溫濤 何劍 張?jiān)鲂?田竹梅2) 穆繼亮 韓建強(qiáng) 丑修建? 薛晨陽(yáng)

1)(中北大學(xué),電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051)2)(忻州師范學(xué)院電子系,忻州 034000)

磁懸浮式電磁-摩擦復(fù)合生物機(jī)械能量采集器?

溫濤1)何劍1)張?jiān)鲂?)田竹梅1)2)穆繼亮1)韓建強(qiáng)1)丑修建1)?薛晨陽(yáng)1)?

1)(中北大學(xué),電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051)2)(忻州師范學(xué)院電子系,忻州 034000)

(2017年4月11日收到;2017年7月31日收到修改稿)

能量采集技術(shù)已經(jīng)成為智能終端領(lǐng)域的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),關(guān)于人體機(jī)械能采集方式也有大量的研究.針對(duì)人體機(jī)械能采集的應(yīng)用需求,本文提出一種基于磁懸浮結(jié)構(gòu)的電磁-摩擦復(fù)合式能量采集器.該能量采集器以磁懸浮結(jié)構(gòu)作為核心部件,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、感應(yīng)靈敏、輸出功率高的優(yōu)點(diǎn).在10 M?的外接負(fù)載時(shí),兩組摩擦發(fā)電單元輸出功率分別為0.12 mW和0.13 mW;在1 k?外接負(fù)載時(shí),兩組電磁發(fā)電單元的輸出功率分別為36 mW和38 mW.復(fù)合能量采集器通過(guò)電容儲(chǔ)能后,電容器可以輸出8 V電壓,且輸出信號(hào)為持續(xù)的直流信號(hào),可以為計(jì)步器提供持續(xù)的能量供給,支撐計(jì)步器正常工作.設(shè)計(jì)的復(fù)合能量采集器對(duì)于可穿戴電子設(shè)備自供電工作模式的實(shí)現(xiàn)具有重要意義.

磁懸浮,復(fù)合發(fā)電機(jī),摩擦發(fā)電機(jī),自供電計(jì)步器

1 引 言

在最近十幾年,移動(dòng)智能終端和可穿戴式電子技術(shù)發(fā)展迅速,因?yàn)槠浔憬莸牟僮骱蛷?qiáng)大的功能而越來(lái)越普及,成為人類(lèi)生活中不可缺少的一部分[1].目前,鋰離子電池是智能移動(dòng)電子設(shè)備的主要供電方式,存在供電壽命短、環(huán)境污染等問(wèn)題,嚴(yán)重限制了智能移動(dòng)終端和可穿戴式電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展.得益于低功耗技術(shù)的發(fā)展,微電子器件的耗電量已經(jīng)從毫瓦(mW)量級(jí)減小到微瓦(μW)級(jí).而且可以預(yù)測(cè),將來(lái)電子設(shè)備耗電量可能僅為納瓦(nW)級(jí).因此,采集環(huán)境能量為其供電是一種理想且有效的解決方案[2].

在所有的環(huán)境能量中,機(jī)械能具有分布廣泛、能量密度高等明顯優(yōu)勢(shì),電磁感應(yīng)、壓電效應(yīng)和磁致伸縮等物理原理被廣泛地用作相應(yīng)器件的換能機(jī)理.除此以外,2012年佐治亞理工學(xué)院Wang等[3?7]利用摩擦起電和靜電感應(yīng)的耦合作用發(fā)明了能將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的摩擦納米發(fā)電機(jī).摩擦納米發(fā)電機(jī)因?yàn)槠漭敵鲭妷焊?、成本低、可選材料多等優(yōu)點(diǎn)在機(jī)械能采集中有巨大的應(yīng)用價(jià)值[8?11].然而,在已經(jīng)報(bào)道的利用各種原理的機(jī)械能采集裝置中,存在較明顯的缺點(diǎn):1)基于單一物理原理的裝置在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中換能效率低,大量能量以形變、熱量等形式耗散掉了;2)彈簧或懸梁結(jié)構(gòu)通常用作機(jī)械能采集的俘能結(jié)構(gòu),在長(zhǎng)時(shí)間的振動(dòng)過(guò)程中容易造成機(jī)械疲勞和損壞,縮短器件的使用壽命;3)各種形式的機(jī)械能采集器件響應(yīng)頻域窄,靈敏度低,需要較大的機(jī)械能輸入,對(duì)于低頻的微弱振動(dòng)響應(yīng)效果差.而且,在生物機(jī)械能采集領(lǐng)域發(fā)表的文章電磁感應(yīng)原理、壓電效應(yīng)和摩擦發(fā)電機(jī)有較多應(yīng)用,但是其中電磁式的能量采集器靈敏度低,結(jié)構(gòu)笨重(38 kg負(fù)載)[12];壓電式的能量采集器轉(zhuǎn)化效率低(最大功率500μW)[13],轉(zhuǎn)化的電能無(wú)法滿(mǎn)足智能終端的耗電需求;基于摩擦納米發(fā)電機(jī)的生物機(jī)械能采集器可以點(diǎn)亮大約十盞發(fā)光二極管(LED)燈,采集到的電能不足以支撐可穿戴智能設(shè)備穩(wěn)定工作[14,15].

