[发明专利]一种多方向振动能量收集装置

说明书

本发明提供了一种多方向振动能量收集装置，包括球形固定腔体、能量转化装置、导管、牵引结构、滚球；所述能量转化装置一端与球形固定腔体的内壁连接，另一端为自由端；所述牵引结构穿过导管，一端连接于能量转化装置的自由端，另一端连接于滚球，所述滚球与球型固定腔体的内壁相抵；当外界任意方向的激励作用于该装置时，所述球形固定腔体与滚球产生相对运动，使得所述滚球带动牵引结构摆动，同时，导管相对于能量转化装置保持静止；从而使得所述导管把滚球任意方向的动量转化为作用于能量转化装置的单方向冲击力，所述牵引结构带动能量转化装置从而产生电能，实现三维平面内多方向的能量收集。

技术领域

本发明属于微能量收集领域，特别涉及一种基于三维球体并利用牵引结构高效地将环境中具有多方向的振动源的机械能转换为电能的三维多方向振动能量收集装置。

背景技术

目前，无线传感器等低功耗电子设备都是依靠传统的电池来提供能量，但是传统电池存在寿命有限、恶劣环境难以替换、体积较大而限制微传感器进一步小型化等缺点。为了解决这些问题，研究人员提出了可以实现从周围环境吸收振动能量的能量收集器，有效解决了电池寿命有限、更换不便的困难。

振动能量收集器的类型主要有压电式、静电式以及电磁式。在实际应用中，环境振动源具有不稳定性、随机性，存在一定频带宽度的同时，还具有多方向性；当振动源的频率和振动方向与能量收集器装置不匹配时，能量收集器装置的输出能量会急剧减少，收集效率低，从而限制了能量收集器在复杂多变振动环境中的应用。

为解决振动能量收集器在宽频振动环境中工作的问题，国内外已经提出了各种各样的解决方案，比如基于阵列式悬臂梁结构的压电能量收集器、引入磁铁的磁式悬臂梁能量收集器、基于碰撞的振动能量收集器等。针对振动能量收集器如何应用于多方向振动环境的问题，研究者也提出了不同的实现方案。比如2015年重庆大学提出了一种基于碰撞的三维压电振动能量收集器，其中装置结构包括一组阵列式压电悬臂梁，一个带有质量块的圆柱形弹簧位于悬臂梁中间，利用圆柱形弹簧的振动特性通过碰撞悬臂梁实现多方向的能量收集，但从三维角度看，该能量收集器只能在有限平面内实现多方向能量收集，且不同平面内的能量收集效率不同。同年西安科技大学(201520704388.3)和湖南科技大学(201510850660.3)分别申请了多方向能量收集装置的专利，同样存在不能实现任意平面内多方向能量收集的问题，从而不能实现在复杂多变环境中高效率地收集能量。

发明内容

本发明针对上述存在的技术问题，提供一种基于三维球体结构的多方向振动能量收集器，当球形固定腔体与滚球发生相对运动时，通过牵引的方式实现滚球与能量转化装置机械能的传递，结合导管结构把任意平面内的多方向振动源通过滚球转化为对能量转化装置的单方向冲击，从而高效率地实现任意平面内的多方向能量收集。

本发明目的在于针对振动能量收集器不能实现任意平面内多方向能量收集而导致能量收集器收集效率低的问题，发明了一种可以高效地获取多方向振动能量的能量收集装置，弥补前述背景技术中只能实现单或有限平面内的多方向能量收集的缺陷。通过本发明装置，可高效率地实现任意平面内的多方向能量收集。

本发明通过如下技术方案来解决上述存在的技术问题：一种多方向振动能量收集装置，包括球形固定腔体、能量转化装置、导管、牵引结构、滚球；

所述能量转化装置一端与球形固定腔体的内壁连接，另一端为自由端；所述牵引结构穿过导管，一端连接于能量转化装置的自由端，另一端连接于滚球，所述滚球与球型固定腔体的内壁相抵；当外界任意方向的激励作用于该装置时，所述球形固定腔体与滚球产生相对运动，使得所述滚球带动牵引结构摆动，同时，导管相对于能量转化装置保持静止；从而使得所述导管把滚球任意方向的动量转化为作用于能量转化装置的单方向冲击力，所述牵引结构带动能量转化装置从而产生电能，实现三维平面内多方向的能量收集。

在一较佳实施例中：所述能量转化装置的一端连接于球形固定腔体内的任一位置。