[发明专利]一种适用于2Hz以下超低频旋转的能量收集器

说明书

本发明涉及一种适用于2Hz以下超低频旋转的能量收集器，直线导轨的两端对称设置有固定座，直线导轨上滑动安装可移动基座；可移动基座的一侧设置压电悬臂梁，压电悬臂梁上放置压电材料，压电悬臂梁的端部固定安装质量块。可移动基座将由重力分量作用沿直线导轨产生位移，当可移动基座与固定座发生碰撞时，会产生瞬时冲击力，压电悬臂梁端部的质量块由于惯性将继续向原方向运动，质量块与可移动基座之间产生了相对位移，带动压电悬臂梁发生形变，实现压电能量转化。本发明结构设计巧妙，可解决激励频率远低于谐振频率的低效能量收集问题，且能在一个运动周期内达到倍频的效果，实现能量的高效收集，特别适用于超低频旋转环境。

技术领域

本发明属于能量收集技术领域，具体涉及一种适用于2Hz以下超低频旋转的能量收集器。

背景技术

环境能量收集(Ambient Energy Harvesting，AEH)是一种收集环境中无效能源为低功耗器件供电的新兴技术，近十年获得广泛关注，有潜力突破无线传感器能源供应瓶颈，扩展无线传感器网络应用领域，使传感器在无人维护的环境中实现长时间网络监控与数据传输，将传统无线系统提升为一种自供能系统。

在管道等缺乏光照及温差的环境中，机械能量收集是更具可行性的方案。机械能收集技术将机械运动转化为集能器组件之间的相对运动，基于压电、电磁、静电等原理实现机电能量转换，具有无污染、性能稳定、易于小型化的优点。根据文献检索结果显示，压电能量收集具有功率密度高、机电转换效率高、无需其它能源支持、便于小型化等优势，利用压电能量收集有望获得更高的能量转化效率。

旋转运动作为一种具有代表性的机械能来源，在生产生活中大量存在，同样可以利用压电、电磁、静电等原理收集旋转运动中的机械能。其典型应用研究包括野外无线通信节点、旋转设备状态监测、汽车胎压监测、可穿戴设备供电等。

振动能量收集易实现且发展较早、成果较多，与直线振动不同的是，旋转运动的线速度方向与旋转结构同步变化而缺少直接的形变激励源，研究人员提出了一些产生激励的方案。重力压电式是以地球重力场产生的应力周期性变化作为激励的方案，拨动压电式是以静态压电结构与旋转结构上突出部分之间的接触拨动作为激励的方案，磁力压电式是以压电梁末端磁铁受到的周期性磁力作为激励的方案。

综合来看，拨动、磁力、电磁、静电方法均利用固定-旋转之间的相对运动产生激励，低频段条件的激励强度下降明显，且无法适用于独立封闭的旋转(无辅助固定端以提供激励，例如封闭的球、汽车车轮等)。仅重力式适用于封闭旋转应用，但由于共振的限制而难以设计低频段方案，尤其是0-2Hz超低频段。从实际应用需求与现有技术水平的矛盾中可以看出，0-2Hz低频段高效集能器设计是目前一个亟待研究的问题，需要探索新的激励及集能机理以突破技术瓶颈。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种适用于2Hz以下超低频旋转的能量收集器，实现旋转环境中的高效能量收集，特别适用于激励频率较低的超低频旋转环境。

本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种适用于2Hz以下超低频旋转的能量收集器，其特征在于：包括旋转盘、直线导轨、固定座、可移动基座、压电悬臂梁及质量块，所述旋转盘的轴线上安装所述直线导轨，所述直线导轨的中心与旋转盘圆心重合，所述直线导轨的两端对称设置有固定座，所述直线导轨上滑动安装所述可移动基座，所述可移动基座沿直线导轨在两个固定座之间单自由度滑动；所述可移动基座的一侧设置所述压电悬臂梁，所述压电悬臂梁上放置压电材料，所述压电悬臂梁的端部固定安装所述质量块，所述压电悬臂梁的长度方向为X轴，宽度方向为Y轴，所述直线导轨方向为Z轴，旋转盘沿X轴方向进行旋转，所述可移动基座将由重力分量作用沿直线导轨产生位移，当所述可移动基座与固定座发生碰撞时，产生瞬时冲击力，所述压电悬臂梁端部的质量块由于惯性将继续向原方向运动，所述质量块与所述可移动基座之间产生了相对位移，带动压电悬臂梁沿Z轴方向发生形变，实现压电能量转化。

而且，所述旋转盘的的运行过程分为四个阶段：