[發明專利]一種壓電式多方向、寬頻帶振動能量收集裝置

在審

• 申請號: 202010042533.1
• 申請日: 2020-01-15
• 公開（公告）號: CN111049426A
• 公開（公告）日: 2020-04-21
• 發明（設計）人: 劉文光;吳興意
• 申請（專利權）人: 南昌航空大學
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18
• 代理公司: 南昌市平凡知識產權代理事務所 36122
• 代理人: 張文杰

本發明公開了一種壓電式多方向、寬頻帶振動能量收集裝置,該裝置包括底座、懸臂梁、壓電陶瓷片、永磁鐵，底座由沿著空間直角坐標系X、Y軸方向分布的4根水平梁和沿Z軸方向的1根豎直梁組成；所有懸臂梁的固支端根部都粘貼有壓電陶瓷片、自由端都固定有永磁鐵，并按照固有頻率的高低依次排列，分別安裝在4根水平梁的上表面和豎直梁的四個側面，固定在水平梁上的懸臂梁自由端的永磁鐵與對應豎直梁上固有頻率相同的懸臂梁自由端的永磁鐵同名磁極面兩兩正對，水平梁上每相鄰的兩個懸臂梁的相鄰面上都固定有另一對同名磁極面兩兩正對的永磁鐵。本發明可以高效率的收集空間任意方向的、寬頻帶范圍的振動能量，空間利用率高，實用性強。

技術領域

本發明涉及振動能量收集領域，主要涉及一種壓電式多方向、寬頻帶振動能量收集裝置。

技術背景

在日常生活中，有很多系統或裝置都會產生不同頻率的振動，這些振動本身是帶有能量的，并且這種振動能量具有較高的能量密度，具有一定的利用價值。然而，這些振動能量往往會被忽視和遺忘。為了能實現對周圍環境中振動能量的收集，于是人們提出了各種壓電式振動能量收集技術。

壓電式振動能量收集技術利用了壓電材料的正壓電效應，即當對壓電材料施以物理壓力使其發生一定程度的形變時，材料體內之電偶極矩會因壓縮而變短，此時壓電材料為抵抗這變化會在材料相對的表面上產生等量正負電荷。為更好地在振動環境中應用這一效應，人們將壓電材料與懸臂梁式結構結合，將壓電材料粘貼在懸臂梁結構的夾持端根部附近，通過周圍的振動環境引起懸臂梁產生共振效應，從而使夾持端根部附近的壓電材料發生形變而產生電能，此時懸臂梁結構的夾持端根部應力最大，因此該位置的正壓電效應最佳。

在此基礎上，研究者設計了很多不同形式的壓電懸臂梁振動能量收集裝置。但是，目前的壓電式懸臂梁振動能量收集裝置大多只能收集單一方向上的振動能量，且能量收集效率有限。除此此外，大部分的壓電懸臂梁振動能量收集裝置的通頻帶較窄，只能收集小范圍頻域的振動能量。例如中國專利（公開號CN 110282593）公開了一種雙向振動的壓電能量收集裝置，該裝置在基體的水平方向和豎直方向上分布有壓電材料，依靠基體水平方向上受力變形使壓電材料變形產生電能，因此該裝置只能收集單一方向上的振動能量，并且只有在外部激勵的振動頻率接近或等于該梁的固有頻率時，才會引起該懸臂梁因共振發電；如中國專利（公開號CN 107317511 A）公開了一種易越過勢壘的雙穩態壓電能量收集裝置，該裝置的懸臂梁一端固定在第一固定桿上且在自由端設有一塊永磁鐵，另一塊永磁鐵固定在第二固定桿上且兩磁鐵相互排斥，因此該裝置只對沿豎直方向上的振動敏感，因此只能收集此方向上的振動能量，并且收集頻域范圍較窄，收集效率不高。

因此，設計一種高效率的壓電式多方向、寬頻帶振動能量收集裝置具有較大的研究及應用價值。

發明內容

本發明目的在于提供一種壓電式多方向、寬頻帶振動能量收集裝置，能夠實現多方向、寬頻域的振動能量的高效率收集。

為實現上述目的，本發明的通過以下技術方案來實現：

一種壓電式多方向、寬頻帶振動能量收集裝置，其特征在于：該裝置包括底座、懸臂梁、壓電陶瓷片、永磁鐵，所述的底座由沿著空間直角坐標系X、Y、Z軸方向分布的4根水平梁和1根豎直梁組成，沿X、Y方向分布的四根水平梁的上表面垂直分布著一組寬度厚度相同、長度不同的懸臂梁（即固有頻率不同的懸臂梁），沿Z方向的豎直梁的四個側面均垂直分布著一組寬度厚度相同、長度不同的懸臂梁，并與其他四根水平梁上的懸臂梁相對應，且每組懸臂梁按固有頻率的高低從里向外依次排列。所有的懸臂梁的固支端根部都粘貼有壓電陶瓷片，自由端都固定有永磁鐵。固定在水平梁上的懸臂梁自由端的永磁鐵與豎直梁上的懸臂梁自由端的永磁鐵同名磁極面兩兩正對，該對磁鐵的作用是實現水平梁與豎直梁的聯動，安裝在水平梁上每相鄰的兩個懸臂梁的相對的面上相同高度位置處都固定有另一對永磁鐵。這一對永磁鐵的同名磁極面也是兩兩正對，其作用是實現水平梁間的相互聯動。