CN116979830A - 一种混合压电-介电振动俘能装置以及无线电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明属于发电技术设备领域，尤其涉及一种混合压电‑介电振动俘能装置以及无线电子设备。混合压电‑介电振动俘能装置包括：压电转化结构，包括一端固定设置并能够在外力的驱动下发生机械振动的悬臂梁、连接悬臂梁的压电俘能单元以及电性连接压电俘能单元的自吸电路，压电俘能单元随悬臂梁振动并发生压电形变，且向自吸电路输出电能；以及介电转化结构，设置于悬臂梁并用于将悬臂梁的机械振动能转化成电能；自吸电路将接收到的电能输出至介电转化结构，以触发和启动介电转化结构。本发明提出了压电‑介电振动俘能装置，使得介电能量俘获能够无源化，提高了便利性，且俘能效果好。

Description

一种混合压电-介电振动俘能装置以及无线电子设备

技术领域

本发明属于发电技术设备领域，尤其涉及一种混合压电-介电振动俘能装置以及无线电子设备。

背景技术

现如今，低功率的小规模无线电子设备逐渐兴起，例如无线传感器、可穿戴或可植入设备以及分布式传感器，这促进了对独立的、分布式的、自主的以及高性能的电力供应的巨大需求。到目前为止，化学电池是此类小型电子设备的主要能量来源。然而化学电池存在诸多缺点，如寿命有限、不易维护、可能存在的污染以及在复杂的环境中无法使用等。因此化学电池不能完全满足未来小型电子设备供应持续能量的轻量化、便捷化、小型化的要求。

从绿色和可持续能源中获取能源的能量收集技术有可能成为这一能源供应问题的长期可持续解决方案。主要的能量源包括风、人体运动、机械旋转、机械振动等。近年来，许多研究人员专注于利用机械振动作为潜在的能量源，这促进了小规模的振动俘能器的发展，这些俘能器被认为是替代低功率小型设备的化学电池的有效选择，因为它们可以自主运行，并通过从无处不在的振动环境中收集能量来产生电能。

小规模的振动能量俘能器的能量采集机制主要包括压电效应、电磁效应、静电效应、摩擦电效应等。在相关的振动俘能器中，介电弹性体发电装置是一种新型静电式俘能装置，其主要工作部件为上下表面分别涂覆了柔性电极的可拉伸介电弹性体膜，在外部激励时薄膜电容发生变化，从而将机械能转化为电能，它是极具前景的振动能量收集装置。

然而，传统的介电弹性体发电装置需要一个外部电源来启动其能量转换过程，这限制了它们在小型无线电子设备供电中的潜在应用。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种混合压电-介电振动俘能装置，旨在解决如何提高混合压电-介电振动俘能装置使用的便利性的问题。

为实现上述目的，本申请采用的技术方案是：

第一方面，提供一种混合压电-介电振动俘能装置，其包括：

压电转化结构，包括一端固定设置并能够在外力的驱动下发生机械振动的悬臂梁、连接所述悬臂梁的压电俘能单元以及电性连接所述压电俘能单元的自吸电路，所述压电俘能单元随所述悬臂梁振动并发生压电形变，且向所述自吸电路输出电能；以及

介电转化结构，设置于所述悬臂梁并用于将所述悬臂梁的机械振动能转化成电能；所述自吸电路将接收到的电能输出至所述介电转化结构，以触发和启动所述介电转化结构。

在一些实施例中，所述压电俘能单元为压电贴片，所述压电贴片贴设于所述悬臂梁的表面。

在一些实施例中，所述压电贴片设置有两个，两所述压电贴片分别位于所述悬臂梁相背设置的两表面，所述自吸电路设置两个，两所述自吸电路分别电性连接两所述压电贴片。

在一些实施例中，所述介电转化结构包括连接所述悬臂梁的套筒、滑动设置于所述套筒内的撞击体以及位于所述套筒并电性连接所述自吸电路的介电弹性体膜，所述介电弹性体膜的四周边缘连接所述套筒的内壁，且所述悬臂梁驱动所述撞击体于所述套筒内往复滑动，以使所述撞击体驱动所述介电弹性体膜发生弹性形变。

