面向脚步激励的单轴直线运动能量采集器的非线性模型与优化方法

我们提出并建立了一种用于脉冲激励的单轴直线运动动能采集器的电学与机械系统模型，该模型可将其生成的负载功率作为设计参数的函数进行数值优化。该装置由一组由一个或多个间隔磁体组成的组件构成，磁体由磁弹簧悬吊，并在沿轴线运动时穿过一个或多个线圈。可优化的设计参数包括线圈数量、线圈高度、线圈间距、磁体数量、磁体间距以及物理尺寸。我们利用所提模型针对附着于人腿时所经历的脉冲式运动设计最优能量采集器。我们生成了若干优化设计，并按预测负载功率输出排序。随后构建了三种最佳设计，并在附着于人体受试者腿部时进行受控的实际评估。结果表明，实测输出功率的排序与优化预测的排序一致，且数值模型正确预测了复杂运动下生成功率的相对差异。还发现三种设计均大幅优于基线设计。最佳能量采集器在由脚步驱动（测得峰值冲击约 2.2g）时，向 40$\Omega$ 测试负载生成平均功率 3.01mW。就器件尺寸而言，这对应于 179.380$\mu\text{W/cm}^3$ 的功率密度。