压电叠堆联接方式及低频发电特点的研究
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较 高的 输 出 电流 和 功 率 。 文 中设 计 了压 电 叠 堆 夹 持 装 置 和 振 动 发 电实 验 装 置 ， 振 动 频 率 ５Ｈｚ 激 振 力 ２ 的 情 在 、 ６Ｎ
况 下得 到 两 片 电 学 串联 叠 堆 和 并联 叠堆 的 最 大功 率 分 别 为 ０１ Ｗ 和 Ｏ４Ｉ ； 测输 出 电 压 随振 动 频 率 、 阻 、 ． ４ ．ｘ Ｗ 实 电 压
收 稿 日期 ：０ ０ １— ８ ２１—２０
电学 串联 和 并 联 压 电叠 堆 发 电的 规 律 ，并 阐 明 了
作 者 简 介 ： 永 （ ９４ ）男 ， 士研 究 生 ， 要 从 事 压 电 陶瓷 发 电 党 １８一 ， 硕 主
技 术 的研 究 。
串、 并联 叠堆 分别 适用 的场 合 。
性 以及压 电片 的数 量 配置 。文献 ［１ 计 了安装 在 １］ 设
简 单 、 于微 型 化 、 易 能量 密 度 大且 清 洁环 保 ， 已经 成
为振 动式 发 电机研 究 的热点 ｌ］ １ 。单压 电振 子所 产 生 － ３ 的功率 有 限 ， 般通 过 大 面积 或 大体 积压 电材 料 发 一 电来提 高 功率 ． 这些 压 电发 电单 元 必 然要 通 过 一定 的联接后 再 向负 载供 电 。本 文 分析 了压 电叠堆 发 电 输 出电压 和 功率 与 负载 、压 电振 子数 目的关 系 ， 希
５ ７
１ 低 频振 动单 压 电振子输 出 电压 和功 率
引 言
振 动能 比较 持久 且 不受 气候 限制 ． 继 太 阳能 是 发 电之后 备受 关 注 的能量来 源 。压 电振 动发 电结构
分 析 ． 仿 真得 出在 其 谐振 频率 １６ ０Ｈ 时 最 大效 并 ５ ｚ 率 为 ｌ ％。实 际环 境 中的振 动频率 一般 几 赫兹 至几 ２ 十赫 兹 ， 因此研 究 压 电叠 堆 在低 频振 动 时 的发 电特 性 会更 有实 际 意义 。文 献［】 ９采用 电流 源等效 模 型和 第 一 类 压 电方 程 推 导 了压 电叠 堆 非 谐 振 时 的发 电 特 性 ． 方法 适 于分 析 负 载 电 阻较 小 情 况 ， 适 于 该 不 分 析 负 载开 路情 况 。文献 『Ｏ提 出利用 路 基 压 电发 ｌ］ 电装 置 为路 灯 系统 供 电 ．由多个 压 电 片并 联 发 电 ， 介 绍 了能量 处 理步 骤 ． 未 说 明压 电叠 堆 的 发 电特 但
望为 阵列 压 电发 电的联 接提 供参 考 方法 。
压 电叠堆 发 电采用 ３ 模 式 压缩 振动 振子 ］与 ３ ． ３ 模 式 压 电振 子 相 比 ，３模 式 压 电振 子 压 电 系数 １ ３
背包 系 带 中 的压 电叠 堆 发 电装 置 ， 文 中没有 提 及 但
叠 堆 联接 方 式 、 何尺 寸 和 压 电片数 量 等对 发 电特 几
性 的影 响［。本 文采 用第 三 类压 电方 程 和 电压 源等 １ １ ］
效 模 型 推导 了压 电叠 堆低 频 振动 发 电公 式 ， 中易 从 于分 析压 电叠 堆开 路 和小 负 载 时 的发 电特 性 ， 利 并 用 推 导 的压 电叠堆 输 出 电压 和 功率 的数学 表 达 式 ． 深 入 分析 了影 响其 发 电性 能 的 因素 ， 其是 压 电片 尤 个 数 对压 电叠 堆发 电性 能 的影 响 ， 此 基础 上 设 计 在 了压 电叠 堆 夹持 装 置 和振 动 发 电实验 装 置 ， 证 了 验
大 ， 承受 较 大 的应 力 ， 于 多层 发 电结 构 （ 堆 ） 能 适 叠 ，
应 用潜力 很 大［１ 对 ３ 模 式压 电发 电的研究 却 比 ６。 ，而 ７ ３
