用于微电源应用的双共振压电-电磁混合振动能量收集器

《Energy Technology》：Dual Resonating Piezoelectric–Electromagnetic Hybrid Vibrational Energy Harvester for Micropower Applications

压电-电磁混合能量收集器设计通过梯形质量块和微小排斥磁铁优化结构，有限元分析验证其双共振机制，实现640μW峰值输出和102μW/cm3高功率密度，适用于医疗植入和结构监测等低功耗场景。

　　

摘要

本研究专注于一种压电-电磁混合能量收集器的设计，适用于低功耗应用，如传感器和无线节点。该混合能量收集器的结构设计、建模和仿真通过解析分析和有限元分析（FEA）进行了验证。其独特之处在于采用了梯形质量块结构以最小化空气间隙，并使用微型排斥磁铁来降低频率，从而提高整体功率密度。该收集器由一对对悬臂梁组成，每对悬臂梁上分别安装有一个质量块和一个磁铁，构成电磁部分；同时，每个悬臂梁上还装有压电元件和电极，形成压电部分。这两个部分协同工作，构成了一种双共振压电-电磁混合振动能量收集器（DRHEH）。FEA被用来对这种收集器进行建模和仿真。这种简单且紧凑的能量收集器可输出640 μW的峰值功率，功率密度高达102 μW/cm3，足以满足无线节点和微功率传感器在医疗植入物、结构健康监测及国防等应用中的电力需求。

图形摘要

该图形摘要展示了一种新型的双共振压电-电磁混合振动能量收集器（DRHEH），它能够捕捉来自结构源的低频振动并将其转换为电能。该设计采用了带有梯形质量块的悬臂梁结构，结合了压电和电磁机制。通过增强变形效果、磁耦合以及排斥力驱动的频率调节，该收集器提高了功率密度和效率。这种简单且紧凑的能量收集器可输出640 μW的峰值功率，功率密度达到102 μW/cm3，足以满足无线节点和微功率传感器在医疗植入物、结构健康监测及国防等应用中的电力需求。

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。