CN106712574B - 一种磁电式发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种磁电式发电装置，包括永磁体以及在永磁体两侧相向放置的两个磁电能量采集器；磁电能量采集器包括磁芯和磁电层合换能器；磁芯为两个L形端头，两个L形端头安装在磁电层合换能器的两端；磁电层合换能器由磁致伸缩材料层和压电材料层层合构成；所述永磁体在按键面板的带动下转动，从而分别与两个磁电能量采集器中的L形端头接触形成闭合磁路。本发明提出一种磁电式发电装置，解决了现有自发电无线开关中发电装置结构复杂、组装困难、可靠性差以导致难以广泛应用的问题。

Description

一种磁电式发电装置

技术领域

本发明涉及开关技术领域，尤其涉及自发电无线开关的磁电式发电装置。

背景技术

随着物联网技术的进步，智能家居的逐渐成熟，对生产生活中的各类电子电器不仅提出了更高的要求，也提供了更多的可能性。用于控制电子电器开启与关闭的开关，如果仍采用传统的有线方式将不再适应智能家居发展的要求。

目前，全世界普遍使用的有线开关主要是安装在墙壁上的86型翘板式有线开关。有线开关的使用要求在建筑物建造和初装时必须根据预想的功能需要提前将各个开关的安装位置进行详细准确的规划，还要在墙体上预埋开关底盒、凿槽、预埋PVC管材以及穿电缆等操作。这些不仅费时费力，还浪费管线等材料，更麻烦的在于，如果后期发现开关布局以及数量不尽如人意而需要移动、更改或者增减的话，就必须重新凿墙布线，否则无法改变。

针对上述问题，现有开关产品中也出现了无线遥控开关用于控制照明产品的开启与关闭，但这类采用无线遥控开关的照明产品并没有被大众普遍接受，也没能成为主流应用，主要受限于下述原因：1)使用布置于墙上的开关来控制灯具的开启与关闭的习惯已经深入人们的生活，根深蒂固难以改变；2)无线遥控开关通常没有固定的放置地方，开关灯具时往往需要四处寻找无线遥控开关，十分费事；3)无线遥控开关采用电池供电，需要定期维护并更换电池，并且电池使用久了若更换不及时会漏液腐蚀产品，产生有害物质污染环境可靠性降低；4)定期更换电池增加了使用成本，制造电池也要造成资源消耗，使用后的大量废弃电池如果随意丢弃将给环境带来不利影响，统一处理则将增加社会成本；5)无线遥控开关虽然可以做成固定在墙上的形式，但每次更换电池时必须将无线遥控开关拆卸下来，不仅使用复杂也降低了可靠性。

近来，国内外也出现了自发电无线开关的产品，但均是基于电磁感应原理采用翘板往复式按压发电，其内部设置有一个自动弹起机构以确保每次按下开关后按键均可以自动回到初始位置，使得这类产品结构复杂、组装困难、可靠性差，导致不难以广泛应用。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种磁电式发电装置，旨在解决现有自发电无线开关中发电装置结构复杂、组装困难、可靠性差以导致难以广泛应用的问题，其符合传统的按键开关的使用习惯，可以广泛应用。

为了解决上述技术问题，一种磁电式发电装置，包括永磁体以及在永磁体两侧相向放置的两个磁电能量采集器；磁电能量采集器包括磁芯和磁电层合换能器；磁芯为两个L形端头，两个L形端头安装在磁电层合换能器的两端；磁电层合换能器由磁致伸缩材料层和压电材料层层合构成；所述永磁体在按键面板的带动下转动，从而分别与两个磁电能量采集器中的L形端头接触形成闭合磁路。

作为一种优选方案，所述磁电能量采集器中与与永磁体相接触的L形端头的端面为具有一定倾角的斜面，所述倾角大小与永磁体转动的角度相适应，使永磁体与L形端头的端面接触时紧密贴合，防止漏磁现象。

