[發(fā)明專利]非線性壓電能量收集裝置

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202111289977.6
• 申請(qǐng)日: 2021-11-02
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN114039508A
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-02-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王哲敏;譚婷;李天潤(rùn);申博文
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類號(hào): H02N2/18
• 分類號(hào): H02N2/18
• 代理公司: 上海漢聲知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31236
• 代理人: 胡晶

本發(fā)明提供了一種非線性壓電能量收集裝置，包括：磁路運(yùn)動(dòng)單元、壓電元件、懸臂梁、波形彈簧、第二立柱、質(zhì)量塊、磁鐵支架、矩形底座以及第一立柱；矩形底座上同一側(cè)豎直安裝第一立柱、第二立柱以及磁鐵支架，磁鐵支架設(shè)置在第一立柱和第二立柱之間；懸臂梁一端固定安裝第一立柱上并設(shè)置為固定端，懸臂梁另一端延伸至磁鐵支架處并設(shè)置為自由端，第二立柱內(nèi)部安裝波形彈簧和質(zhì)量塊，質(zhì)量塊連接波形彈簧；懸臂梁自由端和磁鐵支架上安裝多個(gè)塊狀永磁鐵，懸臂梁固定端安裝壓電元件；磁路運(yùn)動(dòng)單元連接質(zhì)量塊；本裝置通過(guò)引入非線性永磁力增加了能量收集裝置的振幅，提高了能量收集裝置的工作效率并拓寬了能量收集裝置的工作帶寬。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及壓電能量收集領(lǐng)域，具體地，涉及非線性壓電能量收集裝置。

背景技術(shù)

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳感器技術(shù)的發(fā)展與結(jié)合，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生且在我們?nèi)粘Ｉ钪性絹?lái)越重要。但傳感器等電子設(shè)備受限于化學(xué)原電池等方式供能，化學(xué)原電池的能量有限，頻繁的更換電池不僅耗費(fèi)大量的人力物力，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染等問(wèn)題。甚至在一些特殊場(chǎng)合，傳感器節(jié)點(diǎn)的供電電源無(wú)法得到替換，這種相對(duì)落后的傳統(tǒng)供能方式嚴(yán)重制約了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展。因此，利用環(huán)境中廣泛存在的振動(dòng)能量為傳感器等電子設(shè)備供能受到越來(lái)越多的關(guān)注。在這些振動(dòng)能量收集裝置中，壓電能量收集裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，工藝成熟，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)成為目前主流的振動(dòng)俘能裝置之一。

初期的壓電能量收集裝置是以線性懸臂梁為振子的線性能量收集裝置，如專利CN105305882B公開(kāi)了一種多方向壓電振動(dòng)能量收集器。該裝置的俘能單元為懸臂梁-質(zhì)量塊-彈簧的線性組合。這類基于線性結(jié)構(gòu)的壓電能量收集裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但在實(shí)際應(yīng)用中受限于其通頻帶極窄，諧振頻率高，能量收集效率較低等缺陷而難以實(shí)用化。

非線性壓電能量收集裝置的提出拓寬了初期壓電能量收集裝置的工作帶寬，并提高壓電能量收集裝置的工作效率。如專利CN105553331B公開(kāi)了一種非線性低頻壓電振動(dòng)能量收集器，利用永磁體間互相排斥的非線性永磁力實(shí)現(xiàn)非線性能量收集。非線性能量收集裝置雖有效拓寬了能量收集裝置的工作帶寬，降低了其諧振頻率，并通過(guò)增加振子的振幅提高了能量轉(zhuǎn)換效率。但在工作過(guò)程中，特別是當(dāng)外界激勵(lì)較弱時(shí)，這類非線性能量收集裝置難以克服非線性力產(chǎn)生的勢(shì)壘而局限于單個(gè)勢(shì)阱的小幅振動(dòng)，降低了其工作效率和工作帶寬。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種非線性壓電能量收集裝置。

根據(jù)本發(fā)明提供的一種非線性壓電能量收集裝置，包括：磁路運(yùn)動(dòng)單元、壓電元件、懸臂梁、波形彈簧、第二立柱、質(zhì)量塊、磁鐵支架、矩形底座以及第一立柱；

所述矩形底座上同一側(cè)豎直安裝所述第一立柱、所述第二立柱以及所述磁鐵支架，所述磁鐵支架設(shè)置在所述第一立柱和所述第二立柱之間；

所述懸臂梁一端固定安裝所述第一立柱上并設(shè)置為固定端，所述懸臂梁另一端延伸至所述磁鐵支架處并設(shè)置為自由端，所述第二立柱內(nèi)部安裝所述波形彈簧和所述質(zhì)量塊，所述質(zhì)量塊連接所述波形彈簧；

所述懸臂梁自由端和所述磁鐵支架上安裝多個(gè)塊狀永磁鐵，所述懸臂梁固定端安裝所述壓電元件；

所述磁路運(yùn)動(dòng)單元一端安裝在所述第一立柱內(nèi)，所述磁路運(yùn)動(dòng)單元另一端安裝在所述第二立柱內(nèi)并連接所述質(zhì)量塊；

所述磁路運(yùn)動(dòng)單元安裝導(dǎo)磁板，所述懸臂梁自由端和所述磁鐵支架之間設(shè)置所述導(dǎo)磁板。

優(yōu)選地，所述磁路運(yùn)動(dòng)單元還包括：第一柔性橡膠板、第二柔性橡膠板以及第三柔性橡膠板；

所述導(dǎo)磁板包括：第一導(dǎo)磁板和第二導(dǎo)磁板；

所述第一柔性橡膠板設(shè)置為U型，所述第一柔性橡膠板兩端固定安裝所述第一導(dǎo)磁板一端和所述第二導(dǎo)磁板一端；

所述第一導(dǎo)磁板另一端固定連接所述第二柔性橡膠板一端；