振動(dòng)能量廣泛分布在我們周圍的環(huán)境中,比如人體運(yùn)動(dòng)、機(jī)器振動(dòng)、微風(fēng)吹動(dòng)、水紋波動(dòng)、聲音振動(dòng)等,收集環(huán)境中的振動(dòng)能量對(duì)未來電子器件的自驅(qū)動(dòng)化具有十分重要的意義。闡述了電磁、壓電、摩擦電三種微納振動(dòng)能量收集器的工作機(jī)理和最新研究進(jìn)展。對(duì)三種微納振動(dòng)能量收集器的特點(diǎn)和面臨的挑戰(zhàn)做出了歸納與概括。最后,對(duì)微納振動(dòng)能量收集器的發(fā)展趨勢(shì)做出了展望。 

【文章來源】：機(jī)械工程學(xué)報(bào). 2020,56(13)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：15 頁

【部分圖文】：

基于諧振式的電磁振動(dòng)能量收集器

電磁振動(dòng)能量收集器在收集由列車引起的軌道偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生的振動(dòng)能量中有很大的應(yīng)用前景。但用于鐵路的告警信號(hào)器、無線通信器、軌道開關(guān)、軌道健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等都需要較大的功率。LIN設(shè)計(jì)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)整流式電磁振動(dòng)能量收集器較好地解決了此問題，如圖1c所示[22]。該收集器在1 Hz的振動(dòng)頻率下，可以產(chǎn)生28 W的峰值功率�；趧�(dòng)線圈式的電磁振動(dòng)能量收集器，在醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域也有很重要的應(yīng)用。2019年由THOLL設(shè)計(jì)的基于心內(nèi)徑流的心臟起搏電磁振動(dòng)能量收集器可以較好地解決目前心臟起搏器供電問題。圖1d所示是它的整體結(jié)構(gòu)圖以及部分結(jié)構(gòu)剖面圖[23]。通過采用雙穩(wěn)態(tài)機(jī)制，可將心臟的低收縮頻率(1～3 Hz)轉(zhuǎn)換為更高頻率的振動(dòng)(260 Hz)。該收集器重6.4 g，體積為2 cm3，在1 m/s峰值流速的臺(tái)架試驗(yàn)中，在60 bpm(1 Hz)激勵(lì)下可以產(chǎn)生(14.39±8.38μW)的平均功率，在200 bpm(3.33 Hz)激勵(lì)下產(chǎn)生高達(dá)(82.64±17.14μW)的平均功率。其在無電池和無引線心臟起搏器中具有重要的應(yīng)用前景。2001年，英國(guó)謝菲爾德大學(xué)的WILLIAM研究小組為動(dòng)鐵式電磁振動(dòng)能量收集器建立了一個(gè)通用的幾何模型[24]，如圖2a所示。該模型的特點(diǎn)是，線圈不運(yùn)動(dòng)，磁鐵相對(duì)于線圈運(yùn)動(dòng)。該收集器可以在4 MHz的激勵(lì)下產(chǎn)生0.3 pW的功率。基于此幾何模型，ZHANG等于2019年設(shè)計(jì)出滾動(dòng)磁鐵高效電磁振動(dòng)能量收集器[25]，如圖2b所示。采用滾動(dòng)磁鐵的方式切割磁通量，與使用滑動(dòng)磁鐵相比，可以顯著提高切割線圈時(shí)的磁通量。并且引入摩擦效應(yīng)以提高能量收集性能，輸出平均功率進(jìn)一步增加了50%。在以3.1 Hz的頻率進(jìn)行手抖動(dòng)的試驗(yàn)中，該收集器可以產(chǎn)生1.02 mW的平均功率。在正常騎車速度下，可以獲得0.22 mW的平均功率，遠(yuǎn)大于垂直切割收集器(僅能產(chǎn)生0.05 m W功率)。這表明了滾動(dòng)磁鐵高效電磁振動(dòng)能量收集器在集成自供電可穿戴傳感器的潛在應(yīng)用。

2001年，英國(guó)謝菲爾德大學(xué)的WILLIAM研究小組為動(dòng)鐵式電磁振動(dòng)能量收集器建立了一個(gè)通用的幾何模型[24]，如圖2a所示。該模型的特點(diǎn)是，線圈不運(yùn)動(dòng)，磁鐵相對(duì)于線圈運(yùn)動(dòng)。該收集器可以在4 MHz的激勵(lì)下產(chǎn)生0.3 pW的功率�；诖藥缀文Ｐ�，ZHANG等于2019年設(shè)計(jì)出滾動(dòng)磁鐵高效電磁振動(dòng)能量收集器[25]，如圖2b所示。采用滾動(dòng)磁鐵的方式切割磁通量，與使用滑動(dòng)磁鐵相比，可以顯著提高切割線圈時(shí)的磁通量。并且引入摩擦效應(yīng)以提高能量收集性能，輸出平均功率進(jìn)一步增加了50%。在以3.1 Hz的頻率進(jìn)行手抖動(dòng)的試驗(yàn)中，該收集器可以產(chǎn)生1.02 mW的平均功率。在正常騎車速度下，可以獲得0.22 mW的平均功率，遠(yuǎn)大于垂直切割收集器(僅能產(chǎn)生0.05 m W功率)。這表明了滾動(dòng)磁鐵高效電磁振動(dòng)能量收集器在集成自供電可穿戴傳感器的潛在應(yīng)用。如何有效收集低頻下的振動(dòng)能量，是目前電磁振動(dòng)能量收集器所面臨的問題。FAN等設(shè)計(jì)出的基于扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的電磁振動(dòng)能量收集器可以較好地收集低頻下的振動(dòng)能量[26]，如圖2c所示。此收集器是基于拉弦轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)振動(dòng)能量的收集，拉弦轉(zhuǎn)子的使用，使得軸或軸承結(jié)構(gòu)成為旋轉(zhuǎn)能量收集器中可有可無的組件，使得它的設(shè)計(jì)具有更簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和更低的能量損失。該收集器可以在1.5～2.5 Hz的頻率下產(chǎn)生0.1～0.15 V的電壓以及0.08～0.125m W的功率�；谂まD(zhuǎn)振動(dòng)的電磁振動(dòng)能量收集器還可以擴(kuò)展到具有類似轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的壓電和摩擦電振動(dòng)能量收集器中。CHAE等[27]提出了一種電磁振動(dòng)能量收集器，如圖2d所示。此收集器采用鐵磁流體潤(rùn)滑，可在12 Hz以及3 g振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的最大開路電壓為0.47 V，比沒有潤(rùn)滑劑的裝置高8%。除此之外，采用鐵磁流體潤(rùn)滑，可在負(fù)載電阻為40.8?時(shí)，產(chǎn)生71.26μW的峰值功率。為了從振動(dòng)源中提取最大的能量，ARUN等[28]設(shè)計(jì)出多磁鐵振動(dòng)能量收集器，如圖2e所示。該電磁振動(dòng)能量收集器的輸出取決于磁體相對(duì)于線圈的相對(duì)位移、磁體的磁通量密度以及振動(dòng)周期的頻率。在收集器的固有頻率下可獲得最大幅度，通過保持磁鐵相對(duì)于線圈的適當(dāng)相對(duì)位置可增強(qiáng)裝置的總輸出。此收集器可以在最大相對(duì)位置處及14 Hz的振動(dòng)頻率下產(chǎn)生11.44 mW的功率。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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本文編號(hào)：3270409