CN113169578A - 使用可变电感磁通量开关采集机械能的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种机械能到电能转换的方法结合使用机械弹簧(22)与快速动作的可变电感磁通量开关以将弹簧承载的机械能转换成由磁通量开关内的电线圈元件(32)捕获的磁通量的变化。线圈电感和磁通量的变化感应出电流以可存储的电能脉冲的形式流过所述电线圈。所述电线圈(32)耦接到所述机械弹簧(22)，使得每次释放弹簧时，线圈相对于磁芯(28)移动并且产生磁通量的变化。施加外部机械力(例如人体运动)的作用是压缩并随后“解锁”机械开关，从而实现对与施加非周期性力相关联的电能的采集。

Description

使用可变电感磁通量开关采集机械能的方法和设备

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年10月16日提交的美国临时申请第62/745,993号的优先权，前述在先申请以引用的方式纳入本文。

技术领域

本发明涉及机械能的采集、特别是涉及使用可变电感磁通量开关将机械能(例如弹簧力)转换成电能，该电能可被存储以用于以后需要时使用。

背景技术

当前，大多数自立和移动电子系统由电化学电池供电。尽管在过去的二十年中电池质量有了显著改善，但其能量密度并未有很大的提高。当前，诸如成本、重量、有限的服务时间和一次性废物问题(所有这些都是用于制造电池的材料所固有的)之类的因素阻碍了许多领域的电子器件的发展。该问题在便携式电子器件领域尤其严重，在便携式电子器件领域中，移动电子设备的快速发展的性能和复杂性导致电化学电池无法满足其日益增长的电力需求。

可以大大减轻当今对电化学电池的依赖的技术之一就是大功率能量采集。能量采集的概念致力于开发不需要可更换电源的自供电装置。在需要高机动性和大功率输出的情况下，将机械能转换为电能的采集器尤其有前途，因为它们可以利用各种高功率密度的能源，包括机械振动、人体运动和机器运动等。

机械能的大功率采集是一个公认的概念，但由于缺乏可行的能量采集技术，过去尚未将其商业化。现有的机械能-电能的能量转换方法、例如电磁、压电或静电不能有效地直接耦合到大多数高功率环境机械能量源。需要大而昂贵的机械或液压换能器，以将自然界中通常遇到的广泛的非周期性力和位移转换为可使用这些方法转换的形式。因此，任何能有效地耦合到广泛的力和位移的机械能-电能转换方法都将是非常有益的，因为它将允许能量采集扩展到更广泛的环境中。许多实际应用将受益于这种能量转换方法，包括例如下肢和上肢假体装置、从包括人体移动在内的人体运动中采集能量、物联网装置等。

发明内容

本发明解决了本领域中还需应对的需求，本发明涉及机械能的采集、特别是涉及可变电感磁通量开关的使用，其中，响应于弹簧承载的电线圈穿过磁场的运动而产生磁通量。

如下文详细描述的，本发明涉及一种使用本发明的设备进行机械能-电能转换的方法，所述设备包括机械能储存装置(例如机械弹簧)，该机械能储存装置与快速动作的可变电感磁通量开关结合使用，以将弹簧承载的机械能转换为磁通量的变化，然后将磁通量的变化转换为可以储存的电能脉冲。

在本发明的示例性实施例中，可变电感磁通量开关包括可移动线圈和固定磁芯。机械弹簧用于控制线圈相对于磁芯的运动，以改变线圈电感以及由线圈捕获的磁通量，磁通量和电感的变化会感应出流过线圈的电流，该电流以脉冲形式离开线圈。

各种实施例可以使用单个磁芯元件或一对相反极化的磁芯元件来控制通过机械弹簧的作用而采集的能量的量。提出并使用了用于解锁和重新锁定机械弹簧的不同装置，以允许在不需要单独的过程来重新启动随后的能量采集循环的情况下进行能量采集。换句话说，一旦弹簧位移或力超过某个预定值，则通过可复位的开关机构来自启动致动过程。

本发明的一个方面是，如下文详细描述的，可变电感磁通量开关的使用提供了与广泛的力和位移的有效耦合。

根据本发明实施的方法允许多种当前不可使用的机械能来源参与转换成电能的过程。本发明的方法特别适合于从以具有较大力和较小位移的相对较慢的非周期性运动为特征的来源中提取能量，例如在人体运动和假体下肢装置中遇到的那些。

