基于周期性和双周期性结构的振动能量收集优化研究

《Sensors and Actuators A: Physical》：On the optimization of vibration energy harvesting based on periodic and biperiodic structures

电磁振动能量收集装置通过周期性和双周期结构优化设计，利用调谐参数使能量局部化，实验验证了8个子系统优化后能量收集效率达81%，并降低组件数量与成本。

　　

Shakiba Dowlati|Najib Kacem|Noureddine Bouhaddi

玛丽-路易-巴斯德大学，法国国家科学研究中心（CNRS），FEMTO-ST研究所，应用力学系，24 Rue de l’épitaphe，贝桑松，25000，法国

摘要

本文对电磁振动能量采集（VEH）设备的设计优化进行了全面的数值和实验研究。通过利用周期性和双周期性结构，该研究利用能量局部化现象来提高能量采集效率。在周期性结构中引入最优失谐，可以使振动能量集中在特定的失谐区域，从而实现从这些区域而不是整个系统进行有针对性的能量采集。开发了一个优化框架来确定最优失谐参数，包括失谐元素的总数、幅度和位置，以最大化局部化振动能量。最初，该优化方法应用于具有多个子系统的周期性采集器。在此基础上，提出了一种双周期性采集器，以在有效覆盖两个不同频率带宽的同时提高采集功率。研究结果表明，在大约一半的子系统中优化失谐可以比完全周期性的采集器实现84%的采集功率。为了验证这种方法，设计并制造了一个具有八个弱耦合子系统的电磁VEH设备。使用从优化过程中得出的质量失谐参数进行的实验结果与数值预测非常吻合，仅存在3%的差异，总采集功率达到了大约81%。这些结果凸显了周期性和双周期性采集器在显著提高采集功率和频率带宽的同时，减少转换电路数量以及采集器整体尺寸和成本的潜力。

部分摘录

设计与建模

图1(a)展示了电磁VEH设备，它由$N$个相同的螺旋形弹簧组成，每个弹簧都与位于中心的钕铁硼（NdFeB）圆柱形磁铁相连。这些磁铁的排列在它们之间产生微弱的排斥力，通过改变磁铁之间的距离可以调节耦合强度。振荡器通过电磁转换与电路相连。

优化问题的提出

基于图1(b)所示的周期性和双周期性结构的电磁VEH设计优化旨在通过在不同子系统中引入质量失谐来最大化采集功率。该优化过程旨在实现两个相互冲突的目标：最大化采集功率同时最小化失谐子系统的数量。优化过程旨在确定最优的失谐子系统组合。

实验验证与讨论

进行了实验研究以验证优化程序和数值结果的可行性。图8(a)展示了设计的电磁VEH设备，该设备包含八个子系统。图8(b)显示了单个子系统电磁VEH的示意图，其中弹簧和磁铁被线圈包裹。每个子系统由一个螺旋形弹簧组成，如图8(c)所示。这种螺旋设计能够在紧凑的区域内最大化弹簧的长度。

结论

本文提出了一种基于弱耦合周期性和双周期性结构的电磁振动能量采集设备的优化设计框架。基于最优设计的概念验证已经通过实验得到证实。这种方法通过引入质量和位置上的最优失谐，实现了采集功率和带宽的最大化。对于具有20个和100个子系统的周期性结构，失谐大约25%的子系统可以

CRediT作者贡献声明

Shakiba Dowlati：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，可视化，验证，软件，资源，方法论，研究，形式分析，数据管理，概念化。Najib Kacem：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督，项目管理，方法论，资金获取，概念化。Noureddine Bouhaddi：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，方法论，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了EIPHI研究生院的支持（合同编号“ANR-17-EURE-0002”）