[发明专利]高效率多方向振动能量采集装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种能量采集装置，尤其涉及一种高效率多方向振动能量采集装置，属于节能技术及再生环保新能源领域。

背景技术

通信设备，传感器网络，可穿戴电子设备，医疗植入设备等等在现代生活中发挥着越来越重要的作用。这些设备通常都体积小，结构紧凑而且需要长时间持久的电源供应。例如，森林火灾监控系统通常由很多传感器组成,而且分布面积很大。替换和维修如此多的传感器极其昂贵和耗时。为了满足对高能量密度，质量轻，寿命长的能量源的需求，本专利提供了一个自供电的解决方案。

当下存在的自供电解决方案是基于利用周围环境中的多种形式的能量来实现的，例如，太阳能、热能和机械振动能。其中，振动能是唯一不受环境影响而且普遍存在的能量源。当下主要有三种方式来实现振动能量的采集：电磁式、静电式和压电式。压电式具有高转换效率，尺寸容易控制和不需要额外电源的优势，因此得到了更多的关注。

先前运用压电原理进行能量采集的装置是基于悬臂梁结构的，其结构包括悬臂梁、位于悬臂梁末端的质量块和附于悬臂梁上的压电材料层。由于它较弱的机械强度，这种工作在弯曲模态下的能量采集器很容易产生疲劳裂痕。为了增强机械强度一些系统采用‘钗钹’式结构。其结构包括一个质量块，两个凹形盖和一个压电材料盘。压电材料盘被金属凹形盖夹在中间。这种‘钗钹’式结构只在强振动激励下才能有效工作，而且其共振频率远远高于周围环境中的振动。

除了效率低、频带窄的问题，传统能量采集器还存在只能有效采集单一方向振动的问题。但是振动源，例如人体运动、机械振动不总是保持在一个固定的方向，而是在不同方向实时变化的。所以，具有可以吸收多个方向振动的能力对振动能量采集器是尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术存在的三个问题：低能量效率、工作频带窄、只能利用单一方向振动能。本发明的弹性梁把振动转化到轴向同时也放大了力；然后，力被中心弯曲伸张元件进一步放大。这个乘法放大原理和弹性梁的低共振频率特点被巧妙的融合在这个发明当中，所以这个发明能够高效的收集低频微弱的振动。该装置可解决传统能量采集器只利用单一既定方向的振动激励的问题。多级力放大机理被开发出来，实现了高效率的机械能到电能的转换。该发明能够有效收集来自多方向的低频振动，可以被用到医疗植入设备、可穿戴电子设备和无线传感器网络上。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为高效率多方向振动能量采集装置，该装置包括压电材料1、弓型板2、质量块3、弹性梁4、基座5，所述该结构以压电材料1为对称中心，其余构件对称分布在压电材料1两侧；所述压电材料1与两侧的质量块3通过弓型板2连接在一起；质量块3与基座5通过弹性梁4连接在一起；弓形板2和压力材料1之间可设置有垫片，以避免不可预期的冲击损坏压电材料1；弹性梁4和基座5可设置弹性垫，用以吸收轴向振动。压电原件1和两个弓形板2一起构成了中心弯曲伸张元件。

基座5是用来固定整个机构的，在实践中它可以是任何运动的物体，例如桥梁、飞行器、车辆、心脏起搏器等。

所述压电材料1为压电陶瓷(PZT)、PVDF、石英、单晶材料或者其它具有良好压电效能的材料。压电材料1为单层或两层或者多层结构；压电材料1可在不同的压电模式下工作，如d31、d33、d15。

本发明采用了两级力放大原理。力的第一级放大由弹性梁4完成。弹性梁4与质量块3、基座5的连接方式是固定连接或铰链连接或球形接头连接；力的第二级放大由弓型板2完成。

所述的高效率多方向振动能量采集装置，其可以由基座5激励引起振动，也可以是振动激励直接施加在中心弯曲伸张元件弓型板2或者质量块3上。

所述的高效率多方向振动能量采集装置，其中中心弯曲伸张元件可以有多种变形如圆形钗钹型21或方形钗钹型22或鼓形钗钹型23；弓形板2的倾斜角度θ₂是正角、零度角或者负角；多个中心弯曲伸张元件可串联或并联在一起，安装在一对弹性梁4之间；基座5振动激励串联的或并联的弓型板2振动，进而通过压电效应产生电能。

质量块3的位置在弓形板2的边缘或者中心。添加质量块3的目的是为了减小共振频率和吸收更多的惯性能；在一些情况下(如，对质量有严格限制的应用或者直接激励中心元件的工作方式或者中心压电材料和弓形板已经足够重)，也可不添加质量块3；两个质量块3可以是任意形状来配合不同的工作状态，如机翼型来收集利用流体振动能。