JP2021519570A

JP2021519570A - 機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換するための電気機械発電機

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Publication number: JP2021519570A
Application number: JP2020552030A
Authority: JP
Inventors: アダム、ワゼンツク
Original assignee: Perpetuum Ltd
Current assignee: Perpetuum Ltd
Priority date: 2018-03-27
Filing date: 2019-03-22
Publication date: 2021-08-10
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Abstract

機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換するための電気機械発電機において、中央マストと、マストに装着固定される導電性コイルアセンブリであって、マストを少なくとも部分的に取り囲むとともに、径方向内側及び外側の側面と第１及び第２の反対側の縁部とを有する導電性コイルアセンブリと、径方向内側の側面の径方向内側で延びるとともにコイルアセンブリをマストに固定するコイルアセンブリのためのマウントと、軸に沿って該軸上の平衡位置を中心に直線振動動作できるようにマストに移動可能に装着される磁気コアアセンブリであって、磁気コアアセンブリがコイルアセンブリとマストとを少なくとも部分的に取り囲み、磁気コアアセンブリが、導電性コイルアセンブリを径方向外側の側面で取り囲む一体部品の管状体を備える外側コアと、外側コアのそれぞれの第１及び第２の端部で外側コアに磁気的に結合される第１及び第２のエンドコアであって、径方向内側で延びるとともにコイルアセンブリのそれぞれの第１及び第２の反対側の縁部を取り囲み、（ｉ）第１及び第２のエンドコアの両方が外側コアのそれぞれの第１及び第２の端部で外側コアに嵌合されて接触する、又は、（ｉｉ）第１及び第２のエンドコアの一方が外側コアのそれぞれの第１又は第２の端部で外側コアに嵌合されて接触し且つ第１及び第２のエンドコアの他方が外側コアのそれぞれの第１又は第２の端部で外側コアと一体である、第１及び第２のエンドコアと、軸に沿って離間される第１及び第２の磁石であって、それぞれの第１及び第２のエンドコアに接触して磁気的に結合されるとともに、マウントが貫通して延びる磁気コアアセンブリの隙間を磁石間に画定する第１及び第２の磁石と、を備える、磁気コアアセンブリと、を備える電気機械発電機。

Description

本発明は、機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換するための電気機械発電機、すなわち、振動エネルギーハーベスタに関する。特に、本発明は、周囲の振動エネルギーを例えばインテリジェントセンサシステムに給電する際に用いる電気エネルギーに変換できる小型発電機であるそのような振動エネルギーハーベスタに関する。そのような振動エネルギーハーベスタは、電源ケーブル又はバッテリを排除することで経済的又は運用上の利点がある多くの分野で使用され得る。

周囲の振動から例えば無線センサに給電するのに有用な電力を収穫するための電気機械発電機を備える振動エネルギーハーベスタを使用することが知られている。典型的なマグネットコイル発電機は、システムが振動するときにコイルが磁気コアにより形成される磁束を通り抜けるような態様でマグネット又はコイルに取り付けられるバネ−質量の組み合わせから成る。

出願人の先行する米国特許第７５８６２２０号及び米国特許第８４９２９３７号は、それぞれが磁気コアのそれぞれの端部に位置される２つの磁石に接続される強磁性コアが設けられる電気機械発電機の形態を成す振動エネルギーハーベスタを開示する。強磁性コアと２つの磁石とのアセンブリは、略Ｃ字形の断面を有する。磁気コアアセンブリはコイルを取り囲んで収容する。磁気コアアセンブリは中央管状体又はマストにバネ装着され、また、磁気コアアセンブリは、コイルに対する磁気コアアセンブリの振動動作を引き起こしてコイルで電気エネルギーを生み出すべくマストの軸に沿う方向で直線的に振動され得る。

米国特許第７５８６２２０号及び米国特許第８４９２９３７号のそれぞれは、コアが２つの部分で製造されて２つの部分が実質的に「カップ形状」であることを開示する。磁気コアアセンブリを組み立てるために、一方のカップ形状部分が反転されて他方のカップ形状部分上に配置され、一体型コアを形成するべくカップ形状部分の２つの「リム」が互いに結合される中央ジョイントが設けられる。これらの従来の特許明細書では、各「リム」が直立したフランジと隣接する凹部とを有し、結果として得られるアセンブリでは、各フランジが他方の部分の凹部内に受けられる。これにより、信頼できる中央ジョイントが磁気コアアセンブリにもたらされる。磁気コアアセンブリは、軸周りでほぼ対称である。そのような構造は、磁気コアアセンブリを形成するために必要なジョイントの数を最小限に抑えることができるとともに、コア構造内で可能な限り多くの対称性を維持することができる。更に、単一のジョイントが軸に沿って中央に位置される場合、磁場との干渉も最小限に抑えられる。

しかしながら、事前に定められた入力周波数帯域で機械的振動エネルギーから高い電力出力を得るためには、装置を正確に構造化してエネルギーハーベスタ内で磁気コアアセンブリの動きを制御する必要があり、また、そのような正確な制御を実現するには、磁気コアアセンブリの軸方向長さが正確に規定されなければならないことが分かってきた。前述の既知の磁気コアアセンブリ構造は、２つの正確な機械加工作業を必要とする。また、前述の単一の中央ジョイントの製造は、フランジと凹部との正確な機械加工作業を必要とする。