綜合以上分析,結(jié)合電磁感應(yīng)發(fā)電機(jī)和摩擦納米發(fā)電機(jī)的特點(diǎn),本文提出了一種基于磁懸浮結(jié)構(gòu)電磁-摩擦復(fù)合能量采集器用于采集生物機(jī)械能.采用磁懸浮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),使器件具有較高的靈敏性和更寬的響應(yīng)頻域;復(fù)合式采集方式的設(shè)計(jì)降低了能量耗散,提高了器件輸出功率,可為智能移動(dòng)終端和可穿戴式電子設(shè)備提供穩(wěn)定持續(xù)的能量供給.本文提出的用于采集人體機(jī)械能的電磁-摩擦復(fù)合能量采集器,在有限的體積內(nèi)集成了四組能量采集單元,結(jié)構(gòu)輕便、靈敏性高、響應(yīng)頻域?qū)?、輸出功率?總重量為80 g,體積為?4.8 cm×2.4 cm.電磁發(fā)電單元的輸出功率分別為36 mW和38 mW;摩擦發(fā)電單元的輸出功率密度分別為171 mW/m2和186 mW/m2.通過(guò)采集人體運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能,器件可以為計(jì)步器提供正常工作所需的電能.

2 設(shè)計(jì)與原理

圖1 (網(wǎng)刊彩色)(a)復(fù)合能量采集器示意圖;(b)復(fù)合能量采集器分解示意圖;(c)裝配完成復(fù)合能量采集器照片;(d)復(fù)合硅膠薄膜表面形貌電鏡照片F(xiàn)ig.1.(color online)(a)Schematic diagram of the hybridized generator;(b)exploded view of the hybridized generator;(c)photograph of a fabricated hybridized generator;(d)SEM image of the prepared silica gel thin film.

本文中提出的電磁-摩擦復(fù)合式能量采集器以磁懸浮結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),集成了摩擦發(fā)電機(jī)(triboelectric nanogenerator,TENG)和電磁發(fā)電機(jī)(electromagnetic generator,EMG).能量采集器核心部件是磁懸浮結(jié)構(gòu):結(jié)構(gòu)中心是一塊圓形磁鐵(厚度5 mm,直徑30 mm);在圓形磁鐵四周均勻分布三個(gè)磁柱(長(zhǎng)度10 mm,直徑2 mm),磁柱的磁極和圓形磁鐵的磁極方向相反放置.由于磁場(chǎng)異性相吸的原理,圓形磁鐵磁場(chǎng)與其他三個(gè)磁柱磁場(chǎng)的相互吸引,圓形磁鐵呈現(xiàn)懸浮狀態(tài).磁柱通過(guò)環(huán)形結(jié)構(gòu)固定,由于受到重力影響,圓形磁鐵靜止位置略低于三個(gè)磁柱的幾何中心,設(shè)計(jì)過(guò)程中將圓環(huán)形支架底部增加一定厚度,使中心磁鐵懸浮于結(jié)構(gòu)的幾何中心位置,如圖1(b)所示.在圓形磁鐵結(jié)構(gòu)的上下位置各有一組銅線圈,為了在有限體積內(nèi)獲得足夠大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),在結(jié)構(gòu)上下位置各安放一組使用70μm漆包銅線繞制的螺旋線圈組.在圓形磁鐵上下表面各自黏貼有銅片作為電極,在空腔結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)各自黏貼有一組復(fù)合硅膠薄膜(hybridized silica gel thin film HSTF),構(gòu)成兩組TENG.摩擦薄膜直徑設(shè)計(jì)為32 mm(略大于懸浮腔體直徑),厚度320μm.HSTF使用一種通用的復(fù)合室溫硫化型硅膠材料(hybridized silica gel,HSG),通過(guò)厚膜工藝在固定有金字塔砂碟片(厚度200μm)的平板表面均勻涂布一層300μm的硅膠層,加熱成型;然后在硅膠膜表面刮涂導(dǎo)電銀漿,待導(dǎo)電銀漿干燥后繼續(xù)涂布一層20μm厚硅膠作為保護(hù)層,固化成型后將一體式薄膜從平板上剝離后即獲得復(fù)合硅膠薄膜,其表面具有倒金字塔結(jié)構(gòu),如圖1(d)所示[16].將復(fù)合能量采集器組裝完成后,使用KEITHLEY6514靜電計(jì)對(duì)器件中的TENG和EMG在模擬振動(dòng)環(huán)境下的開(kāi)路電壓、短路電流、輸出功率進(jìn)行測(cè)試.

