《磁性反轉雙穩態微機械電磁振動能量採集機理及其套用》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：磁性反轉雙穩態微機械電磁振動能量採集機理及其套用
- 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
振動能量採集是滿足未來無線感測網與植入式器件供能的關鍵技術，工作頻寬過窄和輸出功率過低是其實用化亟待解決的瓶頸問題。本項目提出將雙穩態振動與磁性反轉相結合的解決思路：一方面使器件工作在周期性井間振動雙穩態，從而明顯提升器件內部的振動能量傳遞效率，另一方面，使得雙穩態切換過程中感應繞組中的磁通量，不僅大小發生變化，更改變其方向，進一步顯著提高上述雙穩態切換過程的能量轉換效率，從而實現機電能量轉換全過程綜合最佳化。為此分析微型化器件中上述機-磁-電耦合機理，闡明調整磁性反轉磁路中周期性井間振動雙穩態所必須遵循的最佳化原則，為器件設計提供理論依據，並採用集成製造方法研製微型化原理樣機，測試並分析器件性能，以驗證上述原理的可行性。本項目是微米尺度上，通過調整交變磁場與非線性振動的相互作用，最佳化機電能量傳遞/轉換過程的有益探索,研究成果也將為解決無線感測網等相關領域的供能問題提供關鍵技術。
結題摘要
振動能量採集是滿足未來無線感測網與植入式器件供能的關鍵技術，工作頻寬過窄和輸出能量不足是其亟待解決的瓶頸問題。為此本項目提出將磁性反轉與雙穩態諧振相結合的解決思路總結上述研究工作，本項目的研究內容及成果主要包括以下幾個方面：（1）提出了描述能量採集器件動態特性的結構動力學回響模型，據此可以分析器件結構形狀、尺寸參數對於靜態力學特性和動態非線性諧振特性的影響規律。（2）建立了器件靜態力學特性、動態非線性諧振回響特性、以及輸出電壓-頻譜特性的自動測試系統。其靜態力解析度可達納牛量級 ，行程解析度可達納米量級。並自動分析記錄不同振動頻率作用下，能量採集器的回響振幅與輸出電壓，為在不同能量域評估所提出模型的正確性與有效性提供了試驗平台。（3）驗證了通過極性反轉與磁路最佳化提高器件能量轉換效率的可行性。理論分析與試驗結果表明，在相同輸入振動的作用下，極性反轉前後器件的輸出電壓可以提高約一個數量級。相同輸入振動作用下，磁路閉合與開路相比，輸出電壓能夠增大約1倍。通過最佳化磁路結構，可以進一步將輸出電壓提升1個數量級。（4）在基於上述模型對器件結構形狀、尺寸參數最佳化的基礎上，提出了器件原理結構方案，試驗結果表明，經過最佳化，器件的工作頻寬可達120Hz。輸出電壓可達100mV以上，體積可縮小至0.2立法厘米以下。 上述成果的科學意義在於，提出並驗證了一種有效提升振動能量採集器工作頻寬和能量轉換效率的可行方法，同時建立起非線性條件下評估結構形狀、尺寸參數對微結構靜力學、動力學回響特性影響規律的分析模型及實驗觀測平台，為理論分析最佳化和試驗驗證提供了分析工具與評估手段。同時揭示了磁路最佳化對於提升振動能量採集器轉換效率的巨大潛力，在工程實踐中，可以根據上述模型有的放矢的調整器件結構形狀、尺寸參數，滿足不同環境振動頻率及工作頻寬的要求。
