CN102130568B - 一种直线发电机及充电装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种Halbach磁体列阵永磁直线发电机，隔磁外壳作为发电机的刚性外壳；Halbach磁体列阵为发电机提供正弦波磁场；谐振弹簧在产生振动时把机械能转换为动能，使动子总成产生谐振，线圈绕组切割磁场，产生感应电动势；滑槽基座具有导向槽，该导向槽和动子总成的导向槽配对，并于所匹配的导向槽中安放滚珠，对动子总成的运动产生导向作用；隔板用于安装缓冲座和固定滑槽基座；非导磁材料磁体列阵容器用于围固磁体；缓冲座由弹簧和缓冲垫组成，防止动子总成过行程。本发明的发电机结构简单、易于构建，成本低廉、发电量大，便于携带，易于集成。

Description

一种直线发电机及充电装置

技术领域

本发明涉及磁体发电技术，更具体地，本发明涉及一种直线发电机、充电装置和一种电池。

背景技术

通常，诸如手机、便携式音视频播放器、数码相机、头灯等便携式电子设备均需要自身备有电池，以在离开外部电源时能够使用。该电池一般是镍镉、锂电等贵金属，成本高，回收困难，对环境造成不可逆转的损害。一般来说，在便携式电子设备上均设置充电用的连接器，通过该连接器连接外部电源或者外部充电器来对便携式电子设备进行充电，而不用取出电池。

对于便携式电子设备，通常使用工业电源作为外接供电电源，但是在户外、途中，难以利用工业电源对该设备进行充电，但可以使用干电池、水力、风力或者火力的发电装置。然而，这些设备的能量转换效率低，设备自身体积大，对于电压低于1伏特，在毫安级下无法收集，造成极大浪费。特别在当前消费电子的高频率使用情况中，便携式消费电子自身的电池远远不能提供足够的电能，以供用户使用，经常使得用户携带多块电池或者随处寻找充电器，影响了人们的通信或其它需要并且造成极大的浪费。

现有的小型发电装置还可以将旋转的动能转换为电能，采用旋转的方式使线圈切割磁力线在线圈中产生电动势来实现发电，这种传统的旋转运动发电方式应用在以人自身为原动力的各种便携式发电装置中，但其结构复杂、制造难度大，操作不便利、发电效率低，不利于低成本的大批量生产，难以作为小型发电设备在生活中广泛使用。

直线电动机是一种从普通异步电动机通过纵向分段剖开并且展开定子和转子而衍生出来的电动机，其工作原理是随着均匀的直线运动而不是旋转运动来产生磁场，在异步直线电动机中，感应线圈在电枢上产生电流，电流和感应磁场之间的相互作用产生电感应来发电。但这样的发电机的运动的方向性的精度要求高、实现复杂，所产生的电量较小，通常三四个小时所产生的电量不足以使用五分钟，在实际中应用难以发挥作用。

发明内容

为了避免现有技术中的上述各种缺陷，本发明提出一种直线谐振发电机和充电装置。

根据本发明的一个方面，提供一种谐振式永磁直线发电机的动子结构，包括永磁材料和包覆该永磁材料的非导磁材料，该永磁材料为通过非导磁材料间隔的两块或者多块的条状、块状或者椭圆块状，均匀的布置在非导磁材料中。

根据本发明的第二方面，提供一种谐振式永磁直线发电机的定子结构，包括隔磁外壳、定子铁芯、绕组和环氧树脂固封；定子铁芯、绕组和环氧树脂固封布置在隔磁外壳中的一侧，定子铁芯附在隔磁外壳的侧壁，绕组位于定子铁芯的内部，绕组的向外连接端位于定子铁芯的开口处，环氧树脂固封将绕组密封。

根据本发明的第三方面，提供一种谐振式永磁直线发电机，包括定子结构和动子结构，动子结构布置在定子结构的隔磁外壳中，位于隔磁外壳中相对于定子结构的另一侧，或者位于两个或者多个定子结构的中间；动子结构中的永磁体提供磁场，定子结构中的绕组在可变的磁场中产生感应电动势。

根据本发明的第四方面，提供一种谐振式永磁直线发电充电装置，包括谐振式永磁直线发电机和电子控制系统，所述发电机包括定子结构和动子结构，动子结构位于定子结构的隔磁外壳中，位于隔磁外壳中相对于定子结构的另一侧，或者位于两个或者多个定子结构的中间；动子结构中的永磁体提供磁场，定子结构中的绕组在可变的磁场中产生感应电动势；所述电子控制系统包括EMI模块，整流模块，倍压电路，稳压模块和超级电容电路。

