摩(mo)擦(ca)式(shi)能(neng)量(liang)采(cai)集(ji)器(qi)和(he)電(dian)磁(ci)式(shi)能(neng)量(liang)采(cai)集(ji)器(qi)因(yin)其(qi)各(ge)自(zi)的(de)材(cai)料(liao)優(you)勢(shi)和(he)輸(shu)出(chu)特(te)點(dian)在(zai)振(zhen)動(dong)機(ji)械(xie)能(neng)采(cai)集(ji)方(fang)麵(mian)具(ju)有(you)廣(guang)泛(fan)的(de)應(ying)用(yong)。然(ran)而(er)生(sheng)活(huo)中(zhong)的(de)振(zhen)動(dong)多(duo)具(ju)有(you)隨(sui)機(ji)無(wu)序(xu)

、方(fang)向(xiang)多(duo)變(bian)的(de)特(te)點(dian)

，采(cai)集(ji)某(mou)一(yi)特(te)定(ding)方(fang)向(xiang)的(de)機(ji)械(xie)能(neng)會(hui)使(shi)器(qi)件(jian)沿(yan)其(qi)他(ta)方(fang)向(xiang)振(zhen)動(dong)時(shi)效(xiao)率(lv)大(da)大(da)降(jiang)低(di)
，因(yin)此(ci)，開(kai)發(fa)一(yi)款(kuan)可(ke)有(you)效(xiao)采(cai)集(ji)多(duo)個(ge)方(fang)向(xiang)振(zhen)動(dong)機(ji)械(xie)能(neng)的(de)能(neng)量(liang)采(cai)集(ji)器(qi)在(zai)建(jian)立(li)自(zi)供(gong)能(neng)係(xi)統(tong)方(fang)麵(mian)具(ju)有(you)重(zhong)要(yao)意(yi)義(yi)。

 

近(jin)日(ri)，北(bei)京(jing)大(da)學(xue)信(xin)息(xi)科(ke)學(xue)技(ji)術(shu)學(xue)院(yuan)微(wei)納(na)電(dian)子(zi)學(xue)研(yan)究(jiu)院(yuan)張(zhang)海(hai)霞(xia)教(jiao)授(shou)課(ke)題(ti)組(zu)提(ti)出(chu)了(le)一(yi)種(zhong)可(ke)采(cai)集(ji)平(ping)麵(mian)內(nei)任(ren)意(yi)方(fang)向(xiang)振(zhen)動(dong)機(ji)械(xie)能(neng)的(de)電(dian)磁(ci)摩(mo)擦(ca)複(fu)合(he)式(shi)能(neng)量(liang)采(cai)集(ji)器(qi)。相(xiang)關(guan)研(yan)究(jiu)成(cheng)果(guo)以(yi)“Hybrid generator based on freestanding magnet as all-direction in-plane energy harvester and vibration sensor”為題，發表於納米科學技術領域重要期刊Nano Energy上
，博士研究生陳學先為論文第一作者。該複合式能量采集器采用彈簧固定的懸浮磁體作為滑塊，並利用FPCB工藝製作了薄膜式具有八瓣結構的摩擦發電機電極和電磁線圈，其中任意相對的兩個電極構成一個freestanding結jie構gou的de摩mo擦ca發fa電dian機ji，因yin此ci使shi器qi件jian沿yan任ren意yi方fang向xiang滑hua動dong時shi均jun可ke同tong時shi產chan生sheng電dian磁ci和he摩mo擦ca信xin號hao輸shu出chu，提ti高gao機ji械xie能neng利li用yong效xiao率lv。此ci外wai
，彈dan簧huang和he磁ci體ti構gou成cheng麵mian內nei諧xie振zhen係xi統tong，使shi器qi件jian在zai10Hz的(de)低(di)頻(pin)振(zhen)動(dong)範(fan)圍(wei)內(nei)均(jun)可(ke)有(you)效(xiao)的(de)產(chan)生(sheng)電(dian)信(xin)號(hao)輸(shu)出(chu)。得(de)益(yi)於(yu)電(dian)磁(ci)發(fa)電(dian)機(ji)輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)大(da)和(he)摩(mo)擦(ca)發(fa)電(dian)機(ji)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)高(gao)的(de)特(te)點(dian)，在(zai)複(fu)合(he)充(chong)電(dian)條(tiao)件(jian)下(xia)
，器(qi)件(jian)可(ke)在(zai)200s內快速將20μF電容充電至7V。通過將器件固定到人體小腿或者自行車車輪上，該複合式能量采集器可有效采集人體跑步時或自行車刹車時機械能並點亮40個LED，因此可作為自供能夜跑燈或自行車刹車燈的能量采集裝置。此外，通過對4個freestanding結構摩擦發電機上的輸出信號的進一步分析，器件還可做為主動式方向傳感器，對正弦式或脈衝式振動的方向進行識別，在環境監測
、自驅動傳感係統和人機交互等領域有廣泛的應用前景。

