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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:林雨潔
研究生(外文):Lin, Yuchieh
論文名稱:壓電能量擷取器之研究
論文名稱(外文):The Study Of Piezoelectric Energy Harvesting Device
指導教授:潘宗龍
指導教授(外文):Pan, Chunglong
口試委員:潘宗龍陳柄成沈俊旭
口試委員(外文):Pan, ChunglongChen, PingchengShen, Chunhsu
口試日期:2012-07-24
學位類別:碩士
校院名稱:義守大學
系所名稱:電機工程學系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2012
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:72
中文關鍵詞:壓電效應壓電能量擷取器無線胎壓計有限元素法歐拉白努利理論壓電懸臂樑
外文關鍵詞:Piezoelectric EffectPiezoelectric Energy Harvesting DeviceWireless Tire Pressures GaugeFinite Element MethodEuler-Bernoulli TheoryPiezoelectric Cantilever Beam  
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現今生活中,機械能是一個輕易可得的能量,透過壓電材料的壓電效應,力電得以互相轉換而輸出電能,因此本論文利用具有壓電材料之壓電懸臂樑結構發展壓電能量擷取器,將輪胎振動能轉換為電能,以供電給無線胎壓計,使得壓電能量擷取器達到高科技環保充電的效能。
本論文以設計符合無線胎壓計之需求為目標,並選用以有限元素法(Finite Element Method; FEM)為基礎理論所開發之COMSOL Multiphysics套裝軟體建立數值模組,並根據壓電材料特性設計懸臂樑結構並加以模擬。
在設計結構之前,須先探討壓電理論與歐拉白努利理論(Euler-Bernoulli theory)結合之推導方程式,再根據推導方程式設計結構,並分析比較不同結構之壓電懸臂樑特性。
Today, it is well known that the mechanical energy could be gotten easily everywhere. The piezoelectric energy harvesting device could be gotten electric energy with piezoelectric effect from piezoelectric materials. Moreover, it can be saved electric charge and reached high efficiency of environmental protection.
In this project, we based on the foundation of wireless tire pressures gauge, and adopted COMSOL Multiphysics software from the foundation of Finite Element Method to build numerical module. According the piezoelectric material’s properties, the cantilever beam can be designed and simulated.
Before design the module, we had to investigate and discuss the theory of piezoelectric and Euler-Bernoulli. Then we employ the equation and first module with various structures to investigate the properties of the piezoelectric cantilever beam.
中文摘要i
英文摘要ii
目錄iii
圖目錄v
表目錄vii
第一章 緒論1
1.1 研究背景1
1.2 研究動機2
1.3 論文架構3
第二章 壓電理論4
2.1 壓電背景與原理4
2.1.1 壓電現象4
2.1.2 正逆壓電效應4
2.2 壓電材料種類與應用5
2.3 壓電材料本構方程式6
2.4 壓電材料極化處理8
2.5 壓電材料操作模式11
第三章 壓電樑方程式及等效電路之模型建立14
3.1 機械樑運動方程式推導14
3.1.1 歐拉-白努利理論14
3.2 壓電樑運動方程式推導18
3.2.1 感測與制動方程式18
3.3 壓電樑等效電路模型建立23
3.4 壓電樑對外部掛載電容充電之分析27
第四章 模擬結果與分析34
4.1 設計材料參數及尺寸探討34
4.2 雙層壓電片模擬結果43
4.3 單層多壓電片結構模擬結果46
4.4 雙層多壓電片結構模擬結果49
4.5 梯形壓電片結構模擬結果52
4.6 圓形壓電片結構模擬結果55
4.7 模擬結果討論及分析58
第五章 結論與未來展望60
5.1 結論60
5.2 未來展望61
參考文獻62
中文部份62
英文部份62
圖目錄
Fig. 2.1(a) 正壓電效應4
Fig. 2.1(b) 逆壓電效應4
Fig. 2.2(a) 未極化處理前8
Fig. 2.2(b) 極化處理後9
Fig. 2.3(a) d31操作模式11
Fig. 2.3(b) d33操作模式12
Fig. 2.3(c) d15操作模式12
Fig. 3.1 自由端機械樑14
Fig. 3.2 機械樑自由體圖15
Fig. 3.3 壓電樑之示意圖18
Fig. 3.4 壓電樑上下壓電片覆蓋之極化方向19
Fig. 3.5 壓電樑簡易等效電路模型24
Fig. 3.6 RLC串聯電路模型25
Fig. 3.7 壓電樑完整等效電路模型26
Fig. 3.8 壓電樑使用標準電路之示意圖27
Fig. 3.9 壓電懸臂樑對外部掛載電容充電之示意圖28
Fig. 3.10 壓電懸臂樑(忽略阻尼)對後部電路放電時之等效電路圖29
Fig. 3.11 壓電懸臂樑(忽略阻尼)未對後部電路放電時之等效電路圖31
