毛新輝 張繼元 齊 歡 邱長泉 申維和 田建國* 汪 飛?, 陶 凱,3)

* (西北工業(yè)大學(xué)深圳研究院,廣東深圳 518063)

? (西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院,西安 710072)

** (中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院,北京宇航系統(tǒng)工程研究所,北京 100076)

?? (中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院,空間物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100076)

*** (上海航天控制技術(shù)研究所,上海 201109)

??? (南方科技大學(xué)深港微電子學(xué)院,廣東深圳 518055)

引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和可穿戴電子設(shè)備的快速發(fā)展,數(shù)十億小型化、便攜化、分布式傳感器對電力供應(yīng)的巨大需求隨之而來[1-3].低功耗微電子技術(shù)進(jìn)一步使可穿戴電子設(shè)備向著小型化、便捷化和集成化方向發(fā)展[4-7].然而,可穿戴電子設(shè)備主要依靠傳統(tǒng)的鋰電池和化學(xué)電池供電,存在能量密度有限、充電不規(guī)律、更換頻繁、集成難度大和環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)高等種種缺陷[8-9].由于人體含有多種可持續(xù)的、可再生的生物力學(xué)能量,從人體及其周圍環(huán)境中獲取能量為可穿戴電子設(shè)備供電被廣泛認(rèn)為是替代傳統(tǒng)電池的理想解決方案[10-12].壓電效應(yīng)[13-15]、電磁感應(yīng)效應(yīng)[16-18]、靜電感應(yīng)效應(yīng)[19-21]和摩擦電效應(yīng)[22-26]等不同機(jī)理的發(fā)電機(jī)在能量收集應(yīng)用中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用.其中,摩擦電發(fā)電機(jī)和靜電發(fā)電機(jī)通常被用于從風(fēng)[27]、水[28]、機(jī)械振動(dòng)[29]和人體運(yùn)動(dòng)[30]中獲取能量,具有成本低[31]、重量輕[32]和低頻運(yùn)動(dòng)下能量轉(zhuǎn)換效率高[33]、材料和結(jié)構(gòu)選擇多樣性[34]等優(yōu)點(diǎn),但因其輸出功率低而在實(shí)際應(yīng)用層面受限;近年來各類壓電俘能器件層出不迭,但是壓電器件也面臨一些難以解決的問題,如壓電陶瓷高頻加載易碎,無法高效地收集微小激勵(lì)下的振動(dòng)能量、輸出功率不高等;電磁感應(yīng)發(fā)電是目前應(yīng)用廣泛且較為成熟的發(fā)電技術(shù),具有高功率輸出,被廣泛應(yīng)用于能量收集領(lǐng)域.

然而,來自周圍環(huán)境和人類的機(jī)械動(dòng)能通常具有低頻和不規(guī)則的特點(diǎn)[35],這極大地限制了其適用條件和能量收集效率的提升[36].最近,研究人員已經(jīng)開發(fā)了許多從低頻和不規(guī)則激勵(lì)中收集能量的方法,包括共振運(yùn)動(dòng)[37]、升級結(jié)構(gòu)[38]和多向能量收集結(jié)構(gòu)[39].郭紀(jì)元等[40]提出一種線繩驅(qū)動(dòng)的電磁式俘能器,俘能器中的繩索結(jié)構(gòu)能夠?qū)⑼饨缯駝?dòng)轉(zhuǎn)化為雙向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),再通過柔性撥片將雙向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)速更高的單向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),一定程度上提升了運(yùn)動(dòng)頻率與輸出功率.鄒鴻翔等[41]提出了一種用于單向車道的抗沖擊車路能量收集減速帶,采用電磁式俘能機(jī)理,包含滾壓板、齒輪組、棘輪、棘爪和永磁體工作盤等結(jié)構(gòu),可以有效吸收車輛的沖擊能量并延長減速帶壽命,有效地將外界沖擊激勵(lì)轉(zhuǎn)化為永磁體工作盤的高速單向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),顯著提升了輸出功率.Zhao 等[42]提出一種機(jī)械智能波浪能俘獲系統(tǒng),耦合了摩擦納米發(fā)電與電磁感應(yīng)發(fā)電,裝置中的重力驅(qū)動(dòng)滾柱和仿蹺蹺板結(jié)構(gòu)對低頻和不規(guī)則激勵(lì)敏感,可以將其雙向擺動(dòng)轉(zhuǎn)換為永磁盤的高速單向旋轉(zhuǎn),提高了機(jī)電轉(zhuǎn)換效率.一些研究人員采用飛輪將沖程轉(zhuǎn)換為持久的旋轉(zhuǎn)[43],但在俘能器的小型化和應(yīng)用方面仍存在一些挑戰(zhàn).因此,迫切需要一種高效可靠的轉(zhuǎn)換系統(tǒng),將低頻、不規(guī)則能量提取并存儲(chǔ),轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能,產(chǎn)生連續(xù)、穩(wěn)定和高效的輸出.

