[發(fā)明專利]能量采集設(shè)備和方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201380039064.6
• 申請(qǐng)日: 2013-05-24
• 公開（公告）號(hào): CN104904110B
• 公開（公告）日: 2017-11-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: Y·賈;J·燕;A·A·塞西亞;K·索加
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 劍橋企業(yè)有限公司
• 主分類號(hào): H02N2/18
• 分類號(hào): H02N2/18
• 代理公司: 北京潤平知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司11283
• 代理人: 孫向民,肖冰濱

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及能量采集設(shè)備和方法，該能量采集設(shè)備和方法用于從振動(dòng)源(諸如周圍或環(huán)境振動(dòng))采集或收集能量。

背景技術(shù)

在常規(guī)能量采集器中，直接共振器或在一些情況中多個(gè)直接共振器響應(yīng)于輸入振動(dòng)，例如該輸入振動(dòng)是能量采集器連接到其上的結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。(在該技術(shù)領(lǐng)域中，直接共振器也可以稱為線性或普通共振器。)該振動(dòng)激勵(lì)共振器并且該共振器例如通過共振器承載的永久磁體被電力地衰減，使得它在導(dǎo)電線圈附近振蕩以提取電功率輸出。這種能量采集器可以以已知方式用于充電電池或操作電子裝置，該電子裝置諸如自包含裝置中的傳感器和/或無線傳輸器。

這種常規(guī)能量采集器遭受數(shù)個(gè)問題，這些問題限制它們用于將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為電能的效能。兩個(gè)問題特別地與共振器的性能有關(guān)。首先，常規(guī)能量采集器中的共振器具有特別的共振頻率并且僅可以被接近那個(gè)共振頻率的振動(dòng)頻率有效地激勵(lì)。可用于驅(qū)動(dòng)能量采集器的自然的或周圍的振動(dòng)傾向于包含多種或一系列振動(dòng)頻率，并且直接共振器僅可被接近共振器的共振頻率的窄帶的可用振動(dòng)頻率激勵(lì)。已經(jīng)用于解決這個(gè)問題的一種方法是并入能量采集器不同共振頻率的多個(gè)直接共振器，但這增加能量采集器的復(fù)雜性。第二，可存儲(chǔ)在直接共振器中的功率密度被限制為驅(qū)動(dòng)振動(dòng)幅值的線性函數(shù)，并且這約束了能夠從輸入振動(dòng)傳遞到常規(guī)能量采集器中的共振器的能量。

本發(fā)明人認(rèn)為，解決常規(guī)能量采集器的這些限制的替代方法可能是使用參數(shù)共振的現(xiàn)象。但本發(fā)明人意識(shí)到僅僅一個(gè)現(xiàn)有技術(shù)試圖研究將參數(shù)共振用于能量采集，并且這個(gè)研究發(fā)現(xiàn)了重要的問題。這在M.Daqaq,C.Stabler,Y.Qaroush and T.Seuaciuc-Osório的以下論文中被描述，“Investigation of Power Harvesting via Parametric Excitations”,J.Intel.Mat.Syst.Str.,vol.20,no.5,pp.547-557,2009.Daqaq等人執(zhí)行以承載檢測重物的彈性懸臂梁(elastic cantilever beam)的形式的參數(shù)激勵(lì)的共振器的性能的實(shí)驗(yàn)研究。該梁的共振被電力地衰減以提取電功率輸出。Daqaq等人報(bào)告的問題是，需要閾值振動(dòng)幅值來激勵(lì)參數(shù)共振器，并且因此，他們的能量采集器中的參數(shù)共振器不能采集低幅值輸入振動(dòng)。這急劇地減小他們的采集器可以收集的能量。相比之下，在包括直接共振器的常規(guī)能量采集器中，不存在這種閾值振動(dòng)幅值。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供如所附獨(dú)立權(quán)利要求中限定的用于采集能量的能量采集器和方法，現(xiàn)在將參考獨(dú)立權(quán)利要求。本發(fā)明的優(yōu)選的或有利的特征在從屬子權(quán)利要求中被闡述。

本發(fā)明在優(yōu)選實(shí)施方式中因此可以提供一種能量采集器，該能量采集器包括第一機(jī)械放大器和第二機(jī)械放大器。第一機(jī)械放大器響應(yīng)于諸如周圍或環(huán)境振動(dòng)的輸入振動(dòng)，使得第一機(jī)械放大器可以被該振動(dòng)激勵(lì)或致動(dòng)。第二機(jī)械放大器被耦合到第一機(jī)械放大器使得第一和第二機(jī)械放大器按第一和第二機(jī)械自由度操作或提供第一和第二機(jī)械自由度。第一和第二機(jī)械放大器彼此可以直接耦合或者它們可以通過一個(gè)或更多個(gè)另外的機(jī)械自由度被耦合。第一和第二機(jī)械放大器的至少一個(gè)，但優(yōu)選地僅僅一個(gè)包括參數(shù)共振器。能量采集器功率輸出通過阻尼過程被生成，但有利地或優(yōu)選地，該阻尼過程不在第一機(jī)械放大器上操作。優(yōu)選地，能量采集器功率輸出通過衰減第二機(jī)械放大器而生成。

在本發(fā)明的一些方面中，用于生成能量采集器功率輸出的阻尼過程可以在第一和第二機(jī)械放大器上操作，使得能量采集器的總能量輸出的一部分從每一個(gè)機(jī)械放大器被提取。但在本發(fā)明的大多數(shù)實(shí)施中重要的是，第一機(jī)械放大器的阻尼被減小或最小化，使得能量采集器的能量輸出的至少一部分，并且優(yōu)選地能量輸出的全部，優(yōu)選地通過衰減第二機(jī)械放大器被提取。

本發(fā)明的實(shí)施方式因此可以利用參數(shù)共振的特性(包括與直接共振器相比的激勵(lì)振動(dòng)頻率的較寬帶寬和較高功率密度)，而這里描述的耦合的第一和第二機(jī)械放大器的布置用于最小化或減小參數(shù)共振器的啟動(dòng)閾值幅值。這可以有利地解決現(xiàn)有技術(shù)中的Daqaq等人描述的問題，并且允許較小幅值振動(dòng)的有效采集。