CN102067420B - 用于将机械振动能转换成电能的机电发电机及方法 - Google Patents

Abstract

提供一种用于将机械振动能转换成电能的机电发电机，该机电发电机包含导电线圈组件和磁铁组件，该磁铁组件包含至少一个磁铁和两部分的磁芯，磁芯的两个部分通过偏压装置被安装以可关于中心位置沿轴线以共振频率相对振动，以由此导致与线圈组件链接的磁通的变化从而在线圈组件中产生电势。

Description

用于将机械振动能转换成电能的机电发电机及方法

技术领域

本发明涉及用于将机械振动能转换成电能的机电发电机和将机械振动能转换成电能的方法。特别地，本发明涉及作为能够将环境振动能转换成电能用于例如在供电智能传感器系统中使用的小型发电机的这种装置。这种系统可被用于实际不能固定导线以提供功率或传送传感器数据的难以接近的区域中。

背景技术

使用用于从环境振动获得有效电功率的机电发电机是已知的。典型的磁铁线圈发电机以当系统振动时线圈切割由磁芯形成的磁通的方式包含固定到磁铁或线圈上的弹簧-质量组合。振动时被运动的质量安装在悬臂梁上。悬臂梁可与磁芯连接，使得线圈相对于装置的外壳被固定，反之亦然。

例如，典型的已知的机电发电机由包含永磁铁和气隙的磁芯构成，使得导线线圈被设置在间隙内，从而使得线圈和磁芯可相对运动。在大多数的已知的电磁振动能量收集器中使用这种机构。在该机构中，磁芯内的磁通在运动期间保持相对恒定，但是，线圈的磁链匝由于它们的相对位移而改变。例如在WO-A-2007/096615中公开了这种装置。

虽然这种已知的机电发电机是用于收集能量的有效机构，但是，当在实际的应用中使用机电发电机时，不能精确地预测最佳的共振频率或最佳的阻尼因子。对于被视为可能的操作条件的条件设计和设置机电发电机。但是，不保证实际的操作条件与用于设置用于特定的应用的机电发电机的理论的理想情况相对应。实际上，机电发电机被设置为可在较窄的可能的操作条件的范围上操作，特别是，设置阻尼因子使得功率输出处于包含最佳功率输出的范围内。但是，不太可能对于特定的应用优化实际的功率输出。因此，机电发电机也许不以将机械振动能转换成电能并由此转换成有效功率的最大效率操作。在实际的应用中，在能量收集器被构建之前，不太可能知道振动的频率。由此，有限的频带不能总被设计为包含可能遇到的振动频率的范围。这意味着收集器将不总是在典型的应用中产生有效功率量。

并且，环境振动的频率在操作期间改变。作为这种变化的结果，已知的机电发电机可能不能以最大效率操作。

因此，已知的电磁换能共振振动能量收集器趋于具有有限的频带，在该频带内，它们可产生有效电功率。

一种克服这种限制的方式是，提供可调节或可调谐的频带。通过机械共振器，可通过改变弹簧常数或共振器的质量实现这一点。但是，由于不可避免的机械复杂性以及伴随的成本和可靠性问题，因此调节这些机械性能的机构是不期望的。

电气调谐电磁换能振动阻尼器的共振频率是已知的(参见文章标题为“An actively tuned solid-state vibration absorber using capacitiveshunting of piezoelectric stiffness”，C.L.Davis et al，Journal of Soundand Vibration(2000)232(3)，601-617)。这些阻尼器不是能量收集器，并且不存在如何增加发电的效率的建议。在这些装置中，没有从振动系统提取净有效功率。

另外，在文章标题为“Toward self-tuning adaptive vibration basedmicro-generators”，Shad Roundy et al，2004中，已经通过不可能通过电气调谐实现能量收集器的输出功率的净增加的陈述实现计算。

WO-A-2006/109037公开了用于将机械振动能转换成电能的机电装置，该机电装置是具有阻尼系数和共振频率的速度阻尼共振器。为了调节机电装置的阻尼系数，提供阻尼系数调节器。还提供共振频率调节器。通过改变与共振装置连接的负载阻抗来改变阻尼系数。例如，可通过改变允许流过线圈的电流，例如，通过改变包含线圈的电路的电阻，来调节阻尼系数。通过改变共振器来改变共振频率。可通过改变弹簧的振动特性(例如，使用粘贴到其上的压电元件以由此通过电阻加热或者通过施加力改变弹簧的断面来改变弹簧常数k)，来调节共振频率。可选择地通过改变惯性质量，例如，通过改变共振器的尺寸或通过改变施加的电抗性负载，来调节共振频率。可以采用共振频率调节器以改变弹簧常数。

该装置很好地操作，但是，仍需要在保持输出电功率的最优化的同时将机电装置电气调谐到期望的共振频率。

因此，仍需要提高将机械振动能转换成电能并由此转换成有效电功率的效率。

发明内容

本发明针对提供可通过电调谐实现能量收集器的输出功率的净增加的用于将机械振动能转换成电能的改进的机电发电机和这种装置的操作方法，这是Roundy等陈述的没有实现的结果。

本发明针对提供可比实际使用中的已知的装置更有效地操作的用于将机械振动能转换成电能的改进的机电发电机。

本发明还针对提供可提供比已实际使用中的已知的装置更有效的能转换的用于操作用于将机械振动能转换成电能的机电发电机的的改进的方法。

因此，本发明提供一种用于将机械振动能转换成电能的机电发电机，该机电发电机包含导电线圈组件和磁铁组件，该磁铁组件包含至少一个磁铁和两部分的磁芯，磁芯的两个部分通过偏压装置被安装以可关于中心位置沿轴线以共振频率相对振动，以由此导致与线圈组件链接的磁通的变化从而在线圈组件中产生电势。

