Comsol摩擦发电机
摩擦起电效应与静电感应原理推动摩擦发电机成为能量收集领域的研究热点。其结构简单、柔性可塑的特性，在自供电传感、环境机械能转化等场景展现独特优势。借助Comsol多物理场仿真，可深入探究电荷转移机制与输出性能，为器件设计提供理论支撑。
1.摩擦发电机简介
摩擦发电机是一种基于摩擦起电效应和静电感应原理将机械能转化为电能的装置，具有结构简单、成本低、可柔性化等特点，在能量收集、自供电传感器等领域展现出广阔的应用前景。
摩擦发电机的工作原理主要基于以下两个物理现象：（1）摩擦起电：两种不同材料相互摩擦时，由于原子对电子的束缚能力不同，电子会从束缚能力弱的材料转移到束缚能力强的材料上，使两种材料分别带上等量异种电荷；（2）静电感应：当带有电荷的摩擦材料与另一导体靠近时，会使导体内部的电荷重新分布，从而在导体两端产生电势差。
图1. 摩擦发电机实物图
2.物理场建模
摩擦发电机三维几何模型包括金属铝电极、PTFE电极和空气域。具体物理场建模材料参数和边界条件如下所示。
图2. 物理场建模条件
3.网格划分
在Comsol模拟摩擦发电机时，网格划分是影响计算精度与效率的关键环节。需依据器件结构特点与物理场分布进行差异化处理：
对于摩擦层与电极等关键区域（如接触界面、电荷集中部位），需采用细密网格，通过减小单元尺寸捕捉电荷转移与电场畸变的细节，设置最大单元尺寸为特征长度1/10-1/20，并启用边界层网格以强化界面处电场梯度的计算精度。
非关键区域（如支撑结构、空气域）可使用稀疏网格，通过增大单元尺寸降低计算量，同时需确保网格质量参数（如雅可比行列式、纵横比）在合理范围内（雅可比≥0.7，纵横比≤10），避免数值计算误差。此外，可通过网格收敛性测试验证划分方案：逐步细化关键区域网格，对比输出电压、电荷密度等参数的变化，当结果波动小于5%时视为网格收敛，确保仿真结果的可靠性。
图3. 网格质量分布
4.结果展示
图4. 电势分布
图5. 电场分布
图6. 电位移分布
图7. 电极化密度分布
图8. 截线电势分布
