CN102197576A - 从机械振动中产生电能的发电机和调节这种发电机的谐振频率的方法 - Google Patents

Abstract

用于从机械振动中产生电能的发电机以及用于对这样的发电机的谐振频率进行调节的方法。本发明涉及一种能够普遍并且灵活使用的用于从机械振动中产生电能的发电机（G），其中所述发电机（G）具有有机械振动能力的设有弹簧系统（F1、F2）的系统以及用于改变所述弹簧系统（F1、F2）的机械应力的装置（AM）。此外，本发明涉及一种用于对用于从机械振动中产生电能的发电机的谐振频率进行调节的方法。

Description

从机械振动中产生电能的发电机和调节这种发电机的谐振频率的方法

技术领域

本发明涉及一种用于从机械振动中产生电能的发电机以及一种用于对这样的发电机的谐振频率进行调节的方法。

背景技术

自主的必要时联网的传感器得到了广泛的推广。“自主的”在此意味着，相应的传感器一般不仅用于构造用于进行无线通信而且构造用于进行无线的能量供应。无线的无线电技术在这期间已经达到了很高的技术上的成熟程度，这种技术上的成熟程度也比如允许将其应用在工业设备的环境中也就是说比如应用在工业自动化的领域内，而迄今为止关于无线的或者说无线缆的能量供应还没有以相应的方式出现这样的情况。虽然为了无线的能量供应的目的，原则上存在着使用电池的方案。但是由于电池的使用寿命受到限制并且在更换电池时需要维护开销，这在许多情况下带来很大的缺点。

因此，不仅结合传感器或者说传感器网络而且对于其它不同的在能量供应方面依赖于自给自足方案的技术设备和应用情况来说，可能有利的或者说有必要的是，从环境中获取电能。这样的从环境中获取能量的做法尤其结合较小的有待获得电能供应的设备也在“能量采集（Energie Harvesting）”这个概念下为人所知。

本发明涉及一种用于从机械振动中产生电能的发电机，其中该发电机具有有机械振动能力的设有弹簧系统的系统。

这样的发电机比如从P. Glynne-Jones、M. J. Tudor、S. P. Beepy、N. M. White的传感器和执行器的专业论文A 110（2004）344-349“An electromagnetic vibration-powered generator for intelligent sensor systems”中得到公开。在此所述有机械振动能力的系统用于采集机械振动，也就是说用作振动接收器。除此以外，除了从电动力学的换能器原理的从所提到的出版物中公开的应用方案之外，从I. Kühne、G. Eckstein、H. Seidel的在欧洲传感器2006的大会会册XX中发表的专业论文“A new approach of a MEMS power generator based on a piezoelectric diaphragm”以及I. Kühne、A. Frey、G. Eckstein、H. Seidel的“Power MEMs-A capacitive vibration-to-electrical energy converter with built-in voltage”中也公开了用于在使用压电的或者说电容的换能器原理的情况下从机械振动中产生电能的发电机。

前面所提到的类型的发电机一般利用发电机的谐振回路的放大系数来提高能量生产量，也就是说用于对能量产生或者说能量转换的效率进行优化。但是，这方面的缺点是，所述发电机的有机械振动能力的系统在其制造时应该设计到特定的谐振频率，因而谐振的运行相应地在一开始就已经以对在后来使用发电机时出现的频率或者说机械振动的出现的频谱的了解为前提。通过这种限制在实际上在许多情况下阻止发电机在谐振的运行中的使用或者说至少使得该发电机在谐振的运行中的使用变得十分困难和昂贵。

