CN104412504A - 发电装置 - Google Patents

Abstract

一种能够通过围绕旋转轴(220)的第一主要部件(370，380)和第二主要部件(200，230)的相对旋转运动产生电功率的装置；其中：该第一主要部件和该第二主要部件包括压电元件(380)和永久磁体(230，370)的布置，使得在使用时这些磁体与压电元件之间相互作用，从而可以产生电力；并且其中：该第二主要部件(200，230)包括偏离相对旋转轴(220)的质量中心，使得该第二主要部件(200，230)对重力或惯性力的响应是该第二主要部件(200，230)相对于该第一主要部件(370，380)的相对旋转；该第一主要部件(370，380)被固定地附接至移动主机结构(100)。

Description

发电装置

技术领域

本发明涉及一种可操作为从线性和/或旋转源运动生成电流的发电装置。在旋转的情况下，运动可以是恒定的或间歇性的。在线性情况下，装置可在非连续(例如，摆动)运动下操作。优选实施例可适用于其具有可用于感测应用的有限空间或可到达性的区域。还可以设想其它的实施方式。

背景技术

能量收集是指使用外界的能量源以局部地生成电力。然后，该电力可被用于尤其是在小规模电子应用中补充或替代电池或电力网供电。振动或运动是这样的外界的能量源，即可以通过许多不同形式发现的丰富的能量源的实例。已经提出可利用振动或运动的一些装置。这些实施方式所基于的基本原理是引入电气阻尼机构，其通常被称为换能器(transducer)(例如，电磁或压电换能器)，抵抗由在框架内部移动的“检验(proof)”质量块(mass)施加的力。框架仅需要至主机结构的一个附接点，并且因此检验质量块的运动由对外部加速度的惯性反作用力引起，其可以是线性或旋转的，因此，这些装置可被大致分类为惯性发电机。

对于连续旋转，其中不存在旋转加速度，故使用了另一种方法。被称为重力发电机的装置依赖于偏心检验质量块和重力以对主机转动产生反力矩并且因此通过换能器从其提取电力。

电磁换能器被广泛用于常规、惯性或重力型发电机。它们依赖于两个主要部件之间的相对运动。一般而言，第一主要部件(定子)通过到基础结构的某种机械附接而保持静止。第二主要部件(在旋转装置的情况下被称为转子)的运动与第一主要部件电磁耦合。因此，第二部件的位移要求力(用于线性的实施方式)或转矩(用于旋转的实施方式)并且可通过对该力/扭矩做功产生电力。这个力或扭矩的性质(视情况而定)由装置的一般性质限定，并且因此可以是惯性、重力或在常规结构中通过引入将第二主要部件连接到移动结构的第二附接点来提供。通过常规布置，可在两个主要部件之间实现大的换能器能力，并且因此电力输出会非常高，这对于大规模的发电来说是理想的。然而，具有第二附接点的可能需要更多空间并且在事实上并不总是很容易实现。一个实例可以是安装在车辆轮胎内部的压力传感器(但并不排除其它可能的应用)，可以方便地附接至运动部分但阻碍连接到辅助、静止的结构。另一种可能是被放置在人体中，其中附接至两个相对运动的部分/器官会导致高度介入手术。

压电换能器还主要被用在线性装置中。压电材料的关键特性是它响应于由电荷的累积所施加的应力。优点可在无需任何传动装置的情况下实现高输出电压并且可实现的能量是材料内部的应力的函数且不是两个主要部件的相对速度，如电磁换能器的情况。已经使用弯曲结构实现了良好的结果，因为在垂直于弯曲方向的方向上的应力高。提高机电耦合的另一种方式是在压电元件的谐振频率下操作。在旋转装置中合并弯曲梁的难度使这种类型的压电实施方式至今仍是很复杂的。

线性装置的共同缺点是对装置的方位和励磁加速度的方向有很强的依赖性。在许多情况下，必须克服重力加速度以便使内部质量块能够完全移动。如果装置的方位是恒定的并且励磁的主方向不同于(优选地垂直于重力的平面内)重力，则可以绕开这个问题。然而这并不总是可直截了当实现的并且在强烈变化的条件(例如在人体运动)下引起问题。装置具有围绕轴(该轴相对于主机是固定的)的检验质量块，并且质量中心不与该轴在一条直线上具有可在重力和惯性的情况下进行操作的优点。