当該技術分野では、磁気コアアセンブリの非常に正確な軸方向長さをもたらすことができるが特に磁気コアの強磁性構成要素を製造するために必要な精密機械加工作業の数を最小限に抑える又は減らすことによって製造の複雑さ及びコストを低く抑えて容易に製造できる磁気コアアセンブリを提供する必要がある。

米国特許第７５８６２２０号米国特許第８４９２９３７号

本発明は、少なくとも部分的には、磁気コアアセンブリの非常に正確な軸方向長さを確実にもたらすことができるが特に磁気コアの強磁性構成要素を製造するために必要な精密機械加工作業の数を最小限に抑える又は減らすことによって製造の複雑さ及びコストを低く抑えて容易に製造できる磁気コアアセンブリを提供できる電気機械発電機の形態を成すエネルギーハーベスタを提供することを目的とする。

したがって、本発明は、機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換するための電気機械発電機を提供し、この電気機械発電機は、中央マストと、マストに装着固定される導電性コイルアセンブリであって、マストを少なくとも部分的に取り囲むとともに、径方向内側及び外側の側面と第１及び第２の反対側の縁部とを有する導電性コイルアセンブリと、径方向内側の側面の径方向内側で延びるとともにコイルアセンブリをマストに固定するコイルアセンブリのためのマウントと、軸に沿って該軸上の平衡位置を中心に直線振動動作できるようにマストに移動可能に装着される磁気コアアセンブリであって、磁気コアアセンブリがコイルアセンブリとマストとを少なくとも部分的に取り囲み、磁気コアアセンブリが、導電性コイルアセンブリを径方向外側の側面で取り囲む一体部品の管状体を備える外側コアと、外側コアのそれぞれの第１及び第２の端部で外側コアに磁気的に結合される第１及び第２のエンドコアであって、径方向内側で延びるとともにコイルアセンブリのそれぞれの第１及び第２の反対側の縁部を取り囲み、（ｉ）第１及び第２のエンドコアの両方が外側コアのそれぞれの第１及び第２の端部で外側コアに嵌合されて接触する、又は、（ｉｉ）第１及び第２のエンドコアの一方が外側コアのそれぞれの第１又は第２の端部で外側コアに嵌合されて接触し且つ第１及び第２のエンドコアの他方が外側コアのそれぞれの第１又は第２の端部で外側コアと一体である、第１及び第２のエンドコアと、軸に沿って離間される第１及び第２の磁石であって、それぞれの第１及び第２のエンドコアに接触して磁気的に結合されるとともに、マウントが貫通して延びる磁気コアアセンブリの隙間を磁石間に画定する第１及び第２の磁石と、を備える、磁気コアアセンブリとを備える。

好ましい特徴が従属請求項で規定される。

本発明は、略管状の外側構成要素を１つ又は２つの略平坦な内側構成要素に接合することによって磁気コアを製造でき、各内側構成要素がコアのそれぞれの端部に位置されるという所見を前提としている。略管状の外側構成要素は、コアの単一の軸方向長さを規定することができ、その許容差は、精密研削作業によって容易に規定され得る。磁気コアは、製造の低い複雑さ及び低コストで製造され得る。

ここで、添付図面を参照して、本発明の実施形態を単なる一例として説明する。

本発明の第１の実施形態に係る機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換するための電気機械発電機の概略側断面図である。図１の電気機械発電機におけるバネの概略平面図である。本発明の第２の実施形態に係る電気機械発電機のエンドコア部分の概略平面図である。本発明の第３の実施形態に係る機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換するための電気機械発電機の概略側断面図である。

本発明の電気機械発電機は、ハウジングに対する慣性質量の動きによって行われる仕事のほぼ全てがその動きの瞬間速度に比例する当該技術分野において「速度減衰」として知られている共振発電機である。必然的に、その仕事の一部は、望ましくない機械的又は電気的な損失を克服して吸収されるが、仕事の残りの部分は、後述する電気コイル／磁気アセンブリなどの適切な変換機構を介して電流を生成するために使用されてもよい。

図１及び図２は、本発明の第１の実施形態に係る機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換するための電気機械発電機２を示す。動作時、電気機械発電機２はハウジング（図示せず）内に収容され、また、装置には、電気機械発電機２を支持体（図示せず）に強固に装着するための取付具（図示せず）が設けられ、前記支持体から、電気機械発電機２によって電気エネルギーに変換される機械的振動エネルギーが収穫される。

電気機械発電機２は、縦軸Ａ−Ａに沿って延びる中央マスト４を備える。使用時、入力される機械的振動エネルギーの振幅は、一般に、縦軸Ａ−Ａに沿っている、又は、縦軸Ａ−Ａに沿って延びる成分を有する。マスト４の両端部６，８はハウジング（図示せず）に取り付けられ、また、マスト４の一方又は両方の端部６，８には、電気機械発電機２を支持体に又はハウジングに強固に装着するための取付具（図示せず）、例えばネジ穴が設けられてもよい。

好ましくは、マスト４は、低透磁性、低導電性であるが、３１６ステンレス鋼などの高弾性係数材料から形成される。マスト４は、中央中空孔５を伴って、少なくとも部分的に中空であってもよい。

導電性コイルアセンブリ１０がマスト４に装着固定される。コイルアセンブリ１０は、少なくとも部分的に、好ましくは全体的に、マスト４を取り囲む。アセンブリ１０は、円形であるとともにマスト４と同軸である導電性コイル１２を備える。アセンブリ１０は径方向内側及び外側の側面１４，１６を有し、側面１４，１６は回転軸Ａ−Ａと平行に延在する。アセンブリ１０は、第１及び第２（一般に上側及び下側）の反対側の縁部１８，２０を有する。コイル１２は、第１及び第２の反対側の縁部１８，２０にそれぞれ隣接して位置される第１及び第２のコイル部１３ａ，１３ｂを有する。

