專利名稱：用于將機械振動能轉換成電能的機電發電機及方法
技術領域：
本發明涉及用于將機械振動能轉換成電能的機電發電機和將機械振動能轉換成 電能的方法。特別地，本發明涉及作為能夠將環境振動能轉換成電能用于例如在供電智能 傳感器系統中使用的小型發電機的這種裝置。這種系統可被用于實際不能固定導線以提供 功率或傳送傳感器數據的難以接近的區域中。
背景技術：
使用用于從環境振動獲得有效電功率的機電發電機是已知的。典型的磁鐵線圈 發電機以當系統振動時線圈切割由磁芯形成的磁通的方式包含固定到磁鐵或線圈上的彈 簧-質量組合。振動時被運動的質量安裝在懸臂梁上。懸臂梁可與磁芯連接，使得線圈相 對于裝置的外殼被固定，反之亦然。例如，典型的已知的機電發電機由包含永磁鐵和氣隙的磁芯構成，使得導線線圈 被設置在間隙內，從而使得線圈和磁芯可相對運動。在大多數的已知的電磁振動能量收集 器中使用這種機構。在該機構中，磁芯內的磁通在運動期間保持相對恒定，但是，線圈的磁 鏈匝由于它們的相對位移而改變。例如在W0-A-2007/096615中公開了這種裝置。雖然這種已知的機電發電機是用于收集能量的有效機構，但是，當在實際的應用 中使用機電發電機時，不能精確地預測最佳的共振頻率或最佳的阻尼因子。對于被視為可 能的操作條件的條件設計和設置機電發電機。但是，不保證實際的操作條件與用于設置用 于特定的應用的機電發電機的理論的理想情況相對應。實際上，機電發電機被設置為可在 較窄的可能的操作條件的范圍上操作，特別是，設置阻尼因子使得功率輸出處于包含最佳 功率輸出的范圍內。但是，不太可能對于特定的應用優化實際的功率輸出。因此，機電發電 機也許不以將機械振動能轉換成電能并由此轉換成有效功率的最大效率操作。在實際的應 用中，在能量收集器被構建之前，不太可能知道振動的頻率。由此，有限的頻帶不能總被設 計為包含可能遇到的振動頻率的范圍。這意味著收集器將不總是在典型的應用中產生有效 功率量。并且，環境振動的頻率在操作期間改變。作為這種變化的結果，已知的機電發電機 可能不能以最大效率操作。因此，已知的電磁換能共振振動能量收集器趨于具有有限的頻帶，在該頻帶內，它 們可產生有效電功率。—種克服這種限制的方式是，提供可調節或可調諧的頻帶。通過機械共振器，可通 過改變彈簧常數或共振器的質量實現這一點。但是，由于不可避免的機械復雜性以及伴隨 的成本和可靠性問題，因此調節這些機械性能的機構是不期望的。電氣調諧電磁換能振動阻尼器的共振頻率是已知的(參見文章標題為“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)。這些阻尼器不是能量收集器，并且不存在如何增加發電的效率的建議。在這些裝置中，沒有從振動系統提取凈有效功率。另夕卜，在文章標題為“Toward self-tuning adaptive vibration basedmicro-generators”，Shad Roundy et al，2004中，已經通過不可能通過電氣調諧實 現能量收集器的輸出功率的凈增加的陳述實現計算。W0-A-2006/109037公開了用于將機械振動能轉換成電能的機電裝置，該機電裝置 是具有阻尼系數和共振頻率的速度阻尼共振器。為了調節機電裝置的阻尼系數，提供阻尼 系數調節器。還提供共振頻率調節器。通過改變與共振裝置連接的負載阻抗來改變阻尼系 數。例如，可通過改變允許流過線圈的電流，例如，通過改變包含線圈的電路的電阻，來調節 阻尼系數。通過改變共振器來改變共振頻率。可通過改變彈簧的振動特性(例如，使用粘 貼到其上的壓電元件以由此通過電阻加熱或者通過施加力改變彈簧的斷面來改變彈簧常 數k)，來調節共振頻率。可選擇地通過改變慣性質量，例如，通過改變共振器的尺寸或通過 改變施加的電抗性負載，來調節共振頻率。可以采用共振頻率調節器以改變彈簧常數。該裝置很好地操作，但是，仍需要在保持輸出電功率的最優化的同時將機電裝置 電氣調諧到期望的共振頻率。因此，仍需要提高將機械振動能轉換成電能并由此轉換成有效電功率的效率。

發明內容
本發明針對提供可通過電調諧實現能量收集器的輸出功率的凈增加的用于將機 械振動能轉換成電能的改進的機電發電機和這種裝置的操作方法，這是Roimdy等陳述的 沒有實現的結果。本發明針對提供可比實際使用中的已知的裝置更有效地操作的用于將機械振動 能轉換成電能的改進的機電發電機。本發明還針對提供可提供比已實際使用中的已知的裝置更有效的能轉換的用于 操作用于將機械振動能轉換成電能的機電發電機的的改進的方法。因此，本發明提供一種用于將機械振動能轉換成電能的機電發電機，該機電發電 機包含導電線圈組件和磁鐵組件，該磁鐵組件包含至少一個磁鐵和兩部分的磁芯，磁芯的 兩個部分通過偏壓裝置被安裝以可關于中心位置沿軸線以共振頻率相對振動，以由此導致 與線圈組件鏈接的磁通的變化從而在線圈組件中產生電勢。本發明還提供一種通過使用機電發電機將機械振動能轉換成電能的方法，該方法 包括以下步驟提供包含導電線圈組件和磁鐵組件的機電發電機，該磁鐵組件包含至少一 個磁鐵和兩部分的磁芯；使機電裝置振動以使磁芯的一個部分相對于磁芯的另一部分沿軸 線以共振頻率運動，由此導致磁芯中的與線圈組件鏈接的磁通的變化在線圈組件中感應電 勢。在從屬權利要求中規定優選的特征。至少部分地基于本發明的發明人的能量收集器的頻率可通過其電磁耦合被電調 諧的發現上預測本發明。由于在電磁換能共振能量收集器的機械復雜性上有很小的或者沒 有重要的增加，因此調諧機構的該電氣實現是低成本的并且是非常可靠的。根據本發明的一個方面，可通過在其輸出兩端之間連接電容器和/或電感器在頻 率下調諧電磁換能共振振動能量收集器。
