張 端，陳挺任，王滿州

(1.浙江工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、軟件學(xué)院，浙江杭州 310023；2.浙江工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，浙江杭州 310023)

0 引言

隨著微電子技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)和微流控技術(shù)的革新，一大批具有體積小，壽命長(zhǎng)，功耗低等特點(diǎn)的傳感器被廣泛應(yīng)用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)以及物聯(lián)網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、植入式醫(yī)療檢測(cè)、汽車胎壓監(jiān)測(cè)等社會(huì)生活中多方面的功能需求[1]。然而，能源供應(yīng)成為制約傳感器節(jié)點(diǎn)推廣應(yīng)用的主要瓶頸之一。目前無線傳感器節(jié)點(diǎn)中最為常見的供電方式還是使用化學(xué)電池，但是電池有壽命較短、對(duì)環(huán)境有一定污染、需要定期更換等缺點(diǎn)和不便。一個(gè)可行的替代方案是采用自給能源，也就是利用能量收集技術(shù)在傳感器節(jié)點(diǎn)所處的環(huán)境捕獲能量。自然界中存在不同頻率和強(qiáng)度的振動(dòng)，眾多學(xué)者紛紛考慮振動(dòng)能量收集技術(shù)，將環(huán)境中的振動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能為傳感器節(jié)點(diǎn)供電[2-8]。2014年，BERDY D F等人利用磁懸浮技術(shù)設(shè)計(jì)的電磁式振動(dòng)能量收集裝置在2 Hz的工作頻率下，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的平均功率為342 mW[9]。2015年，浙江工業(yè)大學(xué)的張端副教授等人設(shè)計(jì)了一款低頻振動(dòng)能量收集裝置，該裝置在1 Hz的振動(dòng)頻率下產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可達(dá)1.5 V，最大有效功率為12.02 mW[10]。2016年，美國(guó)的PEDCHENKO A V等人設(shè)計(jì)了一款電磁振動(dòng)能量收集裝置，在最佳頻率為8 Hz的振動(dòng)下，能夠獲取75 mW的功率[11]。

文章設(shè)計(jì)的一款擺動(dòng)式電磁低頻振動(dòng)能量收集裝置具有以下特點(diǎn)：

(1)形成了閉合磁路，擺動(dòng)過程中閉合磁路交替通斷從而產(chǎn)生線圈電動(dòng)勢(shì)，漏磁少；

(2)擺動(dòng)式結(jié)構(gòu)易于起振和維持振動(dòng)；

(3)通過擺動(dòng)磁軛與外部磁軛上齒的合理布置，從原理上消除了電磁裝置中容易出現(xiàn)的切向磁力(即定位力)，消除了裝置擺動(dòng)的主要阻力；

(4)裝置還采用了多齒結(jié)構(gòu)，提高鐵芯中磁通量的變化頻率。

1 結(jié)構(gòu)模型和工作原理

1.1 擺動(dòng)式電磁能量收集裝置的結(jié)構(gòu)

擺動(dòng)式電磁振動(dòng)能量收集裝置的結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。該結(jié)構(gòu)包括具有對(duì)稱磁齒的外部上磁軛、外部下磁軛、放置線圈的鐵芯、永磁體支架、永磁體、擺動(dòng)上磁軛、擺動(dòng)下磁軛和漆包線線圈。外部上磁軛和下磁軛均由軟磁材料制成，它們固定于裝置的外殼(圖中未表示)。永磁體為圓柱體，借助上下支架與外部上、下磁軛形成整體，永磁體上部為N極，下部為S極。上、下支架均為軟磁材料零件。永磁體采用磁能積、矯頑力和剩磁比較高的稀土材料NdFeB。擺動(dòng)上磁軛和下磁軛內(nèi)均有半圓孔，而半圓孔的另一側(cè)則加厚，以保證外界振動(dòng)下擺動(dòng)磁軛可獲得較大的轉(zhuǎn)矩。擺動(dòng)上磁軛和下磁軛通過鐵芯相連形成一個(gè)固聯(lián)的整體，它們均由軟磁材料制成，鐵芯上纏繞漆包銅線圈。擺動(dòng)上磁軛和下磁軛通過軸與外殼相接，能相對(duì)外殼轉(zhuǎn)動(dòng)，外殼由非導(dǎo)磁材料制成。為了滿足裝置既能夠產(chǎn)生有效電壓，又能夠滿足小巧的要求，擺動(dòng)式電磁振動(dòng)能量收集裝置尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)如下：永磁體設(shè)定外徑為6 mm，高度為18 mm的圓柱體；外部磁軛厚度為5 mm，外徑為100 mm，齒頂直徑為80 mm；擺動(dòng)磁軛厚度為5 mm，齒底直徑為70 mm，齒頂直徑為79.8 mm ，同時(shí)擺動(dòng)磁軛內(nèi)部切割一個(gè)半徑為30 mm的半圓孔；鐵芯直徑為6 mm，高度為20 mm。