发明内容

本发明的任务是，说明一种能够特别有效地并且同时能够普遍且灵活使用的用于从机械振动中产生电能的发电机，其中所述发电机具有有机械振动能力的设有弹簧系统的系统。

按本发明，该任务通过一种用于从机械振动中产生电能的发电机得到解决，其中该发电机具有有机械振动能力的设有弹簧系统的系统以及用于改变所述弹簧系统的机械应力的装置。

所述按本发明的发电机是有利的，因为其具有集成的用于进行调谐的方案。因此，通过所述用于改变弹簧系统的机械应力的装置能够实现所述有振动能力的系统或者说所述发电机的谐振频率的改变。在此本发明利用这一点，即有振动能力的系统的谐振频率一般通过弹簧刚度和系统的质量的关系来确定。在此有利的是，由此可以通过所述按本发明的发电机的弹簧系统或者说振动变换器的机械应力的变化，来引起弹性常数的变化并且由此也可以引起所述有振动能力的系统的谐振频率的变化。这种也在“应力钢化效应（Stress-Stiffening- Effect）”这个概念下面为人所知的效应与吉他弦的调音相类似并且建立在以下基础上，即所述有机械振动能力的系统的弹簧系统中的拉力或者说压力引起弹性常数的提高或者说降低。

所述按本发明的发电机具有用于改变弹簧系统的机械应力的装置，由此该发电机能够在连续的运行中与合适的工作频率相适应。因为该发电机由此不必相应地在设计上与相应的应用情况相匹配，所以它能够有利地普遍且灵活地得到使用。这尤其在使用以微机械技术制造的或者说构成的发电机的情况下很有意义，因为用于使结构匹配的成本在这里与以精密机械技术制造的发电机相比高得多。

此外，所述按本发明的发电机有利地提供使处于运行中的发电机随时与变化的运行条件相匹配的可能性。除此以外，所述发电机有利地构造用于改变所述弹簧系统的机械应力，而不必为此进行手动干预。这尤其对于这样的情况来说有意义，也就是在很难到达的或者不可接近的地方设置使用发电机或者比如由于所使用的发电机的数目很高而不能进行相应的手动干预。

在一种特别优选的改进方案中，所述按本发明的发电机如此构成，使得所述发电机借助于所述弹簧系统的机械应力的变化来构造用于自动地使所述有振动能力的系统的谐振频率与所述机械振动的频谱相匹配。这提供这样的优点，即根据所述机械振动的相应的频谱能够相应自动地使发电机以最大效率也就是最大的能量生产量进行运行。在此，所述机械振动的频谱原则上可以是一种特定的频率；但是通常该频谱会具有特定宽度，也就是说会具有不同频率的机械振动。

在另一种特别优选的实施方式中，所述按本发明的发电机具有无线电接口并且构造用于根据所接收的无线电指令自动地使所述有振动能力的系统的谐振频率与所述机械振动的频谱相匹配。这一点是有利的，因为由此比如从中央的控制装置方面能够实现所述有振动能力的系统的谐振频率与所述机械振动的频谱的匹配过程的激活或者说开始。

在所述按本发明的发电机的另一种特别优选的设计方案中，如此构成所述用于改变弹簧系统的机械应力的装置，从而借助于自动保持在静止状态中的机构来引起所述弹簧系统的机械应力的变化。在此作为静止状态在本发明的范围内是指一种状态，在该状态中将所述弹簧系统的机械应力保持恒定。由此所述发电机按照该优选的改进方案仅仅为改变所述弹簧系统的机械应力但不是为维持所述弹簧系统的所调节的应力而需要能量。这样做的优点是，所述发电机在正常运行中不需要额外的能量，因而从所述机械振动中产生的能量可以完全提供给相应的用途并且不是完全或者部分地需要将其用于发电机本身的运行。

一种相应的自动保持的机构比如可以包括不同类型和结构的止动装置。因此所述按本发明的发电机在一种优选的实施方式中如此构成，使得所述用于改变弹簧系统的机械应力的装置包括齿条以及棘爪系统，其中所述齿条的运动引起所述弹簧系统的机械应力的变化并且所述齿条在静止状态中通过所述棘爪系统的至少一个棘爪保持其位置中。相应的由齿条和棘爪系统构成的系统是自动保持的引起所述弹簧系统的机械应力的变化的机构的一种特别耐用和简单的实施方式。

