CN113315409B - 电磁发电机的整流储能装置 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种电磁发电机的整流储能装置，包括：混合发电机，混合发电机由驻极体发电机和电磁发电机组成，其中，驻极体发电机的动定子嵌入集成在电磁发电机的动定子上，以同步驻极体发电机与电磁发电机的输出电压；多个金属‑半导体场效应管。驻极体发电机控制多个金属‑半导体场效应管的每个N型场效应管和每个P型场效应管，以将电磁发电机产生的电能存储至存储装置和/或为至少一个负载供电。本申请实施例可以通过将驻极体发电机集成在电磁发电机中，由此，解决了低频下电磁发电机输出电压过低从而无法实现高效能量存储的问题，实现高效的整流存储的目的，且有效提高整体发电机的输出功率。
Description
技术领域
本申请涉及电磁发电机、驻极体静电发电机技与电源管理技术领域，特别涉及一种电磁发电机的整流储能装置。
背景技术
随着物联网以及可穿戴设备的发展，便携且持久的能源供给需求量逐渐增大。其中，生活的环境中蕴含着大量能量，收集环境中的能量并将其转换为电能被证实是一种非常可行的方法。
相关技术中，基于压电效应、电磁感应、静电感应以及摩擦效应的能量收集器被提出，尤其是作为最为成熟的发电机，电磁发电机被广泛应用于工业生产以及日常运动能量收集中，然而小型电磁发电机低频下往往输出电压很低，难以克服二极管的导通压降，从而无法实现高效的整流存储，亟待解决。
申请内容
本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本申请的第的在于提出一种电磁发电机的整流储能装置，该装置可以通过将驻极体发电机集成在电磁发电机中，由此，解决了低频下电磁发电机输出电压过低从而无法实现高效能量存储的问题，实现高效的整流存储的目的，且有效提高整体发电机的输出功率。
为达到上述目的，本申请实施例提供一种电磁发电机的整流储能装置，包括：多个金属-半导体场效应管，其中，所述多个金属-半导体场效应管由多个N型场效应管和多个P型场效应管交替并联组成；混合发电机，所述混合发电机由驻极体发电机和电磁发电机组成，所述驻极体发电机控制所述多个金属-半导体场效应管的每个N型场效应管和每个P型场效应管，以将所述电磁发电机产生的电能存储至存储装置和/或为至少一个负载供电，其中，所述驻极体发电机的动定子嵌入集成在所述电磁发电机的动定子上，以同步所述驻极体发电机与所述电磁发电机的输出电压。
根据本申请实施例的电磁发电机的整流储能装置，基于电磁-静电混合发电机结合同步控制的倍压整流电路，用金属-氧化物半导体场效应晶体管MOSFETs替代传统倍压整流电路中的二极管，将超薄的驻极体发电机集成在电磁发电机中，制作成旋转式的电磁-静电混合发电机，使得驻极体发电机的开路电压与频率、转速无关，特别适合用于MOSFET的控制，并且驻极体发电机的电极还可以被分为双相，一相面积较小，用于同步控制基于MOSFETs的倍压整流电路，另一相面积较大用于存储能量进而还能提高混合发电机的输出功率，可以使得电磁发电机在超低频超低输出电压的情况下能量存储效率提高近10倍，由此，解决了低频下电磁发电机输出电压过低从而无法实现高效能量存储的问题，实现高效的整流存储的目的，且有效提高整体发电机的输出功率。
另外，根据本申请上述实施例的电磁发电机的整流储能装置还可以具有以下附加的技术特征：
可选地，在本申请的一个实施例中，所述混合发电机具体包括：转子，所述转子包括所述电磁发电机的背铁、所述电磁发电机的永磁体、所述电磁发电机的第一亚克力外壳和所述驻极体发电机的驻极体；定子，所述定子包括所述驻极体发电机的柔性电极、所述电磁发电机的线圈和所述电磁发电机的第二亚克力外壳。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述永磁体的N极和S极交替分布。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述永磁铁嵌入在所述第一亚克力外壳中与所述背铁吸附设置。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述驻极体通过聚对苯二甲酸乙二醇酯双面胶与所述永磁体粘接。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述线圈嵌入在所述第二亚克力外壳中。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述柔性电极粘贴在所述线圈上。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述驻极体的荷电区域与所述永磁体的磁铁一一对应设置，且所述柔性电极的单体电极设置于所述线圈的相邻子线圈中间。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述驻极体发电机的电极包括控制相和功率相，以通过所述控制相控制所述多个金属-半导体场效应管，并通过所述功率相收集所述电能。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述混合发电机可以为盘式旋转发电机，微型旋转式发电机或者直线式发电机。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本申请实施例提供的一种电磁发电机的整流储能装置的电路示意图；