本发明的一个示例性实施例采用了一种用于从与机械能相关的运动中采集电能的设备的形式，所述设备包括设置在壳体内的机械弹簧；以及位于壳体的开放的中央区域内的可变电感磁通量开关。所述可变电感磁通量开关自身形成为包括固定磁芯部件和设置成围绕固定磁芯部件的可移动电线圈子组件。所述可移动电线圈子组件以使得所述机械弹簧的运动也提供电线圈子组件的运动的方式耦接到所述机械弹簧。柱塞设置在所述固定磁芯部件与所述可移动电线圈子组件的组合之上，其中，所述柱塞响应于施加的外力而使所述可变电感磁通量开关向下移动并进入所述壳体，且压缩所述机械弹簧。所述设备还包括弹簧锁机构，所述弹簧锁机构用于在所述机械弹簧处于压缩状态时释放机械弹簧，从而提供所述机械弹簧和耦接的电线圈子组件的运动，其中，所述电线圈子组件相对于所述固定磁芯的运动使得由电线圈子组件捕获的磁通量产生变化并改变线圈子组件电感，且感应出电流作为设备的输出储存。

本发明的另一个实施例可定义为一种从机械运动采集电能的方法，所述方法包括下述步骤：(1)提供可变电感磁性开关，其包括固定磁芯部件和设置成围绕所述固定磁芯部件的可移动电线圈子组件；(2)提供耦接到所述可移动电线圈的机械弹簧；(3)在耦接的机械弹簧和所述可移动电线圈上施加力以压缩所述机械弹簧；(4)解锁压缩的机械弹簧以引起释放的机械弹簧和耦接的电线圈子组件运动，其中，所述电线圈子组件相对于所述固定磁芯的运动使得由所述电线圈子组件捕获的磁通量产生变化并改变线圈电感，从而感应出流过所述电线圈子组件的电流。

本发明的另一个实施例涉及一种用于将机械能转换为电能以用于向相关的假体或矫形装置供电的系统，所述系统包括机械弹簧；以及可变电感磁通开关，所述可变电感磁通量开关包括固定的磁芯部件。可移动电线圈子组件以使得由相关联的假体或矫正装置引起的机械弹簧的运动也提供电线圈子组件的运动的方式耦接至所述机械弹簧。提供了一种弹簧锁机构，其用于在所述机械弹簧的压缩状态下释放机械弹簧，从而提供所述机械弹簧和耦接的电线圈子组件的运动，其中，所述电线圈子组件相对于所述固定磁芯的运动改变线圈电感并使得所述电线圈子组件捕获的磁通量产生变化，且感应出电流以用于向相关的假体或矫形装置供电。

