CN103580443B

CN103580443B - 能量转换器和无线设备

Info

Publication number: CN103580443B
Application number: CN201210270660.2A
Authority: CN
Inventors: 郭旻; 范顺杰; 卓越
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-07-31
Filing date: 2012-07-31
Publication date: 2016-09-21
Anticipated expiration: 2032-07-31
Also published as: CN103580443A

Abstract

本发明公开了一种能量转换器及含有该能量转换器的无线设备。所述能量转换器包括：弹性振动构件；磁回路构件，其包括永久磁体和导磁连接件，所述永久磁体和导磁连接件形成一空隙；电磁线圈，其设置在所述磁回路构件的空隙中；所述磁回路构件和所述电磁线圈中的任一个固定设置，另外一个与弹性振动构件连接并能够在外力的作用下自由地进行切割磁力线的相对运动。本发明所公开的技术方案，能够提高能量转换效率，充分利用永久磁体的资源。

Description

能量转换器和无线设备

技术领域

本发明涉及一种能量转换器和一种含有该能量转换器的无线设备。

背景技术

无线技术已经成为一个新兴领域并被广泛应用于各种不同的应用中。例如，无线远端传感器和无线灯光控制器等。无线技术的灵活性为用户提供了很大方便，但无线应用的能源问题却一直是限制无线设备的应用范围和可靠性的瓶颈。

目前，通常采用充电式电池为无线传感器和无线控制器等无线设备提供能源。虽然随着电池技术的发展，电池能够具有较长的续航时间、较长的使用寿命和服务时间，但仍存在很多问题难以解决。例如，对环境的污染问题和不可预知的损坏问题（即不可靠问题）等。此外，对电池驱动设备的维护也是一个大问题，尤其对于应用于较大数量的分布式设备。例如，在一个建筑内维护数百个灯光控制器将花费大量的成本和劳力。

为了解决这个问题，目前的一种方法是获取周围的能量，如光、热和振动等，作为无线设备的能源。但这种能量由于其何时出现具有不确定性，因此无法为无线设备提供可靠的、稳定的能源。

此外，另一种方法是在传感器或控制器等无线设备的内部利用能量产生器或能量转换器来提供能源。

美国专利“US6861785B2”和美国专利申请“US2005073221A1”中分别给出了一种通过压电陶瓷（PZT）组件将外部触发力转换为电能的示例。这种压电陶瓷组件虽然能输出高电压，且具有高转换效率，但由于PZT材料的易碎性，使得其不能可靠地为传感器或控制器等无线设备提供能量。

由于永久磁铁具有比压电陶瓷材料更耐用的机械性能，因此可被用于传感器或控制器等无线设备中。美国专利申请“US2008265693A1”给出了一种使用永久磁铁的能量转换器的示例。该示例中，通过在外力作用下使一个弹性软磁膜弯曲来改变通过电磁线圈中的磁通量，从而根据电磁感应原理在电磁线圈内产生电流。虽然该转换器的结构简单、体积较小，但由于该弹性软磁膜厚度较小且仅进行一次运动，因此无法使电磁线圈的磁通量产生较大变化，转换器的效率较低。

为此，本领域内的技术人员还在致力于寻找一种效率更高的能量转换器。

发明内容

有鉴于此，本发明一方面提出了一种能量转换器，另一方面提出了一种无线设备，用以提高能量转换的效率，进一步充分利用能源。

本发明提出的能量转换器，包括：

弹性振动构件；

磁回路构件，其包括永久磁体和导磁连接件，所述永久磁体和导磁连接件形成一空隙；

电磁线圈，其设置在所述磁回路构件的空隙中；

所述电磁线圈构件和所述磁回路构件中的任一个固定设置，另外一个与弹性振动构件连接并能够在外力的作用下自由地进行切割磁力线的相对运动构件。

在这里，“自由地进行切割磁力线的相对运动”是指电磁线圈和磁回路构件之间没有摩擦。

在本发明的一个实施方式中，所述弹性振动构件与按钮连接。在本发明的一个实施方式中，所述磁回路构件被磁化的两极之间具有一个横截面为环形的筒状空隙，所述电磁线圈置于所述筒状空隙内。

在本发明的一个实施方式中，所述磁回路构件包括：一端带有凸台的筒状的第一导磁连接件；置于所述第一导磁连接件的筒中的柱状第二导磁连接件；和远离所述凸台的一端固定连接所述永久磁体和所述第二导磁连接件的第三导磁连接件；所述永久磁体为连接在所述凸台上且极性同向设置的至少一个永久磁体。

