基于耦合共振与紧凑结构设计的宽带电磁振动能量采集器创新研究

本文设计了一种新型电磁振动能量采集器（EVEH），通过混合刚柔平面弹簧集成磁铁与线圈，并将锚点结构内置于器件内部，显著缩小体积并实现双自由度耦合共振。该器件在0.1 g加速度下工作带宽达36–64 Hz，峰值输出功率165.4 μW，在变频率环境振动中展现出高效能量采集潜力，为嵌入式健康监测系统（如轨道交通应用）提供微型化解决方案。

　　

Highlight

传统电磁振动能量采集器（EVEH）通常基于单一共振组件，其结构常见特征为磁铁或线圈作为质量块，通过锚定在器件外围区域的弹簧悬挂。这种结构存在两大缺点：一是难以缩小器件尺寸；二是共振模式数量及带宽受限。尽管已有研究尝试通过非线性方法或多模态策略拓宽带宽，但多数方案需额外机械组件或复杂调谐流程。

Concept of the proposed EVEH device

本研究提出一种新型EVEH结构，通过将磁铁与线圈共同集成于单一混合刚柔平面弹簧上，并将锚点结构移至器件内部，有效减少整体占地面积。该磁铁-线圈组装体构成双自由度耦合共振系统，可激发多重振动模式，从而显著扩展器件带宽。

Manufacturing of the EVEH

器件各组件采用分立制造与专用工具组装。弹簧层由300 μm厚柔性聚酰亚胺弹簧与500 μm厚FR4增强结构（垫片）组成，通过激光铣削技术与刚柔结合印刷电路板（PCB）工艺制备。PCB技术亦用于实现器件内部电气连接。磁铁、线圈等核心元件通过精确定位与粘接工艺集成于弹簧结构表面。

Manufacturing results

概念验证原型如图7所示。一对N35钕铁硼圆柱形磁铁（剩磁约1.2 T）以相反极性绑定于平面弹簧的中心类三叶草结构，并通过螺栓进一步固定。两个线圈粘附于弹簧最外环表面，其输出电压通过串联连接提升。测试表明，该结构在0.1 g加速度下实现36–64 Hz带宽，56 Hz时峰峰值电压达1.94 V。在575 Ω匹配电阻下，最大输出功率为165.4 μW。在0.25 g与0.5 g加速度下，最大输出功率分别升至1.92 mW与4.14 mW，且因非线性效应，工作带宽进一步拓宽至33 Hz（32–65 Hz）与48 Hz（22–70 Hz）。

Conclusion

本研究成功开发出一种紧凑型双共振耦合电磁振动能量采集器。通过结构创新与内部锚点设计，器件垂直空间减少32.2%（从31.1 mm降至21.1 mm），适用于空间受限场景。双自由度共振系统实现双重振动模式，将工作带宽扩展至36–64 Hz（0.1 g加速度下），并在更高加速度下因非线性效应进一步拓宽带宽。该设计为变频率环境振动下的高效能量采集提供了可行方案，尤其适用于嵌入式健康监测与自供电传感应用。