根据本发明的第五方面，提供一种自充电电池，包括谐振式永磁直线发电机、电子控制系统和超级电容，其特征在于，所述发电机包括定子结构和动子结构，动子结构包括在定子结构的隔磁外壳中，位于隔磁外壳中相对于定子结构的另一侧，或者位于两个或者多个定子结构的中间；动子结构中的永磁体提供磁场，定子结构中的绕组在可变的磁场中产生感应电动势；所述电子控制系统包括EMI模块，整流模块，倍压电路和稳压模块；超级电容电路用于存储电荷来为电子设备供电。

本发明的发电、充电和电池装置使得人们能够行走、户外、车辆上就能对便携式电子设备进行充电，该设备设计简单、结构巧小、不但携带方便，免除了需要专门外接充电电源、浪费时间充电以及外出时应急充电的困扰，还实现了随时都能充电的可能。本发明的装置构建方便、使用节能、环保，更低碳。

本发明的发电装置除了可用于发电、充电之外，还可以作为一个永久性的电池用于电子设备使用，而免除了电子设备自身配有电池的需要，而该电池不再需要外接电源进行充电，而使用自身发电来供电，更加环保和节约成本。本发明的发电装置可以用于手机、电动剃须刀、数码相机等所有毫安级电器、便携式播放器及所有便携式电子设备的应用。另外，本发明的发电装置可以做成外置式或嵌入式。

附图说明

图1示出谐振式永磁直线发电充电装置的功能模块图；

图2示出谐振式直线永磁发电机的动子结构；

图3示出部分镂空的动子结构；

图4示出谐振动子及滑槽结构的示意图；

图5示出单相单边扁平型永磁直线发电机定子结构；

图6示出两组独立的单相单边扁平型永磁直线发电机定子结构；

图7示出单相双边扁平型永磁直线发电机定子结构；

图8示出多组独立单相双边扁平型永磁直线发电机结构；

图9示出单相单边扁平型永磁直线发电机总装示意图；

图10示出双边扁平型永磁直线发电机总装示意图；

图11示出电子控制系统的总体结构图；

图12示出电子控制系统的电路原理图；

图13示出直线永磁发电机二维实体模型；

图14示出单边扁平型永磁直线发电机二维建模实体模型；

图15示出双边扁平型永磁直线发电机二维建模实体模型

图16示出单边扁平型永磁直线发电机磁通密度；

图17示出空载感应电动势；

图18示出负载感应电动势分析；

图19示出谐振式永磁直线发电机三维实体模型；

图20示出磁通密度的示意图；

图21示出永磁直线发电机等效电路及负载的示意图；

图22示出负载电压分析；

图23示出负载电流分析；

图24示出单相线圈绕组动子总成实例；

图25示出双边型Halbach磁体列阵永磁直线发电机总装实例示意图；

图26示出Halbach磁体列阵安装方式实例。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种发电机和充电装置进行详细描述。

现有的便携式发电机充电装置大多数属于手摇式发电机，在对便携式电器、电子产品进行充电时，至少需要用手摇转发电机充电装置30分钟，才能让电子、电器产品提供一定使用时间的用电量。本发明的目的是提供应用于毫安级电子电器的外置式发电充电装置或直接嵌入到电子电器内部。

图1示出具有谐振式永磁直线发电机的充电装置，如图1所示，该充电装置包括永磁直线发电机、电子控制系统、超级电容电路和电池。其中，永磁振动直线发电机和电子控制系统相连接，用来通过发电机内部动子相对于定子的直线运动来产生感应电动势，电子控制系统将所接收的来自永磁振动直线发电机的感应电动势进行滤波、整流、倍压、稳压处理后，获取到适合的稳定电压，输入到超级电容电路，将电荷储存在超级电容中。该超级电容接附便携式电子设备的电池，从而给该电池充电。

在另一个实施例中，具有谐振式永磁直线发电机的充电装置包括永磁振动直线发电机、电子控制系统和超级电容电路，而不包括图中所示的电池，该超级电容电路直接和用电设备相连接，作为该用电设备(例如便携式消费电子设备)的供电装置(例如电池)。其中，永磁振动直线发电机和电子控制系统相连接，用来通过发电机内部动子相对于定子的直线运动来产生感应电动势，电子控制系统将所接收的来自永磁振动直线发电机的感应电动势进行滤波、整流、倍压、稳压处理后，获取到适合的稳定电压，输入到超级电容电路，将电荷储存在超级电容中。该超级电容作为设备的供电装置直接为设备供电。此时，该充电装置不仅仅是用于充电，更主要地将自充电和供电结合在一起，尤其当超级电容的电容量足够大时，完全可以作为供电电源使用。