图2为根据本申请一个实施例的电磁发电机的整流储能装置的拓扑结构示意图；
图3为根据本申请一个实施例的驻极体-电磁混合发电机的爆炸示意图；
图4为根据本申请一个实施例的驻极体发电机的电极结构示意图；
图5为根据本申请一个实施例的驻极体-电磁混合发电机的剖面示意图；
图6为根据本申请一个实施例的电磁发电机的整流储能装置的原理示意图；
图7为根据本申请一个实施例的双相驻极体发电机的电极结构示意图；
图8为根据本申请一个实施例的双相驻极体-电磁混合发电机的剖面示意图；
图9为根据本申请一个实施例的微型旋转混合发电机的结构示意图，可用于风能收集；
图10为根据本申请一个实施例的直线式驻极体-电磁混合发电机的结构示意图；
图11为根据本申请一个实施例的在电容上得到的电压与二极管整流桥的比较示意图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
下面参照附图描述根据本申请实施例提出的电磁发电机的整流储能装置。
具体而言，图1为本申请实施例所提供的一种电磁发电机的整流储能装置的电路示意图。
如图1所示，该电磁发电机的整流储能装置包括：多个金属-半导体场效应管的多个N型场效应管和多个P型场效应管(如图中N型场效应管NMOS和图中P型场效应管PMOS所示)及混合发电机的驻极体发电机FEG和电磁发电机EMG。
具体地，多个金属-半导体场效应管由多个N型场效应管和多个P型场效应管交替并联组成。混合发电机由驻极体发电机FEG和电磁发电机EMG组成，驻极体发电机FEG控制多个金属-半导体场效应管的每个N型场效应管和每个P型场效应管，以将电磁发电机EMG产生的电能存储至存储装置和/或为至少一个负载供电，其中，驻极体发电机FEG的动定子嵌入集成在电磁发电机EMG的动定子上，以同步驻极体发电机FEG与电磁发电机EMG的输出电压。
可以理解的是，以驻极体发电机和摩擦发电机为代表的的静电发电机，因为其低成本、质量轻、多样性的特点被用于收集风能、水能、环境振动以及人体运动的能量，且其具有很好的低频特性。此外，静电发电机为薄层结构，易于与其他类型的发电机进行结合，例如摩擦-压电混合发电机、摩擦-电磁混合发电机等，多种发电机的结合能够提高输出功率。进而，本申请实施例在基于同步控制MOSFET的倍压整流电路的基础上，将驻极体发电机FEG集成在电磁发电机EMG中制作了混合发电机，解决了低频下电磁发电机输出电压过低从而无法实现高效能量存储的问题，实现高效的整流存储的目的，且有效提高整体发电机的输出功率。
需要说明的是，如图1所示，本申请实施例可以基于同步控制MOSFET的倍压整流电路的原理图，其基于由二极管和电容组成的传统倍压整流电路，用金属-半导体场效应管(MOSFET)来替代二极管，其中NMOS和PMOS分别代表N型场效应管和P型场效应管，它们均由驻极体发电机FEG进行控制，从而完成对电磁发电机EMG的高效能源管理，其输出端可以是储能电容或者其他负载。此外，可以采用图2的拓扑结构来同时对两个电容进行存储或者同时为两个负载进行供电。
可选地，在本申请的一个实施例中，如图3所示，混合发电机具体包括：转子，转子包括电磁发电机EMG的背铁1、电磁发电机EMG的永磁体2、电磁发电机EMG的第一亚克力外壳3和驻极体发电机FEG的驻极体4；定子，定子包括驻极体发电机FEG的柔性电极5、电磁发电机EMG的线圈6和电磁发电机EMG的第二亚克力外7壳。
在实际执行过程中，本申请实施例基于图1的电路对电磁发电机EMG进行高效的能量存储，使驻极体发电机FEG的输出电压与电磁发电机EMG的输出电压保持同步，为了实现这一点，本申请实施例将极薄的单相驻极体发电机FEG动定子嵌入集成在电磁发电机EMG的动定子上，从而制作得到盘式混合发电机，如图4所示，其展示了盘式混合发电机的具体结构。
如图4所示，混合发电机由转子和定子组成，其中转子由背铁1，永磁体2，亚克力外壳3以及驻极体4组成，定子由柔性电极5，线圈6以及亚克力外壳7组成。
可选地，在本申请的一个实施例中，永磁体2的N极和S极交替分布。即言，永磁体2的N、S极交替分布，并且驻极体4可以利用图形化接触式微放电的方法进行预充电，使其双极性荷电。
可选地，在本申请的一个实施例中，永磁铁2嵌入在第一亚克力外壳3中与背铁1吸附设置。即言，永磁铁2嵌入在亚克力外壳3中与背铁1吸附在一起。
可选地，在本申请的一个实施例中，驻极体4通过聚对苯二甲酸乙二醇酯双面胶与永磁体2粘接。需要说明的是，粘接的方式可以由很多种，本申请实施例可以但不限于通过聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)双面胶与磁铁进行粘接。
可选地，在本申请的一个实施例中，线圈6嵌入在第二亚克力外壳7中，并且柔性电极5粘贴在线圈6上。
具体而言，线圈6嵌入在亚克力外壳7中，柔性电极5同样粘贴在线圈6上。其中背铁1、永磁体2、亚克力外壳3、线圈6以及亚克力外壳7构成电磁发电机EMG，驻极体4以及柔性电极5构成驻极体发电机FEG，其电极结构如图4所示。
可选地，在本申请的一个实施例中，驻极体4的荷电区域与永磁体2的磁铁一一对应设置，且柔性电极5的单体电极设置于线圈6的相邻子线圈中间。
可以理解的是，为了实现对电磁发电机EMG高效的能量存储，驻极体发电机FEG的输出电压需要与电磁发电机EMG的输出电压同频同相。为此，驻极体4的荷电区域可以与永磁体2一一对应，同时电极5需要置于两个线圈中间，如图5所示，且图6展现了整个策略的结构图。
可选地，在本申请的一个实施例中，驻极体发电机FEG的电极包括控制相和功率相，以通过控制相控制多个金属-半导体场效应管，并通过功率相收集电能。
