专利名称：用来把机械振动能转换成电能的发电机的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及一种用来把机械振动能转换成电能的机电发电机。具 体地说，本发明涉及这样一种装置，该装置是能够把环境振动能转换 成电能以便在例如供电智能传感器系统时使用的小型发电机。这样一 种系统可用在其中提供动力或发送传感器数据的导线实际上不能附 加的不可接近区域中。
背景技术：
在用于微机电系统(SEMS)装置的可选择电源的领域中当前有 提高水平的研究活动，这样的装置在现有技术中描述成用于'能量收 获，和作为'寄生电源，。正在对这样的电源进行供电无线传感器的研 究。
已知使用机电发电机来从环境振动收获有用的电功率。典型的磁 铁-线圏发电机包括以这样一种方式附加到磁铁或线圏上的弹簧-质量 组合，使得当系统振动时，线圉切割由磁心形成的磁通。在振动时运 动的质量安装在悬臂梁上。梁或者可连接到磁心上，使线圏相对于用 于装置的外罩固定，或者反之亦然。机电发电机被小型化。这使得它 们可容易地位于在各种位置中或在主设备中，以便提供用来驱动单个 或多个元件的电功率。
一种这样的已知小型机电发电机示出在图1中。用于机电发电机 2的已知设计具有附加到与固定铜线围10相邻的柔性弹簧钢梁8上的 磁铁4、 6，该固定铜线围10位于磁铁4、 6之间。开口 12形成在梁 8中在其自由端14处，并且磁铁4、 6位于开口 12的相对侧上。线團 10布置在开口12中，并且安装在从基座18向上延伸的臂16上。梁 8的另 一端20固定到从基座18向上延伸的竖直支撑件22上。每个磁
铁4、 6包括一对磁铁元件24、 26，每个元件24、 26位于梁8的相应 上侧或下侧上，4吏每对的两个元件24、 26由位于远离线圏10—侧处 的保持器28连接在一起。这在磁铁4、 6之间创建磁通区，在该磁通 区中布置线圏10。
当机电发电机2经受在竖直方向上(见图1)和在梁8和磁铁4、 6的组件的谐振频率附近的频率下的振动时，梁8和在其上承载的磁 铁4、 6相对于线圏10摆动。这种运动导致穿过线團10的变化磁通， 并因此导致沿线圏10的导线的感应电压。
这种已知设计因为在磁通路径中缺少任何显著的传导元件而在 磁性上非常低效，这否则势必支持涡流。然而，在磁铁4、 6之间的 低导磁率(并因此高磁阻)路径导致低磁通流动，并因此导致线圏10 每匝的低感应电压。为了试图对抗低感应电压，线圏10需要具有在 很小体积中具有多匝，从而输出电压对于有用的功率输出在足够的值 处。这又导致高的线圏电阻，这种高线圏电阻减小机电发电机2的电 气效率。
而且，已知机电发电机2需要弹性梁8，该弹性梁8起悬臂梁的 作用，支撑可振动磁铁组件。这样一种梁要求提供适当的弹簧材料， 并且要求支撑待i^真调谐的可振动磁铁组件的梁。这可能难以精确地 实现，并且弹性梁的谐振特性可能在机电发电机2的整个设计寿命期 间变化。
DE29618015U公开了 一种用于自行车的发电机，其中磁铁安装 在板簧上，该板簧对振动起作用，并且相对于铁心运动以在线團中感 应电压。这个基本公开没有涉及上文所讨论的小型发电机，或者没有 提到或解决以上关于已知机电发电机讨论的问题，该已知机电发电机 需要起悬臂梁作用的弹性梁。
SU1075357A >^开了 一种用来向电池充电的本体摆动运动发电 机。具有在中间铁心上的绕组和在外铁心上的永久磁铁的E形磁路的 铰接本体为了摆动运动由螺旋弹簧支撑。这个公开没有提到或解决以 上关于已知机电发电机讨论的问题，该已知机电发电机需要起悬臂梁
作用的弹性梁。
SU776487A公开了 一种向心脏模拟器电池充电的发电机。该发 电机包括可转动圆柱形电枢，该可转动圆柱形电枢在其端部处具有线 圏和锥形磁极。这个公开没有提到或解决以上关于已知机电发电机讨 论的问题，该已知机电发电机需要起悬臂梁作用的弹性梁。
US5180939公开了一种包括一对往复元件的机械换向直线交流 发电机。这个公开没有提到或解决以上关于已知机电发电机讨论的问 题，该已知机电发电机需要起悬臂梁作用的弹性梁。
