CN1860664B - 用于将机械振动能转换为电能的电磁装置及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种包括多层组件的电磁发电机，其中第一层承载至少一个磁体，第二层承载至少一个线圈，第三层承载至少一个磁体，第一和第三层的至少一个磁体被配置以在它们之间限定所述至少一个线圈位于其中的磁通区域，至少一个所述层被成形以限定其各自的可移动部分，可移动部分可以通过电磁发电机的振动而移动，从而导致线圈与磁体之间的相对运动并且在线圈中产生电流。

Description

用于将机械振动能转换为电能的电磁装置及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种用于将机械振动能转换为电能的电磁发电机，以及制造这种电磁发电机的方法。本发明也涉及一种用于将机械振动能转换为电能的电磁发电机的磁芯，涉及包括这种芯的这种电磁发电机，以及生产用于电磁发电机的磁芯的方法。特别地，本发明涉及这样的装置，其是用于例如供电智能传感器系统中的能够将环境振动能量转换为电能的微型发电机。这种系统可以在其中导线实际上不能被连接以提供电力或传输传感器数据的无法进入区域中使用。

背景技术

目前，用于微电子机械系统(MEMS)装置的交流电源领域中的研发活动水平不断增加，所描述的这种装置在本领域中用作“能量收集(energy harvesting)”和作为“寄生电源”。目前正研究这种电源用于对无线传感器进行供电。

使用电磁发电机来从周围的振动中收集有用的电功率是已知的。典型的磁线圈发电机包括以这样的方式连接到磁体或线圈的弹簧块(spring-mass)组合，使得当系统振动时，线圈切割磁芯所形成的磁通(flux)。将在振动时被移动的块安装在悬臂梁上。该梁可以与磁芯连接，并且线圈相对于装置的机壳固定，或者相反。

由Glynne-Jones等人在Sensors and Actuators A92，2001的第335-342页中发表了标题为“Design and fabrication of a newvibration based electromechanical power generator”的论文，其中公开了一种包括由外壳支撑的悬臂梁的机电发电机。梁上的块由安装在衔铁(keeper)上以形成C型芯的两个磁体组成。线圈以与悬臂梁上块的运动方向垂直地设置在磁体之间的气隙中。虽然由本发明的某些发 明人公开的该现有技术提供了一种有用的机电发电机，但是还是需要提高机械振动能量转换为电能，并从而转换为有用电功率的效率。

后来由Department of Electronics and Computer Science，University of Southampton，Southampton，SO171BJ，Hampshire，England的P Glynne-Jones，MJ Tudor，SP Beeby，NM White于2002年在Prague，Czech Republic举办的名为“Eurosensors XV1”的会议上发表了标题为“An electromagnetic，vibration-powered generator forintelligent sensor systems”的论文，其中公开了一种改进的机电发电机。该机电发电机包括四个磁体，其中当与两个或单个磁体设计比较时，其通过每一线圈绕组更大部分的长度来产生磁场。图1中示出了该装置的磁体和芯结构。

网页http://www.iee.org/oncomms/pn/measurement/Steve％20Beeby.pdf是S P Beeby等人在Institute of Electrical Engineers(IEE)in the United Kingdom在2002年12月11日举办的“WheatstoneMeasurement”研讨会上做的标题为“Kinetic energy harvesting forwireless energy system”的讲演的副件。该讲演同样公开了具有如图1中所示的磁体、芯和线圈结构的机电发电机的结构和使用。

对于由本发明的某些发明人公开的这后两个现有技术中的每一个，虽然所公开的机电发电机具有良好的效率，但是还需要改进设计，以提高机械振动转换为电功率的效率，并且提供改进的制造方法，特别是以提供低的生产成本。

图1中一般地标记为2的磁芯结构包括四个磁体4、6、8、10。每一磁体4、6、8、10基本上是具有相反极性的相对端的块。四个磁体4、6、8、10被设置成两个磁体对，其中每对磁体4、6；8、10配备有各自的铁磁性材料-例如钢-的衔铁板12、14。对于每一对磁体4、6；8、10，一个磁体(例如磁体4)的具有第一极性(例如图2中磁体4的N)的端部靠着各自的衔铁板(例如图2中的衔铁板12)组装，另一个磁体(例如图1中的磁体6)的相反极性(例如S)的端部靠着相一衔铁板(衔铁板12)组装。这两对磁体4、6；8、10以相 对的方式安装，其中相反极性的磁体端部16、18；20、22彼此隔开相对，并且通过该两个衔铁板12、14将磁通引导环绕磁芯2的两个相对外边缘，从而限定磁路。

使用这种设置，在两个相对磁体对4、6和8、10之间限定了单个细长槽24，并且其中在磁路中还限定了两个气隙26、28，每一气隙26、28被限定在各个相对磁体端部16、18和20、22之间。如图1中所示，线圈30被设置在槽24中。磁路被安装在悬臂梁(未示出)-例如U型部件一上，其中U型部件的每一端部与相应磁体对4、6；8、10连接。当机电发电机出现机械振动时，悬臂梁可以相应地在相对于磁路的上下方向上振动，如图1中通过指示磁运动的箭头所示。这就使得在线圈30中产生电流。

对于由本发明的某些发明人公开的这后两个现有技术中的每一个，虽然在与两个或单个磁体设计比较时，所公开的机电发电机由于通过每一线圈绕组更大部分的长度来产生磁场而具有提高的效率，但是还需要改进设计，以提高从机械振动生成电功率的效率。

Rockwell Technologies LLC的US-A-6304176公开了一种用于监控工业系统的寄生供电感测装置。调谐换能器(tuned transducer)将系统所发射的杂散能量转换为供远程感测装置和/或无线通信链路使用的电势能。寄生换能器可以是与调谐机械振荡器连接的压电晶体元件。可选地，感测元件和换能器可以是微机械系统形式。然而，没有公开具体的磁体、芯和线圈结构。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于将机械振动能转换为电能的改进的电磁装置，以及改进的其制造方法。