经参考附图，本发明的其他和进一步的实施例在下文的讨论过程中将变得显见。

附图说明

现参考附图，其中在各个视图中相同的附图标记表示相同的部分：

图1是根据本发明形成的机械能采集设备的外观图；

图2是图1的设备的剖视图；

图3是形成图1和图2所示的设备的各种部件的分解图；

图4示出了在被施加外力之前，处于其初始“非工作”状态的本发明的能量采集设备；

图5示出了使用本发明的设备的过程中接下来的步骤，其中，向所述设备施加外力；

图6示出了处于所述过程中某时间点的设备，其中，包括在能量采集设备内的机械弹簧被完全压缩；

图7是本发明的设备的磁通量开关部分的简化图，示出了当压缩弹簧“解锁”时电线圈相对于磁芯的相对运动；

图8示出了本发明的设备接下来的位置，其中，机械弹簧已被完全解压缩；

图9示出了接下来某时间点的设备，其中，所述外力已被移除；

图10示出了本发明的另一个实施例，称为“双芯”实施例，包括使用一对磁芯元件；

图11示出了在图10的双芯能量采集设备上施加外力和在其上的锁帽的运动；

图12示出了图10和图11所示的双芯实施例的磁通量开关部分的初始状态；

图13示出了双芯磁通量开关接下来的状态，其中，电线圈朝着顶部/底部构造的顶部芯运动；

图14示出了处于所述过程中某时间点的双芯构造的磁通量开关，其中，电线圈与顶部磁芯对正；

图15示出了电线圈的持续向下运动以及随着线圈远离顶部磁芯移动所捕获的磁通量的减少；

图16示出了在所述过程中的某个时间点电线圈开始与底部磁芯相互作用，示出了基于相反定向的底部磁芯的磁通的反转；

图17示出了电线圈朝着底部磁芯的继续运动，示出了磁通量的增加；

图18示出了在接下来的时间点中电线圈与底部芯对正；

图19示出了在接下来的时间中电线圈正从底部磁芯移开，减少了由线圈捕获的磁通量；

图20示出了示例性能量采集循环的结束，其中，电线圈移出了由底部磁芯产生的磁通的范围；

图21示出了双芯实施例的替代构造，在这种情况下，磁塞被永久地固定到铁磁壳的顶表面和底表面，在铁磁壳内电线圈相对于磁芯运动；

图22示出了根据本发明原理的示例性机械锁构造的第一位置，所述机械锁构造可用于控制压缩的机械弹簧的释放；

图23示出了当帽旋转时机械锁的中间位置；

图24示出了机械锁的最终位置(即，处于“解锁”状态)，其中，锁销被释放并且机械弹簧自由地返回其初始位置；

图25示出了本发明的又一实施例，在这种情况下，其包括由多个双芯组件形成的多芯结构；

图26示出了本发明的采集设备与假足装置结合使用的应用，其中，所述设备向假足装置提供电力；

图27示出了本发明的采集设备与假体下肢结合使用的应用；

图28示出了本发明的采集设备的一种应用，在这种情况下，所述采集设备与假体下肢和假足装置一起使用并定位在假体下肢与假足装置之间；

图29示出了图26所示的应用的替代方案，在这种情况下，本发明的采集设备被集成到假足装置内以形成假足装置的一部分；

图30示出了图27所示的应用的替代方案，在这种情况下，本发明的采集设备被集成到假体下肢内以形成假体下肢的一部分；

图31包含示出了由本发明的机械能采集设备的单芯实施例所产生的电力的示例性结果的曲线图；以及

图32包含示出了由本发明的机械能采集装置的双芯实施例所产生的电力的示例性结果的曲线图。

具体实施方式

如上所提及和下文将详细描述的，本发明涉及一种用于从机械能采集电能的设备和方法，所述设备和方法利用由位于中心的磁芯和设置成围绕磁芯的电线圈形成的磁通量开关。机械弹簧附接到支撑电线圈的结构，并在被压缩时积蓄机械能。当克服使弹簧处于压缩状态的张力时(即弹簧“解锁”)，电线圈相对于磁芯纵向平移。电线圈相对于固定磁芯的运动足以改变由线圈捕获的磁通量，因此感应出在线圈内流动的电流。然后可根据需要立即使用此电流(通常为脉冲形式)，或将其存储在电池/电容器中，以供以后的使用。

本发明的设备操作时施加外力以压缩机械弹簧，随后“解锁”压缩的弹簧以启动电线圈的运动。因此，可预期涉及具有最小位移的高幅度的力的相对缓慢且非周期性的运动能够控制本发明的设备并响应于该运动而产生电能。确实，可以预期，人体的运动是一种可被施加到机械弹簧上以启动本发明设备的操作的示例性机械力。除了由穿过线圈区域的磁通量变化而感应出的电流之外，线圈的电感的变化作为线圈相对于磁芯运动的函数，是也能够感应出流过线圈的电流的第二种机制。

图1是根据本发明的一个示例性实施例形成的示例性能量采集设备10的外观图，图2是示出了用于在设备10内形成可变电感磁通量开关的各种内部部件的剖视图。参照图1，能量采集设备10示出为包括可被施加外部致动力F的柱塞12以及包围将在下文详细讨论的设备的其余部件的壳体14。如图所示，柱塞12包括圆柱形的基础元件16和位于基础元件16上方的板18。柱塞12构造成以使得施加到柱塞12上的外力将柱塞12向下压入壳体14中的方式在壳体14的中央开口中上下移动。如下文将详细讨论的，柱塞12提供弹簧承载的机械力，该力随后被克服，使得柱塞12通过弹簧作用沿相反的方向从壳体14中移出。正是这之后的柱塞12的运动感应出电流，该电流如图所示离开壳体14，并由外部电能储存装置20(其可包括电容器或其他合适的装置)采集。一次又一次地向下按压柱塞12，其运动的每一个动作都感应出流过所包括的线圈的电流。

图2呈现了设备10的剖视图，示出了柱塞12和壳体14以及机械弹簧22和可变电感磁通量开关24(为了简洁起见，在下文中称为“磁通量开关24”)。图3是设备10内的各个部件的分解图，其中，参照图2和图3有利于理解由设备10提供能量采集的方法。通常，根据本发明的原理，通过磁通量开关24的作用来进行能量采集，以将机械弹簧22的运动转换成电能，该电能可被储存(例如，使用如图1所示的储存装置20)，然后根据需要取出。

参照图2和图3，机械弹簧22示出为设置在壳体14内，以围着壳体14的外壁的内周14-i，并且允许组件的内部保持空置，以用于随后定位磁通量开关24的各个部件。图2和图3所示的本发明的特定实施例使用“磁力锁”来控制机械弹簧22的释放。在这个实施例中包括内壁段15(与壳体14同心)，所述内壁段15用作磁力锁动作的元件(下文将结合图6和图7进行更详细的说明)。

