CN111903044A - 用于将机械振动能量转换成电能的机电发电机 - Google Patents

Abstract

一种用于将机械振动能量转换成电能的机电发电机，该机电发电机包括：中央桅杆；固定地安装到桅杆上的导电线圈组件，该线圈组件至少部分地围绕桅杆；用于线圈组件的安装件，该安装件从线圈组件沿径向向内延伸并将线圈组件固定到桅杆上；磁芯组件，该磁芯组件可运动地安装到桅杆上，用于在轴线上的平衡位置附近沿着轴线进行直线振动运动，磁芯组件至少部分地围绕线圈组件和桅杆；偏置装置，其安装在桅杆与磁芯组件之间，以沿着轴线朝向平衡位置在相互相反的方向上偏置磁芯组件，偏置装置包括一对第一板簧和第二板簧，第一板簧和第二板簧各具有分别装配到桅杆的相对的第一端和第二端的内边缘和装配到磁芯组件的外边缘，第一板簧的外边缘装配到磁芯组件的第一端部，第二板簧的外边缘装配到磁芯组件的第二端部；以及有弹力的装置，其安装在偏置装置与磁芯组件之间，该有弹力的装置被构造为当磁芯组件已经通过直线振动运动从平衡位置移动了预定的非零阈值振幅时，在偏置装置与磁芯组件之间变形，该有弹力的装置包括一对第一扁簧元件和第二扁簧元件，第一扁簧元件和第二扁簧元件各具有外边缘和自由内边缘，该外边缘装配到磁芯组件上，该自由内边缘从桅杆沿径向向外间隔开，并且从相应的第一板簧和第二板簧沿轴向向内间隔开。

Description

用于将机械振动能量转换成电能的机电发电机

技术领域

本发明涉及一种用于将机械振动能量转换成电能的机电发电机，即振动能量采集器。具体而言，本发明涉及这样一种振动能量采集器：它是能够将环境振动能量转换成电能的微型发电机，用于例如为智能传感器系统供电。这种振动能量采集器可用于许多领域，在这些领域中，对于电力电缆或电池的省却，具有经济方面或操作方面的优势。

背景技术

已知使用包括机电发电机的振动能量采集器来从环境振动中采集有用的电力，例如为无线传感器供电。典型的磁体-线圈发电机由弹簧-质量体组合组成，弹簧-质量体组合附连到磁体或线圈，当系统振动时，线圈切穿由磁芯形成的通量。

在振动能量采集器的环境中的振动量，可以以若干个数量级而发生变化。这种可变性的程度可以描述为“动态范围”。在使用中，机电发电机可能受到大的冲击力或振动，这导致簧载质量体以过大的振幅振动，结果是质量体可能在簧载质量体的行程极限处物理地碰撞装置的外壳或其它部件。机电发电机需要考虑到簧载质量体的振动或振荡的振幅可随着时间推移以间歇和不可预测的方式变化的可能性，以使得不安全振幅造成损坏的可能性得以避免或最小化，从而实现更长的操作寿命。

当受到大动态范围的影响时，可靠的采集器功能需要精确控制运动中的质量体的运动。这是通过在弹性元件中存储和耗散能量来实现的。

例如，申请人的早期WO-A-2014/076143公开了一种机电发电机形式的振动能量采集器，其中有弹力的装置，其例如呈现为截头圆锥形弹簧的形式，类似于贝氏垫圈，位于弹簧-质量体组合的弹簧与质量体之间，或者位于弹簧与包含弹簧-质量体组合的主体之间。截头圆锥形弹簧被构造为仅当振荡振幅超过预定的非零阈值振幅时才发生变形。这里，“非零”意味着：预定阈值振幅不是零振幅。然而，当振荡振幅超过预定阈值振幅时，例如当能量采集器受到严重冲击时，有弹力的装置就会在偏置装置与质量体和主体之一之间变形，例如压缩，以充当限制振荡振幅的限制器。该有弹力的装置使得上述的已知机电发电机在该装置可能偶尔遭受严重冲击的环境中特别有用。

然而，截头圆锥形弹簧增大的复杂性增大了制造的难度。具体地说，在截头圆锥形弹簧开始作用之前质量体可以移动的距离必须精确地实现。这个“间隙”是两个组件长度之间的微小差异，因此间隙的公差是多个部件公差的总和。

一种已知的解决方案是将一些不精密的部件组装在由精密工具确定的位置。然而，在能量采集器的情况下，使用中的力的大小意味着接头必须特别牢固，因此在这种情况下，不精密的部件的精密组装在很大程度上是不切实际的。在能量采集器中，部件位置由其他部件的尺寸决定。因此，能量采集器的基本结构和设计对于实现一种不仅具有高精确组装而且易于制造的装置是重要的。

在WO-A-2014/076143中公开的已知的截头圆锥形弹簧在精确制造和在服役期间的使用方面是复杂的。每个截头圆锥形弹簧必须通过另一个柔顺部件，例如另一个弹簧，柔性地抵靠硬面支承元件固持，以允许截头圆锥形弹簧在负荷下变形，而没有任何不希望的运动。截头圆锥形弹簧通常由例如弹簧金属的平片塑性地形成，并且最终尺寸基本上取决于材料性质，所述材料性质例如是屈服强度，其是易变的。弹簧在成形后的任何调校都因其固有的柔顺性而变得复杂。截头圆锥形弹簧在紧凑体积中弹性地支承大的轴向负荷的能力是众所周知的。然而，在提供这样一种弹簧设计方面存在一个问题：与已知的截头圆锥形弹簧的使用相比，这种弹簧设计可以实现改进的性能，并且仍然易于制造并且易于结合到精确的能量采集器设计中。

在本领域中需要提供一种机电发电机，这种机电发电机结合了有弹力的装置，以限制由于大的冲击力或振动而导致的振动，否则大的冲击力或振动会导致簧载质量体以过大的振幅振动，这种机电发电机能够克服例如如上所描述的结合有截头圆锥形弹簧的已知有弹力的装置的问题。

发明内容

本发明至少部分地旨在提供一种呈现为机电发电机形式的能量采集器，该能量采集器能够可靠地经受大的动态范围，以提供对运动中的质量体的运动的精确控制，并且易于以实用的方式制造。