本发明的目的还是提供一种用于将机械振动能转换为电能的电磁装置，其具有比现有装置更高的能量转换效率。

本发明相应地提供一种包括多层组件的电磁发电机，其中第一层承载至少一个磁体，第二层承载至少一个线圈，第三层承载至少一个 磁体，其中第一和第三层的所述至少一个磁体被配置以在它们之间限定所述至少一个线圈位于其中的磁通区域，至少一个该层被成形以限定其相应可移动部分，其可以被电磁发电机的振动移动，从而导致线圈与磁体之间的相对运动并且在线圈中产生电流。

本发明还进一步提供一种制造电磁发电机的方法，该方法包括步骤：

(a)形成承载至少一个磁体的第一层，形成承载至少一个线圈的第二层和形成承载至少一个磁体的第三层，至少一个该层被成形以限定可以被振动移动的其相应可移动部分，该可移动部分承载第一层和第三层的该至少一个磁体或第二层的该至少一个线圈；和

(b)将第一、第二和第三层组装在一起形成多层结构，其中配置第一和第三层的磁体，以在它们之间限定该至少一个线圈位于其中的磁通区域，该至少一个可移动部分可以被多层结构的振动移动，从而导致线圈与磁体之间的相对运动并且在线圈中产生电流。

本发明还进一步提供一种电磁发电机，包括：至少两个磁体以及位于它们之间的至少一个线圈，配置该至少两个磁体以在它们之间限定该至少一个线圈位于其中的磁通区域，从而线圈与磁体之间的相对运动在线圈中产生电流；以及至少一个压电区域，用于通过线圈与磁体之间的相对运动产生附加电流。

本发明也提供一种用于电磁发电机的磁芯，该磁芯包括设置成两个磁体对并且每一磁体对与各自的衔铁组装在一起的四个磁体，该两个磁体对以相对的方式安装，使得一个磁体对的每一磁体的前端在第一方向上与另一磁体对的相应磁体的前端隔开并且相互面对，相面对的前端的磁性相反，从而在磁芯中在四个磁体的前端之间限定一对间隙，并且每一磁体对的磁体的后端与各自的衔铁接触，该每一磁体对的磁体在第二方向上彼此相互间隔，并且其中每一磁体在第二方向上的宽度与磁芯在第二方向上的高度之比值为0.4至0.55。

本发明进一步提供一种电磁发电机，该电磁发电机包括：根据本发明的磁芯，设置在该对间隙中的线圈，以及用于安装磁芯和线圈其 中之一的振动感测底座，由此，电磁发电机的振动导致磁芯和线圈的相对运动，从而在线圈中产生电流。

本发明进一步提供一种生产用于电磁发电机的磁芯的方法，该磁芯包括设置成两个磁体对并且每一磁体对与各自的衔铁组装在一起的四个磁体，两个磁体对以相对的方式安装，使得一个磁体对的每一磁体的前端在第一方向上与另一磁体对的相应磁体的前端隔开并且面对，面对的前端的磁性相反，从而在磁芯中在四个磁体的前端之间限定一对间隙，并且每一对磁体的后端与各自的衔铁接触，每一对磁体在第二方向上彼此相互间隔，该方法包括步骤：

(a)建立磁芯几何参数的模型，该参数包括：每一磁体在第二方向上的宽度(t_m)、磁芯在第二方向上的高度(l_c)、每一磁体在第一方向上的长度(l_m)以及间隙在第一方向上的长度(g)；

(b)改变这些参数，以提供输出值ψ其通过如下等式定义：

其中B是磁通密度；并且

A是芯的每一磁体对的总工作面面积，工作面限定了气隙；并且

芯的总面积是每一磁体对的总工作面面积加上它们之间的间隙的工作面面积；

(c)确定参数ψ的最大值；

(d)至少确定参数(t_m)、(l_c)、(l_m)和(g)的值，以提供参数ψ的范围，其包括参数ψ的最大值；和

(e)在特定公差内生产具有参数(t_m)、(l_c)、(l_m)和(g)的确定值的磁芯。

本发明的机电发电机特别应用于向传感器系统提供电功率。根据本发明，这种自供电智能传感器系统的典型应用区域有：体内或体上(例如人类或动物)；旋转物体上；诸如熔化的塑料或凝固的混凝土的液体内；结构监测，诸如桥梁、建筑物、航行器或道路；以及环境检测，诸如田间的污染监测。

根据本发明的电磁发电机特别是在微型化的时候具有许多潜在的使用和应用。例如，在与需要电功率的单元(例如传感器单元)连接电线比较困难和/或成本昂贵，并且在单元的使用寿命中电池并不足够供电，重量很重要并且存在可以收集能量的显著振动水平的应用中，电磁发电机实际上是可用的。在某些情况下，可以使用电磁发电机的振动收集技术来向电池供电系统提供充电设备。

在一个特定的优选应用中，本发明的电磁发电机可以包含到用于直升飞机和固定翼飞行器的健康和使用监测系统(HUMS)中。

HUMS系统监测与直升飞机(或其它飞行器)状况相关的振动和其它参数以及在规定应力状态下的飞行小时数。传感器的安装和从这些装置中检索数据是安装时以及计划维护期间的主要成本。本发明的电磁发电机的益处是减少安装成本和缩短维护所需要的时间。传感器和本地无线传输系统封装在一起，并且可以向HUMS系统传输数据。使用电磁发电机供电的传感器系统的某些优点是避免了在现有的或新的机身上安装布线的复杂度，并且消除了缆线的重量。并且监测传感器可以在短的测试时期内被安装，而没有高的安装成本。

在另一特定的优选应用中，本发明的电磁发电机可以包括在用于铁路线和相关组件的感测系统中。

铁路线和相关组件的状态是英国并且可能是全世界关心的事情。已知提供传感器系统，用于感测铁路状态以及重要组件的存在/缺少。在某些情况下，有足够的本地电功率用于驱动传感器。然而，在其它情况下，本地电功率可能不能使用或不方便，特别是对于远程或远的位置，在这种情况下，需要可以遥测输出数据到单个供电点(一个用于一个大的地理区域)或者通过GPS链路的自供电传感器(例如应变传感器)。可以通过火车通过直接地从铁路线或者通过与铁路线连接的悬臂提供传感器的振动。其它铁路基础构造监测例如包括轨道的应变测量、路基(ballast)状态和高度、以及点监测。