继续参照图2和图3，磁通量开关24本身示出为包括圆柱形铁磁壳26，所述铁磁壳形成为包括位于中心的磁芯28(其包括永磁体部件)。壳26还包括邻近其外壁定位的沟槽30，如下文所描述的，沟槽30的尺寸设置成容纳磁通量开关24的其余部件而使得这些部件可在壳26的沟槽30内在弹簧22的运动的控制下上下移动。

磁通量开关24的其余部件包括可移动子组件31，所述子组件包括布置在一对铁磁环34、36之间的电线圈32。所述子组件31位于沟槽30内，并且能够沿沟槽30上下移动(随着机械弹簧22的移动而移动，如下所述的)。铁磁锁板38和多个竖直附接销39包括用于线圈32和环34、36的物理支撑，并且终止为被壳26吸引(从而能够从壳26脱离)的圆形铁磁盘。最佳如图2中所示，锁板38朝向壳体14的外围向外延伸，以使得至少覆盖机械弹簧22。因此，锁板38的向下运动(经由附接的柱塞12)起到将机械弹簧22压缩到壳体14与内壁段15之间的空间中的作用。

根据本发明的这个特定实施例，锁板38和壳26之间的磁性附接形成了磁性锁定机构。如将在下文讨论的，锁板38和内侧壁15之间的接触起到使锁板38与壳26脱离的作用，使得压缩的机械弹簧22被“解锁”并被允许返回到其未压缩状态。

还在图2中示出了在壳26下方设置在壳体14的中央区域内的复位弹簧40。如下文将所描述的，根据本发明，复位弹簧40(或类似的机构)用于复位柱塞12的位置，以在能量转换周期结束时使其延伸到壳体14上方，从而柱塞12自动地就位以开始下一个机械能采集周期。

图4-9示意性地示出了本发明的设备的这个示例性实施例用于将机械能转换为电能的操作。所述设备以五个操作阶段显示，列出如下：图4示出了处于“准备”进行致动状态的设备10(即，在将外力施加到柱塞12之前)；图5示出了处于“机械力”产生状态的设备10(即，向柱塞12施加外力以压缩弹簧22)；图6示出了处于弹簧“完全压缩”状态的设备10，此时，弹簧22被首先解锁；图7示出了初始释放状态(即，机械弹簧22开始返回其初始状态，使壳26的沟槽30内的子组件31向上移动并且远离磁芯28)；图8示出了完全释放状态；以及图9示出了去除外力的最后步骤，允许复位弹簧40将柱塞12移动返回至其初始位置。将在下文详细讨论每种操作状态的细节、特别是当其影响由线圈32捕获的磁通量变化时的细节。

首先参照图4，设备10示出为处于所述初始状态，没有外力施加到柱塞12。在这个视图中示出了穿过磁芯28的磁场方向，磁通线如图所示围绕电线圈32环绕。只要不施加外力，并且弹簧22在其位于壳体14与锁板38之间的位置保持完全展开，则捕获的磁通量保持恒定。在这个初始状态下，电线圈32被限定为具有最大磁通量和最大电感。由于总磁通量的大部分流过柱塞12，这使得柱塞12被牢固地吸引到壳26。如上所述，这种吸引能够实现磁锁定作用，从而保持柱塞12附接于壳26。

图5示出了本发明的方法中从机械能采集电能的下个步骤。如图所示，外力F施加到柱塞12，所述外力开始压缩弹簧22，从而开始积蓄机械能。在此时，锁板38仍与壳26接合(经由两个元件之间的磁引力)。只要板38和壳26保持结合，线圈32和磁芯28之间就不会发生相对运动，因此线圈32捕获的磁通量也不会发生变化。因此，在过程中的这个时间点还没有任何电能的产生，只有机械能的持续积蓄。

图6示出了在过程中的某时间点，机械弹簧22在壳体14的外部与内壁段15之间的空间中被完全压缩，而锁板38仍然阻止机械弹簧22的释放。如图所示，在外力的持续作用下，锁板38现在与内壁段15的上表面连接，该内壁段的上表面起到机械“止挡”的作用，阻止板38进一步向下移动。因此，由于继续施加外力到柱塞12，在某个时间点，这个力将克服板38与壳26之间的磁引力，导致壳26断开接触并继续向下移动。锁板38与壳26的分离起到“打开”磁力锁的作用，从而释放完全压缩的机械弹簧22。如下所示，该解锁允许子组件31(包括线圈32、塞34、36，板38和竖直附接销39)也将通过机械弹簧22的力在壳26的沟槽30内向上移动。