图2示出谐振式直线永磁发电机的动子结构的正面剖视图，其中，对于扁平型直线发电机，如图2所示，包括永磁材料和包覆该永磁材料的非导磁材料，该非导磁材料可以是廉价的不锈钢材料。其中，永磁材料为条块状，位于不锈钢材料中。可以理解，该条块状的永磁材料不限于图中所示的三块，图中所示仅为示例，该永磁材料可以是两块或者多块。在一个实施例中，该永磁材料布置为条状。在另一个实施例中，该永磁材料布置为圆块状或者椭圆块状。在又一个实施例中，在不锈钢材料中布置为不规则形状。可以理解，根据制作便利，该永磁材料的形状可以任意选择。另外该永磁材料的布置在仅使用两块永磁材料块的情况下，期望尽可能均匀，相互之间的关系尽可能均衡。而当使用多个永磁材料块时，永磁材料块之间的距离或者相互位置关系可以是不均匀的，当然如果均匀的话让磁性分布均匀更佳。永磁材料选用诸如钕铁硼、镍钴的硬磁材料，而不选用软磁材料。该永磁材料在非导磁材料中所占的体积比可以根据制作成本、磁性大小灵活选择。

在制造本发明所述的动子时，首先把不锈钢基板通过冲压镂空，形成所需的中空形状，该中空形状对应于上述永磁材料块的形状；然后，把永磁材料粉以粘结或烧结工艺做成合适的形状和尺寸，进行充磁；将充磁后的永磁材料镶(或粘结)在不锈钢基板的镂空中，之后把整块动子进行涂覆或者电镀，从而，保持动子的整体性。

如图2所示，动子基板是平板状，非环状，属于标准型的直线电机的动子机构。本发明所述的动子基板位于定子之外，而对于双边型偏平直线电机，该动子基板位于两个定子之间，而非内含到定子之内。永磁材料选择用的是硬磁材料，即已经充磁的磁体，而非不能充磁的软磁材料。

在实际应用中，尤其是在用于便携式消费电子的充电设备或者供电设备时，需要进一步的降低设备的重量。在本实施例中，通过将不锈钢基板的部分镂空来降低动子基板的重量。如图3所示，永磁材料1包覆在不锈钢基板2中，在不锈钢基板2的中间镂出多个空槽。该空槽不应该将永磁材料连通，而仅仅在不锈钢基板的中间进行镂空。该空槽可以根据需要设置不同大小和形状的结构。该空槽均匀设置，以使定子运动均衡。

图4示出谐振动子的整体结构，该谐振动子结构包括动子基板和滑槽结构，动子基板位于滑槽结构之间。动子基板即包括永磁体的非导磁基板。如图4所示，总的来说，该谐振动子结构包括换向弹簧1、谐振弹簧2、永磁体和不锈钢动子基板3、U形滑槽4和滚珠5。U形滑槽板位于动子基板的两侧，U形滑槽内设置滚珠，动子基板夹置在U形滑槽中，动子基板的端部和滚珠接触，在U形滑槽内上下滑动，两个U形滑槽两端使用连接板对应连接，在两个U形滑槽的每一个的两端设置换向弹簧，动子基板和两个连接板之间分别设置谐振弹簧。动子基板在U形滑槽内滑动，到达U形滑槽的端部，和端部的换向弹簧相碰撞，反弹，反向滑动。同时，动子基板压制谐振弹簧，产生谐振。

以下描述定子的结构，对于谐振式永磁直线发电机定子铁芯形式，永磁直线发电机可以做成单边扁平型或双边扁平型，绕组可以是单相、两相、三相。永磁直线发电机可以做成单相、两相和三相，也可以做成几个单相然后串联或并联。

图5示出单相单边扁平型永磁直线发电机定子结构，如图5所示，该定子结构包括隔磁外壳1、定子铁芯2、绕组3和环氧树脂固封4。其中，定子铁芯2是半开口或者全开口。绕组3可以是漆包线绕组或印刷线圈。定子铁芯2、绕组3和环氧树脂固封4布置在隔磁外壳1中的一侧，隔磁外壳1通常为长方形，但这不限于制成正方形、椭圆形或者其他形状，隔磁外壳1的另一侧空置。定子铁芯2附在隔磁外壳1的侧壁，绕组3位于定子铁芯2的内部，绕组3的向外连接端位于定子铁芯2的半开口或者全开口处。环氧树脂固封4将绕组3密封。

图6示出两组独立单相单边扁平型永磁直线发电机定子结构，如图6所示，该定子结构包括两组独立的单相单边扁平型永磁直线发电机定子结构，可以理解，该定子结构可以包括多组独立的单相单边扁平型永磁直线发电机定子结构。多组独立的单相单边扁平型永磁直线发电机定子结构可以并联或者串联输出，也就是各个单相单边扁平型永磁直线发电机定子结构中的绕组可以串联或者并联。其中，每组单相单边扁平型永磁直线发电机定子结构包括隔磁外壳1、定子铁芯2和绕组3。绕组使用环氧树脂固封。其中，定子铁芯2是半开口或者全开口。绕组3可以是漆包线绕组或印刷线圈。定子铁芯2、绕组3布置在隔磁外壳1中的一侧，隔磁外壳1通常为长方形，但这不限于制成正方形、椭圆形或者其他形状，隔磁外壳1的另一侧空间空置。定子铁芯2附在隔磁外壳1的侧壁，绕组3位于定子铁芯2的内部，绕组3的向外连接端位于定子铁芯2的半开口或者全开口处。在相邻两个单相单边扁平型永磁直线发电机定子结构之间，布置隔磁材料板4，用于阻断相邻定子结构之间的磁干扰。