在还进一步的特定优选应用中，本发明的电磁发电机可以包括在例如用于载重汽车或卡车拖车牵引电池再充电的车辆电池充电器系统 中。

需要牵引铰接拖车用于后勤应用。在该应用中，仅仅当拖车与牵引单元连接时才对拖车供电。即使这样，可能没有用于改进的牵引系统的电力。如果系统通过电池供电，则有利的是具有独立的充电系统，其在系统正被拖牵时可以对电池充电。充电系统可以包括本发明的电磁发电机。当拖车静止并与牵引单元脱离时，则电池就可以对拖车系统供电。

在还进一步的特定优选应用中，本发明的电磁发电机可以包括在通过电池供电的移动通信设备中，例如军用背包通信设备(例如Bowman)。电池占据了野外携带的设备总体重量的很大部分。显然，在野外操作期间，设备处于显著的振动。可以通过本发明的电磁发电机将这些振动转换为适当地用于对电池组充电的电功率。本发明的电磁发电机可以减少通信设备的重量并维持可用电源，从而向用户提供了实际的益处。

在其它优选应用中，本发明的电磁发电机可以包括在越来越多地在非常广泛的领域中用于许多类型的设备中的条件监测系统中。例如，本发明的电磁发电机可以用于向任何类型的设备上的振动条件监测传感器供电。

附图说明

现在将参照附图通过仅仅范例的形式描述本发明的实施例，其中：

图1的示意侧视图为用于将机械振动能量转换为电能的已知电磁装置的磁体、芯和线圈的结构；

图2为根据本发明第一实施例的机电发电机的示意透视图；

图3为图2的机电发电机的示意透视分解图；

图4为图2的机电发电机中线圈和悬臂的结构设置的示意平面图；

图5为根据本发明再一实施例的机电发电机的示意透视图；

图6为根据本发明另一实施例的机电发电机的横截面；

图7为用于根据本发明再一实施例的机电发电机的磁芯结构的示意侧视图；

图8所示为在本发明中用于确定机电发电机的磁芯属性的有限要素模型；

图9、图10和图11所示为根据本发明中使用的模型为磁芯几何配置的不同极限所计算的磁芯的典型磁通图案；和

图12所示为根据本发明一个优选实施例的机电发电机的磁芯的磁场图案。

具体实施方式

根据本发明的磁体-线圈发电机包括以这样的方式连接到磁体或线圈的弹簧块组合，使得当系统振动时，线圈切割由于磁体与线圈之间的相对运动而由磁体所产生的磁通。弹簧块典型地是可以与磁体连接的悬臂梁，并且线圈相对于磁线圈发电机的机壳固定，或者相反。这两种可能结构称为动磁体结构和动线圈结构。

参照图2-4，根据本发明一个实施例，一般地标记为100的电磁发电机包括多层结构101，其中多个层夹在一起。中间层102配备有线圈104，分别位于中间层102各侧的两个相对外层106、108在它们的内工作面上分别设置有相应的磁体110、112。磁体110、112可选地可以被设置在外层106、108各自的外工作面上。朝向线圈104设置的磁体工作面114、116具有相反的极性，从而在它们之间延伸有磁通。由于施加到电磁发电机100上的振动，线圈104在两个相对的外层106、108之间所限定的腔117中自由移动。线圈104在中间层102的平面内移动。图4中的箭头所示为移动方向。放置磁体110、112，使得它们的磁通被线圈104的移动切过，从而在线圈104中产生电流。沿着与线圈104连接的接合线(bound wire)118馈送这种电流。

如图3中更清楚地所示，在本发明的机电发电机中，线圈104的相对侧上彼此相互面对的磁极具有相反的极性(即一个是北极N一个 是南极s)。如果在线圈104的每个相对侧上存在两个磁体，因此总共四个磁体，则每一磁体对以相反极性的极彼此相对(即一个是北极N一个是南极S)，并且在线圈的每一侧上存在每一极性的一个磁面(即一个是北极N一个是南极S)。

多层结构101典型地具有1.5至2mm的厚度，并且典型地具有大约5mm乘以5mm的平面尺寸。

每一外层106、108典型地具有0.5至0.75mm的厚度。外层最典型地由硼硅玻璃(诸如市场上可获得的商标为“Pyrex” 

的硼硅玻璃)构成，但是可选地，可以由市场上可获得的晶片形式的其它材料，诸如硅或砷化镓构成，或者可选地可以由可以与厚膜处理兼容的材料，例如氧化铝、钢或金属合金，诸如因科镍合金(Inconel)构成。

外层106、108最优选地使用晶片技术所采用的步骤来制造。于是，通过公共地产生全部集成在公共晶片上的多个(典型的是数百个)外层的一系列步骤来处理单个晶片。如下所述，将包括外层的两个晶片键合(bond)到相应地包括多个中间层102的中间晶片的相对侧上，然后在将晶片键合在一起之后，切割(或者割切)复合三晶片组件，以形成多个分开并单独键合的组件，其分别包括两个外层106、108以及夹在它们之间的中间层102。

每一外层106、108在其上面设置有一对隔开的磁体120、122：124、126，其已经被涂敷到相应晶片的表面上以形成相应的外层106、108。典型地，磁体120、122；124、126是通过将包括磁性或可磁化的材料的墨丝网印刷到最终形成各外层106、108的晶片的表面上而产生的厚膜磁体。可选地，磁体120、122；124、126可以通过其它方法制造，诸如薄膜沉积或电镀。在已经形成磁性层之后，将磁体极化到正确的极性。

