CN101273514A - 用于将机械振动能转化为电能的机电式发电机 - Google Patents

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Abstract

一种用于将机械振动能转化为电能的机电式发电机，该机电式发电机包括：悬臂弹簧，其具有固定端、自由端、以及位于固定端与自由端之间的中间部分；用于悬臂弹簧的安装件，固定端被固定到该安装件上；质量体，其位于悬臂弹簧的自由端上，该质量体带有线圈或者至少一个磁体，磁体形成了磁通区域，其中，悬臂弹簧固定端和自由端中至少之一的刚度要显著地高于悬臂弹簧中间部分的刚度。

Description

用于将机械振动能转化为电能的机电式发电机
技术领域
本发明涉及一种用于将机械振动能转化为电能的机电式发电机。特别是，本发明涉及这样的一种装置：其是一种能将周围的振动能转化为电能的微缩发电机，这种装置例如被用于向智能传感器系统供电。这样的传感器系统可被用在无法接近的区域中，在这些区域中，无法实用地连接导线，从而无法提供电力或传输传感器的信号。
背景技术
目前，在用于微型机电系统(MEMs)装置的交流电源领域，研究活动的力度在逐渐增大，其中的MEMs装置例如是现有技术中那些被用来“采收能量”的装置和被作为“寄生电源”的装置。目前人们正在对这些电源展开研究，用以对无线传感器进行供电。
公知的是：可利用机电式发电机来从周围的振动中采收有用的电能。典型的磁体-线圈式发电机是由弹簧-质量体的组合体构成的，该组合体连接到磁体或线圈上的连接方式能实现如下的效果：当系统振动时，线圈切割由磁心产生的磁通。质量体被安装在悬臂梁上，当其被振动时其可产生运动。悬臂梁或者可被连接到磁心上，并使得线圈相对于装置的封壳保持固定，或者采取相反的布置形式。这样的机电式发电机被微型化处理。这就使得这些发电机易于被布置在宿主设备上或中的多个位置处，以便于提供电能，以驱动单个或多个组成部件。
图1表示了现有技术中一种已有的微型机电式发电机。机电式发电机2的这种已知设计方案具有磁体4、6，它们被连接到柔性的弹簧钢梁体8上，并靠近固定的铜线圈10，线圈10位于两磁体4、6之间。在梁体8的自由端14上制有开孔12，磁体4、6被布置在开孔12的相对两侧。线圈10被布置在开孔12中，并被安装在从基座18向上延伸的臂件16上。梁体8的另一端20被固定到从基座18向上延伸的直立支撑件22上。两磁体4、6各包括一对磁体元件24、26，两磁体元件24、26分别被布置在梁体8的上下两侧，且各对磁体元件中的两磁体元件24、26都被保持衔铁28连接到一起，其中，保持衔铁位于远离线圈10的一侧。这样就在磁体4、6之间形成了磁通区域，线圈10被布置在该区域中。可在基座18上安装罩盖(图中未示出)，以便于封闭并保护机电式发电机的移动元件。
当该机电式发电机2在竖直方向(见图1)上受到振动作用、且振动频率接近于由梁体8和磁体4、6所组成组件的谐振频率时，梁体8和承载在其上的磁体4、6将相对于线圈10发生振荡运动。该运动会导致穿过线圈10的磁通量发生变化，因而在线圈10的导线中产生出感生电压。
这种公知的机电式发电机2需要作为悬臂梁的弹性梁体8支撑着可振动的磁体组件。这种梁体需要被设置为合适的弹簧材料，以便于使得支撑着可振动磁体组件的梁体能被精心地调谐。但难于精确地作到这一点，在机电式发电机2的设计工作寿命内，弹性梁体的谐振特性会发生改变。
