利用斜齿离合升频机制实现瓦级输出的超低频电磁式振动能量收集器

AN ULTRA-LOW FREQUENCY ELECTROMAGNETIC VIBRATION ENERGY HARVESTER WITH WATT-LEVEL OUTPUT DRIVEN BY THE HELICAL CLUTCH FREQUENCY-UPGRADING MECHANISM

毛新辉; 张继元; 齐欢; 邱长泉; 申维和; 田建国; 汪飞; 陶凯

2023

10.6052/0459-1879-23-362

力学学报   影响因子和分区

0459-1879

目前,大多数的能量收集器从低频运动中只能收集到较少的能量,且能量收集效率较低.低频激励下发电输出能量低是当前限制电磁俘能器多场景应用的关键问题,而电磁感应发电作为目前应用广泛且较为成熟的发电技术,具有高功率输出,被广泛应用于能量收集领域,有望解决这一技术瓶颈.文章提出了一种基于斜齿离合传动系统的电磁式振动俘能器,以系统性解决输出频率低和能量转化时间短的问题.俘能器的机械传动系统由直线-旋转转化模块、牙嵌离合模块和能量存储/释放模块3部分构成,可将外界低频、不规则的瞬时激励(约0.2～5 Hz)转化为高频、连续的单向旋转运动以实现能量转换效率最大化.对所提出的俘能器建立了机电耦合动力学模型并进行实验验证.研究结果表明,俘能器在外界脉冲激励下可以实现开路状态长达30 s的输出;接入负载后惯性旋转运动的最高转速可达750 r/min,并实现了运动频率从0.17～50 Hz的近300倍提升;单层发电模块的峰值功率可达1.25 W,两层发电模块并联输出2.5 W的峰值功率,可实现134 mW平均输出功率.此外,其紧凑高效的传动结构设计使得俘能器可以进一步集成到可穿戴设备中,在人体能量收集领域和构建自供能物联网传感节点等方向具有重要意义.

能量收集 单向旋转 机械升频 瓦级输出

EI

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其他

JCYJ20220530161809020:深圳市科创委基础研究资助项目 ; JCYJ20220818100415033:深圳市科创委基础研究资助项目

20234715082476

Conversion efficiency ; Electric excitation ; Electromagnetic induction ; Electromechanical coupling ; Excited states ; Rotation ; Sensor nodes

Energy Conversion Issues:525.5 ; Electricity: Basic Concepts and Phenomena:701.1 ; Magnetism: Basic Concepts and Phenomena:701.2 ; Radio Systems and Equipment:716.3 ; Computer Systems and Equipment:722 ; Mechanics:931.1 ; Atomic and Molecular Physics:931.3 ; Quantum Theory; Quantum Mechanics:931.4

WanFang

lxxb202310007

1.西北工业大学深圳研究院,广东深圳 518063
2.西北工业大学机电学院,西安 710072
3.中国运载火箭技术研究院,北京宇航系统工程研究所,北京 100076
4.中国运载火箭技术研究院,空间物理重点实验室,北京 100076
5.上海航天控制技术研究所,上海 201109
6.南方科技大学深港微电子学院,广东深圳 518055

毛新辉,张继元,齐欢,等. 利用斜齿离合升频机制实现瓦级输出的超低频电磁式振动能量收集器[J]. 力学学报,2023,55(10):2168-2177.

毛新辉.,张继元.,齐欢.,邱长泉.,申维和.,...&陶凯.(2023).利用斜齿离合升频机制实现瓦级输出的超低频电磁式振动能量收集器.力学学报,55(10),2168-2177.

毛新辉,et al."利用斜齿离合升频机制实现瓦级输出的超低频电磁式振动能量收集器".力学学报 55.10(2023):2168-2177.