本发明还提供一种通过使用机电发电机将机械振动能转换成电能的方法，该方法包括以下步骤：提供包含导电线圈组件和磁铁组件的机电发电机，该磁铁组件包含至少一个磁铁和两部分的磁芯；使机电装置振动以使磁芯的一个部分相对于磁芯的另一部分沿轴线以共振频率运动，由此导致磁芯中的与线圈组件链接的磁通的变化在线圈组件中感应电势。

在从属权利要求中规定优选的特征。

至少部分地基于本发明的发明人的能量收集器的频率可通过其电磁耦合被电调谐的发现上预测本发明。由于在电磁换能共振能量收集器的机械复杂性上有很小的或者没有重要的增加，因此调谐机构的该电气实现是低成本的并且是非常可靠的。

根据本发明的一个方面，可通过在其输出两端之间连接电容器和/或电感器在频率下调谐电磁换能共振振动能量收集器。

为了添加电容器，自然频率的降低由下式给出：

$\mathrm{\Δf}\≈\frac{C_T{\mathrm{\Φ}}^2}{2m}{f}_n---\left(1\right)$

这里，C_T是电容器尺寸，Φ是随着共振器沿其路径运动发现的磁链匝的线性梯度，m是共振器的质量，f_n是在不存在电容器的情况下的共振器的自然频率。

但是，这种方式的调谐也增加不期望的阻尼，使得随着感应更多的调谐共振器Q因子减小。当这变为主导的阻尼效果时，那么得到的Q因子由下式给出：

$Q\≈\frac{f_n{\mathrm{\Φ}}^2}{8\mathrm{\π}{R}_C\mathrm{m\Δ}{f}^2}---\left(2\right)$

这里R_C是装置的线圈电阻。

需要在使低Q因子的有害的效果最小化的同时实现共振振动频率的调谐。

式(2)的分析导致Φ应相对于R_C和m被最大化的结论。但是，由于较高的共振器质量首先导致机电发电机的较高的功率输出，因此，这无助于减少共振器质量。

本发明的发明人确定，实事上，以下的因子应被最大化：

$\mathrm{\κ}=\frac{{\mathrm{\Φ}}^2}{R_C}---\left(3\right)$

参数κ表示能量收集器内的电磁耦合的强度和效率，并且是耦合机构的设计的函数。变量是Φ和R_C，其中Φ为随着共振器沿其路径运动发现的磁链匝的线性梯度，并且R_C为装置的线圈电阻。通过特别使参数Q最大化，可通过电容器调谐装置，并且，输出功率可较高。

附图说明

现在，参照附图仅作为例子描述本发明的实施例，其中，

图1是根据本发明的第一实施例的用于机电发电机中的用于将机械振动能转换成电能的机电装置的示意性侧向剖视图；

图2是在其输出两端之间具有电容器的图1的机电装置的示意性电路图；

图3是根据本发明的第一实施例的机电发电机的示意性框图，该机电发电机包含图1的机电装置；

图4是根据本发明的第二实施例的用于机电发电机中的用于将机械振动能转换成电能的机电装置的示意性电路图；

图5是根据本发明的第三实施例的用于机电发电机中的用于将机械振动能转换成电能的机电装置的示意性电路图；

图6是根据本发明的第四实施例的用于机电发电机中的用于将机械振动能转换成电能的机电装置的示意性侧向剖视图；

图7是根据本发明的第五实施例的用于机电发电机中的用于将机械振动能转换成电能的机电装置的示意性侧向剖视图；

图8是根据本发明的第六实施例的用于机电发电机中的用于将机械振动能转换成电能的机电装置的示意性侧向剖视图；

图9是根据本发明的第七实施例的用于机电发电机中的用于将机械振动能转换成电能的机电装置的示意性侧向剖视图；

图10是表示图2的电路中的图1的机电装置的功率输出和一系列的三个电容的频率之间的关系的曲线图；

图11是表示图2的电路中的具有较低的参数κ值和不具有图1的机电装置的结构的相当的机电装置的功率输出和一系列的三个电容的频率之间的关系的曲线图；

图12是表示经受电容调谐时和不调谐时的机电装置的功率输出和频率之间的测得的和模型化的关系的曲线图；以及

图13是根据本发明的第八实施例的用于机电发电机中的用于将机械振动能转换成电能的机电装置的示意性电路图。

具体实施方式

本发明的机电发电机是在本领域中被称为“速度阻尼”的共振发电机，这里，由惯性质量相对于外壳的运动完成的所有功与运动的瞬时速度成比例。不可避免地，功的一部分被吸收以克服不期望的机械或电气损耗，但功的剩余部分可被用于通过诸如下面描述的电气线圈/磁组件的适当的换能机构产生电流。

图1是根据本发明的实施例的用于将机械振动能转换成电能的机电发电机2。机电发电机2包含导电线圈组件4和磁铁组件6，该导电线圈组件4和磁铁组件6被安装为通过输入具有沿该线性方向的分量的机械振动沿轴线A-A相对运动。线圈组件4具有从中延伸用于与外部电路(未示出)连接的导线8。磁铁组件6和线圈组件4之间沿轴线A-A的相对线性振动运动使得在线圈组件4中产生电流，该电流通过导线8被输出。