图7示出单相双边扁平型永磁直线发电机定子结构。如图7所示，该定子结构包括两组单相单边扁平型永磁直线发电机定子结构，每个单相单边扁平型永磁直线发电机定子结构分别位于隔磁外壳1的相对侧，分别附在隔磁外壳1的侧壁上，两个单相单边扁平型永磁直线发电机定子结构之间中空，留有放置动子的空间。其中，每组单相单边扁平型永磁直线发电机定子结构包括隔磁外壳1、定子铁芯2和绕组3。绕组使用环氧树脂固封。其中，定子铁芯2是半开口或者全开口。绕组3可以是漆包线绕组或印刷线圈。定子铁芯2、绕组3布置在隔磁外壳1中的侧壁，隔磁外壳1通常为长方形，但这不限于制成正方形、椭圆形或者其他形状。定子铁芯2附在隔磁外壳1的一侧，绕组3位于定子铁芯2的内部，绕组3的向外连接端位于定子铁芯2的半开口或者全开口处。

图8示出多组独立单相双边扁平型永磁直线发电机结构，如图6所示，该定子结构包括两组独立的单相双边扁平型永磁直线发电机定子结构，可以理解，该定子结构可以包括多组独立的单相双边扁平型永磁直线发电机定子结构。每个单相双边扁平型永磁直线发电机定子结构分别位于隔磁外壳1的相对侧，分别附在隔磁外壳1的侧壁上，两个或者多个单相双边扁平型永磁直线发电机定子结构之间中空，留有放置动子的空间。多组独立的单相单边扁平型永磁直线发电机定子结构可以并联或者串联输出，也就是各个单相单边扁平型永磁直线发电机定子结构中的绕组可以串联或者并联。同样，多组独立的单相双边扁平型永磁直线发电机定子结构可以并联或者串联输出，也就是各个单相双边扁平型永磁直线发电机定子结构中的绕组可以串联或者并联。其中，每组单相单边扁平型永磁直线发电机定子结构包括隔磁外壳1、定子铁芯2和绕组3。绕组使用环氧树脂固封。其中，定子铁芯2是半开口或者全开口。绕组3可以是漆包线绕组或印刷线圈。定子铁芯2、绕组3布置在隔磁外壳1中的一侧，隔磁外壳1通常为长方形，但这不限于制成正方形、椭圆形或者其他形状，隔磁外壳1的另一侧空间空置。定子铁芯2附在隔磁外壳1的侧壁，绕组3位于定子铁芯2的内部，绕组3的向外连接端位于定子铁芯2的半开口或者全开口处。在相邻两个单相单边扁平型永磁直线发电机定子结构之间，布置隔磁材料板4，用于阻断相邻定子结构之间的磁干扰。

以下描述谐振式永磁发电机的总装结构，其中，图9示出单相单边扁平型永磁直线发电机总装示意图。如图9所示，该发电机包括定子结构和动子结构，其中，动子结构包括在定子结构的隔磁外壳1中，位于隔磁外壳1中相对于定子结构的另一侧。动子结构和隔磁外壳1之间布置辅助铁轭，用来减少动子结构的横向电磁力。

如图9所示，该定子结构包括隔磁外壳1、定子铁芯2、绕组3和环氧树脂固封4。其中，定子铁芯2是半开口或者全开口。绕组3可以是漆包线绕组或印刷线圈。定子铁芯2、绕组3和环氧树脂固封4布置在隔磁外壳1中的一侧，隔磁外壳1通常为长方形，但这不限于制成正方形、椭圆形或者其他形状，隔磁外壳1的另一侧空间空置。定子铁芯2附在隔磁外壳1的一侧，绕组3位于定子铁芯2的内部，绕组3的向外连接端位于定子铁芯2的半开口或者全开口处。环氧树脂固封4将绕组3密封。

