随着无线传感器网络（WSN）和物联网（IoT）的发展，WSN或IoT的稳定供电问题日益突出[1]、[2]。传统电池存在能量密度低、使用寿命短和维护成本高等缺点，不适合长期使用[3]、[4]。因此，开发了自供电的可穿戴/类似皮肤的传感器和传感节点，以实现长期监测和无线通信，这进一步凸显了分布式WSN/IoT传感网络中可持续现场供电的必要性[5]、[6]。实际应用中的节点通常依赖电源管理接口来调节采集的能量，以确保稳定运行[7]、[8]。在众多环境能量源中，低频和超低频振动是可再生且普遍存在的，因此振动能量采集（VEH）成为解决这些问题的有效方法[9]、[10]。
目前，振动能量采集技术包括压电[11]、[12]、[13]、静电[14]、[15]、摩擦电[16]、[17]、[18]和电磁[19]、[20]、[21]方法。其中，电磁振动能量采集器（EVEH）因其高输出功率[22]、长使用寿命和易于阻抗匹配[23]而受到广泛关注。然而，传统的线性电磁采集器仅在其共振频率附近才能高效工作[24]。此外，大多数环境和人体振动属于超低频（通常低于10 Hz）[25]，因此传统EVEH无法产生足够的磁通量变化率和输出电压，限制了其实际应用[26]。实际振动的多方向性进一步加剧了这一限制，因为偏离轴线的振动会显著降低方向敏感型采集器的输出[27]。
近年来，研究人员引入了频率上转换（FUC）机制[28]。最新研究表明，通过在弹簧-摆双电磁采集器中触发内部共振，可以实现FUC，从而显著提高能量采集效率[29]。不过，FUC技术往往伴随着结构复杂性和较大的摩擦损失。另一方面，运动转换机制在实现超低频VEH方面受到了越来越多的关注，这类机制可将超低频或低频线性振动转换为高速旋转运动[30]、[31]，从而提高磁通量变化率和能量转换效率[32]、[33]。目前，运动转换机制包括摆机构、绳索驱动机构、齿轮齿条机构、弹射机构以及基于惯性的转换机构。
在基于摆的能量转换机制方面，范等人[34]提出了一种基于偏心质量的旋转能量采集器。该采集器采用双层悬臂拨片设计，可将超低频振动转换为单向旋转，显著提高了能量采集效率。范等人[35]进一步提出了摆式拨弦旋转能量采集器（PP-REH）。尹等人[36]设计了一种滚动摆动电磁能量采集器（RS-EMEH），在1.1–1.5 Hz的激励下可实现毫瓦级的电能输出。
此外，在绳索驱动的运动转换机制方面，范等人[37]提出了一种双绳旋转转子装置，可将低频振动转换为高速旋转。该采集器在7 Hz激励下可输出46 mW的功率。谭等人[38]提出了一种双自由度（2-DOF）绳索驱动转子，在3 Hz激励下可实现9.4 mW的功率。范等人[39]提出的绳索旋转转子在1.5 Hz激励下可实现9.7 mW的功率，适用于人体步态能量采集。朱等人[40]开发了一种绳索驱动的机械运动开关，从人体膝关节采集能量，随着行走速度从1 km/h增加到7 km/h，采集器的输出功率从10 mW增加到80.1 mW。
在齿轮齿条能量转换机制方面，张等人[41]提出了一种自主熵减少机制（AERM），有效降低了超低频振动的高熵特性。马等人[42]提出了一种类似的振动-旋转调制机制，通过弹簧和磁铁之间的非线性耦合，在2.5 Hz激励下实现了4.3 V的电压和10.8 mW的功率。
在基于弹射的能量转换机制方面，王等人[43]提出了一种高性能旋转能量采集器（REH），通过磁耦合和弹簧储能，在4 Hz激励下实现了3.6倍的旋转速度提升和3.5倍的电压提升。赵等人[44]提出了一种受弹弓启发的轻量化能量采集背包加速器，该装置利用非线性加速机制将低频振动转换为高速旋转，在3 Hz激励下实现了215.1 mW的输出功率。
最后，在基于惯性的能量转换机制方面，罗等人[45]、[46]提出了一种基于惯性的旋转振动能量采集器（InREH）。该采集器利用扭转驱动机构和棘轮离合系统，将超低频线性振动转换为单向高速旋转。然而，InREH仅能有效采集一个方向的振动。受InREH的启发，本文提出了一种螺旋驱动的电磁能量采集器（HDEMEH），该采集器使用螺旋驱动转子将线性振动转换为高速旋转，并集成棘轮-惯性机构和磁芯-线圈转换单元以提高磁通量变化率。此外，HDEMEH还配备了U形夹持槽，可采集多方向振动能量。
本文的结构如下：第2节介绍了螺旋驱动转子的设计和工作原理；第3节建立了机电模型；第4节从理论和实验角度研究了不同结构参数或激励方向对HDEMEH输出电压和功率的影响；第5节简要总结了研究结果。