為了進(jìn)一步提升俘能器在外界低頻激勵(lì)下的頻率轉(zhuǎn)換與輸出表現(xiàn),本文提出的俘能器機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由直線-旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化模塊、牙嵌離合模塊和能量存儲(chǔ)/釋放模塊組成.利用3 種模塊的耦合作用,俘能器可以收集低頻、不規(guī)則的能量,并產(chǎn)生連續(xù)、穩(wěn)定和高效的輸出.設(shè)計(jì)兼顧升頻與運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換,通過巧妙且全新的機(jī)械調(diào)制結(jié)構(gòu),將輸入能量較好地與電磁相耦合,實(shí)現(xiàn)了機(jī)電能量耦合輸出,大幅提升了能量轉(zhuǎn)換效率.可從外界低頻不規(guī)則激勵(lì)中收集能量.在應(yīng)用層面,本文提出的俘能器已成功放置于鞋子中,用于人體行走、跑步等不同步態(tài)下的能量收集.本研究為振動(dòng)俘能器在可穿戴設(shè)備中的實(shí)際應(yīng)用提供了一種可行的技術(shù)支持.

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與機(jī)電耦合轉(zhuǎn)換機(jī)理

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

俘能器的整體結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示,包含輸入轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)與輸出轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)兩部分.輸入轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)由螺旋桿、牙嵌離合器、飛輪及復(fù)位彈簧組成.輸出轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)由永磁鐵陣列與上下線圈陣列組成.俘能器的剖視圖如圖1(b)所示,套筒復(fù)位彈簧通過內(nèi)部點(diǎn)狀凸起設(shè)計(jì)與錐形環(huán)一同卡在套筒內(nèi)部,由于錐形環(huán)在豎直方向不會(huì)產(chǎn)生位移,當(dāng)套筒產(chǎn)生向下位移便會(huì)擠壓套筒復(fù)位彈簧,隨后在復(fù)位彈簧的彈力作用下實(shí)現(xiàn)復(fù)位;螺旋桿與軸通過自攻螺釘連接,當(dāng)外力撤去,處于擠壓狀態(tài)下的螺旋桿復(fù)位彈簧的彈力作用使螺旋桿向上位移,自攻螺釘?shù)脑O(shè)計(jì)限制了螺旋桿的最高位置從而保證螺旋桿不會(huì)被復(fù)位彈簧彈出而掉落.

圖1 總體設(shè)計(jì)Fig.1 Overall design

圖1(c)為俘能器爆炸示意圖,俘能器整體自上而下由頂蓋、螺旋桿及其復(fù)位彈簧、套筒及其復(fù)位彈簧、兩層發(fā)電單元(單層永磁體陣列以及兩層銅線圈)、錐形環(huán)、飛輪、滾動(dòng)軸承和底座等零部件組成.整個(gè)結(jié)構(gòu)以軸為中心,軸與軸承間過盈配合,保證了軸與底板間的垂直度.軸承的外環(huán)與飛輪過盈配合,保證了飛輪與底板間的平行度.飛輪外圍有8 個(gè)圓周分布的通孔,用以布置交替磁極.飛輪內(nèi)側(cè)由齒組成,齒數(shù)與牙嵌離合器齒數(shù)相當(dāng),用于傳遞驅(qū)動(dòng)力矩.上下兩組線圈陣列分別由線圈支撐環(huán)及底板外殼容納,線圈與交替磁極處于統(tǒng)一圓周曲面,保證穿過線圈的磁通量為最大值.同時(shí)上下兩組線圈保持統(tǒng)一相位,保證輸出疊加的倍增效應(yīng).