３ 模 式少 得 多 ，对 于 ３ 模 式 压 电叠 堆发 电 的理论 １ ３ 预测 更少 。文献 ｆ】 所设计 的压 电叠 堆进 行 了建模 ８对
董维 杰 （ ９ ８ ） 女 ， 授 ， 士 ， 要 研 究 方 向 为 微 机 电 １６一 ， 教 博 主
系统 、 电传 感 器 与执 行 器 。 Ｅ ｍａ ： ｏ ｇｊ ｌｔ ｄ ．１ 压 — ｉ ｄ ｎｗ＠ｄｕ． ｕ１ ． ｌ ｅ ２ １
第 ４期
党 永 ， ： 电 叠堆 联 接 方 式 及 低 频 发 电特 点 的 研 究 等 压
摘 要 ： 电发 电是 一 种 新 型 的 振 动 能 量 收 集技 术 。论 文推 导 并 给 出 了 压 电 叠堆 在 ３ 压 ３模 式 低 频 振 动 时 输 出 电压
和 功 率 的数 学 表 达 式 ， 分 析 指 出 了输 出电压 和 功 率 与 压 电 系数 、 电 片 个数 、 电 片厚 度 、 振 力 、 振 频 率 正 相 并 压 压 激 激 关 ， 电极 面积 和 介 电 常数 负相 关 ； 学 串联 的 压 电 叠堆 可 以输 出较 高 的 开路 电 压 ； 学 并 联 的压 电 叠 堆 可 以 输 出 与 电 电
电 片个 数 、 子厚 度 和 电极 面积 的 变化 趋 势 与理 论 预 测相 符 振 关 键 词 ： 动 能 量收 集 ； 电 叠 堆 ； 振 压 电学 并联 ； 学 串联 电 中圈 分 类 号 ： Ｎ ８ ；Ｍ６ ９Ｔ ７ ２． Ｔ ３ ４Ｔ １ ；Ｎ １ ￣ ５ 文 献标 志码 ： Ａ 文 章 编号 ： Ｎ１ — ４ ０ ２ １ ）４ ０ ５ — ７ Ｃ ２ １２ （０ １０ — ０ ６ ０
第 ４期 ２ １年 ７月 ０１
wenku.baidu.com
电
源
学
报
Ｎｏ４ ．
Ｊ ｕ ｎ ｌｏ ｏｗｅ ｕ ｌ ｏ ｒ ａ ｆＰ ｒ Ｓ ｐｐ ｙ
Ｊ ｌ ．０ ｕｙ２ １ １
压 电叠堆联接方式及低频发 电特点的研究
党 永 ， 维杰 ， 董 白凤 仙 ， 言 喻
（ 大连理 工 大学 电子科 学 与技 术 学院 辽 宁 大连 １６ ２ ） １０ ４
况 下得 到 两 片 电 学 串联 叠 堆 和 并联 叠堆 的 最 大功 率 分 别 为 ０１ Ｗ 和 Ｏ４Ｉ ； 测输 出 电 压 随振 动 频 率 、 阻 、 ． ４ ．ｘ Ｗ 实 电 压
收 稿 日期 ：０ ０ １— ８ ２１—２０
电学 串联 和 并 联 压 电叠 堆 发 电的 规 律 ，并 阐 明 了
作 者 简 介 ： 永 （ ９４ ）男 ， 士研 究 生 ， 要 从 事 压 电 陶瓷 发 电 党 １８一 ， 硕 主
技 术 的研 究 。
串、 并联 叠堆 分别 适用 的场 合 。
性 以及压 电片 的数 量 配置 。文献 ［１ 计 了安装 在 １］ 设
简 单 、 于微 型 化 、 易 能量 密 度 大且 清 洁环 保 ， 已经 成
为振 动式 发 电机研 究 的热点 ｌ］ １ 。单压 电振 子所 产 生 － ３ 的功率 有 限 ， 般通 过 大 面积 或 大体 积压 电材 料 发 一 电来提 高 功率 ． 这些 压 电发 电单 元 必 然要 通 过 一定 的联接后 再 向负 载供 电 。本 文 分析 了压 电叠堆 发 电 输 出电压 和 功率 与 负载 、压 电振 子数 目的关 系 ， 希
５ ７
１ 低 频振 动单 压 电振子输 出 电压 和功 率
引 言
振 动能 比较 持久 且 不受 气候 限制 ． 继 太 阳能 是 发 电之后 备受 关 注 的能量来 源 。压 电振 动发 电结构