在利用薄片弹簧材料形成机械谐振器-特别是包括悬臂梁的谐振器时，必须特别关注其端部处的夹紧部位。在图1中，弹性梁体8必须被夹紧到直立的支撑件22上，通常是利用固定到直立支撑件22上的夹紧构件30来进行夹紧，以使得弹性梁体8被夹置在直立支撑件22与夹紧构件30之间。与夹紧件的材料相接触的弹簧材料的运动会不可避免地引发一定的摩擦损耗。这样的损耗将是可变的，变化情况取决于弹簧和夹紧材料的确切特性、它们表面的光洁度、构造以及夹紧力。
此外，布置在梁体8上下两侧的磁体4、6需要被固定到弹性梁体8上。这些固定结构也会造成一定的摩擦损耗。
对于微机电系统(MEMs)装置领域的普通技术人员来讲，广泛公知的是：在机电式发电机所采用的谐振系统中，希望能具有高的品质因子(Q因子)。摩擦损耗由于会降低Q因子，因而对于谐振器是不利的。
发明内容
因而，目前仍然需要提高机电式发电机-尤其是微型机电式发电机将机械振动能转化为电能、进而转化为可用电能的转化效率。更具体而言，希望减小会降低Q因子的摩擦损耗。
还希望设计这样一种机电式发电机-特别是微型机电式发电机：其克服或消除了上述弹性悬臂梁所存在的问题。
本发明致力于提供一种改进的机电式发电机，其采用弹性悬臂梁作为谐振元件，用于将机械振动能转化为电能，该发电机的工作效率高于现有装置的效率，和/或减弱或消除了摩擦损耗的问题。
因而，本发明提供了一种用于将机械振动能转化为电能的机电式发电机，该机电式发电机包括：悬臂弹簧，其具有固定端、自由端、以及位于固定端与自由端之间的中间部分；用于悬臂弹簧的安装件，固定端被固定到该安装件上；质量体，其位于悬臂弹簧的自由端上，该质量体带有线圈或者至少一个磁体，磁体形成了磁通区域，其中，悬臂弹簧固定端和自由端中至少之一的刚度要显著地高于悬臂弹簧中间部分的刚度。
优选地是，悬臂弹簧固定端和自由端中至少之一的刚度是悬臂弹簧中间部分刚度的至少两倍。
优选地是，悬臂弹簧自由端和固定端的刚度都是悬臂弹簧中间部分刚度的至少两倍。
优选地是，是通过改变悬臂弹簧的横截面形状和横截面尺寸中的至少一个来实现固定端和/或自由端刚度的增加。
优选地是，悬臂弹簧与安装件是一体的，一体的安装件由此形成了悬臂弹簧的固定端。
优选地是，悬臂弹簧和质量体的至少一部分是一体的，质量体的一体部分由此形成了悬臂弹簧的自由端。
优选地是，至少一个磁体被布置在悬臂弹簧的自由端上，且至少一个磁体在间隙中形成了磁通区域，发电机还包括被接纳在间隙中的线圈。
优选地是，安装件包括为机电式发电机的壳体设置的框架。
优选地是，框架形成了空腔，悬臂弹簧、至少一个磁体、以及支撑构件被布置在该空腔内。
机电式发电机还可包括板体构件，线圈被安装到该板体构件上，且板体构件被固定到框架上。
机电式发电机还可包括罩盖构件，其被安装到框架上，并遮罩着空腔。
机电式发电机还可包括基座构件，其被安装到框架上，并遮罩着空腔。
机电式发电机还可包括为位于悬臂弹簧自由端的至少一个磁体设置的支撑构件，该支撑构件与悬臂弹簧是一体的。
机电式发电机还可包括用于对至少一个磁体进行保持的磁体保持器，其中，该磁体保持器被固定到支撑构件上。
优选地是，磁体保持器通过螺纹连接件固定到支撑构件上，螺纹连接件可被进行调节，由此能改变保持器相对于悬臂弹簧的纵向位置，进而可改变机电式发电机的谐振频率。
优选地是，螺纹连接件包括第一头体部分和第二筒柱部分，第一头体部分被安装到保持器和支撑构件中的一个上，第二筒柱部分被安装到保持器和支撑构件中的另一个上，头体部分和筒柱部分利用螺纹旋接到一起，外螺纹73与螺纹孔66相配合。
优选地是，保持器利用至少一个销体安装到支撑构件上，销体从保持器与支撑构件中的一个上延伸，并可滑动地接纳在位于保持器与支撑构件中另一者上的孔洞中。
