基于平面内任意方向振动机械能的电磁摩擦复合式发电机

近日，北京大学信息科学技术学院微纳电子学研究院张海霞教授课题组提出了一种可采集平面内任意方向振动机械能的电磁摩擦复合式能量采集器。相关研究成果以“Hybrid generator based on freestanding magnet as all-direction in-plane energy harvester and vibration sensor”为题，发表于纳米科学技术领域重要期刊Nano Energy上，博士研究生陈学先为论文第一作者。该复合式能量采集器采用弹簧固定的悬浮磁体作为滑块，并利用FPCB工艺制作了薄膜式具有八瓣结构的摩擦发电机电极和电磁线圈，其中任意相对的两个电极构成一个freestanding结构的摩擦发电机，因此使器件沿任意方向滑动时均可同时产生电磁和摩擦信号输出，提高机械能利用效率。此外，弹簧和磁体构成面内谐振系统，使器件在10Hz的低频振动范围内均可有效的产生电信号输出。得益于电磁发电机输出电流大和摩擦发电机输出电压高的特点，在复合充电条件下，器件可在200s内快速将20μF电容充电至7V。通过将器件固定到人体小腿或者自行车车轮上，该复合式能量采集器可有效采集人体跑步时或自行车刹车时机械能并点亮40个LED，因此可作为自供能夜跑灯或自行车刹车灯的能量采集装置。此外，通过对4个freestanding结构摩擦发电机上的输出信号的进一步分析，器件还可做为主动式方向传感器，对正弦式或脉冲式振动的方向进行识别，在环境监测、自驱动传感系统和人机交互等领域有广泛的应用前景。




图一：电磁摩擦复合发电机结构概览


(a) 器件结构示意图；

(b) 滑块内部结构示意图；

(c) 摩擦发电机八瓣电极结构；

(d) 器件结构照片；

(e) 器件内部结构照片。




图二：复合发电机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’之间方向滑动时摩擦电极上仿真电势分布；

(d，e)器件沿11’方向和11’、44’之间方向滑动时四个freestanding结构摩擦发电机的输出；

(f)电磁发电机的仿真磁场强度分布；

(g)当磁体从器件一端滑向另一端时电磁线圈中的磁通量变化。




图三：复合发电机在正弦信号激励下的输出性能


(a) 正弦信号激励下滑块运动示意图；

(b，c) E11’摩擦发电机在正弦信号激励下的电压和电流输出；

(d-g) 四个摩擦发电机在器件沿四个方向振动时的输出对比；

(h，i) 电磁发电机在在正弦信号激励下的电压和电流输出；

(j) 电磁发电机在器件沿四个方向振动时的输出对比。

图四：复合式发电机的输出功率及充电能力


（a-b） 摩擦发电部分和电磁发电部分在不同负载下的输出功率；

（c-d） 复合发电机为电容充电时的电路框图和充电曲线。




图五：复合式发电机对脉冲振动信号的方向识别


（a）脉冲振动下滑块的运动示意图；

（b）11’方向的脉冲振动下E11’电极的输出信号；

(c-f)器件沿8个方向振动时四个摩擦发电机的输出信号；

(g，h)差值法对振动方向进行判断。




图六：复合式发电机作为自驱动振动方向传感器和能量采集器的应用展示


（a-b）利用器件作为振动方向传感器实现打地鼠游戏；

（c-f）当脚向8个方向移动时器件摩擦部分的电压输出信号；

(h，i)将器件固定到人体小腿采集跑步机械能；

(j)将器件固定到自行车车轮实现自驱动刹车灯。

针对生活中的机械能随机无序、方向多变的特点，利用弹簧和磁体构成谐振系统实现了可采集平面内任意方向振动机械能的电磁摩擦复合式能量采集器，通过合理的结构设计使器件的谐振频率降低，时器件在低振动频率下有效进行能量转换，结合电磁发电极输出电流大和摩擦发电机输出电压高的特点，使器件的充电能力大大提升。此外，得益于摩擦发电部分特殊的电极结构设计，器件可对8个方向的脉冲振动进行识别，因此可作为自驱动振动方向传感器，展现了在环境监测、自驱动传感系统、人机交互等领域巨大的应用潜力。