磁致伸缩材料具有应变大、响应速度快、稳定性好、频带宽的特点，是制作振动能量收集器的理想材料。当前磁致伸缩振动能量收集器建模主要利用线性压磁方程，此模型未能从材料自身耦合和磁路结构进行输出分析，导致输出预测误差较大。

省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室（河北工业大学）、河北省电磁场与电器可靠性重点实验室（河北工业大学）的黄文美、刘泽群、郭万里、薛天祥、翁玲，在《电工技术学报》上撰文，研究构建了考虑漏磁、非线性、机磁耦合及饱和效应的振动能量收集器的等效电路模型，并对等效电路模型进行了非线性数学表征和参数识别；基于Galfenol材料设计了一个可以承受大幅值振动力的双棒型振动能量收集器样机，通过实验研究了收集器输出电压在不同力幅值、力频率、负载阻值等工况下的变化规律。

实验结果与模型的计算结果对比分析表明，所建立的全耦合非线性等效电路模型可以准确预测振动能量收集器的输出电压特性。

目前，供配电技术已经较为成熟，为人们生活和生产方式带来了极大的便利。但在一些偏远地区，例如野生动物保护区，生存着大量的野生动植物，为了及时记录动植物的生存状态，通常采用无线传感器和监控器等设备对保护区进行远程实时监控。

无线传感器通常采用电池进行供电，然而电池存在供电时间短、污染环境、替换困难等缺点，使得传感器的应用受到限制，因此利用环境中的能量为传感器提供不间断供电得到了国内外学者的广泛重视。环境能量通常以机械振动、热梯度、压力梯度和太阳辐射的形式存在。

河北工业大学的研究者以其中的机械振动能量为背景，研究可应用于野生动物保护区的振动能量收集器，以收集动物运动时产生的能量，为检测动植物生态环境的电子设备提供可持续供电。

图1 双线圈磁特性测试系统原理

图2 实验测试平台

磁致伸缩材料、电致伸缩材料和压电材料是当前指导设计振动能量收集器的主流材料。相比之下，磁致伸缩材料具有机磁耦合系数大、灵敏度高、响应速度快等优点，以磁致伸缩材料为核心制成的磁致伸缩振动能量收集器（MVEH），具有输出特性好、能量密度高、稳定性高的明显优势，尤其在应变能力和机电耦合方面更加突出。

磁致伸缩振动能量收集器主要分为悬臂梁式和柱棒式，其中悬臂梁式多应用于高频低振幅（30～50 N）的振动力收集，具有输出效率高、输出电压大的优点，但机械性能差，在受到较大的振动力冲击时容易损坏。柱棒式具有机械强度高、结构稳定等优点，目前多采用单棒式结构，但其具有明显的导磁回路磁阻大、漏磁多、电磁转换效率低、输出电压小等缺点。由于动物运动产生的振动力从几十牛顿到几千牛顿不等，其幅值较大、冲击力强。

图3 MVEH结构部件示意图

研究者采用可承受大幅值振动力的柱棒式结构，设计出一种新型双棒式磁致伸缩振动能量收集器。其核心材料选用Galfenol，是一种铁-镓合金，具备优异的电磁性能、力学性能和磁致伸缩性能。为有效地收集动物运动所产生的幅值大的振动力，进行了一系列的实验来检验样机的输出性能。搭建了收集器输出特性测试系统并测试了不同负载条件下MVEH在变幅、变频振动力输入下的输出电压。

图4 实验测试系统搭建原理

图5 MVEH输出特性测试实验装置

根据实验测试结果，在施加的振动力幅值为115～1310 N、频率为0.5～2 Hz的范围内，随着振动力幅值的增大，输出电压峰-峰值和有效值都随之增大，其中电压峰-峰值最大达到1483 mV。实验测试验证了样机在承受幅值大的振动力的同时可以保证结构和输出的稳定性。

本研究可以为磁致伸缩振动能量收集器的非线性全耦合模型的构建、电压输出特性预测提供重要的理论指导。

本工作成果发表在《电工技术学报》，论文标题为“磁致伸缩振动能量收集器的全耦合非线性等效电路模型”。本课题得到国家自然科学基金资助项目的支持。