磁铁组件6包含至少一个磁铁10和两部分的磁芯12。如图所示，至少一个磁铁10一般包含环形磁铁10。磁铁10由表现高磁滞的磁性材料构成，并且一般是低成本的永久铁氧体磁铁。本发明的发明人发现，由于随着磁通在振动中重复切换引起的大的磁滞损耗，因此使用诸如铁或钢的高磁滞材料作为铁磁材料导致过大的能量损耗。由此，磁芯材料相应地需要为诸如铁氧体材料的软磁材料。铁氧体主要由金属氧化物粉末组成，并且一般被压力成形并被烧结。MnZn或NiZn铁氧体是以各种比例单纯包含Mn、Ni和Zn氧化物的一般类型。这些铁氧体对于用于高频变压器以防止过大的磁滞损耗是公知的。由于铁氧体材料为氧化物等电绝缘体，并且还具有高的电阻，因此与使用导电磁芯材料相比减少任何涡电流损耗。

铁氧体芯不能支持许多的磁通，例如，远少于铁。由此，一般只需要弱磁铁。一般使用的磁性的“硬”铁氧体磁铁磁性较弱，并且制造起来非常昂贵。但是，作为替代，可以使用更强但更小的磁铁。

环形磁铁可由直线磁化段制成。环形磁铁10在其环形径向内部和径向外缘表面18、20上分别具有相对的磁极14、16(即，N极和S极)。在本特定的实施例中，一个磁极14(即，N极)与磁芯12的第一体部22接触并与其磁耦合，并且，另一磁极16(即，S极)与磁芯12的第二体部24接触并与其磁耦合。磁芯材料具有高的导磁率和低的特性磁芯损耗，诸如“铁氧体”。第一体部22和第二体部24一起形成两部分的磁芯12的第一部分26。第一体部22包含沿方向A-A延伸的轴向延伸管，该轴向延伸管具有牢固地装配到磁铁10的内缘表面18上的外圆柱表面13。管状体22被牢固地固定到中心轴向延伸支撑轴28上。第二体部24包含具有牢固地固定到磁铁10的外缘表面20上的内部圆柱表面30的环面，该环面具有沿方向A-A延伸的轴线。

本示出的实施例中的两部分的磁芯12的第二部分32包含围封磁铁10和线圈组件4的外壳。但是，在其它的实施例中，可以提供其它的结构。外壳32包含设置在底壁36和顶壁38之间的环壁34，以限定在其中设置磁芯12的第一部分26和磁铁10的中心腔40。底壁36和顶壁38分别设有贯穿的相应中心开口41、42，通过这些开口41、42，轴28的相应下端44或上端46以允许外壳32和轴28的相对轴向运动并因此一方面允许磁芯12的第一部分26和磁铁10轴向运动并且另一方面允许磁芯12的第二部分32轴向运动的方式延伸。

在优选的实施例中，两部分的磁芯12和磁铁10分别关于与磁铁10和线圈组件4的圆柱轴对准的中心旋转轴线旋转对称。

线圈组件4包含电气连接在一起的第一和第二线圈50、52。第一和第二线圈50、52分别被设置在磁铁10的沿轴向的相对的边上。每个第一和第二线圈50和52被装配在铁磁材料的管状体部22的相应端部54、56的周围。这提供线圈组件4、磁芯12的第一部分26和磁铁10的紧凑和牢固的安装。

在本发明的机电发电机中，磁芯12的第一部分26和第二部分32可相对运动。可通过各种构造实现这一点。例如，在一种构造中，第二部分36即外壳被固定，并且，围封的第一部分26与磁铁10和线圈组件4一起可沿轴线A-A运动。在另一可选择的构造中，第二部分36即外壳可沿轴线A-A运动，并且，围封的第一部分26与磁铁10和线圈组件4一起被固定。在另一可选择的构造中，第二部分36即外壳和围封的第一部分26与磁铁10和线圈组件4一起可沿轴线A-A运动。

在这些构造的每一个中，偏压装置将活动元件压向中心位置，并且，活动元件靠偏压力关于中心位置沿轴线A-A的两个相对的方向振荡。

虽然对于示出的实施例公开了两部分的磁芯12，但是，磁芯12可包含多于两个的可相对运动的部分，并且/或者，每个部分可包含多于一个的磁芯部件。

在示出的实施例中，例如，外壳32是可运动的，并且，轴28被固定。因此，两部分的磁芯12的第一部分26、磁铁10和线圈组件4被牢固地安装。偏压装置70被安装在外壳4和轴28之间。偏压装置70向着图1所示的中心纵向位置沿轴线沿相对的方向对外壳32施加偏压。

偏压装置70包含一对板簧72、74。每个板簧72、74与轴线A-A轴向对准，并且向着中心位置沿轴线沿两个相对的方向中的相应一个对可运动安装的第二部分32施加偏压。当第二部分32在中心位置处于平衡时，两个板簧72、74分别对于第二部分32施加相同的机械偏压力。

外壳32具有可包含气体的内部容积80。用于密封外壳324的内部容积80的密封(未示出)可包围外壳32。

示出的实施例的机电发电机2使用作为振动磁芯部分32的共振质量弹簧配置。如果机电发电机2经受导致机电发电机2沿方向A-A运动的外部振动源，那么磁芯部分32包含可克服板簧72、74的偏压沿方向A-A运动的惯性质量。

磁芯的这种相对运动改变磁芯内的磁通，并由此改变与磁芯组件链接的磁通。磁链的改变导致在线圈内感应电势，该感应电势可驱动电流流过外部施加的负载。以这种方式，向外部电气负载传输电功率。