优选，所述第一导磁连接件与第三导磁连接件具有尽可能大的相对面积，以减少漏磁。

在本发明的一个实施方式中，所述第三导磁连接件在背离所述永久磁体的一侧与所述弹性振动构件相连。

在本发明的又一个实施方式中，所述电磁线圈与所述弹性振动构件相连。

在本发明的一个实施方式中，所述弹性振动构件为弹簧或带有设定弯度的弹片。

本发明提出的无线设备，包括：

一个如上述所述任一实现形式的能量转换器；

一个用于对所述能量转换器输出的电能进行整流的整流器；

一个用于对所述整流器输出的电能进行存储和管理的储能控制单元；和

一个用于在所述储能控制单元的驱动下发送相应无线信号的信号发送单元。

在本发明的一个实施方式中，所述无线设备为无线开关控制器。

从上述方案中可以看出，本发明实施例中设置有一个由永久磁体和导磁连接件构成的带有空隙的磁回路构件，并将电磁线圈设置在所述磁回路构件的空隙中，且所述电磁线圈能够在所述空隙中相对所述磁回路构件进行切割磁力线运动。将所述磁回路构件和所述电磁线圈中的任意一个固定设置，将二者之中非固定设置的一个通过弹性振动构件与固定设置的按钮相连。这样，当有外力作用在按钮上时，与所述弹性振动构件相连的组件（即磁回路构件或者电磁线圈）便会在所述弹性振动构件的带动下相对另一个组件产生振荡运动，即使得所述电磁线圈相对所述磁回路构件来回振荡，从而切割磁力线产生电流。与仅有一次运动的方式相比，本实施例中的能量转换器能够提高能量转换效率，充分利用永久磁体的资源。同时，由于在本发明中磁回路构件和永久磁体形成相对封闭的磁回路，该磁回路能够收集永久磁体产生的大量磁通，这样能够提高产生的感应电动势，提高能量的利用率。

此外，相对于获取周围能量，如光、热和振动等的实现方式，本发明中的方案由于能够获取特定的外力，因此可提供可靠、稳定的能源。

此外，通过按钮式设计可以实现无线开关控制器等无线设备的应用，应用范围较广。此外，通过对按钮的不同设计，可以调节施加在弹性振动构件上的力，从而可针对不同的应用场合灵活实现。

附图说明

下面将通过参照附图详细描述本发明的优选实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其它特征和优点，附图中：

图1a至图1c为本发明实施例一中的能量转换器的示例性结构图。其中，图1a为主视图的剖视图，图1b为仰视图，图1c示为在图1a基础上按钮11被按下时的示意图。

图2为本发明实施例二中的能量转换器的示例性结构图。

图3a和图3b给出了现有技术中的能量转换器和本发明实施例中的能量转换器的输入结果对比图。

图4为本发明实施例三中无线设备的结构示意图。

其中，附图标记如下：

11-按钮 12-弹性振动构件 13-磁回路构件 14-电磁线圈 131-第一导磁连接件132-永久磁体 133-第二导磁连接件 134-第三导磁连接件

41-能量转换器 42-整流器 43-储能控制单元 44-信号发送单元

具体实施方式

本发明实施例中，考虑到利用使用永久磁体的能量转换器产生的感应电动势是由磁通的变化率来决定的，即有：E=nΔφ/Δt。

其中，E为感应电动势，n为电磁线圈的匝数，Δφ/Δt为磁通的变化速率。

可见，当保持磁场、电磁线圈以及运动速度不变的情况下，感应电动势E的值取决于磁通变化量Δφ的大小。

其中，对于永久磁体来说，其最大的磁通量φ_max由磁场大小和回路磁阻决定。在美国专利申请“US2008265693A1”中，磁通变化量Δφ是从0（或接近于0）变化至φ_max。且一旦可移动部分移至设定位置时，能量转换即结束，即可移动部分仅有一小部分的动能转换成了电能，而大部分的动能转换成了热和噪声，其转换效率低，仅仅转换了不到10%的能量。

本发明实施例中，为了提高能量转换的效率，考虑尽可能的将动能转换为电能。为此，本发明实施例中，可设置一个由永久磁体和导磁连接件构成的带有空隙的磁回路构件，并将电磁线圈设置在所述磁回路构件的空隙内，且所述电磁线圈能够在所述空隙中相对所述磁回路构件进行切割磁力线运动。将所述磁回路构件和所述电磁线圈这两个组件中的二者之一固定设置，将非固定设置的一个与一弹性振动构件相连。此时，当有外力作用在弹性振动构件上时，与所述弹性振动构件相连的组件便会在所述弹性振动构件的带动下相对另一个组件产生振荡运动，即使得所述电磁线圈相对所述磁回路构件来回振荡，从而切割磁力线产生电流。可见，本发明实施例中，通过弹性振动构件带动与之相连的组件运动至设定位置后，仍能使与弹性振动构件相连的组件在弹性振动构件的弹力作用下产生振荡式运动，从而使电磁线圈继续切割磁回路构件产生的磁场中的磁力线，这样提高了能量的转换效率。同时，由于在本发明中磁回路构件和永久磁体形成相对封闭的磁路，该磁路能够收集永久磁体产生的大量磁通，这样能够提高产生的感应电动势，提高能量的利用率。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下用实施例对本发明进一步详细说明。