在前面所描述的优选的改进方案的范围内，所述按本发明的发电机有利地如此构成，使得所述棘爪系统为了使所述齿条运动而具有至少另一个棘爪。由此有利地实现一种特别简单的自动保持在静止状态中的用于改变所述弹簧系统的机械应力的机构。

所述按本发明的发电机在这种情况下可以有利地如此构成，使得所述棘爪系统以静电的、电磁的或者压电的方式被驱动。这一点是有利的，因为静电的、电磁的和压电的驱动装置能够以较低的成本来制造并且尤其也能够为较小的必要的功率而得到实现。

所述按本发明的发电机也可以有利地如此得到改进，使得所述用于改变弹簧系统的机械应力的装置包括齿条以及借助于自锁的传动机构连接到所述齿条上的马达，其中所述马达构造用于使齿条运动并且所述齿条的运动则引起所述弹簧系统的机械应力的变化。在这种情况下，这是自动保持在静止状态中的用于改变所述弹簧系统的机械应力的机构的一种作为替代方案的同样比较耐用和简单的实施方式。

优选所述按本发明的发电机如此得到改进，使得所述用于改变弹簧系统的机械应力的装置为提高所述弹簧系统的机械应力的通过所述齿条的运动引起的变化而具有杠杆机构。根据相应的情况，相应的杠杆机构由于由此提高了所述弹簧系统的机械应力的通过齿条的运动引起的变化而十分有利。

原则上，所述发电机可以以不同的方式方法来制造或者说构成。所述发电机在此有利地一方面以低廉的成本来制造，其中另一方面尤其发电机的一种尽可能小的结构形式是值得追求的，因为由此提供了多种多样的使用可能性。在一种特别优选的实施方式中，所述按本发明的发电机以微机械的技术构成。这样的微机械的比如所谓的微机电的系统（MEMS，Micro-Electro-Mechanical-System）的形式的设计方案，特别由于较低的制造成本以及由此能够实现的微型化而比较有利。但是，作为替代方案，所述按本发明的发电机也可以有利地用精密机械技术来构成。

在另一种特别优选的实施方式中，所述按本发明的发电机构造用于在使用电动力学的、压电的或者电容的换能器原理的情况下从机械振动中产生电能。这一点是有利的，因为所提到的原理作为这样的原理已经受验证并且由此相应的发电机在其制造方面成本较为低廉并且在其运行方面比较有效。

除此以外，本发明涉及一种用于对用于从机械振动中产生电能的发电机的谐振频率进行调节的方法。

关于该方法，本发明的任务是，说明一种用于对用于从机械振动中产生电能的发电机的谐振频率进行调节的方法，该方法能够灵活地使所述发电机的谐振频率与相应的机械振动的频谱相匹配。

按本发明，该任务通过一种用于对用于从机械振动中产生电能的发电机的谐振频率进行调节的方法，其中在调谐范围之内所述发电机的有机械振动能力的系统的谐振频率通过所述有机械振动能力的系统的弹簧系统的机械应力的变化来改变，求得所述有机械振动能力的系统的谐振频率的数值，在该数值的情况下所述发电机以最大的效率进行工作，并且将所述有机械振动能力的系统的谐振频率调节到所求得的频率。

所述按本发明的方法的优点基本上相应于前面结合所述按本发明的发电机或者说所述按本发明的发电机的改进方案所提到的优点，因则关于这一点请参照前面的解释。关于所述按本发明的方法的下面所提到的优选的改进方案在所述按本发明的发电机的相应的优选的改进方案方面适用同样的情况。