作为一种优选方案，所述磁电层合换能器包括两片磁致伸缩材料层和一片压电材料层，压电材料层位于两片磁致伸缩材料层之间，构成MPM型磁电层合换能器。

作为一种优选方案，位于压电材料层两侧的两个磁致伸缩材料层的长度一致且均长于压电材料层的长度，以在磁电层合换能器的两端形成“凹”形端面；L形端头中与磁电层合换能器连接的端面为“凸”形端面，L形端头的“凸”形端面插接在磁电层合换能器的“凹”形端面中，便于L形端头与磁电层合换能器集成固定并可以防止漏磁。

作为一种优选方案，磁电层合换能器包括两片压电材料层和一片磁致伸缩材料层，磁致伸缩材料层位于两片压电材料层之间，构成PMP型磁电层合换能器。

作为一种优选方案，位于磁致伸缩材料层两侧的两个压电材料层的长度一致且均长于磁致伸缩材料层的长度，以在磁电层合换能器的两端形成“凹”形端面；L形端头中与磁电层合换能器连接的端面为“凹”形端面，磁电层合换能器的“凸”形端面插接在L形端头的“凹”形端面中，便于L形端头与磁电层合换能器集成固定并可以防止漏磁。

作为一种优选方案，所述按键面板为翘板式按键面板，所述永磁体安装在所述按键面板转动的中心线位置，便于集成并方便面板按键。

作为一种优选方案，所述按键面板转动的中心线位置设有凹槽，所述永磁体插接在所述凹槽内，便于集成。

作为一种优选方案，所述永磁体位于两个磁电能量采集器的中间位置，便于集成并在转动永磁体时使永磁体能够与磁电能量采集器紧密接触。

作为一种优选方案，按键面板上安装有两块永磁体，每块永磁体均在其两侧放置有磁电能量采集器，通过该类型的变换设置可以在单开的基础上形成双开、三开等自发电式开关。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于，本发明公布的自发电无线开关的磁电式发电装置，通过按动翘板式按键面板，永磁体将分别与两个磁电能量采集器的磁芯端面接触，从而磁电层合换能器感应永磁体通过磁芯在磁致伸缩层中施加的变化磁场将机械能转化成电能，进而为无线开关提供电源，实现无线开关的自发电；该磁电式发电装置通过按动翘板式按键面板发电，无须设计成往复式，更接近现有按键开关的使用习惯；该磁电式发电装置结构简单，安全可靠且成本低廉，便于与各类开关集成，适用于众多应用领域，具有广阔市场前景。集成了磁电式发电装置的自发电无线开关无需使用化学电池，避免环境污染及浪费，不用布线利于成本节约，且便于布局安装，在生产生活中可以广泛推广运用。

附图说明

图1是本发明中MPM型磁电层合换能器结构示意图；

图2是本发明中PMP型磁电层合换能器结构示意图；

图3是本发明中MPM型磁电能量采集器结构示意图；

图4是本发明中PMP型磁电能量采集器结构示意图；

图5是本发明中MPM型磁电式发电装置结构示意图；

图6是本发明中PMP型磁电式发电装置结构示意图；

图7是MPM型磁电式发电装置随永磁体转动过程中的磁路示意图，在(a)中永磁体位于左侧，在(b)中永磁体位于中间，在(c)中永磁体位于右侧；

图8是PMP型磁电式发电装置随永磁体转动过程中的磁路示意图，在(a)中永磁体位于左侧，在(b)中永磁体位于中间，在(c)中永磁体位于右侧；

图9是MPM型磁电式发电装置随永磁体转动过程中的磁力线示意图，在(a)中永磁体位于左侧，在(b)中永磁体位于中间，在(c)中永磁体位于右侧；

图10是PMP型磁电式发电装置随永磁体转动过程中的磁力线示意图，在(a)中永磁体位于左侧，在(b)中永磁体位于中间，在(c)中永磁体位于右侧；

图11是带翘板式宽按键面板的单MPM型磁电式发电装置结构示意图；

图12是带翘板式宽按键面板的双MPM型磁电式发电装置结构示意图；

图13是带翘板式窄按键面板的单MPM型磁电式发电装置结构示意图；

图14是基于带翘板式窄按键面板的单MPM型磁电式发电装置的双开型结构示意图。

具体实施方式

容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明磁电式发电装置的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。