虽然在本实施例中磁铁和线圈被固定并且存在运动磁芯部分，但是，在可选择的实施例中，可以使用相反的配置，使得磁铁和线圈共同相对固定的磁芯部分运动。

并且，虽然在本实施例中，弹簧是扁平的板簧，但是，可以使用其它的偏压元件。

磁芯12的第一部分26将磁铁10夹在磁性材料的两个体部22、24之间，这由此给出第一部分26的两个磁性相对的第一和第二磁芯面27、29。第一磁芯面27是环形的，并且指向磁芯12的第二部分32的内部圆柱表面31。第二磁芯面29包含分别指向底壁36的内表面37和顶壁38的内表面39的两个表面33、35。以这种方式，两部分的铁磁芯12和磁铁10的组件因此形成两个轴向分开的磁路41、43，磁通由图1中的虚线表示，它们与第一和第二线圈50、52一一对应。每个磁路41、43的磁通的线的极限由磁芯12的形状限定，并且，特别地，由用作磁铁10和线圈50、52的外壳的磁芯12的第二部分32限定，该磁芯12的形状基本上防止来自磁铁10的磁通从磁芯12沿轴向或沿径向向外延伸。

得到的效果是，与两部分的磁芯12组合的单个磁铁10提供两个单独的磁路41、43，其中非常高的比例的磁通不得不穿过相应线圈部分50、52。磁芯12的第一和第二部分26、32的相对运动改变磁芯12内的磁通，并且这又在磁铁10和线圈组件4之间提供非常高的程度的磁耦合。因此，磁芯12的第一和第二部分26、32之间的任何相对运动产生非常高比率的磁链变化，这导致非常大的参数κ(如上所述，代表能量收集器内的电磁耦合的强度和效率，并且是耦合机构的设计的函数)的值。这又允许调谐共振频率以匹配振动频率，这可增加线圈输出处输出的电功率。

本发明的机电发电机与大多数已知的能量收集器耦合机构不同，原因是该装置基于磁阻电机而不是具有空心磁芯(扬声器类型)的构造。在已知的空心磁芯(扬声器类型)的构造中，在线圈或磁铁的振动运动期间，磁芯内的磁通保持相对恒定。线圈的磁链匝由于线圈相对于磁芯的相对位移而改变。相反，磁阻电机被构造为在磁芯内提供大的磁通的变化。

在此之前，对于在能量收集器中使用磁阻电机存在技术偏见。这是由于磁阻电机表现干扰弹簧和共振器的磁恢复力，并且，磁阻电机在磁芯中产生降低机电发电机的Q因子的涡电流。

但是，本发明的发明人发现，在相同的容积内，具有上述的磁阻电机的结构的机电发电机表现比基于空心磁芯电机的机电发电机高多达100倍的κ。如上所述，参数κ代表能量收集器内的电磁耦合的强度和效率，并且是耦合机构的设计的函数。该非常高的电磁耦合提供大大超过源自任何磁恢复力或涡电流的任何性能降低的总体技术优点。这里公开的结构实现磁耦合与恢复力的相对较高的比率，而使用铁氧体实际上去除了涡电流损耗。

本发明的发明人发现，通过提供磁通在其间依次和循环转向的两个磁路41、43，参数κ增加。相反，在仅提供一个磁路的其它的装置中，由于仅提供一个磁路需要尝试接通或关断磁通(实际上，由于磁漏，不能实现接通或关断)，因此参数κ相对较低。

在使用中，如上所述，如图2所示，在本发明的机电发电机的交流(AC)输出两端之间设置电容(或电感)，并且，可以很容易地使用电容或电感的选择或变化，以调谐机电发电机的共振频率。由于在本发明的能量收集器内通过用于磁耦合的磁阻机构实现电磁耦合，因此，能够通过在远比通过使用空心磁芯机构所可能达到的较宽的带宽上使用电容器或电感器实现有效频率调谐。这是由于，如表达式(2)和(3)描述的那样，由磁阻机构提供的更高的κ降低了源自调谐的不期望的阻尼。

当在机电发电机的输出两端之间使用电容时，实现共振频率的有效降低的电容的值一般为若干100毫微法的数量级，例如达到2500毫微法，更一般地，达到1000毫微法，该值根据尤其是可振动部分的质量和频率被选择。但是，产生有效调谐的电感的值一般非常大(例如，为整个亨利的数量级)。由此，特别优选使用电容作为调谐元件。

更优选地，可通过可选择的电容器和/或可变电容器的阵列提供调谐电容，使得可以根据需要调谐共振频率。

相应地，由可选择的电感器和/或可变电感器的阵列提供调谐电感，使得可以根据需要调谐共振频率。

如上所述，申请人的WO-A-2006/109037公开了用于将机械振动能转换成电能的机电装置，该机电装置是速度阻尼共振器，并且，对于该速度阻尼共振器，共振频率可以可控地改变。

图3是根据本发明的另一实施例的机电发电机120的示意性框图。

如上面参照图1描述的那样，机电发电机120包含用于将机械振动能转换成电能的机电装置102。但是，另外提供阻尼系数调节器122和共振频率调节器124。通过改变与共振器装置连接的负载阻抗改变阻尼系数。例如，可通过改变允许流过线圈的电流，例如，通过改变包含线圈的电路的电阻，来调节阻尼系数。如图2所示，通过改变输出两端之间的电容(或电感)改变共振频率。

共振频率调节器124适于能够恢复低共振频率的预设或缺省值。阻尼系数调节器122和共振频率调节器124适于能够使用预设和缺省值作为经受振动时的机电发电机在初始启动时的相应参数的开始值。这些值被选择以保证在启动时产生足够的功率。