コイルアセンブリ１０のためのマウント２２は、コイルアセンブリ１０の径方向内側で延在してコイルアセンブリ１０をマスト４に固定する。マウント２２は、径方向内側の側面１４の径方向内側で延びる。コイル１２は、マウント２２の環状コイル支持体２４内に装着される。この明細書中、「環状」という用語は、「リング状」を意味するが、任意の他の特定の幾何学的形状を意味するものではなく、また、任意の環状要素の平面図が丸められなければならないことを意味するものではなく、例えば、「環状」又は「リング状」要素の側面が直線であってもよい。図示の実施形態において、環状コイル支持体２４は、好ましくは平面図で円形であるが、任意の他のリング状の幾何学的形状であってもよい。同様に、本明細書中に記載される他の環状要素も、平面図で円形であることが好ましいが、任意の他のリング状の幾何学的形状であってもよい。このアセンブリ１０は、コイル１２をハウジング内の所定位置に装着する。コイル支持体２４は、軸Ａ−Ａから径方向外側に位置されるとともに、マスト４の端部６，８間の軸方向のほぼ中間に位置される。

マウント２２は、コイルアセンブリ１０とマスト４との間で延びる円錐壁２６を備える。円錐壁２６は環状コイル支持体２４と一体である。環状コイル支持体２４は、円錐壁２６に接続する径方向に向けられた内壁２８を含む。円錐壁２６は、熱可塑性材料から構成される好ましくは射出成形された成形体であり、該成形体は環状コイル支持体２４及び円錐壁２６を備える。好ましくは、熱可塑性材料は、ガラス入りプラスチックなどの非常に導電率の低い材料である。

円錐壁２６は、反対側の第１及び第２の端部３０，３２を有する。第１の端部３０は、第２の端部３２よりも小さい直径を有する。第１の端部３０はマスト４に装着され、第２の端部３２はコイルアセンブリ１０に装着される。マウント２２は、第１の端部３０と一体の内壁３４を更に備える。内壁３４は、弓形であり又は湾曲しており、マスト４の中央部３６の外周の少なくとも一部にわたって嵌合される。

図示の実施形態において、円錐壁は、軸Ａ−Ａに対して４０〜５０度の角度で、一般に軸Ａ−Ａに対して約４５度の角度で傾斜される。好ましくは、円錐壁２６の中央部分３８は、マスト４に沿って軸方向のほぼ中間に位置される。

コイルアセンブリ１０のためのマウント２２は好ましくは凹部（図示せず）を画定し、該凹部内に、例えば電圧調整によってコイル１２の電気出力を電気的に調整するための回路（図示せず）が受けられる。回路は、好ましくは、湿度、液体などの望ましくない環境的影響から回路をシールして保護するプラスチック又はゴムのシール材料によって封入される。コイル１２は配線（図示せず）によって回路に接続され、また、回路は、そこから外部回路（図示せず）に接続するために延びる第２の配線（図示せず）を有する。

磁気コアアセンブリ４０が軸Ａ−Ａ上の平衡位置を中心とする軸Ａ−Ａに沿う直線振動動作のためにマスト４に移動可能に装着され、平衡位置が図１に示されている。磁気コアアセンブリ４０は、少なくとも部分的に、好ましくは全体的に、コイルアセンブリ１０及びマスト４を取り囲む。

磁気コアアセンブリ４０は、軸Ａ−Ａに沿って離間される２つの対向する磁気回路を備える。図示の実施形態において、磁気コアアセンブリ４０は、軸Ａ−Ａに沿って離間される一対の軸方向で位置合わせされる環状の第１及び第２の磁石４２，４４を備える。磁石４２，４４はそれぞれ、一般に、高い磁場強度を有する希土類永久磁石である。第１の共通の極性を有する磁石４２，４４の極は互いに対向しており、また、互いから離れる方向を向く磁石４２，４４の極は第２の共通の極性を有する。

互いから離れる方向を向く磁石４２，４４の極には強磁性体４６が接触して磁気的に結合される。一般に、強磁性体４６は、軸に対して磁石４２，４４の径方向外側で延びる。強磁性体は、一般に管状であり、そのそれぞれの端部に径方向内側に延びるアームを有し、各アームはその上にそれぞれの磁石４２，４４を装着する。

磁石４２，４４は、円錐壁２６の両側、図１では円錐壁２６の上側及び下側に装着されるとともに、コイル１２の径方向内側に装着される。磁石４２，４４はそれぞれ円錐壁２６から軸方向に離間されて隙間４８を画定し、該隙間４８を通じてマウント２２、特に円錐壁２６が延びる。磁石４２，４４は、それらの同一の極が円錐壁２６の両側で互いに向き合うように位置合わせされる。

磁気コアアセンブリ４０は一体部品の管状体５２を備える外側コア５０を備え、管状体５２は、導電性のコイルアセンブリ１０を径方向外側の側面１６で取り囲む。管状体５２は円筒形である。

