不同激励下宽频磁浮俘能器俘能试验

振动能量俘获是获取可再生的清洁能源一种有效途径，具有广阔的应用前景，有利于社会的可持续性发展。目前，随机功率谱激励下的高功率密度和宽频能量回收仍然是研究的难点。该研究设计了一种可有效利用宽频振动能量的高功率密度磁浮式俘能器，采用COMSOL Multiphysics软件计算悬浮磁体非线性回复力与位移的关系式，根据磁浮振动系统的控制方程和基尔霍夫定律建立俘能器的数学模型，详细研究了模型参数变化对俘能器性能的影响。随后进行正弦扫频和驻频试验以验证俘能器的发电能力。同时，从俘能器的效率、效能和体积优质3个指标对俘能性能进行评价；并结合实际应用，设计俘能器稳压电路。根据丘陵山区农业机械工作的随机路谱特性，建立随机激励的数学模型，根据响应幅值的概率密度函数的FPK方程表达式，得到了平稳概率密度函数的解。结果表明：在激励频率从9.77到31.75 Hz变化时，俘能器最大输出电压在5.92和21.52 V之间；最大输出功率在10 Hz时达81.93 mW，从5到50Hz，输出功率范围为5.76到81.93 mW；俘能器的效率、效能和体积优质分别为2.85%，9.85%和39.74%；俘能器电压输出的功率谱密度有5个峰值点，对应频率分别为9.804、29.41、36.76、36.76、51.47和71.08 Hz，进一步验证了该研究提出的磁浮式俘能器具有宽频发电性能，并可满足丘陵山区农机设备监测传感器的供电需求。     

面向农业机械的惯性摆式俘能器特性研究与试验验证

俘能器可以俘获农业机械振动产生的能量并供电传感器。该研究设计并制作了一种惯性摆式振动俘能器，以配重块质量、惯性摆半径、不同激励振幅为控制变量，以俘能器输出峰值电压为优化目标，研究了俘能器的能量俘获特性。试验结果表明：俘能器能量收集能力与正弦激励幅值和惯性摆半径正相关；当俘能器惯性摆半径R较小的情况下（R=30 mm），俘能器能量俘获能力与其配重块质量正相关；当俘能器惯性摆半径R较大的情况下（R=60 mm），俘能器能量俘获能力与其配重块质量无明显相关关系。惯性摆半径为30 mm，且安装配重块（40 g）的俘能器在实测农业机械振动谱激励下可产生4.2 V的峰值电压输出，验证了其能够为储能设备供电（>1 V）的可行性。整流后的俘能器能够带动传感器负载（驱动电压为1.5 V的温湿度计）正常工作，显示了其实用性。俘能器在牧草收割机不同安装位置下的性能试验表明其安装环境适应性好，可以安装在农业机械典型振动部位，如工作部件、底盘、悬架、驾驶室和储货仓。为了得到更优的能量俘获性能，应优先考虑安装在振动较强的部位。该研究可促进农业机械传感器和执行器的无源化进程，符合未来智能农机的发展需求。