在一些实施例中，所述介电弹性体膜间隔布置有两个，所述撞击体位于两所述介电弹性体膜之间。

在一些实施例中，所述悬臂梁开设有连接通孔，所述套筒插设于所述连接通孔内。

在一些实施例中，所述撞击体呈球状设置并由绝缘材料制成。

在一些实施例中，所述混合压电-介电振动俘能装置还包括能够产生磁场的磁性件，所述磁性件设置有两个，其中一所述磁性件固定设置，另一所述磁性件连接所述悬臂梁，且两所述磁性件之间磁性相斥。

在一些实施例中，所述混合压电-介电振动俘能装置还包括底座，所述底座具有容置槽，所述悬臂梁的固定端连接所述容置槽的一侧槽壁。

第二方面，提供一种无线电子设备，其包括所述混合压电-介电振动俘能装置。

本申请的有益效果在于：混合压电-介电振动俘能装置包括压电转化结构和介电转化结构，压电转化结构包括悬臂梁、压电俘能单元和自吸电路，压电俘能单元和介电转化结构均连接悬臂梁，并均能将悬臂梁的机械振动转化成电能，其中，压电俘能单元首先向自吸电路输送电能，自吸电路再将接收到的电能施加在介电转化结构上，从而对介电转化结构进行触发和启动，以使介电转化结构能够实现机械能至电能的转化，而混合压电-介电振动俘能装置无需外接电源，提高了混合压电-介电振动俘能装置的使用的便利性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或示范性技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本申请实施例提供的混合压电-介电振动俘能装置的立体结构示意图；

图2是图1的混合压电-介电振动俘能装置的剖视示意图；

图3是图1的混合压电-介电振动俘能装置的正视示意图。

其中，图中各附图标记：

100、混合压电-介电振动俘能装置；101、底座；102、容置槽；103、伸缩杆；200、压电转化结构；201、悬臂梁；202、压电俘能单元；203、自吸电路；300、介电转化结构；301、套筒；302、介电弹性体膜；303、撞击体；401、磁性件；

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本申请。

需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。术语“第一”、“第二”仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参阅图1和图3，本申请实施例提供了一种混合压电-介电振动俘能装置100，其能够在外部振动激励的驱动下，将机械能转化成电能，并将电能输送至受电设备，以解决小型受电设备的供电问题。混合压电-介电振动俘能装置100包括压电转化结构200和介电转化结构300。

请参阅图1和图3，所述压电转化结构200包括一端固定设置并能够在外力的驱动下发生周期性的机械振动的悬臂梁201、连接所述悬臂梁201的压电俘能单元202以及电性连接所述压电俘能单元202的自吸电路203，所述压电俘能单元202随所述悬臂梁201振动并发生压电形变，且向所述自吸电路203输出电能。可以理解的是，悬臂梁201为弹力臂且其长度方向沿竖直方向布置，外部振动源作用在悬臂梁201时，其驱动悬臂梁201的自由端绕悬臂梁201的固定端进行往复的机械振动，从而使位于悬臂梁201上的压电俘能单元202同步发生压电形变，压电俘能单元202在发生压电形变时，会将振动的机械能转化成电能，并将电能输送至自吸电路203，以启动自吸电路203，并通过自吸电路203对电流进行整流并对电荷进行积累。

请参阅图1和图3，介电转化结构300设置于所述悬臂梁201的自由端并用于将所述悬臂梁201的机械振动能转化成电能；所述自吸电路203将接收到的电能输出至所述介电转化结构300，以触发和启动所述介电转化结构300，从而使混合压电-介电振动俘能装置100在无需外接电源的情况下，能够实现介电转化结构300的启动，实现机械能到电能的转化，提高了混合压电-介电振动俘能装置100使用的便利性。

请参阅图1和图3，本申请实施例提供的混合压电-介电振动俘能装置100包括压电转化结构200和介电转化结构300，压电转化结构200包括悬臂梁201、压电俘能单元202和自吸电路203，压电俘能单元202和介电转化结构300均连接悬臂梁201，并均能将悬臂梁201的机械振动转化成电能，其中，压电俘能单元202首先向自吸电路203输送电能，自吸电路203再将接收到的电能施加在介电转化结构300上，从而对介电转化结构300进行触发和启动，以使介电转化结构300能够实现机械能至电能的转化，而混合压电-介电振动俘能装置100无需外接电源，提高了混合压电-介电振动俘能装置100的使用的便利性。