Fig. 4.1 d31模式結構圖36
Fig. 4.2 車胎胎壓與路面接觸之共振頻率關係37
Fig. 4.3 壓電片應力值大小38
Fig. 4.4 金屬片應力值大小39
Fig. 4.5 結構長短之頻率變化40
Fig. 4.6 結構長短之電壓變化40
Fig. 4.7 結構長短之功率變化41
Fig. 4.8 結構頻率之電壓變化41
Fig. 4.9 結構頻率之功率變化42
Fig. 4.10 雙層壓電片特徵模態圖43
Fig. 4.11 最佳電阻下之電壓值44
Fig. 4.12 最佳電阻下之功率值44
Fig. 4.13 雙層壓電片之電壓與功率趨勢變化圖45
Fig. 4.14 單層多壓電片特徵模態圖46
Fig. 4.15 最佳電阻下之電壓值47
Fig. 4.16 最佳電阻下之功率值47
Fig. 4.17 單層多壓電片之電壓與功率趨勢變化圖48
Fig. 4.18 雙層多壓電片特徵模態圖49
Fig. 4.19 最佳電阻下之電壓值50
Fig. 4.20 最佳電阻下之功率值50
Fig. 4.21 雙層多壓電片之電壓與功率趨勢變化圖51
Fig. 4.22 梯形壓電片特徵模態圖52
Fig. 4.23 最佳電阻下之電壓值53
Fig. 4.24 最佳電阻下之功率值53
Fig. 4.25 梯形壓電片之電壓與功率趨勢變化圖54
Fig. 4.26 圓形壓電片特徵模態圖55
Fig. 4.27 最佳電阻下之電壓值56
Fig. 4.28 最佳電阻下之功率值56
Fig. 4.29 圓形壓電片之電壓與功率趨勢變化圖57
Fig. 4.30 不同振幅下之電壓趨勢走向圖58
表目錄
Table. 2.1 壓電材料種類5
Table. 2.2 IEEE之標準對應表7
Table. 4.1 PZT-5A材料參數34
Table. 4.2 不鏽鋼材料參數35
Table. 4.3 材料降伏強度37
Table. 4.4 金屬片與壓電片長度變化39
Table. 4.5 雙層壓電片結構尺寸43
Table. 4.6 單層多壓電片結構尺寸46
Table. 4.7 雙層多壓電片結構尺寸49
Table. 4.8 梯形壓電片結構尺寸52
Table. 4.9 圓形壓電片結構尺寸55
Table. 4.10 不同結構之體積大小59
中文部份
[1]吳朗, 「電子陶瓷:壓電陶瓷」, 全新資訊圖書, 1994
[2]周卓明, 「壓電力學」, 全華科技圖書, 2003
[3]洪三山, 黃子凡, 利用高整合型IC 實現TPMS 之功能與電池功率消耗的推算,兩岸機電暨產學合作學術研討會論文集, 2008
[4]連益慶, 壓電能量擷取系統之分析研究, 國立台灣大學應用力學研究所碩士論文, 2005
[5]廖偉翔, 蔡明祺, 壓電換能器於低頻發電應用之設計與分析, 國立成功大學機械工程學系碩士論文, 2007
[6]潘華文,可調頻壓電樑之模型推導與振能回收研究,國立台灣科技大學機械工程系碩士論文, 2009
[7]潘華文,壓電振動能源汲取器之分析與製作,大同大學機械工程學系碩士論文, 2010
英文部份
[1]D. Shen, J. Ajisaria, S.Y. Choe, and D.J. Kim, “The optimal design and analysis of piezoelectric cantilever beams for power generation devices,” Materials Research Society Symposium Proceeding, Vol.888, pp. 271-276, 2006
[2]E. A. Gerber and A. Ballato, Precision Frequency Control, Vol.1, Academic Press, Inc., New Jersey, 1985.
[3]IEEE Standard on Piezoelectricity, A NSVIEEE Std 176-1987, March 12. 1987.
[4]J. F. Shackelford, Introduction to Materials Science for Engineers, 4thEd., Prentice-Hall, Inc., New Jersey, 1996.
[5]J. Kymissis, C. Kendall, J. Paradiso, N. Gershenfeld, “Parasitic Power Harvesting in Shoes,” Presented at the Second IEEE International Conference on Wearable Computers, pp. 132-139 1998.
[6]L.M. Swallow, J.K. Luo, E. Siores, I. Patel, and D. Dodds, “A Piezoelectric Fiber Composite Based Energy Harvesting Device for Potential Wearable Applications,” Smart Materials and Structures, Vol. 17, 025017, 2008.
[7]N. Persson, F. Gustafsson, and M. DrevÖ , “Indirect tire pressure monitoring using sensor fusion,” Society of Automotive Engineers World Congress, No. SAE 2002-01-1250, 2002.
[8]S. Roundy, and P.K. Wright, “A Piezoelectric Vibration Based Generator for Wireless Electronics,” Smart Materials and Structures, Vol.13, No.5, pp. 1131-1142, 2004.
[9]T. C. Lim and G.W. Farmell, “Search for Forbidden Direction of Elastic Surface-Wave
[10]William T. Thomson, “Theory of vibration with applications, ”4th edition, 1993
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