CN104756271B

CN104756271B - 发电机

Info

Publication number: CN104756271B
Application number: CN201380055130.9A
Authority: CN
Inventors: 伯纳德·维亚拉; 戈尔·列别杰夫; 杰罗姆·德拉马尔; 劳里克·加尔布约; 托马斯·拉丰; 奥菲斯·库加特
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Institut Polytechnique de Grenoble
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Institut Polytechnique de Grenoble; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2012-10-22
Filing date: 2013-10-15
Publication date: 2017-11-24
Anticipated expiration: 2033-10-15
Also published as: WO2014063958A3; WO2014063951A1; EP2909869A1; FR2997247A1; CN104756271A; US9973112B2; US20150303834A1; JP6289484B2; FR2997247B1; EP2909870A1; EP2909870B1; EP2909869B1; US10014800B2; US9647578B2; US20150287562A1; JP2016502386A; WO2014063952A1; WO2014063958A2; US20150295519A1

Abstract

本发明涉及一种发电机，其包括：第一转换器(20)，其能够将待收集能量的变化转换为相应的多余电荷；用于采集多余电荷的电路(30)，所述电路配备了第一可控机械开关(48)；以及用于控制第一开关的装置(34)，当所述多余电荷超过第一预定阈值时，所述装置能够控制该开关切换到闭合位置。所述开关(48)是磁开关并且所述控制装置(34)包括可变磁场源，仅当多余电荷超过所述第一预定阈值时，其控制所述第一开关切换到闭合位置。

Description

发电机

技术领域

本发明涉及发电机。

背景技术

诸如无线独立传感器阵列之类的自供电系统需要现场发电机。这些系统通常是复杂的并且包括有时候安装成不可及的很多元件。在这些情况下，如果例如需要更换放完电的电池，则该系统的维护是复杂且昂贵的。因此，期望在系统的整个寿命期间不更换电池，以便降低维护成本并且消除相关联的废物。

在该背景下，已经提出了配有能量收集器的发电机。能量收集基于使用在环境中可自由获取的能源(例如光、温度变化、振动等)来发电。能量转换器被用于该转换。

在能量转换器的输出处，期望在没有太多的能量浪费的情况下以容易被由该发电机供电的负载所形成的高有用电压来收集能量。

因此，在申请WO 2007/063194中已经提出使用采集电路和用于该采集电路的控制装置，它们使得能够仅当由转换器产生的能量已达到足够的阈值时将该能量传输到待供电的负载。

因此，已知的发电机包括：

-配有第一和第二连接端子的第一转换器，该第一转换器适于将待收集能量的变化转换为第一连接端子上相对于第二端子的相应的多余电荷；

-用于采集第一连接端子上的多余电荷的采集电路，该电路配有：

·通过其转移所采集到的电荷的输出端子，以及

●连接到第一连接端子的第一可控机械开关，该第一开关适于在断开位置和闭合位置之间切换，其中在所述断开位置上所述开关阻止电荷通过第一连接端子放电，在所述闭合位置上该开关允许电荷通过第一连接端子放电，机械开关的闭合位置通过使电触头直接倚靠在另一电触头上以建立电连续性而获得，而断开位置通过机械地分离这两个电触头以及在这两个电触头之间插入电绝缘介质而获得；以及

-用于第一开关的控制装置，其被设计为当第一连接端子上存在的多余电荷超过第一预定阈值时控制该开关切换到其闭合位置。

如在申请WO 2007/063194中描述的，采集电路的固态开关通常为晶体管或晶闸管。已知实践是用由第一转换器产生的电荷、即通过仅使用待收集的能量向这些开关供电以便允许能量收集器独立操作。

还从US 6 522 048 B1、EP 1 426 995 A1以及从Dimitry Zakharov等人的论文“Thermal energy conversion by coupled shape memory and piezoelectric effects”(Journal of Micromechanics&Microengineering，卷22，第9,24/08/2012号，第99005页)中已知现有技术。

发明内容

本发明旨在提高这种能量发生器的效率。此处，效率被定义为实际传输到待供电的负载的能量与由第一转换器产生的能量之比。

因此，本发明的主题是根据权利要求1的能量发生器。

申请人已经发现当能够被收集的能量少并且收集其所花费的时间长时，效率的降低部分是由于在采集电路中使用固态开关。实际上，当在其闭合位置和断开位置之间切换时，晶体管和晶闸管等耗电。由采集电路的开关所消耗的电因此不传输到待由发电机供电的负载。而且，即使在断开位置，在晶体管和晶闸管中总是存在漏电流。该漏电流使得第一转换器能够在计划的切换瞬间以外放电。当待收集能量的变化缓慢并且因此开关的开关频率低时，第一转换器通过漏电流放电的该问题显得更大。因此，在已知的能量收集器中晶体管或晶闸管的存在降低它们的效率。

在上面的发电机中，可控开关是机械开关而不是如在已知的采集电路中的诸如晶体管或晶闸管之类的固态开关。因此，该开关在断开和闭合位置之间的切换不消耗由第一转换器产生的电能。而且，利用机械开关没有漏电流。因此，即使待收集能量的变化非常缓慢，采集电路也能够用于以高有用电压收集电荷。

