高鸣源 李守太 孙玉华

摘要： 为克服共振式俘能器工作频带窄和压电式俘能器输出电流低等问题，设计了多稳态电磁式振动俘能系统。建立了系统的分数阶阻尼模型，通过实验揭示了多稳态电磁俘能系统的动态分岔、势能阱逃逸、高能态轨道和混沌运动等非线性行为。结果表明：采用庞加莱截面频闪采样算法和分岔图可有效刻画系统的非线性振动特性;利用多稳态电磁式俘能系统的非线性振动特性可显著增加输出电流并拓宽系统的有效工作频带。

关键词： 非线性振动; 振动俘能; 多稳态电磁式俘能系统; 混沌; 分岔

引 言

振动俘能装置可将周围环境中的振动能量转化为电能，是能源回收利用的重要实现方式。经典的振動能量收集装置可分为静电式[1]、电磁式[2]及压电式[3?4]三类。对于传统的线性谐振式振动俘能器，当激励频率等于或接近俘能系统固有频率时俘能器才会有显著的能量输出。当外界环境振动激励频带较宽时，线性谐振式振动俘能器的效能不足。

因此学者们开展了非线性俘能系统的研究工作以期拓宽俘能器频带，主要研究工作包括单稳态[5]、冲击[6]、双稳态[7?8]、三稳态[9?10]等结构形式。多稳态系统的回复力具有非线性特性，回复力势能存在多个势能阱，当振子发生阱间振动时其处于高能态轨道状态，此时系统具有较高的能量输出。因此通过系统设计使俘能器处于高能态轨道状态，可有效提高俘能功率输出[11]。……