基于本发明人的发现，预计本发明能实现如下的效果：通过提高悬臂弹簧至少一端(通常是固定端)-或更为优选地是两端的刚度，能减小由于端部在夹紧位置点处挠曲而造成的任何摩擦损耗，其中，例如是通过增大横截面厚度和/或改变横截面形状(进而改变刚性)来提高刚度的。摩擦损耗可被充分地减小，以使得由端部在夹紧位置点处挠曲所引起的摩擦损耗相比于其它的损耗变得可忽略不计，其它的损耗例如是弹簧材料内部的固有损耗。加厚部分可构成固定端的一体安装件和磁体的一体支撑件。
悬臂弹簧的加厚端可被延长，以便于为装置中其它部件(如果存在的话)的连接提供便利。因而，使得悬臂弹簧与框架合并成一个整体。
本发明实现了如下的优点：与图1所示的、悬臂梁的端部被夹紧的现有装置相比，机电式发电机上由摩擦引起的损耗总体上被降低了，因而具有更高的Q因子。此外，Q因子具有更高的重复性和可预测性。另外，通过为悬臂梁设置一体的安装件-特别是如果该安装件为机电式发电机的壳体形成了一体的框架，使得装置的零部件数目减少，进而降低了制造成本。
在另一方面，本发明提供了一种用于将机械振动能转化为电能的机电式发电机，该机电式发电机包括：悬臂弹簧，其具有固定端和自由端；用于悬臂弹簧的安装件，固定端被固定到该安装件上；质量体，其位于悬臂弹簧的自由端上，该质量体带有线圈或者至少一个磁体，磁体形成了磁通区域，质量体还包括支撑构件，其与悬臂弹簧为一体或与悬臂弹簧相连；用于保持着线圈或至少一个磁体的保持器；以及螺纹连接件，其将保持器固定到支撑构件上，该螺纹连接件可被进行调节，由此来改变保持器相对于悬臂弹簧的纵向位置，并进而改变机电式发电机的谐振频率。
该方案提供了一种可靠而便于调整的机构，以便于对机电式发电机的谐振频率实现精调谐。
优选地是，螺纹连接件包括第一头体部分和第二筒柱部分，第一头体部分被安装到保持器和支撑构件中的一个上，第二筒柱部分被安装到保持器和支撑构件中的另一个上，头体部分和筒柱部分利用螺纹旋接到一起。
优选地是，保持器利用至少一个销体安装到支撑构件上，销体从保持器与支撑构件中的一个上延伸，并可滑动地接纳在位于保持器与支撑构件中另一个上的孔洞中。
附图说明
下文将仅参照附图来举例说明本发明的一种实施方式，在附图中：
图1中示意性的透视图表示了一种用于将机械振动能转化为电能的现有机电式发电机；
图2是从上方对根据本发明一种实施方式的、用于将机械振动能转化为电能的机电式发电机所作的示意性分解透视图；
图3中的示意性俯视透视图表示了图2所示的机电式发电机在被组装好时的形态；
图4中的示意性透视图表示出了图2所示机电式发电机的框架以及整体式悬臂梁的上表面；以及
图5中的示意性透视图表示出了图2所示机电式发电机的框架以及整体式悬臂梁的下表面。
具体实施方式
图2和图3表示了一种根据本发明实施方式的、用于将机械振动能转化为电能的机电式发电机32。
该机电式发电机32包括磁体保持器34，其支撑着多个磁体36、38、40、42。磁体保持器34具有中位间隙44，用于将安装在面板48上的线圈46接纳在其中。磁体保持器34的形状是典型的矩形。磁体36、38、40、42被安装到设置在磁体保持器34上的各个孔眼50中，使得各个磁体36、38、40、42的表面暴露于间隙44的相对两侧52、54上。按照这样的方式，如同现有技术中公知的那样，利用磁体36、38、40、42在间隙44中形成了磁通区域。磁体36、38、40、42相对于处于间隙44中的静止线圈46的上下振荡运动使得线圈46切割运动着的磁通。这就使得线圈46中产生电流，该电流沿导线(图中未示出)输送给要被驱动的器件(图中未示出)，该器件利用从振荡运动采收得到的电能来进行驱动。