最后，所使用的机械开关是磁开关的事实使得能够限制由该开关及其控制电路所消耗的电能量，这增大了发电机的自主性。

该发电机的实施例能够包括从属权利要求的特征中的一个或多个。

发电机的这些实施例还提供了以下优点：

-使用由待收集能量的源直接产生的可变磁场来控制第一开关使得能够产生不消耗由第一转换器产生的电荷的独立控制装置，并且因此能够进一步提高发电机的效率；

-在可变磁场源的磁场中不同地布置磁开关使得在能够控制开关在不同时刻根据由所产生电荷的量同步闭合，而不消耗产生的电荷；

-使用包括第一机电换能器和第二磁换能器的第一转换器使得甚至能够由磁场非常缓慢的变化发电并且限制第一转换器的体积；

-使用第二转换器以将待收集能量的变化转换为可变磁场使得能够由待收集能量的源而不是由可变磁场发电；

-在可变磁场中不同地布置磁开关使得能够控制这些开关在不同时刻根据产生的多余电荷同步闭合，而不消耗产生的电荷；

-使用包括第一机电换能器和适于在该第一换能器上施加应力的第二换能器的第一转换器使得甚至能够由待收集能量的非常缓慢的变化发电并且限制第一转换器的体积；

-使用热机换能器作为第一转换器的第二换能器使得能够由温度变化收集电能以及避免依赖于散热器施加温度梯度；

-使用形状记忆材料使得能够在机电换能器上施加更大的应力；

-将同一热机换能器用于第一转换器和控制装置使得能够限制能量收集器的体积；

-使用分别连接在输出端子和第一连接端子之间以及输出端子和第二连接端子之间的第一和第二磁开关使得能够通过限制使用的二极管的数量和因此限制采集电路的消耗来校正在第一转换器的第一和第二连接端子之间的电势差；

-使用第一和第二磁开关将来自转换器的多余电荷从一个连接端子交替地转移到另一个使得能够放大在转换器的连接端子上的多余电荷，并且因此在单个操作中将大量的电荷转移到待供电的负载；

-使用由第一转换器产生的电流所通过的线圈和布置在该线圈的磁场中的磁开关使得能够通过消耗非常少的由第一转换器产生的电荷，响应于产生的电流超过第三预定阈值来控制该磁开关的闭合；

-使用压电材料作为第一转换器的第一换能器使得能够简单地将应力变化转换为电。

附图说明

根据阅读以下仅通过非限制性示例给出的描述并且参照附图，将会更好地理解本发明。在这些附图中：

-图1是发电机的总图；

-图2是图1的发电机的第一实施例的示意图；

-图3是在图2的发电机中使用的能量转换器的示意图；

-图4是在图2的发电机中使用的磁开关的示意图；

-图5是使用图2的发电机发电的方法的流程图；

-图6和图7是图2的发电机的两个不同的操作位置的示意图；

-图8是图1的发电机的第二实施例的示意图；

-图9是在图8的发电机中使用的磁开关的示意图；

-图10是使用图8的发电机发电的方法的流程图；

-图11至图13示意地图示了图8的发电机的三个不同的操作位置；

-图14和图15是可能在图2或图8的发电机中使用的采集电路的两个其他实施例的相应的示意图；

-图16是图1的发电机的第三实施例的示意图；

-图17是在图16的发电机中使用的能量转换器的示意图。

在这些附图中，相同的附图标记用于表示相同的元素。

具体实施方式

在本说明书的下文中，没有详细地描述技术人员熟知的特征和功能。

图1表示用于对电力负载供电的发电机2。在该特定情况下，电力负载是能够储存电能的负载。例如为电容器3。

发电机2包括待收集能量的源4和该能量的收集器6。所述收集器6用收集的能量向电容器3供电。

源4是在收集器6的环境中可自由获得的能量的源。

收集器6包括转换器20、采集电路30和用于电路30的控制装置34。

转换器20将待收集能量的变化转换为在一个连接端子22或24上相对于另一连接端子22或24的相应的多余电荷。

电路30采集端子22或24上的多余电荷，并且将采集的电荷转移到电容器3。为此，其配有一个或多个可控机械开关I_C。

装置34控制开关I_C，以便仅当由转换器20产生的多余电荷达到足够的阈值时将该多余电荷转移到电容器3。

下面的附图更详细地描述了适于不同类型的待收集能量的能量收集器的不同的可能的实施例。

图2更详细地表示在其中源4是可变磁场源的情况下发电机2的第一实施例。可变磁场的分别平行于X和Y方向的分量B_X和B_Y的幅值随时间变化。此处，方向X和Y相互正交并且是水平的。在该特定实施例中，分量B_X和B_Y的变化相对彼此在时间上相移预定值。在该示例中，该相移等于90°，并且分量B_X和B_Y被称为在反相位。

例如，源4包括磁矩水平的永磁体8和驱动该磁体8绕与方向Z平行的竖直轴旋转的电动机10。方向Z与方向X和Y垂直。

此处，转换器20在端子22上产生与分量B_X的幅值的绝对值成比例的多余电荷。所述转换器还在端子24上产生与分量B_Y的幅值的绝对值成比例的多余电荷。由于分量B_X和B_Y的幅值在反相位，当在端子22上的多余电荷最多时，在端子24上的多余电荷最少；反之亦然。

优选地，转换器20布置为接近源4。例如，转换器20和源4之间的最短距离小于10cm，并且优选小于1cm。

转换器20还适于在端子22和24与可能使其放电的任何其他外部电路电绝缘的时候储存在这些端子上产生的电荷。因此，转换器20还作为电容器进行操作。例如，在没有连接到外部电路的情况下，存在于端子22或24上的多余电荷在多于1ms、优选在多于1s或1min或1h的时间中变化小于50％。

参照图3更详细地描述转换器20。

电路30包括分别与端子22和24直接连接的两个输入端子40和42。电路30还包括分别与电容器3的端子49A和49B直接连接的两个输出端子44和46。

此处，当存在不经过另一电气部件(例如另一开关、另一二极管或电感)连接元件A和B的电连接时，元件A和B被称为“直接连接”。而且，在本说明书中，除非特别说明，否则术语“连接”表示“电连接”。

