CN102983775A - 一种球体驱动的静电式振动能量收集装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于能量收集与转换装置技术领域，特别涉及一种球体驱动的静电式振动能量收集装置。该装置由球体、驻极体、电极和接触结构组成；驻极体与接触结构构成腔体，球体放置在所述腔体内；球体在驻极体上表面滚动，其运动受接触结构调节；所述电极在驻极体下表面。驻极体为具有电荷存储能力的电介质材料构成，电极由电阻率不超过2×10^-6Ω·m的导电性材料制成。驻极体和所述接触结构还可以以固连方式级联，形成阵列式装置。本发明适用于低频、宽频带的面内振动、离面振动、俯仰激励和冲击激励，可以高效收集环境振动能量。

Description

一种球体驱动的静电式振动能量收集装置

技术领域

本发明属于能量收集与转换装置技术领域，特别涉及一种球体驱动的静电式振动能量收集装置，是一种适用于低频、宽频带的面内振动、离面振动、俯仰激励和冲击激励的高效振动能量收集与转换装置。

背景技术

随着电子技术和通信技术的飞速发展，各类无线传感装置的应用已经越来越广泛。与此同时，电子器件正呈现出微型化、集成化、嵌入式等特点，对器件各方面的性能，尤其是其使用的可持久性，提出了很高的要求。通常情况下，这类器件多采用化学能电池作供电。虽然新技术和新材料的应用使得电池寿命更长，然而出于体积和容量的限制，需要周期性地更换或充电，使得其应用受到一定程度的限制。例如安置在偏远地区的气候监测传感器或是应用于远洋环境的水文环境监测传感器，对其更换电池缺乏可操作性的工作。为解决这一问题，人们希望能够让器件采集环境能量而进行自供电。

在环境能量中，相对太阳能和热能，振动能量是一种较为持续、稳定的能量来源。对于振动能量的收集有着非常广泛的研究，如利用电磁感应、静电感应、弹性电介质材料以及压电效应等。

目前经常采用的振动能转换为电能的方式为利用压电效应的方式，即通过带有压电材料的振动结构产生相对运动，在压电材料中形成应力，进而产生电势，通过外接电路转化为电能输出。压电方式的优点是结构简单、便于制造，可以采用成熟的微电子工艺制造，并与相关电路单片集成。但是，对于压电式换能，应使振动结构尽可能地工作于谐振状态，才能收集到较多的振动能量，获得较高的能量转换效率。但是，传感器工作环境的振动能通常具有频率低、频率成分多的特点，较难满足压电式能量转换对于频率的要求。因此，需要开发一种适用于低频、宽频带振动环境的能量收集装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种球体驱动的静电式振动能量收集装置，从实际工作环境中转换和收集低频、宽频带的振动和激励能量，将振动能量转化成电能，然后向传感器或其他低功耗系统供电。

本发明所采用的技术方案是：

驻极体与接触结构构成腔体，球体放置在所述腔体内，并在驻极体上表面滚动；电极设置在驻极体的下表面，与所述驻极体相连接。

所述球体为正球体。

所述驻极体为具有电荷存储能力的电介质材料。

所述电极由电阻率不超过2×10^-6Ω·m的导电性材料制成。

所述接触结构与球体的接触面为平面或曲面，亦或是弹性结构或具有柔性表面的结构。

所述驻极体与接触结构构成的腔体内设置若干个接触界面，用来调节球体的运动方式，一般分为滚动或跳动。

所述多个驻极体和接触结构以固连方式级联，具有多个凹槽的接触结构经由支撑结构悬浮在驻极体上方，形成具有多个腔体的一维或二维阵列式结构，每个腔体内设置一个球体。

所述球体在外界振动的作用下运动时，位于所述驻极体下方的所述电极附近的电场会发生改变，因此所述电极上的感应电荷会发生变化，与所述电极相连的外电路上会有电流产生。

本发明的有益效果为：

本发明可以有效收集低频、宽频带的面内振动、离面振动、俯仰激励和冲击激励能量，同时解决了因环境固有振动频率具有多值、可变等特点所导致的振动结构的谐振频率不易匹配、能量转换效率低等问题，可广泛应用于低频和宽频带振动环境的能量收集。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图。

