CN101971469A - 用于将机械振动能量转化为电能的机电发电机 - Google Patents

Abstract

带有运动电枢(22)和运动芯体(50)的往复式发电机具有环状永磁体(52、54)。运动部件两者可以以不同的谐振频率振荡。超环状C形芯体在其C形空腔中包围柱状电枢线圈。所述电枢线圈连接到位于超环状芯体的轴向中部的安装座(26、28)。每个运动部件借助叶簧(82、84、182、184)连接到壳体(4)。运动部件两者具有较高质量并提供泄漏较少的磁通量，用于有效采集能量。

Description

用于将机械振动能量转化为电能的机电发电机

技术领域

本发明涉及一种用于将机械振动能量转化为电能的机电发电机。具体来说，本发明涉及这样一种设备，该设备是能将周围振动能量转化为电能，例如用来给情报传感器系统供电的小型发电机。这种系统可以用在取消电缆或电池将具有经济性和操作优势的众多领域中。

背景技术

已经知道使用机电发电机来从环境振动采集有用的电力，例如为无线传感器供电。典型的磁体-线圈发电机由连接到磁体或线圈的弹簧-质块组合构成，以便在所述系统振动时，线圈切割由磁芯形成的磁通量。

本领域一般知道，根据原理，磁芯发电机的弹簧-质块组合的质量越大，则输出电力越大。能量采集器需要在较大的带宽范围内产生较大电力，因为在部署之前并不知道振动频率，或者振动频率可能改变。谐振式能量采集器在较大带宽上产生较大电力，要求质量较大、Q值较高且磁性耦合系数较大。

US-A-2003/0173725公开了一种振动阻尼设备，这种设备将机械能转化为电能，并且作为击送轮(beater)以已知方式安装在飞行器特别是直升飞机中。这种设备并非设计用作机电发电机，以便从环境振动有效采集大量的电力，例如用于给无线传感器供电。

发明内容

本发明的目标是提供一种设备，该设备以切实方式使得三个参数最大，即质量大、Q值高且磁性耦合系数高。

本发明相应提供一种用于将机械能转化为电能的机电发电机，具有权利要求1、15或17所述的特征。优选特征在从属权利要求中限定。

在本发明优选实施方式的机电发电机中，通过填充金属磁芯组件内的几乎全部内部空间，可以实现较高的运动质量。这种效果之所以能实现，至少部分原因是因为位于磁芯组件和电气线圈组件相对两端的平板弹簧节省空间。此外，较高的Q值得益于磁芯组件的“闭合”结构泄漏的磁通量非常少，因此在静止壳体周围材料中仅存在非常小的涡流。因此，在运动的磁芯组件和壳体之间只需要非常小的间隙，允许运动质量更多。较高的磁性耦合也得益于磁芯组件的闭合性质，此时泄漏出去的磁通量非常少——几乎全部磁通量都通过线圈导送。此外，通过额外设置，使得电气线圈组件除了振动的磁芯组件之外，还具有优选以不同自然谐振频率振动的质量，线圈和磁通量之间的电磁耦合可以在宽泛的振动频率范围上得到最大化。这样可以在一定的操作应用场合范围上提供较大的电气输出，其中输入振动能量可以例如随着时间而改变频率。

附图说明

现在将仅作为示例，参照附图描述本发明的实施方式，在附图中：

图1是根据本发明的实施方式，穿过用于将机械振动能量转化为电能的机电发电机的简略侧视截面；

图2是图1所示机电发电机中的第一弹簧的简略平面图；

图3是图1所示机电发电机中的第二弹簧的简略透视图；和

图4是图1所示机电发电机中所用的替代弹簧结构的一部分的简略透视图。

具体实施方式

本发明的机电发电机是本领域中称为“速度阻尼”的谐振式发电机，其中惯性质量相对于所述壳体的运动所做的全部的功与该运动的瞬时速度成正比。无可避免地，一部分功因克服不希望的机械或电气损耗而被吸收，但是剩下的功可用于经由适当的换能机构诸如以下所述的电气线圈/磁性组件产生电流。

图1至3示出了根据本发明的实施方式，用来将机械振动能量转化为电能的机电发电机2。机电发电机2包括壳体4。壳体4包括环状外周边壁6、成整体的环状盖板8和环状基座10。基座10的环状边缘12固定地配装到外周边壁6的下边缘14，例如借助粘结剂或螺纹耦接件(未示出)配装。外周边壁6限定柱状横截面的内部空间16，该空间具有旋转轴线A-A。环状开口18通过盖板8形成，该开口18与柱状横截面的内部空间16同轴。