图7是在机械弹簧22的运动的控制下锁板38开始向上移动时的磁通量开关24的简化图。由于锁板38是包括线圈32的可移动子组件31的部件，因此，锁板38的向上移动还导致线圈32向上移动，从而开始偏移其相对于固定磁芯28的位置。因此，这两个元件之间的位置变化导致由线圈32捕获的磁通量的变化，从而感应出流过线圈32的电流。只要与线圈32相关的磁通量密度不断变化(即，当通过线圈32的向上运动线圈32与磁芯28继续分离时)，感应电流将持续产生。因此，根据本发明的教导，被压缩的机械弹簧22的解锁启动了将机械能转换为电能的过程，弹簧力使线圈32相对于磁芯28运动以感应出流过线圈32的电流。

在磁通量开关24被构造为具有足以允许线圈32从壳26中完全升出的运动范围的实施例中，一旦线圈32与壳26完全分离并远离其磁场，将不再有任何磁通量被线圈32捕获。此时线圈电感也降至其最低值(因为它不再嵌入壳26内)。如上所述，线圈电感的这种突然减小也产生了流过线圈32的电流。

特别地，电流将持续流动，直到锁板38与柱塞12(仍处于受力状态)接触为止，如图8所示。只要对这种配置结构持续施加外力，磁通量开关24就保持稳定，线圈32与磁芯28之间没有相对运动，因此不再产生电能。

在某个时间点，如图9所示，外力被去除并且复位弹簧40能够释放，从而将柱塞12和附接的壳26(包括相关的磁芯28)返回到初始位置。当壳26从图8的布置状态转变到图9的布置状态时，由于磁通量再次经历另一变化，则可产生附加电流。但是，在这个方向上线圈电感抵抗感应电流的流动方向，因此会产生较小强度的电流。设备可以无限期地保持在该状态，但是一旦将外力再次施加到柱塞12，就准备开始下一个采集周期。当用于采集非周期性的力时，能够保持在图9所示的状态是本发明的设备的一个优点。

总而言之，在电线圈32和铁磁塞34、36形成的子组件设置为在壳26的沟槽30内上下移动的情况下，电线圈32与磁芯28之间可实现的分离控制着能产生多少能量。在线圈32能够从壳26完全移离的构造中，将产生最大量的能量。

尽管就产生最大电能而言是最佳的，但是在制造中很难实现线圈32与壳26完全分离的要求。因此，该实施例的其他构造可以是优选的，其中，线圈32的运动受到一定限制(例如，线圈32没有完全离开壳26)。附加地，可以从构造中移除开关塞34、36，以简化制造过程。然而，省去塞34、36使得捕获的磁通量的变化不那么突然，其结果是在这种布置中产生的电能明显更少。

实际上，根据本发明的电能产生与两种不同的机制相关。如上所述，第一种机制是线圈32捕获的磁通量的变化。线圈32相对于磁芯28运动得越快，产生的电能越多。如上所述，产生电能的第二种机制是当线圈32被给予能量时其本身电感的相应减小。同样，减少得越快，产生的能量就越多。然而，如上所述，后一组分抵抗从图8的位置“返回”至图9位置的行程期间能量的产生。虽然磁通量仍会变化以感应出电流，但由于方向(sign)变化，线圈电感实际上会增加，从而抵抗能量的产生。

由于重置柱塞12的最后这些步骤限制了可能产生的能量的量，因此到目前为止讨论的本发明的实施例可能并不特别适合于在机械部件(弹簧)的振荡运动可获得且可用于能量采集的系统中支持能量的产生。也就是说，如果在图4-9所示的状态对应的单个运动周期内不能将所有可获得的机械能转换为电能，则未使用的机械能(即，弹簧22附加的振荡)将作为热量消散。

图10示出了本发明的另一实施例，称为“双芯”能量采集设备100。在此，一对相反极化的第一和第二磁芯元件110、112被设置在壳114内并且被定位成使得壳114的铁磁材料的中间部分将第一磁芯110与第二磁芯112分开。与上述单芯实施例一样，壳114包括沟槽116以及至少包括放置在沟槽116内的电线圈118的可移动子组件117。

在这个特定构造中，将外力施加到锁帽120(类似于上述的柱塞12)以提供对所包括的机械弹簧的压缩，然后解锁该弹簧力以操作所包括的磁通量开关。最佳如图11中所示，锁帽120包括一组推臂122，其朝向设备100的机械弹簧设备部分111的位置向下延伸。推臂122与围绕所包括的机械弹簧126的压缩框架124接合，以使得施加到锁帽120的外力通过推臂122和压缩框架124的引导而压缩机械弹簧126。如下文将参照图22-24详细讨论的，在该实施例中使用机械锁构造(代替如上所述的磁力锁)以控制被压缩的机械弹簧126的释放。

与上述单芯实施例相比，本发明的能量采集设备的双芯实施例具有多个优点。特别地，一对芯110，112的使用允许可移动子组件的各种类型的双向运动，包括围绕平衡点的振荡。如上所述，在所有机械能不能在单个周期内转换成电能的情况下，可能希望通过线圈118的振荡运动来产生能量。