间隙44位于磁体保持器34的前表面56处。磁体保持器34的后表面58被安装到支撑构件60上。另外可参见图4和图5，支撑构件60上设置有螺纹连接件62，其延伸穿过支撑构件60上的光滑孔64，并被接纳到设置在磁体保持器34后表面58上的螺纹孔66中。螺纹连接件62包括：第一头体部分63，其具有头体65和螺纹杆67；以及第二筒柱部分69，其具有内螺纹71，该内螺纹与螺纹杆67相配合，第二筒柱部分的外柱面是由外螺纹73构成的，其与螺纹孔66相配合，光滑的筒柱75被接纳在光滑孔64中。螺纹杆67利用粘接剂(图中未示出)粘接在内螺纹71中，从而使得第一头体部分63和第二筒柱部分69在转动方向和轴向上锁固在一起。因而，螺纹连接件62被固系在支撑构件60上，但可利用位于光滑孔64中的光滑筒柱75实现自由转动。
由此，螺纹连接件62将磁体保持器34牢固地栓系在支撑构件60上，但是该固定方式是可调节的，从而能改变保持器与支撑构件之间的间距。头体部分63的转动使得磁体保持器34相对于支撑构件60作前后纵向运动，这是由于外螺纹73在螺纹孔66中转动所致。磁体保持器34被推离支撑构件60或拉向支撑构件，从而改变了质量体沿悬臂弹簧/磁体组件长度方向的位置。
磁体保持器34的后表面58上还设置有一对相互分开的、向后延伸的销体68、70，它们分别可滑动地容纳在孔洞72、74中，孔洞72、74被设置在支撑构件60上，并位于为螺纹连接件62设置的光滑孔64的横向相对两侧。从而，销体68、70阻止磁体保持器34与支撑构件60之间产生相对转动。但是，它们允许筒柱部分69相对于头体部分63在前后方向上作纵向运动。如果需要的话，也可仅设置一个销体。
在悬臂梁形式的悬臂弹簧76的一端78处，支撑构件60与悬臂弹簧76是一体的，端部78可在图示的上下方向上以谐振频率作自由的振荡运动，其中的谐振频率是由弹簧76的特性以及支撑构件60-磁体保持器/磁体组件的质量决定的。具体而言，通过转动头体部分63可改变位于悬臂弹簧76自由端78的磁体保持器34的纵向位置，由此能将谐振频率容易地精调到所需的数值。悬臂弹簧76的厚度和质量使得其能在机电式发电机2受到震动时产生振动。在悬臂弹簧76的另一端80处，悬臂弹簧76与机电式发电机2的框架82是一体的。框架82为悬臂弹簧76形成了安装件，端部80在该安装件上处于固定的位置。
因此，悬臂弹簧76具有固定端78、自由端80、以及位于固定端与自由端之间的中间部分81。框架82是为悬臂弹簧76设置的安装件，固定端78被固定到该安装件上。支撑构件60是位于悬臂弹簧76自由端80的质量体的一部分，该质量体还包括形成了磁通区域的至少一个磁体。悬臂弹簧76的固定端78和自由端80中至少之一的刚度显著地大于悬臂弹簧76的中间部分81的刚度，优选地是，至少是后者的两倍。通过改变悬臂弹簧横截面形状和横截面尺寸中的至少一个能实现固定端和/或自由端刚度的提高。
在图示的实施方式中，通过设置一体的安装件82和一体的支撑构件60来实现上述增强刚度的效果，在此情况下，安装件82和支撑构件60的厚度相对于悬臂弹簧76中间部分81的厚度有了显著的增大，这造成刚度的显著增大，因而显著的情况是：一体的安装件82和支撑构件60根本不会振动。但是，即使只在悬臂弹簧的一端处进行设置，程度较低的刚度提高也能减小摩擦损耗。
在一种备选的实施方式中，线圈被设置在位于悬臂弹簧自由端的质量体处，而至少一个磁体是被固定的。
