結合弧形曲面之拉伸式非線性壓電能量採集器設計與分析

Abstract

壓電能量採集器可以將環境中多餘的振動機械能轉換成電能，而傳統的懸臂樑壓電能量採集器由於頻寬過窄且變形分布不均等問題使發電效率低落，本研究提出一種結合弧形曲面之拉伸式非線性壓電能量採集器以改善上述問題，透過弧形曲面影響振動時的拉伸效率和軸向預拉力增加非線性因素使系統產生硬化現象，增加系統頻寬，採取拉伸行為模式可使壓電材料整體變形分布平均，並且統一變形方向使系統壽命增加。 本研究將結合弧形曲面的特殊剛體組件作為主體，一端透過旋轉轉軸與基座連接，另一端透過夾持固定與彈性桿件連接，最後彈性桿件另一端透過夾持固定與基座連接，由於彈性桿件材料PVDF與剛體組件重量和剛性相差甚大，故忽略不計。本研究透過改變軸向預拉力、激振加速度、弧形曲面半徑以及質量塊重量等參數觀察並分析其對於系統性能的影響，並將實驗結果與模擬數據比較驗證其準確性。 最後加入傳統懸臂樑能量採集器數據做比較，實驗結果顯示，本研究設計的採集器與懸臂樑採集器相比，最大方均根電壓提高了2.1倍，且頻寬也提升了2.73倍，在13 MΩ的外接阻抗下，最大輸出功率可達1.8 mW。

Piezoelectric energy harvesters convert ambient vibrations into electricity, but traditional cantilever designs have narrow bandwidth and uneven strain. This study introduces a stretch-mode nonlinear harvester with a curved surface and axial pre-tension to enhance strain uniformity and broaden frequency response through nonlinear hardening. The device consists of a rigid curved structure linked by a shaft and clamped PVDF beam, whose low mass and stiffness make its dynamic impact negligible. Performance under varying pre-tension, acceleration, curvature, and proof mass was validated via simulations and experiments. Compared to a cantilever design, it showed 2.1 times RMS voltage increase, 2.73 times bandwidth expansion, and 1.8 mW peak power under a 13 MΩ load.