圖1 擺動(dòng)式電磁振動(dòng)能量收集裝置去除外殼圖

外部上磁軛和下磁軛具有均勻布置在內(nèi)部的12個(gè)齒，齒頂與齒底寬度相同，均為15°轉(zhuǎn)角。擺動(dòng)上磁軛、擺動(dòng)下磁軛同樣具有均勻布置的8個(gè)齒，齒頂與齒底的轉(zhuǎn)角角度比為4∶11，其中齒頂轉(zhuǎn)角為12°，齒底轉(zhuǎn)角為33°。該結(jié)構(gòu)保證了擺動(dòng)磁軛上的齒頂與外部磁軛的齒頂正對(duì)時(shí)，擺動(dòng)磁軛上其相鄰的齒頂就會(huì)和外部磁軛的某齒底正對(duì)。此時(shí)會(huì)有4個(gè)擺動(dòng)磁軛磁齒與外部磁軛磁齒相連，而另外4個(gè)擺動(dòng)磁軛的磁齒與外部磁軛磁齒間隙相對(duì)。

1.2 能量收集裝置的工作原理

圖2 擺動(dòng)磁軛受力分析圖

根據(jù)能量守恒定律公式可得：

(1)

式中：W1為擺動(dòng)過程產(chǎn)生的電能，W；W2為摩擦力所做的功，W；m為擺動(dòng)磁軛的質(zhì)量，kg；v1為初始速度，m/s；v2為擺動(dòng)過程中的速度，m/s；β為裝置擺放時(shí)與水平面的夾角，rad；G為擺動(dòng)磁軛所受重力，N；r為質(zhì)心P到轉(zhuǎn)軸之間的距離，m。

f=f1+f2

(2)

式中：f1為擺動(dòng)磁軛受到的磁力，N；f2為擺動(dòng)磁軛受到的摩擦力，N。

由于裝置設(shè)計(jì)的巧妙性，大幅減少了擺動(dòng)磁軛擺動(dòng)過程中受到的摩擦力，因此摩擦力做功忽略不計(jì)。根據(jù)式(1)和式(3)可得

(3)

從式(3)可以看出，電能W1與擺動(dòng)角度、質(zhì)心到轉(zhuǎn)軸距離、擺動(dòng)磁軛質(zhì)量、擺動(dòng)過程中受到磁力大小等都有關(guān)。

隨著擺動(dòng)磁軛繞轉(zhuǎn)軸擺振，擺動(dòng)上、下磁軛的齒頂與外部上、下磁軛的齒頂間氣隙寬度發(fā)生變化，穿過線圈的磁通量也隨之發(fā)生變化，從而在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。根據(jù)電磁感應(yīng)定律：線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可以表示為

(4)

式中：Ecoil為線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，V；N為線圈匝數(shù)；Ψ為磁鏈，即穿過N匝線圈的磁通量之和，Wb；φ為穿過單匝線圈的磁通量。