实施例一

图1a至图1c为本发明实施例一中的能量转换器的示例性结构图。其中，图1a为主视图的剖视图，图1b为仰视图，图1c示为在图1a基础上按钮11被按下时的示意图。本说明书中将主要基于图1a所示方位对本发明实施例中的能量转换器进行详细描述，除非特殊说明，本说明书中为描述方便所涉及的上、下、左、右、前、后、竖直以及水平等方位均相对于图1a所示视角而言。如图1a和图1b所示，该能量转换器包括：一个按钮11、一个弹性振动构件12、一个磁回路构件13和一个电磁线圈14。

本实施例中，所述按钮11固定设置，如固定设置在一壳体面板上等。具体实现时，本实施例中的按钮11可以为薄膜按钮；也可以为其它任意类型的按钮，如翻板形式的开关按钮，其一端与所述构件弹性振动构件12一端相连。

所述构件弹性振动构件12一端与所述按钮11相连，另一端与所述磁回路构件13相连。

所述磁回路构件13由永久磁体132和导磁连接件131、133、134构成，且磁回路构件13磁化的两极之间具有空隙。

所述电磁线圈14设置在所述磁回路构件13的空隙中，且所述电磁线圈14固定设置，如固定设置在所述壳体内部的支架上等。

在所述按钮11被按动时，所述构件弹性振动构件12能够带动所述磁回路构件13进行上下往复运动，使所述电磁线圈14在所述空隙中相对所述磁回路构件13进行切割磁力线运动。图1c示出了按钮11被按下的瞬间，构件弹性振动构件12的瞬时状态。

本实施例中的弹性振动构件12可为弹簧。实际应用中，该弹性振动构件12也可以是一个带有设定弯度的弹片，该设定弯度应使得所述弹性振动构件12在按钮11被按下时，能够带动所述磁回路构件13相对所述电磁线圈14进行往复运动，使所述电磁线圈14在所述空隙中相对所述磁回路构件13进行切割磁力线运动。

具体实现时，所述磁回路构件13磁化的两个极性之间可如本实施例中的图1b所示，具有一个横截面为环形的筒状空隙，相应地，所述电磁线圈14置于所述筒状空隙内。

具体实现时，所述磁回路构件13可有多种具体实现结构，本实施例中的磁回路构件13包括：一个第一导磁连接件131、至少一个永久磁体132、一个第二导磁连接件133和一个第三导磁连接件134。

其中，第一导磁连接件131为一端带有凸台的筒状结构。

至少一个永久磁体132固定连接在所述第一导磁连接件131的凸台上，且各永久磁体132按照相同的极性方向进行设置，如都为N极朝上，S极朝下。具体实现时，该至少一个永久磁体132可以是一个筒状的永久磁体，也可以是分布在所述凸台上的两个或两个以上的永久磁体。

第二导磁连接件133设置在所述第一导磁连接件131的筒中，在本实施例中其为柱状结构。

第三导磁连接件134在远离所述第一导磁连接件131的凸台的一端固定连接所述至少一个永久磁体132和所述第二导磁连接件133，且第三导磁连接件134在背离所述永久磁体132的一侧与所述弹性振动构件12相连。

具体实现时，本实施例中的各导磁连接件可由软磁材料制成，如软磁铁氧体、硅钢片等，永久磁体可以为永久磁铁或稀土磁体（例如烧结的NdFeB和SmCo，或者Alnico和Barium Ferrite等。

本实施例中，能量转换器的振荡参数由弹性振动构件12、磁回路构件13的材料以及电磁线圈14的负载决定。此外，通过对按钮11的不同设计，可调节按钮11被按下时，施加给弹性振动构件12的力。

实施例二

图2为本发明实施例二中的能量转换器的示例性结构图。如图2所示，本实施例二中的能量转换器的结构与图1a至图1c中所示的能量转换器的结构一致。不同之处在于，本发明实施例中的能量转换器，其磁回路构件13和电磁线圈14的位置相当于在图1a至图1c的基础上进行垂直翻转后得到。此时磁回路构件13固定设置，例如可设置在壳体内部的支架上等，而电磁线圈14则通过弹性振动构件12与固定设置的按钮11相连。