相应地，仍然有提高由机电发电机，特别是小型机电发电机，把 机械振动能转换成电能、并由此转换成有用电功率的效率的需要。
也有对于克服或消除上述弹性梁的问题的机电发电机(特别是小 型机电发电机)的需要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用来把机械振动能转换成电能的改 进机电发电机，该改进机电发电机可比已知装置更高效率地操作，并 且或者不遇到把弹性梁用作谐振元件的问题。
本发明相应地提供一种用来把机械振动能转换成电能的机电发 电机，该机电发电机包括大体环形的高导磁率铁心，该铁心在其中 包括至少一个磁铁以限定磁路；至少一个可转动轴承，把铁心安装到 至少一个轴承支撑件上，至少一个轴承允许铁心绕枢转轴枢转；间隙， 提供在铁心中；位于间隙中的高导磁率材料的本体，本体与铁心的相 应端面间隔开相应空隙，借此铁心绕枢转轴的枢转运动引起在铁心端 面与本体之间的相对运动；及围绕铁心的长度的线圏。
优选地，铁心由沿枢转轴相互间隔开的可转动轴承中的两个安装 到支撑件上。
优选地，线團与枢转轴同轴。
优选地，线围被旋转地固定，从而它当铁心枢转时不转动。 优选地，两个磁铁提供在铁心中，在线圏的每侧上一个。优选地，低导磁率材料的本体附加到铁心上在远离枢转轴的位置处。
优选地，高导磁率材料的本体安装在支撑件上，该支撑件适于选 择性地向着和远离枢转轴可运动。
优选地，环形铁心大体是矩形形状，具有其上安装线圏的枢转端、 包括间隙的相对自由端、及在它们之间延伸的两个相对侧面，每个侧 面包括相应磁铁。
优选地，机电发电机还包括基座，在该基座上承载至少一个轴承
支撑件和高导磁率材料的本体。
本发明也提供一种使用机电发电机把机械振动能转换成电能的
方法，该方法包括步骤提供机电发电机，该机电发电机包括大体 环形的高导磁率铁心，该铁心在其中包括至少一个磁铁以限定磁路， 把^^心安装到至少一个轴承支撑件上的至少一个可转动轴承，至少一 个轴承允许铁心绕枢转轴枢转，提供在铁心中的间隙，位于间隙中的 高导磁率材料的本体，本体与铁心的相应端面间隔开相应空隙借此铁
心绕枢转轴的枢转运动引起在铁心端面与本体之间的相对运动，及围 绕铁心长度的线圏；使机电装置振动，从而使铁心绕枢转轴枢转，并 且使铁心端面相对于本体运动；及从线圏得到输出电功率；其中在铁 心中的磁通穿过本体，并且在可枢转铁心上提供恢复力以把铁心端面 推动成与本体对准。
高导磁率材料的本体可以安装在适于选择性地向着和远离枢转
轴可运动的支撑件上，并且该方法还可以包括使支撑件向着和远离枢 转轴运动由此改变恢复力的步骤。
现在仅参照附图通过例子将描述本发明的实施例，在附图中
图1是用来把机械振动能转换成电能的已知机电发电机的示意
立体图；并且
图2是按照本发明实施例的用来把机械振动能转换成电能的机
电发电机的示意立体图。
具体实施例方式
图2表示按照本发明实施例使用的用来把机械振动能转换成电 能的机电发电机32。机电发电机32具有位于高导磁率材料的大体环 形铁心38中的磁铁34、 36。铁心38被层叠以避免涡流，并且典型地 包括低损耗(低磁滞)钢。铁心38包括两个端部40、 42。在一个铰 接端部40处，铁心38枢转地安装在从基座46向上延伸的两个竖直 支撑件44之间，枢转安装是绕两个相对可转动轴承48。两个轴承48 限定枢转轴X-X，绕该枢转轴X-X铁心38可转动，轴承48沿枢转轴 相互间隔开。典型地，枢转轴X-X是水平的，从而铁心在枢转运动中 在竖直方向上摆动。线圏50围绕在轴承48之间的铁心38的长度， 并且与枢转轴X-X同轴。线围50被旋转地固定，从而它当铁心38枢 转时不转动。铁心38的两个相对侧面52、 54向铁心38的另一个自 由端56延伸。在每个侧面52、 54内，布置相应磁铁34、 36。可选择 地，只提供位于铁心内的单个磁铁。在铁心38的另一个自由端56处， 形成间隙58。高导磁率材料的定子60位于间隙58中，并且安装在从 基座46向上延伸的支撑件62上。作为在铁心38内两个磁铁34、 36 的布置的结杲，面对定子60的铁心38的两个端面64、 66具有相反 的磁极性。支撑件62适于选择性地在向或远离枢转轴X-X的方向上 可运动，由此改变在定子60与铁心38的端面64、 66之间的重合度。 在端面64、 66与定子60的相应端面之间有窄空隙68、 70。
