作者：张振振 娄军强 贾振 任枭荣 王涛 魏燕定
来源：《振动工程学报》2020年第03期
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摘要：基于環境振动的俘能装置作为自供能微电源可以有效避免对外部电源的依赖。提出了一种新型的两端固支式低频压电-电磁复合振动俘能装置。理论推导了复合俘能系统的耦合动力学模型及俘能性能方程。利用搭建的实验平台分别研究了单一压电式、单一电磁式以及复合俘能装置不同激励加速度、频率以及两个支路不同外接负载下的耦合负载特性及俘能性能。实验结果表明：在基础振动加速度0.5g，压电、电磁支路外接最佳匹配阻抗50kfl和30n的条件下，压电俘能支路，电磁俘能支路以及复合俘能装置最大谐振俘能输出功率分别为1.05，7.18及8.23mW。与单一形式的俘能装置相比，提出的复合俘能器提高了俘能效率，并具有一定的宽频俘能特性。 关键词：复合俘能装置;压电式俘能;电磁式俘能;振动俘能;负载特性
中图分类号：TN712+。5文献标志码：A 文章编号：1004-4523（2020）03-0459-08
DOI：10.16385/jki.issn.1004-4523.2020.03.003
引言
常规的化学电池由于具有寿命短、需频繁定期更换且易造成环境污染等问题，已经不
适应高速发展的信息革新技术。而能够将环境激励转化为可利用电能，并减小对外部电源依赖的自供能方式吸引了国内外众多学者的广泛关注，并成为当前的研究热点。
热能、风能、太阳能及振动能等是常见的能量形式。对应的俘能方式有热力发电、风机发电及太阳能电池等。振动俘能装置由于具有结构简单、实现方便、效率高且成本低的优点引起了众多研究者的兴趣。目前静电、压电和电磁是振动俘能装置最常用的三种机电转换机制。基于压电材料的振动俘能器（Piezoelectric Vibration Energy Harvester，PVEH）具有高能量密度、环保性好及易与微机电系统集成等优势而被广泛研究。悬臂梁单晶/双晶结构、叠堆结构及Cymbal结构为其常见的结构形式，尤其以悬臂梁式结构应用最为广泛。Erturk等提出了一种悬臂梁结构形式的压电俘能装置。Yang等设计了带有末端质量的悬臂梁式压电俘能器，有效降低了整个俘能装置的固有频率。针对悬臂梁式的压电俘能器，Zhang等设计了一种可扩宽频带宽度的梯形悬臂梁式压电俘能器。Arafa等设计了一种双自由度压电振动俘能器，实验结果表明该装置输出功率大于单自由度结构。Asanuma等提出了一种俘能并联电感式同步开关电路（Synchronized Switch Harvesting on Induc-tor，SSHI），通过输出电压的翻转提高了压电俘能装置的输出功率。王光庆等进一步对超声波电机振动俘能装置的SSHI接口电路进行了研究，有效提高了系统的机电耦
张志琴>德阳市实验小学校园网合系数和输出性能。与其他的振动俘能方式相比，电磁式振动俘能装置（Electro-magnetic Vibration Energy Harvester，EVEH）基本上都采用非接触式的工作方式，且其阻尼相对较小。刘海平等提出了一种新型的多参数电磁式振动俘能装置。Koukharenko等提出了一种基于硅胶软材料的叠堆式电磁振动俘能装置，其最大输出功率为104nW。但是，振动环境中的微小型电磁振动俘能装置的俘能效果与器件尺寸关系密切，其输出性能随着结构尺寸的减小显著下降，且其俘能输出电压相对较低，一定程度上制约了微小型电磁俘能器的广泛应用。
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