[发明专利]基于冲击倍频的2Hz以下超低频旋转高效集能器及设计方法

说明书

本发明涉及一种基于冲击倍频的2Hz以下超低频旋转高效集能器及其设计方法，当自由激励球运动到集能器的两侧，自由激励球与二级压电集能压电材料层相互作用，二级压电集能衬底被挤压而与拨动触点接触产生形变，实现动能向电能和弹簧势能的转化，并通过弹簧作用于一级压电集能压电材料层，实现一级压电结构换能；当集能器继续翻转时，弹簧势能将以机械力形式推动自由激励球获得更高的反向速度，随后进入后半周期重复以上过程。本发明通过两级压电结构和线圈设计，实现自由激励球对两级压电结构的往复变化激励，在一个周期内按照压电‑电磁‑压电‑电磁的顺序对旋转环境中的能量进行收集，适用于低频旋转环境，实现对其他结构如传感器节点的能量供应。

技术领域

本发明属于能量收集技术领域，具体涉及一种基于冲击倍频的2Hz以下超低频旋转高效集能器及其设计方法。

背景技术

传感器作为信息获取的重要手段，与通信、计算机并称为“现代信息技术三大支柱”，涉及国民经济及国防科研的各个领域。传感技术正在向智能化、微型化、低功耗化、无线化等方向发展，未来将会有百亿量级的无线传感设备及节点需要供电，传统电池供电造成的运维压力及环境污染都成为了相关技术走向应用的瓶颈问题。

自供能技术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，在近十年获得了广泛的关注与研究。随着自供能技术的发展，传统无线传感系统的能源供应瓶颈有望取得革命性突破，提升为一种能源自给、无人维护、长时自持的“自供能”系统。目前，太阳能、热能、射频能及机械能是自供能的主要能量来源，机械能具有存在广泛、换能机理丰富、易于小型化等优点，其研究领域涉及车辆、自然环境、建筑物、心跳和肢体活动等。机械能收集目前已成为自供能领域的热点技术之一。

在机械运动中，振动与旋转是具有代表性的机械能形式，振动是在平衡位置附近所作的往复运动，其能量收集易实现且发展较早。旋转自供能作为一项重要共性技术，有望在多领域实现革命性突破，然而旋转线速度方向缺少往复变化激励，因此发展相对较为迟滞。旋转能量集能器的方式包括以下几种：

重力压电式：以地球重力场产生的应力周期性变化作为激励的方案。重力式的激励源稳定，无需固定辅助结构，可应用于独立封闭结构。重力式重要局限在于悬臂梁需要达到共振状态，由于压电材料有厚度，压电梁的惯性矩和刚度与无压电材料的单梁相比显著提高，0-2Hz超低谐振频率设计较为困难。

拨动压电式：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。这种机理可将激励转换为高频阻尼振动，然而在低频激励下的拨动力下降明显。拨动激励式的机械接触不利于延长收集结构寿命，尤其是使用多个激励拨子的情况下，影响更甚。

磁力压电式：以压电梁末端磁铁受到的周期性磁力作为激励的方案。分为固定梁-旋转磁铁、固定磁铁-旋转梁方案，可引入非线性磁力形成双稳态势阱进一步优化性能。磁力激励式集能器是非接触激励方式，有利于延长集能器寿命，但非线性磁力需要精准设计，且低频条件下效率低。磁力激励式与拨动激励式均需要固定端以辅助产生相对位移。

电磁式：基于电磁感应定律，转子磁铁以及定子线圈发生相对位移完成机电转换，通常在高旋转频率下运行。电磁式集能器需要使磁铁与线圈产生相对高速相对运动，同样需要外部辅助固定端。

静电式：基于电容放电原理，旋转引起电极之间相对运动，带来电容值的变化。静电式旋转集能器易与MEMS技术结合实现集能器的小型化与集成化，在穿戴式设备等领域具有较好的应用前景。同样，静电式集能器需要设置定子与转子结构，且在低频段条件下能量密度较小。

目前，旋转激励条件下集能方案在面向实际应用时，存在着低频段集能效率低下的关键瓶颈问题。针对2Hz以下频段的旋转运动的研究较少，0.5Hz以下的研究更为少见，且收集能量密度通常在10μW/cm³以下。

发明内容