用于将机械振动能转换成电能的机电发电机及方法技术

提供一种用于将机械振动能转换成电能的机电发电机，该机电发电机包含导电线圈组件和磁铁组件，该磁铁组件包含至少一个磁铁和两部分的磁芯，磁芯的两个部分通过偏压装置被安装以可关于中心位置沿轴线以共振频率相对振动，以由此导致与线圈组件链接的磁通的变化从而在线圈组件中产生电势。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于将机械振动能转换成电能的机电发电机和将机械振动能转换成 电能的方法。特别地，本专利技术涉及作为能够将环境振动能转换成电能用于例如在供电智能 传感器系统中使用的小型发电机的这种装置。这种系统可被用于实际不能固定导线以提供 功率或传送传感器数据的难以接近的区域中。
技术介绍
使用用于从环境振动获得有效电功率的机电发电机是已知的。典型的磁铁线圈 发电机以当系统振动时线圈切割由磁芯形成的磁通的方式包含固定到磁铁或线圈上的弹 簧-质量组合。振动时被运动的质量安装在悬臂梁上。悬臂梁可与磁芯连接，使得线圈相 对于装置的外壳被固定，反之亦然。例如，典型的已知的机电发电机由包含永磁铁和气隙的磁芯构成，使得导线线圈 被设置在间隙内，从而使得线圈和磁芯可相对运动。在大多数的已知的电磁振动能量收集 器中使用这种机构。在该机构中，磁芯内的磁通在运动期间保持相对恒定，但是，线圈的磁 链匝由于它们的相对位移而改变。例如在W0-A-2007/096615中公开了这种装置。虽然这种已知的机电发电机是用于收集能量的有效机构，但是，当在实际的应用 中使用机电发电机时，不能精确地预测最佳的共振频率或最佳的阻尼因子。对于被视为可 能的操作条件的条件设计和设置机电发电机。但是，不保证实际的操作条件与用于设置用 于特定的应用的机电发电机的理论的理想情况相对应。实际上，机电发电机被设置为可在 较窄的可能的操作条件的范围上操作，特别是，设置阻尼因子使得功率输出处于包含最佳 功率输出的范围内。但是，不太可能对于特定的应用优化实际的功率输出。因此，机电发电 机也许不以将机械振动能转换成电能并由此转换成有效功率的最大效率操作。在实际的应 用中，在能量收集器被构建之前，不太可能知道振动的频率。由此，有限的频带不能总被设 计为包含可能遇到的振动频率的范围。这意味着收集器将不总是在典型的应用中产生有效 功率量。并且，环境振动的频率在操作期间改变。作为这种变化的结果，已知的机电发电机 可能不能以最大效率操作。因此，已知的电磁换能共振振动能量收集器趋于具有有限的频带，在该频带内，它 们可产生有效电功率。—种克服这种限制的方式是，提供可调节或可调谐的频带。通过机械共振器，可通 过改变弹簧常数或共振器的质量实现这一点。但是，由于不可避免的机械复杂性以及伴随 的成本和可靠性问题，因此调节这些机械性能的机构是不期望的。电气调谐电磁换能振动阻尼器的共振频率是已知的(参见文章标题为“An actively tuned sol id-state vibration absorber using capacitiveshunting of piezoelectric stiffness", C. L. Davi s et al, Journal of Soundand Vibration (2000) 232 (3)，601-617)。这些阻尼器不是能量收集器，并且不存在如何增加发电的效率的建议。在这些装置中，没有从振动系统提取净有效功率。另夕卜，在文章标题为“Toward self-tuning adaptive vibration basedmicro-generators”，Shad Roundy et al，2004中，已经通过不可能通过电气调谐实 现能量收集器的输出功率的净增加的陈述实现计算。W0-A-2006/109037公开了用于将机械振动能转换成电能的机电装置，该机电装置 是具有阻尼系数和共振频率的速度阻尼共振器。为了调节机电装置的阻尼系数，提供阻尼 系数调节器。还提供共振频率调节器。通过改变与共振装置连接的负载阻抗来改变阻尼系 数。例如，可通过改变允许流过线圈的电流，例如，通过改变包含线圈的电路的电阻，来调节 阻尼系数。通过改变共振器来改变共振频率。可通过改变弹簧的振动特性(例如，使用粘 贴到其上的压电元件以由此通过电阻加热或者通过施加力改变弹簧的断面来改变弹簧常 数k)，来调节共振频率。可选择地通过改变惯性质量，例如，通过改变共振器的尺寸或通过 改变施加的电抗性负载，来调节共振频率。可以采用共振频率调节器以改变弹簧常数。该装置很好地操作，但是，仍需要在保持输出电功率的最优化的同时将机电装置 电气调谐到期望的共振频率。因此，仍需要提高将机械振动能转换成电能并由此转换成有效电功率的效率。
