[发明专利]从压电梁的约束屈曲收集能量

说明书

一种用于响应于外力的施加来收集能量的能量收集系统。该能量收集系统包括梁构件，该梁构件具有中心构件和与中心构件结合以一起挠曲的至少一个压电层。该梁构件包括相对的第一端和第二端，并且能够响应于外力的施加来弹性变形。第一安装件与梁构件的第一端耦接，并且通常是静止的。第二安装件与梁构件的第二端耦接。第二安装件和梁构件的第二端通常能够响应于外力的施加在第一位置与第二位置之间移动，从而响应于从第一位置至第二位置的移动来从至少一个压电层输出能量。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年8月13日提交的美国临时申请第62/204,695号的权益。上述申请的全部公开内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开内容涉及从压电梁的约束屈曲收集能量。

背景技术和发明内容

本部分提供与本公开内容有关的背景信息，其不一定是现有技术。本部分提供本公开内容的概述，而不是本公开内容的全部范围或其全部特征的全面公开。

根据本教示，提供具有压电梁的压电振动能量收集器，以在经过的车辆或人群的重量下生成电力。当装置被踩踏或以其他方式按压时，压电梁屈曲至受控程度。能量收集器可以具有水平或竖直构造。水平构造更容易安装，并且可以被调整至低传递载荷。装置的移动元件是一个或更多个压电梁，例如均匀双晶片梁或分段梁。分段梁的端部是简单的弹簧钢或黄铜，而中心跨度是压电双晶片。

压电梁在水平构造中是水平的。在这种构造中，竖直交通工具载荷通过剪刀状机构被转换成水平屈曲力。该机构包括七个刚性链接。在竖直构造中，压电梁是竖直的，并且直接承受交通工具载荷。竖直(直接)构造被设计成在交通工具的载荷下屈曲。这引起压电件的显著变形并且产生大量的电力。如果梁的屈曲不受控制，则将引起梁的断裂。梁的屈曲变形通过限制其轴向变形来约束。

为了更好地控制屈曲梁的轴向变形，变形必须是明显的。这要求梁的长度很长。随着梁的长度增加，其轴向变形变得更加显著。为了降低本能量收集器的成本，针对屈曲部件而言，分段梁优于均匀梁。该选择使得能够在不需要更多使用昂贵的压电元件的情况下具有大轴向变形。

在本公开内容中，对能量收集器进行解析建模。机电耦合和几何非线性已经被包含在压电梁的模型中。对该装置的设计准则进行了讨论。已经证明，该装置可以利用常用的压电贴片来实现，并且可以产生数百毫瓦的功率。设计参数对所生成的功率和所需要的公差的影响进行了说明。

本装置可以在人行道上实施，从经过本装置的人的重量来产生能量。其他可能的应用是便携式智能电话充电器和鞋跟能量收集。俱乐部的舞场是使用该收集器的另一适用示例。竖直装置可以在道路上实施，利用经过的车辆的重量来产生电力。该装置不易共振，并且从经过的每个轮胎产生显著的电力量。因此，其可以用作自给式传感器以用于交通控制。

根据本文提供的描述，其他应用领域将变得明显。本发明内容中的描述和具体示例意在仅用于说明的目的，而非意在限制本公开内容的范围。

附图说明

本文描述的附图仅用于选择的实施方式而非所有可能的实现的说明目的，而非意在限制本公开内容的范围。

图1是针对均匀梁的屈曲梁的示意图。

图2示出了针对均匀梁的能量收集装置的竖直构造。

图3示出了针对分段梁的能量收集装置的竖直构造。

图4A示出了屈曲之前的水平能量收集装置；图4B示出了屈曲之后的水平能量收集装置。

图5是矩阵B的行列式的对数与不同β的对数的关系的图。

图6是示出均匀梁(虚线)与中间具有两个压电层的分段梁的挠度的表。

图7示出了收集器的电路。