復(fù)合式能量采集器以磁懸浮結(jié)構(gòu)作為器件敏感單元,感受外部振動(dòng)激勵(lì).在外部振動(dòng)激勵(lì)作用下,圓形磁鐵產(chǎn)生位移,并獲得一定的運(yùn)動(dòng)速度,同時(shí)TENG和EMG都會(huì)有電能輸出.在磁懸浮結(jié)構(gòu)中,圓形磁鐵與周?chē)砻鏌o(wú)接觸,沒(méi)有滑動(dòng)摩擦力的影響,僅受到重力和磁場(chǎng)力作用.其中磁場(chǎng)力在水平方向上合力為零;圓形磁鐵的重力和磁場(chǎng)力在垂直方向上的分力相互平衡,圓形磁鐵處于靜止懸浮狀態(tài)(詳細(xì)分析見(jiàn)補(bǔ)充材料1(online)).基于牛頓運(yùn)動(dòng)定律分析,能量采集器受到的外部激勵(lì)可以等效為作用于圓形磁鐵的振動(dòng)激勵(lì).能量采集器受到外部激勵(lì)作用時(shí),圓形磁鐵運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變,由于電磁阻尼作用,發(fā)生阻尼振動(dòng),其位移和速度隨時(shí)間衰減.如圖2所示,設(shè)計(jì)過(guò)程中使用Maxwell仿真軟件對(duì)磁懸浮結(jié)構(gòu)磁感應(yīng)強(qiáng)度分布和運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行了模擬分析:模擬了靜態(tài)下圓形磁鐵在三個(gè)不同位置的磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度分布,模擬了圓形磁鐵在衰減運(yùn)動(dòng)過(guò)程在速度和位移變化曲線.在磁懸浮系統(tǒng)的振動(dòng)過(guò)程中,由于電磁阻尼作用,實(shí)現(xiàn)了一次振動(dòng)多次發(fā)電過(guò)程;基于對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)四組換能單元共同發(fā)電,通過(guò)多組多次能量轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)能量采集器的性能提升.

圖2 (網(wǎng)刊彩色)Maxwell仿真結(jié)果 (a),(b),(c)磁鐵處于最高、中間和最低位置時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布圖;(d),(e)磁鐵阻尼振動(dòng)過(guò)程中位移、速度變化曲線Fig.2.(color online)Simulation results with Maxwell’s software:(a),(b),(c)The magnetic field intensity distribution when the magnets is in the highest position,the middle position and the lowest position;(d),(e)the displacement and velocity curves in the process of magnetic damping vibration

圖3 (網(wǎng)刊彩色)復(fù)合能量采集器采集過(guò)程中磁通量變化與電磁發(fā)電單元電流關(guān)系以及磁鐵上下移動(dòng)過(guò)程中摩擦發(fā)電單元電流方向變化關(guān)系Fig.3.(color online)Schematic diagrams of the generation process of electricity,indicating the relationship between the direction of current flow,the change of magic flux,and the distance of separation.