频率的缺省值依赖于特定的机电发电机及其应用。一般地，例如，缺省的频率值可以为100Hz或120Hz。这是由于许多装置在接近干线AC功率的频率(50Hz或60Hz)的两倍的频率下振动。

机电装置102具有与电源电路128连接的功率输出线126。功率输出线126输出由机电装置102产生的任何电流。电源电路128与功率输出线132上的功率传感器130连接(或者，可选择地，具有集成的功率传感器)。功率传感器130通过功率感测信号线134与微处理器控制器136连接。功率线138将电源电路128与微处理器控制器136连接以提供足以驱动微处理器控制器136的电功率。微处理器控制器136具有两个输出控制线：与阻尼系数调节器122连接的、用于控制阻尼系数的第一控制线140和与共振频率调节器124连接的、用于通过改变电容(或电感)控制共振频率的第二控制线142。来自功率传感器130的输出线144提供驱动外部装置(未示出)的电功率。微处理器控制器136包含确定功率感测信号线134上的输出功率是否处于最大值的比较器146。

首先，阻尼系数调节器122被预设为高阻尼系数的缺省值。缺省值被预设为足以与装置的其它参数一起允许输出功率驱动机电发电机的控制电路特别是微处理器控制器136，然而不足以允许输出功率被优化或者甚至从用于驱动外部装置(未示出)的机械振动收集有效输出功率。并且，首先，共振频率调节器124被预设为与低共振频率对应的缺省值。缺省值被预设，使得缺省频率远离装置的设计共振频率，并且优选低于设计共振频率。并且，低共振频率的缺省值被选择，以允许该缺省值处的输出功率足以驱动机电发电机的控制电路特别是微处理器控制器136，然而不足以允许输出功率被优化或者甚至从用于驱动外部装置(未示出)的机械振动收集有效输出功率。

因此，当没有由电源电路128施加控制功率以驱动微处理器控制器136时，或者，当微处理器控制器136首先被用于微处理器控制器136的功率线138上的收集的功率驱动操作时，阻尼系数处于其最高值并且共振频率处于其最低值。

在振动开始并且由机电装置102产生的电流提供足以驱动微处理器控制器136的电功率之后，微处理器控制器136操作为修改机电装置102以使线144上的输出功率最大。

共振频率调节器124的调谐电容(或电感)被调节以修改频率。输出功率由功率传感器130感测。通过比较器146进行比较以确定输出功率是否处于最大值。如果不是，那么执行反馈控制，使得不断调节频率，以在最终的频率下实现阻尼系数的缺省初始值上的最大输出功率。

然后，调节阻尼系数调节器122。通过功率传感器130感测输出功率。通过比较器146进行比较，以确定输出功率是否处于最大值。如果不是，那么执行反馈控制，使得不断调节即降低阻尼系数，以实现阻尼系数的频率下的最大输出功率。然后，阻尼系数和频率被设定，这在与初始的预设值不同的频率f(最终)和阻尼系数上实现峰值最大输出功率。

最后，通过使用周期性确定是否产生最大输出功率并且如果必要的话调节频率f和阻尼系数中的一个或两个的反馈控制，在机电发电机的操作寿命期间的时间上保持峰值最大输出功率。

在机电发电机的输出两端之间设置电容或电感提供了在机电发电机的输出两端之间提供电抗性调谐元件，该电抗性调谐元件直接影响较宽的频率范围上的共振频率。但是，如果调谐仅是部分电抗性的，例如，存在与电容器或电感器串联或并联的电阻，那么调谐仍会起作用，但阻尼效应会增加，这又会在较宽的频率范围上降低控制共振频率的能力。因此，根据本发明，调谐元件基本上或者主要是电抗性的。

如果环境振动的频率在机电发电机的操作寿命期间改变，那么装置的响应可改变以适应频率变化，由此，尽管频率改变，机电发电机仍能够以最大频率操作。

这在允许电容根据温度变化改变时具有特别的用途。温度变化影响机电发电机的共振频率。作为为机电发电机提供昂贵的温度稳定弹簧合金设置的替代，作为由于适应温度变化导致的弹簧特性的变化的结果，在线圈的AC输出的两端之间提供的可变电容允许任何共振频率改变。

参照图4，在第二实施例中，机电发电机具有不被电气连接的多个线圈(与第一实施例中的第一和第二线圈50、52不同)。在本第二实施例中，线圈被设置在具有与图1所示的结构配置基本上相同的结构配置的机电发电机内。第一线圈250与外部负载L连接，以提供输出功率，并且，第二线圈252与可变电容C_T连接。第一线圈250适于提供参数κ的较低值，以优化输出功率，并且，第二线圈252适于提供参数κ的较高值，以优化调谐机电发电机的共振频率的能力。为了分别产生输出功率和共振频率调谐，优化每个线圈250、252的性能。

参照图5，第三实施例是机电发电机的第二实施例的变型，并且具有不与第一和第二线圈250、252电气连接的附加的第三线圈254。在本第三实施例中，第三线圈254也被设置在具有与图1所示的结构配置基本上相同的结构配置的机电发电机内。第三线圈254与包含电容器调谐电子装置和用于切换可变电容C_T的可变电容器的开关的控制器C连接。并且，为了分别产生输出功率、共振频率调谐和调谐控制，优化每个线圈250、252、254的性能。

