Page 71 - 《振动工程学报》2025年第8期

第 38 卷第 8 期 振 动 工 程 学 报 Vol. 38 No. 8
2025 年 8 月 Journal of Vibration Engineering Aug. 2025

可调势阱型三稳态压电能量采集器的

动力学特性研究

侯露刚， 李广博， 周宇洋， 江一帆， 王光庆

（浙江工商大学信息与电子工程学院（萨塞克斯人工智能学院），浙江 杭州 310018）

摘要: 为了提高三稳态压电能量采集器的动态输出性能和环境适应能力，提出一种势阱深度和势垒高度可实时调节的柔性三
稳态压电能量采集器。在传统磁耦合三稳态压电能量采集器的基础上，引入两个结构和尺寸相同的辅助柔性梁，两个外部磁
铁分别固定在上述两个辅助柔性梁末端，当采集器受到外部环境激励时，两个辅助梁在水平方向产生微幅振动，从而实时调节
外部磁铁与压电悬臂梁末端磁铁之间的水平间距，达到调节势能阱深度和势垒高度的目的，由此改善三稳态压电能量采集器
的动态输出性能和环境适应能力。相较于其他势阱可调型能量采集器，所提柔性结构更加简单、直观。基于欧拉‑伯努利梁理
论和广义哈密顿原理建立准确描述该三稳态压电能量采集器动态响应特性的机电耦合动力学模型，利用龙格‑库塔算法仿真
分析了柔性梁特性、磁铁间距等参数对采集器非线性磁力和动力学特性的影响，并与经典的三稳态磁耦合压电能量采集器模
型进行仿真和试验比较。结果表明：柔性梁微幅振动是产生变势能阱的主要因素；柔性梁刚度使势能阱的深度变浅，使采集器
更易进入大幅阱间振动状态；引入柔性梁后该三稳态采集器具有更低的跳转激励加速度和更宽的工作频带。

关键词: 三稳态压电能量采集器； 非线性动力学特性； 可调势能阱； 辅助柔性梁
中图分类号: TN384 文献标志码: A DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.202308032

Dynamic characteristics of tri-stable piezoelectric energy harvester
with tunable potential energy well

HOU Lugang， LI Guangbo， ZHOU Yuyang， JIANG Yifan， WANG Guangqing
（School of Information and Electronic Engineering （Sussex Artificial Intelligence Institute），
Zhejiang Gongshang University， Hangzhou 310018， China）

Abstract: In order to improve the dynamic output performance and environmental adaptability of the tri-stable piezoelectric energy
harvester （TPEH）， a new flexible tri-stable piezoelectric energy harvester （FTPEH） with double flexible auxiliary beams for real-
time adjusting the potential well depth and barrier height is proposed. Based on the traditional magnetic coupling tri-stable piezoelec‑
tric energy harvester， two auxiliary flexible beams with the same structure and size are introduced， and the two external magnets
are fixed at the tip ends of the two auxiliary flexible beams. When the harvester is excited by the external excitation， the two auxilia‑
ry beams oscillate with slight amplitude in the horizontal direction， thus the horizontal distance between the external magnets and
the tip magnet of the piezoelectric cantilever beam can be adjusted in real-time， so as to tune the potential energy well depth and
barrier height， resulting in improving the dynamic output performance and environmental adaptability. The electromechanical cou‑
pling dynamic model describing the dynamic responses of the new tri-stable piezoelectric energy harvester is established based on
Euler Bernoulli theory and Hamilton principle， and the influences of system parameters on the nonlinear magnetic force and dynam ‑
ic performance are simulated and analyzed. Compared to the traditional tri-stable harvester， the new tri-stable harvester has a wider
bandwidth of inter-well motion and lower excitation for jumping from intra-well motion to inter-well motion.
Keywords: tri-stable piezoelectric energy harvester； nonlinear dynamic characteristics； variable potential energy well； auxiliary
flexible beam

随着微电子技术和微机电一体化技术的高速发 车和工业工程等领域。然而，海量低功耗无线电子
展，无线电子器件和设备越发小型化、轻量化和低功 器件和设备的广泛应用带来的挑战之一就是如何对
耗化，且广泛应用于通信、医疗、军事、航空航天、汽 其持续地自供电。传统电池由于其体积大、寿命有

收稿日期: 2023-08-15； 修订日期: 2023-10-12
基金项目: 国家自然科学基金资助项目（51777192）；浙江省自然科学基金资助项目（LY20E070001）