當(dāng)圓形磁鐵受到外部振動(dòng)激勵(lì)時(shí),磁鐵上下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中通過(guò)兩組感應(yīng)線圈內(nèi)的磁通量會(huì)交替增大和減小.電磁感應(yīng)定律基本公式給出了感應(yīng)電壓與磁通量變化關(guān)系為

式中n為感應(yīng)線圈匝數(shù),E為感應(yīng)電壓,?為磁通量.磁通量?=BS,磁感應(yīng)強(qiáng)度B是與感應(yīng)線圈到磁鐵表面距離χ相關(guān)的量,隨著距離的增加,磁感應(yīng)強(qiáng)度減小,在較短距離內(nèi)(|χ|＜5 mm)這種相互關(guān)系可以近似為B=μχ.由以上分析可以推出:

V表示在器件軸線方向上磁鐵相對(duì)于感應(yīng)線圈的速度.當(dāng)磁鐵在能量采集器懸浮腔內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí),上下兩組感應(yīng)線圈(EMG1和EMG2)產(chǎn)生方向相反的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),(2)式表明了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向與圓形磁鐵運(yùn)動(dòng)方向之間的關(guān)系,如圖3(a)和圖3(d)所示(補(bǔ)充材料1(online)).

在磁鐵受到較大外部振動(dòng)激勵(lì)后,圓形磁鐵與結(jié)構(gòu)內(nèi)部上下表面HSTF發(fā)生接觸/分離.摩擦發(fā)電機(jī)是基于靜電感應(yīng)和摩擦起電原理的新型電能采集方式,由于摩擦起電原理,在摩擦薄膜HSTF與金屬電極接觸/分離后,部分電子轉(zhuǎn)移到HSTF表面,在圓形磁鐵運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,由于靜電感應(yīng),造成HSTF背部電極和金屬電極之間電荷的轉(zhuǎn)移.摩擦發(fā)電機(jī)可以等效為一個(gè)電容,其本征輸出性能(VOC,QSC和C)可以通過(guò)電動(dòng)力學(xué)推導(dǎo)得到,其中開(kāi)路電壓VOC表達(dá)式為

式中χ(t)為銅電極到HSTF表面的距離,σ為電荷量密度,ε0為空氣間隙相對(duì)介電常數(shù)[17].當(dāng)磁鐵離開(kāi)HSTF時(shí),隨著位移的增大,開(kāi)路電壓逐漸增大,當(dāng)磁鐵向HSTF移動(dòng)時(shí),開(kāi)路電壓逐漸減小;當(dāng)磁鐵受到外部激勵(lì)往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí),兩組摩擦發(fā)電機(jī)交替輸出最大電壓和電流,如圖3(b)和圖3(c)所示(補(bǔ)充材料1(online)).

3 結(jié)果與分析

圖4 (網(wǎng)刊彩色)在2,6,10,14,20 Hz頻率下EMG和TENG的輸出性能 (a)EMG1開(kāi)路電壓;(b)EMG1短路電流;(c)EMG2開(kāi)路電壓;(d)EMG2短路電流;(e)TENG1開(kāi)路電壓;(f)TENG1短路電流;(g)TENG2開(kāi)路電壓;(h)TENG2短路電流Fig.4.(color online)Under the 2,6,10,14 and 20 Hz frequency,EMG output performance:(a)Open voltage of the EMG1;(b)short-circuit current of the EMG1;(c)open voltage of the EMG2;(d)short-circuit current of the EMG2;(e)open voltage of the TENG1;(f)short-circuit current of the TENG1;(g)open voltage of the TENG2;(h)short-circuit current of the TENG2.

為研究復(fù)合能量采集器輸出性能,實(shí)驗(yàn)中使用JZK-10模態(tài)激振器對(duì)器件進(jìn)行模擬振動(dòng)測(cè)試.首先測(cè)試器件在不同頻率下的開(kāi)路電壓和短路電流輸出特性,實(shí)驗(yàn)中設(shè)置五個(gè)不同頻率(2,6,10,14,20 Hz).如圖4所示,隨著頻率的升高,能量采集器四個(gè)換能單元的開(kāi)路電壓和短路電流均有明顯的升高;該復(fù)合式能量采集器具有較大的頻率響應(yīng)范圍,從2 Hz到20 Hz都可以實(shí)現(xiàn)有效的能量轉(zhuǎn)換.在2 Hz頻率時(shí),能量采集器外部激勵(lì)很微弱,作用在懸浮磁鐵上的等效作用力最大為0.025 N,在此條件下,TENG和EMG依然有電信號(hào)輸出,可以將很微弱的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能,說(shuō)明器件具有較高的靈敏度.而且在2 Hz頻率下各個(gè)換能單元輸出波形圖中可以發(fā)現(xiàn),波形圖中出現(xiàn)多個(gè)波峰,在4個(gè)最高的波峰之間出項(xiàng)了明顯的幾個(gè)較小的波峰,這進(jìn)一步驗(yàn)證了磁懸浮結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn),即一次外部振動(dòng)激勵(lì)后可實(shí)現(xiàn)多次換能過(guò)程.

