基于磁电发电机的足部冲击能量采集技术研究

本文推荐一种创新性磁电（ME）发电机，通过斥力机制与Halbach阵列增强足部冲击能量采集效率。该装置利用剪切模式压电效应（d15模式），在7 km/h运动速度下可输出79.11 μW平均功率，较传统磁体结构提升1.38倍。高磁导率FeCuNbSiB薄膜的引入进一步优化了能量转化效能，为可穿戴电子设备供能提供新思路。

　　

Highlight

本研究提出了一种创新型磁电（ME）发电机，通过斥力机制实现足部冲击下的高幅运动。Halbach阵列的引入显著增强了ME异质结构的磁场变化，结合剪切模式压电效应（d₁₅模式）提升了输出性能。实验表明，输出电压随运动速度增加而升高，在初始间距d=7 mm、运动速度7 km/h时，可在4 MΩ负载上产生79.11 μW平均功率，较传统磁体结构提升约1.38倍。通过在高磁导率FeCuNbSiB薄膜上优化磁致伸缩层，进一步实现了最大平均功率的增强。

Design and analysis

图1展示了发电机的结构，由可动部分与固定部分组成。可动部分包含踏板、Halbach阵列（尺寸28 mm×12 mm×8 mm）、可动板及两个钕铁硼磁环。固定部分由ME异质结构、基板、两个钕铁硼磁环、螺钉和限位器构成。ME异质结构包含两片剪切模式PZT-5A压电板（单片尺寸12 mm×6 mm×1 mm）……

Results and discussions

组装样机被植入测试者鞋内进行实验。测试者在跑步机上以3-6 km/h行走、7-8 km/h奔跑时，样机在足部冲击下运行。如图2所示，使用示波器测量输出电压，通过恒流适配器支撑的两个加速度传感器测量足部加速度。沿冲击方向的均方根加速度……

Conclusions

本文提出的ME异质结构发电机能够有效采集足部冲击能量。该装置基于Halbach阵列与ME异质结构的相对运动，通过足部冲击诱发高幅运动，使压电板以d₁₅模式形变，从而产生更高功率输出。实验数据显示输出电压随运动速度从18.68 V增至26.31 V……