图12-20是示出了根据图10的双芯设备100的流过第一磁芯110和第二磁芯112的感应电流的演变的简化图。为了简便起见，在图12-20中仅示出了线圈子组件117相对于双芯构造的运动，其示出了当线圈118依次移动经过每个芯时所捕获的磁通量的变化。图12示出了磁通量开关的初始状态，其中，可移动子组件位于壳114上方，使得线圈118被完全抽出。因此，如环绕穿过铁磁壳114、磁芯110和铁磁塞134的磁场线所指示的，线圈118没有捕获任何磁通量。

图13示出了接下来的步骤，其中，线圈118朝向第一磁芯110向下移动并且开始捕获其磁通量的一部分。因此，捕获的磁通量的这种变化启动了流过线圈118的感应电流。随着线圈118进一步向下移动而与第一磁芯110对正，捕获的磁通量密度继续增加，如图14所示。因此，磁通量密度的持续变化保持了感应电流在线圈118内的循环。

随着线圈118继续向下移动并远离第一磁芯110，由线圈118捕获的磁通量开始减小，如图15中的图所示。根据第一磁芯110与第二磁芯112之间的间隔，在循环中可能存在一个点，在该点处，线圈118处于不再与任何一个磁芯产生的磁通相互作用的位置。随后，一旦线圈118开始与第二磁芯112相互作用，则磁通量的方向切换，如图16所示，这种突然的变化引起感应电流的尖峰。以类似的方式，当线圈118相对于第二磁芯112继续其相对运动时，捕获的磁通的量将继续改变，并且感应电流将继续在线圈118内流动，如图17和20中的图所示。

与单芯实施例一样，双芯实施例有几种不同的构造，尽管以减少能量产生为代价，但可以利用它们来简化其设计。如图21中所示的一个示例性实施方式，磁性开关塞132、134被永久地固定在壳114中的沟槽116的末端内。

如上所述，图10和11中所示的特定的双芯实施例还示出了使用机械“锁”构造来控制机械弹簧126的释放并启动线圈118相对于第一和第二磁芯110、112的运动。在这种特定的机械布置中，如图22-24所示，一对锁销200形成在壳114上(在图22的视图中仅一个锁销200可见)。锁帽120形成为包括与一对锁销200相接合的一对键槽布置结构212。压缩框架124示出为包括以图22所示的方式与推臂122接合的推销214。

当外力施加到锁帽120上时，其向下的移动导致附接的推臂122也向下移动。推臂122与压缩框架124之间的接合用于将这个施加的力传递到机械弹簧126，从而随着力的持续施加而积蓄机械能。

实际上，随着持续施加外力，锁销200在键槽布置结构212中的运动导致锁帽120的旋转，如图24所示。锁帽120的旋转将推销214与推臂122脱离，从而“解锁”压缩的机械弹簧并启动线圈118相对于第一和第二线圈110、112的相对运动。

应当理解，这个特定的机械锁构造仅是示例性的，正如上面讨论的磁力锁构造一样。在本发明的设备内可以使用各种其他机构来控制机械弹簧的压缩和释放，并且只要机构允许将弹簧运动转换成电线圈的运动而使线圈捕获的磁通量发生变化，则所有机构都被认为落入本发明的范围内。

在某些情况下，所需的机械位移可能太大而不能被上述的单芯或双芯实施例捕获。因此，本发明的另一实施例采用“多芯”构造的形式，其包括设置为线性阵列的多个双芯单元。图25示出了该概念，示出了示例性线圈300穿过一组五个双芯单元310向下运动。

如上所述，本发明的可变电感磁通量开关能量采集器特别适用于施加力可能是非周期性的情况。假体下肢的运动以及与肢体相连的矫形装置是示例性情况，其中，根据本发明的原理，施加在这些假体/矫形装置上的明显非周期性的人体推动力被认为是一种良好的用于采集的机械能来源。图26-30示出了各种布置方式，其中，本发明的采集元件(为简单起见，在每个图示中显示为双芯设备100)可以与假肢一起使用。

图26示出了示例性实施例400，其中，双芯机械能量采集设备100与单独的假足装置410结合使用。能量采集器通过在运动期间使用假体或矫正装置而激活。所包括的能量采集设备100的功能是在足装置410正上方的脚踝区域中接受向下和/或向上和/或旋转力，并允许以上述方式将所述力采集为电能。实际上，例如，所采集的电能可以用作嵌入假足装置410内的电子电路的电源。

图27示出了替代性的实施例420，其中，双芯机械能采集设备100位于假体下肢430的下方。能量采集器通过在运动期间使用假体或矫正装置而激活。在这个示例性实施例420中，能量采集设备100被定向成使得肢体430的下终端432处作用的向下和/或向上和/或旋转力启动设备100内的机械弹簧的压缩，以开始如上所述的能量采集循环。