在一种特别优选的实施方式中，如此设计所述按本发明的方法，从而借助于自动保持在静止状态中的机构来引起所述弹簧系统的机械应力的变化。

优选也可以如此执行所述按本发明的方法，从而通过所述发电机来接收无线电指令并且随后调节所述发电机的谐振频率。

附图说明

下面借助于实施例对本发明进行详细解释。为此附图示出如下：

图1是按本发明的发电机的第一种实施例的示意性的草图，该发电机具有用于改变所述发电机的有机械振动能力的系统的弹簧系统的机械应力的装置；

图2是按本发明的发电机的第二种实施例的截取部分，该发电机具有用于改变所述弹簧系统的机械应力的设有棘爪系统的装置；

图3是按本发明的发电机的第三种实施例的截取部分，该发电机具有用于改变所述弹簧系统的机械应力的设有棘爪系统的装置；

图4是按本发明的发电机的第四种实施例的截取部分，该发电机具有用于改变所述弹簧系统的机械应力的设有马达以及自锁的传动机构的装置；

图5是按本发明的发电机的第五种实施例的截取部分，该发电机具有用于改变所述弹簧系统的机械应力的设有马达、自锁的传动机构以及杠杆机构的装置；

图6是为了对按本发明的方法的实施例进行解释而示出的机械振动的频谱。

出于简明的原因，在附图中相同的或者基本上起相同作用的组件分别用相同的附图标记来表示。

具体实施方式

图1以示意性的草图示出了按本发明的发电机的第一种实施例，该发电机具有用于改变该发电机的有机械振动能力的系统的弹簧系统的机械应力的装置。在此示出了用于从机械振动中产生电能的发电机G的原理结构，其中所述发电机G的工作频率能够改变，尤其能够与所述机械振动的相应存在的频谱相匹配。

详细来讲，所述发电机G具有一个设有弹簧系统的有机械振动能力的系统，所述弹簧系统包括弹簧F1和F2。所述弹簧F1、F2用于检测作用到所述有振动能力的系统的质量m上的机械振动，其中借助于通过所述质量m来卷绕的线圈SP在使用电动力学的换能器原理的情况下将所述振动的机械能转换为电能。在此，所述机械振动在图1所示的实施例中引起所述也可以称为振动质量（seismische Masse）的质量m的沿垂直方向的运动或者说振动。由此在线圈SP中所诱发的交流电压可以由负载V来使用或者说截取。

根据图1中的示意图，所述弹簧系统从弹簧F1的方面在牵引系统或者说用于改变所述弹簧系统的机械应力的装置AM处终止，通过所述在图1中用相应的双箭头示出的装置AM可以沿水平方向在所述弹簧F1、F2中产生法向力，所述弹簧F1、F2通过所述应力钢化效应引起所述弹簧系统的机械应力的变化并且由此引起所述由弹簧系统及质量m所组成的有振动能力的系统的弹性常数的变化。通过所述用于改变弹簧系统的机械应力的装置AM，由此能够有利地使所述发电机G的工作频率或者说谐振频率与所述机械振动的相应存在的频谱相匹配。

在此要指出，作为在图1中示范性地示出的电磁的换能器原理的替代方案，同样也可以使用其它的换能器原理，因而所述发电机G比如也能够在使用电容的或者压电的换能器原理的情况下以相应的方式得到实现。在这方面决定性的是，所述发电机G在不依赖于所使用的换能器原理的情况下构造用于改变所述弹簧系统的机械应力。

图2示出了所述按本发明的发电机的第二种实施例的截取部分，该发电机具有用于改变所述弹簧系统的机械应力的设有棘爪系统的装置。在此所示出的组件比如可以是在图1中示出的用于改变所述弹簧系统的机械应力的装置AM。

按照图2中的示意图，所述质量m借助于穿过平行导向装置PF的弹簧F1与具有旋转活节DG的齿条Z相连接。所述齿条Z在此通过棘爪系统来运动，其中构造为棘轮爪的形式的第一棘爪K1实现进给，而构造为止动爪的形式的第二棘爪K2则将所述齿条Z保持在其相应的位置中。所述棘爪K1、K2比如可以以静电的、电磁的方式也就是说根据继电器的原理或者也可以以压电的方式被驱动。因为所述棘爪K1、K2在静止位置中处于啮合状态中并且将所述齿条Z保持在其位置中，所以所述用于改变弹簧系统的机械应力也就是说用于调谐的装置仅仅为改变所述弹簧系统的机械应力而需要能量。相反，在静止状态中，也就是说为了维持一次性调节的应力则不需要能量。

