專利名稱：振動發(fā)電裝置的制作方法
振動發(fā)電裝置
背景技術：
許多工業(yè)或商業(yè)操作使用電的、機械的、風力的、或一些它們的結 合的機器設備。這樣的機器設備的例子包括電動機、渦輪機等。典型 地，期望消除或削弱由這樣的機器設備產(chǎn)生的任何的振動。通常，降低 機器設備的振動會減小機器設備的噪音和設置在機器設備上或在其附近 的部件由于振動引起的加速經(jīng)受的機械磨損。墊或彈簧形式的振動減振 裝置已經(jīng)在包括例如重工業(yè)、建筑業(yè)、機動車輛、過程工業(yè)等許多工業(yè) 中使用。典型地通過將一些機械運動能量轉換至減振裝置中并且最終轉 化成熱能，這些減振裝置/墊/彈簧至少一定程度上降低了振動。
雖然典型的減振裝置被認為對于許多情形是必需的，但是轉化至減 振裝置的機械能量基本上被丟失。如果改善的設備、結構或系統(tǒng)可連接 至機械振動源且能產(chǎn)生有用的能量，那么這樣的設備、結構或系統(tǒng)將會 是非常被期望的。

發(fā)明內容
提供了基于振動的電力發(fā)電裝置。 一個方面，基于振動的電力發(fā)電 機被配備在機器減振裝置中且包括電動電力發(fā)電模塊和壓電電力發(fā)電模 塊。電力儲存設備可操作地連接至電動電力發(fā)電模塊和壓電電力發(fā)電模 塊。另一個方面，提供了基于產(chǎn)生電能的設備。所述設備包括可操作地 連接至振動源的殼。所述殼限定了在其中的腔。第一圓形的永久磁鐵被 設置在腔中且具有外直徑。環(huán)形的永久磁鐵圍繞第一圓形磁鐵設置并在 它們之間限定環(huán)形空間。至少一個音圈部分設置在環(huán)形空間內且連接至
彎曲(flexure)結構，以允許音圈部分響應于振動在永久磁鐵的磁力線中 移動。


圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的機器振動減振裝置的圖解視圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明實施例的條形(bar-type)的振動減振裝置的圖解 視圖。
圖3是與本發(fā)明實施例配合使用的電路的框圖。 圖4是根據(jù)本發(fā)明的實施例的儲存電能和短時間運作至少一個被連 接的設備的方法。
圖5是根據(jù)本發(fā)明實施例的執(zhí)行基于振動的診斷的方法的流程圖。 圖6是根據(jù)本發(fā)明實施例的基于振動的電動發(fā)電設備的橫截面視圖。
具體實施例方式
振動是可再生能量的一個重大來源。由振動產(chǎn)生的能量密度依據(jù)驅 動的頻率以及依據(jù)振動的振幅/位移可從10pW/cmS變化至80(^W/cm3，該 驅動頻率在Hz至kHz范圍內變化。例如，假設振動提供500)iW/cmS的平均 能量密度。長3英尺、寬3英尺以及高3英尺的小泵可產(chǎn)生400瓦特的電 力。在過程工業(yè)和相關的其它工業(yè)中，被這些工業(yè)所使用的重型機器設 備和發(fā)動機典型地非常沉重并且占據(jù)了幾千平方英尺的面積。這些機器 的振動能產(chǎn)生非常大的電力。
本發(fā)明的實施例基本上提供了連接至機械振動源，且至少把機械振 動的一部分轉化成有用的電能的設備。在一些實施例中，設備本身是振 動減振裝置，而在其它的實施例中，設備被簡單地連接至振動源上。
圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的機器振動減振裝置的圖解視圖。減振裝置 10連接至振動源12。源12可以是產(chǎn)生振動的任意類型的機器設備或裝 置，且期望對振動進行減振。例如，機器12可以是泵、發(fā)動機、渦輪機 或經(jīng)受機械振動的任何其它的機械系統(tǒng)。減振裝置10把機器12連接至地 面(floor:或地板)14且被配置以把來自源12的至少一些機械能量轉化 成電能。減振裝置10包括電動的振動發(fā)電模塊16，其通過連接部分20連 接至源或負載18。