基于ANSYS 的压电振动电池结构的设计与优化❋

2014-12-31 12:07周晓奕周桂祥边义祥刘榕榕

机械工程与自动化 2014年5期

周晓奕，周桂祥，边义祥，刘榕榕

（扬州大学机械工程学院，江苏扬州 225127）

0 引言

压电式自供能装置是无源式微电子设备研究领域中的重要组成部分，作为替代传统供能方式的能量源为微电子设备提供能量。自供能的关键是选取适合传感器和电子系统所处环境的能源和转化方式，使其具有足够的输出功率提供给电子系统。在微电子设备无源化的研究中，压电式自供能装置从外界环境中获取振动能量的方式和效率是目前研究的重点。本文从压电材料选择、压电振子优化设计、新颖的装置总体结构入手，对压电式自供能装置进行研究。

1 压电发电机理

具有压电效应的物体称为压电体，压电陶瓷就是其中的一种，把压电陶瓷切割成具有特定机械振动方式的谐振子，称为压电振子，也就是振动能量采收器中的压电换能元件。根据压电理论，当压电振子受迫振动产生电能时，压电振子的应力应变关系为：

其中：［S］，［T］分别为应变和应力矩阵；［E］为电场强度矩阵；［sE］为电场强度E为零或常数时的短路弹性柔顺系数矩阵；［d］为压电应变常数矩阵；［D］为电位移矩阵；［εT］为应力T为零或常数时的自由介电常数矩阵。

压电陶瓷材料发出的电信号具有高电压、低电流特性，电荷生成是瞬态和交替的，压电振子是压电发电装置的核心元件，起着将机械能转换为电能的作用。为达到网络传感器等微机电系统对电压、电流的要求，在设计振动能量采收装置时，选择合适的压电振子的发电模式、支撑方式、激励方式与连接方式，来提高压电振子的机电转换效率及发电能力。

2 压电悬臂梁的有限元分析与仿真优化

按照要求初步设计一种压电悬臂梁模型方案，基板长度、宽度、厚度分别为25mm，7mm和0.3mm，压电陶瓷片长度、宽度、厚度分别为8mm，7mm和0.3mm。在这里悬臂梁基板和质量块采用Solid45单元建模，压电陶瓷片采用Solid185建模，压电悬臂梁三维模型如图1所示。基板材料初选为青铜，其密度为7 830kg/m3，弹性模量为118GPa，泊松比为0.35；陶瓷片的密度为7 500kg/m3，弹性模量为76.5 GPa，泊松比为0.32。

图1 压电悬臂梁三维模型

对模型进行模态分析，得到的其前3阶固有频率分别为58.893Hz，276.12Hz和330.63Hz。

对模型进行瞬态分析，在固定端施加大小为0.05 N、频率为58.893Hz的正弦激励，得到的位移—时间响应如图2所示。

2.1 压电悬臂梁基板尺寸的参数化设计

研究压电悬臂梁基板尺寸对陶瓷片输出响应的影响，选取陶瓷片长度、宽度、厚度分别为8mm，7mm和0.3mm，外力固定为0.05N。设定基板厚度分别为0.2mm，0.25mm，0.3mm，0.35mm；长度分别为15mm，20mm，25mm，30mm；宽度分别为7mm，8mm，9mm，10mm。依次以基板厚度、长度、宽度为变量，运用ANSYS进行基本尺寸参数化设计，得到如下结论：

（1）在其他条件不变的情况下，悬臂梁的输出电压随着基板厚度的增大而减少，在保证结构的安全性前提下，选择0.25mm厚度的基板。

（2）同一振动环境下，压电振子的输出电压随着基板长度的增大而增大。由于考虑到本次研究的电池结构尺寸，在此选择长度为25mm的基板。

（3）在其他变量不变的情况下，压电振子的输出电压随着基板宽度的增大而减小。在此研究中，选择基板宽度为7mm。

由以上分析，最终得到的基板较优尺寸为长度25 mm、宽度7mm、厚度0.25mm。

图2 压电振子的位移—时间响应图

2.2 压电陶瓷片尺寸的参数化设计

由于在基板长度方向上任一点所对应的应变在宽度方向上是相同的，因此，陶瓷片的宽度应该与基板宽度一致，这样可以提高压电陶瓷片的发电量。选取基板的长度、宽度、厚度分别为25mm，7mm和0.25 mm。设定压电陶瓷片的厚度值分别为0.2mm，0.25 mm，0.3mm，0.35mm；长度值分别为6mm，7mm，8 mm，9mm。分别以压电陶瓷片的厚度、长度为变量，运用ANSYS进行基本尺寸参数化设计，得到如下结论：

（1）陶瓷片的厚度存在一个最佳值，能使压电振子的输出电压为最大。在此研究中，取陶瓷片的厚度为0.25mm。

（2）陶瓷片的长度增大，压电振子的输出电压随着增大。在此研究中，陶瓷片的长度选取为9mm。

由以上分析可以得出陶瓷片的一种较好的尺寸参数方案：数量为基板上下各一片，长度为9mm、宽度为7mm（与基板宽度相等），厚度为0.25mm。