以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细的描述。本发明磁电式发电装置包括可随翘板式按键面板转动的永磁体和两个磁电能量采集器，磁电能量采集器由与永磁体相匹配的导磁磁芯和嵌于磁芯中间的磁电层合换能器组成；磁电层合换能器由磁致伸缩材料层(M)3和压电材料层(P)4层合而成，具有磁电效应，磁芯为两个L形的端头，L形端头的一端用于与磁电层合换能器连接固定，另一端的端面用于与永磁体接触从而形成闭合磁路，两个L形端头安装在磁电层合换能器的两端。两个磁电能量采集器按其磁芯端面相向放置且相距一定距离，永磁体置于两个磁电能量采集器的中间位置。

结合图1和图2，本实施例中，磁电层合换能器是由磁致伸缩材料层(M)3和压电材料层(P)4层合而成，其具有磁电效应，即磁电层合换能器感受磁场的变化而产生电压输出，反之亦然。磁电层合换能器可以被被设计成三层或多层的层合结构，按照磁致伸缩材料层(M)3和压电材料层(P)4不同的层合方式，三层层合结构的磁电层合换能器又可以分为MPM型磁电层合换能器1和PMP型磁电层合换能器2。MPM型磁电换能器1包括两片磁致伸缩材料层3和一片压电材料层4，压电材料层4位于两片磁致伸缩材料层3之间；PMP型磁电层合换能器2包括两片压电材料层4和一片磁致伸缩材料层3，磁致伸缩材料层3位于两片压电材料层4之间。为了与磁芯的两个L形端头紧密固定并且减少漏磁，MPM型磁电层合换能器1中位于压电材料层4两侧的两个磁致伸缩材料层3的长度一致且均长于压电材料层4的长度，以便在MPM型磁电层合换能器1的两端形成“凹”形端面，PMP型磁电层合换能器2中位于磁致伸缩材料层3两侧的两个压电材料层4长度一致且均长于磁致伸缩材料层3的长度，以便在PMP型磁电层合换能器2两端形成“凸”形端面；与MPM型或PMP型磁电层合换能器配合的L形端头的端面则为“凸”形端面或者“凹”形端面。

结合图3，MPM型磁电能量采集器5由一个MPM型磁电层合换能器1和两个L形端头51和52组成。为了减小漏磁并且提供与磁电层合换能器紧密安装的位置，L形端头51和52与MPM型磁电层合换能器1配合的端面511和521均为“凸”形端面，即可与具有“凹”形端面的MPM型磁电层合换能器1紧密配合。L形端头51和52用于与永磁体9相接触的端面512和522则为具有一定倾角的斜面，两个端面512和522的倾斜角度一致，以确保与MPM型磁电层合换能器1组装后两个端面512和522处于同一平面内。斜面的倾角与永磁体转动的角度相配合，使得永磁体9与L形端头的两个端面512和522紧密贴合，形成闭合磁路，达到有效减少漏磁的效果。

结合图4，PMP型磁电能量采集器6由一个PMP型磁电层合换能器2和两个L形端头61和62组成。此时，L形端头61和62与PMP型磁电层合换能器2配合的端面611和621为“凹”形端面，即可与具有“凸”形端面的PMP型磁电层合换能器2紧密配合。L形端头61和62与永磁体9相接触的端面612和622同样为具有一定倾角的斜面，两个端面612和622的倾斜角度一致，以确保与PMP型磁电层合换能器2组装后两个端面612和622同样处于同一平面内。

简言之，具有“凹”形端面的MPM型磁电层合换能器1与具有“凸”形端面的两个L形端头51和52组装构成MPM型磁电能量采集器5，具有“凸”形端面的PMP型磁电层合换能器2与具有“凹”形端面的两个L形端头61和62组装构成PMP型磁电能量采集器6。

