一种新型压电能量采集器设计理念：多模态能量采集表皮外文翻译资料

 2022-05-10 08:05

英语原文共 17 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

一种新型压电能量采集器设计理念：多模态能量采集表皮

Soobum Lee 和 Byeng D. Youn

摘要：本文针对压电能量收集（EH）提出了一种先进的设计理念，简称多模态能量采集表皮。这种能量采集方法有利于多模态振动的应用和提高能量采集的效率。这种多模态能量采集表皮是我们以前工作的延伸，能量采集表皮是一种创新的压电能量采集器的设计样式：振动蒙皮结构和在一个装置中的薄压电层。一个计算多层组件振动的有限元模型——振动蒙皮结构和压电层——被构成了。并且我们发现压电层的最佳的拓扑结构和/或者形状决定了多种振动模式的最大发电量。一种多模态能量采集表皮的设计理论应运而生：设计压电材料分部和外部电阻。在材料设计步骤中，压电材料用转换线与并联的相关振动模块分离以将电压消除降到最低。使用电压相位对转调线路检波。外部电阻的设计阶段，选择电阻值使得每个部分最大限度地输出功率。所提出的设计思想可应用于具有多模态简谐振动蒙皮的任何工程系统，并应用于飞行器蒙皮和电能变压器面板两个实例研究。多模态能量采集表皮的卓越表现被论证了，它显示出比无分段或单一能量采集表皮更大的发电量。

Ⅰ.介绍

能量采集（EH）的研究已经创造出了无线电子设备，如无线传感器，它通过收集环境能源供能，否则能源被浪费掉。由于无线传感器越来越多地应用于结构健康监测（SHM）、建筑物自动化等领域，这种能量采集技术有很大的需求量。由电池供电的无线传感器，由于电池有限的寿命和更换成本（包括80到500美元的劳动力费用[1]），尤其在传感器安装在偏远地区时，可能会造成麻烦。这个问题促使了能量采集领域的快速发展。

2010年8月23日收到的手稿；接受于2010年12月29日。

作者愿意承认，这项研究是由韩国国家研究基金会的支持，由韩国政府资助的。[nrF-2009-352-d00007].

S.Lee，马里兰大学机械工程系、科利奇帕克、马里兰州。

B.D.youn，机械和航空航天工程、国立首尔大学、汉城学院、韩国。(e-mail: bdyoun@snu.ac.kr)。

数字对象标识符10.1109/TUFFc.2011.1847

振动是最常见的可用的环境能量形式之一，存在于土木结构、机械和人体等处。多种多样的振动源的最大加速度幅值和频率范围能被罗迪等人很好的列出[2]。在转换振动能量的几种能量转换原理中，压电被认为是最有效[ 1 ]，[ 3 ]，最简单和最实用的转换方法[ 3 ]- [ 5 ]。压电材料有锆钛酸铅（PZT）、氧化锌（ZnO）、聚偏氟乙烯（PVDF）、铌镁酸铅钛酸铅（PMN-PT）[ 6 ]，与聚丙烯（PP）聚合物。尽管铌镁酸铅钛酸铅（PMN-PT）具有较大的耦合系数，但价格昂贵，在作者看来它在商业市场上的实用性仍然很低。在其余的材料中，锆钛酸铅（PZT）是已知的具有最佳的转换效率的材料[ 4 ]。因此，本文选择PZT来实现能量采集。

压电能量采集器利用一些源于机械和人体运动产生的振动。艾尔文等人提出了一个在施工现场利用PVDF进行自动损伤检测的可行方案：一台负荷随时间变化的滑轮车能够给能量采集器产生足够的机械压力。纽佛和贝因[ 8 ]讨论了能量采集器在监控交通的上的应用（如汽车），它利用压电能量采集器为无线传感器提供能量。一些关于汽车发动机的振动和桥梁振动的能量采集器的研究案例可以在ambiosystem网站[9]上找到。格兰斯特伦等人[10] 开发了一种压电聚合物背包带，它在行走时从皮带的振动张力中产生电能。利兰等人[ 11 ]安装了一个能量采集装置以在楼梯的振动中收集电能，并获得了约30mu;W的输出。鞋后跟的能量采集器是另一个例子，它利用人体运动时脚后跟产生的压力[ 12 ]，[ 13 ]。

