新型电磁摩擦复合能量采集器实现多方向振动能量高效采集

在振动能量收集领域，摩擦式和电磁式能量采集器凭借各自的材料优势和输出特性，应用广泛。安徽皖南电机但生活中振动往往呈现出随机无序、方向多变的特点，导致单一方向的能量采集效率降低。因此，开发一种能够高效采集多方向振动能量的能量采集器，对于构建自供能系统具有重要意义。

近期，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团队提出了一种新型电磁摩擦复合式能量采集器，可采集平面内任意方向的振动能量。该研究以“基于自由站立磁阵列的平面内全向能量收集器和振动传感器”为题，发表在《纳米能源》期刊上，博士研究生陈学先为第一作者。该复合式能量采集器采用弹簧固定的悬浮磁体作为滑块，利用FPCB工艺制作了八瓣结构的薄膜式摩擦发电机电极和电磁线圈。任意相对的两个电极构成一个自由站立结构的摩擦发电机，使器件沿任意方向滑动时均能产生电磁和摩擦信号输出，提高机械能利用效率。弹簧和磁体构成的谐振系统，使器件在10Hz的低频振动范围内均能有效产生电信号输出。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200秒内快速将20μF电容充电至7V。将器件固定于人体小腿或自行车车轮，可高效采集人体跑步或自行车刹车时的机械能，点亮40个LED，适用于自供能夜跑灯或自行车刹车灯。皖南电机此外，通过分析四个自由站立结构摩擦发电机的输出信号，器件可作为主动式方向传感器，识别正弦式或脉冲式振动的方向，在环境监测、自驱动传感系统和人机交互等领域具有广阔应用前景。

图一展示了电磁摩擦复合发电机的结构概览，包括器件结构示意图、滑块内部结构示意图、摩擦发电机八瓣电极结构、器件结构照片和器件内部结构照片。

图二展示了复合发电机的工作原理及仿真分析，包括器件工作原理、沿不同方向滑动时摩擦电极上的仿真电势分布、四个自由站立结构摩擦发电机的输出、电磁发电机的仿真磁场强度分布和磁体滑移时电磁线圈中的磁通量变化。皖南电机

图三展示了复合发电机在正弦信号激励下的输出性能，包括正弦信号激励下滑块运动示意图、E11’摩擦发电机在正弦信号激励下的电压和电流输出、四个摩擦发电机在器件沿四个方向振动时的输出对比、电磁发电机在正弦信号激励下的电压和电流输出以及在器件沿四个方向振动时的输出对比。

图四展示了复合式发电机的输出功率及充电能力，包括摩擦发电部分和电磁发电部分在不同负载下的输出功率以及复合发电机为电容充电时的电路框图和充电曲线。

图五展示了复合式发电机对脉冲振动信号的方向识别，包括脉冲振动下滑块的运动示意图、11’方向的脉冲振动下E11’电极的输出信号、器件沿八个方向振动时四个摩擦发电机的输出信号以及差值法对振动方向进行判断。安徽皖南电机

图六展示了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，包括利用器件作为振动方向传感器实现打地鼠游戏、当脚向八个方向移动时器件摩擦部分的电压输出信号、将器件固定到人体小腿采集跑步机械能以及将器件固定到自行车车轮实现自驱动刹车灯。

针对生活中机械能随机无序、方向多变的特点，该复合式能量采集器通过弹簧和磁体构成的谐振系统实现平面内任意方向振动能量的采集。合理的结构设计使器件的谐振频率降低，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极输出电压高的特点，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，器件可对八个方向的脉冲振动进行识别，可作为自驱动振动方向传感器，在环境监测、自驱动传感系统、人机交互等领域具有巨大应用潜力。