电路30被设计为将在端子22和24上积累的电荷转移到输出端子44。为此，所述电路包括：

-在一侧与端子40直接连接而在另一侧与二极管50的阳极连接的机械开关48，

-在一侧与端子42直接连接而在另一侧与二极管50的阳极连接的机械开关52，

-在一侧与端子40直接连接而在另一侧与端子46直接连接的机械开关54，以及

-在一侧与端子42直接连接而在另一侧与端子46连接的机械开关56。

二极管50的阴极通过电感58电连接到端子44。

电路30还包括二极管60，其阴极直接连接到二极管50的阴极和电感58之间，并且其阳极直接连接到端子46。开关48、52、54和56适于在这些开关导电的闭合位置和这些开关不导电的断开位置之间切换。控制装置34控制这些开关在它们的闭合和断开位置之间的切换。参照图4更详细地描述这些开关的实施例。

装置34控制电路30的开关的切换，以在以下位置之间交替地切换：

-在图6中表示的第一放电位置，在该位置上，在端子22上积累的多余电荷被转移到端子44，

-在图7中表示的第二放电位置，在该位置上，在端子24上积累的多余电荷被转移到端子44，以及

-在图2中表示的静止位置，在该位置上，端子22和24与其他任何电路电绝缘，以便允许在这些端子之间积累电荷。

更具体地，装置34被设计为：

-仅当在端子22上积累的多余电荷超过第一预定阈值S₁时，控制切换到第一放电位置；

-仅当在端子24上积累的多余电荷超过第二预定阈值S₂时，控制切换到第二放电位置；以及

-只要在端子22上积累的多余电荷低于阈值S₁并且在端子24上积累的多余电荷低于阈值S₂时，就控制切换到静止位置。

为此，此处的装置34仅由待收集能量的源4构成。换言之，在该特定实施例中，待收集能量的源4和控制装置34简单地是同一个元件。

图3更详细地表示转换器20。该转换器20能够将待收集能量的非常缓慢的变化转换为电。“缓慢变化”描述的是基频低于1Hz或100Hz的变化。为此，转换器20将可变磁场在给定方向上的幅值的变化转换为在端子22上或替代地在端子24上产生多余电荷。该转换几乎同时完成，使得在端子22和24之间的电压同时变化，并且随着可变磁场在给定的方向上的幅值的变化而变化。

在该实施例中，转换器20包括与机电换能器相关联的磁换能器。所述磁换能器是由磁致伸缩材料制成的层70。此处，所述机电换能器包括由压电材料制成的顶层72和底层74。层72、74以零自由度分别直接固定在层70之上和之下。此处，层70、72和74沿着与方向X平行的纵向方向延伸。

所述层70由磁致伸缩材料制成，其磁致伸缩系数λs的绝对值大于10ppm(百万分率)，并且优选大于100或1000ppm。该系数λs由以下关系定义：λs＝ΔL/L，其中：

-ΔL是磁致伸缩材料在给定方向上的伸长率；以及

-L是在缺少外部磁场的情况下，该材料在该方向上的长度。

这里，系数λs是正的。例如，磁致伸缩材料是Terfenol-D或FeSiB。

压电层直接胶合在层70的任一侧上。例如，这些压电层的耦合系数k大于5％或10％。该耦合系数在“ANSI/IEEE压电标准”ANSI/IEEE 176-1987标准中定义，或者在EN50324标准族中定义。例如，使用的压电材料是PZT(PbZt_xTi_1-xO₃)等。

关于转换器20的更多细节，读者能够参考下面的文章A1：

T.Lafont、J.Delamare、G.A.Lebedev、D.I.Zakharov、B.Viala,O.Cugat、L.Gimeno、N.Galopin、L.Garbuio和O.Geoffroy的“Magnetostrictive-piezoelectriccomposite structures for energy harvesting”，(Journal of micromechanics andmicroengineering，2012年第22号)。

层70使得能够在压电层72和74上产生几十MPa的压强，作为响应，所述压电层72和74在端子22和24之间产生几十伏的电压。通常，在端子22和24之间产生的最大电压超过200Vdc。已经测量了响应于磁体8的四分之一转的转动由这种转换器产生的能量能够大于50μJ，并且优选地大于100μJ。

图4更详细地表示开关48的一个可能的实施例。这里，开关48是磁开关。更具体地，在所表示的特定情况下，开关48是已知为“簧(Reed)”开关的开关。其包括均电连接到相应的活动簧片84和86的两个电凸块触头80和82。簧片84、86均终止于分别为84A和86A的电触头。簧片84、86适于使触头84A和86A在以下位置之间移位：

-断开位置，在该位置上，所述触头通过绝缘介质彼此机械分离以使凸块触头80和82电绝缘，以及

-闭合位置，在该位置上，所述触头直接机械地相互倚靠以使凸块触头80和82电连接。

绝缘介质是例如电绝缘气体或液体，或者在极低压(即小于10⁵Pa或100Pa或者0.1Pa)下的气体。

凸块触头80、82连接到电路30的剩余部分。

簧片84和86由磁性材料制成。例如，磁性材料表现出对于磁场的零频率来说大于100或1000的相对磁导率。所述簧片基本上平行于在图4中由箭头F_a表示的共同致动方向延伸。

当开关48中的磁场达到致动配置时，由该磁场施加的力使得能够使触头84A和86A从断开位置移位到闭合位置。反之，在致动配置之外，开关中的磁场不足以使触头84A、86A保持在闭合位置上。

