北大Nano Energy新文章：採集平面內任意方向振動機械能的電磁摩擦複合式發電機

【引言】振動是生活中常見的一種機械運動形式，包括樹枝晃動、橋樑振動、海浪運動等，它蘊含著豐富的機械能可以轉化為電能輸出，為廣泛分布的小型電子設備或感測器供電。摩擦式能量採集器和電磁式能量採集器因其各自的材料優勢和輸出特點在振動機械能採集方面具有廣泛的應用。然而生活中的振動多具有隨機無序、方向多變的特點，採集某一特定方向的機械能會使器件沿其他方向振動時效率大大降低，因此，開發一款可有效採集多個方向振動機械能的能量採集器在建立自供能系統方面具有重要意義。

【成果簡介】近日，北京大學信息科學技術學院微納電子學研究院張海霞教授課題組提出了一種可採集平面內任意方向振動機械能的電磁摩擦複合式能量採集器。相關研究成果以「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。該複合式能量採集器採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結構的摩擦發電機，因此使器件沿任意方向滑動時均可同時產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的低頻振動範圍內均可有效的產生電信號輸出。得益於電磁發電機輸出電流大和摩擦發電機輸出電壓高的特點，在複合充電條件下，器件可在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，該複合式能量採集器可有效採集人體跑步時或自行車剎車時機械能並點亮40個LED，因此可作為自供能夜跑燈或自行車剎車燈的能量採集裝置。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感測器，對正弦式或脈衝式振動的方向進行識別，在環境監測、自驅動感測系統和人機交互等領域有廣泛的應用前景。

【圖文導讀】

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模擬分析

(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模擬電勢分布；

(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)電磁發電機的模擬磁場強度分布；

(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感測器和能量採集器的應用展示

（a-b）利用器件作為振動方向感測器實現打地鼠遊戲；

（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採集跑步機械能；

(j)將器件固定到自行車車輪實現自驅動剎車燈。

【小結】針對生活中的機械能隨機無序、方向多變的特點，利用彈簧和磁體構成諧振系統實現了可採集平面內任意方向振動機械能的電磁摩擦複合式能量採集器，通過合理的結構設計使器件的諧振頻率降低，時器件在低振動頻率下有效進行能量轉換，結合電磁發電極輸出電流大和摩擦發電機輸出電壓高的特點，使器件的充電能力大大提升。此外，得益於摩擦發電部分特殊的電極結構設計，器件可對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感測器，展現了在環境監測、自驅動感測系統、人機交互等領域巨大的應用潛力。

【文章鏈接】：Hybrid generator based on freestanding magnet as all-direction in-plane energy harvester and vibration sensor. (Nano Energy). DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.04.024

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285518302519

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