摩擦式能量采集器和電磁式能量采集器因其各自的材料優(yōu)勢和輸出特點(diǎn)在振動(dòng)機械能采集方面具有廣泛的應用。然而生活中的振動(dòng)多具有隨機無(wú)序、方向多變的特點(diǎn)，采集某一特定方向的機械能會(huì )使器件沿其他方向振動(dòng)時(shí)效率大大降低，因此，開(kāi)發(fā)一款可有效采集多個(gè)方向振動(dòng)機械能的能量采集器在建立自供能系統方面具有重要意義。

 

近日，北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院微納電子學(xué)研究院張海霞教授課題組提出了一種可采集平面內任意方向振動(dòng)機械能的電磁摩擦復合式能量采集器。相關(guān)研究成果以“Hybrid generator based on freestanding magnet as all-direction in-plane energy harvester and vibration sensor”為題，發(fā)表于納米科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域重要期刊Nano Energy上，博士研究生陳學(xué)先為論文第一作者。該復合式能量采集器采用彈簧固定的懸浮磁體作為滑塊，并利用FPCB工藝制作了薄膜式具有八瓣結構的摩擦發(fā)電機電極和電磁線(xiàn)圈，其中任意相對的兩個(gè)電極構成一個(gè)freestanding結構的摩擦發(fā)電機，因此使器件沿任意方向滑動(dòng)時(shí)均可同時(shí)產(chǎn)生電磁和摩擦信號輸出，提高機械能利用效率。此外，彈簧和磁體構成面內諧振系統，使器件在10Hz的低頻振動(dòng)范圍內均可有效的產(chǎn)生電信號輸出。得益于電磁發(fā)電機輸出電流大和摩擦發(fā)電機輸出電壓高的特點(diǎn)，在復合充電條件下，器件可在200s內快速將20μF電容充電至7V。通過(guò)將器件固定到人體小腿或者自行車(chē)車(chē)輪上，該復合式能量采集器可有效采集人體跑步時(shí)或自行車(chē)剎車(chē)時(shí)機械能并點(diǎn)亮40個(gè)LED，因此可作為自供能夜跑燈或自行車(chē)剎車(chē)燈的能量采集裝置。此外，通過(guò)對4個(gè)freestanding結構摩擦發(fā)電機上的輸出信號的進(jìn)一步分析，器件還可做為主動(dòng)式方向傳感器，對正弦式或脈沖式振動(dòng)的方向進(jìn)行識別，在環(huán)境監測、自驅動(dòng)傳感系統和人機交互等領(lǐng)域有廣泛的應用前景。

 

圖一：電磁摩擦復合發(fā)電機結構概覽

 

(a) 器件結構示意圖；

 

(b) 滑塊內部結構示意圖；

 

(c) 摩擦發(fā)電機八瓣電極結構；

 

(d) 器件結構照片；

 

(e) 器件內部結構照片。

 

圖二：復合發(fā)電機工作原理及仿真分析

 

(a) 器件工作原理；

 

(b,c)器件沿11’方向和11’、44’之間方向滑動(dòng)時(shí)摩擦電極上仿真電勢分布；

 

(d,e)器件沿11’方向和11’、44’之間方向滑動(dòng)時(shí)四個(gè)freestanding結構摩擦發(fā)電機的輸出；

 

(f)電磁發(fā)電機的仿真磁場(chǎng)強度分布；

 

(g)當磁體從器件一端滑向另一端時(shí)電磁線(xiàn)圈中的磁通量變化。

 

圖三：復合發(fā)電機在正弦信號激勵下的輸出性能

 

(a) 正弦信號激勵下滑塊運動(dòng)示意圖；

 

(b,c) E11’摩擦發(fā)電機在正弦信號激勵下的電壓和電流輸出；

 

(d-g) 四個(gè)摩擦發(fā)電機在器件沿四個(gè)方向振動(dòng)時(shí)的輸出對比；

 

(h,i) 電磁發(fā)電機在在正弦信號激勵下的電壓和電流輸出；

 

(j) 電磁發(fā)電機在器件沿四個(gè)方向振動(dòng)時(shí)的輸出對比。

 

圖四：復合式發(fā)電機的輸出功率及充電能力

 

（a-b） 摩擦發(fā)電部分和電磁發(fā)電部分在不同負載下的輸出功率；

 

（c-d） 復合發(fā)電機為電容充電時(shí)的電路框圖和充電曲線(xiàn)。

 

圖五：復合式發(fā)電機對脈沖振動(dòng)信號的方向識別

 

（a）脈沖振動(dòng)下滑塊的運動(dòng)示意圖；

 

（b）11’方向的脈沖振動(dòng)下E11’電極的輸出信號；

 

(c-f)器件沿8個(gè)方向振動(dòng)時(shí)四個(gè)摩擦發(fā)電機的輸出信號；

 

(g,h)差值法對振動(dòng)方向進(jìn)行判斷。

 

圖六：復合式發(fā)電機作為自驅動(dòng)振動(dòng)方向傳感器和能量采集器的應用展示

 

（a-b）利用器件作為振動(dòng)方向傳感器實(shí)現打地鼠游戲；

 

（c-f）當腳向8個(gè)方向移動(dòng)時(shí)器件摩擦部分的電壓輸出信號；

 

(h，i)將器件固定到人體小腿采集跑步機械能；

 

(j)將器件固定到自行車(chē)車(chē)輪實(shí)現自驅動(dòng)剎車(chē)燈。

 

針對生活中的機械能隨機無(wú)序、方向多變的特點(diǎn)，利用彈簧和磁體構成諧振系統實(shí)現了可采集平面內任意方向振動(dòng)機械能的電磁摩擦復合式能量采集器，通過(guò)合理的結構設計使器件的諧振頻率降低，時(shí)器件在低振動(dòng)頻率下有效進(jìn)行能量轉換，結合電磁發(fā)電極輸出電流大和摩擦發(fā)電機輸出電壓高的特點(diǎn)，使器件的充電能力大大提升。此外，得益于摩擦發(fā)電部分特殊的電極結構設計，器件可對8個(gè)方向的脈沖振動(dòng)進(jìn)行識別，因此可作為自驅動(dòng)振動(dòng)方向傳感器，展現了在環(huán)境監測、自驅動(dòng)傳感系統、人機交互等領(lǐng)域巨大的應用潛力。

 

 

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