本领域技术人员已知围绕磁体的磁场绘制不限于单个方向，以及磁开关的灵敏度、尤其在幅值、方向和可逆性(或磁滞)方面的灵敏度是复杂的。但是，他或她知道相应地适配磁体的位置和开关的位置。因此，在本说明书的下文中，为了简单起见，当开关48中的磁场的幅值超过在方向F_a上的切换阈值S_c时认为达到了致动配置。反之，也为了简化，认为如果平行于F_a方向的磁场的幅值低于该阈值S_c，则通过簧片84、86的弹性形变使触头84A和86A从它们的闭合位置移动到断开位置并且然后维持在该断开位置。开关48因此是常断开关。开关48从其断开位置切换到其闭合位置所超过的阈值S_c的值决定了开关48对磁场的灵敏度。开关48相对于源4以零自由度的方式被固定。在开关48的情况下，其致动方向平行于方向X。而且，其灵敏度选择为使得仅在分量B_X的幅值达到与端子22上的高于阈值S₁的多余电荷相对应的幅值的时刻，触头84A和86A从断开位置移位到闭合位置。因此，开关48的切换直接由源4控制。更具体地，在源4和转换器20的情况下，当磁体8的磁矩平行于方向X时，端子22上的多余电荷是最多的。因此，开关48的灵敏度被选择为使得仅当磁体8的磁矩于方向X上在±30°内并且优选地在±5°内对齐时，开关48切换到闭合位置。开关56与开关48是相同的。开关52和54与开关48是相同的，除了它们的致动方向平行于方向Y而不平行于方向X以外。

要注意的是，这里，开关48和56的致动方向与开关52和54的致动方向之间的角偏移等于端子22和24上的多余电荷的变化之间的角相移的值。

现在将通过图5的方法并且参照图6和图7来描述发电机2的操作。

在步骤90中，源4永久地产生可变磁场。这里，仅仅磁场的方向随时间变化，使得分量B_X和B_Y的幅值相移90°的角度。

并行地，在步骤92中，转换器20永久地将可变磁场的变化转换为在其端子22和24上电荷量的相应变化。

与这些步骤90和92并行地，进行采集电路30的控制。为此，更具体地，电路30被控制以仅在多余量最大的时刻采集在端子22和24上交替积累的多余电荷。

最初，磁体8的磁矩位于方向X和Y之间的中间方向(即，既不平行于方向X也不平行于方向Y)上，并且朝着X方向旋转。于是分量B_X和B_Y的幅值低于开关的切换阈值S_c。在该状态下，在步骤96中，源4控制开关48、52、54和56切换到断开位置，然后将这些开关保持在断开位置。因此，采集电路位于在图2中表示的静止位置。在该静止位置上，端子22和24与端子44和46电绝缘。由转换器20产生的电荷因此积累在端子22上。

然后，磁体8的方向变为与方向X平行。在端子22上积累的多余电荷是最多的。实际上，当磁体8的磁矩平行于X方向时，这对应于层70在方向X上的最大形变。在该时刻，分量B_X的幅值超过开关48和56的切换阈值S_c。在步骤98中，源4然后控制这些开关48、56切换到它们的闭合位置。电路30切换到在图6中表示的其第一放电位置。存在于端子22上的电荷被转移到储存这些电荷的电容器3。在图6和图7中，与该电荷转移相对应的电流的流通方向由箭头I表示。在这些相同的附图中，磁体8的磁矩方向由箭头B表示。

然后，磁体8继续旋转，这次朝着方向Y旋转。磁体8的磁矩方向因此切换回到中间位置。分量B_X和B_Y的幅值变为低于开关48、52、54和56的阈值S_c。在步骤100中，源4然后控制开关切换到断开位置。电路30返回到在图2中表示的其静止位置。

最后，当磁体8的磁矩变为与方向Y平行时，这对应于层70在方向Y上的最大形变，并且因此对应于端子24上的最多多余电荷。

同时，分量B_Y的幅值超过了仅开关52和54的阈值S_c。因此，在步骤102中，源4控制这些开关的闭合。电路30切换到在图7中表示的其第二放电位置。在该位置中，在端子24上积累的电荷被转移到储存这些电荷的电容器3的端子49A。

磁体8的磁矩方向继续旋转以再次靠近方向X。然后返回到步骤96。

图8表示除了能量收集器6被能量收集器112替代以外与发电机2相同的发电机110。除了采集电路30被采集电路114替代以外，收集器112与收集器6是相同的。

采集电路114包括相同的输入端子40、42和相同的输出端子44、46。其还包括在端子40和连接点120之间并联连接的两条支路116和118。支路116包括与二极管124直接串联连接的开关122。开关122例如与开关48相同。二极管124的阳极直接连接到开关122。

支路118包括与二极管128和磁开关130串联连接的开关126。开关126例如与开关52相同。二极管128的阴极直接连接到开关126。该二极管128的阳极直接连接到开关130。开关130是常闭磁开关，即只要沿着其致动方向的磁场的幅值低于其切换阈值S_c，该开关130就位于断开位置。

点120通过线圈132电连接到端子42和46。该点120通过用于释放积累电荷的开关134也连接到端子44。

线圈132产生与通过该线圈的电流强度以及其匝数成比例的磁场。开关134是常断磁开关，当开关130切换到断开位置时，开关134系统地切换到闭合位置，反之亦然。例如，为此，开关130和134具有共同的磁簧片。

这里，开关130和134被如此放置在由线圈132产生的磁场中使得这些开关130和134的切换仅由该线圈产生的磁场控制。参照图9更详细地描述这些开关相对于线圈的布置的示例。

这里，由于这些开关130和134仅在通过线圈132的电流强度超过了预定阈值S_b时才切换，致动方向、线圈132的匝数、开关130和134的灵敏度例如通过尝试错误法来确定。该阈值S_b被选择为对应于在端子22上存在的多余电荷的、是阈值S₁几倍大的阈值S₃。实际上，线圈132中的电流强度与端子22和24之间积累的多余电荷直接成比例。

图9更详细地表示线圈132和开关134相对于该线圈的布置。这里，线圈132围绕缠绕轴140缠绕。开关134被如此放置在线圈132的匝中使得其致动方向与该缠绕轴重合。为了简化图9，没有表示出开关130的位置。开关130被布置为与对于开关134描述的布置相同。在图9中，线圈132外面的磁场线由线CM示出。