 

圖一：電磁摩擦複合發電機結構概覽

 

(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：複合發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’之間方向滑動時摩擦電極上仿真電勢分布；

 

(d,e)器件沿11’方向和11’
、44’之間方向滑動時四個freestanding結構摩擦發電機的輸出；

 

(f)電磁發電機的仿真磁場強度分布
；

 

(g)當磁體從器件一端滑向另一端時電磁線圈中的磁通量變化。

 

圖三：複合發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示意圖；

 

(b,c) E11’摩擦發電機在正弦信號激勵下的電壓和電流輸出
；

 

(d-g) 四個摩擦發電機在器件沿四個方向振動時的輸出對比
；

 

(h,i) 電磁發電機在在正弦信號激勵下的電壓和電流輸出；

 

(j) 電磁發電機在器件沿四個方向振動時的輸出對比。

 

圖四：複合式發電機的輸出功率及充電能力

 

（a-b） 摩擦發電部分和電磁發電部分在不同負載下的輸出功率
；

 

（c-d） 複合發電機為電容充電時的電路框圖和充電曲線。

 

圖五：複合式發電機對脈衝振動信號的方向識別

 

（a）脈衝振動下滑塊的運動示意圖；

 

（b）11’方向的脈衝振動下E11’電極的輸出信號；

 

(c-f)器件沿8個方向振動時四個摩擦發電機的輸出信號；

 

(g,h)差值法對振動方向進行判斷。

 

圖六：複合式發電機作為自驅動振動方向傳感器和能量采集器的應用展示

 

（a-b）利用器件作為振動方向傳感器實現打地鼠遊戲
；

 

（c-f）當腳向8個方向移動時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車輪實現自驅動刹車燈。

 

針對生活中的機械能隨機無序
、方(fang)向(xiang)多(duo)變(bian)的(de)特(te)點(dian)，利(li)用(yong)彈(dan)簧(huang)和(he)磁(ci)體(ti)構(gou)成(cheng)諧(xie)振(zhen)係(xi)統(tong)實(shi)現(xian)了(le)可(ke)采(cai)集(ji)平(ping)麵(mian)內(nei)任(ren)意(yi)方(fang)向(xiang)振(zhen)動(dong)機(ji)械(xie)能(neng)的(de)電(dian)磁(ci)摩(mo)擦(ca)複(fu)合(he)式(shi)能(neng)量(liang)采(cai)集(ji)器(qi)
，通(tong)過(guo)合(he)理(li)的(de)結(jie)構(gou)設(she)計(ji)使(shi)器(qi)件(jian)的(de)諧(xie)振(zhen)頻(pin)率(lv)降(jiang)低(di)，時(shi)器(qi)件(jian)在(zai)低(di)振(zhen)動(dong)頻(pin)率(lv)下(xia)有(you)效(xiao)進(jin)行(xing)能(neng)量(liang)轉(zhuan)換(huan)，結(jie)合(he)電(dian)磁(ci)發(fa)電(dian)極(ji)輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)大(da)和(he)摩(mo)擦(ca)發(fa)電(dian)機(ji)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)高(gao)的(de)特(te)點(dian)，使(shi)器(qi)件(jian)的(de)充(chong)電(dian)能(neng)力(li)大(da)大(da)提(ti)升(sheng)。此(ci)外(wai)，得(de)益(yi)於(yu)摩(mo)擦(ca)發(fa)電(dian)部(bu)分(fen)特(te)殊(shu)的(de)電(dian)極(ji)結(jie)構(gou)設(she)計(ji)
，器(qi)件(jian)可(ke)對(dui)8個方向的脈衝振動進行識別，因此可作為自驅動振動方向傳感器，展現了在環境監測、自驅動傳感係統、人機交互等領域巨大的應用潛力。

 

 

推薦閱讀：