《基於多場耦合軸向激勵的旋轉式壓電發電機研究》是依託浙江師範大學，由闞君武擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：基於多場耦合軸向激勵的旋轉式壓電發電機研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：闞君武
- 依託單位：浙江師範大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
提出利用多物理場的耦合作用使旋轉的壓電振子產生軸向振動並發電，研究這種軸向激勵及發電能力的形成理論與方法，進而構造寬頻帶、高可靠性、且適於勻/高速的微小型旋轉式壓電發電機，用於航空航天/行走機械等非結構環境中旋轉體的自供電感測監測或流能發電。主要內容：統籌考慮發電機系統要素間的耦合關係，建立系統動力學/運動學模型，通過模擬仿真獲得多場間的耦合特性及其對激振力和部件相對運動關係的影響規律、以及合理的系統參數匹配關係；研究壓電振子的軸向振動形態及其能量轉換特性，分析機械單元結構/激勵方式、電控單元電路形式/器件參數等對發電能力/效率的影響規律，提取制約高速旋轉壓電振子動態回響速度及有序軸嚮往復振動的關鍵要素，揭示多場耦合軸向激勵形成寬頻帶發電能力的本質機理；進行3種激勵方式的軸/輪式樣機製作與試驗，獲得最優激勵方案、機械結構及能量回收方案；試製樣機至少10台，提供設計方法及關鍵製造技術參數。
結題摘要
提出通過多場耦合作用使壓電振子產生軸嚮往復振動發電，用於旋轉體自供電監測或流能回收。主要內容：①進行了壓電振子理論建模仿真及有限元分析，研究了不同邊界條件下矩形/圓形壓電振子結構及材料參數對其發電能力的影響規律，獲得了恆力/位移激勵時單/雙晶的矩形/圓形壓電振子厚度比、材料彈性模量比及圓形壓電振子半徑比等對其變形量及發電性能的影響規律；提出了曲面限位及預彎型等應力發電裝置，並進行了模擬仿真與試驗測試，證明限位/預彎方法可使應力分布均勻，提高發電能力及可靠性；②通過Comsol建模仿真和試驗測試研究了不同磁鐵配置方式（受激磁鐵與激勵磁鐵均相吸/相斥、吸-排間隔）時的定角比（相鄰兩激勵磁鐵間夾角與激勵磁鐵對應的角度之比）、轉角比（受激磁鐵轉角與激勵磁鐵對應角之比）對軸/切向的耦合特性、幅值、方向及偏置特性等的影響規律；③利用傅立葉級數展開法及疊加原理建立了一般周期激勵下壓電振子的回響模型並進行了仿真，獲得了穩態的時域/頻率特性與壓電振子類型（阻尼係數及剛度）及附加質量/受激磁鐵尺度、激勵磁鐵尺度/數量/磁極配置方式（吸/排/吸排間隔）/迴轉半徑等參數的關係；④以圓形/懸臂樑壓電振子為換能器，進行了軸式（有固定支撐）旋轉發電機（振子轉動）和旋磁激勵（振子固定）發電設計製作與試驗，獲得了激勵磁鐵數量、壓電振子類型/剛度、附加質量、磁鐵尺度及激勵距離等對發電性能（時域波形和幅頻特性）的影響規律；⑤以圓形為換能器，進行了輪式（無固定支撐）旋轉發電機（振子轉動、激勵磁鐵浮動及滾動）與旋磁激勵發電（激勵磁鐵轉、振子浮動）製作與試驗，證明利用慣性力與旋轉體形成相對運動構造輪式發電機的可行性；⑥進行了剛性/磁力限位壓電梁旋磁激勵發電機製作與試驗，研究了不同限位方式（單/雙側、剛/彈性）及激勵磁鐵數量時的電壓-轉速特性，證明該方法可實現振子剛度及最佳轉速的調整，有效降低輸出電壓波動（變形量均衡、可靠性高）、提高有效頻寬；⑦製作了多振子旋磁激勵發電機，研究了不同電路連線方式（振子直激串/並聯、經整流串/並聯）時的幅頻/頻寬特性；增加了渦輪式壓電流體發電機以及流體耦合式壓電發電機的相關研究。結合研究計畫及拓展工作，培養了碩士研究生8人，尚有2名碩士從事相關工作；公開發表學術論文23篇（5篇SCI/EI雙檢、14篇EI檢索），獲得授權發明專利15項、尚有11項發明專利處於實質審查中。