现在将参照图10的方法和通过图11至图13来描述发电机110的操作。图10的方法包括与图5的方法相同的步骤90和92。

采集电路的控制如下所述地进行。

最初，假定转换器20完全放电，并且由源4产生的磁场的方向B位于在方向X和Y之间的中间位置并且朝着方向X转动。在这些条件下，分量B_X和B_Y的幅值低于开关122和126的阈值S_c。在步骤150中，源4然后控制这些开关切换到它们的断开位置。电路114然后位于在图8中表示的其静止位置。以与先前通过图4的方法所描述的相似方式，在该静止位置，转换器20在端子22上积累其产生的多余电荷。

然后，磁场的方向B变为与方向X平行。作为响应，在步骤152中，源4控制开关122的闭合。电路114然后切换到在图11中表示的其第一放电位置。储存在端子22上的电荷通过线圈132转移到端子24。这产生通过线圈132的电流。在电路114中循环的电流的方向由图11至图13中的箭头I表示。磁体8的磁矩方向在这些相同附图中由的箭头B表示。

然后，磁体8的磁矩方向继续旋转，并且再次远离方向X移动而靠近方向Y。分量B_X和B_Y的幅值变为低于开关122和126的切换阈值S_c。源4因此在步骤154中控制开关122切换到断开位置，并且然后使开关122和126保持在断开位置。因此，返回到在图8中表示的电路114的静止位置。随着方向B靠近方向Y，在端子24上积累的多余电荷增加。然而，在该实施例中，所产生的新的多余电荷随步骤152中转移的多余量而积累。

然后，方向B变为与方向Y平行。分量B_Y的幅值大于开关126的阈值S_C。源4然后在步骤156中控制该开关126切换到断开位置。电路114切换到在图12中表示的其第二放电位置。在端子24上积累的所储存的电荷然后通过线圈132转移到端子22。

然后，方向B再次远离方向Y移动以靠近方向X。然后返回到步骤150。

步骤150和156重复多次以交替地增加储存在端子22和24上的多余电荷，并且因此增加在步骤152和156中通过线圈132的电流强度。

并行地，在步骤158中，当通过线圈132的电流强度达到阈值S_b时，线圈132控制开关130和134分别切换到它们的断开和闭合位置。电路114然后切换到在图13中表示的将积累的多余电荷释放给电容器3的位置。由转换器20储存的电荷然后被转移到电容器3。

图14表示除了开关52、54和56被省略之外，与电路30相同的采集电路170。该电路170制造起来更简单，但是使得能够仅转移由转换器20的最大纵向形变产生的、而不再在横向形变期间产生的多余电荷。而且，优选地，可控开关172并联连接到二极管60以避免由该二极管导致的电压下降。为此，开关172被如此控制以便：

-在二极管60变为导通的同时闭合，以及替代地

-当二极管60是截止时断开。

例如，开关172是常断磁开关，其闭合由控制线圈控制。控制线圈和开关172能够如参照图9所描述地那样布置。这里，控制线圈是线圈58。

图15表示除了开关52、54和56以及二极管60由能够对由转换器20的放电产生的电流进行整流的二极管电桥176替代以外与电路30相同的采集电路174。

二极管电桥176包括在端子44和46之间并联地电连接的第一和第二支路。第一支路包括通过中点178A串联连接的两个二极管。第二支路也包括通过中点178B串联连接的两个二极管。中点178A永久地直接连接到开关48的电触头中的一个。中点178B例如通过图15中未表示的电感永久地连接到采集电路的端子42。

图16表示与发电机2相同的发电机180，除了：

-源4由待收集能量的源182替代，

-控制装置34由控制装置184替代，以及

-转换器20由转换器186替代。

这里，待收集能量的源182是产生转换器186被浸入其中的周围介质的温度变化的源。例如，其可以是被带到更靠近和交替地远离转换器186的热的物体，或者物体的温度变化。因此，在该实施例中，源182不直接产生控制电路30的开关所需要的可变磁场。在该实施例中，源182和电路170的控制装置184因此为两个不同的元件。

转换器186将温度变化转换为在端子188和交替地在端子189上的相应的多余电荷。这些端子188和189分别直接连接到采集电路30的端子40和42。

图17表示装置184和转化器186的更详细的实施例。

转换器186包括框190。梁194的近端192以零自由度锚定在该框190中。该梁194包括由压电材料制成的平板196。梁194的远端198以零自由度连接到线200的一端。梁194能够在其中其被弯曲的活动位置和其中其在平面Y、Z中水平地延伸的静止位置之间移位。在图17中活动位置以实线表示，而静止位置以虚线表示。

线200的相反端以零自由度锚定到框190。在这两端之间，线200容纳在两个滑轮202和204的凹槽中，所述滑轮的转轴与方向X和Y成直角并且固定到框190。线200用形状记忆材料制成。这里，其是响应于10°或20°的温度变化而具有至少大于1％的伸长率的形状记忆材料。形状记忆材料的组成被选择为使得线在在T_min和T_max之间的、并且优选等于(T_min+T_max)/2至其±15％或25％之内的转变温度T_f附近从其伸展状态变换到其收缩状态，其中所述T_min和T_max分别为源182的温度变化的最小和最大温度。平板196和线200的组合件被如此制造以使得在温度T_f处几乎没有应力施加在平板196上。因此，转换器186在其活动位置上在端子188上产生多余电荷，并且在其静止位置上在端子189上产生相反的多余电荷。

弹簧206也容纳在梁194和框190之间，以将该梁压向其静止位置。在下面的文章A2中更详细地描述了这种转换器：

D.Zakharov,G.Lebedev、O.Cugat、J.Delamare、B.Viala,T.Lafont,L.Gimeno和A.Shelyakov的“Thermal energy conversion by coupled shape memory andpiezoelectric effects”(PowerMEMS’11，首尔，韩国，JMM 2012)。

控制装置184包括可变磁场源，其在梁194位于活动位置时，产生平行于X方向的磁场，而在梁194位于静止位置时，产生平行于方向Y的磁场。为了产生以上磁场而不消耗由转换器186产生的电荷，装置184的磁场源包括适于直接从待收集能量产生可变磁场的第二转换器。该第二转换器包括：