磁気コアアセンブリ４０は、外側コア５０のそれぞれの反対側の第１及び第２の端部５８，６０で外側コア５０に接触して磁気的に結合される第１及び第２のエンドコア５４，５６を更に備える。第１及び第２のエンドコア５４，５６は、径方向内側で延在するとともに、コイルアセンブリ１０のそれぞれの第１及び第２の反対側の縁部１８，２０を取り囲む。磁気コアアセンブリ４０は、軸Ａ−Ａに沿って離間される第１及び第２の磁石４２，４４を更に備える。第１及び第２の磁石４２，４４は、それぞれの第１及び第２のエンドコア５４，５６に接触して磁気的に結合される。第１及び第２のコイル部１３ａ，１３ｂはそれぞれ、共通の強磁性体の外側コア５０と磁石４２，４４のうちの一方との間に少なくとも部分的に位置される。

管状体５２の第１及び第２の端部５８，６０はそれぞれ、管状体５２の内面６６に凹部６２，６４を備える。第１及び第２のエンドコア５４，５６は、管状体５２のそれぞれの第１及び第２の端部５８，６０の凹部６２，６４に嵌合される。

凹部６２，６４は、平衡位置から軸Ａ−Ａに沿って離れる方向を向く横装着面６８と、軸Ａ−Ａの方を向く縦装着面７０とを有する。それぞれの第１及び第２のエンドコア５４，５６の径方向及び周方向の面７２，７４がそれぞれ、横装着面及び縦装着面６８，７０に嵌合される。

第１及び第２のエンドコア５４，５６はプレートを備える。第１及び第２のエンドコア５４，５６は、平面であってもよく、或いは、外面又は内面に何らかの三次元成形部を備えていてもよい。第１及び第２のエンドコア５４、５６は円形であり、各エンドコアは、外側コア５０の縦装着面７０である内側周方向面に嵌合される外側周方向面７４と、マスト４を取り囲む中央穴７６とを有する。図示の実施形態において、第１及び第２のエンドコア５４，５６は、管状体５２の端部に嵌合される円形ディスクである。第１及び第２のエンドコア５４，５６の円形の外周は、管状体５２の内面６６上に横装着面及び縦装着面６８，７０によって形成される肩部に軸方向で嵌合されてもよい。嵌合は、圧力嵌め、応力緩和嵌合、又は、弾性嵌合であってもよい。第１及び第２のエンドコア５４，５６は、随意的に管状体５２に結合されてもよい。結果として得られる構造は、ほぼ均一な強磁性特性と正確な軸方向長さとを伴う略Ｃ字形の磁気コアをもたらす。

図３に示される変更された実施形態において、第１及び第２のエンドコア５４，５６は、円形であるとともに、第１及び第２のエンドコア５４，５６を管状体５２のそれぞれの第１及び第２の端部５８，６０の凹部６２，６４内に圧入できるようにする小角度セグメント切り欠き又は開口５５を有する。第１及び第２のエンドコア５４，５６は、柔軟な材料から構成されるとともに、凹部６２，６４の内部寸法に対して過大であり、また、凹部６２，６４内の第１及び第２のエンドコア５４，５６の弾性緩和は、磁気コアアセンブリが正確な軸方向長さを有するように第１及び第２のエンドコア５４，５６を管状体５２内に軸方向で保持するようにする。第１及び第２のエンドコア５４，５６における磁場は径方向であるため、略径方向である切り欠き又は開口５５は、磁気回路に最小限の影響しか及ぼさない。設置された第１及び第２のエンドコア５４，５６は、管状体５２に外向きの圧力を及ぼし、これにより、必要な磁気回路が効率的に完成する。

図４に示される更なる実施形態では、第１及び第２のエンドコアのうちの一方（図１に示されるように両方ではなく）、図示の実施形態では第２のエンドコア５６が、管状体５２と一体であり、また、第１のエンドコア５４は、図１の実施形態に関連して前述した構造を有する。反対側の端部において、管状体５２には一体のエンドコア部分５７が設けられる。非一体型のエンドコア５４は、前述したいずれかの構成、特に連続的な構成或いは略径方向の切り欠き又は開口５５を伴う構成を有してもよい。

第１及び第２の位置決め要素７８，８０がそれぞれ第１及び第２のエンドコア５４，５６に嵌合される。第１及び第２の位置決め要素７８，８０はそれぞれマウント２２に向けて延びる。第１及び第２の位置決め要素７８，８０のそれぞれは、それぞれの第１及び第２の磁石４２、４４の側面と係合する位置決め面８２を有する。第１及び第２の位置決め要素７８，８０は、それぞれの第１及び第２のエンドコア５４，５６の嵌合面８４，８６に嵌合され、嵌合面８４，８６は軸Ａ−Ａの方を向く。第１及び第２の位置決め要素７８，８０の位置決め面８２は、それぞれの第１及び第２の磁石４２，４４の側面８８，９０に嵌合され、側面８８，９０は軸Ａ−Ａの方を向く。第１及び第２の位置決め要素７８，８０は、磁石を磁気コアアセンブリ４０内に正しい位置で正確且つ強固に嵌合する。

径方向外側コア５０、第１及び第２のエンドコア５４，５６、及び、径方向内側磁石４２，４４を備える磁気コアアセンブリ４０は、それらの間に、コイル１２が受けられる環状の囲繞キャビティ９２を画定する。磁石４２，４４及び外側コア５０並びに第１及び第２のエンドコア５４，５６は、それらの間の相対的な並進移動を可能にするためにコイル１２から僅かに離間される。磁気コアアセンブリ４０は、略Ｃ字形の断面を有し、回転対称である。