请参阅图1和图3，可以理解的是，自吸电路203在工作之前仍需要初始电荷，初始电荷从压电俘能单元202获得。压电俘能单元202产生的输出电路通过整流电路从交流电转换成直流电，并用于向自吸电路203提供初始电荷。自吸电路203为介电转化结构300的每个能量收集周期提供初始电荷。

可选地，悬臂梁201由碳素纤维材料制成，碳纤维材料是一种由纤维状碳纤维构成的高性能材料。它的主要成分是碳元素，以及少量的氢、氧和其他杂质。碳纤维具有轻质、高强度、高模量、耐腐蚀、导热性能良好等特点，从而使悬臂梁201具有一定的结构强度和结构韧性，可以在外部振源的驱动下，进行往复的机械振动。

在一些实施例中，所述压电俘能单元202为压电贴片，所述压电贴片贴设于所述悬臂梁201的表面。压电贴片为压电陶瓷片，压电陶瓷片是一种具有压电效应的陶瓷材料，它可以在受到机械应力或压力作用时产生电荷分离，从而产生电势差和电压。压电效应是一种特殊的材料性质，它使得压电陶瓷片在应用中具有很多有用的功能，尤其在传感器、声波设备、振动器等领域。当压电陶瓷片受到悬臂梁201带来的机械应力或压力变化时，其内部的正负电荷会发生移动，导致在其表面产生电荷分布。这种电荷分布产生的电势差和电压可以被自吸电路203利用。

请参阅图1和图3，可选地，自吸电路203设置在压电俘能装置的悬臂梁201上，自吸电路203通过前端导线连接在压电陶瓷片上，自吸电路203再通过后端导线连接在介电转化结构300上。自吸电路203包括多个二极管和多个电容器，设定二极管的排列方式，使自吸电路203中的电容器可以根据电荷流动方向进行串联或并联，从而形成高电压和高电荷配置，以将电荷传送至介电转化结构300，以使介电转化结构300达到启动所需的电荷或电压。

请参阅图1和图3，在一些实施例中，所述压电贴片设置有两个，两所述压电贴片分别位于所述悬臂梁201相背设置的两表面，所述自吸电路203设置两个，两所述自吸电路203分别电性连接两所述压电贴片。

可以理解的是，压电贴片和自吸电路203均设置两个，可以提高对介电转化结构300启动和触发的效率。

请参阅图1和图3，在一些实施例中，所述介电转化结构300包括连接所述悬臂梁201的套筒301、滑动设置于所述套筒301内的撞击体303以及位于所述套筒301并电性连接所述自吸电路203的介电弹性体膜302，所述介电弹性体膜302的四周边缘连接所述套筒301的内壁，且所述悬臂梁201驱动所述撞击体303于所述套筒301内往复滑动，以使所述撞击体303驱动所述介电弹性体膜302发生弹性形变。

请参阅图1和图3，可选地，套筒301由绝缘材料制成，且套筒301的内表面呈光滑面设置，有利于撞击体303于套筒301内滑动或滚动。可以理解的是，套筒301随悬臂梁201的自由端进行周期性的往复振动，从而使撞击体303于套筒301内进行往复滑动，在撞击体303滑动至套筒301的一端时，撞击体303会抵接介电弹性体膜302，并驱动介电弹性体膜302发生弹性形变，从而使介电弹性体膜302能够将机械能转化成电能。

请参阅图1和图3，在介电转化结构300被启动或触发前，当介电弹性体膜302松弛或未发生弹性形变时，介电弹性体膜302将电荷转移到高电压配置的自吸电路203中，当介电弹性体膜302被撞击体303拉伸时，高电荷配置的自吸电路203将更多的电荷返还给介电弹性体膜302，以此循环，自吸式的介电转化结构300的电荷和电压可以逐渐增加，从而最终达到满足介电转化结构300的启动要求。