因此，本发明提供了一种用于将机械振动能量转换成电能的机电发电机，该机电发电机包括：中央桅杆，固定地安装到桅杆上的导电线圈组件，线圈组件至少部分地围绕桅杆；用于线圈组件的安装件，其从线圈组件径向向内延伸并将线圈组件固定到桅杆上；磁芯组件，其可运动地安装到桅杆上，用于在轴线上的平衡位置附近沿着轴线进行直线振动运动，磁芯组件至少部分地围绕线圈组件和桅杆；偏置装置，其安装在桅杆与磁芯组件之间，以沿着轴线朝着平衡位置在相互相反的方向上偏置磁芯组件，偏置装置包括一对第一板簧和第二板簧，第一板簧和第二板簧各具有分别装配到桅杆的相对的第一端和第二端的内边缘和装配到磁芯组件的外边缘，第一板簧的外边缘装配到磁芯组件的第一端部，第二板簧的外边缘装配到磁芯组件的第二端部；以及，安装在偏置装置与磁芯组件之间的有弹力的装置，该有弹力的装置被构造为当磁芯组件已经通过直线振动运动离开平衡位置移动了预定的非零阈值振幅时，在偏置装置与磁芯组件之间变形，该有弹力的装置包括一对第一扁簧元件和第二扁簧元件，第一扁簧元件和第二扁簧元件各具有外边缘和自由内边缘，该外边缘装配到磁芯组件上，该自由内边缘从桅杆沿径向向外间隔开，并且从相应的第一板簧和第二板簧沿轴向向内间隔开。

从属权利要求中定义了优选特征。

本发明基于以下发现，即扁环形弹簧可以用作有弹力的装置来限制过度振动。扁环形弹簧可以容易地以低成本和低复杂性制造，以提供具有高度精确的恒定厚度的扁簧。通过采用扁环形弹簧作为有弹力的装置，不需要硬面支承元件和另一个柔顺部件。可以使得有弹力的装置与任何其他部件之间的滑动运动得以避免或至少最小化，这使得接触磨损得以消除或最小化。

附图说明

现在将参考附图仅以举例说明的方式描述本发明的实施例，附图中：

图1是根据本发明第一实施例的用于将机械振动能量转换成电能的机电发电机的示意性侧截面图；

图2是图1的机电发电机中的弹簧的示意性平面图；

图3是根据本发明第二实施例的机电发电机中的端芯部分的示意性平面图；而

图4是根据本发明第三实施例的用于将机械振动能量转换成电能的机电发电机的示意性侧截面图。

具体实施方式

本发明的机电发电机是本领域中称为“速度阻尼”的谐振发电机，其中惯性质量体相对于壳体的运动所做的基本上所有功都与该运动的瞬时速度成比例。不可避免地，该功的一部分被吸收以克服不想要的机械或电损失，但是该功的剩余部分可以用于经由合适的换能机构(例如下面描述的电线圈/磁组件)产生电流。

图1和2示出了根据本发明第一实施例的用于将机械振动能量转换成电能的机电发电机2。在操作中，机电发电机2被封闭在壳体(未示出)内，并且该装置设置有配件(未示出)，用于将机电发电机2牢固地安装到支承件(未示出)上，从该支承件采集机械振动能量，机械振动能量被机电发电机2转换成电能。

机电发电机2包括沿着纵向轴线A-A延伸的中央桅杆4。在使用中，输入的机械振动能量的振幅通常沿着纵向轴线A-A，或者具有沿着纵向轴线A-A延伸的分量。桅杆4的相对两端6、8装配到壳体(未示出)，并且桅杆4的一端或两端6、8可以设置有配件(未示出)，例如螺纹孔，用于将机电发电机2牢固地安装到支承件或壳体。

优选地，桅杆4由低磁导率、低传导性但高弹性模量的材料例如316不锈钢制成。桅杆4可以是至少部分中空的，具有中心中空内孔5。

导电线圈组件10固定地安装在桅杆4上。线圈组件10至少部分地，优选完全地，围绕桅杆4。组件10包括导电线圈12，该导电线圈12是圆形的并且与桅杆4同轴。组件10具有径向内侧部14和外侧部16，各侧部14、16平行于旋转轴线A-A而延伸。组件10具有相对的第一和第二(通常为上和下)边缘18、20。线圈12具有分别位于相对的第一和第二边缘18、20附近的第一线圈部分13a和第二线圈部分13b。

线圈组件10的安装件22从线圈组件10沿径向向内延伸，并将线圈组件10固定到桅杆4上。安装件22从径向内侧部14沿径向向内延伸。线圈12安装在安装件22的环形线圈支承件24内。在本说明书中，术语“环形”表示“环状”，但并不意味着任何其它特定的几何形状，也不意味着任何环形元件的平面图必须是圆形的；例如,“环形”或“环状”元件的侧部可以是直的。在图示的实施例中，环形线圈支承件24在平面图中优选为圆形，但是也可以是任何其他环状几何形状。类似地，这里描述的其他环形元件在平面图中也优选为圆形，但是可以是任何其他环状几何形状。该组件10将线圈12安装在壳体内的固定位置。线圈支承件24位于从轴线A-A沿径向方向向外的位置，并且也基本上位于桅杆4的各端部6、8之间的沿轴向方向的中间位置。

安装件22包括在线圈组件10与桅杆4之间延伸的锥形壁26。锥形壁26与环形线圈支承件24成一体。环形线圈支承件24包括连接到锥形壁26的径向定向的内壁28。锥形壁26是由热塑性材料构成的模制体，优选注射模制，并且该模制体包括环形线圈支承件24和锥形壁26。优选地，热塑性材料是非常低传导性的材料，例如加有玻璃的塑料。

锥形壁26具有相对的第一端30和第二端32。第一端30的直径小于第二端32的直径。第一端30安装在桅杆4上，第二端32安装在线圈组件10上。安装件22还包括与第一端30成一体的内壁34。内壁34是弓形的或弯曲的，并且围绕桅杆4的中间部分36的圆周的至少一部分装配。