圖3給出了5個(gè)擺動(dòng)的位置，從位置1到位置5是擺動(dòng)磁軛瞬時(shí)針擺動(dòng)30°的5個(gè)中間位置。為便于分析，把位置1中擺動(dòng)上磁軛上齒頂與外部上磁軛齒頂正對(duì)的4個(gè)齒暫定為第一組，而擺動(dòng)磁軛的另外4個(gè)齒定為第二組；同樣可以確定擺動(dòng)下磁軛上的第一組齒和第二組齒，在位置2到位置5過程中均采用此分組方法。下面分析擺動(dòng)至位置1～5時(shí)，線圈磁通的變化：

位置1：擺動(dòng)上磁軛的第一組4個(gè)齒頂與外部上磁軛齒頂正對(duì)。磁力線由永磁體N極發(fā)出，經(jīng)過永磁體上支架、外部上磁軛、氣隙、擺動(dòng)上磁軛第一組齒、鐵芯、擺動(dòng)下磁軛第一組齒、氣隙、外部下磁軛、永磁體下支架，回到永磁體S極。該位置下，與第一組齒相連的線圈中磁感應(yīng)強(qiáng)度為最大，磁通量為最大值，與第二組齒相連的線圈中磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁通量為最小。此外，也會(huì)有占總磁通很小一部分的漏磁，通過外部上磁軛、擺動(dòng)上磁軛第二組齒、鐵芯、外部下磁軛第二組齒，永磁體下支架，回流永磁體；或者通過擺動(dòng)上磁軛第一組齒、鐵芯、擺動(dòng)下磁軛第二組齒，外部下磁軛，永磁體下支架，再回流永磁體。

位置2：擺動(dòng)磁軛順時(shí)針擺動(dòng)，其第一組齒頂與外部磁軛齒頂對(duì)應(yīng)面積逐漸減小，而第二組齒頂與外部磁軛齒頂對(duì)應(yīng)面積逐漸增大。磁感應(yīng)強(qiáng)度在第一組齒上損耗加大，在第二組齒上損耗減小。磁力線從永磁體N極出發(fā)，經(jīng)永磁體上支架、外部上磁軛所有齒、擺動(dòng)上磁軛、鐵芯、擺動(dòng)下磁軛、外部下磁軛、永磁體下支架回到永磁體S極。此時(shí)，擺動(dòng)磁軛第一組齒對(duì)應(yīng)的線圈中磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁通量隨擺動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)逐漸減小，而第二組齒對(duì)應(yīng)的線圈中磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁通量隨擺動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)逐漸增大。

位置3：擺動(dòng)磁軛順時(shí)針繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，其第一組齒與外部磁軛的齒相互錯(cuò)位，正對(duì)面積歸零，同時(shí)第二組齒與外部磁軛的齒對(duì)應(yīng)面積達(dá)到最大。磁力線從永磁體N極發(fā)出，經(jīng)過永磁體上支架、外部上磁軛、外部上磁軛磁齒、擺動(dòng)上磁軛第二組齒、鐵芯、擺動(dòng)下磁軛第二組齒、外部下磁軛、永磁體下支架到永磁體S極，與位置1的情形互為反向。此時(shí)，與第一組齒相關(guān)的線圈中磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁通量為最小值，僅有少量漏磁通過；與第二組齒對(duì)應(yīng)的線圈中磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁通量為最大值。

位置4：繼續(xù)順時(shí)針擺動(dòng)，擺動(dòng)磁軛的第一組齒頂與外部磁軛齒頂對(duì)應(yīng)面積逐漸增大，第二組齒頂與外部磁軛齒頂對(duì)應(yīng)面積逐漸減小。此時(shí)磁力線與位置2的情況類似，磁力線會(huì)同時(shí)穿過擺動(dòng)磁軛上所有的齒，穿過線圈的磁通方向相同，而磁通增量方向相反，線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向也相反。

位置5：從位置1以來，擺動(dòng)磁軛順時(shí)針轉(zhuǎn)角達(dá)到30°。第一組齒對(duì)應(yīng)的線圈中磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁通量回到最大值，第二組齒對(duì)應(yīng)的線圈磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁通量回到最小值，磁通量完成一個(gè)周期變化。