此外，減振裝置10還包括第二發(fā)電模塊22，該第二發(fā) 電模塊22優(yōu)選地是壓電發(fā)電模塊，該壓電發(fā)電模塊通過線24連接至負載 或儲存設備18。如本文此處所述的，基于振動的混合型的發(fā)電機包括使用至少兩種不同類型的發(fā)電裝置產(chǎn)生電能的發(fā)電機。上述所給出的例子 是由使用電動和壓電基發(fā)電模塊的基于振動的混合型發(fā)電機。然而，基 于振動的混合型發(fā)電機還可能包括與熱能發(fā)電模塊配合工作的電動發(fā)電 模塊。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，基于振動的發(fā)電模塊嵌在(或裝在)減振裝 置10中。這種混合的方法的一個優(yōu)點是，對于電動發(fā)電機，產(chǎn)生的電力 正比于振動的頻率。對于基于壓電的發(fā)電機，產(chǎn)生的電力正比于由施加 的力產(chǎn)生的加速度，但反比于頻率。使用這樣的混合的方法，對于高和
低頻率的應用，都可產(chǎn)生電力。如圖1所示，減振裝置io是活塞型減振裝
置。減振裝置io被認為是活塞型減振裝置是因為至少一些機械振動在圓
柱形側壁26內被引導。
圖2是根據(jù)本發(fā)明實施例的條形振動減振裝置的圖解視圖。在圖2中 示出的實施例部分類似于圖l中示出的實施例，并且相似的部件被類似地 標示。如圖2所示，條型減振裝置30被連接至振動源12以及地面14。減振 裝置30包括或在其中嵌有電動發(fā)電機16和壓電發(fā)電機22。通過線20把電 動發(fā)電機16連接至負載或儲存設備18。類似地，通過線24把壓電發(fā)電機 22連接至負載或儲存設備18。
雖然圖1和圖2分別示出了活塞型和條形振動減振裝置，但是其它的 減振裝置依據(jù)圖1和圖2可被修改以包括混合的發(fā)電特征。
圖3是與本發(fā)明實施例配合使用的電路的框圖。電路40包括或被連 接至電動發(fā)電機16和壓電發(fā)電機22中的每一個上。發(fā)電機16、 22被連接 至另外的電路42，該電路42產(chǎn)生由發(fā)電機16和22產(chǎn)生的所有電能的總和 的輸出44。輸出44被提供作為升壓電壓轉換器46的輸入，升壓電壓轉換 器46把輸入44的電壓增加至更高水平。電壓升壓轉換器46的輸出可直接 連接至如在標記48處所指出的輸出負載或設備，或直接連接至儲存設備 50。可選擇地，升壓電壓轉換器46的輸出可被提供至儲存設備50和輸出 48。儲存設備50包括能把電能儲存一段時間的任意的部件。儲存設備50 的適當?shù)睦影ǔ潆姷碾姵?、電容器以及相類似的部件?br> 電動發(fā)電機16利用永久磁場的振動感應的移動(motion)發(fā)電。相 應地，各種結構可以用于形成電動發(fā)電機16。然而，將會在隨后的說明書中提供一個具體的例子(參考圖6)。壓電發(fā)電機22包括依據(jù)壓電效應 運作的任何設備，其中，由響應于施加的機械壓力的材料產(chǎn)生電荷。已 知很多材料能產(chǎn)生這種效應，其中包括已知的PZT (鋯鈦酸鉛)陶瓷。相 信使用基于混合型的發(fā)電裝置可提供數(shù)百瓦的電力，這些電力從機器振 動中提取，否則機器振動的能量將被簡單地浪費掉。
特別是考慮到在一些情形中從機械振動能量中獲得的功率的最大 量，可能不足以以穩(wěn)定狀態(tài)方式給連接的設備或設備提供動力。因此， 本發(fā)明實施例提供了儲存電能和在短的時段或多個瞬間(bursts of time) 內運行連接的設備的能力。