图28示出了包括图26和图27的构造的组合的实施例440，其中，能量采集设备100被放置在假足装置410与假体下肢430之间。能量采集器通过在运动期间使用假体或矫正装置而激活。在这个特定的实施例440中，能量采集设备100被构造为将与向下和/或向上和/或旋转力相关的机械能转换为电能。

图29和图30示出了结合假体装置使用本发明的能量采集设备的一些替代实施例。在这种情况下，示例性双芯机械能采集设备直接结合在假体/矫形装置本身中并形成其一部分。图29示出了实施例450，其中，双芯能量采集设备100集成在示例性假足装置410A内。图30示出了实施例460，其中，双芯能量采集设备100设置在示例性假体下肢430A的膝盖区域432内。类似于图26-28的实施例，图29和图30所示的构造可以利用所采集的能量来向假体装置内的所包括的电子装置供电。

上述用于假体的原理也可用于矫正装置。

总而言之，本发明涉及一种设备和用于使用所述设备的方法，以提供适用于广泛环境的机械能-电能转换，并提供与广泛的力和位移的有效耦合，所述广泛的力和位移不适用于依靠高频、大幅度的机械运动作为机械能源的传统的能量采集构造。为了实现根据本发明原理的机械能-电能转换，将机械弹簧形式的机械能量存储装置与可变电感磁通量开关结合，其中，弹簧的激活引起穿过开关内的电线圈的磁通量的快速变化。各种实施例可以使用单磁芯、双芯布置、甚至是多芯布置来为机械弹簧的运动提供更长的运动范围。

实际上，期望使用本发明的各种实施例来产生有用的电力。图31是由图1-9中所示的本发明的单芯实施例产生的电力的计算结果的曲线图。图31中的曲线A示出了由线圈32产生的总能量(超过数百瓦)，曲线B示出了与壳26相关的涡流损耗。图32示出了对于双芯实施例的类似曲线图，其中，所产生的能量中的一对峰值预期是当线圈在经过每个磁芯时，在两个分离的时间点线圈获得最大磁通量的变化。

本文所公开的发明不受本文所描述或示出的实施例的限制，这些实施例仅是示例性的而非限制性的。通过考虑本公开或实践本发明，本发明的其他实施例对本领域技术人员而言将是显见的。本领域技术人员可以对本文公开的原理进行各种省略、修改和改变，而不背离由所附权利要求所指示的本发明的真实范围和精神。

Claims (21)

1.一种用于从与机械运动相关联的机械能采集电能的设备，包括：

设置在壳体内的机械弹簧；以及

可变电感磁通量开关，其位于所述壳体的开放的中央区域内，所述可变电感磁通量开关包括：

固定磁芯部件；

可移动电线圈子组件，其设置为围绕所述固定磁芯部件，所述可移动电线圈子组件与所述机械弹簧相耦接，使得所述机械弹簧的运动也提供所述电线圈子组件的运动；

柱塞，其设置在所述固定磁芯部件与所述可移动电线圈子组件的组合之上，所述柱塞响应于施加的外力而使所述可变电感磁通量开关向下移动并进入所述壳体，从而压缩设置在所述壳体中的所述机械弹簧；以及

弹簧锁机构，其用于在所述机械弹簧处于压缩状态时释放所述机械弹簧，从而提供所述机械弹簧和耦接的电线圈子组件的运动，其中，所述电线圈子组件相对于所述固定磁芯的运动改变线圈电感并使得由所述电线圈子组件捕获的磁通量产生变化，且感应出电流以作为所述设备的输出而存储。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备还包括用于包围所述固定磁芯部件的铁磁壳，所述铁磁壳提供用于要在所述可变电感磁通量开关内产生的磁通量的路径。

3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述铁磁壳形成为包括与所述固定磁芯部件成间隔开的关系的沟槽，其中，所述可移动电线圈子组件被设置在所述沟槽内，并且所述沟槽内的所述电线圈子组件的由弹簧控制的运动在所述电线圈子组件与所述固定磁芯部件之间产生相对位置的变化，从而改变所捕获的磁通量并感应出经过所述电线圈子组件的电流。

4.根据权利要求2所述的设备，其中，所述可移动电线圈子组件包括保持在支撑构件内的电线圈。

5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述可移动电线圈子组件还包括设置在所述电线圈的下方和上方的一对铁磁环，所述一对铁磁环在靠近所述铁磁壳时形成磁开关部件，从而形成磁通路径。