基座10在其外表面上设置有接头20，用于将机电发电机2固定地安装到支撑件(未示出)。

导电线圈22可运动地安装在壳体4中，用于沿着轴线A-A线性振动。线圈22为环状，且与壳体4同轴，并且具有径向内外侧部21、23，所述侧部21、23平行于旋转轴线A-A延伸。线圈22具有上和下边缘27、29。线圈22作为组件安装在环状线圈支撑件24中，所述环状线圈支撑件基本上位于轴线A-A和外周边壁6之间沿着径向方向的中间，并且也基本上位于盖板8和基座10之间沿着轴向方向的中间。线圈支撑件24具有整体环状中央安装部分26，该安装部分从线圈22中央部分径向向内延伸，并安装在中央管状主体28上。

中央管状主体28借助一对相对的板簧182、184可运动地安装到壳体4。一个弹簧182、184位于壳体4特别是环状外周边壁6和中央管状主体28相应的上端或下端86、88之间。每个弹簧182、184的径向内部环状边缘190、192固定地配装到中央管状主体28相应的上端或下端86、88。每个弹簧182、184的径向外部环状边缘198、200固定地配装到环状外周边壁6相应的上端或下端183、185。所述配装例如可以借助螺纹来实现，或者借助接收在相应凹槽中的板簧的环状内边缘和/或外边缘来实现。

在替代实施方式中，弹簧182、184可以固定地分别配装到盖板8和基座10，而非环状外周边壁6。

优选，所述线圈支撑件24以导电率非常低的材料，诸如玻璃加载的塑料制成。优选中央管状主体28以导磁性低、导电率低但是弹性模量高的材料诸如316不锈钢制成。

安装部分26限定环状凹部30，其中接收例如通过电压调节来电气调节线圈20的电气输出的电路32。电路32借助塑料或橡胶密封材料34包封在环状凹部30中，所述密封材料密封并保护电路32免受不希望的环境影响，诸如湿度、液体等等。线圈22借助第一导线36连接到电路32，进而电路32具有第二导线38，所述第二导线从该电路贯穿盖板8中的开口18延伸，用于连接到外部电路(未示出)。开口18可以被气密密封件19例如玻璃密封，以防止水分进入壳体4。第二导线38穿过中央管状主体28内的中央细长孔25延伸，并且挠性安装，从而适应携带线圈22的中央管状主体28沿着轴线A-A的振动。

线圈22可以包括单一线圈，或者可以具有隔开的第一和第二线圈部分，所述第一和第二线圈部分分别位于安装部分26上方和下方。

磁芯组件50也可运动地安装在壳体4中，用于沿着轴线A-A进行线性振动运动。磁芯组件50旋转对称，并包括一对轴向对齐的环状磁体52、54，每个磁体通常为具有较高磁场强度的稀土永磁体。磁体52、54安装在安装部分26上方和下方的相对两侧，并且径向位于线圈20内部。磁体52、54分别与安装部分26隔开，并且限定气隙55，安装部分26穿过该气隙延伸。如图1所示，磁体52、54对齐，以便它们的同名磁极56、58(例如，如图1所示的南极(S)磁极)在安装部分26相对两侧上彼此面对。

磁芯组件50还包括例如用软钢或软铁制成的共用铁磁性主体64。磁体52、54安装在共用铁磁性主体64的对置环状臂60、62之间。磁体52、54沿着轴向向外方向彼此背离的磁极66、68(例如，北极(N)磁极)分别安装在相应的环状臂60、62上。共用铁磁性主体64还包括管状部分70。管状部分70可包含两个互锁的管状构件72、74，每个管状构件与相应环状臂60、62整体形成。通过这种方式，上下线圈部分40、42分别至少部分地位于共用铁磁性主体64的管状部分70和一个磁体52、54之间。

耦接到径向内部磁体52、54的径向外部共用铁磁性主体64的磁芯组件50在它们之间限定环状闭合空腔43，线圈22接收在该空腔中。磁体52、54位于线圈22的内侧部21附近，而共用铁磁性主体64位于线圈22的外侧部23附近。磁体52、54和共用铁磁性主体64与线圈22略微隔开，以允许它们之间进行相对平动。磁芯组件50从径向外侧部23；上下边缘27、29；和径向内侧部21的一部分包围线圈22，磁芯组件具有位于其径向内侧部上、由磁体52、54构成的气隙55，安装部分26穿过该气隙延伸。共用铁磁性主体64包括磁芯组件50的径向外侧的上部部分和下部部分。因此，磁芯组件50具有基本上C形横截面，并且旋转对称。

