Page 72 - 《振动工程学报》2025年第8期

1712 振 动 工 程 学 报 第 38 卷

限、定期更换难度大及成本高等问题，已无法满足低 电能量采集器。QIAN 等 ［22］ 通过在屈曲梁的左端引
功耗电子器件的供电需求，寻找可替代的供电设备 入预压弹簧和引导导轨实现势阱可调的双稳态采集
迫在眉睫。压电能量采集器是一种将能量环境中的 器。ZOU 等 ［23］ 设计了一种可由用户编程定制势能
振动能量转换成电能的机电耦合器件，具有能量密 阱函数的可调多稳态压电能量采集器。不难发现，
度高、结构简单、易于与宿主结构集成等优点，非常 上述能量采集器的势能阱调节结构复杂，采集器结
适用于低功耗电子设备的自供电系统 ［1‑2］ 。 构尺寸增大。本文提出一种通过柔性辅助梁调节能
传统压电振动能量采集器由末端带质量块的线 量采集器势能阱的深度和宽度的方法，在经典三稳
性压电悬臂梁构成，其工作频带较窄，通常只有在谐 态压电能量采集器结构的基础上，引入两个结构和
尺寸相同的辅助柔性梁，将两块外部磁铁分别固定
振区时才能产生较大的功率输出，当远离谐振频率
于辅助柔性梁的末端。当采集器受到外部环境激励
时采集效率会急剧降低。为了提高能量采集器的工
时，辅助磁铁受到排斥力使辅助柔性梁产生水平方
作频带和转换效率，文献［3‑6］提出引入非线性磁力
向的往复微幅振动，从而实时调节末端磁铁与外部
使采集器具有双稳态、三稳态甚至多稳态的特性。
磁铁之间的水平间距，达到调节势能阱深度的目的，
［7］
ZHOU 等 提出了一种非线性双磁铁耦合能量收集
降低了势垒高度，进而使能量采集器更容易进入高
系统（DMEHS），并且考虑了末端磁铁的倾角和垂
能轨道，有效提高三稳态压电能量采集器的动态输
直于振动方向的偏移量对动态响应和输出电压的影
出性能，该调节方法具有简单直观的特点，且对势能
响。为了提高环境振动能量采集的适应性，WANG
阱的调节便捷高效。
等 提出了一种双自由度磁场耦合型压电能量采集
［8］
器，分析了激励水平、质量块质量和轴向载荷对固支
1 采集器结构与动力学模型
梁动态特性和俘能性能的影响，仿真并试验验证了
所提能量采集器在低频带宽时可以增强能量采集性
经典三稳态压电能量采集器结构如图 1（a）所
［9］
能。李魁等 利用弹性支撑的外部磁铁的运动实现
示，悬臂梁根部上、下表面粘结两压电片，悬臂梁的
了变势能阱技术，并实现了能量收集工作风速范围
末端安装末端磁铁 A，固定在基座上的磁铁 B、C 与
和输出电功率的同步提升。文献［10‑11］提出了一 磁铁 A 同性相斥，通过改变磁铁 A 与磁铁 B、C 的水
种柔性双稳态能量采集器，结果表明，柔性双稳态能 平距离 d 和磁铁 B、C 之间的垂直距离 d g 可以改变势
量采集器更容易突破势能阱产生跳变。文献［12‑ 能函数的形状，使之呈现出双稳态、三稳态的特性。
13］采用弹簧‑磁振子对悬臂梁进行双向整流，使系 但是从图 1（a）中可以看出，当 d 的位置固定之后，磁
统在低频或超低频环境振动中能够高效和广泛地收 铁 B、C 在能量采集过程中并不会改变 d 的位置，从
集能量。赵泽翔等 ［14］ 采用等效集总参数模型、文献 而不能很好地适应环境的随机响应。所提三稳态压
［15‑17］建立三稳态能量采集器（TEH）分布参数机
电耦合动力学模型对动态特性进行仿真并试验，分
析了磁铁距离、加速度幅值对三稳态系统动态响应
的影响。文献［18‑19］采用多尺度法研究了负载阻
抗以及梁端磁铁偏心距等因素对能量采集性能的影
响，结果表明：调节磁铁间距可以改变系统最优负载
阻抗的大小，梁端磁铁偏心距的大小对系统最优负
载阻抗的影响显著。文献［20‑21］通过考虑几何非
线性和重力效应对系统的影响建立非线性动力学模
型，并阐明了非对称势能阱的产生机理。
为了实现三稳态振动能量的采集功能，通常三
稳态采集器由一个末端带磁铁的压电梁和两个对称
固定于基座上的外部磁铁构成，这种结构的主要特
点就是采集器的势能阱是对称分布的，且其深度和
宽度不具可调性，这会导致在低水平激励作用下，采
集器难以克服势垒的阻碍进入大幅值的高能轨道运
行，从而大大降低采集器的动态输出性能。为了可
实时调节势能阱的深度，提高能量采集器的环境适 图 1 经典采集器和柔性采集器结构模型
应性和动态输出性能，有学者提出势能阱可调型压 Fig. 1 Structural models of TPEH and FTPEH