圖3 裝置擺動(dòng)30°過程中的5個(gè)位置

2 參數(shù)設(shè)定與優(yōu)化

2.1 參數(shù)設(shè)定

為獲得最優(yōu)裝置參數(shù)，使用Ansoft Maxwell有限元分析軟件對(duì)裝置進(jìn)行求解，通過靜態(tài)仿真對(duì)裝置的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并利用動(dòng)態(tài)仿真分析模型工作效率。

首先使用Ansoft Maxwell根據(jù)上文給出的結(jié)構(gòu)參數(shù)建立模型，之后進(jìn)行材料設(shè)定。設(shè)定永磁體選擇剩磁密度為1.3 T，矯頑力為450 KA/m的NdFeB稀土材料。導(dǎo)磁材料的選擇為軟磁材料硅鋼。

完成整個(gè)模型的材料設(shè)定之后，需要對(duì)裝置模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分是將結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行有限元分解，便于Ansoft Maxwell軟件進(jìn)行求解。網(wǎng)格劃分的尺寸會(huì)影響裝置模型仿真結(jié)果的精確度，尺寸越小精確度越高，同時(shí)運(yùn)算的時(shí)間也就越長(zhǎng)，仿真中選擇0.1 mm的網(wǎng)格劃分尺寸。

求解是根據(jù)需求設(shè)定不同的求解項(xiàng)，文章根據(jù)漏磁和磁飽和等問題對(duì)裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行仿真，并根據(jù)結(jié)果對(duì)裝置進(jìn)行優(yōu)化。

2.2 參數(shù)優(yōu)化

雖然設(shè)計(jì)了閉合磁路，少量漏磁仍難以避免；同時(shí)，軟磁材料的選擇，結(jié)構(gòu)尺寸的變化，都會(huì)影響線圈中的磁感應(yīng)強(qiáng)度，從而影響裝置的發(fā)電效率。文章運(yùn)用Ansoft Maxwell軟件對(duì)裝置做靜態(tài)仿真，從氣隙寬度、相對(duì)磁導(dǎo)率和擺動(dòng)齒厚度3個(gè)角度定量分析了參數(shù)變化對(duì)線圈中磁感應(yīng)強(qiáng)度和邊緣效應(yīng)的影響。

圖4(a)表示了擺動(dòng)磁軛與外部磁軛處于圖2位置1時(shí)，氣隙寬度變化對(duì)鐵芯中磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響?？諝獾南鄬?duì)磁導(dǎo)率較低，氣隙較大時(shí)，磁路中的磁力線會(huì)向外擴(kuò)散，引起邊緣效應(yīng)。靜態(tài)仿真設(shè)置氣隙寬度從0.1～1 mm逐漸增大。從圖中可以看到，氣隙寬度為0.1 mm時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度為最大。隨氣隙寬度變大，鐵芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度單調(diào)減?。粴庀秾挾仍酱?，磁損耗越嚴(yán)重。但氣隙寬度過小，加工難度將急劇上升。因此，氣隙寬度定為0.15 mm。

選擇軟磁材料考慮的主要因素是相對(duì)磁導(dǎo)率，相對(duì)磁導(dǎo)率較小時(shí)，導(dǎo)磁性能太差，相對(duì)磁導(dǎo)率較高時(shí)，軟磁材料加工工序繁復(fù)，價(jià)格昂貴，增加裝置成本。圖4(b)是相對(duì)磁導(dǎo)率與鐵芯中磁感應(yīng)強(qiáng)度之間的關(guān)系圖。隨著相對(duì)磁導(dǎo)率增大，鐵芯中磁感應(yīng)強(qiáng)度不斷變大。當(dāng)相對(duì)磁導(dǎo)率大于6 000時(shí)，曲線趨于平滑，磁感應(yīng)強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢。同時(shí)考慮到成本因素，文章裝置選擇相對(duì)磁導(dǎo)率為6 000的硅鋼。