因此，需要解决这个问题。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种可操作为产生电功率的装置。该装置包括第一主要部件和第二主要部件，其中，所述第一部件与第二部件之间的相对旋转运动的性能是操作所需的。围绕相对旋转的公共轴的第一部件与第二部件之间的相对旋转运动的能力可被用于将动能转化为电能。尽管由相对旋转运动产生这种能量的转换，但在本发明中仅第一主要部件需要被固定地附接至主机结构，并且在不连续的线性和/或连续/不连续的旋转励磁以及它们的组合的条件下，可主要(但不排他)操作由所述主体结构提供并通过先前提及的单个机械连接点传输至装置的作为运动源的第一主要部件。将理解的是，可在任何运动源上有意地选择的连接点并且不一定需要例如在旋转主机结构的轴上。可围绕相对旋转的轴旋转的第二主要部件包括质量偏心中心，即，以作用在该质量中心上的任何力和/或加速度的方式偏离旋转轴(具有非平行于旋转轴的方向)将引起围绕该轴的转矩，其中，作用于阻碍与第一主要部件的相对运动的换能元件上的这个转矩还可用于将能量转换从机械形式转换成电能形式，并且根据第一主要部件与第二主要部件相对于由主机结构提供的外力和/或加速度(这些包括重力加速度，但并非专用于后者)的方位可以是惯性或重力性质或它们的组合。术语“阻碍(impedes)”在广义上应被视作抵抗第一主要部件与第二主要部件之间的相对旋转。本文中的不平行于旋转轴的力和加速度的描述包括这样的原则：围绕旋转轴的力矩可以通过强度相同但是方向相反并且在与相对于轴的相对侧上的轴固定距离处具有它们的动作点的一对力来有效地表示。因此，所描述的装置还可由力矩或围绕旋转轴并作用在第二主要部件上的角加速度操作。

实施例提供了一种旋转装置，可操作在不连续的线性的和仅需要附接至运动源的单个点的连续/不连续的旋转外部励磁的条件下。这解决了上述确定的问题。此外，实施例可包括可在以其固有频率进行操作的压电变换机构。

由于缺少与第二点的连接，所以装置的仅需要单个固定附接接触点可使某些应用的安装更加容易并且可以减小整体尺寸。此外，在各种形式的励磁下操作的可能性可使装置在其使用时，尤其是但不是唯一地在显著变化的源运动和装置方位的应用(例如，医学和人体传感器应用)中更加灵活。

第一方面的实施例的特征被限定在从属权利要求11至20中。

因此，第一主要部件可包括一个或多个压电弯曲梁，每一个梁都具有固定安装到第一主要部件上的一端和能够自由振动的一端。附接至第一主要部件的一个或多个梁的自由端包括永久磁体(一个或多个初级磁体)。在其中在一个或多个初级磁体与一个或多个次级磁体之间具有吸引力或排斥力的布置中，因为第二主要部件在相对旋转运动中移动到第一主要部件，故第二主要部件可保持一个或多个永久磁体(一个或多个次级磁体)。将理解的是，一个或多个梁之间的布置(保持第二主要部件的一个或多个初级磁体和一个或多个次级磁体)以使得它们在相对运动下通过彼此时在一个或多个初级磁体与一个或多个次级磁体之间没有物理接触的方式完成。作为一个或多个初级磁体与一个或多个次级磁体之间的相互作用力的结果是该力是排斥力或吸引力，这取决于初级磁体与次级磁体之间的相对方位，一个或多个压电梁的自由端可偏转，并且提取在材料中的所得到的电荷以便产生电功率。可以各种方式实现偏转，特别地但不限于其中达到磁相互作用力与梁弯曲力之间的平衡的点之后一个或多个梁的自由端经历突然释放的方式，并且借助于引入的初始偏转，自由端随后在其固有频率振动。