キャビティ９２は、第１及び第２のコイル部１３ａ，１３ｂのそれぞれと中央マスト４との間で、マウント２２の円錐壁２６の上側又は下側にそれぞれ、それぞれのキャビティ部を有する。

外側コア５０並びに第１及び第２のエンドコア５４，５６は、軟鉄などの高い透磁率及び高質量を有する強磁性材料から構成される。したがって、外側コア５０、第１及び第２のエンドコア５４，５６、及び、磁石４２，４４のアセンブリは、磁気コアアセンブリ４０の２つの軸方向に離間した磁気回路を形成する。各磁気回路の磁束線の限界は、外側コア５０とそれぞれの第１及び第２のエンドコア５４，５６とによって規定され、これにより、各磁石４２，４４からの磁束が外側コア５０と第１及び第２のエンドコア５４，５６とから形成される共通の強磁性体から軸方向又は径方向外側に延びることが実質的に防止される。対向する磁石４２，４４は共通の極を伴って互いに向かい合うため、磁気コアアセンブリ４０の中央領域では、対向する磁気回路の磁束が対向し、それにより、磁束が共通の強磁性体へ向けて径方向外側に方向付けられる。

結果として生じる効果は、単一の磁気コアアセンブリ４０が２つの別個の磁石４２，４４を備え、非常に高い割合の磁束がそれぞれのコイル部１３ａ，１３ｂを通過するように拘束されるそれぞれの磁気回路を各磁石が有することである。これにより、磁石４２，４４とコイル１２との間に非常に高い度合の磁気結合がもたらされる。その結果、固定されたコイル１２に対する磁気コアアセンブリ４０の直線的な軸方向共振移動による特に後述するような磁石４２，４４とコイル１２との間の任意の相対移動は、コイル１２で非常に高い電力出力を生み出す。

磁気コアアセンブリ４０を平衡位置へ向けて軸Ａ−Ａに沿って両方向で付勢するために、付勢装置１００がマスト４と磁気コアアセンブリ４０との間に装着される。付勢装置１００は、一対の第１及び第２の板バネ１０２，１０４を備える。第１及び第２の板バネ１０２，１０４のそれぞれは、マスト４の第１及び第２の反対側の端部６，８にそれぞれ取り付けられる内側縁部１０６，１０８と、磁気コアアセンブリ４０に取り付けられる外側縁部１１４，１１６とを有する。第１の板バネ１０２の外側縁部１１４は磁気コアアセンブリ４０の第１の端部分１１８に取り付けられ、第２の板バネ１０４の外側縁部１１６は磁気コアアセンブリ４０の第２の端部分１２０に取り付けられる。

第１及び第２の板バネ１０２，１０４のそれぞれは、軸Ａ−Ａと略直交するとともにそれぞれの内側縁部１０６，１０８を含む内側部１２６，１２８と、軸Ａ−Ａと略平行であるとともにそれぞれの外側縁部１１４，１１６を含む円筒状の外側部１３０，１３２とを備えるバネ部材１２２，１２４を備える。

バネ部材１２２，１２４は折り曲げられたシートバネであり、内側部及び外側部１２６，１２８；１３０，１３２は折り曲げ部１３４，１３６によって接続される。

各外側縁部１１４，１１６は、磁気コアアセンブリ４０の外側周方向面１３８，１４０に取り付けられる。図示の実施形態において、各外側縁部１１４，１１６は、磁気コアアセンブリ４０の外側周方向面１３８，１４０上に押し込み嵌合され、弾性嵌合によって外側周方向面１３８，１４０に取り付けられる。

第１及び第２の板バネ１０２、１０４のそれぞれの内側縁部１０６，１０８は、内側縁部１０６，１０８とマスト４との間のリベット継手１４２，１４４によってマスト４に取り付けられる。

第１及び第２の板バネ１０２、１０４はそれぞれ、磁気コアアセンブリ４０が中央平衡位置から離れるように移動されるときに、磁気コアアセンブリ４０に対して同じ機械的な付勢力を印加する。第１及び第２の板バネ１０２、１０４は同じバネ定数を有することが好ましい。

移動可能な磁気コアアセンブリ４０の反対側の軸方向端部に一対の第１及び第２の板バネ１０２，１０４を設けることにより、磁気コアアセンブリ４０に十分なバネ付勢された復元力を与えて磁気コアアセンブリをコイル１２に対して軸方向中央位置に向けて付勢できるだけでなくハウジング内で実質的に最小の容積も占める構造がもたらされる。特に、移動可能な磁気コアアセンブリ４０の反対側の軸方向端部における第１及び第２の板バネ１０２，１０４の位置は、磁気結合を最大にするだけでなく重要なことに移動可能な磁気コアアセンブリの質量をそれに応じて最大化することもできる所定の装置体積に関して磁気コアアセンブリ４０のサイズを最大にするのに役立ち得る。当該技術分野において知られているように、これが出力電力を増大するため、共振振動電磁エネルギーハーベスタにおいて移動可能な磁気コアアセンブリの質量を最大にすることが望まれている。

一対の第１及び第２の板バネ１０２，１０４を設けることにより、移動可能な磁気コアアセンブリを取り囲む高価で扱い難い螺旋バネの必要性も回避される。これは、構成要素のコストを減らすことによって製造コストを低減する。

