【儀表網 研發快訊】在物聯網(IoT)設備快速普及的背景下，智能電網、工業自動化及城市基礎設施監測等領域對可持續自供能傳感解決方案的需求日益迫切。磁-機-電能量收集器(MME-EHs)因其能夠從現代基礎設施中無處不在的環境雜散磁場中捕獲能量并為物聯網設備供電，被視為最具潛力的技術路徑之一。然而，傳統磁-機-電能量收集器在進一步小型化過程中面臨顯著挑戰：受限于懸臂結構的空間，其磁-機-電耦合效率不足，導致輸出功率與器件尺寸難以平衡，制約了其在眾多空間有限場景中的應用。
針對上述問題，西安交通大學精密微納制造技術全國重點實驗室、電子科學與工程學院劉明教授團隊提出了一種多耦合優化策略，通過強化磁-機-電耦合機制，顯著提升了小型化磁-機-電能量收集器的輸出功率密度。該策略以理論研究為基礎，構建了兩自由度等效彈簧-質量模型與有限元分析模型，深入揭示了磁機耦合、機械耦合及機電耦合的協同作用機制。
基于上述機制研究，團隊通過調整磁-機-電能量收集器中性軸的相對位置和壓電/彈性相的抗彎剛度，成功實現了對小型化磁-機-電能量收集器性能的突破性提升。實驗結果表明，該策略使磁-機-電能量收集器的輸出功率密度實現664%的顯著提升——在僅0.97 cm³的微型體積內，器件可以在1 Oe工頻弱磁場激勵條件下，產生高達0.71 mW的輸出功率。其功率密度達到0.73 mW cm?³ Oe?²，較當前最高性能的同類器件提升了124%，充分體現了其在弱磁場環境中高效捕獲能量的獨特優勢。此外，基于小型化磁-機-電能量收集器，團隊開發了自取能無線傳感網絡，為物聯網設備的可持續微功率供應提供了創新解決方案。
圖1. 小型化磁-機-電能量收集器及自供能無線傳感網絡：(a)小型化磁-機-電能量收集器結構示意圖；(b)磁-機-電能量收集器輸出功率密度和體積對比；(c)基于小型化磁-機-電能量收集器的自供能無線傳感網絡。
該研究結果以《顯著提高緊湊型磁-機-電能量收集器輸出功率密度的多重耦合優化策略》(“Multiple-Coupling Optimization Strategy for Significantly Enhancing the Output Power Density of Compact Magneto-Mechano-Electric Energy Harvester”)為題，發表于國際頂級期刊《能源與環境科學》(Energy & Environmental Science，IF=30.8)。西安交通大學為該論文的唯一通訊單位。西安交通大學未來技術學院博士生徐奕維為論文的第一作者，劉明教授、胡忠強教授和吳金根副教授為論文的通訊作者，合作者包括中國電科院的郭經紅教高、鞠登峰教高、梁先鋒博士，以及北京大學董蜀湘教授。該研究得到了國家重點研發計劃項目的支持。
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