[发明专利]能量采集设备和方法

说明书

技术领域

本发明涉及能量采集设备和方法，该能量采集设备和方法用于从振动源(诸如周围或环境振动)采集或收集能量。

背景技术

在常规能量采集器中，直接共振器或在一些情况中多个直接共振器响应于输入振动，例如该输入振动是能量采集器连接到其上的结构的振动。(在该技术领域中，直接共振器也可以称为线性或普通共振器。)该振动激励共振器并且该共振器例如通过共振器承载的永久磁体被电力地衰减，使得它在导电线圈附近振荡以提取电功率输出。这种能量采集器可以以已知方式用于充电电池或操作电子装置，该电子装置诸如自包含装置中的传感器和/或无线传输器。

这种常规能量采集器遭受数个问题，这些问题限制它们用于将振动能量转化为电能的效能。两个问题特别地与共振器的性能有关。首先，常规能量采集器中的共振器具有特别的共振频率并且仅可以被接近那个共振频率的振动频率有效地激励。可用于驱动能量采集器的自然的或周围的振动倾向于包含多种或一系列振动频率，并且直接共振器仅可被接近共振器的共振频率的窄带的可用振动频率激励。已经用于解决这个问题的一种方法是并入能量采集器不同共振频率的多个直接共振器，但这增加能量采集器的复杂性。第二，可存储在直接共振器中的功率密度被限制为驱动振动幅值的线性函数，并且这约束了能够从输入振动传递到常规能量采集器中的共振器的能量。

本发明人认为，解决常规能量采集器的这些限制的替代方法可能是使用参数共振的现象。但本发明人意识到仅仅一个现有技术试图研究将参数共振用于能量采集，并且这个研究发现了重要的问题。这在M.Daqaq,C.Stabler,Y.Qaroush and T.Seuaciuc-Osório的以下论文中被描述，“Investigation of Power Harvesting via Parametric Excitations”,J.Intel.Mat.Syst.Str.,vol.20,no.5,pp.547-557,2009.Daqaq等人执行以承载检测重物的弹性悬臂梁(elastic cantilever beam)的形式的参数激励的共振器的性能的实验研究。该梁的共振被电力地衰减以提取电功率输出。Daqaq等人报告的问题是，需要阈值振动幅值来激励参数共振器，并且因此，他们的能量采集器中的参数共振器不能采集低幅值输入振动。这急剧地减小他们的采集器可以收集的能量。相比之下，在包括直接共振器的常规能量采集器中，不存在这种阈值振动幅值。

发明内容

本发明提供如所附独立权利要求中限定的用于采集能量的能量采集器和方法，现在将参考独立权利要求。本发明的优选的或有利的特征在从属子权利要求中被阐述。

本发明在优选实施方式中因此可以提供一种能量采集器，该能量采集器包括第一机械放大器和第二机械放大器。第一机械放大器响应于诸如周围或环境振动的输入振动，使得第一机械放大器可以被该振动激励或致动。第二机械放大器被耦合到第一机械放大器使得第一和第二机械放大器按第一和第二机械自由度操作或提供第一和第二机械自由度。第一和第二机械放大器彼此可以直接耦合或者它们可以通过一个或更多个另外的机械自由度被耦合。第一和第二机械放大器的至少一个，但优选地仅仅一个包括参数共振器。能量采集器功率输出通过阻尼过程被生成，但有利地或优选地，该阻尼过程不在第一机械放大器上操作。优选地，能量采集器功率输出通过衰减第二机械放大器而生成。

在本发明的一些方面中，用于生成能量采集器功率输出的阻尼过程可以在第一和第二机械放大器上操作，使得能量采集器的总能量输出的一部分从每一个机械放大器被提取。但在本发明的大多数实施中重要的是，第一机械放大器的阻尼被减小或最小化，使得能量采集器的能量输出的至少一部分，并且优选地能量输出的全部，优选地通过衰减第二机械放大器被提取。

本发明的实施方式因此可以利用参数共振的特性(包括与直接共振器相比的激励振动频率的较宽带宽和较高功率密度)，而这里描述的耦合的第一和第二机械放大器的布置用于最小化或减小参数共振器的启动阈值幅值。这可以有利地解决现有技术中的Daqaq等人描述的问题，并且允许较小幅值振动的有效采集。