圖5 (網(wǎng)刊彩色)在20 Hz頻率、50 m/s2加速度下,EMG和TENG輸出性能 (a)EMG1開(kāi)路電壓;(b)EMG1短路電流;(c)EMG2開(kāi)路電壓;(d)EMG2短路電流;(e)TENG1開(kāi)路電壓;(f)TENG1短路電流;(g)TENG2開(kāi)路電壓;(h)TENG2短路電流Fig.5.(color online)Under the 20 Hz frequency and acceleration of 50 m/s2,EMG and TENG output performance:(a)Open voltage of the EMG1;(b)short-circuit current of the EMG1;(c)open voltage of the EMG2;(d)short-circuit current of the EMG2;(e)open voltage of the TENG1;(f)short-circuit current of the TENG1;(g)open voltage of the TENG2;(h)short-circuit current of the TENG2.

本文中介紹的能量采集器擬固定于人體小腿部位,根據(jù)人體運(yùn)動(dòng)力學(xué)的特點(diǎn),我們將測(cè)試加速度設(shè)定為50 m/s2[18].從以上測(cè)試結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)復(fù)合式能量采集器在20 Hz時(shí)其輸出性能最優(yōu).為測(cè)試復(fù)合式能量采集器的最佳輸出性能,實(shí)驗(yàn)中使用JZK-10模態(tài)激振器在20 Hz,50 m/s2條件下進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試.從圖5中顯示的輸出波形可以看出:TENG1的開(kāi)路電壓峰的峰值達(dá)到了70 V,短路電流峰的峰值為12μA,TENG2的開(kāi)路電壓峰的峰值達(dá)到了71 V,短路電流峰的峰值為12μA;EMG1的開(kāi)路電壓峰的峰值為10 V,短路電流峰的峰值為10 mA,EMG2的開(kāi)路電壓峰的峰值為10 V,短路電流峰的峰值為8 mA.

為了獲得器件的最優(yōu)輸出功率,實(shí)驗(yàn)中測(cè)試了各個(gè)發(fā)電單元在50 m/s2加速度下不同負(fù)載時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出電壓,并通過(guò)負(fù)載電阻值和輸出電壓計(jì)算能量采集器四組采集單元各自的輸出功率.從圖6中可以看出,在外接負(fù)載為1000 ?時(shí),EMG的輸出功率達(dá)到最大值,EMG1輸出功率為36 mW,EMG2輸出功率為38 mW;在外接負(fù)載為10 M?時(shí),TENG輸出功率達(dá)到最大值,TENG1和TENG2的輸出功率分別為0.12 mW和0.13 mW.

在接入最優(yōu)負(fù)載的條件下,根據(jù)(4)式可以計(jì)算出復(fù)合能量采集器4個(gè)換能單元輸出的電能,如圖7所示.相比于同類(lèi)型的復(fù)合式生物機(jī)械能收集器輸出功率有顯著提升[19].

(4)式中U為在接入負(fù)載電阻時(shí)換能單元輸出的電壓;t1到t2的時(shí)間間隔表示圓形磁鐵從最高點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)所需的時(shí)間,同時(shí)四個(gè)換能單元完成了一次換能過(guò)程.從圖7中可以看出在單個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)復(fù)合式能量采集器輸出的能量總和為750.89μJ.

圖6 (網(wǎng)刊彩色)EMG和TENG的輸出電壓與輸出功率的關(guān)系 (a)EMG1在不同外部負(fù)載下的輸出電壓和輸出功率的變化;(b)EMG2在不同外部負(fù)載下的輸出電壓和輸出功率的變化;(c)TENG1在不同外部負(fù)載下的輸出電壓和輸出功率的變化;(d)TENG2在不同外部負(fù)載下的輸出電壓和輸出功率的變化Fig.6.(color online)Dependence of output voltage and output power of EMG and TENG:(a)Dependence of output voltage and output power of the EMG1 on the external loading resistance;(b)dependence of output voltage and output power of the EMG2 on the external loading resistance;(c)dependence of output voltage and output power of the TENG1 on the external loading resistance;(d)dependence of output voltage and output power of the TENG2 on the external loading resistance.

