将外界的低频振动传递给升频系统，实现低频能量的采集。