1.2 工作原理

俘能器的運(yùn)動(dòng)原理如圖2 所示: 當(dāng)螺旋桿接收到來自于外界豎直方向的激勵(lì)時(shí)(狀態(tài)Ⅰ),直線-旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化模塊被激活,外力施加于螺旋桿上,螺旋桿受到的外力大于復(fù)位彈簧的彈力,沿軸向向下平移,在螺旋面的摩擦力作用下,套筒旋轉(zhuǎn)向下運(yùn)動(dòng),將線性運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),套筒因旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而具有扭矩;由于此時(shí)套筒受到的軸向力大于套筒復(fù)位彈簧的彈力,此時(shí)牙嵌離合模塊被激活,套筒上的齒形結(jié)構(gòu)與飛輪上的齒形槽嚙合(狀態(tài)Ⅱ),同時(shí)套筒將自身的扭矩傳遞給飛輪,激活能量存儲(chǔ)/釋放模塊,飛輪本身能夠瞬時(shí)存儲(chǔ)能量并將其轉(zhuǎn)化為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(狀態(tài)Ⅲ),當(dāng)施加于螺旋桿上的外力撤去,螺旋桿受到其復(fù)位彈簧的彈力而回升,齒形離合器分離,同時(shí)彈簧復(fù)位(狀態(tài)Ⅳ),螺旋桿上升到原位置,飛輪由于慣性作用,將產(chǎn)生持續(xù)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)直至將存儲(chǔ)的能量全部耗盡.在飛輪上極性相反的交替磁極陣列轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),其上下表面附近的磁通量也發(fā)生高頻改變.因而安置在飛輪上下表面附近的線圈中磁通量會(huì)快速變化.根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,在線圈中會(huì)產(chǎn)生由交變磁場帶來的輸出電流.通過機(jī)械結(jié)構(gòu)的調(diào)制輸出,將單次振動(dòng)沖擊轉(zhuǎn)換為飛輪的高頻旋轉(zhuǎn),進(jìn)而輸出電能.

圖2 工作原理Fig.2 Working principle

1.3 機(jī)電耦合動(dòng)力學(xué)模型

俘能器在受振動(dòng)沖擊激勵(lì)時(shí),整個(gè)理論模型建立分為兩個(gè)階段,即圖2 所示螺旋桿驅(qū)動(dòng)階段(狀態(tài)Ⅰ/Ⅱ)和飛輪驅(qū)動(dòng)階段(狀態(tài)Ⅲ/Ⅳ).下面將從這兩個(gè)階段建立動(dòng)力學(xué)模型.

在螺旋桿驅(qū)動(dòng)階段,受力情況如圖3 所示.在振動(dòng)沖擊激勵(lì)的作用下螺旋桿向下運(yùn)動(dòng),在螺旋桿的螺旋導(dǎo)軌的約束以及導(dǎo)軌表面的摩擦力作用下,套筒產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)同時(shí)向下位移一段距離.螺旋桿遵守的拉格朗日方程為

圖3 受力分析Fig.3 Force analysis

其中,F為振動(dòng)沖擊載荷,k1為套筒復(fù)位彈簧勁度系數(shù),k2為螺旋桿復(fù)位彈簧勁度系數(shù),z為螺旋桿的線數(shù)(頭數(shù)),fr為螺旋桿單線螺紋所受摩擦力,fN為螺旋桿單線螺紋所受法向力,φ為螺旋桿升角,m為螺旋桿質(zhì)量,x為螺旋桿振動(dòng)幅值.

在螺旋桿向下旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的同時(shí),套筒在螺旋桿摩擦力的帶動(dòng)下作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),此時(shí),套筒的動(dòng)力學(xué)控制方程為

其中,d為套筒直徑,JR為套筒轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,θ為套筒旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角.