圖4(c)是擺動(dòng)磁軛厚度與鐵芯中磁感應(yīng)強(qiáng)度之間的關(guān)系圖。調(diào)整厚度，擺動(dòng)磁軛齒頂或者外部磁軛齒頂面積(二者相等)隨之增大，鐵芯中磁感應(yīng)強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)，說明選擇適當(dāng)?shù)臄[動(dòng)磁軛厚度，可以有效改善邊緣效應(yīng)和減小整個(gè)裝置運(yùn)行過程中的漏磁。但在該厚度達(dá)到4.5 mm之后，上升趨勢(shì)變緩，本裝置的擺動(dòng)磁軛和外部磁軛的齒厚度均選擇5 mm。

2.3 定位力與轉(zhuǎn)矩分析

裝置擺動(dòng)過程中，靜止的外部磁軛與運(yùn)動(dòng)的擺動(dòng)磁軛間會(huì)有磁力，該磁力通常會(huì)形成運(yùn)動(dòng)的阻力，使運(yùn)動(dòng)件靜止下來，停留在磁力最大的位置上，有外界干擾使運(yùn)動(dòng)件離開該位置后，也會(huì)被磁力拉回，穩(wěn)定在原位置，這就是所謂定位力，這在電機(jī)中極常見的，因此電機(jī)需要較大的外部能量驅(qū)動(dòng)。但對(duì)低頻的振動(dòng)能量收集裝置，環(huán)境振動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力本身較小，定位力會(huì)使裝置無法工作，這是振動(dòng)能量收集裝置在設(shè)計(jì)上與電機(jī)明顯的不同之處。

分析本裝置的受力。由于擺動(dòng)磁軛、外部磁軛的齒分布的對(duì)稱性，擺動(dòng)磁軛徑向所受外部磁軛的磁力理論上合力為0。以圖3位置1為例，考慮在外界振動(dòng)下擺動(dòng)磁軛略順時(shí)針方向偏離圖中位置時(shí)的切向磁力。此時(shí)，按上節(jié)區(qū)分的擺動(dòng)磁軛第一組齒受其正對(duì)的外部磁軛上齒的逆時(shí)針方向磁力；而第二組齒受其相鄰兩個(gè)外部磁軛上齒的方向相反磁力，但兩磁力的合力為順時(shí)針方向的磁力，由第一、第二組齒后磁路的對(duì)稱性可知，第二組齒所受順時(shí)針與第一組齒逆時(shí)針磁力大小相等，可以平衡，因此理論分析出位置3的定位力為0。

(a)鐵芯中磁感應(yīng)強(qiáng)度和氣隙寬度之間關(guān)系

(b)鐵芯中磁感應(yīng)強(qiáng)度和相對(duì)磁導(dǎo)率之間關(guān)系

(c)鐵芯中磁感應(yīng)強(qiáng)度和轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁磁軛厚度之間關(guān)系圖4 靜態(tài)仿真結(jié)果

進(jìn)一步，通過靜態(tài)仿真驗(yàn)證圖3的位置2處，磁導(dǎo)率在1 000～9 000變化時(shí)，擺動(dòng)磁軛切向和徑向的受力情況。由圖5可知，擺動(dòng)在2個(gè)方向上的受力均mN數(shù)量級(jí)，擺動(dòng)在不同相對(duì)磁導(dǎo)率情況下受力會(huì)有變化，其中切向最大磁力為34 mN，徑向最大磁力為50 mN 。也就是擺動(dòng)所受切向定位力為34 mN。而裝置中擺動(dòng)采用的材料為硅鋼，根據(jù)擺動(dòng)的體積和硅鋼密度計(jì)算得出擺動(dòng)的總重量為34.2 N，遠(yuǎn)大于擺動(dòng)收到的定位力34 mN 。由此可以得知，裝置的定位力可忽略不計(jì)。