本领域技术人员应该理解到的是，，由于控制MOSFET所需的电压很小，而驻极体发电机FEG的输出电压往往较高，因而可以通过将驻极体发电机FEG的电极划分成双相结构来制作双相驻极体发电机FEG，用其中一相输出进行控制，另一相则是用于能量收集，提高混合发电机的输出功率。双相驻极体发电机FEG的电极可分为控制相1，用于同步控制MOSFET，以及功率相2，用于能量收集，如图7所示。这个时候双相电极与线圈之间的位置关系如图8所示。
可选地，在本申请的一个实施例中，混合发电机可以为盘式旋转发电机，微型旋转式发电机或者直线式发电机。
作为一种可能实现的方式，本申请实施例的装置针对超低输出电压电磁发电机的能量管理策略不仅可以用于盘式旋转发电机中，还可以应用于直线式发电机，筒(圆柱)式发电机，微型旋转发电机等。以微型旋转发电机为例，其结构如图9所示，微型旋转发电机由叶轮1，线圈2，外壳3，磁铁4，驻极体5，电极6以及外壳7组成，其中驻极体4的荷电区域与磁铁4的NS极一一对应，电极6位于线圈的中间，由于叶轮1的存在，该发电机可用于收集风能。
以直线式发电机为例，其结构如图10所示。与盘式发电机相似，直线式混合发电机同样由背铁1，永磁体2，亚克力外壳3，驻极体4，柔性电极5，线圈6以及亚克力外壳7组成，其中驻极体4与永磁体2一一对应，柔性电极5位于两个线圈的中间。
图10为有效直径5cm的盘式双相驻极体-电磁混合发电机在不同转速下，利用本申请实施例的装置，在2.2mF的存储电容上得到的电压。同时，比较了基于导通电压仅为0.24V的二极管的倍压整流电路在同样条件下得到的电压。很明显，在低速下，基于本申请实施例的混合发电机以及同步控制MOSFET的倍压整流电路在电容上的充电功率远远大于传统基于二极管的倍压整流电路的充电功率。
根据本申请实施例提出的电磁发电机的整流储能装置，基于电磁-静电混合发电机结合同步控制的倍压整流电路，用金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFETs)替代传统倍压整流电路中的二极管，将超薄的驻极体发电机集成在电磁发电机中，制作成旋转式的电磁-静电混合发电机，使得驻极体发电机的开路电压与频率、转速无关，特别适合用于MOSFET的控制，并且驻极体发电机的电极还可以被分为双相，一相面积较小，用于同步控制基于MOSFETs的倍压整流电路，另一相面积较大用于存储能量进而还能提高混合发电机的输出功率，可以使得电磁发电机在超低频超低输出电压的情况下能量存储效率提高近10倍，由此，解决了低频下电磁发电机输出电压过低从而无法实现高效能量存储的问题，实现高效的整流存储的目的，且有效提高整体发电机的输出功率。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或N个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“N个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更N个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或N个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，N个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (7)
1.一种电磁发电机的整流储能装置，其特征在于，包括：
混合发电机，所述混合发电机由驻极体发电机和电磁发电机组成，其中，所述驻极体发电机的动定子嵌入集成在所述电磁发电机的动定子上，以同步所述驻极体发电机与所述电磁发电机的输出电压；以及
多个金属-半导体场效应管，其中，所述多个金属-半导体场效应管由多个N型场效应管和多个P型场效应管交替并联组成；
所述驻极体发电机控制所述多个金属-半导体场效应管的每个N型场效应管和每个P型场效应管，以将所述电磁发电机产生的电能存储至存储装置和/或为至少一个负载供电。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述混合发电机具体包括：
转子，所述转子包括所述电磁发电机的背铁、所述电磁发电机的永磁体和所述驻极体发电机的驻极体；
定子，所述定子包括所述驻极体发电机的柔性电极和所述电磁发电机的线圈。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述永磁体的N极和S极交替分布。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述柔性电极粘贴在所述线圈上。
5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述驻极体的荷电区域与所述永磁体的磁铁一一对应设置，且所述柔性电极的单体电极设置于所述线圈的相邻子线圈中间。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述驻极体发电机的电极包括控制相和功率相，以通过所述控制相控制所述多个金属-半导体场效应管，并通过所述功率相收集所述电能。
7.根据权利要求1-6任一项所述的装置，其特征在于，所述混合发电机包括：盘式旋转发电机、微型旋转式发电机或者直线式发电机。
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