图1、（a）一个室外冷凝单元的，（b）能量采集表皮的实现，（c）功率测量。

Jeon等人[12] 开发了用于MEMS设备的薄膜锆钛酸铅能量发生器，利用d33模式产生了约1mu;W能量。尽管过去二十年来学者进行了广泛的研究，但目前的技术发展水平几乎无法产生足够的电力来操作无线传感器节点和小型电子产品[ 13 ]（15）。以往对压电能量采集技术的研究主要集中在设计能量采集器件（形状、位置、材料）、电路或两者都包含。但一些研究人员发现，由于梁表面各点的均匀大应变，梯形悬臂梁比矩形悬臂梁更有效率[3]，[16]，[17]。郑等人利用拓扑优化设计了一个悬臂梁的压电能量采集器获得了最高的能量转换系数。尽管他们的贡献是独一无二的，但仅考虑静载荷是他们的局限之处。西瓦、艾塔克和英曼讨论过这项研究，提出了包括电路在内的其他局限的地方并指出先前实验被引入到了这个悬臂梁的能量采集设备中的几个过分单纯化的和不正确的物理假设。他们调查了两个建模形式相关的问题：单自由度模型和分布参数模型。对模型进行了修正，并给出了改进的模型和样板。

适当的材料的选择也是能量采集器的一个重要因素。基姆等人[21]总结了各种压电材料并且比较了它们的能量转换性能、工作温度范围和使用模式。沈等人[ 22 ]实验比较了三种压电材料（压电陶瓷、光纤和聚合物）的能量采集性能。李等人[23]提出了一种新的能量采集悬臂梁的概念设计，利用在悬臂上分配分段的压电材料来利用多个振动模式。为了提高发电能力，塔德塞[24]实现了一种集压电和电磁转换原理于一体的混合式能量采集器。一个附有小块磁铁和锆钛酸铅的悬臂梁被设计了出来，它能从多个激励频率产生能量。其他研究人员已经在研究设计电路以获得更好的能量采集性能。kasyap等人[25]开发了飞回转换器电路，其阻抗可以被修改，以匹配压电器件。奥特曼等人[26]研究了使用自适应降压dc变换器以最大限度地提升压电设备的输出功率。Meninger等人[27]开发了一种能量收集系统，通过使用附加电容器来改变转换过程以提供最大能量转换效率。管和廖[28]研究了考虑储能器件电压的能量采集电路的效率。最近，拉普等人[29]开发了一种多层压电型能量采集系统的设计方法，其中压电材料和外部电阻的拓扑结构被作为设计因素同时考虑。评论文章[17][30][31]很好的总结了最近压电能量采集器的研究。尽管大多数压电能量采集器都采用悬臂形式，但从实际的情况来看，这种形式有一些缺点。首先，悬臂式能量采集装置需要更大的空间，因为它有庞大的质量和额外的夹紧部分。其次，悬臂式能量采集装置必须防止灰尘、湿气和其他环境伤害，建议将悬臂能量采集装置安装在外壳或振动结构中以保护它。第三，长时间振动后，夹紧状态松动时，会产生大量的振动能量。悬臂梁设计的缺点促使的命题的创新性和实用性的设计称为子皮[32]。在能量采集表皮，薄压电片直接连接到一个振动的外壳结构来获得电力，以克服悬臂能量采集装置的缺点。在各种工程系统（如车辆、家用电器、暖通空调设施等）中，振动表皮起到基底的作用。这一设计理念的实际实现可以在我们以前的工作中找到，如图1 [32]所示：室外冷凝单元的振动的能量采集皮肤。使用环氧树脂在室外单元顶部安装矩形锆钛酸铅压电片，并与整流器和电容器连接，以产生约3.7毫瓦电量。这种简单的方法使得只要压电贴片放置在表皮内侧（例如，在室外单元皮肤之下），就不需要额外的具或保护外壳。然而，在以前的工作中，只有一个单一振动模夹式在60

图2、多模式能量采集表皮的设计过程。

赫兹左右的谐波频率可用，其他的多重谐波模式（例如，120, 180赫兹）仍然不可用。因为此原因，这种采集器被称为单峰能量采集表皮，因此需要有一种设计方法可用于多重谐波模式并且能采集更多能量。

本文提出了一种先进的能量采集表皮设计概念，称为多模态能量采集表皮，它利用多模态振动并且提高了能量收集能力。所提出的设计方法应用于两个案例研究：飞机蒙皮和电力变压器，并发现，多模态能量采集表皮产生的能量比单峰能量采集表皮更多。本文的组织如下：第二部分提出了多模式能量采集表皮设计方法，第三部分为飞机蒙皮振动和动力变压器振动的案例研究。

Ⅱ、多模态能量采集表皮的设计过程

这一部分解释了多模态能量采集表皮的设计过程。设计过程包括两个主要步骤（参见图2）：压电材料分布的设计和外部电阻的设计。首先，拓扑优化通过从多个振动模式中去除沿弯曲线的材料来确定最佳压电材料分布（如图2）。转折线的布局可以通过电压相位角来发现（见第Ⅱ-A）。一个额外的形状优化（SO）步骤可以进行边界的平滑处理和提高工艺性。其次，在材料设计之后，每个段的外部电阻值用于使功率最大化。