此外，将理解的是，可能但不限于调节一个或多个初级磁体与一个或多个次级磁体之间的磁相互作用力的方法是改变所述磁体之间的间隙或使用不同强度的磁体，其中，磁体的强度可以与其几何形状、尺寸、材料和/或磁化强度以及它们的组合相关。另外，本发明的描述包括本领域中已知的所有可能形式的压电弯曲梁。因此在不排除其它可能性的前提下包括，：使用一个或多个压电层、不同支撑材料和/或各种压电材料的梁；各种厚度、尺寸和通常的几何形状的梁。应理解的是，对该一个或多个梁进行的前述改变的组合会对一个或多个梁的刚度、阻尼和电性能有影响，并且因此可以结合先前描述的对磁相互作用力的改变以确定磁相互作用与梁弯曲力之间的理想平衡点，从而使功率输出最大化。

在另一实施例中，该装置可包括用于电力处理的电路，其处于装置内部或经由电触点外部连接，除其它方式外，能够执行一个或多个以下的任务：对输出电压进行整流，即，从AC电力转换为DC电力；将输出电压调整到可被所附接的负载(例如传感器)使用的电平，应用预偏置电压或任何其它方法以最大化功率输出，最大功率点跟踪和/或可再充电电池的充电。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于通过装置的加速度和/或方向上的改变来产生电力的装置，该装置包括第一主要部件和第二主要部件，其中：

相对于壳体安装第一主要部件，用于弹性形变并且在这样的形变时产生电力；

相对于壳体旋转地安装所述第二主要部件，用于相对于壳体和第一部件旋转，第二部件的质量中心偏离其旋转轴；以及

两个部件被布置为在第二部件的旋转路径的至少一部分上彼此相互作用以使第二部件形变，从而产生电力。

可基本上固定地安装第一部件，用于弹性形变。弹性形变可以是偏斜。弹性形变可以是弯曲。该第一部件被安装为悬臂，该悬臂具有相对于所述壳体基本上被固定安装的一端。该形变可以是弯曲。

第一部件可以可弹性形变。它可包括可弹性形变材料的基板。基板可用作板簧。基板可以是弹簧钢。

第一部件可包括当第一部件经历形变时产生电力的发电材料。发电材料可以是压电材料。发电材料可被固定在基板上，使得基板的形变导致发电材料的形变。

第一部件和第二部件中的至少一个可包括一个或多个磁体。该磁体或每个磁体可被布置为在第二部件的旋转路径的至少一部分上，第一部件形变，从而产生电力。第一部件和第二部件两者都包括至少一个相应的磁体，每个部件上的磁体沿第二部件的旋转路径的至少一部分与相应的其它部件上的磁体相互作用，以使第一部件形变。

第一部件被布置为在接收初始位移之后以发电材料的固有频率进行振动。

本发明的第一方面的任选特征，诸如第一方面的实施例的特征还可以是本发明的第二方面的任选特征。特别地，从属权利要求11至20中的特征还可以是第二方面的特征，因此在实施例中结合权利要求1的特征。

本发明可能的应用是内部或外部附接至车辆轮胎或人类或任何其它运动源，优选地但不是必须的，以向诸如无线传感器供电为目标，提供以随机低频率和大振幅为特征的励磁。

附图说明

现在将仅借助示例并且参照附图来描述本发明的实施方式，在附图中：

图1示出压电发电机的等效电路；

图2是示意性地示出了在不同外部励磁下围绕旋转轴的偏心质量块的运动；

图3是在初始励磁后让压电梁振动的电压输出；

图4示出了在本领域中已知的用于钟表的发电机；

图5示出了用于钟表的本发明的可能实施方式；

图6示出了装置的第一实施例；

图7示出了连接到外部运动源的根据本发明的实施例的装置；

图8示出连接至电源处理电路的根据本发明的实施例的装置。

在图4、图5、图6、图7和图8中，由相同的参考标号指代相同的元件。

具体实施方式

图1示出了附接至电阻负载R_L的压电发电机的最简单的可能的等效电路。压电元件可被描述为电容器C_P与AC(交流电)电压源V的串联连接。给出了应用在这个系统周围的基尔霍夫电压定律(Kirchhoff’s voltagelaw)：