图9所示的动子结构是将图4所示的侧视剖面图，附图所示仅是示意，并不是对形状的限制。其中，图9所示的动子结构包括动子基板和滑槽结构，动子基板位于滑槽结构之间。如图9所示，该谐振动子结构包括换向弹簧、谐振弹簧5、钕铁硼永磁体和不锈钢动子基板6、U形滑槽和滚珠(图中未示)。U形滑槽板位于动子基板的两侧，U形滑槽内设置滚珠，动子基板夹置在U形滑槽中，动子基板的端部和滚珠接触，在U形滑槽内上下滑动，两个U形滑槽两端使用连接板对应连接，在两个U形滑槽的每一个的两端设置换向弹簧，动子基板和两个连接板之间分别设置谐振弹簧。动子基板在U形滑槽内滑动，到达U形滑槽的端部，和端部的换向弹簧相碰撞，反弹，反向滑动。同时，动子基板压制谐振弹簧，产生谐振。

其中，隔磁外壳1是谐振永磁直线发电机的外壳和内部机械零部件的固定框架，具有隔磁功能，防止永磁材料的磁场对电子电路的影响。定子铁芯2可以是硅钢片叠压铁芯。线圈绕组3可以是漆包线绕组或印刷线圈，用作永磁发电机的绕组。谐振弹簧5用于在振动时把机械能转换为动能，使滑块动子产生谐振。永磁体6为直线发电机提供磁场，绕组在可变的磁场中可以产生感应电动势；不锈钢基板作为钕铁硼永磁体承载体，并一起组成滑动基板。另外，各零部件可以用沉头螺栓紧固、预制在隔磁外壳1上或者提前一体成型。

从结构上，动子结构无需支承基架，定子结构不需要电磁体，无电磁驱动力，而是靠外来振动来驱动动子。谐振弹簧依赖外来振动的机械能产生谐振运动，并非恢复力。

图10示出双边扁平型永磁直线发电机总装结构，如图10所示，该发电机包括定子结构和动子结构，其中，动子结构包括在定子结构的隔磁外壳1中，位于隔磁外壳1中相对于两个定子结构的中间，通过两个定子结构夹持，或者固定在外壳的两端。

如图10所示，该定子结构包括隔磁外壳1、定子铁芯2、绕组3和环氧树脂固封4。其中，定子铁芯2是半开口或者全开口。绕组3可以是漆包线绕组或印刷线圈。定子铁芯2、绕组3和环氧树脂固封4布置在隔磁外壳1中的一侧，隔磁外壳1通常为长方形，但这不限于制成正方形、椭圆形或者其他形状，隔磁外壳1的另一侧同样如这样布置。定子铁芯2附在隔磁外壳1的一侧，绕组3位于定子铁芯2的内部，绕组3的向外连接端位于定子铁芯2的半开口或者全开口处。环氧树脂固封4将绕组3密封。

图10所示的动子结构是将图4所示的侧视剖面图。其中，图10所示的动子结构包括动子基板和滑槽结构，动子基板位于滑槽结构之间。如图10所示，该谐振动子结构包括换向弹簧、谐振弹簧5、钕铁硼永磁体6和不锈钢动子基板、U形滑槽和滚珠(图中未示)。U形滑槽板位于动子基板的两侧，U形滑槽内设置滚珠，动子基板夹置在U形滑槽中，动子基板的端部和滚珠接触，在U形滑槽内上下滑动，两个U形滑槽两端使用连接板对应连接，在两个U形滑槽的每一个的两端设置换向弹簧，动子基板和两个连接板之间分别设置谐振弹簧。动子基板在U形滑槽内滑动，到达U形滑槽的端部，和端部的换向弹簧相碰撞，反弹，反向滑动。同时，动子基板压制谐振弹簧，产生谐振。

其中，隔磁外壳1是谐振永磁直线发电机的外壳和内部机械零部件的固定框架，具有隔磁功能，防止永磁材料的磁场对电子电路的影响。定子铁芯2可以是硅钢片叠压铁芯。线圈绕组3可以是漆包线绕组或印刷线圈，用作永磁发电机的绕组。谐振弹簧5用于在振动时把机械能转换为动能，使滑块动子产生谐振。永磁体6为直线发电机提供磁场，绕组在可变的磁场中可以产生感应电动势；不锈钢基板作为永磁体承载体，并一起组成滑动基板。另外，各零部件可以用沉头螺栓紧固，或者预制在隔磁外壳1上或者提前一体成型。

另外，可以理解，图9和图10示出单相单边和单项双边的扁平型永磁直线发电机总装结构，但根据图8，该扁平型永磁直线发电机总装结构可以包括多相单边或者多相双边，本领域内的技术人员可以根据图8-10的结构容易实现，这里将不再赘述。

图11示出图1所述的电子控制系统的总体模块结构图，如图11所示，该电子控制系统包括EMI模块，整流模块，倍压电路，稳压模块和超级电容电路。其中，EMI是电源电磁干扰滤波器。整流模块，和EMI模块相连接。倍压电路和整流模块相连接，将整流模块输出的小电压倍增。稳压电路，和倍压电路相连接，用于将倍压电路输出的倍增电压稳定到期望的电压值，通常会根据实际应用稳定在3-30伏特之间的一个值。稳压模块输出的稳定电压输入到超级电容中。其中，倍压电路和稳压电路的处理顺序可以交换，也就是可以先稳压再倍增，或者如上先倍增再稳压。