参照图6，示出根据本发明的第四实施例的用于机电发电机中的用于将机械振动能转换成电能的机电装置202。

磁铁组件206包含至少一个环形磁铁210和两部分的磁芯212。线圈组件204位于磁铁210之上和之下。环形磁铁210在其环状径向内部和径向外缘表面处具有相对的磁极214、216(即，N极和S极)，并且，一个磁极214(即，N极)与磁芯212的第一固定体部222磁耦合但不与其接触，并且，另一磁极216(即，S极)接触磁芯212的第二活动体部224并与其磁耦合。第一和第二体部222、224形成两部分的磁芯212。第一体部222是环形的，并且被固定到与外壳280一体的沿振动方向延伸的轴向延伸的管278上。具有C形断面以限定内部环形空腔225的第二体部224包含固定于空腔225内的磁铁210和线圈组件204。通过上下环形板簧270、272，安装用于相对于外壳280振动的第二体部224。

第二体部224、磁铁210和线圈组件204的组件相对于第一体部222的振动导致在线圈组件204中感应电流。

参照图7，示出根据本发明的第五实施例的用于机电发电机中的用于将机械振动能转换成电能的机电装置302。

磁铁组件306包含至少一个环形磁铁310和两部分的磁芯312。线圈组件304位于磁铁310之上和之下。环形磁铁310在其环形径向内部和径向外缘表面处具有相对的磁极314、316(即，N极和S极)，并且，一个磁极314(即，N极)接触磁芯312的第一固定体部322并与其磁耦合，并且，另一磁极316(即，S极)与磁芯312的第二活动体部324磁耦合但不与其接触。第一和第二体部322、324形成两部分的磁芯312。第一体部322是环形的，并且被固定到与外壳380一体的沿振动方向延伸的轴向延伸管378上。磁铁310和线圈组件304被附加到第一体部322上。具有C形断面以限定内部环形空腔325的第二体部324封围磁铁310和线圈组件304。通过上下环形板簧370、372，安装用于相对于外壳380振动的第二体部324。

第二体部324相对于第一体部322、磁铁310和线圈组件304的组件的振动导致在线圈组件304中感应电流。

参照图8，示出根据本发明的第六实施例的用于机电发电机中的用于将机械振动能转换成电能的机电装置402。

磁铁组件406包含至少一个环形磁铁410和两部分的磁芯412。线圈组件404位于磁铁410之上和之下。环形磁铁410在其环形径向内部和径向外缘表面处具有相对的磁极414、416(即，N极和S极)，并且，一个磁极414(即，N极)与磁芯412的第一活动体部422磁耦合但不与其接触，并且，另一磁极416(即，S极)接触磁芯412的第二固定体部424并且与其磁耦合。第一和第二体部422、424形成两部分的磁芯412。第二体部424是环形的，并且被固定到与外壳480的内部环形表面上。具有C形断面以限定外部环形空腔425的第一体部422封围被附加到第二体部424上的磁铁410和线圈组件404。通过上下环形板簧470、472，安装用于相对于外壳480振动的第一体部422。

第一体部422相对于第二体部424、磁铁410和线圈组件404的组件的振动导致在线圈组件404中感应电流。

参照图9，示出根据本发明的第七实施例的用于机电发电机中的用于将机械振动能转换成电能的机电装置502。

磁铁组件506包含至少一个环形磁铁510和两部分的磁芯512。线圈组件504位于磁铁510之上和之下。环形磁铁510在其环形径向内部和径向外缘表面处具有相对的磁极514、516(即，N极和S极)，并且，一个磁极514(即，N极)接触磁芯512的第一活动体部522并与其磁耦合，并且，另一磁极516(即，S极)与磁芯512的第二固定体部524磁耦合但不与其接触。第一和第二体部522、524形成两部分的磁芯512。第二体部524是环形的，并且被固定到外壳580的内部环形表面上。具有C形断面以限定外部环形空腔525的第一体部522包含被固定于空腔525内的磁铁510和线圈组件504。通过上下环形板簧570、572，安装用于相对于外壳580振动的第一体部522。

第一体部522、磁铁510和线圈组件504的组件相对于第二体部524的振动导致在线圈组件504中感应电流。

图13是根据本发明的第八实施例的用于机电发电机中的用于将机械振动能转换成电能的机电装置的示意性电路图。在本实施例中，电路提供与整流器的连接。

在根据上文中描述的本发明的各种实施例的加入用于机电发电机中的用于将机械振动能转换成电能的机电装置的电路中，根据本发明的另一优选方面，能够提供对于线圈电感的补偿。

当能量收集器(即，用于将机械振动能转换成电能的机电装置)用调谐电抗操作时，振动频率下的明显的AC电流流过调谐电抗和与其串联的线圈。因此，必须使得线圈电阻相对较小，以避免由于该电流流动导致的功率损耗。

线圈也具有明显的感抗。该感抗是无损耗的，但是，通过影响流过调谐电抗的电流降低调谐的能量收集器的效率。根据该优选的方面，可因此通过用由

给定的大致相反的电抗的电容器C_s补偿发电机共振频率f下的线圈电感L的电抗，提高调谐的能量收集器的效率。

图13表示将这种电容器C_s加入图13的实施例的电路中的情况，尽管这种电容器可相应地被加入其它的实施例的电路中。并且，独立地根据本发明的优选的方面，图13的实施例的电路可被修改以提供电容器C_s和与整流器的串联连接。

为了传输DC输出，常常期望将能量收集器(即，用于将机械振动能转换成电能的机电装置)连接到整流器上。在二极管或桥式整流器的情况下，仅当能量收集器的振荡输出电压超过需要的DC电压时传输电流。能量收集器输出电流从而包含大于振动频率f的频率(3f、5f...)处的分量。