结合图5和图6，MPM型磁电式发电装置7和PMP型磁电式发电装置8由两个MPM型磁电能量采集器5和两个PMP型磁电能量采集器6分别与永磁体9构成。两个磁电能量采集器按斜面相向放置，两个磁电能量采集器对应斜面的的延长相交于一一点，以确保斜面的倾角与永磁体9转动的角度相配合。永磁体9沿长度方向磁化，包含一对磁极91和92，永磁体9放置于两个磁电能量采集器的中间位置，永磁体9的长度与磁电能量采集器的长度一致。永磁体9在翘板式按键面板的带动下在两个磁电能量采集器之间可以发生转动，随着转动，永磁体9将分别与两个磁电能量采集器的L形磁芯的端面相接触，进而在两个磁电能量采集器中产生变化磁场。基于磁电效应，磁电层合换能器分别感受该变化磁场，最终产生电压输出为无线开关提供电源，从而实现自发电。

为了增加磁电能量采集器中L形端头的端面与永磁体接触的面积，L形端头的端面均为成一定角度的斜面，斜面的相对边线处于同一平面内。两个斜面延长可以相交于一条线，也可以不相交于一条线，斜面的角度要与永磁体转动的角度相配合，使用永磁体与磁电能量采集器的L形端头接触时，端面能够紧密贴合，以防止漏磁现象。

结合图7至图10，本发明的操作过程以及原理具体如下：

永磁体9在提供磁场的同时还参与构建闭合磁路。在永磁体9转动的过程中，当永磁体9分别与两个磁电能量采集器构建闭合磁路时，磁电层合换能器感受的磁场将在“0”和“1”之间交替变化，故可将本发明称之为“开关型磁路”。

对于，MPM型磁电式发电装置7，如图7中(a)所示，当永磁体9与左侧磁电能量采集器的端面发生紧密接触时，永磁体09与左侧两个L形端头以及MPM型磁电层合换能器1中的两层磁致伸缩材料层3构建闭合磁路，永磁体9产生的磁场近乎全部汇聚于磁致伸缩材料层3中，称此为状态“1”，而几乎没有磁场经过右侧MPM型磁电层合换能器1中的磁致伸缩材料层3，称此为状态“0”。图9中(a)所示的磁电式发电装置磁力线分布图证实了这一结果。如图7中(c)所示，当永磁体9与右侧MPM型磁电能量采集器5的端面发生紧密接触时，永磁体9与右侧两个L形端头以及MPM型磁电层合换能器1中的两层磁致伸缩材料层3构建闭合磁路，永磁体9产生的磁场近乎全部汇聚于磁致伸缩材料层3中，此时右侧MPM型磁电层合换能器5所处状态为“1”，而几乎没有磁场经过左侧MPM型磁电层合换能器1中的磁致伸缩材料层3，此时右侧MPM型磁电换能器5所处状态为“0”。图9中(c)所示的磁电式发电装置磁力线分布图证实了这一结果。综上所述，当永磁体9转动时，两个MPM磁电能量采集器5分别在状态“1”和状态“0”之间交替变化，故称这类磁芯为“开关型磁芯”。

对于PMP型磁电式发电装置8，图8和图10同样展示了上述结果。

下面以MPM型磁电式发电装置7为例，结合图11至图14，进一步介绍磁电式发电装置与自发电开关的集成方案。

如图11所示，自发电开关翘板式按键面板10的中间位置设有一个凹槽101，永磁体9沿长度方向紧嵌于该凹槽101中，永磁体9与翘板式按键面板10刚性连接。在按动翘板式按键面板10的过程中，永磁体9将沿着翘板式按键面板10的中心线转动，进而分别与左右两个MPM型磁电能量采集器5中的斜面发生接触以构建闭合磁路，并且在磁致伸缩材料层3中产生变化磁场，进而MPM型磁电层合换能器1基于磁电效应产生电压输出。对于单开型自发电无线开关，其翘板式按键面板10的长度通常远大于MPM形磁电能量采集器5的长度，故单个MPM型磁电式发电装置7应紧固于翘板式按键面板10的中间位置。如图12所示，翘板式按键面板10的凹槽101中也可以同时并排固定两个永磁体9，每个永磁体9两侧分别放置两个MPM型磁电能量采集器5，从而在一个翘板式按键面板10下形成两个MPM型磁电式发电装置7。为了用于设计双开乃至三开的自发电开关，可通过调整MPM型磁电式发电装置7的尺寸使之与各种状态下的翘板式按键面板11相匹配，如图13所示。图14则进一步展示了基于MPM型磁电式发电装置7构建双开自发电开关的结构示意图。