${V=I}_{\mathrm{elec}}\·(\frac{1}{{\mathrm{i\ωC}}_p}+R_L)---\left(1\right)$

其中，V是所产生的电压，I_elec是围绕该电路的电流并且ω是操作频率。在这种情况下生成的电压V与在材料上所施加的力、应力(stress)或应变(strain)成正比，且在负载电阻中消耗的电功率P为：

$P=\frac{V^2{R}_L}{({\left(\frac{1}{{\mathrm{\ωC}}_p}\right)}^2+{R_L}^2)}---\left(2\right)$

最大功率传输定理在负载阻抗的大小与压电材料的阻抗的大小相匹配时产生获得最大功率的结果，即：

$R_L=\frac{1}{{\mathrm{\ωC}}_p}---\left(3\right)$

转到图2，在图2中示出的示图有助于说明在重力和外部励磁的情况下，位于与其旋转轴(在图2的情况下的所描绘的坐标系的z轴)距离为r处的偏心点质量块m的动态行为。值r_x和r_y分别描述在x方向和y方向上的质量块的坐标并且力F_x和F_y是由于外部励磁而在这些方向上作用在检验质量块上的惯性反作用力。重力g作用在负y方向上。角度γ是检验质量块相对于y轴的角偏转，在数学上被定义在正方向上。角度α代表基础励磁(base excitation)的旋转，即惯性坐标系(inertial frame，惯性框架)的旋转，并且β是质量块与惯性坐标系之间所产生的角度，其中，以下关系成立：

γ＝α+β                   (4)

此外，β描述了装置的第一主要部件与第二主要部件之间的相对角度并且因此是与电能的生成有关的角度。

针对旋转的运动的基本方程规定角加速度乘以质量块的惯性力矩等于作用于该质量块的所有n个外部力矩M_i：

$\widetilde{\mathrm{\γ}}\·I=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{M}_i---\left(5\right)$

在与旋转轴的距离为r的单点质量块的情况下，给出围绕该轴的惯性力矩：

I＝mr²                  (6)

对图2的系统的应用给出：

$\widetilde{\mathrm{\γ}}\·I=F_x{r}_y+(F_y-\mathrm{mg})r_x---\left(7\right)$

坐标r_x和r_y可被计算为：

$\left\{\begin{array}{c}{r}_x=r\sin \mathrm{\γ}\\ r_y=r\cos \mathrm{\γ}\end{array}\right.---\left(8\right)$

由此得出：

$\widetilde{\mathrm{\γ}}\·I=F_{x}r\cos \mathrm{\γ}+(F_y-\mathrm{mg})r\sin \mathrm{\γ}---\left(9\right)$

其可(利用(4))被重写为：

$(\widetilde{\mathrm{\α}}+\widetilde{\mathrm{\β}})\·I=F_{x}r\cos (\mathrm{\α}+\mathrm{\β})+(F_y-\mathrm{mg})r\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\β})---\left(10\right)$

等式(10)代表在无阻尼情况下的第一主要部件与第二主要部件之间的相对旋转运动并且示出了线性励磁和旋转励磁的影响，其是连续的或不连续的。

图3示出在其中磁体之间的力是吸引力的布置中，在初始励磁之后释放的压电梁的端子上的开路电压看起来是什么样的实例。当第二主要部件上的磁体接近压电梁末端上的磁体时出现图表中的第一峰值。梁的末端接收朝向接近磁体的初始加速度，并且然后由于磁力而保持靠近于该磁体，与第二主要部件一起行进直至梁弯曲力超过磁吸引力并且该梁得以释放以在图表中的第二峰值之后在其自身的固有频率振动。

图4示出了如目前在手表中所采用的现有技术的电磁发电机。偏心质量块200经由轴220固定连接至大齿轮230。这些部件200、220和230的总成经由轴承210连接至惯性坐标系100，使得保持相对于惯性坐标系的旋转自由度。大齿轮230作用于较小的齿轮310上，因此有效地增加了固定地附接至转子330的轴350的旋转速度。转子330相对于保持磁体320的定子300旋转。以如在本领域中众所周知的传统发电机的方式，线圈位于转子330上的布置可以通过与磁体320的电磁相互作用来产生电流。定子300自身经由连接件340连接至惯性坐标系100。最终，负载360可以由所产生的电力来供电。