在一个可选实施例中，在这两个外层106、108的每一个上面只设置单个磁体。

在另一可选实施例中，磁性层可以被设置在外层106、108的外表面上，而不是设置在外层106、108之间所限定的腔117中。

在再一可选实施例中，不是在外层106、108的表面上形成磁性层，如图5中所示，在外层106、108中蚀刻凹陷128，并且将散装(bulk)预先形成并预先极化的磁体130被插入到凹陷128并固定在其中，例如通过粘剂。在该实施例中，在每一外层106、108上有两个磁体130，并且磁体在相应层106、108的外表面上。然而，每一外层106、108上可以只有一个磁体130。

然而散装磁体130可以被设置以位于外晶片之间的腔117中或者位于多层结构的外侧上。使用这种散装磁体可以提供的磁通比使用磁性层获得的更高，并且也避免了为了从所涂敷的磁性层形成所需极性的磁体所需要的附加磁化步骤。散装磁体典型地具有1mm乘以1mm的平面尺寸和大约0.75mm的厚度。

当采用散装磁体时，为了提高耦合度，最好选择将产生强磁通密度的磁体类型。稀土磁体对于该应用是理想的，并且其提供的磁能量密度高达常规铝镍钴磁体的5倍。目前已知钕铁硼(Neodymium IronBoron：NdFeB)磁体每立方厘米具有最强的磁性，并且可以在高至120℃下工作。如果需要更高的工作温度，可以使用稍弱的钐钴(Samarium Cobalt)，其具工作温度高达250℃。

如用于外层106、108那样，使用晶片技术单独地制造中间层102，并且中间层也由市场上可得到的晶片形式的材料，例如硼硅玻璃、硅或砷化镓构成，或者可以由与加厚处理(thick form processing)兼容的材料，例如氧化铝、钢或金属合金，诸如因科镍合金构成。最典型地，中间层102由硅构成，因为硅具有良好的机械属性，用于形成如下所述的悬臂梁。

中间层102包括环绕被称为叶片(paddle)的中心体136的外围框134，叶片通过单个梁元件138与外围框134连接，从而形成悬臂。叶片136除了梁元件138之外，被延伸穿过中间层102的厚度的切除部分140环绕。梁元件138的大小确定使得其在中间层102的平面中是韧性的，从而叶片136可以在切除部分140内移动，但是其对于中间层102的平面之外的移动又是刚性的。如果希望，可以通过在中央 叶片136与环绕的外围框134之间包括另外的梁元件来包括附加刚性和对中央叶片136的移动的控制。选择中央叶片136的侧142与环绕的外围框134的相对面对的侧144之间的间隔d，使得其稍微大于预设的中央叶片136的最大振动工作幅度，但是使得如果中央叶片136无意地撞到环绕的外围框134，相对薄的梁元件138不断裂或者损坏。

通过蚀刻晶片而得到中间层102的结构，例如通过深反应性离子刻蚀(deep reactive ion etching)，从而形成限定外围框134与中央叶片136之间切除部分140的开口。

中央叶片136在其一面或两面148上包括一个或多个集成线圈146。最优选地，该线圈或每一线圈146被形成在中央叶片136的相应表面上，以集成地形成在该表面上，例如通过厚膜印刷或电化学沉积。确定该线圈或每一线圈146的大小，使得当中央叶片136在最终的电磁发电机100中以其最大幅度横向振动时，最大地切割磁体110、112所产生的磁通。此后，在晶片上形成与该线圈或每一线圈146的电连接150，从而允许接合线118随后与该线圈146连接。可以通过大量公知的方法制造电连接，诸如向内扩散或敷金属。

在一个特别优选的实施例中，在电磁发电机中另外设置至少一个压电材料区域，使得该装置不仅通过线圈移动穿过磁通而且也通过对压电材料施加应力而产生由外部振动导致的电流。

根据包括本发明该方面的实施例，将至少一个区域的活性压电材料160印到一个或两个外层106、108晶片上，其在这样的区域中携载磁体110、112，即在叶片136的运动超出预设最大幅度的情况下，中间层102的叶片136会撞到该区域。附加地或者可选地，优选地，在材料的任何附加应变部分上，诸如在叶片136的支撑梁元件138上，印有至少一个区域162的活性压电材料。这种附加区域的活性压电材料与接合线118电连接(通过未示出的方式)。提供这种附加压电材料就允许除了通过线圈在磁体产生的磁通中移动而收集的电能之外，还由压电效应生成附加的有用电能。

将包括外层106、108和中间层102的三层组装在一起形成多层 组件。组装过程可以同时或连续地组装所有三层。典型地，使用晶片键合(wafer bonding)技术将层键合在一起，诸如硅熔键合(siliconfusion bonding)或者静电键合。

如果需要以确保叶片136与磁体110、112之间的适当空隙以使得叶片136能够相对于磁通110、112没有阻碍地移动，则可以在中间层102的每一侧上在中间层102与相应外层106、108之间提供外围隔片(如图6的实施例中170和172所示)。可选地，在叶片136的形成期间例如通过蚀刻可以减小叶片136的厚度，以容纳磁体110、112，从而不需要外围隔片。

如图6中所示，其是沿图5的线X-X的横截面，但是是另一实施例，线圈包括线盘(wire coil)146，其包括在电磁发电机中，而不是在中间层102的表面上形成线圈146。在该实施例中，在叶片136的两个相对工作面147、149其中之一上设置线盘线圈(wire woundcoil)146。于是，例如通过粘剂可以将预先形成的线盘连接到叶片136的一个表面上。如果希望，线圈146可以位于相应蚀刻凹陷151中，蚀刻凹陷151形成在叶片136的表面中以容纳线盘线圈146。由于提供线盘线圈，外加上形成叶片136的硅以及集成悬臂梁元件138的优秀机械属性，该特定实施例具有高级性能的优点。如果希望，可以在叶片136的每一工作面147、149上设置两个线圈146。

根据本发明的优选方法，采用晶片处理来制造外层106、108和中间层102。换言之，在两个第一晶片上分别同时制造多个(典型为数百个)外层106、108的阵列，并且在另一单独第二晶片上制造多个(相应地典型为数百个)中间层102的阵列，然后例如通过静电键合或硅熔键合将这些晶片(两个第一晶片和一个第二晶片)键合在一起，以形成整体多层结构。然后将该多层结构切割成多个单独的三层装置101，并然后将接合线118与每一装置101连接。然后，如果希望，则将每一装置101封装到相应外壳(未示出)中。

