CN105811728A - 一种阵列结构的电磁振动发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种阵列结构的电磁振动发电机，一种阵列结构的电磁振动发电机，由弹簧连接到基板上的磁铁与嵌入基板上的线圈构成一个发电结构单元；在任一发电结构单元中：永磁铁104置于上基板102与下基板107之间,嵌入上基板102的第一线圈101与嵌入下基板107的第二线圈106分别由上弹簧103和下弹簧105联接到永磁铁104；N个发电结构单元平置于振动体附近，各线圈的抽头向外引出。在外界振动的作用下，所有的单元发电机的中间永磁铁上下振动，致使通过线圈的磁通量发生变化，因而有脉冲电信号输出。本发明的发电机可以将自然界、轨道等产生的振动能转变为电能。
Description
技术领域
本发明涉及一种发电机，特别是涉及将振动能产生的机械能转化为电能的阵列结构的电磁发电机。
背景技术
机械振动能是环境中普遍存在的一种能量形式，持续或阶段性持续振动的振源比较丰富，比如家用电器和工业生产设备工作时产生的振动、人体运动和车辆行驶过程中产生的振动、桥梁的振动等。通常这些能量因为忽略而被白白浪费或被减震系统吸收。因此，通过振动能量采集器将环境中的振动能转化成电能为低功耗电子设备供电，不仅提高了能量的综合利用率，而且为低功耗电子设备提供了新的绿色电源系统，对无线传感器网络、便携式设备等低功耗电子设备的发展和应用具有重要意义。
目前，振动能转化为电能的发电机所利用的原理主要有静电感应，电磁感应和特殊材料的压电性能、静电脉冲发电机等。然而，已经发明的静电感应发电机，由于需要接入外部电源作为启动电压，并且静电式能量收集装置产生的是高电压、低电流和高输出阻抗，从一定程度上限制了静电式能量收集技术的应用范围。静电脉冲发电机在小型化和轻量化方面有所不足，输出功率密度较小，不能满足对各种振动机械能收集的需要。
发明内容
本发明涉及一种可以将自然界、轨道等等形式的振动能转化为电能的结构简单的电磁振动发电机，能够为微无线传感器网络、便携式设备等低功耗电子设备等提供匹配的电源。
为实现上述目的，本发明所采用的手段是：
一种阵列结构的电磁振动发电机，其特征在于，包括：由弹簧连接到基板上的磁铁与嵌入基板上的线圈构成一个发电结构单元；
在任一发电结构单元中：永磁铁104置于上基板102与下基板107之间,嵌入上基板102的第一线圈101与嵌入下基板107的第二线圈106分别由上弹簧103和下弹簧105联接到永磁铁104；n个发电结构单元平置于振动体附近，n为自然数；各线圈的抽头向外引出。
本发明发电机在外界振动的作用下，所有的单元发电机中的磁铁上下振动，致使通过线圈的磁通量发生改变，因而有脉冲电信号输出。
磁铁104充当质量块，上基体102中嵌有第一线圈101，下基体下基板107中嵌有第二线圈106，振动实际发生时，发电机受到外力作用(振动作用)，使得电磁振动发电机的磁铁104发生上下振动，使发电单元的通过第一线圈101与第二线圈的磁通量发生变化，因而有脉冲电信号输出。
与现有技术相比，本发明具有下列有益效果：
1、本发明提供的阵列结构的电磁振动发电机采用电磁发电技术，相对于结构复杂，设计和加工费时繁琐，器件性能不稳定的静电式发电机，它在增强发电适用性，大大的降低成本的同时仍然能保持非常有益的功率的输出。
2、本发明提供的阵列结构的电磁振动发电机采用单元数n的发电结构单元，因此，能够有效增加阵列结构的电磁振动发电机的电流输出，从而有效地将振动机械能转变为电能。
3、采用具有一定机械强度和弹性的弹簧作为支撑框架，塑料作为基体，成本低廉。
4、本发明的发电机结构简单，制备方法简单，对材料无特殊要求，可以将自然界、轨道等产生的振动能转变为电能，具有广泛的实际用途。
附图说明
通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1为本发明发电机的结构示意图；
图2、图3、图4和图5为本发明发电机实施例二的结构模型照片。
具体实施方式
机械振动能是环境中普遍存在的一种能量形式，持续或阶段性持续振动的振源比较丰富，比如家用电器和工业生产设备工作时产生的振动、人体运动和车辆行驶过程中产生的振动、桥梁的振动等。通常这些能量因为忽略而被白白浪费或被减震系统吸收。因此，通过振动能量采集器将环境中的振动能转化成电能为低功耗电子设备供电，不仅提高了能量的综合利用率，而且为低功耗电子设备提供了新的绿色电源系统，对无线传感器网络、便携式设备等低功耗电子设备的发展和应用具有重要意义。
下面结合附图和实施例详细介绍本发明电磁振动发电机的具体实施方式。
实施例一：
参见图1，在任一结构单元中，包括：嵌入上基板102的第一线圈101与嵌入下基板107的第二线圈106，分别由上弹簧103与下弹簧105连接到上基板102和下基板107之间的的永磁铁104构成振动发电机。
两个塑料片基体的基板上102和下基板107具有一定机械强度，上弹簧103和下弹簧105具有一定的机械强度和弹性，与嵌入102和下基板107的线圈101和106以及磁铁104构成了电磁振动发电机；发电机受到外力作用(振动作用)时，使得电磁振动发电机的磁铁104发生上下振动，使发电单元的通过第一线圈101与第二线圈的磁通量发生变化，因而有脉冲电信号输出。
本发明的发电机中，永磁铁104材料选择为选自合金，其中，所述合金选自铝镍钴合金、钐钴合金、钕铁硼合金。本发明的发电机相当于第一线圈101和永磁铁104组成一个发电单元，第二线圈106和永磁铁104组成.