图2是本发明实施例2的结构示意图。

图3是本发明实施例3的结构示意图。

图中标号：

1-球体；2-驻极体；3-电极；4-接触结构；5-接触界面；6-支撑结构。

具体实施方式

本发明提供了一种球体驱动的静电式振动能量收集装置，下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。

实施例1

如图1所示，一端开口的筒状的接触结构4安装在驻极体2的上方，驻极体2与接触结构4构成腔体，球体1放置在所述腔体内，并在驻极体2上表面滚动；电极3设置在驻极体的下表面，与所述驻极体2相连接。

这是本发明一种最基本的结构形式。球体1宜采用密度较大、介电常数较高的物质，在相同振动的作用下，惯性更大，相对运动幅度更大，引起的电场变化更大。驻极体2为具有电荷存储能力的电介质材料。电极3由电阻率不超过2×10^-6Ω·m的导电性材料制成。

实施例2

如图2所示，接触结构4将驻极体2包裹，且驻极体2与接触结构4构成腔体，腔体内可以设置若干个接触界面，本实施例中，在腔体两个相对的侧壁上分别设置一个接触界面5。球体1可以在所述驻极体2上表面做面内滚动或离面振动，当球体1做面内滚动时，其运动受接触结构4调节，调节的具体方式由接触结构4内表面的接触界面5实现，球体1的运动被限制在规定的空间内。电极3位于驻极体2下表面，与驻极体2相连接。电极通过导线与外界需要供能的传感器相连，传感器的另一极与参考地相连。当球体1静止时，驻极体2在下表面的电极附近形成一个稳定的电场，电极3内的感应电荷排列稳定，不发生变化。当球体1在外界振动的作用下脱离原位产生运动时，驻极体2在下方形成的电场也发生变化，电极3附近电场的变化使得电极3内的感应电荷发生变化，因此会从与之相连的接地负载处吸收或释放电子，从而在外电路形成电流。

实施例3

如图3所示，带有多个凹槽的接触结构4经由支撑结构6悬浮在若干个驻极体2的上方，每个驻极体2与一个接触结构4的凹槽构成一个腔体，驻极体2与接触结构4通过固连级联构成一维或二维阵列。球体1可以在所述驻极体2上表面做面内滚动或离面振动。电极3位于驻极体2的下表面，与驻极体2相连接。电极通过导线与外界需要供能的传感器相连，传感器的另一极与参考地相连。当球体1静止时，驻极体2在下表面的电极附近形成一个稳定的电场，电极3内的感应电荷排列稳定，不发生变化。当球体1在外界振动的作用下脱离原位产生运动时，驻极体2在下方形成的电场也发生变化，电极3附近电场的变化使得电极3内的感应电荷发生变化，因此会从与之相连的接地负载处吸收或释放电子，从而在外电路形成电流。

Claims (7)

1.一种球体驱动的静电式振动能量收集装置，其特征在于：驻极体（2）与接触结构（4）构成腔体，球体（1）放置在所述腔体内，并在驻极体（2）上表面滚动；电极（3）设置在驻极体（2）的下表面。

2.根据权利要求1所述的球体驱动的静电式振动能量收集装置，其特征在于：所述球体（1）为正球体。

3.根据权利要求1所述的球体驱动的静电式振动能量收集装置，其特征在于：所述驻极体（2）为具有电荷存储能力的电介质材料。

4.根据权利要求1所述的球体驱动的静电式振动能量收集装置，其特征在于：所述电极（3）由电阻率不超过2×10^-6Ω·m的导电性材料制成。

5.根据权利要求1所述的球体驱动的静电式振动能量收集装置，其特征在于：所述接触结构（4）与球体（1）的接触面为平面或曲面，亦或是弹性结构或具有柔性表面的结构。

6.根据权利要求1所述的球体驱动的静电式振动能量收集装置，其特征在于：所述驻极体（2）与接触结构（4）构成的腔体内设置若干个接触界面（5），用来调节球体（1）的运动方式。

7.根据权利要求1-6任一项所述的球体驱动的静电式振动能量收集装置，其特征在于，所述多个驻极体（2）和接触结构（4）以固连方式级联，具有多个凹槽的接触结构（4）经由支撑结构（6）悬浮在驻极体（2）上方，形成具有多个腔体的一维或二维阵列式结构，每个腔体内设置一个球体（1）。

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