图5和图6示出了如其可用于代替图4中的现有技术的发电机的本发明的第一实施例。在这种情况下，永久磁体230固定地附接至偏心质量块200。偏心质量块200固定地附接至轴220，并且借助于轴承210围绕所述轴220的轴相对于惯性坐标系100自由地旋转。第二永久磁体370被固定地附接至压电梁380的末端。压电梁380除了经由安装件340连接至惯性坐标系100之外不需要任何外部附接点。将理解的是，永久磁体230和370可以相对于彼此以各种不同的方式进行布置，例如，使得它们之间的磁力是排斥的或吸引的。考虑到梁380被固定至惯性坐标系100且偏心质量块200可围绕轴220的轴自由地旋转，偏心质量块200与梁380之间的相对运动是可能的。在这些第一主要部件与第二主要部件之间的相对运动的情况下，磁体230与磁体370的相互作用将导致压电梁380的偏转。因此，考虑到压电材料的固有特性，可以从梁380提取电能。该能量可被用于对外部负载360供电。将理解的是，所示出的外部负载360仅被呈现作为实例并且可以采取各种不同形式，诸如传感器或任何形式的电气电路。此外，该负载360不一定位于惯性坐标系100内，但可以作为实例经由外部连接器进行连接并且位于装置的外部。

图7示出了这样的布置，其中负载360连接在所呈现的装置的外部。示出发电机的可能的布置，其中惯性坐标系100通过连接件410的单个器件固定连接至运动源400。运动源400在这里代表任何可能的励磁，例如(但不排他)线性、旋转、不连续或连续的励磁。

图8示出了本发明的另一个可能的应用。负载360可要求特定形式的电力供应，例如，DC(直流电)电压。从本发明输出的电压可能不能提供针对负载360所需的确切规格。在这种情况下，电路500可经由电连接器510连接至惯性坐标系100。该电路500的任务将满足负载的要求并且会实现下列各项中的一个或多个：从AC(交流电)转换至DC电压；中间能量存储或将输出电压调节到合适的电平；以及限流，以防止任何连接的部件受损坏。

在图6的实施例中，示出了延伸通过偏心质量块200的轴的梁380。在其它实施例中，可想到的是梁被安装到轴的一侧(即，其相对于图6的实施例中的梁横向移位)，使得梁总体上没有沿半径延伸。这可在某些应用中体现封装优势优点。第二永久磁体270仍然以相同方式接合以使梁380偏转。

仍在其它实施例中，梁380可大于图6的实施例的梁，使得其尽可能多地延伸穿过装置的直径。如前所述，梁可以一端被固定并且另一端是自由的，使得梁基本上以相同的方式偏转。

在另一个实施例中，该梁可设置有可被磁体吸引和/或排斥的非磁化材料，例如，一些铁，替换其自由端上的第二永久磁体270以与可旋转质量块200上的第一永久磁体230相互作用。可替换地，这种布置可以颠倒并且质量块200被设置有非磁化材料且该梁设置有永久磁体。

在另一个实施例中，没有永久磁体可以被设置在偏心质量块200或梁380上，相反，可以布置梁和质量块使得质量块在旋转过程中抵靠梁的结构，以使梁偏转到邻接终止的点处，并且释放梁以恢复其偏转。换言之，该布置可利用机械拉扯(mechanical plucking)。

在至少一些前述实施例中，装置是使用压电梁转换的旋转的、惯性采集器的形式。尽管重点在于具有偏心检验质量块，但是装置仍然可在与其重力中心处于旋转轴上的检验质量块的交替旋转励磁下以纯惯性方式做功。因此还能想到以这种方式布置的实施例。

Claims (20)

1.一种装置，通过所述装置的加速度和/或方位上的变化来产生电力，所述装置包括第一主要部件和第二主要部件，其中，

相对于壳体安装所述第一主要部件，用于弹性形变并且在这样的形变时产生电力；

相对于所述壳体旋转地安装所述第二主要部件，用于相对于所述壳体和第一部件旋转，第二部件的质量中心偏离其旋转轴；以及

两个部件被布置为在所述第二部件的旋转路径的至少一部分上彼此相互作用以使所述第二部件形变，从而产生电力。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一部件被安装为悬臂，所述悬臂具有相对于所述壳体基本上被固定安装的一端。