图12示出图11所述的电子控制系统的一个示例电路原理图，电源电磁干扰滤波器EMI包括并联的滤波电容C0和滤波电感H，整流模块使用四个桥接的整流二极管(D1-D4)。倍压电路包括两个串联的电阻和两个串联的电容，两个电阻和两个电容之间并联，两个电阻之间的连接端和两个电容之间的连接端相连接。稳压电路包括并联的滤波电容C3、稳压二极管WD和直流电压变换集成电路IC1，当不存在太多杂波时可以不需要滤波电容C3。超级电容电路包括两个串联的单体超级电容C4和C5。该电子控制系统还包括防逆流二极管D5。

在具体实现时，将电源电磁干扰滤波器、整流、倍压、稳压、超级电容电路制成线路板或者一体成集成电路。用导线把谐振永磁直线发电机的输出和电子控制电路的L和N端连接起来，完成谐振式永磁直线发电充电装置的总装。

其中，整流二极管D1、D2、D3和D4最好选用锗整流管，以提高整流效率，在非满载情况下，其压降＜＝2V。IC1是宽输入电压DC-DC变换集成电路，输出电压为5.2V。

超级电容C4、C5，基于超级电容的快速充电特性，用作充电的中继蓄能元件。由于超级电容的实用寿命比蓄电池厂，报废后不会对环境造成污染，可以直接代替蓄电池作为蓄能元件。在本发明中，由于超级电容器不同于电池，可以将两者结合起来，将电容器的功率特性和电池的高能量存储结合起来。超级电容器在其额定电压范围内可以被充电至任意电位，且可以完全放出。而电池则受自身化学反应限制工作在较窄的电压范围，如果过放可能造成永久性破坏。超级电容器的荷电状态(SOC)与电压构成简单的函数，而电池的荷电状态则包括多样复杂的换算。超级电容器与其体积相当的传统电容器相比可以存储更多的能量，电池与其体积相当的超级电容器相比可以存储更多的能量。在一些功率决定能量存储器件尺寸的应用中，超级电容器是一种更好的途径。超级电容器可以反复传输能量脉冲而无任何不利影响，相反如果电池反复传输高功率脉冲其寿命大打折扣。超级电容器可以快速充电而电池快速充电则会受到损害。超级电容器可以反复循环数十万次，而电池寿命仅几百个循环。

为了进一步说明本发明的具体的技术效果，以下对谐振式直线永磁发电机进行二维有限元仿真分析。由于直线发电机具有特有的边端效应，使得直线电机的分析比旋转电机的分析更为复杂，并且传统电机分析理论不能直接应用到直线电机上。因此，对直线发电机的分析不但需要以麦克斯韦电磁场理论为依据，还需要利用二维和三维有限元分析，才能精确寻找直线发电机的解决方案。

在二维电磁场有限元方法理论中，电磁场的经典理论是麦克斯韦方程组。其中，无论介质和磁场强度H分布如何，磁场中磁场强度沿任何一闭合路径的线积分都等于穿过该积分路径所确定电流总和。电磁场麦克斯韦方程组积分形式：

式中：H：磁场强度A/m，Γ：曲面Ω的边界，J：电流密度A/m²，D：电位移C/m²，B：磁感应强度T。

麦克斯韦方程组微分形式：

其中，E：电场强度V/m。

图13示出直线永磁发电机二维实体模型，如图所示包括线圈、磁体和基板。图14示出单边扁平型永磁直线发电机二维建模实体模型。图15示出双边扁平型永磁直线发电机二维建模实体模型的剖分图。图13、14和15的具体结构已在上面描述，此处将不再说明。

对于单边扁平型永磁直线发电机单相绕组电感，以下通过仿真来说明线圈的电感，电感值的当前数值。对于单边扁平型永磁直线发电机单相绕组匝链磁链，图16示出单边扁平型永磁直线发电机磁通密度，如图所示，动子之间的磁通密度不处于饱和状态，是可变的。图17示出空载时的感应电动势，运动时间内的感应电动势。图18示出负载时的感应电动势，加负载之后的感应电动势。