空腔43具有位于第一和第二线圈部分40、42中的每一个与中央管状主体28之间并分别位于安装部分26上方或下方的相应空腔部分44、46。

共用铁磁性主体64由磁导率高、质量大的铁磁性材料诸如软钢或软铁构成。因此，共用铁磁性主体64和磁体52、54的组件形成磁芯组件50的两个轴向隔开的磁路76、78，磁通量在图1中以虚线示出，一条虚线用于一个磁体52、54。每个磁路76、78的磁通量线的极限由相应环状臂60、62和管状构件72、74限定，这样基本上防止了每个磁体52、54的磁通量从共用铁磁性主体64轴向或径向向外延伸。由于对置磁体52、54的同名磁极56、58(例如，S磁极)彼此面对，所以在磁芯组件50的中部区域80处，对置磁路76、78的磁通量相反，从而将磁通量径向向外导向共用铁磁性主体64。

合成效果是单一磁芯组件50包括两个分开的磁体52、54，且每个磁体具有相应的磁路76、78，其中将比例非常高的磁通量约束到经过相应线圈部分40、42。这种结构进而在磁体52、54与线圈22之间形成程度非常高的磁性耦合。因此，磁体52、54和线圈22之间的任何相对运动，特别是如下所述磁芯组件50和线圈22两者的线性轴向谐振运动，在线圈22处产生了非常高的电力输出。

共用铁磁性主体64借助一对对置板簧82、84可运动地安装到壳体4，特别是安装到环状外周边壁6。一个弹簧82、84位于共用铁磁性主体64的每个相应上下端83、85与环状外周边壁6之间。每个弹簧82、84的径向内部环状边缘90、92固定地配装到共用铁磁性主体64的相应上下端83、85。每个弹簧82、84的径向外部环状边缘98、100固定地配装到环状外周边壁6的相应上下端183、185。

如图2所示，在一种替代实施方式中，每个弹簧82、84具有螺旋结构，使得多个螺旋臂108在径向内部环状边缘90、92与径向外部环状边缘98、100之间延伸。弹簧182、184可以具有类似结构。

如图3所示，在另一种替代布置中，每个弹簧82、84具有阶梯轭架结构，使得多个偏心轭架110、112以级联台阶方式在径向内部环状边缘90、92和径向外部环状边缘98、100之间延伸。同样，弹簧182、184可以具有类似结构。图中还示出径向外部环状边缘98、100具有螺旋螺纹表面102，所述螺旋螺纹表面可以将所述弹簧固定到壁6的相应表面。

图中还示出径向内部环状边缘90、92具有螺旋螺纹表面94，所述螺旋螺纹表面94可以将所述弹簧分别固定到中央管状构件28或者铁磁性主体64的相应表面。

如图4所示，在另一种替代实施方式中，每个弹簧82利用共用弹簧部分210连接到相应弹簧182。每个共用弹簧部分210具有配装到壳体4的径向外部环状边缘214；和径向内部环状边缘218，上部弹簧82、182从所述径向内部环状边缘218径向向内延伸。为下部弹簧84、184提供了类似的共用弹簧结构。较之位于所述设备每一端的两个单独弹簧而言，这种单体弹簧元件的制造和组装不太昂贵。

在磁芯组件50离开中部平衡位置移动时，两个弹簧82、84分别抵靠磁芯组件50施加相同的机械偏压力。两个弹簧82、84优选具有相同的弹簧常数。

因此，在导电线圈22组件离开中部平衡位置移动时，两个弹簧182、184分别抵靠导电线圈22施加相同的机械偏压力。两个弹簧182、184优选具有相同的弹簧常数。

用于导电线圈组件和磁芯组件的相应偏压设备适配成使得导电线圈组件和磁芯组件独立振动，并且优选相应具有不同的自然谐振频率。这样使得对于给定的输入机械振动而言，电气线圈组件以第一频率振动，而磁芯组件以第二频率振动。这样可以使得线圈和磁通量之间的电磁耦合，在宽泛的输入振动频率范围上，得到最大化。这样可以在一定的操作应用场合范围上提供较高的电气输出，其中输入振动能量可以例如随着时间改变频率。

