[发明专利]基于自激振动机理的多方向宽频带振动能量收集装置

说明书

技术领域

本发明属于新型能源和电子技术领域，特别涉及一种基于自激振动机理的多方向宽频带振动能量收集装置。

 

背景技术

近年来，随着社会经济的高速发展，对能源的需求日益剧增，环境污染和能源短缺成为困扰世界各国的一个共同难题，并由此而造成的环境恶化和能源危机逐渐开始影响经济发展和人们生活。迫于此压力，各国科技工作者开始了寻找和开发新型能源的探索，比如太阳能、风能、波浪能等。振动作为日常生活中的常见现象，由于其具有较高的能量密度，其潜在的能量价值已引起越来越多的研究者的关注。目前，用于实现振动能量收集的装置主要有压电式、电磁式和静电式三种。对于这三种能量收集技术方案，理论上其供电寿命仅取决于组成振动能量收集装置的各元器件的寿命，清洁环保，是一种典型的“绿色”能源技术。

基于此，目前出现了各种样式的振动能量收集装置，如以压电材料为基础的悬臂梁结构、Cymbal结构、叠堆形结构等，还有以电磁学为基础的动圈式、动铁式结构等，以及以电子学理论为基础的驻极体式结构等。纵观振动能量收集技术的研究现状，上述振动能量收集装置主要是单方向、单谐振频率的，且谐振频率较高，其使用场合对振动环境的选择性很强，这样在存在各种方向且振动频率在一定范围内变化的低频振动的情况下，上述能量收集装置收集的能量将非常有限，限制了其大众化的推广使用。

因此本申请发明人于2014年1月3日申请了专利号为CN2014100022797和CN2014200029170，发明名称为“一种多方向压电-电磁复合式振动能量收集装置”的专利以解决以上问题，但是其仍然存在如下问题：

1）该申请只能实现对较高频率环境振动的能量收集，因为在低频环境振动下，要想实现高效率的能量收集，必然要求其中的万向角节型压电换能器的刚度较小，以降低整个装置的固有频率，这就容易造成万向角节型压电换能器上粘贴的压电陶瓷片在振动中由于变形过大而产生碎裂，因此存在不能进行低频环境振动能量收集的缺陷。

2）该申请只能实现对某一频率振动能量的有效收集，即属于单谐振频率振动能量收集装置，因此存在不能在较宽频率范围内有效收集环境振动能量的缺陷。

针对以上缺陷，申请人重新进行设计，设计出本申请相关方案。

 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对前述背景技术中的缺陷和不足，提供一种基于自激振动机理的多方向宽频带振动能量收集装置，其可弥补现有振动能量收集技术中振动能量收集装置只能敏感某个固定方向和某个固定频率的振动、能量收集效率低及固有频率较高等缺陷，无论振动方向如何变化，都能够在一定频率范围内较高效率的收集到低频环境振动能量。

本发明为解决上述技术问题，所采用的技术方案是：

本发明提供一种基于自激振动机理的多方向宽频带振动能量收集装置，包括底座、线圈、万向压电换能器、质量块、连接弹簧、高频永磁体、低频永磁体和低频弹簧，所述线圈设置于底座内部底面，所述质量块位于底座内部中心，并通过两个万向压电换能器与底座相连；所述万向压电换能器由两个角型弹性金属基片、刚性块、上层压电片和下层压电片组成，所述刚性块固定于角型弹性金属基片的弯角处，所述上层压电片和下层压电片分别粘贴于角型弹性金属基片的上、下两个表面；所述高频永磁体位于底座内部中心，并通过两个万向压电换能器与底座相连；所述质量块和高频永磁体通过连接弹簧相连；所述低频永磁体位于底座内部中心，并通过两个低频弹簧与底座相连。

作为本发明的进一步改进，所述两个角型弹性金属基片呈垂直连接，经论证两个角型弹性金属基片呈垂直连接收集效率最大。

作为本发明的进一步改进，所述上层压电片和下层压电片为矩形形状，且沿厚度方向极化，虽然本发明压电片可沿不同方向极化，但是沿厚度方向极化后换能效果最佳。

作为本发明的进一步改进，所述角型弹性金属基片的夹角可以在0°至180°之间变化，本发明弯角可根据需要设计成不同的角度。

作为本发明的进一步改进，所述连接弹簧和低频弹簧的刚度大小不同，因为本发明对低频弹簧强度往往有要求，而对连接弹簧没有，因此本发明连接弹簧和低频弹簧刚度可以不同。

作为本发明的进一步改进，所述高频永磁体和低频永磁体安装时极向相同，本发明高频永磁体和低频永磁体安装时极向相同，也可以正常使用。

作为本发明的进一步改进，所述底座为振动能量收集装置壳体，本发明底座可为收集装置以便于将能量及时收集。