对于谐振式永磁直线发电机三维有限元分析，永磁直线电机的磁场属于三维场，通过三维分析，能获得精确数据分析其及性能。图19示出谐振式永磁直线发电机三维实体模型，其中图20示出磁通密度，如图20所示，在一个自由行程之内的时间范围内，磁通密度分布图，其中磁通密度不饱和，但不处于很低的状态。图21示出永磁直线发电机等效电路及负载。图22示出负载电压分析，磁电转换之后的电压分析图。图23示出负载电流分析(其中，图23由于在设置电压和电流的方向的因素导致图22的电压个图23的电流矢量方向相反，但不影响理论分析)。从这些图中可以看到，通过上述的结构，可以获取适合的电磁感应，并且得到期望的电流和电压，满足通常便携式电子设备的需要。

在本发明的又一个实施例中，提供一种动子总成结构和一种谐振式永磁直线发电机结构。其中动子总成使用线圈绕组作为动子，线圈绕组包括动圈式(可动线圈绕组式)或者动磁式(可动磁体列阵式)。动子总成的线圈绕组可以是单相、两相、三相。本实例示出单相线圈绕组动子总成，如上同理，两相、三相动子总成均属于本发明范畴之内。线圈绕组制作成无导磁材料铁芯的绕组或直接由线圈绕组组成，可以是漆包线线圈绕组、注塑绕组、印刷绕组。线圈绕组可以制作成单相、两相、三相绕组。

图24示出单相线圈绕组的动子总成，在图24中，该动子总成包括线圈绕组1，线圈绕组外联件2，外延板3(图示外延板为T形，也可以是平板)，镂空4(或可以不镂空)以及滑槽5。如图24所示，动子总成包括一体化的线圈绕组1，线圈绕组1可以是普通漆包线绕组、注塑绕组、印刷绕组。线圈绕组1由线圈绕组外联件2所包围，保持整个线圈的整体性与强度。镂空4为了减小动子总成的重量，镂空部分可以是正方形、长方形、椭圆形等，也可以是多个条形镂空、网格式镂空。外延板3带有滑槽5，滑槽5有导向作用，导向动子总成沿固定方向滑动。

本实例以双边型Halbach磁体列阵永磁直线发电机实例示例，对于单边型Halbach磁体列阵，永磁直线发电机只要去掉一边的磁体列阵。同时，也可以做成基于Halbach磁体列阵圆筒型永磁直线发电机。因此，基于Halbach磁体列阵谐振式永磁直线发电机形式有单边扁平型、双边扁平型、圆筒型。

由于Halbach磁体列阵的磁场是按正弦波分布的磁场，保证了发电机的电压波形为正弦波。Halbach磁体列阵的磁场特性，有效提高有用一侧的气隙磁密，保证发电机气隙磁体密度。Halbach磁体列阵具有自身磁屏蔽、磁场自成回路特性，大大减少漏磁，提高发电机的运行效率。Halbach磁体列阵，内部无需定子和动子的铁芯结构，其自成磁路，可以实现定子和动子无铁芯结构，消除齿槽效应，从而获得无磁阻动子，同时减小了电机的体积。Halbach磁体列阵不受磁场饱和的影响，在很小的空间内可以有很高的磁通密度。

图25示出双边型Halbach磁体列阵永磁直线发电机总装实例示意图。图25中，该结构包括隔磁外壳1，Halbach磁体列阵2，谐振弹簧3，动子总成4，滑槽基座5，隔板6，非导磁材料磁体列阵容器7，缓冲座8。其中，隔磁外壳1具有非导磁和隔磁作用，并作为发电机的刚性外壳，用于固定发电机的零部件。Halbach磁体列阵2为发电机提供正弦波磁场。谐振弹簧3在产生振动时把机械能转换为动能，使动子总成4产生谐振，线圈绕组切割磁场，产生感应电动势。动子总成4内含一体化的线圈绕组、线圈绕组外联件、有或没有镂空和有滑槽的外延板。滑槽基座5有导向槽，该导向槽和动子总成的导向槽配对，并于所匹配的导向槽中安放滚珠，一起对动子总成4的运动产生导向作用。每一个滑槽基座5上有两个滑槽可以安装永磁体，此时动子总成4的滑槽同样安装永磁体，两者相对面极性相同，根据同性相排斥的原理，使得动子总成4的永磁体与滑槽基座5的永磁体发生排斥，动子总成4在运动切向产生磁悬浮力，实现动子总成4径向运动的磁悬浮，有效减少了使用机械结构滑动时所产生的摩擦力，把动子总成4在谐振运动时的能量损失减到最低。隔板6用于安装缓冲座8，固定滑槽基座5。非导磁材料磁体列阵容器7用于围固磁体。缓冲座8可以做成由弹簧和缓冲垫组成的，有防止动子总成4过行程、保护动子总成4过行程的冲击和由此产生换向力。一旦动子总成4接触到或撞击到缓冲座，弹簧进行压缩蓄能，为动子总成运动换向提供换向力。缓冲座8可以做成永磁体组成的缓冲座，组成方式是：在隔板上安装一个永磁体，在动子总成相对应的位置上安装一个永磁体，两者相对面极性相同，根据同性相排斥的原理，同样具有缓冲和为动子总成运动换向提供换向力的功能。