所述的电磁振动发电单元工作原理说明：永磁铁104在外力作用下发生上下振动，使得两个上弹簧103和下弹簧105交替伸缩，致使通过两个线圈101和106的磁通量发生改变。当磁铁104向上振动时，上弹簧103被压缩，上弹簧下弹簧105被拉伸，在这一过程中通过线圈101的磁通量变大，而通过线圈106的磁通量变小，进而分别在两个线圈中产生感应电流；当磁铁104向下振动时，上弹簧103被拉伸，上弹簧下弹簧105被压缩，在这一过程中通过线圈101的磁通量变小，而通过线圈106的磁通量变大，进而分别在两个线圈中产生感应电流。如此反复运动，在线圈101和106中便会产生方向相反的脉冲电流。
本发明的发电机结构简单，制备方法简单，对材料无特殊要求，在实际使用中，只需进行简单的固定和封装，即可应用在生活环境中、收集自然界、轨道、机械设备等产生的振动机械能，具有广泛的实际用途。
实施例二：
下面结合图2、图3和图4，具体介绍本实施例中发电机的结构。
参见图2，发电单元数为n＝2的发电机的电磁振动发电机的三维图。参见图3，发电单元数为n＝4的发电机的电磁振动发电机的三维图。以此推理，参见图2和图3，如果发电单元数增加，将显著地增加发电机的输出电流。
本发明各实施例的发电机输出的电信号为交流脉冲电信号。发电机输出的脉冲电信号，不仅可以作为脉冲电源直接应用于电化学等领域，还可以用来给储能元件充电，比如电容器或者锂离子电池等，而储存的电能能够用来为便携式小型电子设备提供电力，具有广泛的应用前景。
实施例三：
本实施例中，在第二实施例的基础上，将发电机运用于收集轨道上的振动能，如基于阵列结构的电磁振动发电机用于收集轨道振动能。
本发明各实施例的发电机输出的电信号为交流脉冲电信号，可以在发电机的输出端连接全桥整流器，将发电机的输出信号整流为直流脉冲电信号。发电机输出的脉冲电信号，不仅可以作为脉冲电源直接应用于电化学等领域，还可以用来给储能元件充电，比如电容器或者锂离子电池等，而储存的电能能够用来为便携式小型电子设备提供电力，具有广泛的应用前景。
发明人的研究过程中发现，在本发明各实施例的电磁振动发电机在实际工作当中，外加负载的电阻值对实际输出功率有很大的影响。随着负载电阻值的增大，负载两端的电压增大，通过负载的电流减小，而实际输出功率先增大后减小，并出现极大值。本发明人经过多次实验发现，输出功率极大值所对应的电阻值在千欧量级，因此，本发明在负载的电阻值为千欧量级的情况下能够最大程度发挥其功效。需要说明的是，本文中使用的“输出功率”，是指脉冲电流的极大值和在负载两端形成的脉冲电压的极大值的乘积，即瞬时极大功率。
本发明的发电机的输出功率除了受到外界环境因素，包括振动频率的大小，外加负载的电阻值等影响外，还受到电磁振动发电机本身的设计和制造，包括线圈线径、材料和弹簧线径的选择，以及各部分的尺寸大小，和永磁铁材料物理性质等的影响。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围。
Claims (6)
1.一种阵列结构的电磁振动发电机，其特征在于，包括：由弹簧连接到基板上的磁铁与嵌入基板上的线圈构成一个发电结构单元；
在任一发电结构单元中：永磁铁(104)置于上基板(102)与下基板(107)之间,嵌入上基板(102)的第一线圈(101)与嵌入下基板(107)的第二线圈(106)分别由上弹簧(103)和下弹簧(105)联接到永磁铁(104)；
n个发电结构单元平置于振动体附近，n为自然数；各线圈的抽头向外引出。
2.根据权利要求1所述的一种阵列结构的电磁振动发电机，其特征在于，所述各线圈的抽头向外引出的方式可采用：串联、并联或二者的组合。
3.根据权利要求1所述的一种阵列结构的电磁振动发电机，其特征在于，所述线圈材料为金属漆包线。
4.根据权利要求1所述的一种阵列结构的电磁振动发电机，其特征在于，所述永磁铁材料为铝镍钴合金、钐钴合金、钕铁硼合金之一。
5.根据权利要求1所述的一种阵列结构的电磁振动发电机，其特征在于，所述弹簧材料选自304不锈钢。
6.根据权利要求1所述的一种阵列结构的电磁振动发电机，其特征在于，所述弹簧的线径优选为0.2-0.5mm。
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