CN104362884A - 一种基于振动摩擦的多方向宽频能量收集装置 - Google Patents

Abstract

一种基于振动摩擦的多方向宽频能量收集装置包括质量块、弹簧、固定挡板、上电极、摩擦基底、下电极、基座；质量块一面与弹簧一端连接；弹簧的另一段与固定挡板连接构成质量块-弹簧-固定挡板结构，并水平放置固定于基座的周围；上电极设置于质量块的下表面；摩擦基底的上表面与上电极接触；下电极设置于摩擦基底的下表面，并固定于基座的上表面；上下电极可由导线引出与处理电路相连。当装置受到不同方向的外界激励时，弹簧带动质量块发生振动，利用质量块上的上电极与摩擦基底相对接触面积的变化把机械能通过摩擦转化为电能，并且电能通过上下电极经过处理电路输出为功耗设备供能。同时可以设置弹簧-质量块结构的固有频率，实现宽频能量收集。

Description

一种基于振动摩擦的多方向宽频能量收集装置

技术领域

本发明涉及一种多方向宽频能量收集装置，特别涉及一种基于振动摩擦的多方向宽频能量收集装置。

背景技术

能量收集器是采集或收集周围环境中释放的微能量，包括光、热和振动，并将之转换为电能的器件。同传统的供能方式相比，如传输线、电池等，能量收集器不受连接线的限制，且无需频繁更换，有效解决了在恶劣的环境下设备因电池寿命有限带来更换不便或者维修费用高的问题。目前，振动能量收集器的类型主要有静电式、电磁式以及压电式。静电式振动能量收集器具有结构复杂，工作时需要启动电源的缺点，无法实现自供能；电磁式振动能量收集器输出电压低，无法满足大功耗电子设备的供能需求。

周围环境中的振动源都具有一定频带宽度，当振动源的频率与能量收集器谐振频率一致时，压电振动能量收集器收集效率高；然而当振动源的频率偏离悬臂梁谐振频率时，输出能量会急剧减少，收集效率低。同时外界振动源是随机振动，且振动方向不固定，目前大部分能量收集器不能同时满足多方向上的宽频能量收集，导致收集效率低。比如2013年张海霞等人提出一种压电摩擦复合式宽频带能量收集器，采用压电阵列悬臂梁振动形变和振动过程中与摩擦基底碰撞产生电能，其中压电效应产生的电能为320mV，摩擦生电产生的电能为20V，只实现了一个方向上的宽频能量收集，而且在碰撞摩擦过程中存在机械碰撞能量的损失。因此需要提出一种新颖的技术方案同时实现多方向和宽频的能量收集。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于振动摩擦的多方向宽频能量收集装置，能够应用在一定频带宽度和振动方向不断变化的振动源环境中，实现多方向的能量收集，提高能量收集效率，基于摩擦生电原理收集能量可增大输出电压，高效率的将环境中的振动能量转换为电能，经过处理电路，连续输出电能。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于振动摩擦的多方向宽频能量收集装置，包括质量块、弹簧、固定挡板、上电极、摩擦基底、下电极、基座；所述质量块一面与弹簧一端连接，所述弹簧的另一端与固定挡板连接构成弹性振动装置；所述弹性振动装置水平放置于基座的周围，且在每个方向上具有至少一个弹性振动装置；所述上电极设置于质量块的下表面；所述摩擦基底的上表面与上电极接触；所述下电极设置于摩擦基底的下表面，并固定于基座的上表面；上下电极可由导线引出与处理电路相连。

在一较佳实施例中：不同的所述弹性振动装置中质量块的质量可以相同或不同。

在一较佳实施例中：所述上电极与摩擦基底采用可以摩擦生电的材料。

在一较佳实施例中：所述上电极的材料为铝，摩擦基底的材料为PDMS。

在一较佳实施例中：所述上电极与摩擦基底接触的面积根据外界振动源的振动强度设计。

在一较佳实施例中：所述摩擦基底的形状可以为矩形或圆形。

在一较佳实施例中：在相同方向上的所述弹性振动装置可以设计为不同的谐振频率。

在一较佳实施例中：在不同方向上的所述弹性振动装置可以设计为相同或不同的谐振频率。

在一较佳实施例中：所述下电极与摩擦基底的接触面积可以等于或者大于摩擦基底的下表面。

在一较佳实施例中：不同的所述弹性振动装置之间的上电极与下电极分别采用并联的连接方式。

在一较佳实施例中：所述基底的形状可以为矩形或圆形。

上述的基于振动摩擦的多方向宽频能量收集装置，当受到某一方向上的外界激励时，与之频率相匹配的弹性振动装置发生简谐振动，振动过程中质量块上的上电极与摩擦基底的相对接触面积不断发生变化，产生电荷的移动，从而产生电流，经过上下电极与处理电路连接输出电能。通过设计弹性振动装置的位置实现多方向能量收集，改变不同弹性振动装置的固有频率实现宽频能量收集。