在可运动的磁芯组件50轴向相对两端提供一对板簧82、84，以及在可运动的导电线圈组件22轴向相对两端也提供一对板簧182、184，提供了这样一种结构，该结构不仅在磁芯组件50和导电线圈22组件上提供了充足的弹簧偏压回复力，从而向轴向中部位置分别偏移相应组件，而且在壳体4中占据基本上最小的空间。具体来说，位于可运动的磁芯组件50轴向相对两对的弹簧82、84使得磁芯组件50径向向外延伸，远达壳体4的内部径向极限部位。这样使得对于给定的内部空间16而言，磁芯组件50的尺寸得到最大化，这样不仅使得磁性耦合最大，而且重要的是，允许可运动的磁芯组件的质量被相应地最大化。正如本领域已知，在谐振式振动电磁能量采集器中，希望让可运动的磁芯组件质量最大化，因为这样将提高输出电力。用于可运动的导电线圈22组件的板簧182、184仅占据内部空间16纵向长度的一小部分，留下大量的有用工作空间来容纳运动的导电线圈组件和运动的磁体组件。

提供一对板簧82、84还免除了对包围可运动的磁芯组件的昂贵而笨重的螺旋弹簧的需求。这样通过降低部件成本而降低了制造成本。这种情况相应地适用于运动的导电线圈组件所用的板簧182、184。

可运动的磁芯组件和可运动的线圈之间较高程度的磁性耦合，以及质量较大的可运动的磁芯组件和质量较大的可运动的导电线圈组件，使得两个谐振频率能方便地精确调谐到相应的期望值，而且还允许在谐振振荡过程中，向可运动的磁芯组件和运动的导电线圈组件施加较大的自回复力，从而使得振荡幅值最小。由于幅值受限，所以弹簧82、84和182、184永远只发生较小程度的变形，良好地处于其线性弹簧特性范围内。通常，中央管状主体28分别与盖板8或基座10之间的气隙114、116大约为1mm，并且所述最大幅值相应小于该距离。同样，这样使得壳体4中沿着轴向的有用空间16最大。

弹簧82、84和182、184回头向着相应中部位置偏压磁芯组件50和导电线圈22组件，在机电发电机2承受所施加的机械力，特别是具有至少沿着轴线A-A的分量的机械振动时，磁芯组件50和导电线圈22组件可以各自沿着轴线A-A轴向运动。弹簧82、84和182、184在侧向，即径向，具有较高的刚性，从而基本上防止磁芯组件50和电气线圈22组件发生非轴向运动。

壳体4的内部空间16可以包括气体。壳体4可以气密地密封壳体4的内部空间16。

机电发电机2使用安装在壳体4中的谐振式质块-弹簧结构。如果机电发电机2承受使其沿着A-A方向运动的外部振动源，则磁芯组件50和电气线圈22组件各自包括相应的惯性质量，所述惯性质量可以相对于壳体4沿着A-A方向运动。因此，弹簧82、84和182、184发生轴向变形，并且抵抗包括可运动的电气线圈和可运动的磁芯组件的阻尼器做功，所述磁芯组件产生具有磁通量的区域，所述电气线圈设置于该区域中。电气线圈在磁通量中的运动导致在所述电气线圈中感生出电流，该电流可以用作电力源来驱动外部设备(未示出)。

而且，虽然在该实施方式中，弹簧为板簧，但是也可以采用其他偏压元件。

相对于设备尺寸而言，磁芯组件的质量可以制作地非常大，从而例如较之悬臂设备而言，可以增加设备的总体质量密度。对于给定的由所述设备占据的空间，可以提供更大的运动质量。这样也使得电力输出最大，原因如上所述。

通过增大电气输出，作为磁性耦合增大的结果，所述设备的操作带宽显著增大。这样又显著改进了所述设备用在许多新式能量采集应用场合中的能力。

简单的板簧可以用于所述机电发电机中。这样提供了可靠而简单的结构，防止磁芯组件和电气线圈组件发生侧向运动，摩擦小且避免复杂难懂和/或昂贵的制造技术。这样产生的结构结实而紧凑。由于板簧承受幅值非常小的变形，所以它们的机械特性不是特别关键，因为它们的任何部位永远不会变形到接近线性弹性运动的机械极限，因此它们可以相应地具备传统质量，因此部件成本较低。

本发明技术人员将明白本发明的其他改型和实施方式。

Claims (18)

1.一种用于将机械振动能量转化为电能的机电发电机，所述机电发电机包括：壳体；可运动地安装在所述壳体中的导电线圈组件，所述线圈组件具有径向内侧部、径向外侧部和其上下边缘；用于所述线圈组件的安装座，所述安装座从所述径向内侧部向内延伸，用于安装所述线圈组件，以沿着轴线进行线性振动；第一偏压设备，所述第一偏压设备安装在所述壳体和所述安装座之间，以在相反方向上沿着所述轴线朝向中部线圈位置偏压所述导电线圈组件；可移动地安装在所述壳体中、用于沿着所述轴线进行线性振动的磁芯组件；和第二偏压设备，所述第二偏压设备安装在所述壳体和所述磁芯组件之间，以在相反方向上沿着所述轴线朝向中部磁体位置偏压所述磁芯组件，其中所述磁芯组件在径向外侧部和所述上下边缘上以及所述径向内侧部的一部分上封闭所述导电线圈组件，所述磁芯组件在其径向内部部分上具有气隙，所述安装座穿过所述气隙延伸，并且所述径向内部部分包括两个沿着所述轴线隔开的对置磁体。