ここで、第１及び第２の板バネ１０２，１０４の平面図を示す図２を参照すると、内側部１２６，１２８は略円形である。図示の実施形態において、各内側部１２６，１２８は、折り曲げ部１３４，１３６に隣接する外側周方向部分１４６、内側縁部１０６，１０８に隣接する内側周方向部分１４８、及び、外側及び内側周方向部分１４６，１４８を互いに接続する少なくとも３つのアーム１５０，１５２，１５４を有する。アーム１５０，１５２，１５４は軸Ａ−Ａの周囲で互いに離間され、また、隣り合うアーム１５０，１５２，１５４の各対は、それらの間のそれぞれの開口１５６，１５８，１６０によって分離される。アーム１５０，１５２，１５４は軸Ａ−Ａの周囲で互いに等間隔で離間される。３つのアーム１５０，１５２，１５４を用いると、隣り合うアーム１５０，１５２，１５４の同じ部分同士の間の角度間隔は１２０度である。

各アーム１５０，１５２，１５４は、外側周方向部分１４６に接続される径方向外側部分１６２と、径方向外側部分１６２に接続される中央周方向部分１６４と、中央周方向部分１６４と内側周方向部分１４８との間に接続される径方向内側部分１６６とを備える。

各開口１５６，１５８，１６０は、外側周方向部分１４６に隣接する外側周方向領域１６８と、外側周方向領域１６８に接続される中央径方向領域１７０と、中央径方向領域１７０に接続されて内側周方向部分１４８に隣接する内側周方向領域１７２とを備える。

各開口１５６，１５８，１６０は、外側開口端部１７４と内側開口端部１７６との間で延在し、各開口端部１７４，１７６は、開口１５６，１５８，１６０の隣接部と比較して拡大された幅を有する。これはバネの応力集中を軽減する。

図示の実施形態では、正確に３つのアーム１５０，１５２，１５４と正確に３つの開口１５６，１５８，１６０とがある。これにより、アーム間及び開口間に１２０度の角度間隔がもたらされる。他の実施形態では、３つを超えるアーム及びそれに対応して３つを超える開口が設けられる。例えば、４つ、５つ、又は、６つのアーム／開口が設けられてもよく、その場合、アーム間及び開口間がそれぞれ９０度、７２度、及び、６０度の角度間隔となる。

好ましくは、図示の実施形態のように、アーム１５０，１５２，１５４は同じ形状及び寸法を有し、それに対応して、開口１５６，１５８，１６０が同じ形状及び寸法を有する。

電気機械発電機２は、一対の第１及び第２のスペーサ１７８，１８０を更に備える。第１のスペーサ１７８は、第１の板バネ１０２とマスト４の第１の表面１８２との間に取り付けられ、また、第２のスペーサ１８０は、第２の板バネ１０４とマスト４の第２の表面１８４との間に取り付けられる。第１及び第２の表面１８２，１８４は、マスト４のそれぞれの第１及び第２の反対側の端部６，８に位置される。

弾性装置１８６が付勢装置１００と磁気コアアセンブリ４０との間に装着される。弾性装置１８６は、磁気コアアセンブリ４０が直線振動動作によって平衡位置から所定の非ゼロ閾値振幅だけ離れるように移動したときに付勢装置１００と磁気コア４０との間で変形されるように構成される。

弾性装置１８６は、一対の第１及び第２の平バネ要素１８８，１９０を備える。第１及び第２の平バネ要素１８８，１９０のそれぞれは、磁気コアアセンブリ４０に取り付けられる外側縁部１９２，１９４と、マスト４から径方向外側に離間されてそれぞれの第１及び第２の板バネ１０２，１０４の軸方向内側に離間される自由内側縁部１９６，１９８とを有する。第１の平バネ要素１８８の外側縁部１９２は磁気コアアセンブリ４０の第１の端部分１１８に取り付けられ、また、第２の平バネ要素１９０の外側縁部１９４は磁気コアアセンブリ４０の第２の端部分１２０に取り付けられる。

一般に、第１及び第２の平バネ要素１８８，１９０のそれぞれの外側縁部１９２，１９４は、磁気コアアセンブリ４０に対して所定の位置に強固に保持されるようにバネにより付勢されることによって磁気コアアセンブリ４０に取り付けられる。図１に概略的に示されるように、外側縁部１９２，１９４とそれぞれの第１又は第２の板バネ１０２，１０４との間にバネ付勢要素１９１が設けられ、このバネ付勢要素は、磁気コアアセンブリ４０の第１又は第２の端部分１１８，１２０に対して外側縁部１９２，１９４をしっかりと付勢する。あまり好ましくないが別の実施形態において、第１及び第２の平バネ要素１８８，１９０のそれぞれの外側縁部１９２，１９４は、別の方法では、磁気コアアセンブリ４０に対して取り付けられ、例えば直接に固定されてもよい。

第１及び第２のスペーサ１７８，１８０は、マスト４の径方向外側に延在するとともに、それぞれの第１及び第２の面２００，２０２を画定し、それぞれの面２００，２０２は、それぞれの第１及び第２の平バネ要素１８８，１９０のそれぞれの自由内側縁部１９６，１９８に向けて内側に方向付けられるとともに、軸Ａ−Ａに沿う方向で自由内側縁部１９６，１９８から離間される。図示の実施形態において、第１及び第２の面２００，２０２は、軸Ａ−Ａに沿う方向で、所定の長さを有するそれぞれの隙間２０４，２０６分だけそれぞれの第１及び第２の平バネ要素１８８，１９０のそれぞれの自由内側縁部１９６，１９８から離間される。