為了添加電容器，自然頻率的降低由下式給出(1) Ltn這里，Ct是電容器尺寸，Φ是隨著共振器沿其路徑運動發現的磁鏈匝的線性梯度， m是共振器的質量，fn是在不存在電容器的情況下的共振器的自然頻率。但是，這種方式的調諧也增加不期望的阻尼，使得隨著感應更多的調諧共振器Q 因子減小。當這變為主導的阻尼效果時，那么得到的Q因子由下式給出f;°\fl(2) ZnRcTntj這里&是裝置的線圈電阻。需要在使低Q因子的有害的效果最小化的同時實現共振振動頻率的調諧。式⑵的分析導致Φ應相對于&和m被最大化的結論。但是，由于較高的共振 器質量首先導致機電發電機的較高的功率輸出，因此，這無助于減少共振器質量。本發明的發明人確定，實事上，以下的因子應被最大化
φ2Κ=~Γ-(3)參數κ表示能量收集器內的電磁耦合的強度和效率，并且是耦合機構的設計的 函數。變量是Φ和&，其中Φ為隨著共振器沿其路徑運動發現的磁鏈匝的線性梯度，并且 Rc為裝置的線圈電阻。通過特別使參數Q最大化，可通過電容器調諧裝置，并且，輸出功率 可較高。


現在，參照附圖僅作為例子描述本發明的實施例，其中，圖1是根據本發明的第一實施例的用于機電發電機中的用于將機械振動能轉換 成電能的機電裝置的示意性側向剖視圖；圖2是在其輸出兩端之間具有電容器的圖1的機電裝置的示意性電路圖；圖3是根據本發明的第一實施例的機電發電機的示意性框圖，該機電發電機包含 圖1的機電裝置；圖4是根據本發明的第二實施例的用于機電發電機中的用于將機械振動能轉換 成電能的機電裝置的示意性電路圖；圖5是根據本發明的第三實施例的用于機電發電機中的用于將機械振動能轉換 成電能的機電裝置的示意性電路圖；圖6是根據本發明的第四實施例的用于機電發電機中的用于將機械振動能轉換 成電能的機電裝置的示意性側向剖視圖；圖7是根據本發明的第五實施例的用于機電發電機中的用于將機械振動能轉換 成電能的機電裝置的示意性側向剖視圖；圖8是根據本發明的第六實施例的用于機電發電機中的用于將機械振動能轉換 成電能的機電裝置的示意性側向剖視圖；圖9是根據本發明的第七實施例的用于機電發電機中的用于將機械振動能轉換成電能的機電裝置的示意性側向剖視圖；圖10是表示圖2的電路中的圖1的機電裝置的功率輸出和一系列的三個電容的 頻率之間的關系的曲線圖；圖11是表示圖2的電路中的具有較低的參數κ值和不具有圖1的機電裝置的結 構的相當的機電裝置的功率輸出和一系列的三個電容的頻率之間的關系的曲線圖；圖12是表示經受電容調諧時和不調諧時的機電裝置的功率輸出和頻率之間的測 得的和模型化的關系的曲線圖；以及圖13是根據本發明的第八實施例的用于機電發電機中的用于將機械振動能轉換 成電能的機電裝置的示意性電路圖。
具體實施例方式本發明的機電發電機是在本領域中被稱為“速度阻尼”的共振發電機，這里，由慣 性質量相對于外殼的運動完成的所有功與運動的瞬時速度成比例。不可避免地，功的一部 分被吸收以克服不期望的機械或電氣損耗，但功的剩余部分可被用于通過諸如下面描述的 電氣線圈/磁組件的適當的換能機構產生電流。圖1是根據本發明的實施例的用于將機械振動能轉換成電能的機電發電機2。機 電發電機2包含導電線圈組件4和磁鐵組件6，該導電線圈組件4和磁鐵組件6被安裝為通 過輸入具有沿該線性方向的分量的機械振動沿軸線A-A相對運動。線圈組件4具有從中延 伸用于與外部電路(未示出)連接的導線8。磁鐵組件6和線圈組件4之間沿軸線A-A的 相對線性振動運動使得在線圈組件4中產生電流，該電流通過導線8被輸出。磁鐵組件6包含至少一個磁鐵10和兩部分的磁芯12。如圖所示，至少一個磁鐵 10 一般包含環形磁鐵10。磁鐵10由表現高磁滯的磁性材料構成，并且一般是低成本的永 久鐵氧體磁鐵。本發明的發明人發現，由于隨著磁通在振動中重復切換引起的大的磁滯損 耗，因此使用諸如鐵或鋼的高磁滯材料作為鐵磁材料導致過大的能量損耗。由此，磁芯材料 相應地需要為諸如鐵氧體材料的軟磁材料。鐵氧體主要由金屬氧化物粉末組成，并且一般 被壓力成形并被燒結。Mnai或NiSi鐵氧體是以各種比例單純包含Mn、Ni和Si氧化物的 一般類型。這些鐵氧體對于用于高頻變壓器以防止過大的磁滯損耗是公知的。由于鐵氧體 材料為氧化物等電絕緣體，并且還具有高的電阻，因此與使用導電磁芯材料相比減少任何 渦電流損耗。鐵氧體芯不能支持許多的磁通，例如，遠少于鐵。由此，一般只需要弱磁鐵。一般 使用的磁性的“硬”鐵氧體磁鐵磁性較弱，并且制造起來非常昂貴。但是，作為替代，可以使 用更強但更小的磁鐵。環形磁鐵可由直線磁化段制成。