三參數電磁能量收集裝置機電耦合性能研究

劉海平　史文華

摘要：以電磁能量收集裝置作為研究對象，考慮裝置機械振動部分結構形式的差異，分別建立三參數和兩參數電磁能量收集裝置的系統模型。通過引入無量化參數，以單頻簡諧激勵作為環境載荷給出兩類能量收集裝置的位移響應和電流響應的解析表達式。分別考慮電路部分和機械振動部分各主要設計參數進行影響因素分析，對比研究了兩類能量收集裝置的機電耦合性能。為了更直觀比較不同類型能量收集裝置的能量轉化性能，將輸入到電路外部負載的平均電功率作為考核指標。結果表明：改變機械阻尼比和三參數系統的剛度比，可顯著提升能量收集裝置的機電耦合性能和能量轉化特性。同時，三參數系統輸入電路外部負載的平均電功率也大于兩參數裝置。僅改變電路部分的參數，對兩類能量收集裝置的影響相同；但是，通過同時調整機械阻尼比和三參數系統剛度比可增強三參數能量收集裝置的能量轉化效率。

關鍵詞：機械振動；能量收集裝置；機電耦合；電磁；三參數

引言

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

2015年，加拿大學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，實現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械振動部分是一個典型的三參數系統。

文獻分別就活塞式阻尼器的阻尼力輸出和永磁體的磁場強度進行優化設計，但并未對混合能量收集阻尼器的機電耦合性能進行深入討論。根據已有研究表明：從振動抑制角度，三參數系統的力學性能明顯優于兩參數系統。但是，針對三參數電磁能量收集裝置與兩參數電磁能量收集裝置的機電耦合性能的對比研究較少見諸報道。

從以上問題出發，針對文獻提出的混合型電磁能量收集阻尼器，分別建立三參數和兩參數電磁能量收集裝置的機電耦合模型，并給出解析表達式。利用所建模型，參數化對比研究了兩類裝置的機電耦合特性。研究成果可為電磁能量收集裝置的優化設計提供一定參考。