分 析 ． 仿 真得 出在 其 谐振 频率 １６ ０Ｈ 时 最 大效 并 ５ ｚ 率 为 ｌ ％。实 际环 境 中的振 动频率 一般 几 赫兹 至几 ２ 十赫 兹 ， 因此研 究 压 电叠 堆 在低 频振 动 时 的发 电特 性 会更 有实 际 意义 。文 献［】 ９采用 电流 源等效 模 型和 第 一 类 压 电方 程 推 导 了压 电叠 堆 非 谐 振 时 的发 电 特 性 ． 方法 适 于分 析 负 载 电 阻较 小 情 况 ， 适 于 该 不 分 析 负 载开 路情 况 。文献 『Ｏ提 出利用 路 基 压 电发 ｌ］ 电装 置 为路 灯 系统 供 电 ．由多个 压 电 片并 联 发 电 ， 介 绍 了能量 处 理步 骤 ． 未 说 明压 电叠 堆 的 发 电特 但
望为 阵列 压 电发 电的联 接提 供参 考 方法 。
压 电叠堆 发 电采用 ３ 模 式 压缩 振动 振子 ］与 ３ ． ３ 模 式 压 电振 子 相 比 ，３模 式 压 电振 子 压 电 系数 １ ３
背包 系 带 中 的压 电叠 堆 发 电装 置 ， 文 中没有 提 及 但
叠 堆 联接 方 式 、 何尺 寸 和 压 电片数 量 等对 发 电特 几
性 的影 响［。本 文采 用第 三 类压 电方 程 和 电压 源等 １ １ ］
效 模 型 推导 了压 电叠 堆低 频 振动 发 电公 式 ， 中易 从 于分 析压 电叠 堆开 路 和小 负 载 时 的发 电特 性 ， 利 并 用 推 导 的压 电叠堆 输 出 电压 和 功率 的数学 表 达 式 ． 深 入 分析 了影 响其 发 电性 能 的 因素 ， 其是 压 电片 尤 个 数 对压 电叠 堆发 电性 能 的影 响 ， 此 基础 上 设 计 在 了压 电叠 堆 夹持 装 置 和振 动 发 电实验 装 置 ， 证 了 验
大 ， 承受 较 大 的应 力 ， 于 多层 发 电结 构 （ 堆 ） 能 适 叠 ，
应 用潜力 很 大［１ 对 ３ 模 式压 电发 电的研究 却 比 ６。 ，而 ７ ３
３ 模 式少 得 多 ，对 于 ３ 模 式 压 电叠 堆发 电 的理论 １ ３ 预测 更少 。文献 ｆ】 所设计 的压 电叠 堆进 行 了建模 ８对
董维 杰 （ ９ ８ ） 女 ， 授 ， 士 ， 要 研 究 方 向 为 微 机 电 １６一 ， 教 博 主
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第 ４期
党 永 ， ： 电 叠堆 联 接 方 式 及 低 频 发 电特 点 的 研 究 等 压
摘 要 ： 电发 电是 一 种 新 型 的 振 动 能 量 收 集技 术 。论 文推 导 并 给 出 了 压 电 叠堆 在 ３ 压 ３模 式 低 频 振 动 时 输 出 电压
和 功 率 的数 学 表 达 式 ， 分 析 指 出 了输 出电压 和 功 率 与 压 电 系数 、 电 片 个数 、 电 片厚 度 、 振 力 、 振 频 率 正 相 并 压 压 激 激 关 ， 电极 面积 和 介 电 常数 负相 关 ； 学 串联 的 压 电 叠堆 可 以输 出较 高 的 开路 电 压 ； 学 并 联 的压 电 叠 堆 可 以 输 出 与 电 电
电 片个 数 、 子厚 度 和 电极 面积 的 变化 趋 势 与理 论 预 测相 符 振 关 键 词 ： 动 能 量收 集 ； 电 叠 堆 ； 振 压 电学 并联 ； 学 串联 电 中圈 分 类 号 ： Ｎ ８ ；Ｍ６ ９Ｔ ７ ２． Ｔ ３ ４Ｔ １ ；Ｎ １ ￣ ５ 文 献标 志码 ： Ａ 文 章 编号 ： Ｎ１ — ４ ０ ２ １ ）４ ０ ５ — ７ Ｃ ２ １２ （０ １０ — ０ ６ ０
第 ４期 ２ １年 ７月 ０１
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电
源
学
报
Ｎｏ４ ．
Ｊ ｕ ｎ ｌｏ ｏｗｅ ｕ ｌ ｏ ｒ ａ ｆＰ ｒ Ｓ ｐｐ ｙ
Ｊ ｌ ．０ ｕｙ２ １ １
压 电叠堆联接方式及低频发 电特点的研究
党 永 ， 维杰 ， 董 白凤 仙 ， 言 喻
（ 大连理 工 大学 电子科 学 与技 术 学院 辽 宁 大连 １６ ２ ） １０ ４