所述齿条Z的运动通过所述旋转活节DG在所述有振动能力的系统的弹簧F1中引起拉力或者说压力并且由此实现所述发电机的弹簧系统的机械应力的改变。这根据前面的解释产生了影响，也就是说引起所述有机械振动能力的系统的谐振频率的改变。

图3示出了所述按本发明的发电机的第三种实施例的截取部分，该发电机具有用于改变所述弹簧系统的机械应力的设有棘爪系统的装置。这里示出了所述在图2中示出的用于改变发电机的弹簧系统的机械应力的装置的一种可能的实施方式的细节。在此所述棘爪K2根据图3中的示意图由于预张紧的弹簧VF在静止状态中持久地与所述齿条Z的齿部处于啮合之中。为调节所述齿条Z，也就是说为了改变所述发电机的弹簧系统的机械应力，通过外部的通过静电的驱动装置A引起的力来拉动棘爪K2。但是根据结合图2所作的说明，作为替代方案也可以设想所述驱动装置的其它实施方式。

图4示出了所述按本发明的发电机的第四种实施例的截取部分，该发电机具有用于改变所述弹簧系统的机械应力的设有马达和自锁的传动机构的装置。在此示出了用于改变所述弹簧系统的机械应力的装置。与在图2中示出的机构不同的是，所述装置利用具有自锁的传动机构及齿条的微型马达MOT，用于在有振动能力的系统的弹簧系统F1、F2中实现牵引力。所述自锁的传动机构具有蜗杆SCH，该蜗杆SCH在静止状态中如此与所述齿条Z共同作用，从而在无能量输入的情况下保持所述弹簧系统的当前的牵引状态或者说既存的应力。相应于图4的示意图的实施方式尤其在以精密机械技术构成发电机G的情况下是适用的。

图5示出了所述按本发明的发电机的第五种实施例的截取部分，该发电机具有用于改变所述弹簧系统的机械应力的设有马达、自锁的传动机构以及棘爪系统的装置。在此所示出的用于改变弹簧系统F1、F2的机械应力的装置基本上相当于图4的相应的装置，其中作为提高力的作用的做法的补充而设置了杠杆机构，该杠杆机构包括杠杆H和杠杆活节HG。由此能够有利地使所述弹簧系统F1、F2的机械应力的通过齿条Z运动引起的变化与相应的要求或者说情况相匹配。

图6为了对按本发明的方法的实施例进行解释而示出了机械振动的频谱。在此作为所述机械振动AMP的频率f的函数示出了所述机械振动的振幅。现在可以如此调节用于从机械振动中产生电能的发电机的谐振频率，从而在调谐范围AB之内通过所述有机械振动能力的系统的弹簧系统的机械应力的变化来改变所述发电机的有机械振动能力的系统的谐振频率。这意味着，所述发电机或者说能量转换器拥有调谐范围AB，在该调谐范围AB内所述发电机或者说能量转换器借助于集成的调谐机构独立地或者说自动地对其谐振频率进行调谐。在此检测具有最大的能量获取程度的频率，也就是一种相应的频率，对于该频率来说发电机以最大的效率进行工作。在图6的实施例中，在这种情况下作为结果通过所述调谐机构将所述发电机的谐振频率由未调谐的频率f_res0移到调谐的频率f_res1上并且随后为发电机的进一步运行而通过维持所述发电机的弹簧系统的相应的机械应力的做法将其保持在那里。调谐过程的控制优选通过所述发电机的比如可以构造为微处理器的形式的控制装置来进行。

根据上面所描述的实施例，所述按本发明的发电机以及所述按本发明的方法尤其提供这样的优点，即能够使所述发电机或者说所述发电机的有振动能力的系统的工作频率或者说谐振频率灵活地与相应存在的机械振动相匹配。由此使发电机的能量生产量最大化，而不必为此进行手动干预。这能够使相应的发电机普遍地用于不同的应用方案，由此由于扩大了相应的交货件数而显著降低用于这样的发电机的制造成本。在此可以有利地借助于自动保持在静止状态中的机构来引起所述发电机的弹簧系统的机械应力的变化，因而在发电机的正常运行中不需要能量用于维持所述弹簧系统的所调节的机械应力。

