《基於頻率和模態最佳化的微型永磁振動發電機的研究》是依託上海交通大學，由趙小林擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：基於頻率和模態最佳化的微型永磁振動發電機的研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：趙小林
- 依託單位：上海交通大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
微型振動發電機可以把環境中普遍存在的低頻機械振動能轉化成電能，是無線感測器、植入式感測器等各種低功耗電子器件長期、全天候供能的主流方案之一。目前能量轉換效率過低已成為這類器件研究需要解決的關鍵問題。發電過程中，永磁體和感應線圈繞組的相對運動形式是決定能量轉換效率的主要因素之一。在大量前期研究工作基礎上，本項目提出將最佳化相對運動頻率與最佳化相對運動模態相結合的研究思路，藉助集成製造的三維微結構把輸入的低頻直線振動轉化為永磁體相對於感應線圈繞組的高頻扭擺振動，從而明顯提高能量轉換效率。據此提出一種新型振動式發電機的器件結構方案、進行流片和封裝，並測試其性能，以驗證上述原理的可行性和有效性。本項目是微米尺度上提高發電過程能量轉換效率的有益嘗試，有望從根本上克服集成製造的微型振動發電機能量轉換效率過低的缺點，對於解決無線感測器、植入式感測器的長期供能問題、推進其套用具有深遠的科學意義和促進作用。
結題摘要
本項目提出了將頻率和模態最佳化相互結合提高微機械永磁振動發電效率，並採用MEMS微加工技術實現微型振動發電機的集成製造，從而為解決無線感測器和植入式感測器等低功耗器件的全天候、長期供電問題提供可行的方法。對於進一步提高現有器件性能而言，難點是如何在微型化的器件中有效拓展器件的工作頻寬、同時提高器件的能量轉換效率，對此本項目採用了非線性振動拓展器件回響頻寬的方法，結合模態最佳化和磁路最佳化以提高器件的能量轉換效率，從而探索出切實可行，具備原創性的解決方案,取得的成果有: (1)通過對器件中的平面彈簧的拓撲最佳化，使器件的工作頻寬達到了28Hz@180Hz，與國內外相關研究相比，在頻寬相當的情況下、器件體積縮小了1到2個數量級。相關論文已在Applied Physics Letters等期刊發表；(2)通過器件中平面彈簧的拓撲最佳化，使得器件能夠在100Hz附近的頻率下實現扭擺模態的振動，理論分析與實驗測試結果表明：與相近頻率的垂直振動模態相比，器件的開路輸出電壓提高了一倍以上；通過線上圈繞組中嵌入軟磁鐵芯的方法實現器件磁路的最佳化，理論分析與實驗測試結果表明，與最佳化前無鐵芯的磁路相比，無論是相同輸出電壓還是相同輸入振動加速度的條件下，最佳化後器件的能量轉換效率都比最佳化前增加了50%以上，上述研究為提高器件的能量轉換效率提供了新的可行思路；(3) 綜合運用UV-LIGA和其他非矽表面微加工技術，實現了器件原型樣機的集成製造，樣機體積小於6×6×4mm3，從而形成了具有批量製造潛力的成套工藝。