由于线圈电感，因此未调谐的能量收集器在高频下具有高的阻抗。相反，例如在图2、图4和图5中公开的通过使用并联电容器C_T调谐的能量收集器在高频下具有低的阻抗。

本发明的发明人观察到，当具有并联调谐收集器C_T的能量收集器与整流器连接时，功率传输随着C_T的增加而变得不足。这是由于上述的高频阻抗行为。

参照图13，在能量收集器604的输出端子和整流器608的输入端子两端之间的由C_T表示的调谐电容器606之后，可通过引入与能量收集器604的输出端子串联的由图13中的R_b表示的足够大的电阻602或类似地如图13中的电阻R_b那样定位的电感，来恢复效率。电阻或电感必须足够大，以至于频率3f及以上下的总阻抗主要是电阻性或电感性的。

本发明的发明人发现，该增加的效率多于与串联电阻器中的任何功率损耗的补偿。

在电阻器R_b的情况下，

在电感器L_b的情况下，

在调谐电容器606之前，一般与上述的串联电容器C_s结合使用该校正，该串联电容器C_s在图13中被示为与能量收集器604的输出端子串联的电容器610。

参照图10～12，实际使用的下面的例子和比较例表明使用根据本发明的实施例的可调谐阻尼和频率的优点。

例子1

通过使用上式在电气上将根据本发明的具有高κ的磁阻电机构造的能量收集装置模型化。变量m(共振器的质量)、Qmech(Q因子)、f_n(不存在电容器的情况下的共振器的自然频率)、R_L(外部负载的电阻)、R_C(线圈电阻)和参数κ的参数值被设为实际装置的典型值。磁阻电机的电磁耦合非常高，并且参数κ为2000kg/s。

模型化选择在线圈的电气输出两端之间设置的一系列调谐电容C_T。对于各种电容计算输出功率，并且，在图10中表示结果。

从图10可以看出，在线圈的电气输出两端之间不存在任何电容的情况下，模型化的能量收集器的输出功率被最大化为约120Hz的振动频率下的峰值。当在线圈的电气输出两端之间的调谐电容C_T增加到350毫微法的值时，模型化的能量收集器的输出功率最大化为约116Hz的振动频率下的峰值。当在线圈的电气输出两端之间的调谐电容C_T进一步增加到700毫微法的值时，模型化的能量收集器的输出功率被最大化为约112Hz的振动频率下的峰值。

虽然最大输出功率通过提供调谐电容而降低，并且随着电容的增加而逐渐降低，从约2.3mW的值降低到350毫微法下的约2.0mW的值，并进一步降低到700毫微法下的约1.25mW的值，然而，通过提供选择的调谐电容，获得调谐到特定的振动频率的相对较高的有效功率输出。

因此，对于具有带有输出功率最大化的特定的共振振动频率的特定的机械构造的机电发电机和由磁阻电机构造提供的非常高的电磁耦合，如果需要在输入振动频率与特定的共振振动频率不同的条件下使用机电发电机，那么可通过添加被选择为使输出功率最大化的电容调谐机电发电机。尽管调谐的装置具有较低的输出功率，但它仍明显高于在没有电容调谐的情况下可得到的情况，并且，避免了机电发电机的机械修改。

比较例1

相反，通过使用上述等式在电气上将具有相同的参数m、Qmech、f_n、R_L和R_C的能量收集装置模型化。磁阻电机的电磁耦合较低，并且，参数κ为20kg/s(比例子1小两个数量级)。

同样，模型化选择在线圈的电气输出两端之间设置的一系列的调谐电容C_T。对于各种电容计算输出功率，并且，在图11中表示结果。

从图11可以看出，在线圈的电气输出两端之间不存在任何电容的情况下，模型化的能量收集器的输出功率被最大化为约120Hz的振动频率下的峰值。当在线圈的电气输出两端之间的调谐电容C_T增加到75毫微法的值时，模型化的能量收集器的输出功率最大化为约119Hz的振动频率下的峰值。当在线圈的电气输出两端之间的调谐电容C_T进一步增加到150毫微法的值时，模型化的能量收集器的输出功率被最大化为约118.5Hz的振动频率下的峰值。

因此，在本比较例中，对于低电磁耦合装置添加调谐电容扩展振动频率的范围(扩展约1.75Hz，以提供任何有效输出功率)，但是，是在远小于高电磁耦合装置(为近6Hz)的范围上。

此外，在比较例中，与例子相比，通过提供调谐电容，最大输出功率在更大的程度上降低。在比较例中，最大输出功率随着电容的增加而逐渐降低，从约2.3mW的值降低到75毫微法下的约1.2mW的值，并进一步降低到1500毫微法下的约0.25mW的值。

因此，在比较例中，获得有效功率输出的振动调谐频率范围非常低，并且，任何水平的输出功率仅在稍微离开装置的自然共振振动频率的任何频率下迅速降低。

例子2

在本例子中，测试在约99Hz的频率下具有约1.6mW的最大输出功率的市售能量收集装置，以确定输出功率和振动频率之间的关系。在图12中表示结果，并且，测得的结果由曲线A的圆表示。另外，对于前面的例子1和比较例1通过使用相同的模型化将输出模型化。模型化的输出由曲线A的线表示。获得模型化结果和测得的结果之间的强烈的相关性。

对于相同的能量收集装置但是通过在电气输出两端之间使用125毫微法的电容使用相同的测量和模型化。这些结果表示约98Hz的频率下的约0.85mW的较低的最大输出功率。这表示改变可获得有效输出功率的频率的电容调谐的能力。

