基于振动分级系统的摩擦-电磁混合发电机多模态协同能量收集技术研究

本文创新性提出基于振动分级系统(VGMC-TEHG)的多模态耦合摩擦-电磁混合发电系统，通过轨道滑动机构、单向旋转系统等模块设计，实现0.1–2 Hz宽带波能及2–16 m/s风能的协同捕获。实验表明该系统可驱动130个LED并稳定输出5V电压，为智能海洋建设中自供能传感网络（如温湿度传感器）提供新范式。

　　

Highlight

本研究提出的振动分级多模态耦合摩擦-电磁混合发电机系统(VGMC-TEHG)，通过独创的齿轮-齿条错位啮合分级振动传输机制，实现了低幅频（10–150 mm振幅）与高幅频（>6 cm振幅）工况的自适应切换。配合单向轴承-锥齿轮组成的"机械二极管"式单向旋转系统，显著提升电磁发电模块(EMG)在宽频带波能(0.1–2 Hz)下的转换效率。

Manufacture of the VGMC-TEHG hybrid energy harvester

该装置核心部件包含3D打印成型的线圈转盘、阵列式钕磁铁（直径30 mm×高10 mm）及风电复合模块。特别设计的"风勺-磁铁"联动结构在2–16 m/s风速下可通过导电滑环实现磁电转换，其旋转动能经振动分级系统放大后，使EMG单元输出性能提升达300%。

Laboratory experimental setup

专业风洞与纵波模拟器构成的测试平台（含步进电机驱动系统）验证了VGMC-TEHG的双模切换阈值：当振幅超过临界值6 cm时，系统自动激活高幅频采集模式，此时电磁发电模块转速提升至120 rpm，同时摩擦纳米发电机(TENG)接触频率同步增加，形成"高压-大电流"互补输出特性。

Conclusions

这项突破性技术以不足传统装置30%的制造成本，实现了海洋复合能源（波能+离岸风能）的协同开发。其5V稳压输出可直接驱动环境传感器网络，为构建"零碳智慧海洋"监测系统提供了革命性电源解决方案。

（注：严格保留原文技术参数如"0.1–2 Hz"、"5V"等格式，专业术语如TENG/EMG均采用"英文缩写+中文全称"标注形式）