碰振升频振动能量采集原理及非光滑动力学分析

Vibration energy harvesting is one of clean energy source techniques. The traditional vibration-based energy harvester cannot effectively capture the energy from the ambient vibration, due to its high resonance frequency and the narrow resonance band. The proposed frequency-up-shifting harvester based on vibro-impact consists of a driving oscillator with low resonance frequency and a responding oscillator with high resonance frequency, and these two oscillators are coupled by impact. On one hand, the effects of impact can make the driving oscillator’s resonance frequency shift towards to the higher frequency and even can induce its sub-harmonic or chaos motion, as a result, widening the frequency band for energy harvesting. On the other hand, the responding oscillator has the ability to produce the high level energy output because of its high frequency motion (free vibration or the periodic motion). Hence, the proposed scheme successfully resolves the complicit between the high level output and the low working frequency and the narrow band width. The presented energy harvesting system is essentially a dual degrees of freedom (DDoF) vibro-impact system.Hence, the proposed project will interpret the principle of energy harvesting for the device, and study its complicated non-smooth dynamics behaviours and their effects on efficiency of energy conversion, and last propose the design methodology from the nonlinear dynamics view.

振动能量采集技术是一种清洁能源技术，传统的振动能量采集器谐振频率高、工作频带窄，因而不能有效地采集环境中的振动能。碰振升频振动能量采集方案由低频驱动振子和高频结构通过碰撞耦合组成，碰撞的存在一方面使得低频振子共振频率偏移或使其产生亚谐共振甚至混沌以拓宽能量采集带宽，另一方面通过部分能量转移诱发高频子系统的高频自由或周期振动以提高能量输出水平，从而突破高效能量输出与低工作频率及宽采集频带无法兼顾的瓶颈问题。本质上碰振升频振动能量采集系统是双自由度的碰振系统，本项目拟从非线性动力学角度出发，阐述振动能量采集原理，研究碰振升频系统的复杂非光滑动力学行为及与换能效率的关系，并提出非线性动力学设计理论。

能量采集技术是一种非常有前途的清洁能源技术，能量采集技术可以将周围环境的能量（光、热、振动、噪声等）通过某种方式自动转化成电能，从而为各种低功耗微电子器件供能。而振动能是环境中最普通的一种能源，以不同的形式、强度和频率广泛存在于航空、航天、船舶、土木、车辆等工程领域，而且其能量等级仅次于光能。因此，振动能量采集器已成为可自我维持电源研究中的一大热点，在航空航天、武器装备、生物医学、智能楼宇等领域中具有较为广泛的应用价值与潜景。针对传统低频振动能量采集技术主要存在的功率密度低、采集频带窄等问题，本项目提出了碰振升频振动能量采集设计方案，并从非线性动力学角度出发，研究碰振升频系统的复杂非光滑动力学行为及与换能效率的关系，并提出动力学设计理论。主要研究集中于电磁式碰振升频振动能量采集装置的碰撞动力学模型的建立，以及采集系统的动力学特性和电学输出性能的研究两部分，并针对采集系统的实验方案实现及采集性能的提升问题，完成了两项专利设计方案。主要研究结论如下：高频采集振子对低频驱动振子起到限位作用，由于高频采集振子刚度较大，与低频驱动振子的振动幅值相比几乎为零，低频驱动振子的最大幅值基本限制约为碰撞间隙的取值；碰撞间隙只起到移频作用，并不明显影响低频驱动振子的最大输出电压。因此低频驱动振子的固有频率选取并不能直接等于外激励频率，为了获取最优的能量输出，需根据输出电压峰值所对应的频率比进行选取。在碰撞发生频带，高频采集振子对总功率输出的贡献比例也明显提升，如在碰撞间隙D=1时， 频率区间，贡献比约在30%。高频采集振子的电能输出水平决定于碰撞发生后的速度；在获得高水平速度时，一个激励周期内的单次碰撞有利于保证高频采集振子得获高水平的电能输出。