-热机换能器，其适于将源182的温度变化转换为该换能器的形变，以及

-永磁体210，其通过机械连接固定到该换能器上以在后者变形的同时移位。

在该特定实施例中，热机换能器是线200。因此，同一热机换能器被用在转换器186和控制装置184两者中。

通过说明，这里，磁体210直接固定到滑轮202，以被该滑轮驱动而在磁体的磁矩与方向X平行的位置和在磁体的磁矩与方向Y平行的相对位置之间转动。例如，滑轮202的直径被选择为使得当梁从其静止位置移位到其活动位置时，滑轮转动四分之一转。磁体210还能够通过机械连接而机械地连接到滑轮202，所述机械连接放大该滑轮的角位移。

采集电路30的操作与上述相同。因此，这里仅给出特定于发电机180的操作的细节。当温度提高时，线200收缩。梁194然后弯曲到其活动位置。作为响应，平板196在端子188上产生多余电荷。当梁194到达其活动位置时，磁体210的磁矩方向与方向X对齐。因此，仅当在端子188上产生的多余电荷接近其最大值时，转换器186产生的电荷才转移到电容器3。

当温度降低时，线200松弛，并且同时磁体210以相反方向转动。同时，转换器186在端子189上产生多余电荷。当磁体210的磁矩方向达到方向Y时，在该端子189上产生的多余电荷自动转移到电容器3。

很多其他的实施例是可能的。例如，电容器3可以由电池替代。电容器3还可以由没有储存电能能力的电气元件替代。例如，电容器3由消耗所接收的电能的负载替代。其可以是电阻负载。在后一情况下，可以省略电感58和132。

【待收集能量的源的变化方案】

待收集能量的源还能够是诸如按钮之类的部件的机械移位。在这种情况下，第一转换器能够仅包括直接连接到该部件的机电换能器，使得该部件的移位引起其施加在该机电换能器上的机械应力变化。在这种情况下，控制装置的换能器例如通过将永磁体机械地连接到所述部件来实现，其中所述部件被如此移位以使得该部件的该移位也驱动该永磁体的移位，并且因此产生控制磁开关的切换的可变磁场。还可以实施上述的其他控制装置。

由源产生的可变磁场不一定是由被安装为在轴上转动的永磁体所产生的磁场。例如，上面已经描述的还适用于其中仅分量B_X和B_Y中的一个的幅值随时间变化的情况。例如，如果永磁体被安装在仅平行于方向X平移移位的部件上，则会是这种情况。产生可变磁场的待收集能量的源还可以是由电流间或供电的线圈或者是其强度随时间变化的电流所通过的简单电导体。

【转换器的变化方案】

在之前参照的文章A1中或者申请US2004/0126620A1中描述了转换器20的其他可能的实施例。

转换器20的机电换能器不一定包含压电材料。例如，作为变化方案，机电换能器由电容器制造，该电容器的电容根据机械移位而变化。通常，电容器包括通过电介质材料彼此分离的两个移动电极。当电极移位时，电容器的电容变化。电极的移位被以下物体所致动：

-磁致伸缩材料，以将磁场变化转换为电荷变化，或者

-热机换能器，以将温度变化转换为电荷变化，或者

-按钮的机械移位，以将机械移位转换为电荷变化。

在一个特定实施例中，电容器的电极由磁致伸缩材料制造。在这种情况下，在给定方向上磁场的幅值变化导致电极的表面积的变化，并且因此导致该电容器的电容变化。

在另一变化方案中，为电容器选择标准电极和介电常数根据磁场而变化的电介质。电介质能够例如是BiFeO₃。同样地在这种情况下，磁场变化导致电容器电容的变化。

电容器的电容变化然后通过由电子装置(例如实施驻极体的装置)转换为电荷的产生。由电容变化和使用驻极体所实现的发电例如在以下文章中描述：

S.Boisseau、G.Despesse和A.Sylvestre的“Optimization of an electret-based energy harvester”(Smart Material and Structures，2010年，19 075015，IOPPublishing Ltd)。

转换器20的磁致伸缩材料还能够是具有负的磁致伸缩系数的材料。其还能够是具有各向同性或各向异性的磁致伸缩系数的材料。

转换器20能够包括在该转换器的连接端子之间并联连接的换能器的多个组合件。例如，转换器20能够包括与参照图3描述的组合件相同的第二组合件，但是具有在水平平面中相对于第一组合件的纵向方向角偏移的纵向方向。如果这些组合件的纵向方向偏移90°，则采集电路和控制装置如前所述地那样运行。如果纵向方向偏移α的角度而不是90°，则开关52、54的致动方向必须在平面XY中相对于开关48、56的致动方向偏移相同的角度α。因此，从该示例中要理解的是，根据由转换器产生的多余电荷的变化之间的相移选择在磁开关的致动方向之间的角度α。

转换器186的其他实施例是可能的。例如，在之前参照的文章A2中描述的其他实施例。还可以在申请US 2011/0083714或者US 7 397 169中找到其他实施例。转换器186还能够使用双金属片、例如铜-铝双金属片作为热机换能器。

【采集电路的变化方案和控制装置的变化方案】

已经在其中仅当磁体8的磁矩方向与开关48的致动方向平行时采集连接端子22上的电荷的特定情况下描述了前述采集电路和控制装置。作为变化方案，采集电路和控制装置适合于对磁体8的多个不同的磁矩方向(优选均匀地分布在180°的角度区段上)采集端子22上的电荷。为此，另外的磁开关分别并联连接到开关48和56。这些另外的磁开关分别与开关48和56相同，除了它们的致动方向相对于开关48、56的致动方向偏移角度β。例如，如果具有相对于方向X偏移45°的致动方向的磁开关并联连接到开关48和56，则在以下时间，在端子22上积累的电荷放电到电容器3：

