專利名稱：用于將機(jī)械振動能轉(zhuǎn)換成電能的電磁裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于將機(jī)械振動能轉(zhuǎn)換成電能的電磁發(fā)電機(jī)。特別地，本發(fā)明涉及這樣一種裝置，即，該裝置是能夠?qū)h(huán)境振動能轉(zhuǎn)換成用于例如為智能傳感器系統(tǒng)供電的電能的小型發(fā)電機(jī)。這種系統(tǒng)可被用于實(shí)際上不能固定導(dǎo)線以提供電力或傳送傳感器數(shù)據(jù)的無法進(jìn)入的區(qū)域中。
背景技術(shù)：
目前，在用于微電動機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)裝置的替代性電源的領(lǐng)域中，這些裝置在本領(lǐng)域中被描述為用于“能量收獲”和“寄生電源”，研究活動的水平不斷提高。目前對于為無線傳感器供電研究這些電源。
使用電磁發(fā)電機(jī)用于從環(huán)境振動收獲有用的電能是公知的。典型的磁體-線圈發(fā)電機(jī)包含固定到磁體或線圈上的彈簧質(zhì)量(spring-mass)組合，使得當(dāng)系統(tǒng)振動時(shí)，線圈切過由磁芯形成的磁通。在振動時(shí)移動的塊體被安裝到懸臂梁上。該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。
在Glynne-Jones等在Sensors and Actuators A92，2001，第335～342頁中發(fā)表的題目是“Design and fabrication of a new vibrationbased electromechanical power generator”的文章中，公開了包含由外殼支撐的懸臂梁的電動機(jī)械發(fā)電機(jī)。梁上的塊體由安裝到夾頭(keeper)上的兩個(gè)磁體制成，以形成C形磁芯。線圈被放在磁體之間的氣隙中，使得與懸臂梁上的塊體的移動方向呈直角。雖然本發(fā)明的一些發(fā)明人的該現(xiàn)有公開制造了有用的電動機(jī)械發(fā)電機(jī)，但仍需提高機(jī)械振動能到電能并由此到有用的電力的轉(zhuǎn)換效率。
后來，在Department of Electronics and Computer Science，University of Southampton，Southampton，SO17 1BJ，Hampshire，England的P Glynne-Jones，MJ Tudor，SP Beeby，NM White在2002年在Prague，Czech Republic召開的名稱為“Eurosensors XV1”的會議上發(fā)表的題目是“An electromagnetic，vibration-powered generatorfor intelligent sensor systems”的文章中，公開了改進(jìn)的電動機(jī)械發(fā)電機(jī)。該電動機(jī)械發(fā)電機(jī)包含四個(gè)磁體，與雙磁體或單磁體設(shè)計(jì)相比，這四個(gè)磁體產(chǎn)生穿過各線圈繞組的更大比例的長度的磁場。圖1示出該裝置的磁體和磁芯結(jié)構(gòu)。
網(wǎng)頁“http//www.iee.org/oncomms/pn/measurement/Steve％20Beeby.pdf”是S P Beeby等在2002年12月11日召開的關(guān)于“Wheatstone Measurement”的研討會上、在英國的電氣工程師協(xié)會(IEEE)上做的題目是“Kinetic energy harvesting for wireless energysystems”的報(bào)告的副本。該報(bào)告類似地公開了具有圖1中所示的磁體、磁芯和線圈結(jié)構(gòu)的電動機(jī)械發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和用途。
在圖1中統(tǒng)稱為2的磁芯結(jié)構(gòu)包括四個(gè)磁體4、6、8、10。各磁體4、6、8、10基本上為相反極性的端部被對置的塊狀。四個(gè)磁體4、6、8、10被設(shè)置成兩個(gè)磁體對，使得各對磁體4、6；8、10與相應(yīng)的例如鋼的鐵磁材料的夾持板12、14裝配。對于各對磁體4、6；8、10，一個(gè)磁體(例如磁體4)的具有第一極性(例如對于圖2中的磁體4為N)的端部與相應(yīng)的夾持板(例如圖2中的夾持板12)裝配，另一磁體(圖1中的磁體6)的相反極性(例如S)的端部與同一夾持板(夾持板12)裝配。以相對的方式安裝兩對磁體4、6；8、10，使得相反極性的磁體端部16、18；20、22相互隔開且相互面對，并使得通過兩個(gè)夾持板12、14繞磁芯2的兩個(gè)相對的外邊緣引導(dǎo)磁通，由此限定磁路。
采用這種配置，在兩個(gè)相對的磁體對4、6和8、10之間限定單個(gè)細(xì)長槽24，并且，還在磁路中限定其中的兩個(gè)氣隙26、28，每個(gè)氣隙26、28被限定在各個(gè)相對磁體端部16、18；20、22之間。如圖1所示，線圈30被設(shè)置在槽24中。磁路被安裝在例如U形構(gòu)件的懸臂梁(未示出)上，使得U形構(gòu)件的各個(gè)端部與各對磁體4、6；8、10連接。如圖1中的表示磁體移動的箭頭所示，當(dāng)電動機(jī)械發(fā)電機(jī)受到機(jī)械振動時(shí)，懸臂梁會相應(yīng)地相對于磁路上下振動。這導(dǎo)致在線圈30中產(chǎn)生電流。