Claims (15)

1. 用于从机械振动中产生电能的发电机（G），其中该发电机（G）具有有机械振动能力的设有弹簧系统（F1、F2）的系统，

其特征在于，该发电机（G）具有用于改变所述弹簧系统（F1、F2）的机械应力的装置（AM）。

2. 按权利要求1所述的发电机，

其特征在于，该发电机（G）借助于所述弹簧系统（F1、F2）的机械应力的变化构造用于自动地使所述有振动能力的系统的谐振频率与所述机械振动的频谱相匹配。

3. 按权利要求2所述的发电机，

其特征在于，该发电机（G）具有无线电接口并且构造用于根据所接收的无线电指令自动地使所述有振动能力的系统的谐振频率与所述机械振动的频谱相匹配。

4. 按前述权利要求中任一项所述的发电机，

其特征在于，所述用于改变弹簧系统（F1、F2）的机械应力的装置（AM）如此构成，从而借助于自动保持在静止状态中的机构来引起所述弹簧系统（F1、F2）的机械应力的变化。

5. 按权利要求4所述的发电机，

其特征在于，

所述用于改变弹簧系统（F1、F2）的机械应力的装置（AM）包括齿条（Z）以及棘爪系统（K1、K2），其中所述齿条（Z）的运动引起所述弹簧系统（F1、F2）的机械应力的变化，并且所述齿条（Z）在静止状态中通过所述棘爪系统（K1、K2）的至少一个棘爪（K2）保持在其位置中。

6. 按权利要求5所述的发电机，

其特征在于，所述棘爪系统（K1、K2）为使所述齿条运动而具有至少另一个棘爪（K1）。

7. 按权利要求5或6所述的发电机，

其特征在于，所述棘爪系统（K1、K2）以静电的、电磁的或者压电的方式被驱动。

8. 按权利要求4所述的发电机，

其特征在于，所述用于改变弹簧系统（F1、F2）的机械应力的装置（AM）包括齿条（Z）以及借助于自锁的传动机构（SCH）连接到所述齿条（Z）上的马达（MOT），其中所述马达（MOT）构造用于使所述齿条（Z）运动并且所述齿条（Z）的运动引起所述弹簧系统（F1、F2）的机械应力的变化。

9. 按权利要求8所述的发电机，

其特征在于，所述用于改变弹簧系统（F1、F2）的机械应力的装置（AM）为提高所述弹簧系统（F1、F2）的机械应力的通过所述齿条（Z）的运动引起的变化而具有杠杆机构（H、HG）。

10. 按前述权利要求中任一项所述的发电机，

其特征在于，该发电机（G）以微机械技术构成。

11. 按前述权利要求中任一项所述的发电机，

其特征在于，该发电机（G）以精密机械技术来构成。

12. 按前述权利要求中任一项所述的发电机，

其特征在于，该发电机（G）构造用于在使用电动力学的、压电的或者电容的换能器原理的情况下从机械振动中产生电能。

13. 对用于从机械振动中产生电能的发电机（G）的谐振频率进行调节的方法，其中

-在调谐范围之内所述发电机（G）的有机械振动能力的系统的谐振频率通过所述有机械振动能力的系统的弹簧系统（F1、F2）的机械应力的变化来改变，

-求得所述有机械振动能力的系统的谐振频率的数值，在该数值的情况下所述发电机（G）以最大的效率进行工作，并且

-将所述有机械振动能力的系统的谐振频率调节到所求得的频率。

14. 按权利要求13所述的方法，

其特征在于，借助于自动保持在静止状态中的机构来引起所述弹簧系统（F1、F2）的机械应力的变化。

15. 按权利要求13或14所述的方法，

其特征在于，通过所述发电机（G）来接收无线电指令并且随后调节该发电机（G）的谐振频率。

Images