V型压电换能器发电的有限元分析与实验.docVIP

 V 型压电换能器发电的有限元分析与实验# 刘祥建，陈仁文** （南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室，南京 210016） 5 10 摘要：提出了一种新颖的 V 型压电换能器。为了分析和测试 V 型压电换能器的发电性能， 本文对其进行了有限元仿真分析和实验测试。有限元分析表明，压电片与金属弹性基片间存 在一个最佳厚度比使换能器的输出电压最大；随着换能器两金属基片夹角的增大，其输出电 压不断减小。实验测试显示，仿真结果与实验结果具有较好的一致性，压电陶瓷片与金属弹 性基片的最佳厚度比都为 0.5，验证了有限元分析的可靠性；在输出功率测试中，V 型压电 换能器用于对外负载供能具有较好的优越性，且在峰值为 0.3N 的作用力下，输出功率达到 22μW。本文分析及测试结果为 V 型压电换能器的设计、制作提供了指导性意见。。 关键词：V 型压电换能器；压电陶瓷；多方向振动能量收集；有限元分析；发电 中图分类号：TM384 15 Finite Element Analysis and Experiment for V Shape Piezoelectric Transducer LIU Xiangjian, CHEN Renwen (State Key Laboratory of Mechanics and Control of Mechanical Structures, Nanjing University of 20 25 30 35 40 Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016) Abstract: A novel V shape piezoelectric transducer is developed in this paper. With the aim to analysis and test the electricity generation of the V shape piezoelectric transducer, the finite element analysis and experiments were performed. The simulation results show that there will be have a optimal thickness ratio between the piezoelectric ceramic and the metal substrate to maximize the open circuit voltage of the piezoelectric ceramics, the open circuit voltage of the piezoelectric ceramics will decrease as the angle of the two metal substrates increases. The experimental results demonstrate the validity of the finite element analysis and the optimal thickness ratio is 0.5. The output power experiments show that the maximal output power of the V shape piezoelectric transducer is about 22 μW. The results of the simulation and experiments will be helpful to design and manufacture the V shape piezoelectric transducer. Key words: V shape piezoelectric transducer; piezoelectric ceramics; multi-direction vibration energy harvesting; finite element analysis; electricity generation 0 引言 近年来，在现代机电产品朝着“高”、“精”、“尖”发展的同时，其体积外形的日趋 人性化及微型化已渐渐赢得了消费者的喜好。在机电产品微型化发展的同时，其能量供给问 题日益凸显并成为制约其应用发展的一个瓶颈。目前化学电池因体积大、使用寿命较短及易 造成环境污染等诸多弊端[1]而促使人们开始进行新型能源的探索。其中，环境中的振动能由 于其存在的普遍性以及其较高的能量密度，而促使研究人员展开了相关的收集利用研究[2]。 目前，