[發(fā)明專利]多方向?qū)掝l壓電能量收集裝置

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202111289983.1
• 申請(qǐng)日: 2021-11-02
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN114039510A
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-02-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 譚婷;王哲敏;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)明提供了一種多方向?qū)掝l壓電能量收集裝置，包括支撐組件、傳動(dòng)組件以及俘能組件；傳動(dòng)組件的一端滑動(dòng)設(shè)置在支撐組件上，傳動(dòng)組件的另一端連接設(shè)置在俘能組件上，俘能組件滑動(dòng)設(shè)置在支撐組件上；支撐組件包括固定底座、矩形空心立柱以及T型立柱；矩形空心立柱豎直安裝在固定底座上，T型立柱豎直安裝在固定底座上；矩形空心立柱和T型立柱相互抵接設(shè)置；傳動(dòng)組件的兩端分別連接設(shè)置在矩形空心立柱和俘能組件上，俘能組件滑動(dòng)設(shè)置在T型立柱上。本發(fā)明所設(shè)計(jì)的能量收集裝置結(jié)構(gòu)緊湊，可用于各種機(jī)械結(jié)構(gòu)中，相比常見(jiàn)的壓電能量收集裝置具有更高的體積能量密度和更寬的工作帶寬。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及壓電振動(dòng)能量收集技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種多方向?qū)掝l壓電能量收集裝置，尤其是一種利用齒輪齒條傳動(dòng)的多方向?qū)掝l壓電能量收集裝置。

背景技術(shù)

振動(dòng)俘能器件的設(shè)計(jì)與研究越發(fā)受到人們的重視，作為一種環(huán)保型能源器件，通過(guò)收集環(huán)境中無(wú)處不在的振動(dòng)能量并轉(zhuǎn)換為電能可源源不斷的為低功耗設(shè)備提供能源。隨著社會(huì)的電子化與信息化程度不斷增加，各種微型電子設(shè)備組成的電子元器件如可穿戴設(shè)備，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)在日常生活中的使用逐漸普及，目前這類裝置的能源供給主要依賴于化學(xué)原電池。化學(xué)原電池雖然在一段時(shí)間內(nèi)可以為電子元器件提供穩(wěn)定的能量，但是化學(xué)原電池的能量有限，在其電能完全耗盡前需要及時(shí)更換。頻繁更換電池不僅會(huì)帶來(lái)較高的人力物力成本，而且在一些應(yīng)用場(chǎng)合及時(shí)更換電池難以實(shí)現(xiàn)。例如隨著傳感器網(wǎng)絡(luò)布局的規(guī)模越來(lái)越大，一些中等規(guī)模的傳感器網(wǎng)絡(luò)需要上萬(wàn)的供電節(jié)點(diǎn)，電池的更換難度極大。此外在一些偏遠(yuǎn)地區(qū)，例如山區(qū)和遠(yuǎn)洋，為了更換電池付出的成本將會(huì)急劇增加。而振動(dòng)能量收集裝置具有替代化學(xué)原電池的能力，而且自然界中源源不斷的振動(dòng)能量確保了振動(dòng)俘能裝置工作的穩(wěn)定性與長(zhǎng)久性。相比能量密度有限的化學(xué)原電池，振動(dòng)俘能裝置無(wú)需頻繁更換，不會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染。其工作壽命取決于結(jié)構(gòu)與材料壽命，從而工作時(shí)長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于化學(xué)原電池的工作時(shí)長(zhǎng)。因此利用振動(dòng)俘能裝置收集環(huán)境中廣泛存在的振動(dòng)能量為微型電子設(shè)備供能具有非常重要的意義。

壓電能量收集是目前常見(jiàn)的振動(dòng)能量收集裝置類型之一，利用正壓電效應(yīng)的壓電俘能裝置具有工作效率高，易于集成，成本低廉等優(yōu)勢(shì)而快速發(fā)展。最初的壓電能量收集裝置是利用線性懸臂梁振子的共振型線性壓電能量收集裝置，線性壓電能量收集裝置只能在結(jié)構(gòu)的共振頻率附近實(shí)現(xiàn)高效的工作，而非共振狀態(tài)下其輸出效率將極大降低，造成線性壓電能量收集裝置的工作帶寬極窄。但是環(huán)境中的振動(dòng)頻率分布較廣，而且大多數(shù)情況下環(huán)境中的振動(dòng)不是穩(wěn)定在單一頻率附近，所以線性壓電俘能器件并不適用。此外考慮到外界環(huán)境中振動(dòng)的隨機(jī)性，其方向有可能隨激勵(lì)情況的變化而變化。所以實(shí)現(xiàn)壓電能量收集裝置的多方向振動(dòng)收集性能并拓寬壓電器件的工作帶寬對(duì)于提升實(shí)用性十分重要。

目前對(duì)于多方向能量收集裝置的實(shí)現(xiàn)方式大多是通過(guò)布置振子的不同朝向來(lái)實(shí)現(xiàn)。公開(kāi)號(hào)為CN106899234A的專利文獻(xiàn)公開(kāi)了一種壓電式多向振動(dòng)能量收集裝置，用于解決現(xiàn)有壓電式能量收集裝置存在的收集方向單一和頻帶寬度窄的技術(shù)問(wèn)題，包括固定座、設(shè)置在固定座上的支架、內(nèi)梁、外梁、彈性元件、支撐桿、環(huán)形元件、第一磁性塊和第二磁性塊；內(nèi)梁包括第一彈性基板、粘貼在第一彈性基板固定端的第一壓電片和粘貼在第一壓電片上的第一電極；外梁包括第二彈性基板、粘貼在第二彈性基板固定端的第二壓電片和粘貼在第二壓電片上的第二電極；第二彈性基板固定在支架上，第一彈性基板、彈性元件和支撐桿位于第二彈性基板的缺口內(nèi)，且第一彈性基板與第二彈性基板垂直；第一彈性基板的固定端與彈性元件的自由端固定，并通過(guò)環(huán)形元件懸掛在支撐桿的自由端。公開(kāi)號(hào)為CN108270370B的專利文獻(xiàn)公開(kāi)了一種多向的寬頻的壓電式振動(dòng)能量收集裝置的實(shí)現(xiàn)方法，該裝置采用回型懸梁臂結(jié)構(gòu)，將壓電元件粘貼在每塊彈性基板，既可以收集到環(huán)境x方向和z方向的振動(dòng)能量，也可收集到環(huán)境中不同頻率的振動(dòng)能量，該裝置回形結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)能夠縮小各個(gè)彈性基板的一階諧振頻率與二階諧振頻率的相差倍數(shù)，從而在一定尺寸的設(shè)計(jì)下，可以很好地實(shí)現(xiàn)拓寬頻帶的功能。

目前對(duì)于寬頻壓電俘能裝置的設(shè)計(jì)有兩種常見(jiàn)的方式，分別是非線性壓電能量收集裝置和多模態(tài)陣列式壓電能量收集裝置。