在图示的实施例中，锥形壁相对于轴线A-A倾斜40至50度，通常相对于轴线A-A倾斜约45度。优选地，锥形壁26的中央部分38位于沿着桅杆4的轴向方向的大致中间。

用于线圈组件10的安装件22优选地限定凹部(未示出)，在该凹部中接纳电路(未示出)，用于通过例如电压调节来电处理线圈12的电输出。电路优选由塑料或橡胶密封材料封装，该密封材料密封并保护电路以便免受不希望的环境因素(例如湿度、液体等)的影响。线圈12通过电线(未示出)连接电路，而电路又具有从其延伸的第二电线(未示出)，用于连接到外部电路(未示出)。

磁芯组件40可运动地安装到桅杆4上，用于在轴线A-A上的平衡位置附近沿着轴线A-A进行直线振动运动，平衡位置在图1中示出。磁芯组件40至少部分地、优选完全地围绕线圈组件10和桅杆4。

磁芯组件40包括沿着轴线A-A间隔开的两个相对的磁路。在图示的实施例中，磁芯组件40包括沿着轴线A-A间隔开的一对沿轴向对准的环形的第一磁体42和第二磁体44。磁体42、44各自通常是具有高磁场强度的稀土永磁体。磁体42、44的具有第一同名极性的磁极彼此面对，而磁体42、44彼此背离的磁极具有第二同名极性。

铁磁体46接触磁体42、44的彼此背离的磁极并与之磁耦合。通常，铁磁体46相对于轴线从磁体42、44沿径向向外延伸。铁磁体是大致管状的，并且在其每一端具有径向向内延伸的臂，在每个臂上安装有相应的磁体42、44。

在图1中，磁体42、44安装在锥形壁26的上方和下方的相对两侧，并且位于从线圈12沿径向向内的位置。磁体42、44每个都与锥形壁26沿轴向间隔开，并且限定了间隙48，安装件22，特别是锥形壁26延伸穿过该间隙。各磁体42、44相互对准，使得它们相同的磁极在锥形壁26的相对两侧彼此面对。

磁芯组件40包括外芯50，外芯50包括单件管状主体52，管状主体52包封于导电线圈组件10的径向外侧16。管状主体52是圆筒形的。

磁芯组件40还包括第一端芯54和第二端芯56，它们在外芯50的相对的第一端58和第二端60处接触外芯50并与之磁耦合。第一端芯54和第二端芯56沿径向向内延伸，并封闭线圈组件10的相应的相对的第一边缘和第二边缘18、20。磁芯组件40还包括沿轴线A-A间隔开的第一磁体42和第二磁体44。第一磁体42和第二磁体44接触相应的第一端芯54和第二端芯56并与之磁耦合。第一线圈部分13a和第二线圈部分13b分别至少部分地位于公共铁磁体的外芯50与磁体42、44之一之间。

管状主体52的第一端58和第二端60各自包括位于管状主体52内侧66上的凹部62、64。第一端芯54和第二端芯56装配在管状主体52的相应第一端58和第二端60的凹部62、64中。

凹部62、64具有横向安装表面68和纵向安装表面70，横向安装表面68沿着轴线A-A背离平衡位置，纵向安装表面70面向轴线A-A。相应的第一端芯54和第二端芯56的径向表面72和周向表面74分别装配到横向安装表面68和纵向安装表面70。

第一端芯54和第二端芯56包括板。第一端芯54和第二端芯56可以是平面型的，或者可以在外表面或内表面上设有一些三维形状。第一端芯54和第二端芯56是圆形的，每个端芯都具有外周向表面74和围绕桅杆4的中心孔76，外周向表面74装配到外芯50的内周向表面，内周向表面是纵向安装表面70。在图示的实施例中，第一端芯54和第二端芯56是圆形盘，它们装配在管状主体52的各端部。第一端芯54和第二端芯56的圆形外周可以沿轴向装配到管状主体52的内侧66上的肩部，该肩部由横向安装表面68和纵向安装表面70形成。这种装配可以是压力装配、松弛装配或弹性装配。第一端芯54和第二端芯56可以可选地结合到管状主体52。所获得的结构提供了具有基本上均匀的铁磁性和精确的轴向长度的为大致C形的磁芯。

在一个修改的实施例中，如图3所示，第一端芯54和第二端芯56是圆形的，并具有一个小的角度段(扇区)切口或开口55，该切口或开口55使得第一端芯54和第二端芯56能够压配合到管状主体52的相应的第一端58和第二端60的凹部62、64中。第一端芯54和第二端芯56由柔顺材料构成，并且相对于凹部62、64的内部尺寸而言过大，并且凹部62、64中的第一端芯54和第二端芯56的弹性松弛确保了第一端芯54和第二端芯56在管状主体52中的轴向固位，使得磁芯组件具有精确的轴向长度。因为第一端芯54和第二端芯56中的磁场是径向的，并且切口或开口55是大致沿径向的，使得磁路受到的影响仅是最小程度的。安装的第一端芯54和第二端芯56在管状主体52上施加向外的压力，这高效地完成了所需的磁路。

在另一个实施例中，如图4所示，第一端芯和第二端芯中的一者(而不是如图1所示的二者)，在图示的实施例中，第二端芯56，与管状主体52成一体，而第一端芯54具有上面参照图1的实施例描述的结构。在相对端，管状主体52设有一体的端芯部分57。非一体的端芯54可以具有如上所描述的任何构造，特别是连续式的，或者具有大致径向的切口或开口55。

第一定位器元件78和第二定位器元件80分别装配到第一端芯54和第二端芯56。第一定位器元件78和第二定位器元件80各自朝向安装件22延伸。第一定位器元件78和第二定位器元件80各具有定位表面82，该定位表面82接合相应的第一磁体42和第二磁体44的侧表面。第一定位器元件78和第二定位器元件80装配到相应的第一端芯54和第二端芯56的装配表面84、86上，装配表面84、86面向轴线A-A。第一定位器元件78和第二定位器元件80的定位表面82装配到相应的第一磁体42和第二磁体44的侧表面88、90上，侧表面88、90面向轴线A-A。第一定位器元件78和第二定位器元件80精确且牢固地把磁体装配在磁芯组件中的正确位置。

磁芯组件40包括径向外芯50、第一端芯54和第二端芯56以及径向内磁体42、44，在它们之间限定环形封闭腔92，线圈12接纳在该环形封闭腔92中。磁体42、44和外芯50以及第一端芯54和第二端芯56与线圈12稍微间隔开，以允许它们之间的相对平移运动。磁芯组件40具有呈大致C形的横截面，并且是旋转对称的。

