过去几十年中,微机电技术发展迅速,无线传感器、数据传输设备、医疗植入设备向着微型化和低功耗的方向发展。作为这些电子设备的供能装置,电池供电长久以来存在着诸多缺陷:一是体积大,限制了小型电子设备的进一步微型化;二是寿命有限,使用一段时间后需要充电或更换。另外,在偏远地区或特种作业时,由于供电条件受限而严重制约了设备的使用。新型供电方案诸如太阳能和风能等因其受到阴雨天气或静稳无风等环境影响较大,因而无法完全替代电池。因此人们需要寻找一种新的供能方式来持续为微电子设备供能。环境振动的能量采集为低能耗设备的自供能方式提供了新的可能。压电悬臂梁式结构是一种常用的振动能量采集结构形式。传统线性压电梁能量采集系统通常由一个或多个线性压电悬臂梁组成,这种结构存在共振频率响应带宽窄的问题,不能适应宽频带的环境振动。非线性压电悬臂梁结构可以有效拓宽压电悬臂梁系统的频率响应带宽,可适应不同带宽激励的振动环境。单一悬臂梁振动能量采集结构只能采集空间一个振动方向上的能量,而实际环境中的振动可能来自空间的任意方向,因此如何利用压电悬臂梁结构实现各个方向的振动能量采集,以获取更多的振动能量有着重要的研究意义和应用价值。为了解决这一问题,科研人员研究了多种形式的能量采集结构,例如复杂的线性悬臂梁组合结构、内共振摆结构等。虽然这些结构不同程度的解决了一些问题,但也产生了诸如结构复杂、难以加工、自身能量损耗等问题。本课题重点研究三维空间下多方向振动能量的采集技术,提出了一种仅用单一压电悬臂梁组成的三维振动能量采集系统,该能量采集系统结构简单,且无自身能量损耗。课题首先建立了三维非线性压电悬臂梁振动能量采集系统的集总参数模型,然后分析了系统的动力学模型、非线性磁铁力模型和磁势能函数。由于环境中的激励大多为低频宽带随机激励,因此课题选取了0~120Hz带宽的高斯随机激励作为三维振动能量采集系统的激励,通过数值仿真和实验验证,探索了在随机激励下三维非线性压电悬臂梁振动能量采集系统的输出响应特性和能量采集规律,并分析了初始磁铁间距和不同激励工况对系统输出效率的影响。课题最后与线性压电悬臂梁组成的三维能量采集系统进行了对比研究,证明了所提出的非线性三维振动能量采集系统的有效性。总之,课题阐明了压电悬臂梁式振动能量采集系统的工作原理,通过数值模拟和实验分析深入探讨了三维非线性压电悬臂梁振动能量采集系统的特性。研究结果表明,对于一定带宽和强度的随机激励,系统至少存在一个最优的初始磁铁间距,可在两个坐标轴方向同时实现最优机电能量转换,同时保证第三个方向上的次优。对于实际振动环境,确定一个最优的初始磁铁间距,可实现高效的、结构间距无需实时调整的振动能量获取。