三参数电磁能量收集装置机电耦合性能研究

刘海平　史文华

摘要：以电磁能量收集装置作为研究对象，考虑装置机械振动部分结构形式的差异，分别建立三参数和两参数电磁能量收集装置的系统模型。通过引入无量化参数，以单频简谐激励作为环境载荷给出两类能量收集装置的位移响应和电流响应的解析表达式。分别考虑电路部分和机械振动部分各主要设计参数进行影响因素分析，对比研究了两类能量收集装置的机电耦合性能。为了更直观比较不同类型能量收集装置的能量转化性能，将输入到电路外部负载的平均电功率作为考核指标。结果表明：改变机械阻尼比和三参数系统的刚度比，可显著提升能量收集装置的机电耦合性能和能量转化特性。同时，三参数系统输入电路外部负载的平均电功率也大于两参数装置。仅改变电路部分的参数，对两类能量收集装置的影响相同；但是，通过同时调整机械阻尼比和三参数系统刚度比可增强三参数能量收集装置的能量转化效率。

关键词：机械振动；能量收集装置；机电耦合；电磁；三参数

引言

常见的电磁能量收集装置，其机械振动部分多为典型的两参数系统，相关研究成果也较多。相关研究工作主要集中在两方面：一方面，主要通过优化永磁体组合形式，改善磁场空问分布特性，提高装置的发电效率；另一方面，已有相关研究较少关注装置的振动抑制性能。

2015年，加拿大学者提出一种混合型电磁能量收集阻尼器，通过将黏滞活塞阻尼器与永磁体串联，实现振动抑制和能量收集双重功能。该混合能量收集阻尼器的机械振动部分是一个典型的三参数系统。

文献分别就活塞式阻尼器的阻尼力输出和永磁体的磁场强度进行优化设计，但并未对混合能量收集阻尼器的机电耦合性能进行深入讨论。根据已有研究表明：从振动抑制角度，三参数系统的力学性能明显优于两参数系统。但是，针对三参数电磁能量收集装置与两参数电磁能量收集装置的机电耦合性能的对比研究较少见诸报道。

从以上问题出发，针对文献提出的混合型电磁能量收集阻尼器，分别建立三参数和两参数电磁能量收集装置的机电耦合模型，并给出解析表达式。利用所建模型，参数化对比研究了兩类装置的机电耦合特性。研究成果可为电磁能量收集装置的优化设计提供一定参考。