包含磁铁34、 36的铁心38在铁心38的端面64、 66之间创建磁 通区，并且定子60位于该区中。在间隙58内定子60的存在使磁通 优选地流过定子60。这把力施加在铁心38的自由端56上，竖直地使 端面64、 66与定子60对准。在该实施例中，力竖直地向上，克服重 力的作用，并且端面64、 66与定子60竖直地对准。以这种方式，铁 心38保持在大体水平方位，尽管铰接地仅支撑在铰接端部40处，
低导磁率材料的大质量本体72在远离枢转轴X-X的位置处附加
到铁心38上。在该实施例中，大质量本体72是具有附加到铁心38 的自由端42的相应延伸部分78、 80上的两个端部74、 76的细长矩 形块，延伸部分78、 80定向成从侧面52、 54延伸。大质量本体72 和铁心38共面。大质量本体72与自由端42相平行，并因此在远离 枢转轴X-X的一侧上与包含定子60的间隙58间隔开。可选择地，大 质量本体72可以是大体U形的，同时使两个端部附加到铁心38的自 由端42上从而从侧面52、 54延伸并且4吏中央部分与自由端42相平 行，并因此与包含定子60的间隙58间隔开。提供低导磁率材料，从 而不使包含间隙58和定子60的磁路短路。远离枢转轴X-X的大质量 本体72对于装置的添加通过增大旋转摆动的组件的惯性质量而增大 机电发电机32的功率输出，但不增加另外增大涡流的可能性的、和 结果是效率损失的高导磁率材料。
当机电发电机32经受使铁心38绕枢转轴X-X枢转又引起在方 向Y-Y上自由端42相对于定子60的竖直运动的外部振动源时，作为 在端面64、 66之间的气隙58中定子60的可变相对位置的结果，这 引起通过铁心38的磁通的不同流动。这使电流在线围50中感应出， 该电流可用来驱动外部装置(未表示)。磁性恢复力使铁心38随绕 水平构造施加的振动运动一起摆动。恢复力(并因此机电发电机32 的谐振频率)的调谐可通过在Z-Z方向上使定子60在向着和远离线 團50的方向上运动而完成，
与参照图l描述的已知装置相比，因为磁性恢复力存在，所以弹 簧没有必要。这是便利的，因为已知装置的弹性梁在其有用寿命内可 能往往具有可变的弹簧性能，这可以引起谐振频率的意外变化，降低 功率输出并且/或者需要装置的困难调节。在本发明的机电发电机32 中，不仅不需要弹簧，而且也可容易地完成谐振频率的调谐。
然而，在本发明的机电发电机的选择性修改中，偏置元件，如弹 簧，例如可以另外提供以把辅助恢复力施加到可枢转铁心上。这样的 偏置元件可布置在基座与铁心之间。磁性恢复力关于振幅往往是非线 性的，并且相应地为了增加恢复力的线性的目的可以釆用这样一种辅
助偏置元件。
而且，由于与流过参照图1描述的已知装置的线圏的磁通相比高 得多的磁通流过铁心，在谐振下产生的电压可高得多。这由与参照图
1描述的已知装置的磁铁之间相比，在端面64、 66与定子60之间的 较小气隙，并因此较窄空隙，的提供而生成。
此外，本发明的机电发电机32的线圏50绕枢转轴X-X布置， 并且绕铁心38的枢转部分安装，尽管线圏50本身被旋转地固定。因 此，线圈50可具有显著的轴向长度D，该长度D可与在铁心侧面52、 54之间的空隙 一样大。这与参照图1描述的已知装置相比允许铁心的 体积较大，这又允许使用较粗、较小电阻的导线。这减小线圏的电阻， 这又可增加装置效率。
本发明的机电发电机的各种修改对于本领域的技术人员将是显 然的。在表明的实施例中，铁心具有矩形轮廓。然而，可以釆用其它 形状。
权利要求
1.一种用来把机械振动能转换成电能的机电发电机，该机电发电机包括大体环形的高导磁率铁心，该铁心在其中包括至少一个磁铁以限定磁路；至少一个可转动轴承，把铁心安装到至少一个轴承支撑件上，至少一个轴承允许铁心绕枢转轴枢转；间隙，提供在铁心中；位于间隙中的高导磁率材料的本体，本体与铁心的相应端面间隔开相应空隙，借此铁心绕枢转轴的枢转运动引起在铁心端面与本体之间的相对运动；及围绕铁心长度的线圈。