3.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述形变是弯曲。

4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述第一部件包括能够弹性形变的材料的基板。

5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述第一部件包括当所述第一部件经历形变时产生电力的发电材料，任选地，所述发电材料是压电材料。

6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述第一部件和/或所述第二部件包括一个或多个磁体，其中，任选地，所述一个或多个磁体包括一系列磁体。

7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述磁体或每个磁体被布置为在所述第二部件的旋转路径的至少一部分上，所述第一部件和所述第二部件中的一个上的至少一个磁体与所述第一部件和所述第二部件中的另一个或所述第一部件和所述第二部件中的另一个上的磁体相互作用，以使所述第一部件形变，从而产生电力。

8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述第一部件和所述第二部件包括至少一个相应的磁体，位于每个部件上的磁体沿所述第二部件的所述旋转路径的至少一部分与位于相应的其它部件上的磁体相互作用以使所述第一部件形变。

9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述第一部件被布置为在接收初始位移之后以所述发电材料的固有频率振动。

10.一种能够操作为借助于第一主要部件和第二主要部件产生电能的装置，所述装置能够通过围绕所述第一主要部件和所述第二主要部件的旋转轴的相对旋转运动来产生电功率，其中，

所述第一主要部件被固定地附接至所述装置的主体；

在使用时，所述第二主要部件相对于所述第一主要部件能够旋转；以及

所述第二主要部件的质量中心相对于相对旋转的轴偏移，使得所述第二主要部件上的惯性或重力或所述惯性和所述重力的组合的作用在所述第一主要部件与所述第二主要部件之间产生相对旋转运动。

11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述第一主要部件包括一个或多个压电元件，这些压电元件中的每一个承载一个或多个永久磁体，并且所述第二主要部件包括以以下方式布置的一个或多个永久磁体：在使用时，在由所述一个或多个压电元件承载的一个或多个磁体与由所述第二主要部件承载的一个或多个磁体之间的相互作用导致所述一个或多个压电元件形变，并且这个形变被用于产生电功率。

12.根据权利要求10或11所述的装置，其中，所述第一主要部件包括一个或多个永久磁体，并且所述第二主要部件包括一个或多个压电元件，这些压电元件中的每一个承载以以下方式布置的一个或多个永久磁体：在使用时，在由所述一个或多个压电元件承载的一个或多个磁体与由所述第二主要部件承载的一个或多个磁体之间的相互作用导致所述一个或多个压电元件形变，并且这个形变被用于产生电功率。

13.根据权利要求10至12中任一项所述的装置，其中，在使用时，由于由所述一个或多个压电元件承载的一个或多个磁体与由所述第二主要部件承载的一个或多个磁体之间的相互作用，在接收初始励磁之后让所述压电元件在其固有频率振动。

14.根据权利要求10至13中任一项所述的装置，其中，所述第二主要部件的质量分布使得所述第二主要部件的所得质量中心偏离所述第一主要部件与所述第二主要部件之间的相对旋转运动的轴。

15.根据权利要求10至14中任一项所述的装置，在此，所述第二主要部件以以下方式包括离散偏心质量：所述第二主要部件的质量中心偏离所述第一主要部件与所述第二主要部件之间的相对旋转运动的轴。

16.根据前述权利要求中任一项所述的装置，进一步包括电路，所述电路能够操用于调节由所述装置产生的电力。

17.根据权利要求16所述的装置，其中，能够操用于调节电力的所述电路被布置为执行下列各项中的一个、多个或全部或者其任意组合：

将AC电力整流为DC电力；

将变化电压下的电力转换为更加恒定的电压下的电力；

存储由所述装置产生的能量；

限制供应给负载的电流，以防止损坏发电机或负载或用于其它目的；以及

将电力供应给附接的负载。

18.根据权利要求17所述的装置，其中，所述附接的负载为无线传感器。

19.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述第一主要部件内部或外部地附接至汽车轮胎或人体或动物体或任何其它运动源。

20.一种基本上如参照附图在本文中所描述的和/或如在附图的任意组合中所示的装置。