圖4是這樣運行的框圖。方法60開始于框62，在框62中一個或多個基 于振動的發(fā)電機積累電能。在框64中，核對閥值以確定是否已經(jīng)積累了 足夠的能量。通過檢査儲存在儲存設備諸如充電電池和/或電容器中的能 量的量或簡單地確定在框62中能量積累是否已經(jīng)過去預先選擇的時間的 量，可以進行這種核對。如果沒有到達閥值，控制返回至框62且繼續(xù)積 累能量。然而，如果已經(jīng)達到閥值，控制轉至框66，在框66中一個或多 個被連接的設備被加電(powered up)。被連接的設備的例子包括場設備 68和無線通信設備70。典型的場設備包括壓力、溫度、水平或流動發(fā)射 機或閥。無線通信設備70可以是場設備的一部分或是連接至場設備的分 離的設備。然而，可以使用任何其它合適的設備。在框72中，計時器用 于對被連接設備的啟動開始計時。如果計時器72確定已經(jīng)過去了選擇的 時間的量，控制轉至框74，在框74中被連接的設備被下電(powered down)。注意到，框72可能被一個可選擇的布置替代，其中，對儲存設 備(圖3中的描述的)中的可利用的電力進行監(jiān)控，且當可利用的電力水 平低于一定閥值時關閉所述設備。
根據(jù)本發(fā)明的實施例的混合發(fā)電裝置提供了執(zhí)行基于自身振動的診 斷的獨特的可能。相應地，這些設備能夠從機械振動中獲得全部的它們 的運行電能，而同時提供相對于這樣振動的診斷能力。這對于工業(yè)應用 可能非常重要。例如，如果振動停止或慢下來，它可能指示工業(yè)應用有 某些問題。相似地，如果振動的頻率和/或振幅顯著地增加，它也可能指 示對于應用的問題。
8圖5是根據(jù)本發(fā)明實施例的進行基于振動的診斷的方法的流程圖。方
法80開始于框82，在框82中相對于振動源的初始條件是必需的。當設備 被第一次使用時，當振動機器設備開始或簡單地在程序中或維護中時， 可簡單地進行初始條件的獲得。在框82之后，控制轉到框84，在框84中 發(fā)電機確定或者測量來自電動發(fā)電機的電動力。之后，控制轉到框86， 在框86中測量或確定來自壓電發(fā)電機的電動力。在框88中，振動的至少 一個特性可從框84、 86所描述的被測量的量中推測出來。示例性的振動 特性包括頻率、振幅、最大振幅以及這些量的變化。在框90中，系統(tǒng)確 定振動的特性是否相對于在框82中獲得的初始條件己經(jīng)變化。如果這樣 的變化沒有發(fā)生，通過返回至框84中繼續(xù)監(jiān)控。然而，如果這樣的變化 己經(jīng)發(fā)生，控制轉到框92和產(chǎn)生警報或其它的合適的信息。合適的警報/ 信息的例子包括從減振裝置局部地通告的聽覺或視覺的警報、通過被連 接的設備(諸如無線通信裝置70)傳送出的信息。這樣的警報/信息可以 給振動發(fā)電機的操作者提供警報已經(jīng)發(fā)生一些情況，這可以有利于機器 設備的檢査。
圖6是根據(jù)本發(fā)明實施例的基于振動的電動發(fā)電設備的橫截面視圖。 設備100可被嵌在減振裝置中或簡單地連接至基于振動產(chǎn)生電能的振動 源。在這個實施例中，設備100包括頂蓋102、殼體104和底蓋106。蓋 102、 106和殼體104配合形成在其中的腔108。設備100包括一對永久磁鐵 110、 112，所述永久磁鐵IIO、 112優(yōu)選地為圓環(huán)形的，且被同心地安 裝，把磁鐵112設置在磁鐵110中。音圈114設置在磁鐵110、 112之間的環(huán) 形空間116中。所述一對環(huán)型的永久磁鐵IIO、 112提供了高密度的橫向徑 向磁力線(flux)。磁鐵IIO、 112優(yōu)選地由釹鐵硼(NdFeB)形成。這 樣的磁鐵可在120。C的度數(shù)下運行和產(chǎn)生目前已知的每立方厘米上的最強 大的磁性能。然而，無論是現(xiàn)在已知的或是之后開發(fā)的，顯示出永久磁 性能的任何其它的適合的材料可使用。音圈114優(yōu)選地具有由脊122彼此 分離開的第一部分118和第二部分120。音圈部分118、 120優(yōu)選地以相反 方向纏繞和電學串聯(lián)(electrically cascaded)地連接在一起。第一音 圈部分118切割在磁鐵110、 112之間的上部一對磁極中的磁力線，而第二 音圈部分120切割在下部的一對磁極中的磁力線。相應地，在音圈部分和磁極中的線的長度被充分利用。音圈部分118、 120可在任何取向上工作