2. 根据权利要求1所述的机电发电机，其中，铁心由沿枢转轴相 互间隔开的可转动轴承的两个安装到支撑件上。
3. 根据权利要求1或权利要求2所述的机电发电机，其中，线圏 与枢转轴同轴。
4. 根据权利要求3所述的机电发电机，其中，线圏被旋转地固定。
5. 根据任一以上权利要求所述的机电发电机，其中，两个磁铁提 供在铁心中，在线團的每侧上一个。
6. 根据任一以上权利要求所述的机电发电机，其中，高导磁率材 料的本体安装在支撑件上，该支撑件适于选择性地向着和远离枢转轴 可运动。
7，根据任一以上权利要求所述的机电发电机，其中，环形铁心大 体是矩形形状，具有其上安装线圏的枢转端、包括间隙的相对自由端、 及在它们之间延伸的两个相对侧面，每个侧面包括相应磁铁。
8. 根据任一以上权利要求所述的机电发电机，其中，低导磁率材 料的本体在远离枢转轴的位置处附加到铁心上。
9. 根据任一以上权利要求所述的机电发电机，还包括基座，在该 基座上承载至少一个轴承支撑件和高导磁率材料的本体。
10. —种使用机电发电机把机械振动能转换成电能的方法，该方 法包括步骤提供机电发电机，该机电发电机包括大体环形的高导磁率铁心，该铁心在其中包括至少一个磁铁以限定磁路，把铁心安装到至少一个轴承支撑件上的至少一个可转动轴承，至少一个轴承允许铁心绕枢转轴枢转，提供在铁心中的间隙，位于间隙中的高导磁率材料的本体， 本体与铁心的相应端面间隔开相应空隙借此铁心绕枢转轴的枢转运动引起在铁心端面与本体之间的相对运动，及围绕铁心长度的线圏； 使机电装置振动，从而使铁心绕枢转轴枢转，并且使铁心端面相对于本体运动；及从线圏得到输出电功率；其中在铁心中的磁通穿过本体，并且在可枢转铁心上提供恢复力 以把铁心端面推动成与本体对准。
11. 根据权利要求io所述的方法，其中，铁心由沿枢转轴相互间 隔开的可转动轴承中的两个安装到支撑件上。
12. 根据权利要求10或权利要求11所述的方法，其中，线圏与 枢转轴同轴。
13. 根据权利要求12所述的方法，其中，线圏被旋转地固定。
14. 根据权利要求10至13中任一项所述的方法，其中，两个磁 铁提供在铁心中，在线圏的每侧上一个。
15. 根据权利要求10至14中任一项所述的方法，其中，高导磁 率材料的本体安装在支撑件上，该支撑件适于选择性地向着和远离枢 转轴可运动，并且该方法还包括使支撑件向着和远离枢转轴运动由此 改变恢复力的步骤。
16. 根据权利要求10至15中任一项所述的方法，其中，环形铁 心大体是矩形形状，具有其上安装线團的枢转端、包括间隙的相对自 由端、及在它们之间延伸的两个相对侧面，每个侧面包括相应磁铁。
17. 根据权利要求10至16中任一项所述的方法，其中，低导磁 率材料的本体在远离枢转轴的位置处附加到铁心上.
18. 根据权利要求10至17中任一项所述的方法，还包括基座， 在该基座上承载至少一个轴承支撑件和高导磁率材料的本体。
19. 一种大体如上文参照附图的图2所描述的机电发电机。
20.—种使用大体如上文参照附图的图2所描述的机电发电机把 机械振动能转换成电能的方法。
全文摘要
一种用来把机械振动能转换成电能的机电发电机(32)，包括大体环形的高导磁率铁心(38)，该铁心(38)在其中包括至少一个磁铁(34、36)以限定磁路；至少一个可转动轴承(48)，把铁心(38)安装到至少一个轴承支撑件(44)上，至少一个轴承(48)允许铁心(38)绕枢转轴(x-x)枢转；间隙(58、68、70)，提供在铁心(38)中；高导磁率材料的本体(60)，位于间隙(58、68、70)中，本体(60)与铁心(38)的相应端面(64、66)间隔开相应空隙(58、68、70)，借此铁心(38)绕枢转轴(x-x)的枢转运动引起在铁心(38)的端面(64、66)与本体(60)之间的相对运动；及旋转固定的线圈(50)，围绕与枢转轴(x-x)同轴的铁心(38)的长度。
文档编号H02K35/06GK101185230SQ200680016652
公开日2008年5月21日 申请日期2006年4月11日 优先权日2005年4月12日
发明者史蒂文·罗伯茨, 罗伊·弗里兰德 申请人:佩尔皮图姆有限公司