虽然所述实施例的电磁发电机包括三层结构，但是根据本发明的其它方面，电磁发电机可以包括多个三层单元的堆或阵列，以实现更 高的输出功率。

在所述的实施例中，电磁发电机包括四个磁体，在线圈的每一侧上设置两个磁体。相比于其他采用双磁体设计(线圈的每一侧上一个磁体)的结构，这种结构通过每一绕组的更大部分的长度产生磁场。因此，对于给定的电磁耦合度，其通过缩短线圈而减少了线圈绕组中的电阻损耗。然而，本发明可以只采用两个磁体，在线圈每一侧上一个。

而且，可选地，为线圈每一侧上的每一磁体对提供衔铁元件，衔铁与每一对两个磁体的相反极面接触。

线圈的特征在于：穿过磁场的线圈比例、线圈的匝数、以及其串连电阻。由于许多应用是低频的，通常可以忽略二阶效应，诸如线圈电感。如上所述，在本发明中可以使用两种类型的线圈：线盘线圈和印刷线圈(printed coil)。

可以通过以与制造印刷电路板(PCB)非常相同的方式将导电材料层和绝缘层丝网印刷到基底上而形成印刷线圈。由于印刷层的厚度典型地为10μm，所以印刷线圈可以制作得非常薄，从而使得这种方式对于小规模装置特别有利。印刷线圈也可以非常容易地制造，因为其只涉及标准的厚膜印刷过程，这与线盘线圈相反，线盘线圈特别是随着规模的减小而会变得更加难以制造。印刷线圈的缺点是：每一层小的厚度会导致线圈的串连电阻高。如果需要比通常可以由厚膜技术得到的厚度更大厚度的绕组(例如50μm)，则制造线盘线圈更加适合和经济。印刷线圈具有已经连接到基底上的附加优势，这可以增加线圈的刚度，并因此降低线圈与外层的磁体之间所需要的空隙。另外，可以通过光刻处理(lithographic process)形成线圈，诸如在微工程学技术领域中用于在硅晶片上限定结构的那些处理。这些处理是现有技术中所公知的，并且可以通过多个处理-诸如溅蚀、蒸发或者电镀-来建造连续层，连续层可以涂敷于任何晶片类的基底，而不限于在硅晶片上沉积。

为了有效地转换能量，最好是在其共振频率激发承载叶片的梁元 件。该共振频率对于梁幅度和环境温度敏感。最好也确定为了防止由于梁材料的过度应变而出现损坏所允许的最大梁幅度。优选地，该设计包括真空密封外壳，从而将整个装置真空环绕。可以在晶片键合处理期间在包括切除部分140的腔117内产生真空。

在所述实施例中，虽然具有在磁体相反极性端部之间延伸的纵向方向的每一方框型磁体被表示具有矩形横截面，但是截面可以变化，例如通过提供圆形截面。

在一个可选实施例中，线圈在固定位置中，并且磁体适于由于作用于机电发电机的机械振动而相对于线圈移动。于是，磁体被承载在一个或多个可振动的叶片上，并且线圈被安装或设置在多层装置的固定层上。

根据本发明，通过采用晶片处理和厚膜技术来制造微型电磁发电机，装置可以容易地被成批制造，于是实现了低生产成本。而且，这种装置容易被缩微，由于使用已知的容易控制的生产步骤，其还具有高的可靠性。

还进一步地，根据本发明一个特定优选方面，通过组合从振动能量的公共输入电磁收集和压电收集电能，这可以产生非常高效的装置。

参照图7，所示为根据本发明另一实施例的机电发电机的磁芯结构。

图7中示出了磁芯结构，其具有基本上与图1的已知磁芯结构相同的一般结构配置。于是，磁芯结构包括四个磁体。每一磁体基本上是具有相反极性的相对端的块。四个磁体被设置成两个磁体对，其中每一对磁体与相应的铁磁性材料-例如钢-的衔铁板组装。对于每一对磁体，一个磁体的具有第一极性(例如图7中的N)的端部靠着相应衔铁板组装，另一磁体的相反极性(例如S)的端部靠着同一衔铁板组装。这两对磁体以相对的方式安装，其中相反极性的磁体端部彼此隔开相对，并且通过这两个衔铁板将磁通引导环绕磁芯的两个相对外边缘，从而限定磁路。

使用这种设置，在两个相对的磁体对之间限定了单个细长槽，并 且其中在磁路中也限定了两个气隙，每一气隙被限定在相应的相对磁体端部之间。如图1中所示，线圈位于槽中。磁路被安装在悬臂梁-例如U型部件-上，其中U型部件的每一端部与相应磁体对连接。当机电发电机受到机械振动时，悬臂梁可以在相对于图7中所示的磁路在上下方向上相应地振动，如图1中通过指示磁运动的箭头所示。在正常操作期间，梁幅度不足够大，不使线圈离开磁体的相对端部之间的气隙。当磁芯在没有任何振动时位于其静止位置中时，悬臂梁位于中央位置，并且线圈的每一匝的上端和下端部分都穿过磁路所产生的磁场，如图1中所示。

为了提高耦合度，最好选择产生强磁通密度的磁体类型。稀土磁体对于该应用是理想的，并且提供的磁能量密度高达常规铝镍钴磁体的5倍。目前已知钕铁硼(NdFeB)磁体每立方厘米具有最强的磁性，并且可以在高至120℃下工作。如果需要更高的工作温度，可以使用稍弱的钐钴，其具有的工作温度高达250℃。

当如图1中所示地设置包括磁芯的磁路以及位于由芯所产生的磁场中的线圈时，相比于其他采用双磁体或单磁体设计的结构，基于四个磁体的该结构通过每一绕组的更大部分的长度来产生磁场。因此，对于给定的电磁耦合度，其通过缩短线圈而减少了线圈绕组中的电阻损耗。