同時(shí),fr與fN計(jì)算公式為

此時(shí),加速度與角加速度間存在以下關(guān)系

代入式(1)～式(4)可得

在飛輪驅(qū)動(dòng)階段(Ⅲ,Ⅳ),套筒與飛輪嚙合時(shí)間為t0.在該段時(shí)間內(nèi)飛輪處于驅(qū)動(dòng)階段,其受力旋轉(zhuǎn)的角度近似等于套筒的旋轉(zhuǎn)角度θ.因此,可以計(jì)算得到飛輪在驅(qū)動(dòng)瞬間之前的轉(zhuǎn)角為

由于嚙合時(shí)間t0與彈簧材質(zhì)相關(guān),且t0值約為0.05 s.此處θ可近似為

此時(shí),飛輪輸入能量轉(zhuǎn)換方程如下

其中,JF為飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,求得飛輪驅(qū)動(dòng)階段開始轉(zhuǎn)動(dòng)瞬間的最大角速度ωmax

此時(shí),電路中的感應(yīng)電動(dòng)勢E可由法拉第電磁感應(yīng)定律求得

其中,B為磁感應(yīng)強(qiáng)度,S為線圈有效面積,N為線圈匝數(shù).

線圈中的電流大小為

其中,RC為線圈總阻值,RL為外接負(fù)載阻值.

其中,n為磁鐵陣列數(shù),在求解得到電動(dòng)勢E后,代入式(12)即可得到平均輸出功率Paverage.

2 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)及平臺(tái)

如圖4(a)所示,俘能器樣機(jī)主要包括機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)和兩層發(fā)電模塊.機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)由直線-旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化模塊、牙嵌離合模塊和能量存儲(chǔ)/釋放模塊組成.發(fā)電單元由兩層同軸同相布置的線圈定子層和永磁鐵轉(zhuǎn)子層組成.

圖4 樣機(jī)結(jié)構(gòu)及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.4 Prototype structure and experimental platform

俘能器的主體零部件均采用3D 打印技術(shù)制備,材料為光敏樹脂.在組裝過程中,轉(zhuǎn)子層的8 個(gè)永磁體采取磁性反轉(zhuǎn)交替的放置方式,這樣做能夠增大旋轉(zhuǎn)過程中每個(gè)線圈的磁通量變化進(jìn)而增大發(fā)電量.俘能器的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1 所示.

為了測試輸入頻率與輸出性能間的關(guān)系,搭建了振動(dòng)激勵(lì)測試實(shí)驗(yàn)平臺(tái),為俘能器提供超低頻激勵(lì)源,如圖4(b)所示.整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由曲柄搖桿結(jié)構(gòu)、伺服電機(jī)、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、電阻箱及計(jì)算機(jī)組成.利用伺服電機(jī)控制曲柄搖桿機(jī)構(gòu)在水平/豎直方向作往復(fù)運(yùn)動(dòng),進(jìn)而驅(qū)動(dòng)俘能器,進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換.通過調(diào)節(jié)伺服電機(jī)中的電壓信號(hào)大小,進(jìn)一步調(diào)節(jié)曲柄搖桿結(jié)構(gòu)的擺動(dòng)速率,進(jìn)而調(diào)整俘能器受激勵(lì)的頻率.在俘能器輸出端外接電阻箱的情況下,利用數(shù)據(jù)采集設(shè)備測量負(fù)載兩端電壓信號(hào)用以表征俘能器的電學(xué)輸出.

本實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)采集設(shè)備為NI 公司的NI USB-6289 數(shù)據(jù)采集卡,經(jīng)過電腦端上位機(jī)軟件NI Signal Express 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取與存儲(chǔ).

3 性能表征

3.1 電學(xué)輸出

在搭建好圖4(b)所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)后,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試.圖5(a)和圖5(b)分別展示了在開路狀態(tài)下上、下兩層發(fā)電模塊開路電壓的輸出情況,俘能器可產(chǎn)生長達(dá)30 s 的電學(xué)輸出,最大開路電壓為13 V.由于兩層線圈與磁鐵之間的間距控制得較為精準(zhǔn),所以上下層線圈的開路電壓具有高度相似的波形.接入250 Ω 的外部負(fù)載后,測試得到單層發(fā)電模塊輸出電壓如圖5(c)所示,負(fù)載兩端峰值電壓達(dá)到了5.5 V,通過積分計(jì)算得到單層發(fā)電模塊的平均功率約為67 mW.