本实施例提供的自发电无线开关的磁电式发电装置，其具有以下优点：

设计巧妙，新颖合理；采用独特的开关型磁路发电，结构简单，便于与各类自发电无线开关集成；磁电层合换能器、永磁体、L形端头均可进行模块化设计加工制造，利于量产和组装，具有明显成本优势；电磁感应式发电装置由较少零部件灵活组装而成，确保使用寿命长、可靠性高；磁电式发电装置的翘板式按键面板无须设计成往复式，与传统开关的使用方式一致，不改变用户的习惯，利于推广；可替代电池的使用，不污染环境，没有重复浪费；因为采用磁电式发电装置的自发电无线开关在使用时无需引线，即可固定在环境中，也可当作遥控开关，所以环境适应强，在潮湿的环境或者需要防爆的场所均可使用；有线开关由于通常直接接在市电等大电压中，存在触电等危险，安全等级要求高，采用磁电式发电装置的自发电无线开关比传统有线开关更加安全；采用磁电式发电装置的自发电无线开关，可随意布局开关位置和组合功能，无需打孔布线，使用方便；因为不像有线开关一样涉及要提前规划、复杂布线等问题，效缩短施工周期，节约人工成本。

采用本发明磁电式发电装置的自发电无线开关即可用于新装，又可以直接替换原有普通开关，社会经济效益好。本实发明提供的磁电式发电装置，方便用于集成构建各类自发电无线开关，以用于与各类电器产品进行配套使用，控制电器产品的开启和关闭，比如照明产品、门禁、电视、冰箱以及风扇等。

Claims (10)

1.一种磁电式发电装置，其特征在于，包括永磁体以及在永磁体两侧相向放置的两个磁电能量采集器；

磁电能量采集器包括磁芯和磁电层合换能器；磁芯为两个L形端头，两个L形端头安装在磁电层合换能器的两端；磁电层合换能器由磁致伸缩材料层和压电材料层层合构成；

所述永磁体在按键面板的带动下转动，从而分别与两个磁电能量采集器中的L形端头接触形成闭合磁路。

2.如权利要求1所述磁电式发电装置，其特征在于，所述磁电能量采集器中与与永磁体相接触的L形端头的端面为具有一定倾角的斜面，所述倾角大小与永磁体转动的角度相适应，使永磁体与L形端头的端面接触时紧密贴合。

3.如权利要求1所述磁电式发电装置，其特征在于，所述磁电层合换能器包括两片磁致伸缩材料层和一片压电材料层，压电材料层位于两片磁致伸缩材料层之间。

4.如权利要求3所述磁电式发电装置，其特征在于，位于压电材料层两侧的两个磁致伸缩材料层的长度一致且均长于压电材料层的长度，以在磁电层合换能器的两端形成“凹”形端面；L形端头中与磁电层合换能器连接的端面为“凸”形端面，L形端头的“凸”形端面插接在磁电层合换能器的“凹”形端面中。

5.如权利要求1所述磁电式发电装置，其特征在于，磁电层合换能器包括两片压电材料层和一片磁致伸缩材料层，磁致伸缩材料层位于两片压电材料层之间。

6.如权利要求5所述磁电式发电装置，其特征在于，位于磁致伸缩材料层两侧的两个压电材料层的长度一致且均长于磁致伸缩材料层的长度，以在磁电层合换能器的两端形成“凹”形端面；L形端头中与磁电层合换能器连接的端面为“凹”形端面，磁电层合换能器的“凸”形端面插接在L形端头的“凹”形端面中。

7.如权利要求1所述磁电式发电装置，其特征在于，所述按键面板为翘板式按键面板，所述永磁体安装在所述按键面板转动的中心线位置。

8.如权利要求1所述磁电式发电装置，其特征在于，所述按键面板转动的中心线位置设有凹槽，所述永磁体插接在所述凹槽内。

9.如权利要求1所述磁电式发电装置，其特征在于，所述永磁体位于两个磁电能量采集器的中间位置。

10.如权利要求1所述磁电式发电装置，其特征在于，按键面板上安装有两块永磁体，每块永磁体均在其两侧放置有磁电能量采集器。