[發明專利]雙穩態壓電能量收集裝置

在審

• 申請號: 202111289978.0
• 申請日: 2021-11-02
• 公開（公告）號: CN114039509A
• 公開（公告）日: 2022-02-11
• 發明（設計）人: 譚婷;王哲敏;李天潤;申博文
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 胡晶

本發明提供了一種雙穩態壓電能量收集裝置，固定桿的兩端分別連接矩形上基板和矩形下基板；第一負剛度彈性組件設置在矩形上基板遠離固定桿的一端，第二負剛度彈性組件設置在矩形下基板的一端；懸臂梁的一端設置固定桿的中部位置處，懸臂梁的另一端夾設在第一負剛度彈性組件和第二負剛度彈性組件之間；壓電元件設置在懸臂梁上靠近固定桿的一端；第一波形彈簧設置在第一負剛度彈性組件內，第二波形彈簧設置在第二負剛度彈性組件內。本發明結構簡單，引入負剛度彈性組件的方法實現雙穩態特性，相比常見雙穩態壓電能量收集裝置更易突破非線性勢阱的限制，工作效率更高，實用性更強。

技術領域

本發明涉及壓電能量收集技術領域，具體地，涉及一種雙穩態壓電能量收集裝置，尤其是一種結合負剛度彈性組件的雙穩態壓電能量收集裝置。

背景技術

隨著化石能源的枯竭和清潔可再生能源的發展，作為綠色能源之一的振動能量受到了越來越多的關注。振動能量具有分布范圍廣、可持續、綠色環保等優點并可滿足各種功率段的微機電產品的供能需求。利用壓電材料設計的高效率的振動能量采集裝置仍是目前主流的振動能量俘獲方式之一。壓電式振動能量收集裝置具備成本低廉、結構簡單等優勢受到國內外學者及企業的廣泛關注。

常見的壓電能量收集裝置中的俘能單元是基于線性特性的懸臂梁結構。公開號為CN108365775B的專利文獻公開了一種多方向振動壓電能量收集裝置，包括固定裝置、振動質量塊、四個壓電振子及儲能元件，振動質量塊通過彈簧安裝在固定裝置的底板上或/和頂板上；所述的壓電振子呈T形或L形，壓電振子的豎梁和橫梁上分別設有壓電片，壓電片在每根豎梁和橫梁的所固定處根部設置；四個壓電振子的橫梁分別通過緊固夾具與振動質量塊連接，四個壓電振子位于振動質量塊外側；壓電振子的壓電片通過導線與儲能元件連接。但是該專利文獻在實際應用中受限于其工作頻帶較窄等缺陷，難以實用化。

為了拓寬線性壓電能量收集裝置工作帶寬，并提高壓電能量收集裝置在實際環境中的輸出功率，更多的研究團隊通過引入非線性力的方式提出了雙穩態壓電能量收集裝置。公開號為CN106953545A的專利文獻公開了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。公開號為CN201854207U的專利文獻公開了一種雙穩態結構式壓電能量收集裝置,構成包括固定底座和設置在固定底座上的固定支座,固定支座上設有經固定蓋連接的懸臂梁,懸臂梁的表面設有壓電片,懸臂梁的懸空端部設有橫向的永久磁鐵,永久磁鐵兩端均設有與該端極性相同的磁條；在壓電片和永久磁鐵之間設有可移動質量塊。但是上述專利文獻在工作過程中，特別是當外界激勵較弱時，這類通過引入非線性力實現雙穩態特性的能量收集裝置難以克服非線性力產生的勢壘而局限于單個勢阱的小幅振動，降低了其工作效率和工作帶寬。

公開號為CN208316598U的專利文獻公開了一種壓電能量收集裝置，包括：基座、懸臂梁和多個設置在所述基座上的質量塊，所述懸臂梁的一端連接在所述基座上，所述懸臂梁的另一端連接在一個所述質量塊上，所述懸臂梁的一面上設有壓電層。但是該專利文獻仍然存在受限于工作帶寬的缺陷。

發明內容

針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種雙穩態壓電能量收集裝置。

根據本發明提供的一種雙穩態壓電能量收集裝置，包括固定支架、負剛度彈性組件、懸臂梁、壓電元件以及波形彈簧；

所述固定支架包括矩形上基板、矩形下基板以及固定桿；所述固定桿的兩端分別連接所述矩形上基板和所述矩形下基板；

負剛度彈性組件包括第一負剛度彈性組件和第二負剛度彈性組件；所述第一負剛度彈性組件設置在所述矩形上基板遠離所述固定桿的一端，所述第二負剛度彈性組件設置在所述矩形下基板的一端；

所述懸臂梁的一端設置所述固定桿的中部位置處，所述懸臂梁的另一端夾設在所述第一負剛度彈性組件和所述第二負剛度彈性組件之間；