環形磁鐵10在其環形徑向內部和徑向外緣表面 18、20上分別具有相對的磁極14、16(即，N極和S極)。在本特定的實施例中，一個磁極 14 (S卩，N極)與磁芯12的第一體部22接觸并與其磁耦合，并且，另一磁極16 (S卩，S極) 與磁芯12的第二體部M接觸并與其磁耦合。磁芯材料具有高的導磁率和低的特性磁芯損 耗，諸如“鐵氧體”。第一體部22和第二體部M —起形成兩部分的磁芯12的第一部分26。 第一體部22包含沿方向A-A延伸的軸向延伸管，該軸向延伸管具有牢固地裝配到磁鐵10 的內緣表面18上的外圓柱表面13。管狀體22被牢固地固定到中心軸向延伸支撐軸觀上。第二體部M包含具有牢固地固定到磁鐵10的外緣表面20上的內部圓柱表面30的環面， 該環面具有沿方向A-A延伸的軸線。本示出的實施例中的兩部分的磁芯12的第二部分32包含圍封磁鐵10和線圈組 件4的外殼。但是，在其它的實施例中，可以提供其它的結構。外殼32包含設置在底壁36 和頂壁38之間的環壁34，以限定在其中設置磁芯12的第一部分沈和磁鐵10的中心腔40。 底壁36和頂壁38分別設有貫穿的相應中心開口 41、42，通過這些開口 41、42，軸觀的相應 下端44或上端46以允許外殼32和軸28的相對軸向運動并因此一方面允許磁芯12的第 一部分沈和磁鐵10軸向運動并且另一方面允許磁芯12的第二部分32軸向運動的方式延 伸。在優選的實施例中，兩部分的磁芯12和磁鐵10分別關于與磁鐵10和線圈組件4 的圓柱軸對準的中心旋轉軸線旋轉對稱。線圈組件4包含電氣連接在一起的第一和第二線圈50、52。第一和第二線圈50、 52分別被設置在磁鐵10的沿軸向的相對的邊上。每個第一和第二線圈50和52被裝配在 鐵磁材料的管狀體部22的相應端部M、56的周圍。這提供線圈組件4、磁芯12的第一部分 26和磁鐵10的緊湊和牢固的安裝。在本發明的機電發電機中，磁芯12的第一部分沈和第二部分32可相對運動。可 通過各種構造實現這一點。例如，在一種構造中，第二部分36即外殼被固定，并且，圍封的 第一部分沈與磁鐵10和線圈組件4 一起可沿軸線A-A運動。在另一可選擇的構造中，第 二部分36即外殼可沿軸線A-A運動，并且，圍封的第一部分沈與磁鐵10和線圈組件4 一 起被固定。在另一可選擇的構造中，第二部分36即外殼和圍封的第一部分沈與磁鐵10和 線圈組件4 一起可沿軸線A-A運動。在這些構造的每一個中，偏壓裝置將活動元件壓向中心位置，并且，活動元件靠偏 壓力關于中心位置沿軸線A-A的兩個相對的方向振蕩。雖然對于示出的實施例公開了兩部分的磁芯12，但是，磁芯12可包含多于兩個的 可相對運動的部分，并且/或者，每個部分可包含多于一個的磁芯部件。在示出的實施例中，例如，外殼32是可運動的，并且，軸觀被固定。因此，兩部分 的磁芯12的第一部分沈、磁鐵10和線圈組件4被牢固地安裝。偏壓裝置70被安裝在外殼 4和軸觀之間。偏壓裝置70向著圖1所示的中心縱向位置沿軸線沿相對的方向對外殼32 施加偏壓。偏壓裝置70包含一對板簧72、74。每個板簧72、74與軸線A-A軸向對準，并且 向著中心位置沿軸線沿兩個相對的方向中的相應一個對可運動安裝的第二部分32施加偏 壓。當第二部分32在中心位置處于平衡時，兩個板簧72、74分別對于第二部分32施加相 同的機械偏壓力。外殼32具有可包含氣體的內部容積80。用于密封外殼3M的內部容積80的密封 (未示出)可包圍外殼32。示出的實施例的機電發電機2使用作為振動磁芯部分32的共振質量彈簧配置。如 果機電發電機2經受導致機電發電機2沿方向A-A運動的外部振動源，那么磁芯部分32包 含可克服板簧72、74的偏壓沿方向A-A運動的慣性質量。磁芯的這種相對運動改變磁芯內的磁通，并由此改變與磁芯組件鏈接的磁通。磁
8鏈的改變導致在線圈內感應電勢，該感應電勢可驅動電流流過外部施加的負載。以這種方 式，向外部電氣負載傳輸電功率。雖然在本實施例中磁鐵和線圈被固定并且存在運動磁芯部分，但是，在可選擇的 實施例中，可以使用相反的配置，使得磁鐵和線圈共同相對固定的磁芯部分運動。并且，雖然在本實施例中，彈簧是扁平的板簧，但是，可以使用其它的偏壓元件。磁芯12的第一部分沈將磁鐵10夾在磁性材料的兩個體部22J4之間，這由此給 出第一部分26的兩個磁性相對的第一和第二磁芯面27、29。第一磁芯面27是環形的，并且 指向磁芯12的第二部分32的內部圓柱表面31。第二磁芯面四包含分別指向底壁36的內 表面37和頂壁38的內表面39的兩個表面33、35。以這種方式，兩部分的鐵磁芯12和磁鐵 10的組件因此形成兩個軸向分開的磁路41、43，磁通由圖1中的虛線表示，它們與第一和第 二線圈50、52 —一對應。每個磁路41、43的磁通的線的極限由磁芯12的形狀限定，并且， 特別地，由用作磁鐵10和線圈50、52的外殼的磁芯12的第二部分32限定，該磁芯12的形 狀基本上防止來自磁鐵10的磁通從磁芯12沿軸向或沿徑向向外延伸。得到的效果是，與兩部分的磁芯12組合的單個磁鐵10提供兩個單獨的磁路41、 43，其中非常高的比例的磁通不得不穿過相應線圈部分50、52。