Claims (28)

1.一种用于将机械振动能转换成电能的机电发电机，该机电发电机包含导电线圈组件和磁铁组件，该磁铁组件包含至少一个磁铁和两部分的磁芯，磁芯的两个部分通过偏压装置被安装成可关于中心位置沿轴线以共振频率相对振动，由此导致与线圈组件链接的磁通的变化从而在线圈组件中产生电势，其中，磁芯的第二部分封围导电线圈组件、所述至少一个磁铁和磁芯的第一部分。

2.根据权利要求1所述的机电发电机，其中，磁芯的第一部分被固定，并且磁芯的第二部分可关于中心位置振动。

3.根据权利要求2所述的机电发电机，其中，导电线圈组件被安装在磁芯的第一部分和第二部分中的任一个或两个上。

4.根据权利要求2或3所述的机电发电机，其中，所述至少一个磁铁被安装到磁芯的第一部分和第二部分中的任一个或两个上。

5.根据权利要求2～3中任一项所述的机电发电机，其中，导电线圈组件和所述至少一个磁铁被安装到磁芯的第一部分上。

6.根据权利要求2～3中任一项所述的机电发电机，其中，所述至少一个磁铁包含分别在其环形径向内部和径向外缘表面处具有相对的磁极的环形磁铁，这些磁极与磁芯的第一部分接触并与其磁耦合。

7.根据权利要求1～3中任一项所述的机电发电机，其中，磁芯包含表现高的磁滞的磁性材料。

8.根据权利要求7所述的机电发电机，其中，所述磁性材料是铁氧体。

9.根据权利要求1～3中任一项所述的机电发电机，其中，线圈组件包含电气连接在一起的第一线圈和第二线圈，该第一线圈和第二线圈分别被设置在所述至少一个磁铁的沿轴向的相对的边上。

10.根据权利要求1～3中任一项所述的机电发电机，还包含在导电线圈组件的输出两端之间的振动调谐装置。

11.根据权利要求10所述的机电发电机，其中，振动调谐装置包含电容。

12.根据权利要求11所述的机电发电机，其中，电容包含可变电容。

13.根据权利要求10所述的机电发电机，其中，振动调谐装置包含电感。

14.根据权利要求13所述的机电发电机，其中，电感包含可变电感。

15.根据权利要求10所述的机电发电机，还包括用于响应机电发电机的输出电功率或振动频率的检测而控制振动调谐装置的控制器。

16.根据权利要求11所述的机电发电机，其中，控制器适于测量磁芯的振动频率，并且，根据测得的振动频率分别选择振动调谐装置的电容值或电感值。

17.根据权利要求15所述的机电发电机，还包括由输出电功率驱动的、用于驱动控制器的电源电路。

18.根据权利要求1～3中任一项所述的机电发电机，还包括相对于磁铁组件安装的第二导电线圈组件，由此，磁芯的两个部分的相对振动导致与第二导电线圈组件链接的磁通的变化在第二导电线圈组件中产生第二电势，该第二导电线圈组件适于与用于调谐磁铁组件的共振频率的可变电容连接。

19.根据权利要求1～3中任一项所述的机电发电机，还包含相对于磁铁组件安装的第三导电线圈组件，由此，磁芯的两个部分的相对振动导致与第三导电线圈组件链接的磁通的变化在第三导电线圈组件中产生第三电势，该第三导电线圈组件适于与用于响应机电发电机的输出电功率或振动频率的检测而控制振动调谐装置的控制器连接。

20.根据权利要求10所述的机电发电机，还包括与导电线圈组件的输出串联连接的电容器装置，该电容器装置具有电容C_s，其中，并且，L是导线线圈组件的电感，f是磁铁组件的磁芯的共振频率。

21.根据权利要求10所述的机电发电机，还包括与导电线圈组件的输出串联并处于作为具有电容C_T的电容器的振动调谐装置的输出侧的电阻器装置，该电阻器装置具有电阻R_b，其中，

并且，f是磁铁组件的磁芯的共振频率。

22.根据权利要求10所述的机电发电机，还包括与导电线圈组件的输出串联并处于作为具有电容C_T的电容器的振动调谐装置的输出侧的电感器装置，该电感器装置具有电感L_b，其中，

并且，f是磁铁组件的磁芯的共振频率。

23.一种用于通过使用机电发电机将机械振动能转换成电能的方法，该方法包括以下步骤：

提供包含导电线圈组件和磁铁组件的机电发电机，该磁铁组件包含至少一个磁铁和两部分的磁芯，其中，磁芯的第二部分封围导电线圈组件、所述至少一个磁铁和磁芯的第一部分；以及

使机电发电机振动以使磁芯的一个部分相对于磁芯的另一部分沿轴线以共振频率运动，由此导致磁芯中的与线圈组件链接的磁通的变化在线圈组件中感应电势。

24.根据权利要求23所述的方法，还包括提供在电线圈组件的输出两端之间的振动调谐装置。

25.根据权利要求24所述的方法，其中，振动调谐装置包含可变电容或可变电感，并且所述方法还包括分别设定可变电容或可变电感以使输出电功率最大的步骤。

26.根据权利要求25所述的方法，还包括响应机电发电机的输出电功率的检测而控制振动调谐装置。

27.根据权利要求26所述的方法，还包括检测振动频率并分别改变电容或电感以使共振频率与振动频率对准。

28.根据权利要求26或27所述的方法，还包括通过输出电功率驱动控制器。

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