圖7 (網(wǎng)刊彩色)EMG和TENG在一次振動(dòng)激勵(lì)下的輸出能量 (a)EMG1在負(fù)載電阻為1 k?時(shí)輸出的電能;(b)EMG2在負(fù)載電阻為1 k?時(shí)輸出的電能;(c)TENG1在負(fù)載電阻為1 M?時(shí)輸出的電能;(d)TENG2在負(fù)載電阻為1 M?時(shí)輸出的電能Fig.7.(color online)Energy of the EMG and TENG under a single vibration excitation:(a)Energy of the EMG1 on the external loading resistance;(b)energy of the EMG2 on the external loading resistance;(c)energy of the TENG1 on the external loading resistance;(d)energy of the TENG2 on the external loading resistance.

圖8 (網(wǎng)刊彩色)EMG在微弱振動(dòng)激勵(lì)下的輸出能量 (a)EMG1在負(fù)載電阻為1 k?時(shí)輸出的電能;(b)EMG2在負(fù)載電阻為1 k?時(shí)輸出的電能Fig.8.(color online)Energy of EMG under weak vibration excitation:(a)Energy of the EMG1 on the external loading resistance;(b)energy of the EMG2 on the external loading resistance.

本文提出的復(fù)合式能量采集器設(shè)計(jì)固定于人體小腿部位,但是人體運(yùn)動(dòng)是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的過(guò)程,隨著體能的消耗,肢體動(dòng)作會(huì)變得平緩.所以實(shí)驗(yàn)中測(cè)試了在微弱振動(dòng)條件下復(fù)合式能量采集器的電能輸出及換能效率,設(shè)置激振臺(tái)振動(dòng)頻率f=0.5 Hz,加速度a=4 m/s2,振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)位移S=0.5 mm.經(jīng)典力學(xué)理論表述力做功的意義為一個(gè)力使得一個(gè)物體沿力的方向上移動(dòng),其計(jì)算公式如(5)式.由此可以計(jì)算出一次振動(dòng)激勵(lì)對(duì)能量采集器輸入的振動(dòng)能量W=160μJ.

式中W表示物體移動(dòng)做的功即能量,F表示作用力,S表示力方向上的作用距離,m表示物體質(zhì)量,a表示物體加速度值.

測(cè)試中發(fā)現(xiàn),在上述測(cè)試條件下,TENG輸出信號(hào)極其微弱,可以忽略不計(jì);電磁換能單元由于圓形磁鐵的阻尼振動(dòng)出現(xiàn)衰減波形.如圖7所示,由(4)式計(jì)算得出EMG1和EMG2在負(fù)載電阻為1 k?時(shí)輸出能量分別為17.10,11.90μJ,能量采集器換能效率η=(17.10+11.90)/160=18%.

從以上測(cè)試數(shù)據(jù)中可以看出,各個(gè)發(fā)電單元輸出信號(hào)都是交流信號(hào),而且TENG和EMG輸出性能也有較大的區(qū)別.TENG的開(kāi)路電壓較高,短路電流較低,EMG的開(kāi)路電壓相對(duì)TENG較小,短路電流是TENG短路電流的近1000倍.對(duì)于小型電子設(shè)備而言,需要直流信號(hào)來(lái)供電,且太高的電壓對(duì)其有損害作用,因此需要一種器件可以將能量采集器輸出的高電壓轉(zhuǎn)換成可供設(shè)備使用的低電壓,交流信號(hào)整流為直流信號(hào)[20].而且復(fù)合能量采集器的輸出信號(hào)是不穩(wěn)定的信號(hào),直接接入電路則無(wú)法提供持續(xù)的電量供給.基于以上分析,利用一種儲(chǔ)能裝置可以將輸出信號(hào)變?yōu)檫B續(xù)的直流低壓信號(hào),這種儲(chǔ)能裝置有電容或者鋰電池[21,22].實(shí)驗(yàn)中使用整流橋和電容接入復(fù)合式能量采集器和電路系統(tǒng)之間,實(shí)驗(yàn)電路如圖9所示,復(fù)合能量采集器輸出電能經(jīng)過(guò)整流后對(duì)電容充電,經(jīng)過(guò)電容存儲(chǔ)后可以為智能設(shè)備提供持續(xù)的電能,而且可以避免輸出電壓的不持續(xù)[23].

