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第卷第期光学精密工程. .

年月.
文章编号
压电悬臂梁发电装置的建模与仿真分析
阚君武,唐可洪,王淑云,杨志网,贾杰,曾平
.吉林大学机械科学与工程学院,吉林长春;.吉林大学数学学院,吉林长春
摘要:建立单、双晶压电梁发电能力的仿真分析模型,研究了结构尺寸、激励方式及材料性能等对其发电能力的影响规
律。研究表明,在基板材料及激励条件相同时,存在不同的最佳厚度比使单、双品压电梁发电能力最大,双晶梁的最大发
电量约为单晶梁的倍。基板材料不同时,最佳厚度比随杨氏模量比增加而减小,铝、钼基板构成的单、双晶压电梁的最
佳厚度比分别为.,.和.,.。在相同的厚度比及外界激励条件下,杨氏模量比对两种压电梁发电能力的
影响不同,,双晶梁的发电量均大于单晶梁。
关键词:压电悬臂梁;发电;建模
中图分类号: 文献标识码:

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收稿期:——;修订期:——.
基金项目:国家自然科学基金资助项目.;吉林省科技发展计划项目.;.
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光学精密工程第卷
引言
利用环境中的能量及人力发电为便携式微功
率电器及无线传感器等提供实时的电能供给已成
为国际上的一个研究热点。获得电能的有效
方法之一是利用压电Ⅲ、电磁Ⅲ及静电Ⅲ原理捕
获环境中的机械能。与其它发电原理相比,压电单晶压电梁双晶压电粱
发电的最大优势在于结构简单,易于制作成各种
所需尺寸和形状,便于与微系统集成或置于微机
电系统的内部。然而,目前压电发电的输出功率
依然很有限,严重地阻碍了这一技术的更广泛应图压电悬臂梁结构简图
用,如何有效地提高压电发电装置的发电能力是.
未来几年需要解决的关键问题。
以往的研究表明,压电体的发电能力主要取
现将金属基板厚度与总厚度的比值定
决于压电振子的结构参数、施加的外力或加速
度、频率等。通常情况下,环境中的能量很有限, 义为厚度比,即一/,则压电片厚度分别为:
且常见振源的频率远低于压电梁的固有频率,仅。,。一
左右Ⅲ。因此,必须提高有限体积压电发【。一一/
电装置的机电能量转换效率及发电能力,以适应显然,当压电梁端部的作用力或位移一定时,
微机电系统及便携电子产品对发电装置体积及功所产生的应力和应变是的函数,且理论上存在
率需求。本文通过理论建模及仿真分析,着重研最佳的使其发电能力最大。根据材料的弹性理
究压电梁结构、压电片与基板厚度以及激励方式论,压电片的应力和应变的关系为Ⅲ引:
等对其发电能力的影响规律,以提高有限体积压—一,
电梁在具体工作环境中的发电能力。
一,
式中,一和分别为方向的应变和应
压电悬臂梁结构及能量转换原理
力,是曲率半径,。。是压电电压常数,是压
电材料的杨氏模量,。和邑分别为方向的电
压电陶瓷在外电场作用下可发生形变,人们
位移和电场强度,藤一/是介电隔离率,。。一
利用这一原理开发了压电泵、精密位移机构Ⅲ等
。是方向的介电常数。
多种驱动器;与之相反