[發明專利]一種兩自由度壓電電磁混合式俘能器

在審

• 申請號: 201711121543.9
• 申請日: 2017-11-14
• 公開（公告）號: CN107733284A
• 公開（公告）日: 2018-02-23
• 發明（設計）人: 樊康旗;任獲榮;朱應敏;王衛東;張大興
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18
• 代理公司: 西安吉盛專利代理有限責任公司61108
• 代理人: 張超

本發明屬于可再生能源和微小型發電技術領域，具體涉及一種兩自由度壓電電磁混合式俘能器，至少包括U形懸臂梁、磁鐵、可拆卸式夾具、框架、線圈、圓筒、固定式夾具、彈簧；U形懸臂梁由第一壓電懸臂梁和第二壓電懸臂梁構成，U形懸臂梁的開口端與框架的豎直壁固定連接，U形懸臂梁的自由端與第一磁鐵固定連接；U形懸臂梁、可拆卸式夾具和第一磁鐵構成壓電式俘能器；所述線圈由漆包線沿著圓筒外壁的右半部分繞制而成；所述圓筒與框架的豎直壁固定連接；所述固定式夾具用于夾持第二磁鐵；所述第二磁鐵與第一磁鐵同極相對；所述固定式夾具、第二磁鐵、彈簧和線圈構成電磁式俘能器。本發明結構簡單緊湊、能源收集效率高、使用成本低。

技術領域

本發明屬于可再生能源和微小型發電技術領域，尤其涉及一種基于壓電效應和電磁感應效應的混合式俘能器，適用于微傳感器、微執行器、可穿戴電子設備等需從外界環境俘能進行能量補充的低功耗器件。

背景技術

微電子、微機械、微制造等技術的不斷進步促進了各種微型傳感器、微型執行器、微型信號發射器、可穿戴電子設備等低功耗器件的不斷涌現。這些器件的功耗較小，一般在毫瓦級。目前，這些低功耗器件主要依靠電化學電池供電。電池的儲能有限、使用壽命短，需定期充電或更換，給使用者帶來不便。當低功耗器件工作于偏遠山區、森林、沙漠等無電網覆蓋的環境時，電池的充電或更換很難實現。此外，廢棄電池對環境造成重大污染，許多耕地遭受重金屬污染而無法繼續種植農作物。對廢棄電池的處理也需要大量的社會資源。如果可以從器件的工作環境中收集能量，并轉換為可供器件使用的電能，這將緩解甚至解決低功耗器件的能源問題。

在各類低功耗器件的工作環境中，機械能，尤其是低頻振動能的分布非常廣泛、能源十分豐富，因而現有的壓電式、電磁式微小型俘能器主要以振動能作為收集目標，并將其轉化為可供低功耗器件使用的電能。典型的壓電式俘能器如Liuyang Xiong,Lihua Tang,Brian R.Mace在《Applied Physics Letters》108(2016)：203901撰文“Internalresonance with commensurability induced by an auxiliary oscillator forbroadband energy harvesting”(“通過輔助振子產生的成比例的內共振實現寬帶能源收集”《應用物理快報》)。該文通過將“L”形的壓電懸臂梁與固定于框架的磁鐵進行耦合，導致壓電懸臂梁產生非線性振動，從而拓寬壓電式俘能器的工作帶寬。

典型的電磁式微小型俘能器如Weiqun Liu,Congzhi Liu,Bingyu Ren,Qiao Zhu,Guangdi Hu,WeiqingYang在《Applied Physics Letters》109(2016)：043905撰文“Bandwidth increasing mechanism by introducing a curve fixture to thecantilever generator”(“采用曲面夾具提高懸臂梁式發電機工作帶寬的機制”《應用物理快報》)。該文通過采用曲面形夾具夾持懸臂梁的固定端，使懸臂梁產生非線性振動，通過懸臂梁末端的磁鐵與固定于框架的線圈之間的相對運動，將懸臂梁產生的非線性振動能轉換為電能，從而獲得更大的工作帶寬。