线圈的特征在于：穿过磁场的线圈比例、线圈的匝数、以及其串连电阻。由于许多应用是低频的，所以通常可以忽略二阶效应，诸如线圈电感。在本发明中可以使用两种类型的线圈：线盘线圈和印刷线圈。

可以通过以与制造印刷电路板(PCB)非常相同的方式将导电材料层和绝缘层丝网印刷到基底上以形成印刷线圈。由于印刷层的厚度典型地为10μm，所以印刷线圈可以制作得非常薄，从而使得这种方式对于小规模装置特别有利。印刷线圈也可以非常容易地制造，因为其只涉及标准的厚膜印刷过程，这与线盘线圈相反，线盘线圈特别是随着规模的减小而会变得更加难以制造。印刷线圈的缺点是：每一层 小的厚度会导致线圈的串连电阻高。如果需要比通常可以根据厚膜技术得到的厚度更大厚度的绕组(例如50μm)，则制造线盘线圈更加适合和经济。印刷线圈具有已经连接到基底上的附加优势，这可以增加线圈的刚度，并因此降低线圈与磁芯之间所需要的空隙。另外，可以通过光刻处理形成线圈，诸如在微工程学技术领域中用于在硅晶片上限定结构的那些处理。这些处理是现有技术中所公知的，并且可以通过多个处理-诸如溅蚀、蒸发或者电镀-来建造连续层，连续层可以涂敷于任何晶片类的基底，而不限于在硅晶片上进行沉积。

在本发明的电磁发电机的一个实施例中，将手绕线圈(handwound coil)连接到蚀刻的不锈钢悬臂上，以形成惯性质量。NdFeB磁体相对于悬臂刚性固定，并且每一磁体对位于环氧树脂的外壳中。基于四个磁体之间的移动线圈的这种电磁发电机的实施例能够从周围的振动产生有用的功率级。例如，这种装置产生157μW的平均功率，并且当安装在汽车的发动机组上时可以产生3.9mW的峰值功率。典型的启动线圈电压幅度为250mW。

为了有效地转换能量，最好是在其共振频率激发该梁。共振频率对于梁幅度、环境温度以及夹紧位置(clamping position)中的小振动敏感。最好也确定为了防止由于梁材料的过度应变产生损坏所允许的最大梁幅度。优选地，设计包括真空密封盖，使得真空环绕该梁。

在所述实施例中，虽然纵向方向在磁体相反极性端部之间延伸的每一方框型磁体被表示为具有矩形横截面，但是截面可以变化，例如通过提供圆形截面。

而且，虽然每一衔铁板也被表示为矩形框，但是衔铁板的形状可以变化，例如具有不是矩形的横截面和/或截面面积可以变化的截面。

在一个可选实施例中，磁芯处于固定位置，并且线圈适于由于作用于机电发电机上的机械振动而相对于磁芯移动。

参照图7，根据本发明，本发明人已经发现特定形状和结构的磁性设计提供将机械振动能量转换为电能的改进能量转换效率。如图7中所示，磁体具有l_m的芯长度和t_m的厚度。铁磁衔铁板具有l_c的长度 和t_c的厚度。各个磁体对之间的气隙的宽度给定为g。所有组件-包括磁体和衔铁板-的深度相等，并且给定为T。磁芯的整体宽度给定为W，并且磁芯的整体长度L与衔铁板的长度l_c相等。两个磁体的总工作面面积A给定为2t_mT，并且芯的总面积是每一磁体对的总工作面面积加上它们之间的气隙的工作面面积，被给定为LT。

本发明人通过生成有限要素模型而根据气隙中的磁场研究芯几何结构的效果。模型利用设计的对称性，并且只模拟四分之一部分。模型是平面的，并且忽略深度方向上的任何边缘效应。图8中所示为用于一组典型尺寸的有限要素模型，并且被注释说明边界条件。

将铁磁衔铁建模为具有线性B-H特性，其中相对导磁率为5000，其对于钕铁硼磁体是典型的。导磁率的准确值并不重要，因为大的气隙的磁阻会主导结果。在有限元素分析过程中忽略饱和，但是在建模之后检查设计，以确保在最终设计模型中不出现饱和。

图9、10和11所示为对于几何配置的不同极限所计算的典型磁通图案。如图9中所示，当磁体闭合在一起时，大多数磁力线直接流穿过间隙，具有很少的泄漏。当磁体分开到图10中所示的位置时，一些磁通在芯相同侧的磁体之间卷曲。这可以通过增加芯的长度而部分地减轻，如图11中所示。

本发明人写了一个批处理计算机程序来自动地改变模型的几何参数，并且计算适当的输出数据。输出数据包括B磁场、以及每一结构的 值。该积分的值与气隙中磁场所存储的磁能量成比例。由于模型是线性的，所以通过模型所预测的B磁场比例不变。于是，在分析期间，参数t_m是固定的，并且参数g、l_m和l_c变化作为t_m的比例。

作为该分析的结果，发现芯厚度t_c对所得到的场图案影响不大(只要其足够大)，因此将芯厚度t_c的值设置为2t_m。发现，对于将t_c翻倍的典型结构的效果是将气隙中的平均磁场只增加0.3％。

在处理之后，模拟产生表明g、l_m和l_c的每一组合的结果的三维数据集。对于每一数据点，确定可以避免芯中磁饱和的t_c的最小值(假定B_sat值为2特斯拉)，这又允许为每一点得到芯的总宽度W。

本发明人然后识别和定义变量ψ(单位是特斯拉²)，其与单位芯容量所存储的磁能量的量相关。ψ定义为：

$\mathrm{\ψ}=\frac{\stackrel{\mathrm{airgap}}{\∫}{B}^2\mathrm{dA}}{\mathrm{total\; area\; of\; core}}$

其中B是磁通密度；A是芯的每一磁体对的总工作面面积，该工作面限定气隙(参照图7，其被给定为2t_mT)；芯的总面积是每一磁体对的总工作面面积加上它们之间的间隙的工作面面积(参照图7，其被给定为LT)。