相对于现有技术，本发明提供的一种宽频压电振动能量收集装置具有以下优点和有益效果：

1.采用摩擦生电的原理，相比于单纯基于压电效应原理的能量收集装置输出的电压更高，更能满足功耗设备的需求。

2.利用质量块-弹簧结构振动摩擦生电，可以避免机械碰撞，减少机械能的损失，提高能量转化效率。

3.在装置的不同方向设置弹性振动装置，可以实现多方向能量收集，适用于多变的振动环境。

4.在装置的每个方向设置多个不同频率的弹性振动装置，可以实现多方向上的宽频能量收集，使应用范围更加广泛。

附图说明

图1是本发明优选实施例的三维结构示意图；

图2是本发明优选实施例的俯视图；

图3是本发明优选实施例的侧视图；

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

如合图1所示，本发明提供一种基于振动摩擦的多方向宽频能量收集装置，包括质量块1、弹簧2、固定挡板3、上电极4、摩擦基底5、下电极6、基座7，本实施例中所述质量块1一面与弹簧2一端连接；所述弹簧2的另一段与固定挡板3连接构成弹性振动装置，并水平放置固定于基座7的周围，所述弹性振动装置的数量在每个方向为两个。不同弹性振动装置间的质量块的质量不相同。所述上电极4设置于质量块1的下表面；所述摩擦基底5的上表面与上电极4接触；上电极4与摩擦基底5接触的面积为质量块1下表面的三分之二。所述上电极4与摩擦基底5采用可以摩擦生电的材料，本实施例中，上电极4的材料为铝与摩擦基底5的材料为PDMS；所述下电极6设置于摩擦基底5的下表面，并固定于基座7的上表面；所述下电极6与摩擦基底5的接触面积等于摩擦基底5的下表面；上下电极可由导线引出与处理电路相连。

本实施例中，所述摩擦基底5和基底7的形状为方形。

当受到某一方向上的外界激励时，与之频率相匹配的弹性振动装置发生简谐振动，振动过程中质量块1上的上电极4与摩擦基底5的相对接触面积不断发生变化，产生电荷的移动，从而产生电流，经过上下电极6与处理电路连接输出电能。由于在各个方向上均设置有弹性振动装置，因而可以实现多方向能量收集。将不同的弹性振动装置中的质量块质量设置为不同的，使不同的弹性振动装置的谐振频率也不同，因此能够在一定的频率范围内总有其中一个或多个弹性振动装置发送简谐振动，从而实现了宽频的能量收集。

进一步地，本实施例中在相同方向上的弹性振动装置的谐振频率设置为相同的，从而在单个方向上有2个弹性振动装置发生谐振，加大了能量收集的效率。在不同方向上的弹性振动装置的谐振频率设置为不同的，使能量收集装置在一定的范围内依旧可以实现宽频能量收集。

以上所述，仅为本发明较佳实施例，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围。

Claims (11)

1.一种基于振动摩擦的多方向宽频能量收集装置，包括质量块、弹簧、固定挡板、上电极、摩擦基底、下电极、基座；所述质量块一面与弹簧一端连接，所述弹簧的另一端与固定挡板连接构成弹性振动装置；所述弹性振动装置水平放置于基座的周围，且在每个方向上具有至少一个弹性振动装置；所述上电极设置于质量块的下表面；所述摩擦基底的上表面与上电极接触；所述下电极设置于摩擦基底的下表面，并固定于基座的上表面；上下电极可由导线引出与处理电路相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于振动摩擦的多方向宽频能量收集装置，其特征在于，不同的所述弹性振动装置中质量块的质量可以相同或不同。

3.根据权利要求1所述的一种基于振动摩擦的多方向宽频能量收集装置，其特征在于，所述上电极与摩擦基底采用可以摩擦生电的材料。

4.根据权利要求3所述的一种基于振动摩擦的多方向宽频能量收集装置，其特征在于，所述上电极的材料为铝，摩擦基底的材料为PDMS。

5.根据权利要求1所述的一种基于振动摩擦的多方向宽频能量收集装置，其特征在于，所述上电极与摩擦基底接触的面积根据外界振动源的振动强度设计。

6.根据权利要求1所述的一种基于振动摩擦的多方向宽频能量收集装置，其特征在于，所述摩擦基底的形状可以为矩形或圆形。

7.根据权利要求1所述的一种基于振动摩擦的多方向宽频能量收集装置，其特征在于，在相同方向上的所述弹性振动装置可以设计为不同的谐振频率。

8.根据权利要求1所述的一种基于振动摩擦的多方向宽频能量收集装置，其特征在于，在不同方向上的所述弹性振动装置可以设计为相同或不同的谐振频率。

9.根据权利要求1所述的一种基于振动摩擦的多方向宽频能量收集装置，其特征在于，所述下电极与摩擦基底的接触面积可以等于或者大于摩擦基底的下表面。

10.根据权利要求1所述的一种基于振动摩擦的多方向宽频能量收集装置，其特征在于，不同的所述弹性振动装置之间的上电极与下电极分别采用并联的连接方式。

11.根据权利要求1所述的一种基于振动摩擦的多方向宽频能量收集装置，其特征在于，所述基底的形状可以为矩形或圆形。