磁芯12的第一和第二部分 26,32的相對運動改變磁芯12內的磁通，并且這又在磁鐵10和線圈組件4之間提供非常高 的程度的磁耦合。因此，磁芯12的第一和第二部分沈、32之間的任何相對運動產生非常高 比率的磁鏈變化，這導致非常大的參數κ (如上所述，代表能量收集器內的電磁耦合的強 度和效率，并且是耦合機構的設計的函數)的值。這又允許調諧共振頻率以匹配振動頻率， 這可增加線圈輸出處輸出的電功率。本發明的機電發電機與大多數已知的能量收集器耦合機構不同，原因是該裝置基 于磁阻電機而不是具有空心磁芯(揚聲器類型)的構造。在已知的空心磁芯(揚聲器類 型)的構造中，在線圈或磁鐵的振動運動期間，磁芯內的磁通保持相對恒定。線圈的磁鏈匝 由于線圈相對于磁芯的相對位移而改變。相反，磁阻電機被構造為在磁芯內提供大的磁通 的變化。在此之前，對于在能量收集器中使用磁阻電機存在技術偏見。這是由于磁阻電機 表現干擾彈簧和共振器的磁恢復力，并且，磁阻電機在磁芯中產生降低機電發電機的Q因 子的渦電流。但是，本發明的發明人發現，在相同的容積內，具有上述的磁阻電機的結構的機電 發電機表現比基于空心磁芯電機的機電發電機高多達100倍的K。如上所述，參數K代表 能量收集器內的電磁耦合的強度和效率，并且是耦合機構的設計的函數。該非常高的電磁 耦合提供大大超過源自任何磁恢復力或渦電流的任何性能降低的總體技術優點。這里公開 的結構實現磁耦合與恢復力的相對較高的比率，而使用鐵氧體實際上去除了渦電流損耗。本發明的發明人發現，通過提供磁通在其間依次和循環轉向的兩個磁路41、43，參 數κ增加。相反，在僅提供一個磁路的其它的裝置中，由于僅提供一個磁路需要嘗試接通 或關斷磁通(實際上，由于磁漏，不能實現接通或關斷)，因此參數κ相對較低。在使用中，如上所述，如圖2所示，在本發明的機電發電機的交流(AC)輸出兩端之 間設置電容(或電感)，并且，可以很容易地使用電容或電感的選擇或變化，以調諧機電發 電機的共振頻率。由于在本發明的能量收集器內通過用于磁耦合的磁阻機構實現電磁耦合，因此，能夠通過在遠比通過使用空心磁芯機構所可能達到的較寬的帶寬上使用電容器 或電感器實現有效頻率調諧。這是由于，如表達式(2)和(3)描述的那樣，由磁阻機構提供 的更高的κ降低了源自調諧的不期望的阻尼。當在機電發電機的輸出兩端之間使用電容時，實現共振頻率的有效降低的電容的 值一般為若干100毫微法的數量級，例如達到2500毫微法，更一般地，達到1000毫微法，該 值根據尤其是可振動部分的質量和頻率被選擇。但是，產生有效調諧的電感的值一般非常 大(例如，為整個亨利的數量級)。由此，特別優選使用電容作為調諧元件。更優選地，可通過可選擇的電容器和/或可變電容器的陣列提供調諧電容，使得 可以根據需要調諧共振頻率。相應地，由可選擇的電感器和/或可變電感器的陣列提供調諧電感，使得可以根 據需要調諧共振頻率。如上所述，申請人的W0-A-2006/109037公開了用于將機械振動能轉換成電能的 機電裝置，該機電裝置是速度阻尼共振器，并且，對于該速度阻尼共振器，共振頻率可以可 控地改變。圖3是根據本發明的另一實施例的機電發電機120的示意性框圖。如上面參照圖1描述的那樣，機電發電機120包含用于將機械振動能轉換成電能 的機電裝置102。但是，另外提供阻尼系數調節器122和共振頻率調節器124。通過改變與 共振器裝置連接的負載阻抗改變阻尼系數。例如，可通過改變允許流過線圈的電流，例如， 通過改變包含線圈的電路的電阻，來調節阻尼系數。如圖2所示，通過改變輸出兩端之間的 電容(或電感)改變共振頻率。共振頻率調節器IM適于能夠恢復低共振頻率的預設或缺省值。阻尼系數調節器 122和共振頻率調節器IM適于能夠使用預設和缺省值作為經受振動時的機電發電機在初 始啟動時的相應參數的開始值。這些值被選擇以保證在啟動時產生足夠的功率。頻率的缺省值依賴于特定的機電發電機及其應用。一般地，例如，缺省的頻率值可 以為IOOHz或120Hz。這是由于許多裝置在接近干線AC功率的頻率(50Hz或60Hz)的兩倍 的頻率下振動。機電裝置102具有與電源電路128連接的功率輸出線126。功率輸出線1 輸出 由機電裝置102產生的任何電流。電源電路1 與功率輸出線132上的功率傳感器130連 接(或者，可選擇地，具有集成的功率傳感器)。功率傳感器130通過功率感測信號線134 與微處理器控制器136連接。功率線138將電源電路1 與微處理器控制器136連接以提 供足以驅動微處理器控制器136的電功率。微處理器控制器136具有兩個輸出控制線與 阻尼系數調節器122連接的、用于控制阻尼系數的第一控制線140和與共振頻率調節器124 連接的、用于通過改變電容(或電感)控制共振頻率的第二控制線142。來自功率傳感器 130的輸出線144提供驅動外部裝置(未示出)的電功率。微處理器控制器136包含確定 功率感測信號線134上的輸出功率是否處于最大值的比較器146。首先，阻尼系數調節器122被預設為高阻尼系數的缺省值。