本发明人然后识别和定义用于参数P_L的等式，其是电磁发电机输送给负载的有用电功率：

$P_L=T\·H_C\·W\frac{{(Q_u\·\mathrm{\α}\·{\mathrm{\ω}}_n)}^2}{8(\frac{Q_u}{\left\{\frac{m}{T\·H_C\·W}\right\}{\mathrm{\ω}}_n}+\frac{\mathrm{\ρ}}{\left[\frac{g\·B^2}{W}\right]})}$

其中P_L是输送给负载的有用电功率；

m是图7中所示芯的总质量；

ω_n是系统特征圆频率；

B是磁通密度；

α是振动的峰值幅度激发；

Q_u是不希望的阻尼；

g是图7的间隙长度g；

ρ是线圈的电阻率，单位是欧姆厘米；

T由图7中的深度T给定；

H_c由图7中的l_c给定；并且

W是图7中的长度W(电磁发电机的磁芯因而安装在长度W、高度

H_c并且深度T的外壳(盒)内)。

可以通过检查等式2来评价等式1中参数ψ对于发电机设计中的 芯的重要性，其中等式2中方括号[…]中的项等于等式1中变量ψ的值。本发明人因此发现，可以通过选择图7中所示磁芯结构的磁体和衔铁板的几何而使变量ψ最大化。这又使得可以将由图7中所示几何的基于振动的发电机可以有效提供的电功率最大化。本发明人发现，存在提供ψ的最大值的几何结构，这并不能从现有技术中得到，并且对于一组给定的外部尺寸，通过提供能够使电功率输出最大化的电磁发电机的结构而相对于现有技术提供了技术进步。

等式2中还有两个其它项也取决于用于P_L的表达式中的几何结构。第一个是不希望的阻尼的量，通过Q_u表示；其将是几何参数、梁幅度、以及在该分析中没有建模的其它因素-诸如夹在梁根部处的弹簧的详细情况-的复杂函数。确认，该参数的变化对功率输出具有显著影响，但是其不是设计者已经控制的参数。

第二个是波形括号{…}中表示芯的平均密度的项，不包括线圈的质量。(特别是当激励较低时)可能存在通过减小间隙g产生更大功率的情况。通过这样做，会减小电磁耦合(并因而减小ψ)，但是质量会增加。然而，设计者减小间隙g的能力受到必须安装在间隙中的线圈大小的限制。因此该参数并不在设计者的控制下。

因此，对于给定级别的阻尼和线圈大小，本发明人已经发现：将变量ψ最大化是确保在负载中产生最大功率(即最大能量转换效率)的关键。

相应地，作为检查来自批处理程序的数据集的结果，本发明人已经发现：在g/t_m，l_m/t_m，l_c/t_m的三维参数空间中存在ψ的单个最大值。

在表1中列出了基于ψ的最大值的最优尺寸关系。

表格1

 

参数	值	误差(％)
			W/l<sub>c</sub>	0.71	6
l<sub>m</sub>/l<sub>c</sub>	0.17	24
			g/l<sub>c</sub>	0.195	15
t<sub>m</sub>/l<sub>c</sub>	0.48	2
			t<sub>c</sub>/l<sub>c</sub>	0.087	12
ψ＝ψ<sub>max</sub>	0.0491	0.5
			平均B场	0.366	11

表格中与每一项相关的误差估计了在所示值与参数最大实际值之间的误差。误差是输出数据中数值噪声的结果，其是由模型的稀薄(thinner)区域中的非理想元件形状产生的。应该注意，当g和l_c从它们最优选的值增加时，ψ降低得比这些量降低时更缓慢。于是，为了确保设计中ψ的良好值，最好选择大的g和l_c。

实际中，参数比值被包括在一定的范围内，其可能是由于生产公差所引起的，其优选地大致对应于发电机效率的+/-10％变化。

表格中与每一项相关的误差估计了在所示值与参数最大实际值之间的误差。误差是输出数据中数值噪声的结果，其是由模型的稀薄(thinner)区域中的非理想元件形状产生的。应该注意，当g和l_c从它们最优选的值增加时，ψ降低得比这些量降低时更缓慢。于是，为了确保设计中ψ的良好值，最好选择大的g和l_c。

实际中，参数比值被包括在一定的范围内，其可能是由于生产公差所引起的，其优选地大致对应于发电机效率的+/-10％变化。

当根据表格1中所规定的最优选尺寸关系选择参数时，图12中示出了磁芯设计的磁场图案。

参数比值t_m/l_c对于获得高效率具有很高的重要性，因为其与磁体几何相关。根据本发明，参数比值t_m/l_c的范围从0.40至0.55，优选地从0.43至0.53，并且最优选地为大约0.48。

参数比值l_m/l_c对于获得高效率具有很高的重要性，因为其也与磁体几何相关。根据本发明，参数比值l_m/l_c的范围优选地从0.1至0.24，并且最优选地为大约0.17。

当磁体闭合在一起时，即具有低的参数值g，则大多数磁力线直接流穿过间隙，具有很少的泄漏。当磁体逐渐分开时，一些磁通在芯的相同侧上的磁体之间卷曲。如果磁体太靠近，就没有线圈的空间。根据本发明，参数比值g/l_c的范围优选地从0.14至0.26，并且最优选地为大约0.20。

参数比值t_c/l_c取决于铁磁衔铁的厚度，其对效率具有有限的影响。根据本发明，参数比值t_c/l_c的范围优选地从0.06至0.12，并且最优选地为大约0.09。

参数比值W/l_c取决于整体装置宽度，其又由t_c、l_c和g控制。根据本发明，参数比值W/l_c的范围优选地从0.61至0.81，并且最优选地 为大约0.71。

参数ψ的值优选地从0.04至0.06特斯拉²，更优选的值为大约0.05特斯拉²。

也应该注意，如果确定机电发电机最大大小的尺寸不是产生该最优设计的正确比例，则可以通过将有效容积分成更理想比例的几个更小容积而得到最优值。

Claims (25)