圖5 電學(xué)測試Fig.5 Electrical test

同時(shí)進(jìn)行阻抗匹配測試,如圖5(d)所示.上層與下層發(fā)電模塊的輸出性能幾乎保持一致,在外接負(fù)載為20 Ω 的情況下,峰值功率約為1.25 W;將兩層發(fā)電模塊進(jìn)行并聯(lián)輸出,在外接負(fù)載為10 Ω 的情況下,峰值功率約為2.5 W.可見,將兩層并聯(lián)輸出,峰值功率實(shí)現(xiàn)倍增.

將單層發(fā)電模塊對470 μF 的電容進(jìn)行充電測試,如圖5(e)所示,在5 s 的時(shí)間內(nèi)對俘能器激勵(lì)4 次,即可將電容充電至7 V,展現(xiàn)了其良好的供電能力.

此外,將理論計(jì)算與實(shí)際測量得到的結(jié)果進(jìn)行了對比分析,如圖6 所示.圖6(a)展示了不同沖擊載荷下,依照機(jī)電耦合動(dòng)力學(xué)模型得出的飛輪最大轉(zhuǎn)速的理論值以及實(shí)驗(yàn)測得的最大轉(zhuǎn)速的對比,可以看到在沖擊載荷達(dá)到30 N 后,理論值呈線性關(guān)系繼續(xù)增大,而實(shí)驗(yàn)測得的最大轉(zhuǎn)速保持不變,穩(wěn)定在157 rad/s 左右,其原因在于飛輪與套筒之間的能量是通過極短時(shí)間的沖量傳遞的,當(dāng)沖擊載荷超過臨界載荷時(shí),飛輪和套筒之間的作用力雖然仍在變大,但是由于套筒復(fù)位彈簧給予的反作用力使得飛輪和套筒在嚙合的瞬間便使二者分離,套筒傳遞給飛輪扭矩的時(shí)間不發(fā)生變化,從而影響了飛輪與套筒之間的能量傳遞,限制飛輪最大轉(zhuǎn)速的繼續(xù)增大.圖6(b)展示了在不同沖擊載荷下最大感應(yīng)電動(dòng)勢的變化情況,由于最大感應(yīng)電動(dòng)勢與飛輪最大轉(zhuǎn)速呈線性關(guān)系,其呈現(xiàn)出與飛輪最大轉(zhuǎn)速相同類型的變化趨勢,即達(dá)到30 N 以后,由于飛輪轉(zhuǎn)速不再繼續(xù)增大,因而最大感應(yīng)電動(dòng)勢保持在13.4 V 左右.

圖6 理論計(jì)算與實(shí)際測量Fig.6 Theoretical calculation and practical measurement

3.2 機(jī)械升頻

3 種模塊的集成使俘能器具有許多優(yōu)異的特性,如低頻直線運(yùn)動(dòng)到高頻旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、瞬時(shí)激勵(lì)到持久輸出的轉(zhuǎn)換,以及在多次激勵(lì)下實(shí)現(xiàn)不間斷的連續(xù)加速運(yùn)動(dòng).圖7(a)展示了俘能器被充分激勵(lì)時(shí)負(fù)載兩端的電壓波形.在外接負(fù)載的情況下,俘能器受到激勵(lì)的瞬間由于存在電磁阻尼,俘能器可產(chǎn)生7 s 的電學(xué)輸出,負(fù)載兩端產(chǎn)生的最大電壓為5.5 V.通過對輸出電壓波形的處理可知,轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一圈的周期約為0.08 s,產(chǎn)生4 個(gè)完整的正弦波,因此計(jì)算出俘能器在接收外界激勵(lì)時(shí)可以達(dá)到750 r/min 的瞬時(shí)最大轉(zhuǎn)速.