好ましくは、第１及び第２の平バネ要素１８８，１９０のそれぞれの外側縁部１９２，１９４のみが電気機械発電機２の任意の他の部分と接触している。第１及び第２の平バネ要素１８８，１９０のそれぞれは、磁気コアアセンブリ４０に面する内面２０８，２１０を有し、また、各内面の外周部２１２，２１４は磁気コアアセンブリ４０と接触する。各内面２０８，２１０の外周部２１２，２１４は、磁気コアアセンブリ４０の直立する外周縁部２１６，２１８と接触する。

移動可能な磁気コアアセンブリ４０とコイル１２との間の高い度合の磁気結合、及び、移動可能な磁気コアアセンブリ４０の高い質量は、共振周波数を所望の値に正確に容易に調整できるようにするとともに、移動可能な磁気コアアセンブリ４０に対してその共振振動中に高い自己復元力を印加して振動の振幅を最小限に抑えることができるようにする。振幅が制限されるため、バネ１０２，１０４は、十分にそれらの線形バネ特性の範囲内にある非常に小さな程度でしか変形されない。一般に、通常の動作下で、最大振幅は約１ｍｍ未満である。

バネ１０２，１０４は、印加される機械的な力、特に機械的振動に電気機械発電機２が晒されるときに軸Ａ−Ａに沿って軸方向に移動できるとともに軸Ａ−Ａに沿う少なくとも１つの構成要素を有する磁気コアアセンブリ４０を中央平衡位置に向けて付勢する。バネ１０２，１０４は、磁気コアアセンブリ４０の非軸方向移動を実質的に防止するべく横方向、すなわち、径方向で高い剛性を有する。

発電機２は、付勢装置１００と質量との間で変形、すなわち屈曲される第１及び第２の平バネ要素１８８，１９０を備える弾性装置１８６を伴うことなく磁気コアアセンブリ４０の質量がマスト４に対して平衡点を中心に所定の閾値振幅以下の振動振幅で振動できるように構成される。したがって、そのような「通常動作」のシナリオでは、質量の振動振幅が特定の又は所定の閾値振幅以下であるときに弾性装置１８６が発電機２からの電力損失を何ら引き起こさない。

しかしながら、発電機２は、振動振幅が所定の閾値振幅を超えるとき、例えば、発電機が激しい衝撃を受けるときに、弾性装置１８６がその後に付勢装置１００と質量との間で変形され、すなわち屈曲されて、振動振幅を制限するリミッタとして作用するように構成される。したがって、本発明の好ましい実施形態に係る電気機械発電機２は、それが時折激しい衝撃を受ける場合がある環境で特定の有用性を有する。

第１及び第２の平バネ要素１８８，１９０はそれぞれ、第１及び第２のスペーサ１７８，１８０に影響を与えて、振幅制限をもたらす。第１及び第２のスペーサ１７８，１８０は、スペーサ１７８，１８０と平バネ要素１８８，１９０との間の初期隙間２０４，２０６を正確に設定できるという利点を与える。したがって、第１のスペーサ１７８及び第２のスペーサ１８０は、それぞれの第１及び第２の板バネ１０２，１０４とマスト４との間のシムとして機能して、第１及び第２のスペース１７８，１８０と第１及び第２の平バネ要素１８８，１９０との間に所定の距離を規定することができる。また、第１及び第２のスペーサ１７８，１８０に対する第１及び第２の平バネ要素１８８，１９０の振幅制限動作は、摺動動作を回避し又は最小限に抑え、それにより摩耗を排除又は最小限に抑える。第１及び第２の平バネ要素１８８，１９０はリン青銅から形成されてもよく、また、第１及び第２のスペーサ１７８，１８０は鋼から形成されてもよい。これらの材料は、第１及び第２の板バネ１０２に関するバネ定数よりも高いことが好ましい所要の高いバネ定数を平バネ要素１８８，１９０に与えることができる。

電気機械発電機２は、電気機械発電機２の機械部品及び電気部品を保護するために密閉シールされ得るハウジング内に配置されてもよい。ハウジングの内容積は不活性ガスを含んでもよい。

電気機械発電機２は共振質量−バネ配置を使用する。電気機械発電機２が方向Ａ−Ａに沿って移動させられる外部振動源に晒される場合、磁気コアアセンブリ４０は、マスト４に対しても同様に方向Ａ−Ａに沿って移動し得る慣性質量を備える。その際、バネ１０２，１０４が軸方向に変形され、また、静的な電気コイル１２と内部に電気コイル１２が配置される磁束領域を生成する移動可能な磁気コアアセンブリ４０とを備えるダンパに対して仕事が行われる。磁束内での電気コイル１２の移動により、電流が電気コイル１２に誘導され、これが外部装置（図示せず）を駆動するための電力源として使用され得る。

磁気結合の増大の結果として、電気出力を増大させることにより、装置の動作帯域幅を大幅に増大させることができる。これにより、多くの新たなエネルギー収穫用途において装置を使用できる能力が大幅に高まる。

電気機械発電機２では単純な板バネ１０２，１０４を使用できる。これは、摩擦が少なく、複雑で込み入った及び／又は高価な製造技術を回避して、磁気コアアセンブリ４０での横方向移動を防止するための信頼できる単純な構造をもたらす。結果として得られる構造は、ロバスト性が高くコンパクトである。板バネ１０２，１０４は非常に小さい振幅の変形を受けるため、それらのバネの機械的特性は特に重要ではなく、これは、それらのバネが、直線的な弾性移動のそれらの機械的限界付近の任意の場所で決して変形されず、したがって、比較的従来の品質を有することができ、その結果、低い構成要素コストを有することができるからである。