(a)擺動(dòng)磁軛切線方向受力和相對(duì)磁導(dǎo)率之間的關(guān)系

(b)擺動(dòng)磁軛徑向受力和相對(duì)磁導(dǎo)率之間的關(guān)系圖5 擺動(dòng)磁軛切線和徑向方向上的受力

根據(jù)上面參數(shù)優(yōu)化的結(jié)果，確定Maxwell動(dòng)態(tài)仿真的參數(shù)：氣隙寬度為0.15 mm，相對(duì)磁導(dǎo)率為6 000，磁軛厚度為5 mm，單個(gè)鐵芯上所繞漆包線圈為1 000匝，導(dǎo)線直徑為0.3 mm，直流電阻率 為241.8 Ω/km，線圈內(nèi)徑為3 mm，外徑為5 mm。Maxwell的運(yùn)動(dòng)設(shè)置為從圖2的位置1擺動(dòng)，擺動(dòng)周期為1 s，擺角為30°。

仿真得出擺動(dòng)磁軛擺動(dòng)過程中所受轉(zhuǎn)矩與時(shí)間關(guān)系如圖6所示，從圖6可以看出，擺動(dòng)時(shí)所受轉(zhuǎn)矩在-49.2～25.8 mN·m之間變化。擺動(dòng)重心位距離轉(zhuǎn)軸30 mm處，計(jì)算得出裝置實(shí)際所受到的最大定位力為1.667 N，遠(yuǎn)小于擺動(dòng)磁軛自身所受重力34.2 N，因此擺動(dòng)基本不受定位力的影響。

圖6 擺動(dòng)轉(zhuǎn)矩分析

3 仿真結(jié)果

參數(shù)優(yōu)化后的裝置，其線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和線圈磁鏈的仿真結(jié)果如圖7所示，優(yōu)化后的單個(gè)線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值約為0.28 V，8個(gè)線圈總電壓值為2.24 V 。優(yōu)化后的裝置能量收集效率為優(yōu)化前的3.5倍。圖8為優(yōu)化后的裝置的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖。

綜上，根據(jù)公式：

R=Nρπ(di+d0)/2

(5)

式中：R為一匝線圈總電阻，Ω；N為線圈匝數(shù)；ρ為直流電阻率，Ω/m；π為圓周率；di為線圈內(nèi)徑，m；d0為線圈外徑，m。

計(jì)算出單個(gè)線圈上的電阻為24.3 Ω。根據(jù)公式：

(6)

(a)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與時(shí)間的關(guān)系曲線

(b)線圈中磁鏈與時(shí)間的關(guān)系曲線圖7 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果

位置1

位置2

位置3

位置4

位置5

式中：P為裝置最大發(fā)電功率；Ucoil為8個(gè)線圈產(chǎn)生的總電動(dòng)勢(shì)；R為一匝線圈的內(nèi)阻。

當(dāng)負(fù)載電阻等于線圈內(nèi)阻時(shí)負(fù)載有效功率可達(dá)最大。計(jì)算得出負(fù)載最大有效功率為103.2 mW。對(duì)比2017年1月刊登的文獻(xiàn)[12]，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)精巧的電磁振動(dòng)能量收集裝置，在6 Hz頻率的手動(dòng)搖擺下能夠產(chǎn)生2.92 mW的功率。文章裝置與之相比，雖然體積和線圈數(shù)略微大一些，但是發(fā)電功率提升很大。因此文章裝置優(yōu)勢(shì)明顯。

4 結(jié)論

文章提出一種擺動(dòng)式電磁振動(dòng)能量收集裝置，設(shè)計(jì)了外圈12齒內(nèi)圈8齒結(jié)構(gòu)，最大化平衡了裝置擺動(dòng)時(shí)受到的電磁定位力。同時(shí)，裝置的擺動(dòng)重心偏移原點(diǎn)的設(shè)置，能夠充分感應(yīng)裝置本身加速度的變化以及所在平面的變化，有效地收集能量。利用Ansoft Maxwell動(dòng)態(tài)仿真，該裝置在擺動(dòng)頻率為1 Hz的情況下，產(chǎn)生的總感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可達(dá)2.24 V，最大有效功率為103.2 mW，可為多數(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電，具有一定應(yīng)用前景。