腔92在第一线圈部分13a和第二线圈部分13b中的每一个与中央桅杆4之间以及分别在安装件22的锥形壁26的上方或下方具有相应的腔部分。

外芯50以及第一端芯54和第二端芯56由具有高磁导率和高质量(mass)的铁磁材料(例如软铁)组成。因此，外芯50、第一端芯54和第二端芯56以及磁体42、44的组件形成磁芯组件40的两个轴向间隔开的磁路。每个磁路的磁通量线的界限由外芯50和相应的第一端芯54和第二端芯56限定，这基本上防止了来自每个磁体42、44的磁通量从由外芯50和第一端芯54和第二端芯56形成的公共铁磁体沿轴向或径向向外延伸。由于相对的磁体42、44以同名磁极彼此面对，在磁芯组件40的中央区域，相对磁路的磁通量是相反的，从而将磁通量沿径向向外朝向公共铁磁体导向。

结果是，单个磁芯组件40包括两个单独的磁体42、44，并且每个磁体都具有相应的磁路，其中很大比例的磁通量被约束以通过相应的线圈部分13a、13b。这又在磁体42、44与线圈12之间提供了非常高的磁耦合度。因此，磁体42、44与线圈12之间的任何相对移动，特别是如下文所描述通过磁芯组件40相对于固定线圈12的直线轴向谐振运动，在线圈12处产生非常高的电功率输出。

偏置装置100安装在桅杆4与磁芯组件40之间，以沿着轴线A-A在相互相反的方向上朝向平衡位置偏置磁芯组件40。偏置装置100包括一对第一板簧102和第二板簧104。第一板簧102和第二板簧104各具有分别装配到桅杆4的相对的第一端和第二端6、8的内边缘106、108，以及装配到磁芯组件40的外边缘114、116。第一板簧102的外边缘114装配到磁芯组件40的第一端部118，第二板簧104的外边缘116装配到磁芯组件40的第二端部120。

第一板簧102和第二板簧104各包括弹簧构件122、124，弹簧构件122、124包括基本正交于轴线A-A并包括相应内边缘106、108的内部部分126、128，以及基本平行于轴线A-A并包括相应外边缘114、116的圆柱形外部部分130、132。

弹簧构件122、124是折曲片弹簧，并且内部部分126、128和外部部分130、132通过折曲部134、136而相互连接。

各外边缘114、116装配到磁芯组件40的外周向表面138、140。在所示实施例中，各外边缘114、116被推压装配到磁芯组件40的外周向表面138、140上，并通过弹性装配而装配到其上。

第一板簧102和第二板簧104中的每一个的内边缘106、108通过内边缘106、108与桅杆4之间的铆接接头142、144装配到桅杆4。

当磁芯组件40离开中央平衡位置而运动时，第一板簧102和第二板簧104各自对磁芯组件40施加相同的机械偏置力。第一板簧102和第二板簧104优选具有相同的弹簧常数。

在可运动磁芯组件40的相对轴向两端设置一对第一板簧102和第二板簧104，提供了一种结构，这种结构不仅能够在磁芯组件40上提供足够的弹簧偏置回复力以将其偏置到相对于线圈12的轴向中央位置，而且还占据了壳体内基本上最小的体积。特别地，第一板簧102和第二板簧104在可运动磁芯组件40的相对轴向两端的位置，有助于使得：对于给定的装置体积而言，磁芯组件40的尺寸能够被最大化，这不仅使得磁耦合最大化，而且重要地允许可运动磁芯组件的质量(mass)相应地最大化。如本领域所知，希望的是：在谐振振动电磁能量采集器中的可运动磁芯组件的质量能够被最大化，因为这能够增大输出电功率。

提供一对第一板簧102和第二板簧104也避免了对围绕可运动磁芯组件的昂贵且笨重的螺旋弹簧的需求。这通过降低部件成本来降低制造成本。

现在参考图2，其示出了第一板簧102和第二板簧104的平面图，内部部分126、128是大致圆形的。在图示实施例中，每个内部部分126、128具有邻近折曲部134、136的外周向部分146、邻近内边缘106、108的内周向部分148，以及将外周向部分146和内周向部分148连接在一起的至少三个臂150、152、154。臂150、152、154围绕轴线A-A相互间隔开，并且每对相邻的臂150、152、154被其间的相应开口156、158、160分开。臂150、152、154围绕轴线A-A等间距地相互隔开。对于三个臂150、152、154，相邻臂150、152、154的相同部分之间的角度间隔为120度。

每个臂150、152、154包括连接到外周向部分146的径向外部部分162、连接到径向外部部分162的中间周向部分164以及连接在中间周向部分164与内周向部分148之间的径向内部部分166。

每个开口156、158、160包括邻近外周向部分146的外周向区域168、连接到外周向区域168的中间径向区域170、以及连接到中间径向区域170并邻近内周向部分148的内周向区域172。

每个开口156、158、160在外部开口端174与内部开口端716之间延伸，与开口156、158、160的相邻部分相比，开口端174、176中每一个具有扩大的宽度。这减少了弹簧中的应力集中。

在图示实施例中，正好有三个臂150、152、154和正好三个开口156、158、160。这在各个臂之间以及各个开口之间提供了120度的角度间隔。在另一些实施例中，提供了多于三个的臂和相应的多于三个的开口。例如，可以提供四个、五个或六个臂/开口，相应地，在各个臂之间以及各个开口之间，分别具有90度、72度和60度的角度间隔。

优选地，如在图示实施例中，各个臂150、152、154具有相同的形状和尺寸，相应地，各个开口156、158、160具有相同的形状和尺寸。

机电发电机2还包括一对第一间隔件178和第二间隔件180。第一间隔件178装配装在第一板簧102与桅杆4的第一表面182之间，第二间隔件180装配在第二板簧104与桅杆4的第二表面184之间。第一表面182和第二表面184相应地位于桅杆4的相对的第一端和第二端6、8处。

有弹力的装置186安装在偏置装置100与磁芯组件40之间。有弹力的装置186被构造为当磁芯组件40已经通过直线振动运动离开平衡位置移动了预定的非零阈值振幅时，在偏置装置100与磁芯40之间变形。