缺省值被預設為足以 與裝置的其它參數一起允許輸出功率驅動機電發電機的控制電路特別是微處理器控制器 136，然而不足以允許輸出功率被優化或者甚至從用于驅動外部裝置(未示出)的機械振動 收集有效輸出功率。并且，首先，共振頻率調節器1 被預設為與低共振頻率對應的缺省值。缺省值被預設，使得缺省頻率遠離裝置的設計共振頻率，并且優選低于設計共振頻率。 并且，低共振頻率的缺省值被選擇，以允許該缺省值處的輸出功率足以驅動機電發電機的 控制電路特別是微處理器控制器136，然而不足以允許輸出功率被優化或者甚至從用于驅 動外部裝置(未示出)的機械振動收集有效輸出功率。因此，當沒有由電源電路1 施加控制功率以驅動微處理器控制器136時，或者， 當微處理器控制器136首先被用于微處理器控制器136的功率線138上的收集的功率驅動 操作時，阻尼系數處于其最高值并且共振頻率處于其最低值。在振動開始并且由機電裝置102產生的電流提供足以驅動微處理器控制器136的 電功率之后，微處理器控制器136操作為修改機電裝置102以使線144上的輸出功率最大。共振頻率調節器124的調諧電容(或電感)被調節以修改頻率。輸出功率由功率 傳感器130感測。通過比較器146進行比較以確定輸出功率是否處于最大值。如果不是， 那么執行反饋控制，使得不斷調節頻率，以在最終的頻率下實現阻尼系數的缺省初始值上 的最大輸出功率。然后，調節阻尼系數調節器122。通過功率傳感器130感測輸出功率。通過比較 器146進行比較，以確定輸出功率是否處于最大值。如果不是，那么執行反饋控制，使得不 斷調節即降低阻尼系數，以實現阻尼系數的頻率下的最大輸出功率。然后，阻尼系數和頻率 被設定，這在與初始的預設值不同的頻率f (最終)和阻尼系數上實現峰值最大輸出功率。最后，通過使用周期性確定是否產生最大輸出功率并且如果必要的話調節頻率f 和阻尼系數中的一個或兩個的反饋控制，在機電發電機的操作壽命期間的時間上保持峰值 最大輸出功率。在機電發電機的輸出兩端之間設置電容或電感提供了在機電發電機的輸出兩端 之間提供電抗性調諧元件，該電抗性調諧元件直接影響較寬的頻率范圍上的共振頻率。但 是，如果調諧僅是部分電抗性的，例如，存在與電容器或電感器串聯或并聯的電阻，那么調 諧仍會起作用，但阻尼效應會增加，這又會在較寬的頻率范圍上降低控制共振頻率的能力。 因此，根據本發明，調諧元件基本上或者主要是電抗性的。如果環境振動的頻率在機電發電機的操作壽命期間改變，那么裝置的響應可改變 以適應頻率變化，由此，盡管頻率改變，機電發電機仍能夠以最大頻率操作。這在允許電容根據溫度變化改變時具有特別的用途。溫度變化影響機電發電機的 共振頻率。作為為機電發電機提供昂貴的溫度穩定彈簧合金設置的替代，作為由于適應溫 度變化導致的彈簧特性的變化的結果，在線圈的AC輸出的兩端之間提供的可變電容允許 任何共振頻率改變。參照圖4，在第二實施例中，機電發電機具有不被電氣連接的多個線圈(與第一實 施例中的第一和第二線圈50、52不同)。在本第二實施例中，線圈被設置在具有與圖1所 示的結構配置基本上相同的結構配置的機電發電機內。第一線圈250與外部負載L連接， 以提供輸出功率，并且，第二線圈252與可變電容Ct連接。第一線圈250適于提供參數κ 的較低值，以優化輸出功率，并且，第二線圈252適于提供參數κ的較高值，以優化調諧機 電發電機的共振頻率的能力。為了分別產生輸出功率和共振頻率調諧，優化每個線圈250、 252的性能。參照圖5，第三實施例是機電發電機的第二實施例的變型，并且具有不與第一和第二線圈250、252電氣連接的附加的第三線圈254。在本第三實施例中，第三線圈邪4也被 設置在具有與圖1所示的結構配置基本上相同的結構配置的機電發電機內。第三線圈2M 與包含電容器調諧電子裝置和用于切換可變電容Ct的可變電容器的開關的控制器C連接。 并且，為了分別產生輸出功率、共振頻率調諧和調諧控制，優化每個線圈250、252、254的性 能。參照圖6，示出根據本發明的第四實施例的用于機電發電機中的用于將機械振動 能轉換成電能的機電裝置202。磁鐵組件206包含至少一個環形磁鐵210和兩部分的磁芯212。線圈組件204位 于磁鐵210之上和之下。環形磁鐵210在其環狀徑向內部和徑向外緣表面處具有相對的 磁極214、216(g卩，N極和S極)，并且，一個磁極214(即，N極)與磁芯212的第一固定體 部222磁耦合但不與其接觸，并且，另一磁極216 (即，S極)接觸磁芯212的第二活動體部 2 并與其磁耦合。第一和第二體部222、2M形成兩部分的磁芯212。第一體部222是環 形的，并且被固定到與外殼280 —體的沿振動方向延伸的軸向延伸的管278上。具有C形 斷面以限定內部環形空腔225的第二體部2 包含固定于空腔225內的磁鐵210和線圈組 件204。通過上下環形板簧270、272，安裝用于相對于外殼280振動的第二體部224。第二體部224、磁鐵210和線圈組件204的組件相對于第一體部222的振動導致在 線圈組件204中感應電流。參照圖7，示出根據本發明的第五實施例的用于機電發電機中的用于將機械振動 能轉換成電能的機電裝置302。