圖9 整流充電測(cè)試電路Fig.9.Charging capacitance test circuit after recti fier.

圖10 (網(wǎng)刊彩色)(a)TENG1和TENG2對(duì)33μF電容充電時(shí)電容輸出電壓的變化;(b)EMG1和EMG2對(duì)33μF電容充電時(shí)電容輸出電壓的變化;(c)TENG1,TENG2,EMG1和EMG2同時(shí)對(duì)33μF電容充電時(shí)電容輸出電壓的變化;(d)復(fù)合能量采集器對(duì)電容充電后點(diǎn)亮25盞LED燈Fig.10.(color online)(a)Measured voltage of a 33μF capacitor charged by the TENG1 and TENG2 respectively;(b)measured voltage of a 33μF capacitor charged by the EMG1 and EMG2 respectively;(c)measured voltage of a 33μF capacitor charged by the TENG1 TENG2 EMG1 and EMG2 simultaneously;(d)hybridized generator drive 25 LEDs after charged capacitor.

圖11 復(fù)合能量采集器為計(jì)步器供電Fig.11.Hybridized generator drive a pedometer.

經(jīng)過(guò)整流以后,TENG和EMG并聯(lián)接入電容器對(duì)其進(jìn)行充電,電容器的輸出電壓是連續(xù)穩(wěn)定的信號(hào),這樣就將原來(lái)的能量采集器的脈沖信號(hào)源轉(zhuǎn)換為持續(xù)穩(wěn)定的電源,如圖10所示.為了證明復(fù)合發(fā)電機(jī)輸出能量在經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后依然可以提供足夠的能量供給,實(shí)驗(yàn)中使用LED燈模擬一般負(fù)載,在圖中可以看出復(fù)合發(fā)電機(jī)可以點(diǎn)亮30盞LED燈,在持續(xù)供電過(guò)程中,LED燈沒(méi)有出現(xiàn)閃爍,在復(fù)合發(fā)電機(jī)停止工作后,電容器內(nèi)存儲(chǔ)的電能依然可以為L(zhǎng)ED燈供給能量(視頻1(online)).

圖11所示為一個(gè)自供電的計(jì)步器系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)中將能量采集器綁到模特小腿上,四組能量采集單元經(jīng)過(guò)整流后并聯(lián)到電容兩端,電容輸出端接入計(jì)步器.在人腿部運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,復(fù)合能量采集器可以驅(qū)動(dòng)計(jì)步器工作.在模特運(yùn)動(dòng)5 s后,計(jì)步器開(kāi)始工作,計(jì)步器可以記錄并顯示步數(shù)、距離、速度、持續(xù)時(shí)間、消耗卡路里等運(yùn)動(dòng)信息.在復(fù)合能量采集器停止工作后,電容器儲(chǔ)存的電能依然可以支撐計(jì)步器工作1—2 s(視頻2(online)).

4 結(jié) 論

本文實(shí)驗(yàn)證明了復(fù)合能量采集器可以有效地將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能,支持可穿戴智能設(shè)備連續(xù)穩(wěn)定工作.該器件設(shè)計(jì)輕便,體積為?4.8 cm×2.4 cm,重量為80 g,適用于人體機(jī)械能采集.此復(fù)合能量采集器采用對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì),在有限空間內(nèi)集成了更多的能量采集單元,采用磁懸浮結(jié)構(gòu),避免了摩擦對(duì)換能過(guò)程中能量的消耗;懸浮單元的阻尼振動(dòng)使得更多的能量被有效地轉(zhuǎn)換為電能.一次激勵(lì)作用實(shí)現(xiàn)多組多次能量轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)特性,使能量采集器具有良好的輸出性能.復(fù)合式能量采集器中EMG在1 k?負(fù)載下其輸出功率分別為35 mW和38 mW;TENG在10 M?負(fù)載下輸出功率分別為0.12 mW和0.13 mW,功率密度達(dá)到171 mW/m2和186 mW/m2,一次激勵(lì)輸出總能量為750.89μJ.通過(guò)整流和電容儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換后,將復(fù)合發(fā)電機(jī)脈沖輸出轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)直流電源型號(hào),復(fù)合發(fā)電機(jī)可以持續(xù)點(diǎn)亮LED燈,而且可以支持計(jì)步器穩(wěn)定工作.本文中設(shè)計(jì)的復(fù)合生物能量采集器是人體機(jī)械能采集的一種新型結(jié)構(gòu),對(duì)于可穿戴電子設(shè)備自供電工作模式的實(shí)現(xiàn)具有重要意義.