有弹力的装置186包括一对第一扁簧元件188和第二扁簧元件190。第一扁簧元件188和第二扁簧元件190各具有外边缘192、194和自由内边缘196、198，外边缘192、194装配到磁芯组件40上，自由内边缘196、198从桅杆4沿径向向外间隔开，并且从相应的第一板簧102和第二板簧104沿轴向向内间隔开。第一扁簧元件188的外边缘192装配到磁芯组件40的第一端部118，第一扁簧元件190的外边缘194装配到磁芯组件40的第二端部120。

典型地，第一扁簧元件188和第二扁簧元件190中的每一个的外边缘192、194通过被弹簧推压而装配到磁芯组件40，从而被牢固地固持在抵靠磁芯组件40的位置。如图1示意性所示，弹簧偏置元件191设置在外边缘192、194与相应的第一板簧102或第二板簧104之间，其将外边缘192、194稳固地推靠在磁芯组件40的第一端部118和第二端部120上。在一个可替代的但较不优选的实施例中，第一扁簧元件188和第二扁簧元件190中的每一个的外边缘192、194可以以其他方式装配，例如直接固定到磁芯组件40。

第一间隔件178和第二间隔件180从桅杆4沿径向向外延伸，并限定相应的第一面200和第二面202，第一面200和第二面202中每个面被定向为在沿着轴线A-A的方向上向内朝向相应的第一扁簧元件188和第二扁簧元件190的相应的自由内边缘196、198，并与之间隔开。在图示实施例中，第一面200和第二面202在沿着轴线A-A的方向上由具有预定长度的相应间隙204、206与相应的第一扁簧元件188和第二扁簧元件190的相应自由内边缘196、198隔开。

优选地，只有第一扁簧元件188和第二扁簧元件190中的每一个的外边缘192、194与机电发电机2的任何其他部分接触。第一扁簧元件188和第二扁簧元件190各具有面向磁芯组件40的内表面208、210，并且每个内表面的周围部分212、214接触磁芯组件40。每个内表面208、210的周围部分212、214接触磁芯组件40的直立周围边缘216、218。

可运动磁芯组件40与线圈12之间的高度磁耦合，以及可运动磁芯组件40的高质量(mass)，使得谐振频率能够容易地被精确地调谐到期望值，并且还允许在可运动磁芯组件40的谐振振荡期间向其施加高的自回复力，以使得振荡的振幅被最小化。由于振幅受到限制，弹簧102、104仅在非常小的程度上变形，完全在其线性弹簧特性范围内。通常，在正常操作下，最大振幅小于约1毫米。

弹簧102、104往回朝向中央平衡位置偏置磁芯组件40，当机电发电机2受到具有沿着轴线A-A的至少一个分量的施加的机械力，特别是机械振动时，磁芯组件40能够沿着轴线A-A轴向而运动。弹簧102、104在侧向即径向方向上具有高刚度，从而基本上防止磁芯组件40的非轴向运动。

发电机2被构造为使得磁芯组件40的质量体被允许相对于桅杆4在平衡点附近振荡，振荡振幅不超过预定阈值振幅，而包括第一扁簧元件188和第二扁簧元件190的有弹力的装置186在偏置装置100与质量体之间不变形，即挠曲。因此，在这种“正常操作”的情形下，当质量体的振荡振幅不超过特定的或预定的阈值振幅时，有弹力的装置186不会引起发电机2的任何功率损失。

然而，发电机2被构造为使得当振荡振幅超过预定阈值振幅时，例如当它受到严重冲击时，有弹力的装置186就会在偏置装置100与质量体之间变形，即挠曲，以充当限制振荡振幅的限制器。因此，根据本发明的优选实施例的机电发电机2在可能遭受偶然的严重冲击的环境中特别有用。

第一扁簧元件188和第二扁簧元件190分别撞击第一间隔件178和第二间隔件180，以提供振幅限制。第一间隔件178和第二间隔件180提供了这样的优势：即，间隔件178、180与扁簧元件188、190之间的初始间隙204、206可以被精确地设定。因此，第一间隔件178和第二间隔件180可以用作相应的第一板簧102和第二板簧104与桅杆4之间的垫片，以限定第一间隔件178和第二间隔件180与第一扁簧元件188和第二扁簧元件190之间的预定距离。此外，第一扁簧元件188和第二扁簧元件190抵靠第一间隔件178和第二间隔件180的振幅限制运动，使得滑动运动被避免或最小化，这使得磨损被消除或最小化。第一扁簧元件188和第二扁簧元件190可以由磷青铜制成，第一间隔件178和第二间隔件180可以由钢制成。这些材料可以向扁簧元件188、190提供所需的高弹簧常数，其优选高于第一板簧和第二板簧102的弹簧常数。

机电发电机2可以设置在壳体中，该壳体可以气密密封以保护机电发电机2的机械和电气零件。壳体的内部容积中可以包括惰性气体。

机电发电机2使用谐振质量体弹簧布置。如果机电发电机2受到使其沿着方向A-A运动的外部振动源的作用，那么磁芯组件40包括惯性质量体，该惯性质量体可以相对于桅杆4也沿着方向A-A运动。在这样做时，弹簧102、104沿轴向变形，并且对包括静态电线圈12和可运动磁芯组件40的阻尼器做功，该阻尼器产生磁通量区域，电线圈12设置在该磁通量区域内。电线圈12在磁通量中的运动导致在电线圈12中感应出电流，该电流可以用作驱动外部装置(未示出)的电源。

由于增大了磁耦合，通过增大电输出，装置的操作带宽可以大大增加。这反过来又极大地增强了该装置用于许多新能源采集应用的能力。

在机电发电机2中可以采用简单的板簧102、104。这提供了可靠和简单的结构来防止磁芯组件40上的侧向移动，具有低摩擦并避免复杂、繁杂和/或昂贵的制造技术。所得结构坚固而紧凑。由于板簧102、104经受非常低的变形振幅，它们的机械性质不是特别关键，因为它们永远不会变形到接近其直线弹性移动的机械极限的任何程度，因此它们可以相应地具有相对常规的品质，并且因此具有低的部件成本。

