近年来,便携式电子设备、微机电系统(MEMS)和无线传感器网络在民用、军事、医疗和工业生产中得到了广泛应用。目前大多数的微电子产品都是利用传统的电池提供电能。但由于传统电池存在能量密度小、需要定期更换或充电,以及污染环境等问题,难以满足微电子产品高速发展的需求,因此如何实现微电子产品的能量自给、达到无线形式提供电能的目的成为当今急需解决的问题之一。振动能在日常生活和工程实际中广泛存在,不易受位置、天气等因素的影响,并且具有较高的能量密度,因此越来越多的学者和专家致力于研究将环境中的振动能俘获并转换成电能,作为一种替代能源为微电子产品供能。振动俘能器依照自身能量转换机理不同分为压电式、电磁式、静电式、磁致伸缩式等类型。其中,压电式和电磁式是目前研究最多的俘能方式,受到国内外学者的广泛关注,其应用前景非常宽广。通常学者们研究的压电和电磁俘能器大多是以单自由度线性系统为基础,其工作频带非常窄,对外界振动频率依赖性高。为了提高俘能器的输出功率、拓宽其俘能频带、增强环境适应能力,本文分别以磁力调频压电电磁复合俘能器、单梁弹簧式多频压电电磁复合俘能器和双梁式多频压电电磁复合俘能器为研究对象,进行了俘能器发电特性的数学建模、数值仿真分析和实验验证,并研究了结构参数和负载电阻对俘能器动力学特性和发电特性的影响规律,为改善磁力耦合压电电磁复合俘能器发电性能提供了理论和实验依据。鉴于环境中一些振源的振动频率在基频附近偶尔小幅变动,而压电电磁复合俘能器的谐振频率固定,无法时刻与振源频率相匹配,其发电性能难以达到最优。本文以磁力调频压电电磁复合俘能器为研究对象,考虑机械阻尼、线圈参数和非线性电磁机电耦合系数对发电特性的影响,基于欧拉-伯努利梁理论和能量法,建立了该俘能器的机电耦合模型,分析了磁铁中心距、磁化方向、负载电阻、机电耦合系数、机械阻尼比、线圈参数和激励加速度对复合俘能器发电特性的影响规律,研制了实验样机,最终用实验结果验证了数学模型的正确性。结果表明,在压电电磁复合俘能器基础上耦合磁力作用,改变磁铁中心距可以调节俘能器的谐振频率,提高俘能效率,增强环境适应能力;在压电俘能器基础上耦合电磁俘能,可以忽略电磁负载对压电振子谐振频率的影响;压电部分的耦合强度决定复合俘能在输出功率和俘能效率方面的优势;在激振频率低于100Hz的条件下,感应线圈的电感可以忽略不计;在线圈内径一定的情况下,增加线圈高度、减小线圈外径可有效提高电磁机电耦合系数;磁铁中心距足够小且激励加速度足够大时,俘能器可表现出硬弹簧特性,正向扫频时具有宽频特性;实验中匹配负载电阻时,先匹配压电负载,再匹配电磁负载。环境中有些振动能具有两个或多个离散的振动频率,而单自由度俘能器谐振频率单一,无法高效地收集此类振动能;微型振动俘能器谐振频率高,调频范围有限,在低频环境下俘能效率不高。鉴于此,本文提出了一种单梁弹簧式和一种双梁式多频压电电磁复合俘能器,分别建立了两种多频复合俘能器的机电耦合数学模型,分析了负载电阻、质量比、固有频率比、机械阻尼比和磁铁中心距对俘能器动力学特性和发电特性的影响规律,研制了相关的实验样机,并通过实验验证了数学模型的正确性。研究表明,磁力耦合多频响应结构可有效收集具有两种离散频率的振动能,有助于提高俘能器在低频环境中的发电性能;改变磁铁中心距可调节俘能器的谐振频率,提高系统的输出功率,增强环境适应能力;压电电磁复合俘能机制有助于提高俘能器的输出功率,拓宽俘能频带宽度。单梁弹簧式多频复合俘能器适用于收集以低频为主的多频振动能,前两个谐振频率均高于相应的单频俘能器的谐振频率;减小磁铁中心距有助于提高俘能器在低频段的输出功率;在4m/s2激励加速度下,该俘能器主要表现为线性行为。双梁式多频复合俘能器适用于收集以高频为主的多频振动能,前两阶谐振频率均低于相应的单频俘能器的谐振频率;低频磁振子用于电磁俘能可提高俘能器的峰值输出功率,压电振子用于压电俘能基础上耦合电磁俘能并不绝对增加峰值输出功率;磁振子的悬臂梁长度主要影响复合俘能器的第一个谐振频率和第一个峰值输出功率;在4m/s2激励加速度下,复合俘能器第一个谐振频率处表现为硬弹簧特性,第二个谐振频率处表现为软弹簧特性,扫频时具有宽频特性。