Magnetostrictive biomechanical energy harvester with a hybrid force amplifier

能量收集 放大器 磁致伸缩 电压 电气工程 功率(物理) 机械能 能量(信号处理) 声学 工程类 材料科学 磁场 机械工程 物理 CMOS芯片 量子力学
作者
Huifang Liu,Xinxin Zhao,Hongkai Liu,Jiaxin Yang
出处
期刊:International Journal of Mechanical Sciences [Elsevier BV]
卷期号:233: 107652-107652 被引量:14
标识
DOI:10.1016/j.ijmecsci.2022.107652
摘要

Vibrating energy harvesters, capable of converting mechanical energy into electrical energy, have attracted unprecedented interest in both academia and industry because of their great potential for harvesting energy induced by human activity and energy around the body, and to drive low-power wearable biosensors and electronics, micro-robots, and implantable biomedical devices. In this paper, based on the magnetostrictive inverse effect, we propose a magnetostrictive vibration harvester using Terfenol-D, which generates electrical energy when subjected to human movement. A hybrid force amplification frame is integrated in this harvester to amplify weak biological movements. The detailed mathematical model of the multi-stage force amplification process is established, the hybrid force amplifier is also designed in detail, and its structural dimensions are optimized. The position and form of the bias magnetic field arrangement based on the Terfenol-D harvester is systematically analyzed. The experiment shows that 4.13 V peak voltage and 426.4 mW peak power are generated when the harvester is fully compressed. The output power is 213.16 mW and 371.43 mW at an average acceleration of 2.5 g for slow walking and 4 g for jogging, respectively. The results of this study suggest that the combination of rod Terfenol-D and force amplification mechanisms can be used to design bio-vibrational energy harvester with excellent performance, which is especially suitable for self-powered wearable electronic devices.
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