磁鐵組件306包含至少一個環形磁鐵310和兩部分的磁芯312。線圈組件304位 于磁鐵310之上和之下。環形磁鐵310在其環形徑向內部和徑向外緣表面處具有相對的磁 極314、316(S卩，N極和S極)，并且，一個磁極314(8卩，N極)接觸磁芯312的第一固定體 部322并與其磁耦合，并且，另一磁極316 (即，S極)與磁芯312的第二活動體部3M磁耦 合但不與其接觸。第一和第二體部322、3M形成兩部分的磁芯312。第一體部322是環形 的，并且被固定到與外殼380 —體的沿振動方向延伸的軸向延伸管378上。磁鐵310和線 圈組件304被附加到第一體部322上。具有C形斷面以限定內部環形空腔325的第二體部 324封圍磁鐵310和線圈組件304。通過上下環形板簧370、372，安裝用于相對于外殼380 振動的第二體部324。第二體部3M相對于第一體部322、磁鐵310和線圈組件304的組件的振動導致在 線圈組件304中感應電流。參照圖8，示出根據本發明的第六實施例的用于機電發電機中的用于將機械振動 能轉換成電能的機電裝置402。磁鐵組件406包含至少一個環形磁鐵410和兩部分的磁芯412。線圈組件404位 于磁鐵410之上和之下。環形磁鐵410在其環形徑向內部和徑向外緣表面處具有相對的磁 極414、416(g卩，N極和S極)，并且，一個磁極414(即，N極)與磁芯412的第一活動體部 422磁耦合但不與其接觸，并且，另一磁極416 ( S卩，S極)接觸磁芯412的第二固定體部似4 并且與其磁耦合。第一和第二體部422、似4形成兩部分的磁芯412。第二體部似4是環形 的，并且被固定到與外殼480的內部環形表面上。具有C形斷面以限定外部環形空腔425 的第一體部422封圍被附加到第二體部似4上的磁鐵410和線圈組件404。通過上下環形板簧470、472，安裝用于相對于外殼480振動的第一體部422。第一體部422相對于第二體部424、磁鐵410和線圈組件404的組件的振動導致在 線圈組件404中感應電流。參照圖9，示出根據本發明的第七實施例的用于機電發電機中的用于將機械振動 能轉換成電能的機電裝置502。磁鐵組件506包含至少一個環形磁鐵510和兩部分的磁芯512。線圈組件504位 于磁鐵510之上和之下。環形磁鐵510在其環形徑向內部和徑向外緣表面處具有相對的磁 極514、516(g卩，N極和S極)，并且，一個磁極514(即，N極)接觸磁芯512的第一活動體 部522并與其磁耦合，并且，另一磁極516 (即，S極)與磁芯512的第二固定體部5M磁耦 合但不與其接觸。第一和第二體部522、5M形成兩部分的磁芯512。第二體部5 是環形 的，并且被固定到外殼580的內部環形表面上。具有C形斷面以限定外部環形空腔525的第 一體部522包含被固定于空腔525內的磁鐵510和線圈組件504。通過上下環形板簧570、 572，安裝用于相對于外殼580振動的第一體部522。第一體部522、磁鐵510和線圈組件504的組件相對于第二體部5M的振動導致在 線圈組件504中感應電流。圖13是根據本發明的第八實施例的用于機電發電機中的用于將機械振動能轉換 成電能的機電裝置的示意性電路圖。在本實施例中，電路提供與整流器的連接。在根據上文中描述的本發明的各種實施例的加入用于機電發電機中的用于將機 械振動能轉換成電能的機電裝置的電路中，根據本發明的另一優選方面，能夠提供對于線 圈電感的補償。當能量收集器(即，用于將機械振動能轉換成電能的機電裝置)用調諧電抗操作 時，振動頻率下的明顯的AC電流流過調諧電抗和與其串聯的線圈。因此，必須使得線圈電 阻相對較小，以避免由于該電流流動導致的功率損耗。線圈也具有明顯的感抗。該感抗是無損耗的，但是，通過影響流過調諧電抗的電流
降低調諧的能量收集器的效率。根據該優選的方面，可因此通過用由G ^ &Jy￡給定的大
致相反的電抗的電容器Cs補償發電機共振頻率f下的線圈電感L的電抗，提高調諧的能量 收集器的效率。圖13表示將這種電容器Cs加入圖13的實施例的電路中的情況，盡管這種電容器 可相應地被加入其它的實施例的電路中。并且，獨立地根據本發明的優選的方面，圖13的 實施例的電路可被修改以提供電容器Cs和與整流器的串聯連接。為了傳輸DC輸出，常常期望將能量收集器(即，用于將機械振動能轉換成電能的 機電裝置)連接到整流器上。在二極管或橋式整流器的情況下，僅當能量收集器的振蕩輸 出電壓超過需要的DC電壓時傳輸電流。能量收集器輸出電流從而包含大于振動頻率f的 頻率(3f、5f...)處的分量。由于線圈電感，因此未調諧的能量收集器在高頻下具有高的阻抗。相反，例如在圖 2、圖4和圖5中公開的通過使用并聯電容器Ct調諧的能量收集器在高頻下具有低的阻抗。本發明的發明人觀察到，當具有并聯調諧收集器Ct的能量收集器與整流器連接 時，功率傳輸隨著Ct的增加而變得不足。這是由于上述的高頻阻抗行為。