-当在开关中由磁体8产生的场与方向X形成45°角时，以及

-当在开关中由磁体8产生的场平行于方向X时。

用于在不改变采集电路的情况下获得与上述相似的功能的其他解决方案在于利用表现出多个不同方向的磁矩的多极磁体替代磁体8。在这种情况下，对于多极磁体的位于0°至180°之间的多个转动角度闭合开关48。利用单极磁体也能够获得同样的操作，所述单极磁体围绕自身完成多个完整旋转，同时控制装置的换能器总是在同一方向上变形。例如，滑轮202的直径被选择为使得磁体210在梁194从其活动位置到其静止位置的一次移位时完成围绕自身的一个或多个完整旋转。开关130和134不一定在线圈132的内部。作为变化方案，它们被放置在该线圈132的场中，但是在形成该线圈的匝之外。

在采集电路170中，能够省略二极管50。

已经在热机换能器取代永磁体的特定情况中描述了装置184。作为变化方案，热机换能器取代电路30的开关而不是永磁体。

在转换器20的情况下描述的采集电路的不同实施例还能够在储存在连接端子之间的电荷变化时与待收集能量的转换器186或任何其他转换器相关联。

已经在使用相同的磁或热机换能器作为由转换器所用的换能器的特定情况中描述了装置184。作为变化方案，控制装置包括其自已的、与待收集能量的转换器所使用的换能器机械独立的磁或热机换能器。在这种情况下，控制装置不需要具有适于产生电荷的任何机电换能器。例如，该换能器仅包含形状记忆材料或磁致伸缩材料。

在图17的实施例中使用的用于制造转换器和控制装置的形状记忆材料能够由具有强的膨胀系数的材料替代以形成具有压电材料层的双金属片。在另一变化方案中，形状记忆材料由磁致伸缩材料替代以产生电荷并且由磁场变化来控制采集电路的开关。

【开关的变化方案】

对于磁开关来说，若干实施例是可能的。例如，磁开关还能够如在申请FR 2 912128中描述地那样实现。在另一实施例中，仅仅簧片84或86中的一个是活动的。优选地，这些开关被制造于同一个基板中。

能够特别在开关130和134周围提供磁屏蔽。同样地，能够在所有开关周围提供磁屏蔽，以将它们与不是由待收集能量的源所产生的磁场隔离。

还可以提供磁通量引导器以将来自磁场源的磁通量引导和集中到磁开关。例如，磁通量引导器为磁芯。

开关130、134、172或二极管60能够被诸如晶体管或晶闸管之类的电子开关替代。

无论涉及哪种机械开关，该开关的电触头都不一定通过突起的电凸块触头实现。例如，电触头还能够是变形或移位并且机械地倚靠在另一电触头上以建立电连续性的元件的区域。

这里描述的采集电路能够利用任何类型的可控开关而不仅仅是磁开关制造。如果开关不是磁开关，则这些开关的控制能够以传统方法实现以如上面描述地那样操作。

Claims

1.发电机，其包括：

-配有第一和第二连接端子(22、24；188)的第一转换器(20；186)，该第一转换器适于将待收集的能量的变化转换为在第一连接端子上相对于第二端子的相应的多余电荷；

-用于采集所述第一连接端子上的多余电荷的电路(30；114；170；174)，该电路配有：

●通过其转移所采集的电荷的输出端子(40)，以及

●连接到所述第一连接端子的第一开关(48；122)，该第一开关是可控机械开关并且适于在断开位置和闭合位置之间切换，其中在所述断开位置上所述开关阻止所述电荷通过所述第一连接端子放电，在所述闭合位置上该开关允许所述电荷通过所述第一连接端子放电，所述机械开关的闭合位置通过使电触头直接倚靠在另一电触头上以建立电连续性而获得，而所述断开位置通过机械地分离这两个电触头以及在这两个电触头之间插入电绝缘介质而获得，以及

-用于所述第一开关的控制装置(34；184)，其被设计为当存在于所述第一连接端子上的多余电荷超过第一预定阈值时控制该开关切换到其闭合位置，

其特征在于：

-所述第一开关(48；122)是磁开关，磁开关包括由磁材料制成的至少一个簧片(84、86)，所述簧片适于当所述开关中的磁场处于致动配置时，使电触头从所述断开位置移位到所述闭合位置，在所述磁开关中的所述磁场的致动配置之外，所述磁开关不能将其电触头保持在所述闭合位置，以及

-控制装置(34；184)，其包括可变磁场源，所述第一开关相对于该可变磁场源如此布置，以使得仅当存在于所述第一连接端子上的多余电荷超过所述第一预定阈值时，该可变磁场源在该开关中产生的可变磁场达到所述第一开关的致动配置，

其中，所述第一转换器(20)适于将磁场变化转换为在所述第一连接端子上相对于所述第二端子的相应的多余电荷，并且所述第一转换器布置在所述可变磁场源的场线中以将这些磁场变化转换为在所述第一连接端子上的相应的多余电荷，使得待收集能量的源是可变磁场源。

2.根据权利要求1所述的发电机，其中：

-所述可变磁场源(4)适于产生其磁矩在第一和第二位置之间随时间变化的可变磁场，

-所述第一转换器(20)适于对于所述磁矩的第一位置来说将所述可变磁场转换为所述第一连接端子上的、超过所述第一预定阈值的多余电荷，并且对于所述磁矩的第二位置来说转换为在所述第二连接端子上的、超过第二预定阈值的多余电荷，

-采集电路(30)，其包括连接到所述第二连接端子的第二开关(52；126)，该第二开关是可控磁开关并且适于在其断开位置和其闭合位置之间切换，其中在所述断开位置上所述第二开关阻止所述电荷通过所述第二连接端子放电，在所述闭合位置上所述第二开关允许所述电荷通过所述第二连接端子放电，所述第二开关相对于该可变磁场源如此布置以使得仅在存在于所述第二连接端子上的多余电荷超过所述第二预定阈值的时刻，其在该第二开关中产生的可变磁场达到所述第二开关的致动配置，所述第一和第二开关的致动配置是不同的。