在本发明优选实施例的机电发电机中，通过用金属磁芯组件填充装置壳体的几乎所有内部空间，可以获得高的运动质量(mass)。可以实现这点至少部分是因为磁芯组件相对两端处的扁簧是体积高效的。此外，高品质来自于这样的事实，即磁芯组件的“封闭”结构泄漏非常少的通量，因此在静止壳体的周围材料中几乎没有涡流。因此，在运动中的磁芯组件与壳体之间需要保持很小的空隙，从而允许更高的运动质量。高磁耦合还来自磁芯组件的封闭性质，在这种封闭性质下，几乎没有磁通量泄漏，几乎所有的磁通量都通过线圈。

如所附权利要求中定义的本发明的其他修改和实施例对于本领域技术人员来说是显而易见的。

在所附权利要求中定义的发明在这里被称为发明A。发明A的任何方面可以与如下面在许多条款中所描述的发明B、C和D中的任何方面相结合。为避免疑问，发明A的任何权利要求在权利要求中结合发明B、发明C和发明D中的任何一项或更多项的任何条款或条款组合进行公开。

发明B

1.一种用于将机械振动能转换成电能的机电发电机，该机电发电机包括：中央桅杆；固定安装到桅杆上的导电线圈组件，该线圈组件至少部分地围绕桅杆；线圈组件的安装件，该安装件从线圈组件沿径向向内延伸并将线圈组件固定到桅杆上，其中该安装件包括在线圈组件与桅杆之间延伸的锥形壁；磁芯组件，其可运动地安装到桅杆上，用于在轴线上的平衡位置附近沿着轴线进行直线振动运动，磁芯组件至少部分地围绕线圈组件和桅杆；以及，偏置装置，其安装在桅杆与磁芯组件之间，以沿着轴线朝着平衡位置在相互相反的方向上偏置磁芯组件。

2.根据条款1所述的机电发电机，其中锥形壁具有相对的第一端和第二端，第一端的直径小于第二端，第一端安装在桅杆上，第二端安装在线圈组件上。

3.根据条款2所述的机电发电机，其中，安装件还包括与第一端成一体的内壁，内壁是弓形的，并且围绕桅杆中间部分的圆周的至少一部分装配。

4.根据前述条款中任一项所述的机电发电机，其中锥形壁与环形线圈支承件成一体。

5.根据条款4所述的机电发电机，其中环形线圈支承件包括连接到锥形壁的径向定向的内壁。

6.根据前述条款中任一项所述的机电发电机，其中锥形壁是由热塑性材料构成的模制体。

7.根据当从属于条款5时的条款6所述的机电发电机，其中模制体包括环形线圈支承件和锥形壁。

8.根据前述条款中任一项所述的机电发电机，其中锥形壁相对于轴线倾斜40至50度的角度。

9.根据条款8所述的机电发电机，其中锥形壁相对于轴线倾斜的角度为约45度。

10.根据前述条款中任一项所述的机电发电机，其中锥形壁的中央部分基本上位于桅杆的沿轴向方向的中间位置。

11.根据前述条款中任一项所述的机电发电机，其中磁芯组件包括沿轴线间隔开的两个相对磁路。

12.根据前述条款中任一项所述的机电发电机，其中磁芯组件包括：沿轴线间隔开的一对磁体，磁体的具有第一同名极性的磁极彼此面对，磁体的具有第二同名极性的磁极彼此背离；以及铁磁体，铁磁体接触并磁耦合到磁体的彼此背离的磁极，该铁磁体相对于轴线从磁体沿径向向外延伸。

13.根据条款12所述的机电发电机，其中所述铁磁体是管状的，并且在其每一端具有径向向内延伸的臂，在每个臂上安装有相应的磁体。

14.根据条款12或条款13所述的机电发电机，其中铁磁体包括磁芯组件的径向外部部分和相对的端部部分，磁体包括磁芯组件的径向内部部分。

发明C

1.一种用于将机械振动能转换成电能的机电发电机，该机电发电机包括：中央桅杆；固定地安装到桅杆上的导电线圈组件，该线圈组件至少部分地围绕桅杆，该线圈组件具有径向内侧部和外侧部以及相对的第一边缘和第二边缘；用于线圈组件的安装件，该安装件从径向内侧部沿径向向内延伸并将线圈组件固定到桅杆上；磁芯组件，其可运动地安装到桅杆上，用于在轴线上的平衡位置附近沿着轴线进行直线振动运动，磁芯组件至少部分地围绕线圈组件和桅杆，其中磁芯组件包括：外芯，其包括在径向外侧封闭导电线圈组件的单件管状主体，第一端芯和第二端芯，其在外芯的相应第一端和第二端磁耦合到外芯，第一端芯和第二端芯径向向内延伸并封闭线圈组件的相应相对的第一边缘和第二边缘，其中(i)第一端芯和第二端芯二者都在外芯的相应第一端和第二端处装配并接触外芯，或者(ii)第一端芯和第二端芯中的一个在外芯的相应的第一端或第二端处装配并接触外芯，并且第一端芯和第二端芯中的另一个在外芯的相应的第一端或第二端处与外芯成一体，并且第一磁体和第二磁体沿轴线间隔开，其中第一磁体和第二磁体接触并磁耦合到相应的第一端芯和第二端芯，并且在第一磁体和第二磁体之间限定磁芯组件中的间隙，安装件延伸穿过该间隙。

2.根据条款1所述的机电发电机，其中管状主体的第一端和第二端包括在管状主体内侧上的凹部，并且第一端芯和第二端芯装配在管状主体的相应第一端和第二端的凹部中。

3.根据条款2所述的机电发电机，其中凹部具有沿着轴线背离平衡位置的横向安装表面和面向轴线的纵向安装表面，并且相应的第一端芯和第二端芯的径向和周向表面分别装配到横向安装表面和纵向安装表面。

4.根据前述条款中任一项所述的机电发电机，其中管状主体是圆柱形的。

5.根据前述条款中任一项所述的机电发电机，其中第一端芯和第二端芯是圆形的，每个端芯具有装配到外芯的内周向表面的外周向表面和围绕桅杆的中心孔。

6.根据前述条款中任一项所述的机电发电机，其中第一端芯和第二端芯包括板。

7.根据前述条款中任一项所述的机电发电机，还包括分别装配到第一端芯和第二端芯的第一定位器元件和第二定位器元件，第一定位器元件和第二定位器元件各自朝向安装件延伸，并且第一定位器元件和第二定位器元件各具有与相应的第一磁体和第二磁体的表面接合的定位表面。