和在磁鐵IIO、 120的兩側移動且切割磁力線，以產(chǎn)生跨過圈部分的電 壓。由一對板簧124、 126懸置音圈部分118、 120。每個板簧124、 126優(yōu) 選地具有多個(例如3個)縱橫比大的彎曲懸梁，以保證移動的方向相對 地垂直于彈簧表面。由這種取向提供的一個優(yōu)點是所述裝配變得緊湊， 具有減少了的部件數(shù)。另外，音圈部分的大的雙向傾斜是可能的。更進 一步地，所述布置減小了摩擦、磨損和噪音，以及提供了自對齊。相信 所述裝配將會使得制造便宜和校準容易，而且提供對于裝配中的變化的 較小的敏感度。
設備100優(yōu)選地包括板簧張力螺釘128，該螺釘128整體地與螺紋磁鐵 保持器130接合。板簧張力螺釘128靠在板簧132和平坦墊圈134上。通過 調整板簧張力螺釘128，改變在板簧上的張力，可把共振頻率調節(jié)至相對 寬的范圍上的具體頻率。巻簧136靠在設置在磁鐵保持器130中的板簧張 力螺釘128上。優(yōu)選地，臨近板簧張力螺釘128的頭實現(xiàn)對于音圈部分 118、 120的電接觸。設備100還包括圍繞板簧張力螺釘128設置的滑動螺 母138，滑動螺母138靠在巻簧136上。為了適當?shù)亻g隔在設備100中的部 件，支撐體(或隔離體)140和142被采用。然而，根據(jù)本發(fā)明實施例的 其他適合的支撐體或布置可被使用。
設備100被期望是相對自由地維護和提供高的可靠性。另外，不需要 外部的功率和配線。進一步地，設備可被電連接至任何適合的電設備 上，諸如Minnesota Chanhassen的Rosemount公司使用的過程控制和監(jiān)控場 設備。相信設備100可在幾乎任何取向上工作，然而，優(yōu)選地振動的主軸 線相對于軸向的軸線144被對齊，以使得音圈部分118和120從振動中獲得 最大的移動。使用任何適合的電路，可提供各種輸出水平，這樣的輸出 包括同時用于5分鐘循環(huán)中的2秒鐘的9伏/4毫安、5伏/2毫安，禾B3伏/300微 安。這樣的功率輸出提供了用于完全的無線傳感器節(jié)點的工作循環(huán)的足 夠的電力。設備100的峰值DC輸出電壓被認為是在大約10分鐘循環(huán)的50 伏、8毫安的量級上。最大電力輸出被認為是大約40毫瓦，且在45Hz的輸 入振動和50微米的振幅上具有4.2毫瓦每立方英寸的能量密度。
雖然已經(jīng)參考優(yōu)選的實施例描述了本發(fā)明，但是本領域的技術人員
10將會認識到在不背離本發(fā)明的實質和范圍的情況下可進行形式上和具體 的改變。
權利要求
1. 一種基于振動的混合型電力發(fā)電機，包括電動電力發(fā)電模塊；第二電力發(fā)電模塊，該第二電力發(fā)電模塊不同于所述電動電力發(fā)電模塊轉化電力；電力儲存設備，該電力儲存設備可操作地被連接至所述電動電力發(fā)電模塊和第二電力發(fā)電模塊；且其中，所述設備被配備在機器減振裝置中。
2. 根據(jù)權利要求1所述的設備，其中，所述設備被配備在活塞型機 器減振裝置中。
3. 根據(jù)權利要求1所述的設備，其中，所述設備被配備在條形機 器減振裝置中。
4. 根據(jù)權利要求1所述的設備，該設備進一步包括置于電力儲存 設備和發(fā)電模塊之間的另外的電路，其中，所述另外的電路被配置以提 供另外的信號至所述電力儲存設備。
5. 根據(jù)權利要求4所述的設備，該設備進一步包括設置在所述另外 的電路和電力儲存設備之間的升壓電壓轉換器。
6. 根據(jù)權利要求1所述的設備，其中，所述設備被配置以提供相對 于振動的特性的指示。
7. 根據(jù)權利要求6所述的設備，其中，所述指示也是關于振動源的 診斷指示。
8. 根據(jù)權利要求6所述的設備，其中，所述特性是振幅。
9. 根據(jù)權利要求6所述的設備，其中，所述特性是頻率。
10. 根據(jù)權利要求1所述的設備，其中，所述第二發(fā)電模塊是壓電發(fā) 電模塊。
11. 根據(jù)權利要求1所述的設備，其中，所述第二發(fā)電模塊是熱能發(fā) 電模塊。