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PACS:84.70.+p,41.20.–q,41.20.Cv,77.84.–sDOI:10.7498/aps.66.228401

*Project supported by National High Technology Research and Development Program of China(Grant No.2015AA042601)and the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.61525107,51605449,51422510,51675493).

?Corresponding author.E-mail:chouxiujian@nuc.edu.cn

?Corresponding author.E-mail:xuechenyang@nuc.edu.cn

Electromagnetic-triboeletric hybridized generator based on magnetic levitation for scavenging biomechanical energy?

Wen Tao1)He Jian1)Zhang Zeng-Xing1)Tian Zhu-Mei1)2)Mu Ji-Liang1)Han Jian-Qiang1)Chou Xiu-Jian1)?Xue Chen-Yang1)?

1)(North University of China,Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory,Taiyuan 030051,China)2)(Department of Electronics,Xinzhou Teachers University,Xinzhou 034000,China)

11 April 2017;revised manuscript

31 July 2017)

The popularity of various portable electronics and biological health monitoring devices,such as pedometers,pulse oximeters,mobile telephones,wearable watches,has greatly changed our lifestyles and brought signi ficant convenience to us.Energy harvesting has been a key technology for the self-powered mobile terminals,because there are many defects such as limited lifetime,large size,low energy density and environmentally unfriendly feature for the traditional chemical batteries.Lots of devices used for the energy harvesting of the human movement have been reported.However,some problems such as poor efficiency,low output power and low sensitivity need further studying.

In this work,we demonstrate a novel magnetically levitated electromagnetic-triboelectric generator.The device size is?4.8 cm×2.4 cm,and its weight is 80 g.The device uses the magnetically levitation structure as the core components,and the structure contains four magnets to form a magnetic array,in which three cylindrical magnets are placed around a bigger magnet.And two coils with polyvinyl-acetal enameled copper wires of 70μm areplaced at the top and bottom of the device,respectively.Then two silica gel thin films with inverted tetrahedron patterned on the surface are integrated inside the structure.Then,we analyze the motion feature with the Maxwell simulation software,and discuss output characteristics of the two energy harvest units theoretically.

The device possesses a high sensitivity,wide frequency response and high output performance.The dynamic response characteristics are analyzed in this paper.The frequency response range of the device is from 2 Hz to 20 Hz.The wider frequency response means that it can harvest more energy from complicated external environment.Furthermore,we analyze the output signal at low frequency,which has more than one wave crest after an environment perturbation.The triboelectric units can deliver peak output voltages of 70 V and 71 V,respectively,and the electromagnetic units each can deliver a peak output voltage of 10 V.In addition,the triboelectric units can produce peak output powers of 0.12 mW and 0.13 mW,respectively,under a loading resistance of 10 M?,while the electromagnetic units produce peak output powers of 36 mW and 38 mW,respectively,under a loading resistance of 1 k?.We discuss the energy output and energy conversion efficiency of the device,which are 750.89μJ and 18%,respectively.Then we use the hybridized generator to charge a capacitor of 33μF,the output voltage of which can reach 8 V in 2 seconds.Furthermore,the hybridized generator can power a pedometer continuously,which can work steadily and display movement data.This work has a signi ficant step toward human mechanical energy harvesting and potential application in self-powered wearable devices.

magnetic levitation,hybridized generator,triboelectric generator,self-power pedometer

10.7498/aps.66.228401

?國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(批準(zhǔn)號(hào):2015AA042601)和國(guó)家自然基金(批準(zhǔn)號(hào):61525107,51605449,51422510,51675493)資助的課題.

?通信作者.E-mail:chouxiujian@nuc.edu.cn

?通信作者.E-mail:xuechenyang@nuc.edu.cn