基于圆片形单振子机电转换系统研究.pdfVIP

基于圆片形单振子的机电转换系统研究1 1 2 闫世伟 ，齐姗姗 1 吉林大学 机械科学与工程学院，吉林 长春 130025 2 吉林大学 环境与资源学院，吉林 长春 130012 E-mail: yanshiwei-2000@ 摘要：为实现利用压电材料收集人体能量，将其转化成电能替代电池为微电子产品供电的目 的，设计了一种由圆形单振子压电发电装置 （以下简称压电发电装置）和存储与控制电路组 成的能量转换系统。它用来将人行走时所产生的能量转化成电能并存储起来为外部设备充当 电源。通过对影响压电振子发电能力因素的试验分析可以得出，所设计的压电振子有助于提 高压电发电装置的发电能力。压电发电装置最大输出功率为58.2×10-3W ,联接存储与控制电 路时可驱动自制无线发射装置工作半径达 19m。 关键词：压电发电装置；储存；控制；驱动 中图分类号:TM619 1. 引言 [1] 压电材料具有逆压电效应和正压电效应 ，后者所具有的特殊性质可以使其作为能量 收集的媒体。如何利用压电材料收集环境能量将其转化成电能，替代电池为微电子产品供电 所形成的自供电能力这一新兴的研究方向，已经引起人们的广泛关注。与传统的电磁发电等 结构复杂、成本高的发电方法相比，利用压电材料发电则结构简单、体积小、无污染而且成 本低。但是由于压电材料在受到外部激励后产生的是高电压、低电流，而且每次变形产生的 [1] 电荷较少 ，因此是无法直接为大部分电路供电的。如何将压电材料产生的能量积累并储存 起来直到驱动微电子产品工作就显得十分重要。 本文提出并设计了一种应用在鞋中的能量转换系统，该系统由压电发电装置和存储与控 制电路组成。对压电发电装置进行了优化设计，有效提高了压电发电装置的发电能力，同时 较好的解决了压电材料发电存储问题。 2. 能量转换系统的构成 2.1 压电发电装置的整体结构及工作原理 [2,3] 压电发电装置是用来收集人体能量的装置。以往的研究表明 ，人脚是收集人体能量 的最佳部位。由此可以将由压电振子（压电陶瓷与金属基板复合构成）与安装座组成的压电 发电装置安装在鞋跟底部，以冲击和按压两种方式来转换人体能量。压电发电装置在设计过 程中充分考虑了影响其发电能力的因素，特别是 1 其核心元件压电振子的性能，结合压电发电装置 2 在鞋中的安装方式对其进行了优化设计。图 1 3 是压电发电装置的设计性原理简图。穿着行走 图1 压电发电装置 时，后脚跟的力作用在弹性体上，对压电振子产 生冲击和挤压使压电振子产生变形而发电。 Fig.1 piezoelectric generator 1-上弹性体 2-下壳体 3-压电振子 1本课题得到国家自然基金 （项目编号）资助 1 2.2 存储与控制电路的设计及其工作原理