2.如权利要求1所述的机电发电机，其特征在于，所述第一和第二偏压设备部分地共用。

3.如权利要求1或2所述的机电发电机，其特征在于，所述第一和第二偏压设备适配成使得所述导电线圈组件和所述磁芯组件相应具有不同的自然谐振频率。

4.如权利要求1至3任一项所述的机电发电机，其特征在于，每个偏压设备包括至少相应的一对弹簧部分，每个弹簧部分分别位于所述导电线圈组件或所述磁芯组件的相应端部。

5.如权利要求4所述的机电发电机，其特征在于，所述弹簧部分包括板簧。

6.如权利要求4所述的机电发电机，其特征在于，所述第一和第二偏压设备包括分别安装在所述壳体和所述导电线圈组件或所述磁芯组件之间的相应板簧。

7.如权利要求4所述的机电发电机，其特征在于，所述第一和第二偏压设备包括：安装到所述壳体的共用部分；和分别安装在所述共用部分和所述导电线圈组件或所述磁芯组件之间的相应板簧部分。

8.如前述权利要求任一项所述的机电发电机，其特征在于，所述磁芯组件包括沿着所述轴线隔开的两个磁路，所述磁路的磁通量相反。

9.如前述权利要求任一项所述的机电发电机，其特征在于，所述磁芯组件包括一对沿着所述轴线隔开的磁体，所述磁体具有第一共同极性的磁极彼此面对，而所述磁体具有第二共同极性的磁极彼此背离，并耦接到相对于所述轴线定位在所述磁体径向外侧的共用铁磁性主体。

10.如权利要求9所述的机电发电机，其特征在于，所述共用铁磁性主体为管状，并具有位于其每个端部的径向向内延伸的臂，每个臂上安装相应磁体。

11.如权利要求9或10所述的机电发电机，其特征在于，所述共用铁磁性主体包括所述磁芯组件的径向外侧的上部部分和下部部分，并且所述磁体包括径向内部部分。

12.如前述权利要求任一项所述的机电发电机，其特征在于，用于所述线圈组件的所述安装座包括环状线圈支撑件，所述环状线圈支撑件具有从所述线圈组件的中央部分径向向内延伸的中央安装部分，并且安装在固定到所述第一偏压设备的中央主体上。

13.如权利要求12所述的机电发电机，其特征在于，所述安装部分限定环状凹部，该环状凹部中接收用于电气调节所述线圈组件的电气输出的电路。

14.如权利要求13所述的机电发电机，其特征在于，所述电路被密封材料包封在所述环状凹部中，所述密封材料密封并保护所述电路免受不希望的环境影响。

15.一种用于将机械振动能量转化为电能的机电发电机，所述机电发电机包括：导电线圈组件和磁体组件，每个组件可运动地安装成沿着共用轴线线性振动；和第一和第二偏压设备，所述第一和第二偏压设备用于以相反方向沿着所述轴线向着相应中部位置分别偏压所述导电线圈组件和所述磁体组件，其中所述磁体组件包括沿着所述轴线隔开的两个磁路，每个磁路与所述线圈组件相应的一部分关联，所述磁路的磁通量相反。

16.如权利要求15所述的机电发电机，其特征在于，所述第一和第二偏压设备适配成使得所述导电线圈组件和所述磁芯组件相应具有不同自然谐振频率。

17.一种用于将机械振动能量转化为电能的机电发电机，所述机电发电机包括：导电线圈组件和磁体组件，每个组件可运动地安装成沿着共用轴线线性振动；和第一和第二偏压设备，所述第一和第二偏压设备用于以相反方向沿着所述轴线向着相应中部位置分别偏压所述导电线圈组件和所述磁体组件，其中所述磁体组件为旋转对称，并具有包围环状空腔的基本上C形横截面，所述基本上C形横截面具有位于其内径上的气隙，所述线圈组件设置在所述空腔中。

18.如权利要求17所述的机电发电机，其特征在于，所述第一和第二偏压设备适配成使得所述导电线圈组件和所述磁芯组件具有相应的不同自然谐振频率。

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