圖7 俘能器在不同類型激勵(lì)下的輸出表現(xiàn)Fig.7 Output performance of the VEH under different types of excitation

圖7(b)展示了對俘能器施加頻率為0.17 Hz 的超低頻激勵(lì)和對應(yīng)的輸出電壓波形.從圖7(b)可以看出,每間隔6 s 對俘能器施加約60 N 的沖擊力作為激勵(lì),發(fā)電機(jī)的最大輸出頻率可達(dá)50 Hz,輸出相較于輸入的頻率提升了290 倍.因此,俘能器實(shí)現(xiàn)了從低頻到高頻的轉(zhuǎn)換,為從環(huán)境中收集超低頻能量提供了可靠的途徑.

圖7(c)展示了對俘能器施加頻率為2 Hz 的低頻激勵(lì)和對應(yīng)的輸出電壓波形,可以看出俘能器在工作過程中可以多次加速并保持較高轉(zhuǎn)速(約750 r/min)和持續(xù)的高密度輸出電壓.

綜上所述,俘能器對不同頻率的激勵(lì)具有良好的適應(yīng)性,為從復(fù)雜環(huán)境中收集低頻能量提供了有效的解決方案.

3.3 應(yīng)用評估

俘能器可以將超低頻不規(guī)則激勵(lì)(<0.2 Hz)轉(zhuǎn)化為發(fā)電模塊的高速持久旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),從而產(chǎn)生連續(xù)、穩(wěn)定和高效的電力輸出.如圖8(a)所示,在單次激勵(lì)下可以輕松點(diǎn)亮“MEMS”燈帶,同時(shí)也可將俘能器陣列輸出,用于對手機(jī)的充電.

圖8 應(yīng)用演示Fig.8 Demonstration of applications

如圖8(b)所示,將俘能器放置在鞋中,通過模擬行走過程給予俘能器低頻激勵(lì),并測試了不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的輸出電壓.

如圖8(c)所示,為了進(jìn)一步驗(yàn)證俘能器在商用電子產(chǎn)品領(lǐng)域的應(yīng)用能力,我們將俘能器豎直放入曲柄搖桿機(jī)構(gòu)當(dāng)中,模擬人體疾走狀態(tài)下對于俘能器的沖擊實(shí)驗(yàn),設(shè)置約為2 Hz 的豎直方向激勵(lì),將輸出的交流電先通過整流電路得到直流電輸出,再通過開關(guān)型升降壓電源模塊,對電容進(jìn)行充電.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,俘能器可在400 s 內(nèi)將1 F 的超級電容充電至1 V;在這個(gè)過程中共收集到有效能量約為0.5 J,可推算得知其可在2 h 內(nèi)為華為Freebuds Pro TWS 耳機(jī)提供2%以上的電量,表明其在自供能可穿戴設(shè)備領(lǐng)域具備一定的應(yīng)用潛力.

4 結(jié)論

本文提出了一種基于斜齒離合機(jī)制的電磁式振動(dòng)能量采集器,包含直線-旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換模塊、牙嵌離合模塊與能量存儲(chǔ)/釋放模塊,可有效地將豎直方向的低頻激勵(lì)轉(zhuǎn)化為高速的單向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),對俘能器建立了機(jī)電耦合動(dòng)力學(xué)模型,同時(shí)搭建了實(shí)驗(yàn)測試平臺(tái)并制作了俘能器實(shí)物樣機(jī)進(jìn)行性能測試與分析,得到主要結(jié)論如下.

(1)俘能器的單層峰值功率可達(dá)瓦級(1.25 W),兩層發(fā)電模塊并聯(lián)輸出的峰值功率達(dá)2.5 W,可實(shí)現(xiàn)134 mW 的最大平均輸出功率,憑借其緊湊高效的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),可將其應(yīng)用于人體行走能量收集領(lǐng)域,為構(gòu)建自供能物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點(diǎn)提供新的思路.

(2)在一次充分的激勵(lì)下,開路狀態(tài)下俘能器可產(chǎn)生長達(dá)30 s 的電學(xué)輸出,能夠有效收集環(huán)境中低至0.17 Hz 的激勵(lì)并轉(zhuǎn)化為最高轉(zhuǎn)速為750 rpm 的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和50 Hz 的交流電輸出,輸出頻率相較于輸入提升了近300 倍.在低頻(0.2～5 Hz)激勵(lì)下,俘能器可實(shí)現(xiàn)持續(xù)、高效的高密度電學(xué)輸出.