本实施例中，能量转换器的振荡参数由弹性振动构件12、电磁线圈14的材料以及电磁线圈14的负载决定。此外，通过对按钮11的不同设计，可调节按钮11被按下时，施加给弹性振动构件12的力。

以上仅列举了本发明实施例中能量转换器的两个示例，具体实现时，能量转换器的具体结构还可以有其它的实现形式，此处不再一一赘述。

图3a和图3b给出了现有技术中的能量转换器和本发明实施例中的能量转换器的输入结果对比图。其中，图3a为前述现有技术US2008265693A1中的能量转换器的输出结果示意图；图3b为本发明实施例中的能量转换器的输出结果示意图。其中，横坐标为时间（t），纵坐标为输出的感应电动势（V）。可见，该现有技术中的能量转换器的仅输出对应一个脉冲的能量，而本发明实施例中的能量转换器则输出对应波形（相当于多个脉冲）的能量，这使得能量转换效率得到了极大的提高。

以上对本发明实施例中的能量转换器进行了详细描述，下面再对本发明实施例中的无线设备进行详细描述。

实施例三

图4示出了本发明实施例三中无线设备的结构示意图。如图4所示，该无线设备包括：一个能量转换器41、一个整流器42、一个储能控制单元43和一个信号发送单元44。

其中，能量转换器41可以为本发明实施例中任一形式的能量转换器。

整流器42与能量转换器41中的电磁线圈的引线相连，用于对所述能量转换器41输出的电能进行整流。具体实现时，其可以为任一具体实现形式的整流设备，如由二极管构成的整流桥等。

储能控制单元43用于对所述整流器42输出的电能进行存储和管理，并驱动信号发送单元44发送无线信号。具体实现时，可有多种实现形式，例如，可由电容及相应的触发开关等硬件电路来实现。

信号发送单元44用于在所述储能控制单元43的驱动下发送对应的无线信号。具体实现时，其可由带有无线射频（RF）模块的微处理器（MCU）实现。

具体应用时，上述无线设备可以为任意无线传感器或控制器，例如，可以为无线开关控制器，如灯光控制器等。相应地，能量转换器41的按钮对应该无线传感器或控制器的按钮。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种能量转换器，包括：

弹性振动构件(12)；

磁回路构件(13)，其包括至少一个永久磁体(132)、第一导磁连接件(131)、第二导磁连接件(133)及第三导磁连接件(134)，所述永久磁体(132)、第一导磁连接件(131)、第二导磁连接件(133)和第三导磁连接件(134)间形成一空隙,所述空隙位于所述磁回路构件(13)磁化的两极之间，所述永久磁体(132)的两极分别与所述第一导磁连接件(131)及所述第三导磁连接件(134)接触；

电磁线圈(14)，其设置在所述磁回路构件(13)的空隙中；

所述电磁线圈(14)和磁回路构件(13)中的任一个固定设置，另外一个与弹性振动构件(12)连接并能够在外力的作用下自由地进行切割磁力线的相对运动。

2.根据权利要求1所述的能量转换器，所述弹性振动构件(12)与按钮连接。

3.根据权利要求1所述的能量转换器，其特征在于，所述永久磁体(132)和所述第一导磁连接件(131)、所述第二导磁连接件(133)及所述第三导磁连接件(134)间形成的所述空隙为筒状。

4.根据权利要求3所述的能量转换器，其特征在于，

所述第一导磁连接件(131)一端带有凸台，其形成所述筒状空隙；第二导磁连接件(133)为柱状，其置于所述第一导磁连接件筒状空隙中；所述第三导磁连接件(134)在远离所述凸台的一端固定连接所述永久磁体(132)和所述第二导磁连接件(133)；所述至少一个永久磁体(132)连接在所述第一导磁连接件(131)的凸台上且极性同向设置。

5.根据权利要求4所述的能量转换器，其特征在于，所述第三导磁连接件(134)在远离所述永久磁体(132)的一侧与所述弹性振动构件(12)相连。

6.根据权利要求3所述的能量转换器，其特征在于，所述电磁线圈(14)与所述弹性振动构件(12)相连。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的能量转换器，其特征在于，所述弹性振动构件(12)为弹簧或带有设定弯度的弹片。

8.一种无线设备，包括：

如权利要求1至7中任一项所述的能量转换器(41)；

用于对所述能量转换器输出的电能进行整流的整流器(42)；

用于对所述整流器输出的电能进行存储和管理的储能控制单元(43)；和

用于在所述储能控制单元的驱动下发送相应无线信号的信号发送单元(44)。

9.根据权利要求8所述的无线设备，其特征在于，所述无线设备为无线开关控制器。