采用混合压电-电磁转换技术的双模宽带振动能量收集方法 贾广业（Guangye Jia）、 周强（Qiang Zhou）和 赵怀阳（Huayang Zhao）

《Micromachines》：A Bimodal Approach to Broadband Vibration Energy Harvesting Using Hybrid Piezoelectric–Electromagnetic Transduction Guangye Jia, Qiang Zhou and Huayang Zhao

　　

摘要

为了解决传统双稳态振动能量收集器（BVEHs）容易陷入单一势阱的问题——这会导致能量收集带宽变窄和效率降低——本文提出了一种利用电磁感应过程中产生的非线性电磁力来调节振荡器运动特性的方法。分析了电磁感应过程中产生的非线性力的特性及其影响因素。设计了一种双悬臂梁结构，在其自由端分别放置了一个铁芯线圈和一个磁铁。建立了一个压电-电磁耦合的双模宽带振动能量收集器的数学模型，并进行了数值模拟。此外，还构建了一个垂直振动实验平台来进行频率扫描测试。实验结果表明，所提出的压电-电磁耦合的双模宽带振动能量收集器有效提高了能量收集效率。在5–20 Hz的频率范围内，该系统表现出两种振动模式，共振频率分别为约7.7 Hz和15.7 Hz。对于单层PVDF压电薄膜，第一和第二共振点的最大输出功率分别为8.9 μW和9.7 μW。电磁模块的最大输出功率分别为0.39 W和0.71 W。而且在6.3–9.8 Hz和14–17.7 Hz的频率范围内（总带宽为7.2 Hz），该设备保持了稳定的功率输出。有效带宽拓宽了约80%，展现了出色的宽带性能。