This paper proposes the theoretical model and experimental investigations of a broadband piezoelectric based vibration energy harvester with a triple-well potential induced by a magnetic field. The mathematical model is derived from the energy method to describe the response characteristics of nonlinear tristable energy generators. The parameters of the linear energy harvesting system without magnetic force actuation are obtained through intelligent optimization of the minimum error between numerical simulations and experimental responses. The equivalent nonlinear restoring force of the tristable oscillator is experimentally identified as a high order polynomial. Numerical simulations and experiments are performed at different harmonic excitation levels ranging from 1 to 20 Hz. The results verify that the identified electromechanical model can describe the dynamic characteristics of broadband tristable energy harvesters. Furthermore, in comparison to bistable nonlinear energy oscillators with deeper potential well, the tristable arrangement passes easily through potential wells for generating higher energy output over a wider range of frequency.

We investigate a magnetically coupled nonlinear piezoelectric energy harvester by altering the angular orientation of its external magnets for enhanced broadband frequency response. Electromechanical equations describing the nonlinear dynamic behavior include an experimentally identified polynomial for the transverse magnetic force that depends on magnet angle. Up- and down-sweep harmonic excitation tests are performed at constant acceleration over the range of 0–25 Hz. Very good agreement is observed between the numerical and experimental open-circuit voltage output frequency response curves. The nonlinear energy harvester proposed in this work can cover the broad low-frequency range of 4–22 Hz by changing the magnet orientation.

Abstract Flexure-based compliant mechanisms are becoming increasingly promising in precision engineering, robotics, and other applications due to the excellent advantages of no friction, no backlash, no wear, and minimal requirement of assembly. Because compliant mechanisms have inherent coupling of kinematic-mechanical behaviors with large deflections and/or complex serial-parallel configurations, the kinetostatic and dynamic analyses are challenging in comparison to their rigid-body counterparts. To address these challenges, a variety of techniques have been reported in a growing stream of publications. This paper surveys and compares the conceptual ideas, key advances, and applicable scopes, and open problems of the state-of-the-art kinetostatic and dynamic modeling methods for compliant mechanisms in terms of small and large deflections. Future challenges are discussed and new opportunities for extended study are highlighted as well. The presented review provides a guide on how to select suitable modeling approaches for those engaged in the field of compliant mechanisms.

Numerical and experimental investigation into the influence of potential well depth on tristable energy harvesting performance is provided. The potential well depth depending on the polynomial coefficients of nonlinear restoring force is analyzed along with its effect on the numerical energy harvesting performance. Experiment results reveal that the geometry parameters of the multi-stable configuration can alter the potential function of tristable energy harvesters. Moreover, the shallower potential well depth will enhance the broadband performance and the capability of harvesting energy from low frequency ambient vibration.