劉海平　史文華

摘要：以電磁能量收集裝置作為研究對象，考慮裝置機(jī)械振動部分結(jié)構(gòu)形式的差異，分別建立三參數(shù)和兩參數(shù)電磁能量收集裝置的系統(tǒng)模型。通過引入無量化參數(shù)，以單頻簡諧激勵作為環(huán)境載荷給出兩類能量收集裝置的位移響應(yīng)和電流響應(yīng)的解析表達(dá)式。分別考慮電路部分和機(jī)械振動部分各主要設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行影響因素分析，對比研究了兩類能量收集裝置的機(jī)電耦合性能。為了更直觀比較不同類型能量收集裝置的能量轉(zhuǎn)化性能，將輸入到電路外部負(fù)載的平均電功率作為考核指標(biāo)。結(jié)果表明：改變機(jī)械阻尼比和三參數(shù)系統(tǒng)的剛度比，可顯著提升能量收集裝置的機(jī)電耦合性能和能量轉(zhuǎn)化特性。同時，三參數(shù)系統(tǒng)輸入電路外部負(fù)載的平均電功率也大于兩參數(shù)裝置。僅改變電路部分的參數(shù)，對兩類能量收集裝置的影響相同；但是，通過同時調(diào)整機(jī)械阻尼比和三參數(shù)系統(tǒng)剛度比可增強(qiáng)三參數(shù)能量收集裝置的能量轉(zhuǎn)化效率。

關(guān)鍵詞：機(jī)械振動；能量收集裝置；機(jī)電耦合；電磁；三參數(shù)

引言

常見的電磁能量收集裝置，其機(jī)械振動部分多為典型的兩參數(shù)系統(tǒng)，相關(guān)研究成果也較多。相關(guān)研究工作主要集中在兩方面：一方面，主要通過優(yōu)化永磁體組合形式，改善磁場空問分布特性，提高裝置的發(fā)電效率；另一方面，已有相關(guān)研究較少關(guān)注裝置的振動抑制性能。

2015年，加拿大學(xué)者提出一種混合型電磁能量收集阻尼器，通過將黏滯活塞阻尼器與永磁體串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)振動抑制和能量收集雙重功能。該混合能量收集阻尼器的機(jī)械振動部分是一個典型的三參數(shù)系統(tǒng)。

文獻(xiàn)分別就活塞式阻尼器的阻尼力輸出和永磁體的磁場強(qiáng)度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，但并未對混合能量收集阻尼器的機(jī)電耦合性能進(jìn)行深入討論。根據(jù)已有研究表明：從振動抑制角度，三參數(shù)系統(tǒng)的力學(xué)性能明顯優(yōu)于兩參數(shù)系統(tǒng)。但是，針對三參數(shù)電磁能量收集裝置與兩參數(shù)電磁能量收集裝置的機(jī)電耦合性能的對比研究較少見諸報(bào)道。

從以上問題出發(fā)，針對文獻(xiàn)提出的混合型電磁能量收集阻尼器，分別建立三參數(shù)和兩參數(shù)電磁能量收集裝置的機(jī)電耦合模型，并給出解析表達(dá)式。利用所建模型，參數(shù)化對比研究了兩類裝置的機(jī)電耦合特性。研究成果可為電磁能量收集裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定參考。