请参阅图1和图3，可以理解的是，介电弹性体膜302在自吸电路203和压电俘能单元202提供的初始电荷的帮助下可以实现无源化，且只需要一次来自压电俘能单元202的初始电荷，后续通过介电弹性体膜302与自吸电路203的电荷交换维持运行。当装置受到外部激励时，驱动悬臂梁201摆动，悬臂梁201的摆动会带动固定连接的介电转化结构300发生摆动。因此，振动能量可以通过压电俘能单元202和介电转化结构300有效地转换成电能。

在一些实施例中，所述介电弹性体膜302间隔布置有两个，所述撞击体303位于两所述介电弹性体膜302之间。

请参阅图1和图3，可以理解的是，两介电弹性体膜302分别连接两自吸电路203，且两介电弹性体膜302分别位于套筒301的两端，撞击体303在套筒301内进行往复的滑动，在撞击体303滑动至套筒301的一端时，抵接并拉伸其中一介电弹性体；在撞击体303滑动至套筒301的另一端时，抵接并拉伸另一介电弹性体，通过两个介电弹性体膜302可以提高机械能的转化效率。

请参阅图1和图3，可选地，介电弹性体膜302是一种三层结构的可变电容，介电弹性体膜302包括介电弹性薄膜及柔性电极，介电弹性薄膜的两侧表面均涂覆有柔性电极。在输入电压条件下，外力作用使介电弹性薄膜发生形变，引起介电弹性薄膜的电容变化，电容的变化可以产生电流，进而将机械能转化为电能。

在一些实施例中，所述悬臂梁201开设有连接通孔，所述套筒301插设于所述连接通孔内并通过强力胶水粘接。可以理解的是，套筒301的横截面形状为圆形，且套筒301的外径与连接通孔的内径适配。套筒301以悬臂梁201所处平面为对称中心平面，两介电弹性膜分别位于悬臂梁201的两侧，且关于悬臂梁201对称设置，从而可以最大限度的提高介电弹性体膜302的能量转化效率。

请参阅图1和图3，可选地，当介电转化结构300受到外部激励时，撞击体303于两个介电弹性体膜302之间发生间歇冲击，从而基于介电材料的机电转换机制而产生电能。与此同时，介电转化结构300具有双稳结构。双稳结构指的是在一个动力系统中，受到外在激励时，可以从一个稳定状态转换到另一个稳定状态，在两个稳定位置之间实现大范围的跃迁，从而实现大的位移响应输出。双稳结构的位移响应输出可以为混合压电-介电振动俘能装置100提供更大的变形量，从而增加电能的输出。

请参阅图1和图3，在一些实施例中，所述撞击体303呈球状设置。可选地，撞击体303呈球状，并由绝缘材料制成，绝缘材料可以是陶瓷，通过绝缘材料制成的撞击体303，可以避免介电弹性体膜302产生的电荷传导至撞击体303上。

在一些实施例中，所述混合压电-介电振动俘能装置100还包括能够产生磁场的磁性件401，所述磁性件401设置有两个，其中一所述磁性件401固定设置，另一所述磁性件401连接所述悬臂梁201，且两所述磁性件401之间磁性相斥。

请参阅图1和图3，可选地，磁性件401为永磁体，永磁体是一类能够持久产生稳定磁场的材料，它们通常由特定的磁性元素或化合物制成，通过其微观结构中的自旋和磁性矩来产生磁场。一个永磁体安装在悬臂梁201的自由端上，一个永磁体固定设置，且悬臂梁201沿竖直方向的延长线经过固定设置的永磁体，两个永磁体之间N极相对或S极相对，即两个永磁体之间形成的是斥力。在两个磁性件401之间的距离合适时，固定的磁性件401可以产生一个施加在悬臂梁201上的磁铁的双稳态磁势场，可以强化悬臂梁201的振动。使压电俘能单元202有两个稳定平衡态，大大提升了能量俘获的性能。在外部激励施加到悬臂梁201上时，悬臂梁201会相应地振动，从而使压电贴片发生形变，产生电能。

请参阅图1和图3，在一些实施例中，所述混合压电-介电振动俘能装置100还包括底座101，所述底座101具有容置槽102，所述悬臂梁201的固定端连接所述容置槽102的一侧槽壁。