8.根据条款7所述的机电发电机，其中，第一定位器元件和第二定位器元件被装配到相应的第一端芯和第二端芯的装配表面，装配表面面向轴线。

9.根据条款7或条款8所述的机电发电机，其中第一定位器元件和第二定位器元件的定位表面装配到相应的第一磁体和第二磁体的侧表面，该侧表面面向轴线。

10.根据前述条款中任一项所述的机电发电机，其中磁芯组件包括沿轴线间隔开的两个相对磁路。

11.根据前述条款中任一项所述的机电发电机，其中第一磁体和第二磁体的具有第一同名极性的磁极彼此面对，并且第一磁体和第二磁体的具有第二同名极性的磁极彼此背离。

12.根据前述条款中任一项所述的机电发电机，其中第一端芯和第二端芯和外芯包括磁耦合到第一磁体和第二磁体的铁磁体。

发明D

1.一种用于将机械振动能量转换成电能的机电发电机，该机电发电机包括：中央桅杆；固定地安装到桅杆上的导电线圈组件，该线圈组件至少部分地围绕桅杆；线圈组件的安装件，该安装件从线圈组件沿径向向内延伸并将线圈组件固定到桅杆上；磁芯组件，该磁芯组件可运动地安装到桅杆上，用于在轴线上的平衡位置附近沿着轴线进行直线振动运动，磁芯组件至少部分地围绕线圈组件和桅杆；偏置装置，其安装在桅杆与磁芯组件之间，以沿着轴线朝向平衡位置在相互相反的方向上偏置磁芯组件，偏置装置包括一对第一板簧和第二板簧，第一板簧和第二板簧各具有分别装配到桅杆的相对的第一端和第二端的内边缘和装配到磁芯组件的外边缘，第一板簧的外边缘装配到磁芯组件的第一端部，第二板簧的外边缘装配到磁芯组件的第二端部，其中第一板簧和第二板簧各包括弹簧构件，该弹簧构件包括基本上正交于轴线并包括相应内边缘的内部部分，以及基本上平行于轴线并包括相应外边缘的圆柱形外部部分，弹簧构件是折曲片弹簧，并且内部部分和外部部分通过折曲部而相互连接。

2.根据条款1所述的机电发电机，其中每个外边缘装配到磁芯组件的外周向表面。

3.根据条款2所述的机电发电机，其中每个外边缘被推压装配到磁芯组件的外周向表面上。

4.根据前述条款中任一项所述的机电发电机，其中第一板簧和第二板簧中的每一个的内边缘通过内边缘与桅杆之间的铆接接头而装配到桅杆上。

5.根据前述条款中任一项所述的机电发电机，还包括一对第一间隔件和第二间隔件，第一间隔件装配在第一板簧与桅杆的第一表面之间，第二间隔件装配在第二板簧与桅杆的第二表面之间，第一表面和第二表面分别位于桅杆的相对的第一端和第二端。

6.根据前述条款中任一项所述的机电发电机，其中内部部分是大致圆形的。

7.根据条款6所述的机电发电机，其中，内部部分具有邻近折曲部的外周向部分、邻近内边缘的内周向部分、以及将外周向部分和内周向部分连接在一起的至少三个臂，各个臂围绕轴线相互间隔开，并且每对相邻的臂由其间的相应开口分开。

8.根据条款7所述的机电发电机，其中各个臂围绕轴线等间距地相互间隔开。

9.根据条款7或条款8所述的机电发电机，其中每个臂包括连接到外周向部分的径向外部部分、连接到径向外部部分的中间周向部分、以及连接在中间周向部分与内周向部分之间的径向内部部分。

10.根据条款7至9中任一项所述的机电发电机，其中每个开口包括邻近外周向部分的外周向区域、连接到外周向区域的中间径向区域、以及连接到中间径向区域并邻近内周向部分的内周向区域。

11.根据条款7至10中任一项所述的机电发电机，其中每个开口在外部开口端与内部开口端之间延伸，各开口端中的每一个与各开口的相邻部分相比具有扩大的宽度。

12.根据条款7至11中任一项所述的机电发电机，其中正好有三个臂并且正好有三个开口。

13.根据条款7至12中任一项所述的机电发电机，其中各个臂具有相同的形状和尺寸。

14.根据条款7至13中任一项所述的机电发电机，其中各个开口具有相同的形状和尺寸。

15.根据前述条款中任一项所述的机电发电机，还包括安装在偏置装置与磁芯组件之间的有弹力的装置，该有弹力的装置被构造为当磁芯组件通过直线振动运动离开平衡位置移动预定的非零阈值振幅时，在偏置装置与磁芯组件之间变形，该有弹力的装置包括一对第一扁簧元件和第二扁簧元件，第一扁簧元件和第二扁簧元件各具有外边缘和自由内边缘，该外边缘装配到磁芯组件上，该自由内边缘从桅杆沿径向向外间隔开，并且从相应的第一板簧和第二板簧沿轴向向内间隔开，第一板簧元件的外边缘装配到磁芯组件的第一端部，第二板簧元件的外边缘装配到磁芯组件的第二端部。

16.根据当从属于条款5或其任何相关条款时的条款15所述的机电发电机，其中第一间隔件和第二间隔件从桅杆沿径向向外延伸，并限定相应的第一面和第二面，第一面和第二面各定向为在沿着轴线的方向上向内朝向相应的第一扁簧元件和第二扁簧元件的相应自由内边缘，并与该自由内边缘间隔开。

17.根据条款16所述的机电发电机，其中，第一面和第二面在沿着轴线的方向上以具有预定长度的相应间隙而与相应的第一扁簧元件和第二扁簧元件的相应自由内边缘间隔开。

18.根据条款15至17中任一项所述的机电发电机，其中只有第一扁簧元件和第二扁簧元件中的每一个的外边缘与机电发电机的任何其他部分接触。

19.根据条款18所述的机电发电机，其中第一扁簧元件和第二扁簧元件各具有面向磁芯组件的内表面，并且每个内表面的周围部分接触磁芯组件。

20.根据条款19所述的机电发电机，其中每个内表面的周围部分接触磁芯组件的直立周围边缘。

21.根据前述条款中任一项所述的机电发电机，其中磁芯组件包括沿轴线间隔开的两个相对磁路。

22.根据前述条款中任一项所述的机电发电机，其中磁芯组件包括：一对沿轴线间隔开的磁体，磁体的具有第一同名极性的磁极彼此面对，磁体的彼此背离的磁极具有第二同名极性；以及铁磁体，其接触并磁耦合到磁体的彼此背离的磁极，该铁磁体相对于轴线从磁体沿径向向外延伸。