12. —種使用來自振動的能量的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括-基于振動的發(fā)電機，該基于振動的發(fā)電機被配備在機器振動的減振裝置中，所述基于振動的發(fā)電機包括可操作地連接至振動源的電動電力發(fā)電模塊； 可操作地連接至振動源的壓電電力發(fā)電模塊；可操作地被連接至電動電力發(fā)電模塊和壓電電力發(fā)電模塊的電 力儲存設備；可操作地連接至電力儲存設備且從電力儲存設備中獲得電力的設備。
13. 根據(jù)權利要求12所述的系統(tǒng)，其中，可操作地被連接至電力儲 存設備的所述設備是場設備。
14. 根據(jù)權利要求13所述的設備，其中，所述場設備提供了關于振 動源的診斷指示。
15. 根據(jù)權利要求12所述的設備，其中，可操作地被連接至電力儲 存設備的所述設備是無線通信設備。
16. 根據(jù)權利要求15所述的設備，其中，所述無線通信設備提供關于振動源的診斷指示。
17. 根據(jù)權利要求12所述的設備，其中，可操作地被連接至電力儲存設備的所述設備被間斷性提供電力。
18. —種基于振動產(chǎn)生電能的設備，所述設備包括殼，該殼可操作性地連接至振動源，所述殼限定了在其中的腔； 第一圓形永久磁鐵，該第一圓形永久磁鐵設置在所述腔中且具有外 直徑；環(huán)形永久磁鐵，該環(huán)形永久磁鐵圍繞第一圓形永久磁鐵設置且在第一圓形永久磁鐵與環(huán)形永久磁鐵之間限定了環(huán)形空間； 至少一個音圈部分，該音圈部分設置在環(huán)形空間中； 彎曲結構，該彎曲結構被連接至所述至少一個音圈部分且允許音圈部分響應于振動在永久磁鐵的磁力線中移動。
19. 根據(jù)權利要求18所述的設備，其中，所述至少一個音圈部分包 括多個音圈部分。
20. 根據(jù)權利要求19所述的設備，其中，所述多個音圈部分被電學 串聯(lián)。
21. 根據(jù)權利要求19所述的設備，其中，第一音圈部分沿第一方向 被纏繞，而第二音圈部分沿與第一方向相反的方向被纏繞。
22. 根據(jù)權利要求18所述的設備，其中，所述彎曲結構包括多個板簧。
23. 根據(jù)權利要求22所述的設備，其中，每個板簧通過多個懸臂梁 被懸置。
24. 根據(jù)權利要求18所述的設備，其中，所述彎曲結構的共振頻率 是可調節(jié)的。
25. 根據(jù)權利要求24所述的設備，其中，通過旋轉螺釘調節(jié)所述共 振頻率，所述螺釘可操作地靠在彎曲結構的至少一個板簧上。
26. 根據(jù)權利要求18所述的設備，該設備進一步包括可操作地被連 接至所述至少一個音圈部分的電力儲存設備。
27. 根據(jù)權利要求18所述的設備，其中，所述設備能夠連接至場設 備以給所述場設備提供電力。
28. 根據(jù)權利要求18所述的設備，其中，所述設備能夠連接至無線 通信設備以給所述無線通信設備提供電力。
全文摘要
提供了基于振動的電力發(fā)電裝置。一個方面，基于振動的電力發(fā)電機配置在機器減振裝置(10、30)中且包括電動電力發(fā)電模塊(16)和壓電電力發(fā)電模塊(22)。電力儲存設備(50)可操作地被連接至電動電力發(fā)電模塊(16)和壓電電力發(fā)電模塊(22)。另一個方面，提供了基于產(chǎn)生電能的設備(100)。所述設備(100)包括可操作地連接至振動源的殼(104)。所述殼(104)限定了在其中的腔(108)。第一圓形的永久磁鐵(112)被設置在腔(108)中和具有外直徑。環(huán)形的永久磁鐵(110)被圍繞第一圓形磁鐵(112)設置和限定了在它們之間的環(huán)形空間(116)。至少一個音圈部分(118、120)被設置在環(huán)形空間(116)中和被連接至彎曲結構(124、126)，以允許音圈部分(118、120)響應于振動在永久磁鐵(110、112)的磁力線中移動。
文檔編號F03G7/08GK101501330SQ200780030291
公開日2009年8月5日 申請日期2007年8月13日 優(yōu)先權日2006年8月14日
發(fā)明者盧良駒, 斯威潘·查克拉波蒂, 約翰·麥金泰 申請人:羅斯蒙德公司