[發明專利]一種非對稱復合式寬頻帶振動能量收集器

在審

• 申請號: 202010039725.7
• 申請日: 2020-01-15
• 公開（公告）號: CN111130387A
• 公開（公告）日: 2020-05-08
• 發明（設計）人: 溫泉;路莊;溫志渝
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18;H02K35/02
• 代理公司: 重慶華科專利事務所 50123
• 代理人: 康海燕

本發明提出一種非對稱復合式寬頻帶振動能量收集器，包括外殼以及位置與外殼內的拾振梁、壓電片、永磁體和線圈。所述拾振梁兩端與外殼固定，形成雙端固支梁結構。所述拾振梁沿其軸向中心線為非對稱結構；所述拾振梁中間位置固定永磁體，在靠近兩端的位置分別設置壓電片，在外殼內對應永磁體的位置設置線圈，形成壓電/電磁復合式能量收集結構。本發明利用了雙端固支梁振動時的非線性特性，在無須任何輔助結構的條件下即可實現振動能量收集器的頻帶拓展，從而提高了能量獲取效率。

技術領域

本發明涉及振動能量收集器結構，屬于微能源領域。

背景技術

近年來，無線傳感網絡(WSN)技術得以快速發展，作為一種監測手段，其在生活、交通、工業、國防等領域做出了巨大貢獻。然而，如何為數以萬計的無線傳感網絡節點供電成為制約其發展的重要瓶頸。目前，這些無線傳感網絡節點大多采用電池供電，但是電池壽命有限，其更換和廢舊電池的處理必然會帶來更高的成本。微型環境能量收集器是解決無線傳感網絡節點供電問題的有效途徑，可用于無線傳感網絡節點供電的環境能量主要包括太陽能、風能、振動能、射頻輻射能等。

振動能是一種廣泛存在于環境中的能量，目前對振動能的收集大多采用壓電懸臂梁結構，然而，作為一種線性結構，壓電懸臂梁僅在其固有頻率附近很小的范圍內獲得較大的電學輸出，因此，如何拓展振動能量收集器的頻帶寬度，以提高其能量獲取效率，是促使振動能量收集器邁向實用化的關鍵技術。同時，單一的機電轉化方式對能量收集器的能量轉化效率貢獻有限，多種機電轉換方式并存的復合式能量收集方案成為環境能量收集領域的另一個重要發展方向。

發明內容

針對上述問題，本發明提供一種非對稱復合式寬頻帶振動能量收集器，采用非對稱結構以及壓電/電磁復合式能量收集方案，提升能量收集器的輸出性能，同時也是一種簡單的能夠實現振動能量收集器頻帶拓展的結構。

本發明的技術方案如下：

一種非對稱復合式寬頻帶振動能量收集器，包括外殼以及位置與外殼內的拾振梁、壓電片、永磁體和線圈。

所述拾振梁兩端與外殼固定，形成雙端固支梁結構。所述拾振梁沿其軸向中心線為非對稱結構；所述拾振梁中間位置固定永磁體，在靠近兩端的位置分別設置壓電片，在外殼內對應永磁體的位置設置線圈，形成壓電/電磁復合式能量收集結構。

本發明通過雙端固支梁結構實現振動能量收集器的寬頻帶特性，其基本原理是利用雙端固支梁結構在振動過程中變化的軸向拉力構造非線性，根據非線性共振的多值性并利用其高能支輸出實現振動能量收集器的頻帶拓展。

本發明的雙端固支梁結構可以被看作是非線性彈簧-質量塊-阻尼系統(拾振結構)，當能量收集器外殼隨振源一起振動時，拾振結構由于和外殼存在相位差而發生相對位移，由于雙端固支梁振動時的軸向拉力構造了彈簧的三次非線性，故而拾振結構在激勵頻率大于固有頻率附近的較寬范圍內發生非線性共振，鑒于非線性共振的多值性，這種振動能量收集器在諧振頻率處會發生跳躍現象。

本發明通過將拾振梁設計為沿其軸向中心線為非對稱結構，使得結構在彎曲振動的同時增加了扭轉振動，從而大大提升了振幅，能量收集器的輸出性能(尤其是電磁部分)也得以大幅提升。

相比于對稱結構，非對稱結構由于增加了額外的扭轉振動自由度，其在一階共振時的振幅也會大大增加，故而非對稱結構的振動能量收集器能夠獲得更大的輸出電壓和功率。(建議給出實驗對比數據)

由此可見，本發明優點在于：簡單高效、無附加結構或驅動、不會增加器件的體積。同時，非對稱結構以及在拾振梁上附著壓電片在提升能量收集器輸出性能的同時并不會影響能量收集器整體尺寸，從而增加了器件的空間利用率。即本發明無需任何輔助結構即可拓展振動能量收集器的頻帶響應寬度，從而提高能量收集器的能量獲取效率。

附圖說明

圖1是本發明的能量收集器結構示意圖；