随着无线传感网络(Wireless Sensor Networks,WSN)的发展,无线传感器节点大量应用于建筑物和桥梁等重要设施的监控,一些传感器被布置在偏远或不方便维护的区域,这要求更高的可靠性和更长的使用寿命,但传统的电池并不能满足这些要求。为了克服这些困扰,人们正在做出更多努力,以更有效的电源解决方案替换传统电池,而无需担心使用寿命,将环境中的能量转化为电能能够很好地解决电池寿命不足的问题。环境中存在各种取之不竭的能量,如何利用环境中的能量并转化所需的电能是急需突破的难点。能量采集器是一种可以将环境中的能量转化为电能的器件,对环境中存在的光能、振动能、热能、风能等能量进行采集,通过物理或者化学方式将采集到的能量转化为电能。能量采集器因其零维护和微型化的优势,在无线传感网络、环境监测、监视、民用基础设施和工业控制中具有很大的应用前景。本文研究了一种基于抗磁悬浮技术的悬浮式气流能量采集器,该悬浮式气流能量采集器主要由提升磁铁、上热解石墨板(HOPG)、悬浮转子、针孔喷嘴和下热解石墨板(HOPG)构成。采用抗磁悬浮技术使悬浮转子稳定悬浮于上热解石墨板和下热解石墨板之间,减少了因活动部件的相互接触导致的能量损失,本项目研究的悬浮式气流能量采集器具有启动条件低、稳定性能高和能量转化率高等优点。首先,结合悬浮式气流能量采集器的结构模型对其工作原理进行详细地解释与分析,并对悬浮式气流能量采集器进行力学及输出特性的理论分析。通过理论方式分析了悬浮转子受到的磁力与抗磁力,解释了悬浮转子能够稳定悬浮的原因。由于悬浮转子受到气流的驱动而旋转,旋转的磁场使得线圈中的磁通量发生变化导致在线圈中产生感应电动势。进一步对悬浮转子受到的驱动力和空气摩擦力以及电磁阻尼力进行理论分析与推导,得到悬浮式气流能量采集器的输出电压和气流量的关系表达式。其次,利用有限元仿真软件COMSOL和MATLAB对悬浮式气流能量采集器的磁场进行仿真分析,计算得到悬浮转子所受的磁力和抗磁力,同时,对其所受合力进行分析,以研究悬浮转子的悬浮特性。进一步使用仿真软件COMSOL对悬浮式气流能量采集器进行流场分析,以获得悬浮转子的气流驱动力。接着利用仿真软件MAXWELL对悬浮式气流能量采集器的输出电压进行分析计算。最后,制定实验方案并搭建实验平台,通过实验测量悬浮式气流能量采集器在一系列气流量条件下的旋转特性与输出特性数据,实验结果验证了理论和仿真分析的正确性。在实验中发现一种改进型的抗磁-气流混合悬浮结构,相对于单一的气悬浮或者抗磁悬浮方式拥有更高输出能力和悬浮空间的优势。实验表明,基于抗磁悬浮技术的悬浮式气流能量采集器拥有较高的输出能力和较低的启动条件,经过整流电路后有望应用于传感器。