线绳驱动转速提升式低频俘能器的设计与研究1)

郭纪元 樊康旗 张 妍 杨雨森 马晓宇

(西安电子科技大学机电工程学院，西安 710071)

引言

由传统化石能源导致的气候变化和环境恶化等问题促使人类寻找一种绿色可再生的清洁能源以实现人类社会的可持续发展[1].低频机械能广泛存在于波浪[2]、桥梁和轨道的振动[3]、人体运动[4]、交通工具的振动[5]、流致振动[6-7]等，被认为是一种具有巨大利用价值的高熵能量[8]，并在自供电传感器、工业物联网、人体传感器网络等领域具有潜在的应用前景，已成为清洁可再生能源的重要组成部分[9].

低频机械能[10]可通过压电效应[11]、电磁感应[12]、静电感应[13]和摩擦发电[14-16]等多种方式转换为电能以达到收集利用的目的.然而，无论采用何种换能方式，低频机械能的俘获发电都需要高效的机电耦合结构或机构以实现机械能向电能的转化.目前广泛研究的悬臂梁式俘能器结构简单、易于实现，但其工作频率较高、工作频带窄、不易收集低频机械能.Zhou 等[17]通过将非线性磁力[18]引入到悬臂梁式俘能器，使其产生单稳态[19]、双稳态[20]、三稳态[21-22]、多稳态[23]和内共振[24]等特性，从而利用软化或硬化频率响应特征[25-26]拓宽了悬臂梁式俘能器的工作频带[27]，但仍不能有效收集低频机械能[28].频率提升机制[29]，即将环境中的低频运动转换为悬臂梁的高频振动，为低频机械能的收集利用提供了一条可行的技术途径.具有频率提升功能的俘能器通过冲击加速度[30]、碰撞[31]、拨动[32]和磁耦合[33]等方式驱动悬臂梁振动，实……