[發明專利]一種對角壓縮的雙穩態板式壓電能量收集裝置

有效

• 申請號: 201710271776.0
• 申請日: 2017-04-24
• 公開（公告）號: CN106953545B
• 公開（公告）日: 2019-06-04
• 發明（設計）人: 鄧華夏;王哲敏;杜宇;于連棟;張進;馬孟超;鐘翔
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18
• 代理公司: 合肥金安專利事務所(普通合伙企業) 34114
• 代理人: 彭超

一種對角壓縮的雙穩態板式壓電能量收集裝置，包括一個或一個以上的矩形板狀的壓電能量收集單元，以及夾持壓電能量收集單元的邊緣并向壓電能量收集單元提供向心壓縮力的夾具。壓電能量收集單元包括一矩形板狀的柔性矩形板，以及貼合在柔性矩形板表面的柔性壓電元件。本發明相比與常見的采用軸向壓縮的單層雙穩態板式壓電能量收集裝置，不僅可以實現多向調節，具有更寬的頻率響應范圍和更高的輸出功率；而且利用夾具對柔性矩形板角點處的向心壓縮力調節，柔性矩形板表面貼合的柔性壓電元件受力更加均勻，可充分發揮壓電材料的壓電特性，發電效率更高。

技術領域

本發明屬于壓電能量收集領域，具體涉及一種雙穩態板式壓電能量收集裝置。

背景技術

如今傳感網絡的應用十分普遍，物聯網技術的發展推動了傳感網絡的使用。隨著電子技術以及其他相關領域的技術發展，制造功耗越來越低的傳感器已經實現，傳感網絡的能量供給需求降低，一些傳感網絡的功率已經降低至毫瓦量級。

傳感網絡主要通過化學電池供能，雖然傳感網絡的功耗降低可以延長電池的使用時間，但是電池的更換會付出大量的成本，而且在一些特大型傳感網絡中更換電池幾乎難以實現。為了克服電池供能帶來的問題，一些研究提出能量收集技術的概念，通過收集自然環境中耗散的能量為傳感網絡供能。振動廣泛存在于自然環境中并具有較高的能量密度，振動能量收集技術對應用環境的要求較低，可以提供較為穩定的能量。振動能量收集技術主要有電磁式能量收集技術；靜電式能量收集技術和壓電式能量收集技術。壓電能量收集技術相比另外兩種振動能量收集技術具有結構簡單，輸出電壓和功率高等顯著的優點，已成為振動能量收集技術的主要研究方向，利用壓電能量收集技術設計的壓電能量收集裝置受到越來越多的關注。

近十年來，雙穩態壓電能量收集技術因為具有可收集振動能量的頻帶寬等重要的特性得到了特別的關注。雙穩態系統具有兩個穩定的勢能最低點，當雙穩態系統從一個穩定位置轉移到另一個穩定位置會實現更大的位移幅值。正是由于雙穩態系統具有的非線性特征，雙穩態壓電能量收集技術相比于線性能量收集技術可以有效的收集更寬頻率的振動能量。

現有的雙穩態壓電能量收集裝置需要通過永磁體引入非線性永磁力才能實現雙穩態結構，永磁體在振動能量收集過程中不僅易受周圍磁場的影響，同時它本身產生的磁場也會對附近的電子元器件產生影響，難以與微型電子元器件兼容。還有一類免磁鐵的雙穩態壓電能量收集裝置采用軸向壓縮力實現雙穩態結構，軸向壓縮力只能實現單向調節，不易實現雙穩態結構；此外僅利用軸向壓縮力會使裝置中的壓電元件受力不均，難以充分發揮壓電材料的壓電特性，發電效率較低難以滿足電子元器件的供能要求。

發明內容

本發明為了解決已有基于線性系統設計的壓電能量收集裝置存在工作頻帶較窄，能量收集效率低下的缺陷和基于非線性永磁力的雙穩態壓電能量收集裝置引入電磁干擾，以及免磁鐵雙穩態壓電能量收集裝置只能單向調節軸向壓縮力不易實現雙穩態結構且難以發揮壓電材料的壓電特性，發電效率較低等缺陷，提供了一種免磁鐵的對角壓縮的雙穩態板式壓電能量收集裝置。利用夾具對柔性矩形板角點處的向心壓縮力調節，柔性矩形板表面貼合的柔性壓電元件受力更加均勻，可充分發揮壓電材料的壓電特性，發電效率更高。本發明通過夾具從上到下夾持多層雙穩態板的技術方案，提高壓電能量收集裝置的輸出電量和功率。本發明提供的對角壓縮的多層雙穩態板式壓電能量收集裝置相比與常見的采用軸向壓縮的單層雙穩態板式壓電能量收集裝置的空間利用率較高，可以實現多向調節，具有更寬的頻率響應范圍和更高的輸出功率。

本發明是通過以下技術方案實現的：