框架82是部分的环形，并将悬臂弹簧76、与其一体的支撑构件60、以及磁体保持器34接纳在中心空腔84中。在框架82的开口端86处，面板48被装配到框架82上，从而形成了封闭的环形框架结构，且线圈46被接纳在间隙44中，处于所希望的位置上。面板48通常是利用螺钉(图中未视出)装配到框架82上。
框架82具有多个孔洞88，这些孔洞在上、下表面90、92之间延伸贯通。利用螺钉(图中未视出)将罩盖94装配到框架82的上表面90上，并将基座96装配到框架82的下表面92上，其中的螺钉延伸穿过罩盖94以及框架82上的孔洞88，并旋拧到底座96上设置的螺纹孔98中。面板48紧闭地贴接着罩盖94和基座96。这样就为机电式发电机2形成了完全密闭、牢固的壳体100，保护着各个运动元件。图3表示了组装完成后的构造。框架82构成了壳体100的一部分。
参见图4和图5，可以看出：悬臂弹簧76被一体地连接到支撑构件60和框架82上，且连接部位均位于支撑构件60和框架82的下边缘处，这就使得螺纹连接件62在支撑构件60中大致上处于中心位置，且不会使得支撑构件60不必要地变得既大又重。此外，在位于悬臂弹簧76对应端部80上方，可在框架82上设置安装孔102，以使得机电式发电机2能被牢固地安装到振动体上，发电机从该振动体收集电能。
支撑构件60和框架82的厚度和质量使得它们在机电式发电机受到振动时无法产生振动。只有与它们结合为一体的悬臂弹簧76可发生振动。优选地是，利用常规的滚动球磨机用铍青铜制成一体支撑构件60、悬臂弹簧76、以及框架82。在一种实例中，框架的厚度约为8mm，与此相反，悬臂弹簧的厚度小于约一个数量级，即为0.8mm厚。
由于悬臂梁与框架是一体的，且当机电式发电机在使用中受到振动时，框架自身并不发生振动，所以在悬臂梁与框架之间不存在摩擦损耗，因而，在悬臂梁与机电式发电机的静止部件之间不会产生摩擦损耗。此外，通过在悬臂梁的另一端为磁体保持器设置与悬臂梁一体的支撑件，当机电式发电机在使用中受到振动时，支撑件自身将与悬臂梁一起振动，从而，在悬臂梁与位于悬臂梁自由端的磁体之间不存在任何摩擦损耗。
与图1所示的现有装置相比，减小了摩擦损耗。另外，现有技术中的弹性梁体在其使用寿命期间，弹性特性趋于发生改变，这在部分上是由于摩擦损耗的变动所致，弹性特性的改变将造成谐振频率出现不利的变动，从而降低装置的电能输出和/或需要对装置执行困难的调整作业。在本发明的机电式发电机中，弹性梁体与框架(优选地是还包括磁体)的一体结构消除或极大地减小了这些摩擦损耗，从而，在装置的整个工作寿命内，能更为容易地实现对谐振频率的调谐和维护。
对于本领域普通技术人员而言很显然的是：可对本发明的机电式发电机作出多种改型。特别是，框架、支撑构件、以及磁体保持器可采用其它的形状。

Claims (20)

1.一种用于将机械振动能转化为电能的机电式发电机，该机电式发电机包括：悬臂弹簧，其具有固定端、自由端、以及位于固定端与自由端之间的中间部分；用于悬臂弹簧的安装件，所述固定端被固定到该安装件上；质量体，其位于悬臂弹簧的自由端上，该质量体带有线圈或者至少一个磁体，磁体形成了磁通区域，其中：悬臂弹簧的固定端和自由端中至少之一的刚度显著地高于悬臂弹簧的中间部分的刚度。
2.根据权利要求1所述的机电式发电机，其特征在于：悬臂弹簧固定端和自由端中至少之一的刚度是悬臂弹簧的中间部分的刚度的至少两倍。
3.根据权利要求1或2所述的机电式发电机，其特征在于：悬臂弹簧自由端和固定端的刚度均为悬臂弹簧中间部分的刚度的至少两倍。