6.根据权利要求4所述的设备，其中，

所述支撑构件包括铁磁锁板，所述铁磁锁板设置在所述电线圈上方并在所述机械弹簧之上延伸，使得所述柱塞的运动引起所述支撑构件移动并压缩所述机械弹簧，所述铁磁锁板被磁力吸引到所述铁磁壳上；以及

所述弹簧锁机构包括磁力锁，所述磁力锁包括机械止挡，当所述机械弹簧压缩时，所述止挡与所述铁磁锁板接合，从而克服了所述铁磁锁板与所述铁磁壳之间的磁引力而释放所述机械弹簧并启动所述机械弹簧和所述电线圈子组件相对于所述固定磁芯部件的运动。

7.根据权利要求4所述的设备，其中，所述弹簧锁机构包括机械锁，所述机械锁包括与所述柱塞耦接的推动器和设置在所述铁磁壳的另一表面上的锁销，在所述机械弹簧达到完全压缩状态时，所述锁销与形成在所述柱塞上的键槽接合以释放所述机械弹簧。

8.根据权利要求1所述的设备，其中，所述固定磁芯部件包括单个永磁体。

9.根据权利要求1所述的设备，其中，所述固定磁芯部件包括至少一对永磁体，所述至少一对永磁体以间隔开的关系设置并且以相反极化的布置方式定位。

10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述固定磁芯部件包括多对永磁体，所述多对永磁体对正成使得所述可移动电线圈子组件在耦接的机械弹簧的运动的控制下沿着所述多对永磁体移动。

11.根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备还包括设置在所述可变电感磁通量开关下方的复位弹簧，所述复位弹簧响应于外力的去除而将所述柱塞移动到其原始位置。

12.一种从机械运动采集电能的方法，包括：

提供可变电感磁性开关，其包括固定磁芯部件和设置成围绕所述固定磁芯部件的可移动电线圈子组件；

提供耦接到所述可移动电线圈的机械弹簧；

在耦接的机械弹簧和所述可移动电线圈上施加力以压缩所述机械弹簧；以及

解锁压缩的机械弹簧以引起释放的机械弹簧和耦接的电线圈子组件的运动，其中，所述电线圈子组件相对于所述固定磁芯部件的运动改变线圈电感，并使得由所述电线圈子组件捕获的磁通量产生变化，且感应出经过所述电线圈子组件的电流。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，解锁步骤包括通过施加足以克服包围所述固定磁芯部件的铁磁壳与设置在所述机械弹簧和所述可移动电线圈子组件的组合之上的铁磁锁板之间的磁引力的力来进行磁解锁。

14.根据权利要求12所述的方法，其中，解锁步骤包括通过施加足以使支撑所述机械弹簧的壳体与包围所述固定磁芯部件的铁磁壳脱离的力来进行机械解锁，从而允许压缩的机械弹簧的运动使得所述电线圈子组件也相对于所述固定磁芯部件运动。

15.一种用于将机械能转换为电能以向相关的假体或矫形装置供电的系统，所述系统包括：

机械弹簧；以及

可变电感磁通量开关，

所述可变电感磁通量开关包括：

固定磁芯部件；

可移动电线圈子组件，其与所述机械弹簧耦接，使得所述机械弹簧通过相关的假体或矫正装置产生的运动也提供所述电线圈子组件的运动；以及

弹簧锁机构，其用于在所述机械弹簧的压缩状态下释放所述机械弹簧，从而提供所述机械弹簧和耦接的电线圈子组件的运动，其中，所述电线圈子组件相对于所述固定磁芯部件的运动改变线圈电感并使得所述电线圈子组件捕获的磁通量产生变化，且感应出电流以用于向相关的假体或矫形装置供电。

16.根据权利要求15所述的系统，其中，

所述机械弹簧设置在壳体内；

所述可变电感磁通量开关定位在所述壳体的开放的中央区域内；

所述可移动电线圈子组件设置成围绕所述固定磁芯部件；以及

柱塞设置在所述固定磁芯部件与所述可移动电线圈子组件的组合之上，所述柱塞响应于由相关的假体或矫形装置施加的外力以将所述可变电感磁通量开关向下移动并进入所述壳体，从而压缩设置在所述壳体中的所述机械弹簧。

17.根据权利要求15所述的系统，其中，所述系统形成为以机械关系设置在所述假体或矫正装置内的独立部件。

18.根据权利要求15所述的系统，其中，所述系统被集成在所述假体或矫正装置内并形成所述假体或矫正装置的一部分。

19.根据权利要求15所述的系统，其中，所述假体或矫正装置包括假足装置。

20.根据权利要求15所述的系统，其中，所述假体或矫正装置包括假体下肢装置。

21.根据权利要求15所述的系统，其中，所述假体或矫形装置包括假足装置与假体下肢装置的组合。

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