图3.消除压电材料的消除效应

A、设计压电材料分布

本文采用谐波响应分析（ANSYS，ANSYS公司，卡农斯堡，Pa），解决了运动的时域方程线性结构稳态振动（振动在Fe赫兹）。如果我们考虑一个通用的压电耦合结构运动方程变化后的应用原理和有限元离散[33]，耦合有限元矩阵方程是

=rsquo;

（1）

M，C和K分别是结构的质量、阻尼和刚度矩阵；是压电耦合矩阵，是矩阵的介电系数，是位移矢量，V是电位（电压），而{F}和{L}是结构性的，电力负荷向量。本文假定电力负荷矢量为零（{L}＝0）：能量采集器的设计只有结构输入负荷存在。在谐响应分析中，结构的所有点在同一频率下振动。因此，位移和电势可以定义为

{}={}={}=[{} i{}]

{}={}={}=[{} i{}]

（2）

{}（{ }）是最大位移（最大电位），ϕ是相位角，omega;是施加的激励频率（弧度每秒），和{ }和{ }（{ }和{ }）分别是真实的和假想的位移（电位）向量。力向量可以类比为

{F}={}={}[{} i{}]

（3）

（1）可以用（2），（3）改写并消去得

[ =

（4）

解这个方程后，可以用最大振幅和相角来表示复杂的电势（以及位移）：

{} i{}={}

， （5）

本文提出的拓扑设计的目的是寻找压电材料的分布，使材料中的电压相位（5）几乎相同。图3说明了如何使用（5）中的相角来获得拓扑设计。为了帮助理解此图显示的是二维悬臂梁，但是按这样的方法很容易就可以推广到三维薄壁振动结构。

假设前三阶振型是用于能量收集，使用D31效应。人们可能认为压电材料的数量与发电量成比，并希望用压电材料覆盖整个振动结构的表面，但在这种情况下，由于取消效应[23]，[29]，[35]，功率不会是最大的。取消效应是指压电材料中电压相位不一致引起的电压消除现象。由于所产生的电压与机械应变成比例，当模型形状曲率变化时，电压消除发生。图3示出了从第二和第三个振动模式中产生的这种效果的示例。显然，通过在图3的第二行中删除拐点周围的材料，可以最小化这种效果。考虑到这个例子中的多个模态，通过从第二个和第三个模态中的所有拐点中消除材料（第一个模式在这个例子中没有拐点），最终的设计展示在图的底部。

同样的方法也适用于三维表皮振动情况。最初，振动结构的上表面覆盖有薄的压电材料层，并且材料沿着多条弯曲线被移除。

转折线可以通过电压相位角[ϕ（V）]在每个节点在图2压电层的顶面水平来检测。通常[ϕ（V）]的显著变化存在于穿过转折线处（约180°）。图4表示出了表皮结构拐点检测的示例，该图显示出在图2显示的从正Z方向的能量采集表皮的顶视图。假设一条转折线，图4中一条虚线穿过元素集的中心。这条线把顶层节点根据分为从两组：（虚圈）， 180°在左边（黑圈）。为了检测和消除多个激励频率的波形线，执行以下步骤：

步骤1：用公式（1）对单个激励频率（）进行谐波分析。

步骤2：在第i个激励的情况下，访问在压电和提取相的顶面的每一个节点。

步骤3：对于每个顶层的节点，检查与其相邻的8个节点的相位差。

步骤4：提取检测到显著相位差的节点（图4中的检查标记）。

步骤5：消除步骤4中节点组成的元素集。

图4。拐点检测（PZT元件的俯视图）。

步骤6：每次激发频率重复步骤1 - 5。

B、设计外部电阻

在从多个模态消除拐点之后，通过连接到每个部分的外部电阻器估计总收获功率，如图2的最后一个面板所示。在外部电阻上测量的功率取决于电阻值，所以应该找到它的最佳值。为了提高工艺性，还可以对压电材料进行形状上的优化。值得注意的是，压电材料在顶层的自由度（DOFs）与每段的代表电极耦合。

根据每个段（R）和形状设计变量（DV）找到最佳的外部电阻值的设计任制定为：

max

（6）

其中n是多谐振动模态的数量，Pnj是在n模激励下第i段的电量，Rj是在第j段的电阻，dvk是分段模型的参数化后第k个形状设计的变化（见参数实例部分Ⅲ-A-4）。为选择最优化的初始值：

， （7）

Cj是第j段的电容，ε是陶瓷介电常数（ε33T = 1700），ε0是真空介电常数，Aj是第j段面积，D为PZT厚度。Rj在这个方程被称为最优性能的最大发电量[36]-- [38]。然而，艾塔克和英曼[39]评论说，这个电阻值是错误的，因为以往的实验过于简单地分析了模型（例如在梁方程的压电耦合方面）。在本文中，（7）

全文共16011字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[12560]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章