4.根据上述权利要求之一所述的机电式发电机，其特征在于：通过改变悬臂弹簧的横截面形状和横截面尺寸中的至少一个来实现固定端和/或自由端刚度的增加。
5.根据上述权利要求之一所述的机电式发电机，其特征在于：悬臂弹簧与安装件是一体的，一体的安装件由此形成了悬臂弹簧的固定端。
6.根据上述权利要求之一所述的机电式发电机，其特征在于：悬臂弹簧与质量体的至少一部分是一体的，质量体的一体部分由此形成了悬臂弹簧的自由端。
7.根据上述权利要求之一所述的机电式发电机，其特征在于：至少一个磁体被布置在悬臂弹簧的自由端上，且所述至少一个磁体在间隙中形成了磁通区域，发电机还包括被接纳在间隙中的线圈。
8.根据权利要求7所述的机电式发电机，其特征在于：安装件包括为机电式发电机的壳体设置的框架。
9.根据权利要求8所述的机电式发电机，其特征在于：框架形成了空腔，悬臂弹簧、所述至少一个磁体、以及支撑构件被布置在该空腔内。
10.根据权利要求9所述的机电式发电机，还包括：板体构件，线圈被安装到该板体构件上，且板体构件被固定到框架上。
11.根据权利要求9或10所述的机电式发电机，还包括：罩盖构件，其被安装到框架上，并遮罩着空腔。
12.根据权利要求9、10或11之一所述的机电式发电机，还包括：基座构件，其被安装到框架上，并遮罩着空腔。
13.根据权利要求8到12之一所述的机电式发电机，还包括：为位于悬臂弹簧自由端的所述至少一个磁体设置的支撑构件，该支撑构件与悬臂弹簧是一体的。
14.根据权利要求13所述的机电式发电机，还包括：用于保持所述至少一个磁体的磁体保持器，其中，该磁体保持器被固定到支撑构件上。
15.根据权利要求14所述的机电式发电机，其特征在于：磁体保持器通过螺纹连接件固定到支撑构件上，螺纹连接件可进行调节，由此改变保持器相对于悬臂弹簧的纵向位置，进而改变机电式发电机的谐振频率。
16.根据权利要求15所述的机电式发电机，其特征在于：螺纹连接件包括第一头体部分和第二筒柱部分，第一头体部分被安装到保持器和支撑构件中的一个上，第二筒柱部分被安装到保持器和支撑构件中的另一个上，头体部分和筒柱部分利用螺纹旋接到一起。
17.根据权利要求16所述的机电式发电机，其特征在于：保持器利用至少一个销体安装到支撑构件上，销体从保持器与支撑构件中的一个上延伸，并可滑动地接纳在位于保持器与支撑构件中的另一个上的孔洞中。
18.一种用于将机械振动能转化为电能的机电式发电机，该机电式发电机包括：悬臂弹簧，其具有固定端和自由端；用于悬臂弹簧的安装件，所述固定端被固定到该安装件上；质量体，其位于悬臂弹簧的自由端上，该质量体带有线圈或者至少一个磁体，磁体形成了磁通区域，质量体还包括支撑构件，该支撑构件与悬臂弹簧为一体或与悬臂弹簧相连；用于保持线圈或所述至少一个磁体的保持器；以及螺纹连接件，其将保持器固定到支撑构件上，该螺纹连接件可进行调节，由此来改变保持器相对于悬臂弹簧的纵向位置，进而改变机电式发电机的谐振频率。
19.根据权利要求18所述的机电式发电机，其特征在于：螺纹连接件包括第一头体部分和第二筒柱部分，第一头体部分被安装到保持器和支撑构件中的一个上，第二筒柱部分被安装到保持器和支撑构件中的另一个上，头体部分和筒柱部分利用螺纹旋接到一起。
20.根据权利要求19所述的机电式发电机，其特征在于：保持器利用至少一个销体安装到支撑构件上，销体从保持器与支撑构件中的一个上延伸，并可滑动地接纳在位于保持器与支撑构件中另一个上的孔洞中。
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