对于Halbach磁体列阵2，其安装方式可以把磁体做成整体式后，进行充磁。Halbach磁体列阵的拼装方式和磁体尺寸有多种形式，图26只示出了其中三种拼装式列阵实例，所有拼装式列阵的尺寸和方式均在本技术范畴之内。图26中，1是Halbach磁体列阵，图中仅仅是一个实例示例，Halbach磁体列阵可以是整体式；Halbach磁体列阵可以是拼装式，磁体数量对于不同实例有不同数量的磁体，拼装式Halbach磁体列阵中磁体之间可以是无缝拼装，也可以是有一定间隙的形式拼装。2是非导磁刚性容器，该容器可以是开口容器或平板式的。

本发明单独列出了多个实施例，但是本领域的普通技术人员可以理解，这些实施例可以进行相应的组合，例如上述磁体列阵可以应用到前述的磁体结构中。

Halbach磁体列阵可以做成固定的外形后，整体充磁。经过整体充磁的磁体，可以直接放置于非导磁刚性容器内，并用粘接剂把磁体和非导磁刚性容器粘牢固定在一起。Halbach磁体列阵的磁体，可以对一定形状的磁体充磁后，再进行拼装。拼装方式使用粘接剂把磁体粘接起来，放置到非导磁刚性容器内，并用粘接剂把磁体和非导磁刚性容器粘牢固定在一起。拼装式Halbach磁体列阵需要有一定拼装间隙时，直接用粘接剂把磁体粘接在非导磁刚性容器内，间隙可以用胶水、环氧树脂填充固封等或是空隙。

综上所述，本发明的结构和整个系统的结构简单，工艺成熟，材料能轻易购得，市场前景广阔。本专利的发电和充电装置制成电子器件或者单独的自发电电池，无需使用市电或其它形式的充电，特别内嵌式应用，更能体现环保、节能。

最后应说明的是，以上实施例仅用以描述本发明的技术方案而不是对本技术方法进行限制，本发明在应用上可以延伸为其他的修改、变化、应用和实施例，并且因此认为所有这样的修改、变化、应用、实施例都在本发明的精神和教导范围内。

Claims (6)

1.一种Halbach磁体列阵永磁直线发电机，包括隔磁外壳、Halbach磁体列阵、谐振弹簧、动子总成、滑槽基座、隔板、非导磁材料磁体列阵容器和缓冲座，其中：

隔磁外壳作为发电机的刚性外壳；Halbach磁体列阵为发电机提供正弦波磁场；谐振弹簧在产生振动时把机械能转换为动能，使动子总成产生谐振，线圈绕组切割磁场，产生感应电动势；滑槽基座具有导向槽；隔板用于安装缓冲座和固定滑槽基座；非导磁材料磁体列阵容器用于围固磁体；缓冲座由弹簧和缓冲垫组成，防止动子总成过行程；

所述动子总成包括一体化的线圈绕组、线圈绕组外联件、有滑槽的外延板以及镂空；所述Halbach磁体列阵内部不包括定子和动子的铁芯结构，用于消除齿槽效应，获得无磁阻动子；

动子总成包括线圈绕组，线圈绕组外联件，外延板，镂空；线圈绕组由线圈绕组外联件包围，外延板带有滑槽，滑槽有导向作用，导向动子总成沿固定方向滑动，并且所述动子总成的滑槽与所述导向槽配对以对动子总成的运动产生导向作用；

每一个滑槽基座布置安装永磁体的两个滑槽，所述动子总成的滑槽对应安装永磁体，两者相对面极性相同，使得动子总成的永磁体与滑槽基座的永磁体发生排斥，动子总成在运动切向产生磁悬浮力；

其特征在于，所述隔板安装有永磁体，动子总成在与所述隔板的永磁体相对应的位置上安装有永磁体，两者相对面极性相同，为动子总成运动换向提供换向力。

2.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，Halbach磁体列阵是将磁体整体制成后，进行充磁；或者对一定形状的磁体充磁后，再进行拼装。

3.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，经过整体充磁的磁体，直接放置于非导磁刚性容器内，并用粘接剂把磁体和非导磁刚性容器粘牢固定在一起。

4.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，Halbach磁体列阵是整体式或者是拼装式，拼装式Halbach磁体列阵中磁体之间无缝拼装或者以间隙的形式拼装。

5.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，非导磁刚性容器是开口容器或平板式容器。

6.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，根据Halbach磁体列阵的布置位置，基于Halbach磁体列阵谐振式永磁直线发电机包括单边扁平型、双边扁平型和圆筒型；动子总成使用线圈绕组作为动子，线圈绕组包括可动线圈绕组式。

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