谭江平 王光庆 鞠洋

摘要： 为了提高非线性双稳态压电振动能量采集器的输出性能，提出了一种基于磁?机?压电耦合的非线性多稳态振动能量采集器，通过在双稳态压电振动能量采集器模型基础上增加一对外部磁铁，构造了具有四个稳态的非线性压电振动能量采集器。利用磁偶极子理论建立了采集器悬臂梁末端磁铁与外部磁铁之间的非线性磁力模型;利用Hamilton原理和Raleigh?Ritz方法建立了四稳态压电振动能量采集系统的分布参数机电耦合动力学模型;仿真分析了磁铁水平间距和外部磁铁间距等参数对系统非线性磁力、非线性分岔特性和动力学特性的影响。制作了四稳态压电振动能量采集器原理样机，搭建了样机性能测试平台，实验结果与仿真结果具有较好的吻合度。研究结果表明四稳态压电振动能量采集器可以在低激励水平作用下显著提高能量收集效率，且具有较宽的工作频带。

关键词： 机电耦合动力学; 多稳态压电能量采集器; 非线性磁力

引 言

压电振动能量采集器是一种利用压电陶瓷正压电效应将环境中的振动能量转换成电能的新型机电器件，因其具有绿色环保、结构简单、寿命长、能量转换效率高等优点，广泛应用于微机电系统、便携式电子设备和无线通信与传感网络中[1]。典型的压电振动能量采集器是由压电单晶或双晶悬臂梁构成的线性谐振式振荡器。当采集器谐振频率与环境振动频率一致时，采集器产生谐振，导致压电片形变而产生输出电荷[2?6]。……