參照圖13，在能量收集器604的輸出端子和整流器608的輸入端子兩端之間的由 Ct表示的調諧電容器606之后，可通過引入與能量收集器604的輸出端子串聯的由圖13中 的Rb表示的足夠大的電阻602或類似地如圖13中的電阻Rb那樣定位的電感，來恢復效率。 電阻或電感必須足夠大，以至于頻率3f及以上下的總阻抗主要是電阻性或電感性的。本發明的發明人發現，該增加的效率多于與串聯電阻器中的任何功率損耗的補 m
te ο在電阻器Rb的情況下，民^在電感器Lb的情況下，^^在調諧電容器606之前，一般與上述的串聯電容器Cs結合使用該校正，該串聯電 容器Cs在圖13中被示為與能量收集器604的輸出端子串聯的電容器610。參照圖10 12，實際使用的下面的例子和比較例表明使用根據本發明的實施例 的可調諧阻尼和頻率的優點。例子1通過使用上式在電氣上將根據本發明的具有高κ的磁阻電機構造的能量收集裝 置模型化。變量m(共振器的質量)、Qmech (Q因子)、fn(不存在電容器的情況下的共振器 的自然頻率)、&(外部負載的電阻)、&(線圈電阻)和參數κ的參數值被設為實際裝置 的典型值。磁阻電機的電磁耦合非常高，并且參數κ為2000kg/s。模型化選擇在線圈的電氣輸出兩端之間設置的一系列調諧電容CT。對于各種電容 計算輸出功率，并且，在圖10中表示結果。從圖10可以看出，在線圈的電氣輸出兩端之間不存在任何電容的情況下，模型化 的能量收集器的輸出功率被最大化為約120Hz的振動頻率下的峰值。當在線圈的電氣輸出 兩端之間的調諧電容Ct增加到350毫微法的值時，模型化的能量收集器的輸出功率最大化 為約116Hz的振動頻率下的峰值。當在線圈的電氣輸出兩端之間的調諧電容Ct進一步增 加到700毫微法的值時，模型化的能量收集器的輸出功率被最大化為約112Hz的振動頻率 下的峰值。雖然最大輸出功率通過提供調諧電容而降低，并且隨著電容的增加而逐漸降低， 從約2. 3mff的值降低到350毫微法下的約2. Omff的值，并進一步降低到700毫微法下的約 1. 25mff的值，然而，通過提供選擇的調諧電容，獲得調諧到特定的振動頻率的相對較高的有 效功率輸出。因此，對于具有帶有輸出功率最大化的特定的共振振動頻率的特定的機械構造的 機電發電機和由磁阻電機構造提供的非常高的電磁耦合，如果需要在輸入振動頻率與特定 的共振振動頻率不同的條件下使用機電發電機，那么可通過添加被選擇為使輸出功率最大 化的電容調諧機電發電機。盡管調諧的裝置具有較低的輸出功率，但它仍明顯高于在沒有 電容調諧的情況下可得到的情況，并且，避免了機電發電機的機械修改。比較例1相反，通過使用上述等式在電氣上將具有相同的參數m、Qmech、fn、Rl和&的能量 收集裝置模型化。磁阻電機的電磁耦合較低，并且，參數κ為20kg/s(比例子1小兩個數量級)。同樣，模型化選擇在線圈的電氣輸出兩端之間設置的一系列的調諧電容CT。對于 各種電容計算輸出功率，并且，在圖11中表示結果。從圖11可以看出，在線圈的電氣輸出兩端之間不存在任何電容的情況下，模型化 的能量收集器的輸出功率被最大化為約120Hz的振動頻率下的峰值。當在線圈的電氣輸出 兩端之間的調諧電容Ct增加到75毫微法的值時，模型化的能量收集器的輸出功率最大化 為約119Hz的振動頻率下的峰值。當在線圈的電氣輸出兩端之間的調諧電容Ct進一步增 加到150毫微法的值時，模型化的能量收集器的輸出功率被最大化為約118. 5Hz的振動頻 率下的峰值。因此，在本比較例中，對于低電磁耦合裝置添加調諧電容擴展振動頻率的范圍 (擴展約1. 75Hz,以提供任何有效輸出功率)，但是，是在遠小于高電磁耦合裝置(為近 6Hz)的范圍上。此外，在比較例中，與例子相比，通過提供調諧電容，最大輸出功率在更大的程度 上降低。在比較例中，最大輸出功率隨著電容的增加而逐漸降低，從約2. 3mW的值降低到75 毫微法下的約1. 2mff的值，并進一步降低到1500毫微法下的約0. 25mff的值。因此，在比較例中，獲得有效功率輸出的振動調諧頻率范圍非常低，并且，任何水 平的輸出功率僅在稍微離開裝置的自然共振振動頻率的任何頻率下迅速降低。例子2在本例子中，測試在約99Hz的頻率下具有約1. 6mW的最大輸出功率的市售能量收 集裝置，以確定輸出功率和振動頻率之間的關系。在圖12中表示結果，并且，測得的結果由 曲線A的圓表示。另外，對于前面的例子1和比較例1通過使用相同的模型化將輸出模型 化。模型化的輸出由曲線A的線表示。獲得模型化結果和測得的結果之間的強烈的相關性。對于相同的能量收集裝置但是通過在電氣輸出兩端之間使用125毫微法的電容 使用相同的測量和模型化。這些結果表示約98Hz的頻率下的約0. 85mff的較低的最大輸出 功率。這表示改變可獲得有效輸出功率的頻率的電容調諧的能力。
1權利要求
1.一種用于將機械振動能轉換成電能的機電發電機，該機電發電機包含導電線圈組件 和磁鐵組件，該磁鐵組件包含至少一個磁鐵和兩部分的磁芯，磁芯的兩個部分通過偏壓裝 置被安裝成可關于中心位置沿軸線以共振頻率相對振動，由此導致與線圈組件鏈接的磁通 的變化從而在線圈組件中產生電勢。
2.根據權利要求1所述的機電發電機，其中，磁芯的第一部分被固定，并且磁芯的第二 部分可關于中心位置振動。