3.根据权利要求1所述的发电机，其中，所述第一转换器(20)包括：

-机电换能器(72、74)，其适于将施加在该机电换能器上的机械应力直接转换为由用于采集的电路所采集的多余电荷，以及

-磁换能器(70)，其以零自由度固定到所述机电换能器，该磁换能器包含适于将所述可变磁场的变化转换为施加在所述机电换能器上的机械应力的磁致伸缩材料。

4.根据权利要求2所述的发电机，其中，所述第一开关(48)在所述第一连接端子和所述输出端子之间串联连接，以使所述第一连接端子与所述输出端子绝缘或者替代地电连接，并且所述第二开关(52)在所述第二连接端子和所述输出端子之间串联连接，以使所述第二连接端子与所述输出端子绝缘或者替代地电连接。

5.根据权利要求2所述的发电机，其中，

-所述第一转换器(20；186)适于当所述连接端子中的任一个与任何电路电绝缘时，将至少50％的先前带到该端子的多余电荷保持至少1ms，

-所述采集电路包括：

●在所述第一和第二连接端子之间相互并联连接的第一支路(116)和第二支路(118)，所述第一支路包括所述第一开关(122)，并且所述第二支路包括所述第二开关(126)，

●在所述连接端子中的一个和所述输出端子之间串联连接的可控释放开关(134)，该开关能够在以下状态之间切换：

-非导电状态，其中，该开关使该连接端子与所述输出端子电绝缘，以及

-导电状态，其中，该开关使该连接端子电连接到所述输出端子，

-控制装置(34)，其适于仅当存在于所述连接端子上的多余电荷超过第三预定阈值时，控制该释放开关切换到其导电状态，其中所述第三预定阈值严格地大于所述第一和第二阈值。

6.根据权利要求3所述的发电机，其中，所述第一转换器的机电换能器(72、74；196)包含压电材料。

7.根据权利要求5所述的发电机，其中，所述第一转换器(20；186)是电容器。

8.发电机，其包括：

●通过其转移所采集的电荷的输出端子(40)，以及

其特征在于：

其中，所述可变磁场源包括第二附加转换器，其包括：

●至少一个永磁体(210)，

●换能器(200)，其适于将待收集能量的变化转换为该换能器的机械形变，以及

●在所述永磁体和该换能器之间的机械连接，其适于使所述永磁体相对于所述第一开关的相对位置在下述位置之间变化：

-第一位置，其中，由所述永磁体产生的磁场在所述第一开关中对应于该第一开关的致动配置；

-第二位置，其中，由所述永磁体产生的磁场在所述第一开关中不对应于该第一开关的致动配置。

9.根据权利要求8所述的发电机，其中，

-所述第一转换器(186)适于当所述永磁体位于所述第一位置时，将所述待收集能量转换为在所述第一连接端子上超过所述第一预定阈值的多余电荷，并且当所述永磁体位于所述第二位置时，转换为在所述第二连接端子上超过第二预定阈值的多余电荷，

-所述用于采集的电路(30)包括连接到所述第二连接端子的第二开关(52；126)，该第二开关是可控磁开关并且适于在断开位置和闭合位置之间切换，其中在所述断开位置上所述第二开关阻止所述电荷通过所述第二连接端子放电，在所述闭合位置上所述第二开关允许所述电荷通过所述第二连接端子放电，所述第二开关相对于所述永磁体如此布置以使得：

●在所述第一位置，由所述永磁体产生的磁场在所述第二开关中不对应于该第二开关的致动配置；

●在所述第二位置，由所述永磁体产生的磁场在所述第二开关中对应于该第二开关的致动配置，所述第一和第二开关的致动配置是不同的。

10.根据权利要求8所述的发电机，其中，所述第一转换器包括：

-第一机电换能器(72、74；196)，其适于将施加在该机电换能器上的机械应力转换为产生由所述用于采集的电路采集的多余电荷，以及

-第二换能器(70；200)，其以零自由度固定到所述第一机电换能器，该第二换能器适于将所述待收集能量的变化转换为施加在所述机电换能器上的机械应力。

11.根据权利要求10所述的发电机，其中，所述第二换能器是热机换能器(200)，其适于将温度变化转换为该第二换能器的机械形变。

12.根据权利要求11所述的发电机，其中，所述热机换能器(200)包括形状记忆材料。

13.根据权利要求8或10所述的发电机，其中，同一换能器(200)形成所述第一转换器(186)的第二换能器和所述控制装置的换能器两者。

14.根据权利要求9所述的发电机，其中，所述第一开关(48)在所述第一连接端子和所述输出端子之间串联连接，以使所述第一连接端子与所述输出端子绝缘或者替代地电连接，并且所述第二开关(52)在所述第二连接端子和所述输出端子之间串联连接，以使所述第二连接端子与所述输出端子绝缘或者替代地电连接。

15.根据权利要求9所述的发电机，其中，

-所述采集电路包括：

16.根据权利要求15所述的发电机，其中：

-所述用于采集的电路包括与所述第一开关串联连接的线圈(132)，以便当所述第一开关位于其闭合位置时，由所述第一转换器产生的多余电荷通过该线圈，当多余电荷通过该线圈时该线圈产生磁场，以及

-所述释放开关(134)是磁开关，其相对于所述线圈如此布置以使得仅当多余电荷超过所述第三预定阈值时，由该线圈产生的磁场在该开关中对应于所述释放开关的致动配置。

17.根据权利要求10所述的发电机，其中，所述第一转换器的机电换能器(72、74；196)包含压电材料。

18.根据权利要求15所述的发电机，其中，所述第一转换器(20；186)是电容器。