[發(fā)明專利]基于沖擊倍頻的2Hz以下超低頻旋轉(zhuǎn)高效集能器及設(shè)計方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202211076172.8
• 申請日: 2022-09-05
• 公開（公告）號: CN115459629A
• 公開（公告）日: 2022-12-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 芮小博;韓欣欣;李健;張宇;李航;黃新敬;封皓;沙洲;曾周末
• 申請（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18;H02K35/02;G06F30/20
• 代理公司: 天津盛理知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 12209
• 代理人: 霍慧慧

本發(fā)明涉及一種基于沖擊倍頻的2Hz以下超低頻旋轉(zhuǎn)高效集能器及其設(shè)計方法，當(dāng)自由激勵球運動到集能器的兩側(cè)，自由激勵球與二級壓電集能壓電材料層相互作用，二級壓電集能襯底被擠壓而與撥動觸點接觸產(chǎn)生形變，實現(xiàn)動能向電能和彈簧勢能的轉(zhuǎn)化，并通過彈簧作用于一級壓電集能壓電材料層，實現(xiàn)一級壓電結(jié)構(gòu)換能；當(dāng)集能器繼續(xù)翻轉(zhuǎn)時，彈簧勢能將以機械力形式推動自由激勵球獲得更高的反向速度，隨后進入后半周期重復(fù)以上過程。本發(fā)明通過兩級壓電結(jié)構(gòu)和線圈設(shè)計，實現(xiàn)自由激勵球?qū)杉墘弘娊Y(jié)構(gòu)的往復(fù)變化激勵，在一個周期內(nèi)按照壓電?電磁?壓電?電磁的順序?qū)πD(zhuǎn)環(huán)境中的能量進行收集，適用于低頻旋轉(zhuǎn)環(huán)境，實現(xiàn)對其他結(jié)構(gòu)如傳感器節(jié)點的能量供應(yīng)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于能量收集技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于沖擊倍頻的2Hz以下超低頻旋轉(zhuǎn)高效集能器及其設(shè)計方法。

背景技術(shù)

傳感器作為信息獲取的重要手段，與通信、計算機并稱為“現(xiàn)代信息技術(shù)三大支柱”，涉及國民經(jīng)濟及國防科研的各個領(lǐng)域。傳感技術(shù)正在向智能化、微型化、低功耗化、無線化等方向發(fā)展，未來將會有百億量級的無線傳感設(shè)備及節(jié)點需要供電，傳統(tǒng)電池供電造成的運維壓力及環(huán)境污染都成為了相關(guān)技術(shù)走向應(yīng)用的瓶頸問題。

自供能技術(shù)是一種收集環(huán)境中無效能源為低功耗器件供電的新興技術(shù)，在近十年獲得了廣泛的關(guān)注與研究。隨著自供能技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)無線傳感系統(tǒng)的能源供應(yīng)瓶頸有望取得革命性突破，提升為一種能源自給、無人維護、長時自持的“自供能”系統(tǒng)。目前，太陽能、熱能、射頻能及機械能是自供能的主要能量來源，機械能具有存在廣泛、換能機理豐富、易于小型化等優(yōu)點，其研究領(lǐng)域涉及車輛、自然環(huán)境、建筑物、心跳和肢體活動等。機械能收集目前已成為自供能領(lǐng)域的熱點技術(shù)之一。

在機械運動中，振動與旋轉(zhuǎn)是具有代表性的機械能形式，振動是在平衡位置附近所作的往復(fù)運動，其能量收集易實現(xiàn)且發(fā)展較早。旋轉(zhuǎn)自供能作為一項重要共性技術(shù)，有望在多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)革命性突破，然而旋轉(zhuǎn)線速度方向缺少往復(fù)變化激勵，因此發(fā)展相對較為遲滯。旋轉(zhuǎn)能量集能器的方式包括以下幾種：

重力壓電式：以地球重力場產(chǎn)生的應(yīng)力周期性變化作為激勵的方案。重力式的激勵源穩(wěn)定，無需固定輔助結(jié)構(gòu)，可應(yīng)用于獨立封閉結(jié)構(gòu)。重力式重要局限在于懸臂梁需要達到共振狀態(tài)，由于壓電材料有厚度，壓電梁的慣性矩和剛度與無壓電材料的單梁相比顯著提高，0-2Hz超低諧振頻率設(shè)計較為困難。

撥動壓電式：以靜態(tài)壓電結(jié)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)上突出部分之間的接觸撥動作為激勵的方案。這種機理可將激勵轉(zhuǎn)換為高頻阻尼振動，然而在低頻激勵下的撥動力下降明顯。撥動激勵式的機械接觸不利于延長收集結(jié)構(gòu)壽命，尤其是使用多個激勵撥子的情況下，影響更甚。

磁力壓電式：以壓電梁末端磁鐵受到的周期性磁力作為激勵的方案。分為固定梁-旋轉(zhuǎn)磁鐵、固定磁鐵-旋轉(zhuǎn)梁方案，可引入非線性磁力形成雙穩(wěn)態(tài)勢阱進一步優(yōu)化性能。磁力激勵式集能器是非接觸激勵方式，有利于延長集能器壽命，但非線性磁力需要精準設(shè)計，且低頻條件下效率低。磁力激勵式與撥動激勵式均需要固定端以輔助產(chǎn)生相對位移。

電磁式：基于電磁感應(yīng)定律，轉(zhuǎn)子磁鐵以及定子線圈發(fā)生相對位移完成機電轉(zhuǎn)換，通常在高旋轉(zhuǎn)頻率下運行。電磁式集能器需要使磁鐵與線圈產(chǎn)生相對高速相對運動，同樣需要外部輔助固定端。

靜電式：基于電容放電原理，旋轉(zhuǎn)引起電極之間相對運動，帶來電容值的變化。靜電式旋轉(zhuǎn)集能器易與MEMS技術(shù)結(jié)合實現(xiàn)集能器的小型化與集成化，在穿戴式設(shè)備等領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。同樣，靜電式集能器需要設(shè)置定子與轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，且在低頻段條件下能量密度較小。

目前，旋轉(zhuǎn)激勵條件下集能方案在面向?qū)嶋H應(yīng)用時，存在著低頻段集能效率低下的關(guān)鍵瓶頸問題。針對2Hz以下頻段的旋轉(zhuǎn)運動的研究較少，0.5Hz以下的研究更為少見，且收集能量密度通常在10μW/cm³以下。

發(fā)明內(nèi)容