可选地，混合压电-介电振动俘能装置100还包括伸缩杆103，伸缩杆103设置于容置槽102的一侧槽壁，且悬臂梁201的固定端连接所述伸缩杆103，通过伸缩杆103可以调节两磁性件401之间的距离，从而针对不同频率和振幅的外部振源，而调节两磁性件401的距离，使两磁性件401对悬臂梁201施加合适的磁势场。

请参阅图1和图3，本发明还提出了一种无线电子设备，该无线电子设备包括混合压电-介电振动俘能装置100，该混合压电-介电振动俘能装置100的具体结构参照上述实施例，由于本无线电子设备采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此同样具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

在一些实施例中，无线电子设备还包括受电装置，受电装置可以为无线传感器，混合压电-介电振动俘能装置100向无线传感器进行供电。

请参阅图1和图3，本申请提供的无线电子设备，混合压电-介电振动俘能装置100利用压电效应，在外界振动激励下使得压电贴片发生形变，从而将机械能转换为电能，并将电能通过自吸电路203而施加在介电转化结构300上，用于启动介电转化结构300，使混合压电-介电振动俘能装置100是一种无源的振动能量采集装置，可以在户外对无线传感器进行供电，提高了无线电子设备使用的便利性。

以上仅为本申请的可选实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种混合压电-介电振动俘能装置，其特征在于，包括：

压电转化结构，包括一端固定设置并能够在外力的驱动下发生机械振动的悬臂梁、连接所述悬臂梁的压电俘能单元以及电性连接所述压电俘能单元的自吸电路，所述压电俘能单元随所述悬臂梁振动并发生压电形变，且向所述自吸电路输出电能；以及

介电转化结构，设置于所述悬臂梁并用于将所述悬臂梁的机械振动能转化成电能；所述自吸电路将接收到的电能输出至所述介电转化结构，以触发和启动所述介电转化结构。

2.如权利要求1所述的混合压电-介电振动俘能装置，其特征在于：所述压电俘能单元为压电贴片，所述压电贴片贴设于所述悬臂梁的表面。

3.如权利要求2所述的混合压电-介电振动俘能装置，其特征在于：所述压电贴片设置有两个，两所述压电贴片分别位于所述悬臂梁相背设置的两表面，所述自吸电路设置两个，两所述自吸电路分别电性连接两所述压电贴片。

4.如权利要求1-3任意一项所述的混合压电-介电振动俘能装置，其特征在于：所述介电转化结构包括连接所述悬臂梁的套筒、滑动设置于所述套筒内的撞击体以及位于所述套筒并电性连接所述自吸电路的介电弹性体膜，所述介电弹性体膜的四周边缘连接所述套筒的内壁，且所述悬臂梁驱动所述撞击体于所述套筒内往复滑动，以使所述撞击体驱动所述介电弹性体膜发生弹性形变。

5.如权利要求4所述的混合压电-介电振动俘能装置，其特征在于：所述介电弹性体膜间隔布置有两个，所述撞击体位于两所述介电弹性体膜之间。

6.如权利要求4所述的混合压电-介电振动俘能装置，其特征在于：所述悬臂梁开设有连接通孔，所述套筒插设于所述连接通孔内。

7.如权利要求4所述的混合压电-介电振动俘能装置，其特征在于：所述撞击体呈球状设置并由绝缘材料制成。

8.如权利要求1-3任意一项所述的混合压电-介电振动俘能装置，其特征在于：所述混合压电-介电振动俘能装置还包括能够产生磁场的磁性件，所述磁性件设置有两个，其中一所述磁性件固定设置，另一所述磁性件连接所述悬臂梁，且两所述磁性件之间磁性相斥。

9.如权利要求1-3任意一项所述的混合压电-介电振动俘能装置，其特征在于：所述混合压电-介电振动俘能装置还包括底座，所述底座具有容置槽，所述悬臂梁的固定端连接所述容置槽的一侧槽壁。

10.一种无线电子设备，其特征在于，包括如权利要求1-9任意一项所述的混合压电-介电振动俘能装置。