1.一种用于电磁发电机的磁芯，所述磁芯包括设置成两个磁体对的四个磁体，其中每一对磁体与相应的衔铁组装在一起，所述两对磁体以相对的方式被安装，使得一个磁体对的每一磁体的前端在第一方向上与另一磁体对的相应磁体的前端间隔并且面对，所述面对的前端的磁极性相反，从而在所述磁芯中在所述四个磁体的前端之间限定一对气隙，并且每对的磁体的后端与相应的衔铁接触，每对的磁体在第二方向上彼此相互间隔，并且其中每一磁体在第二方向上的宽度与所述磁芯在第二方向上的高度之比值为从0.40到0.55。

2.根据权利要求1的磁芯，其中每一磁体在第二方向上的宽度与磁芯在第二方向上的高度的比值为从0.43到0.53。

3.根据权利要求2的磁芯，其中每一磁体在第二方向上的宽度与磁芯在第二方向上的高度的比值大约为0.48。

4.根据权利要求1至3中任一项的磁芯，其中每一磁体在第一方向上的长度与磁芯在第二方向上的高度的比值为从0.1至0.24。

5.根据权利要求4的磁芯，其中每一磁体在第一方向上的长度与磁芯在第二方向上的高度的比值大约为0.17。

6.根据权利要求1至3中任一项的磁芯，其中每一气隙在第一方向上的长度与磁芯在第二方向上的高度的比值为0.14至0.26。

7.根据权利要求6的磁芯，其中每一气隙在第一方向上的长度与磁芯在第二方向上的高度的比值大约为0.2。

8.根据权利要求1至3中任一项的磁芯，其中每一衔铁在第一方向上的厚度与磁芯在第二方向上的高度的比值为从0.06至0.12。

9.根据权利要求8的磁芯，其中每一衔铁在第一方向上的厚度与磁芯在第二方向上的高度的比值大约为0.09。

10.根据权利要求1至3中任一项的磁芯，其中磁芯在第一方向上的长度与磁芯在第二方向上的高度的比值为从0.61至0.81。

11.根据权利要求10的磁芯，其中磁芯在第一方向上的长度与磁芯在第二方向上的高度的比值大约为0.71。

12.根据权利要求1至3中任一项的磁芯，其中参数ψ的值为从0.04至0.06平方特斯拉，其中所述参数ψ通过如下等式定义：

其中：B是磁通密度；并且

A是所述磁芯的每一磁体对的总工作面面积，其中所述工作面限定所述气隙；并且

所述磁芯的总面积是每一磁体对的总工作面面积加上该磁体对的两个磁体之间的间隙的工作面面积。

13.根据权利要求12的磁芯，其中所述参数ψ的值约为0.05平方特斯拉。

14.根据权利要求1至3中任一项的磁芯，其中穿过所述气隙的平均磁场大约为0.366特斯拉。

15.一种电磁发电机，其中所述电磁发电机包括：根据权利要求1至14中任一项的磁芯、设置在所述一对气隙之间的线圈、以及用于安装所述磁芯和所述线圈其中之一的振动敏感底座，从而所述电磁发电机的振动导致所述磁芯和所述线圈的相对运动，以在所述线圈中产生电流。

16.一种生产用于电磁发电机的磁芯的方法，所述磁芯包括设置成两个磁体对的四个磁体，其中每一对磁体与相应的衔铁组装在一起，所述两对磁体以相对的方式安装，使得一个磁体对的每一磁体的前端在第一方向上与另一磁体对的相应磁体的前端间隔开并且面对，所述面对的前端的磁极性相反，从而在所述磁芯中在所述四个磁体的前端之间限定一对气隙，并且每对的磁体的后端与相应的衔铁接触，每对的磁体在第二方向上彼此相互间隔，所述方法包括以下步骤：

(a)建立用于所述磁芯的几何参数的模型，所述参数包括：每一磁体在第二方向上的宽度t_m、所述磁芯在第二方向上的高度l_c、每一磁体在第一方向上的长度l_m以及所述气隙在第一方向上的长度g；

(b)改变所述参数，以提供单位为平方特斯拉的输出值ψ，其中所述输出值ψ通过如下等式定义：

其中B是磁通密度；并且

A是所述磁芯的每一磁体对的总工作面面积，其中所述工作面限定气隙；并且

所述磁芯的总面积是每一磁体对的总工作面面积加上该磁体对的两个磁体之间的间隙的工作面面积；

(c)确定所述参数ψ的最大值；

(d)至少确定所述参数t_m、l_c、l_m和g的值，以提供所述参数ψ的范围，所述范围包括所述参数ψ的最大值；和

(e)在特定公差内生产具有所述参数t_m、l_c、l_m和g的所确定值的磁芯。

17.根据权利要求16的方法，其中每一磁体在第二方向上的宽度(t_m)与磁芯在第二方向上的高度(l_c)的比值为从0.40至0.55。

18.根据权利要求17的方法，其中每一磁体在第二方向上的宽度(t_m)与磁芯在第二方向上的高度(l_c)的比值为从0.43至0.53。

19.根据权利要求18的方法，其中每一磁体在第二方向上的宽度(t_m)与磁芯在第二方向上的高度(l_c)的比值大约为0.48。

20.根据权利要求16至19中任一项的方法，其中每一磁体在第一方向上的长度(l_m)与磁芯在第二方向上的高度(l_c)的比值为从0.1至0.24。

21.根据权利要求20的方法，其中每一磁体在第一方向上的长度(l_m)与磁芯在第二方向的高度(l_c)的比值大约为0.17。

22.根据权利要求16至19中任一项的方法，其中每一气隙在第一方向上的长度(g)与磁芯在第二方向上的高度(l_c)的比值为从0.14至0.26。

23.根据权利要求22的方法，其中每一气隙在第一方向上的长度(g)与磁芯在第二方向上的高度(l_c)的比值大约为0.20。

24.根据权利要求16至19中任一项的方法，其中每一衔铁在第一方向上的厚度(t_c)与磁芯在第二方向上的高度(l_c)的比值为从0.06至0.12。

25.根据权利要求24的方法，其中每一衔铁在第一方向上的厚度(t_c)与磁芯在第二方向上的高度(l_c)的比值大约为0.09。

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