技术实现思路
本专利技术针对提供可通过电调谐实现能量收集器的输出功率的净增加的用于将机 械振动能转换成电能的改进的机电发电机和这种装置的操作方法，这是Roimdy等陈述的 没有实现的结果。本专利技术针对提供可比实际使用中的已知的装置更有效地操作的用于将机械振动 能转换成电能的改进的机电发电机。本专利技术还针对提供可提供比已实际使用中的已知的装置更有效的能转换的用于 操作用于将机械振动能转换成电能的机电发电机的的改进的方法。因此，本专利技术提供一种用于将机械振动能转换成电能的机电发电机，该机电发电 机包含导电线圈组件和磁铁组件，该磁铁组件包含至少一个磁铁和两部分的磁芯，磁芯的 两个部分通过偏压装置被安装以可关于中心位置沿轴线以共振频率相对振动，以由此导致 与线圈组件链接的磁通的变化从而在线圈组件中产生电势。本专利技术还提供一种通过使用机电发电机将机械振动能转换成电能的方法，该方法 包括以下步骤提供包含导电线圈组件和磁铁组件的机电发电机，该磁铁组件包含至少一 个磁铁和两部分的磁芯；使机电装置振动以使磁芯的一个部分相对于磁芯的另一部分沿轴 线以共振频率运动，由此导致磁芯中的与线圈组件链接的磁通的变化在线圈组件中感应电 势。在从属权利要求中规定优选的特征。至少部分地基于本专利技术的专利技术人的能量收集器的频率可通过其电磁耦合被电调 谐的发现上预测本专利技术。由于在电磁换能共振能量收集器的机械复杂性上有很小的或者没 有重要的增加，因此调谐机构的该电气实现是低成本的并且是非常可靠的。根据本专利技术的一个方面，可通过在其输出两端之间连接电容器和/或电感器在频 率下调谐电磁换能共振振动能量收集器。为了添加电容器，自然频率的降低由下式给出(1) Ltn这里，Ct是电容器尺寸，Φ是随着共振器沿其路径运动发现的磁链匝的线性梯度， m是共振器的质量，fn是在不存在电容器的情况下的共振器的自然频率。但是，这种方式的调谐也增加不期望的阻尼，使得随着感应更多的调谐共振器Q 因子减小。当这变为主导的阻尼效果时，那么得到的Q因子由下式给出f;°\fl(2) ZnRcTntj这里&是装置的线圈电阻。需要在使低Q因子的有害的效果最小化的同时实现共振振动频率的调谐。式⑵的分析导致Φ应相对于&和m被最大化的结论。但是，由于较高的共振 器质量首先导致机电发电机的较高的功率输出，因此，这无助于减少共振器质量。本专利技术的专利技术人确定，实事上，以下的因子应被最大化φ2Κ=~Γ-(3)参数κ表示能量收集器内的电磁耦合的强度和效率，并且是耦合机构的设计的 函数。变量是Φ和&，其中Φ为随着共振器沿其路径运动发现的磁链匝的线性梯度，并且 Rc为装置的线圈电阻。通过特别使参数Q最大化，可通过电容器调谐装置，并且，输出功率 可较高。附图说明现在，参照附图仅作为例子描述本专利技术的实施例，其中，图1是根据本专利技术的第一实施例的用于机电发电机中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于将机械振动能转换成电能的机电发电机，该机电发电机包含导电线圈组件和磁铁组件，该磁铁组件包含至少一个磁铁和两部分的磁芯，磁芯的两个部分通过偏压装置被安装成可关于中心位置沿轴线以共振频率相对振动，由此导致与线圈组件链接的磁通的变化从而在线圈组件中产生电势。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·罗伯茨，
申请(专利权)人：佩尔皮图姆有限公司，
类型：发明
国别省市：GB