【仪表网 研发快讯】在物联网(IoT)设备快速普及的背景下，智能电网、工业自动化及城市基础设施监测等领域对可持续自供能传感解决方案的需求日益迫切。磁-机-电能量收集器(MME-EHs)因其能够从现代基础设施中无处不在的环境杂散磁场中捕获能量并为物联网设备供电，被视为最具潜力的技术路径之一。然而，传统磁-机-电能量收集器在进一步小型化过程中面临显著挑战：受限于悬臂结构的空间，其磁-机-电耦合效率不足，导致输出功率与器件尺寸难以平衡，制约了其在众多空间有限场景中的应用。
针对上述问题，西安交通大学精密微纳制造技术全国重点实验室、电子科学与工程学院刘明教授团队提出了一种多耦合优化策略，通过强化磁-机-电耦合机制，显著提升了小型化磁-机-电能量收集器的输出功率密度。该策略以理论研究为基础，构建了两自由度等效弹簧-质量模型与有限元分析模型，深入揭示了磁机耦合、机械耦合及机电耦合的协同作用机制。
基于上述机制研究，团队通过调整磁-机-电能量收集器中性轴的相对位置和压电/弹性相的抗弯刚度，成功实现了对小型化磁-机-电能量收集器性能的突破性提升。实验结果表明，该策略使磁-机-电能量收集器的输出功率密度实现664%的显著提升——在仅0.97 cm³的微型体积内，器件可以在1 Oe工频弱磁场激励条件下，产生高达0.71 mW的输出功率。其功率密度达到0.73 mW cm⁻³ Oe⁻²，较当前最高性能的同类器件提升了124%，充分体现了其在弱磁场环境中高效捕获能量的独特优势。此外，基于小型化磁-机-电能量收集器，团队开发了自取能无线传感网络，为物联网设备的可持续微功率供应提供了创新解决方案。
图1. 小型化磁-机-电能量收集器及自供能无线传感网络：(a)小型化磁-机-电能量收集器结构示意图；(b)磁-机-电能量收集器输出功率密度和体积对比；(c)基于小型化磁-机-电能量收集器的自供能无线传感网络。
该研究结果以《显著提高紧凑型磁-机-电能量收集器输出功率密度的多重耦合优化策略》(“Multiple-Coupling Optimization Strategy for Significantly Enhancing the Output Power Density of Compact Magneto-Mechano-Electric Energy Harvester”)为题，发表于国际顶级期刊《能源与环境科学》(Energy & Environmental Science，IF=30.8)。西安交通大学为该论文的唯一通讯单位。西安交通大学未来技术学院博士生徐奕维为论文的第一作者，刘明教授、胡忠强教授和吴金根副教授为论文的通讯作者，合作者包括中国电科院的郭经红教高、鞠登峰教高、梁先锋博士，以及北京大学董蜀湘教授。该研究得到了国家重点研发计划项目的支持。
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