3.根據權利要求2所述的機電發電機，其中，導電線圈組件被安裝在磁芯的第一部分 和第二部分中的任一個或兩個上。
4.根據權利要求2或3所述的機電發電機，其中，所述至少一個磁鐵被安裝到磁芯的第 一部分和第二部分中的任一個或兩個上。
5.根據權利要求2 4中任一項所述的機電發電機，其中，導電線圈組件和所述至少一 個磁鐵被安裝到磁芯的第一部分上。
6.根據權利要求5所述的機電發電機，其中，磁芯的第二部分封圍導電線圈組件、所述 至少一個磁鐵和磁芯的第一部分。
7.根據權利要求2 6中任一項所述的機電發電機，其中，所述至少一個磁鐵包含分別 在其環形徑向內部和徑向外緣表面處具有相對的磁極的環形磁鐵，這些磁極與磁芯的第一 部分接觸并與其磁耦合。
8.根據任何前面的權利要求所述的機電發電機，其中，磁芯包含諸如鐵氧體的表現高 的磁滯的磁性材料。
9.根據任何前面的權利要求所述的機電發電機，其中，線圈組件包含電氣連接在一起 的第一線圈和第二線圈，該第一線圈和第二線圈分別被設置在所述至少一個磁鐵的沿軸向 的相對的邊上。
10.根據任何前面的權利要求所述的機電發電機，還包含在導電線圈組件的輸出兩端 之間的振動調諧裝置。
11.根據權利要求10所述的機電發電機，其中，振動調諧裝置包含電容。
12.根據權利要求11所述的機電發電機，其中，電容包含可變電容。
13.根據權利要求10所述的機電發電機，其中，振動調諧裝置包含電感。
14.根據權利要求13所述的機電發電機，其中，電感包含可變電感。
15.根據權利要求10 14中任一項所述的機電發電機，還包括用于響應機電發電機的 輸出電功率或振動頻率的檢測而控制振動調諧裝置的控制器。
16.根據權利要求11 12中任一項或權利要求13 14中任一項所述的機電發電機， 其中，控制器適于測量磁芯的振動頻率，并且，根據測得的振動頻率分別選擇振動調諧裝置 的電容值或電感值。
17.根據權利要求15或16所述的機電發電機，還包括由輸出電功率驅動的、用于驅動 控制器的電源電路。
18.根據任何前面的權利要求所述的機電發電機，還包括相對于磁鐵組件安裝的第二 導電線圈組件，由此，磁芯的兩個部分的相對振動導致與第二導電線圈組件鏈接的磁通的 變化在第二導電線圈組件中產生第二電勢，該第二導電線圈組件適于與用于調諧磁鐵組件 的共振頻率的可變電容連接。
19.根據任何前面的權利要求所述的機電發電機，還包含相對于磁鐵組件安裝的第三 導電線圈組件，由此，磁芯的兩個部分的相對振動導致與第三導電線圈組件鏈接的磁通的 變化在第三導電線圈組件中產生第三電勢，該第三導電線圈組件適于與用于響應機電發電 機的輸出電功率或振動頻率的檢測而控制振動調諧裝置的控制器連接。
20.根據權利要求10 17中任一項所述的機電發電機，還包括與導電線圈組件的輸出串聯連接的電容器裝置，該電容器裝置具有電容Cs，其中，Cy、2二1，并且，L是導線線圈組件的電感，f是磁鐵組件的磁芯的共振頻率。
21.根據權利要求10 17或20中任一項所述的機電發電機，還包括與電氣線圈組件 的輸出串聯并處于作為具有電容Ct的電容器的振動調諧裝置的輸出側的電阻器裝置，該電阻器裝置具有電阻Rb，其中，恿2·^^，并且，f是磁鐵組件的磁芯的共振頻率。
22.根據權利要求10 17或20中任一項所述的機電發電機，還包括與電氣線圈組件 的輸出串聯并處于作為具有電容Ct的電容器的振動調諧裝置的輸出側的電感器電阻器裝置，該電感器裝置具有電感Lb，其中，{6Jyc，并且，f是磁鐵組件的磁芯的共振頻率。
23.一種用于通過使用機電發電機將機械振動能轉換成電能的方法，該方法包括以下 步驟提供包含導電線圈組件和磁鐵組件的機電發電機，該磁鐵組件包含至少一個磁鐵和兩 部分的磁芯；以及使機電裝置振動以使磁芯的一個部分相對于磁芯的另一部分沿軸線以共振頻率運動， 由此導致磁芯中的與線圈組件鏈接的磁通的變化在線圈組件中感應電勢。
24.根據權利要求23所述的方法，還包括提供在電線圈組件的輸出兩端之間的振動調諧裝置。
25.根據權利要求M所述的方法，其中，振動調諧裝置包含可變電容或可變電感，并且 還包括分別設定可變電容或可變電感以使輸出電功率最大的步驟。
26.根據權利要求25所述的方法，還包括響應機電發電機的輸出電功率的檢測而控制 振動調諧裝置。
27.根據權利要求沈所述的方法，還包括檢測振動頻率并分別改變電容或電感以使共 振頻率與振動頻率對準。
28.根據權利要求四所述的方法，還包括通過輸出電功率驅動控制器。
全文摘要
提供一種用于將機械振動能轉換成電能的機電發電機，該機電發電機包含導電線圈組件和磁鐵組件，該磁鐵組件包含至少一個磁鐵和兩部分的磁芯，磁芯的兩個部分通過偏壓裝置被安裝以可關于中心位置沿軸線以共振頻率相對振動，以由此導致與線圈組件鏈接的磁通的變化從而在線圈組件中產生電勢。
文檔編號H02K35/04GK102067420SQ200980119908
公開日2011年5月18日 申請日期2009年4月15日 優先權日2008年4月15日
發明者A·沃申祖克, S·羅伯茨, T·B·J·穆耶 申請人:佩爾皮圖姆有限公司