本発明の好ましい実施形態の電気機械発電機では、装置のハウジングの内部空間のほぼ全てを金属製の磁気コアアセンブリで満たすことにより、高い移動質量を達成することができる。これは、少なくとも部分的には、磁気コアアセンブリの両端の平バネの体積効率が良いために達成できる。更に、高いＱは、磁気コアアセンブリの「囲繞」構造で漏れる磁束が非常に少なく、そのため、固定ハウジングの周囲の材料における渦電流が非常に少ないという事実によってもたらされる。したがって、移動する磁気コアアセンブリとハウジングとの間にクリアランスを維持する必要が殆どなく、それにより、多くの移動質量が可能となる。高い磁気結合は、磁束の漏出が非常に少ない−殆ど全ての磁束がコイルを通過する磁気コアアセンブリの囲繞性によってももたらされる。

添付の特許請求の範囲に規定される本発明の他の改変及び実施形態は、当業者に明らかとなる。

Claims

機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換するための電気機械発電機において、
中央マストと、
前記マストに装着固定される導電性コイルアセンブリであって、前記マストを少なくとも部分的に取り囲むとともに、径方向内側及び外側の側面と第１及び第２の反対側の縁部とを有する導電性コイルアセンブリと、
前記径方向内側の側面の径方向内側で延びるとともに前記コイルアセンブリを前記マストに固定するコイルアセンブリのためのマウントと、
軸に沿って前記軸上の平衡位置を中心に直線振動動作できるように前記マストに移動可能に装着される磁気コアアセンブリであって、前記磁気コアアセンブリが前記コイルアセンブリと前記マストとを少なくとも部分的に取り囲み、前記磁気コアアセンブリが、
前記導電性コイルアセンブリを前記径方向外側の側面で取り囲む一体部品の管状体を備える外側コアと、
前記外側コアのそれぞれの第１及び第２の端部で前記外側コアに磁気的に結合される第１及び第２のエンドコアであって、径方向内側で延びるとともに前記コイルアセンブリの前記それぞれの第１及び第２の反対側の縁部を取り囲み、（ｉ）前記第１及び第２のエンドコアの両方が前記外側コアの前記それぞれの第１及び第２の端部で前記外側コアに嵌合されて接触する、又は、（ｉｉ）前記第１及び第２のエンドコアの一方が前記外側コアの前記それぞれの第１又は第２の端部で前記外側コアに嵌合されて接触し且つ前記第１及び第２のエンドコアの他方が前記外側コアの前記それぞれの第１又は第２の端部で前記外側コアと一体である、第１及び第２のエンドコアと、
前記軸に沿って離間される第１及び第２の磁石であって、前記それぞれの第１及び第２のエンドコアに接触して磁気的に結合されるとともに、前記マウントが貫通して延びる前記磁気コアアセンブリの隙間を磁石間に画定する第１及び第２の磁石と、
を備える、磁気コアアセンブリと、
を備える電気機械発電機。
前記管状体の前記第１及び第２の端部が前記管状体の内面に凹部を備え、前記第１及び第２のエンドコアが前記管状体の前記それぞれの第１及び第２の端部の前記凹部に嵌合される、請求項１に記載の電気機械発電機。
前記凹部は、前記平衡位置から前記軸に沿って離れる方向を向く横装着面と、前記軸の方を向く縦装着面とを有し、前記それぞれの第１及び第２のエンドコアの径方向面及び周方向面が前記横装着面及び前記縦装着面にそれぞれ嵌合される、請求項２に記載の電気機械発電機。
前記管状体が円筒状である、請求項１から３のいずれか一項に記載の電気機械発電機。
前記第１及び第２のエンドコアが円形であり、前記各エンドコアは、前記外側コアの内側周方向面に嵌合される外側周方向面と、前記マストを取り囲む中央穴とを有する、請求項１から４のいずれか一項に記載の電気機械発電機。
前記第１及び第２のエンドコアがプレートを備える、請求項１から５のいずれか一項に記載の電気機械発電機。
前記第１及び第２のエンドコアにそれぞれ嵌合される第１及び第２の位置決め要素を更に備え、前記第１及び第２の位置決め要素がそれぞれ前記マウントに向かって延び、前記第１及び第２の位置決め要素のそれぞれは、それぞれの第１及び第２の磁石の表面と係合する位置決め面を有する、請求項１から６のいずれか一項に記載の電気機械発電機。
前記第１及び第２の位置決め要素は、前記それぞれの第１及び第２のエンドコアの嵌合面に嵌合され、前記嵌合面が前記軸の方を向く、請求項７に記載の電気機械発電機。
前記第１及び第２の位置決め要素の前記位置決め面は、前記それぞれの第１及び第２の磁石の側面に嵌合され、前記側面が前記軸の方を向く、請求項７又は８に記載の電気機械発電機。
前記磁気コアアセンブリが前記軸に沿って離間される２つの対向する磁気回路を備える、請求項１から９のいずれか一項に記載の電気機械発電機。
前記第１及び第２の磁石の極が互いに向かい合う第１の共通の極性を有し、互いから離れる方向を向く前記第１及び第２の磁石の極が第２の共通の極性を有する、請求項１から１０のいずれか一項に記載の電気機械発電機。
前記第１及び第２のエンドコア及び前記外側コアは、前記第１及び第２の磁石に磁気的に結合される強磁性体を備える、請求項１から１１のいずれか一項に記載の電気機械発電機。