[發明專利]一種適用于2Hz以下超低頻旋轉的能量收集器

在審

• 申請號: 202211076162.4
• 申請日: 2022-09-05
• 公開（公告）號: CN115459628A
• 公開（公告）日: 2022-12-09
• 發明（設計）人: 芮小博;韓欣欣;李健;張宇;黃新敬;李航;曾周末
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18
• 代理公司: 天津盛理知識產權代理有限公司 12209
• 代理人: 霍慧慧

本發明涉及一種適用于2Hz以下超低頻旋轉的能量收集器，直線導軌的兩端對稱設置有固定座，直線導軌上滑動安裝可移動基座；可移動基座的一側設置壓電懸臂梁，壓電懸臂梁上放置壓電材料，壓電懸臂梁的端部固定安裝質量塊。可移動基座將由重力分量作用沿直線導軌產生位移，當可移動基座與固定座發生碰撞時，會產生瞬時沖擊力，壓電懸臂梁端部的質量塊由于慣性將繼續向原方向運動，質量塊與可移動基座之間產生了相對位移，帶動壓電懸臂梁發生形變，實現壓電能量轉化。本發明結構設計巧妙，可解決激勵頻率遠低于諧振頻率的低效能量收集問題，且能在一個運動周期內達到倍頻的效果，實現能量的高效收集，特別適用于超低頻旋轉環境。

技術領域

本發明屬于能量收集技術領域，具體涉及一種適用于2Hz以下超低頻旋轉的能量收集器。

背景技術

環境能量收集(Ambient Energy Harvesting，AEH)是一種收集環境中無效能源為低功耗器件供電的新興技術，近十年獲得廣泛關注，有潛力突破無線傳感器能源供應瓶頸，擴展無線傳感器網絡應用領域，使傳感器在無人維護的環境中實現長時間網絡監控與數據傳輸，將傳統無線系統提升為一種自供能系統。

在管道等缺乏光照及溫差的環境中，機械能量收集是更具可行性的方案。機械能收集技術將機械運動轉化為集能器組件之間的相對運動，基于壓電、電磁、靜電等原理實現機電能量轉換，具有無污染、性能穩定、易于小型化的優點。根據文獻檢索結果顯示，壓電能量收集具有功率密度高、機電轉換效率高、無需其它能源支持、便于小型化等優勢，利用壓電能量收集有望獲得更高的能量轉化效率。

旋轉運動作為一種具有代表性的機械能來源，在生產生活中大量存在，同樣可以利用壓電、電磁、靜電等原理收集旋轉運動中的機械能。其典型應用研究包括野外無線通信節點、旋轉設備狀態監測、汽車胎壓監測、可穿戴設備供電等。

振動能量收集易實現且發展較早、成果較多，與直線振動不同的是，旋轉運動的線速度方向與旋轉結構同步變化而缺少直接的形變激勵源，研究人員提出了一些產生激勵的方案。重力壓電式是以地球重力場產生的應力周期性變化作為激勵的方案，撥動壓電式是以靜態壓電結構與旋轉結構上突出部分之間的接觸撥動作為激勵的方案，磁力壓電式是以壓電梁末端磁鐵受到的周期性磁力作為激勵的方案。

綜合來看，撥動、磁力、電磁、靜電方法均利用固定-旋轉之間的相對運動產生激勵，低頻段條件的激勵強度下降明顯，且無法適用于獨立封閉的旋轉(無輔助固定端以提供激勵，例如封閉的球、汽車車輪等)。僅重力式適用于封閉旋轉應用，但由于共振的限制而難以設計低頻段方案，尤其是0-2Hz超低頻段。從實際應用需求與現有技術水平的矛盾中可以看出，0-2Hz低頻段高效集能器設計是目前一個亟待研究的問題，需要探索新的激勵及集能機理以突破技術瓶頸。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種適用于2Hz以下超低頻旋轉的能量收集器，實現旋轉環境中的高效能量收集，特別適用于激勵頻率較低的超低頻旋轉環境。

本發明解決其技術問題是通過以下技術方案實現的：

一種適用于2Hz以下超低頻旋轉的能量收集器，其特征在于：包括旋轉盤、直線導軌、固定座、可移動基座、壓電懸臂梁及質量塊，所述旋轉盤的軸線上安裝所述直線導軌，所述直線導軌的中心與旋轉盤圓心重合，所述直線導軌的兩端對稱設置有固定座，所述直線導軌上滑動安裝所述可移動基座，所述可移動基座沿直線導軌在兩個固定座之間單自由度滑動；所述可移動基座的一側設置所述壓電懸臂梁，所述壓電懸臂梁上放置壓電材料，所述壓電懸臂梁的端部固定安裝所述質量塊，所述壓電懸臂梁的長度方向為X軸，寬度方向為Y軸，所述直線導軌方向為Z軸，旋轉盤沿X軸方向進行旋轉，所述可移動基座將由重力分量作用沿直線導軌產生位移，當所述可移動基座與固定座發生碰撞時，產生瞬時沖擊力，所述壓電懸臂梁端部的質量塊由于慣性將繼續向原方向運動，所述質量塊與所述可移動基座之間產生了相對位移，帶動壓電懸臂梁沿Z軸方向發生形變，實現壓電能量轉化。

而且，所述旋轉盤的的運行過程分為四個階段：