23.根据条款22所述的机电发电机，其中铁磁体是管状的，并且在其每一端具有径向向内延伸的臂，在每个臂上安装有相应的磁体。

24.根据条款22或条款23所述的机电发电机，其中铁磁体包括磁芯组件的径向外部部分和相对的端部部分，磁体包括磁芯组件的径向内部部分。

Claims (17)

1.一种用于将机械振动能转换成电能的机电发电机，所述机电发电机包括：

中央桅杆，

固定地安装在所述桅杆上的导电线圈组件，所述线圈组件至少部分围绕所述桅杆，

所述线圈组件的安装件，其从所述线圈组件沿径向向内延伸并将所述线圈组件固定到所述桅杆上，

磁芯组件，其可运动地安装到所述桅杆上，用于在轴线上的平衡位置附近沿着所述轴线进行直线振动运动，所述磁芯组件至少部分地围绕所述线圈组件和桅杆，

偏置装置，其安装在所述桅杆与所述磁芯组件之间，以将所述磁芯组件沿着所述轴线在相互相反的方向上朝向所述平衡位置偏置，所述偏置装置包括一对第一板簧和第二板簧，所述第一板簧和第二板簧各具有分别装配到所述桅杆的相对的第一端和第二端的内边缘和装配到所述磁芯组件的外边缘，所述第一板簧的所述外边缘装配到所述磁芯组件的第一端部，所述第二板簧的所述外边缘装配到所述磁芯组件的第二端部，以及

有弹力的装置，其安装在所述偏置装置与所述磁芯组件之间，所述有弹力的装置被构造为当所述磁芯组件通过所述直线振动运动远离所述平衡位置移动预定的非零阈值振幅时，在所述偏置装置与所述磁芯组件之间变形，所述有弹力的装置包括一对第一扁簧元件和第二扁簧元件，所述第一扁簧元件和第二扁簧元件各具有外边缘和自由内边缘，所述外边缘装配到上述磁芯组件上，所述自由内边缘从上述桅杆沿径向向外间隔开，并且从所述相应的第一板簧和第二板簧沿轴向向内间隔开。

2.根据权利要求1所述的机电发电机，其中，所述第一板簧和所述第二板簧各包括弹簧构件，所述弹簧构件包括基本正交于所述轴线并包括相应内边缘的内部部分，以及基本平行于所述轴线并包括相应外边缘的圆柱形外部部分。

3.根据权利要求2所述的机电发电机，其中所述弹簧构件是折曲片弹簧，并且内部部分和外部部分通过折曲部而相互连接。

4.根据权利要求2或权利要求3所述的机电发电机，其中每个外边缘装配到所述磁芯组件的外周向表面。

5.根据权利要求4所述的机电发电机，其中每个外边缘被推压装配到所述磁芯组件的外周向表面上，并通过弹性装配而装配到所述外周向表面上。

6.根据前述权利要求中任一项所述的机电发电机，还包括一对第一间隔件和第二间隔件，所述第一间隔件装配在所述第一板簧与所述桅杆的第一表面之间，所述第二间隔件装配在所述第二板簧与所述桅杆的第二表面之间，所述第一表面和第二表面相应地位于所述桅杆的相对的第一端和第二端。

7.根据权利要求6所述的机电发电机，其中，所述第一间隔件和第二间隔件从所述桅杆沿径向向外延伸，并限定相应的第一面和第二面，所述第一面和第二面各被定向为沿着所述轴线的方向向内朝向相应的第一扁簧元件和第二扁簧元件的相应的自由内边缘，并与所述相应的自由内边缘间隔开。

8.根据权利要求7所述的机电发电机，其中，所述第一面和第二面沿着所述轴线的方向以具有预定长度的相应间隙而与相应的第一扁簧元件和第二扁簧元件的相应自由内边缘间隔开。

9.根据前述权利要求中任一项所述的机电发电机，其中只有所述第一扁簧元件和第二扁簧元件中的每一个的外边缘与所述机电发电机的任何其他部分接触。

10.根据权利要求9所述的机电发电机，其中，所述第一扁簧元件和第二扁簧元件各具有面向所述磁芯组件的内表面，并且每个内表面的周围部分接触所述磁芯组件。

11.根据权利要求10所述的机电发电机，其中每个内表面的周围部分接触所述磁芯组件的直立周围边缘。

12.根据前述权利要求中任一项所述的机电发电机，其中，所述第一扁簧元件和第二扁簧元件中的每一个的外边缘通过被弹簧推压而装配到所述磁芯组件，从而被牢固地固持在抵靠所述磁芯组件的位置。

13.根据前述权利要求中任一项所述的机电发电机，其中，所述第一板簧和第二板簧中的每一个的内边缘通过在所述内边缘与所述桅杆之间的铆接接头而装配到所述桅杆上。

14.根据前述权利要求中任一项所述的机电发电机，其中所述磁芯组件包括沿所述轴线间隔开的两个相对磁路。

15.根据前述权利要求中任一项所述的机电发电机，其中所述磁芯组件包括：沿所述轴线间隔开的一对磁体，所述磁体的具有第一同名极性的磁极彼此面对，所述磁体的彼此背离的磁极具有第二同名极性；以及，铁磁体，其接触并磁耦合到所述磁体的彼此背离的磁极，所述铁磁体相对于所述轴线从所述磁体沿径向向外延伸。

16.根据权利要求15所述的机电发电机，其中所述铁磁体是管状的，并且在其每一端具有径向向内延伸的臂，在每个臂上安装有相应的磁体。

17.根据权利要求15或权利要求16所述的机电发电机，其中所述铁磁体包括所述磁芯组件的径向外部部分和相对的端部部分，并且所述磁体包括所述磁芯组件的径向内部部分。

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