對于由本發(fā)明的一些發(fā)明人提出的這后面的兩個(gè)現(xiàn)有公開中的每一個(gè)，雖然公開的電動機(jī)械發(fā)電機(jī)具有良好的效率，但仍需要改進(jìn)設(shè)計(jì)以提高從機(jī)械振動發(fā)電的效率。
申請人Rockwell Technologies LLC的US-A-6304176公開了用于監(jiān)控工業(yè)系統(tǒng)的寄生供電的感測裝置。調(diào)諧的換能器將由系統(tǒng)發(fā)射的散雜(stray)能量轉(zhuǎn)換成供遠(yuǎn)程感測裝置和/或無線通信鏈路消耗的電勢。寄生換能器可以是與調(diào)諧的機(jī)械振蕩器耦合的壓電晶體元件。作為替代方案，感測元件和換能器可采用微機(jī)械系統(tǒng)的形式。但是，沒有公開特定的磁體、磁芯和線圈配置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供改進(jìn)的用于將機(jī)械振動能轉(zhuǎn)換成電能的電磁裝置。
本發(fā)明因此提供一種電磁發(fā)電機(jī)，該電磁發(fā)電機(jī)包括兩個(gè)磁體和設(shè)置在其間的線圈，所述兩個(gè)磁體被配置為在其間限定其中設(shè)置線圈的磁通區(qū)域，由此，線圈和磁體之間的相對移動在線圈中產(chǎn)生電流；和用于磁體中的每一個(gè)的可振動的第一支架和用于線圈的可振動的第二支架，由此，至少兩個(gè)磁體中的每一個(gè)和線圈可分別關(guān)于相應(yīng)的中心位置振動。
本發(fā)明還提供一種電磁發(fā)電機(jī)，該電磁發(fā)電機(jī)包括分別被設(shè)置在相應(yīng)的一對磁體之間的第一和第二線圈，這些成對的磁體被配置為在其間限定其中設(shè)置相應(yīng)的線圈的磁通區(qū)域，由此，相應(yīng)的線圈和相應(yīng)的磁體之間的相對移動在相應(yīng)線圈中產(chǎn)生電流，并且，第一和第二線圈在相對于它們的相應(yīng)的磁體振動時(shí)分別具有不同的相應(yīng)的共振頻率。


現(xiàn)在將參照附圖通過例子說明本發(fā)明的實(shí)施例，其中，圖1是已知的用于將機(jī)械振動能轉(zhuǎn)換成電能的電磁裝置的磁體、磁芯和線圈的配置的示意性側(cè)視圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的電動機(jī)械發(fā)電機(jī)的示意性側(cè)視圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的電動機(jī)械發(fā)電機(jī)的示意性側(cè)視圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的電動機(jī)械發(fā)電機(jī)的示意性側(cè)視圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例的電動機(jī)械發(fā)電機(jī)的示意性側(cè)視圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明的第五實(shí)施例的電動機(jī)械發(fā)電機(jī)的示意性側(cè)視圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明的第六實(shí)施例的電動機(jī)械發(fā)電機(jī)的示意性平面圖；以及圖8是圖7的電動機(jī)械發(fā)電機(jī)的示意性側(cè)視圖。
具體實(shí)施例方式
圖2表示根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的電動機(jī)械發(fā)電機(jī)。在該實(shí)施例中，設(shè)置統(tǒng)稱為102的共振結(jié)構(gòu)，在該共振結(jié)構(gòu)上，線圈104被安裝在一對相對的磁體106、108之間。磁體106、108的面對線圈104的磁極具有相反的極性(在圖1中，上磁體106具有面對線圈104的南極S，下磁體108具有面對線圈104的北極N)。共振結(jié)構(gòu)102包含基座110，從該基座110延伸平行且共面的三個(gè)細(xì)長的梁112、114、116。基座110和三個(gè)細(xì)長的梁112、114、116是一個(gè)整體。三個(gè)細(xì)長的梁112、114、116一般具有正方形或矩形截面。線圈104被安裝到中間的梁114上，并且各個(gè)磁體106、108被安裝到兩個(gè)外部梁112、116中的每一個(gè)上。線圈104和磁體106、108被安裝在相應(yīng)的梁114和112、116的自由端上。如上所述，安裝磁體106、108使得面對線圈104的兩個(gè)磁體面118、120具有相反的極性。這樣，線圈104被安裝在在兩個(gè)相對的磁體106、108之間延伸的磁通中。
如圖2所示，在靜止位置上，兩個(gè)磁體106、108和線圈104均沿與三個(gè)梁112、114、116的長度正交的公共軸A-A排列。線圈104的繞組(未示出)與該軸A-A正交，并且線圈104與在使用中傳輸通過線圈104和磁體106、108的相對移動在線圈104中產(chǎn)生的電流的導(dǎo)線(未示出)連接，使得可以通過這種移動收獲電能。
中間的梁114具有基本上與組合的兩個(gè)外部梁112、116的質(zhì)量相同的質(zhì)量，外部梁112、116具有相同的質(zhì)量。換句話說，各個(gè)外部梁112、116的質(zhì)量基本上是中間的梁114的質(zhì)量的一半。
優(yōu)選地，為了提高耦合度，希望選擇將產(chǎn)生較強(qiáng)的磁通密度的類型的磁體106、108。稀土磁體對于本應(yīng)用是理想的，并提供達(dá)5倍于常規(guī)Alnico磁體的磁能密度。釹鐵硼(NdFeB)磁體具有目前已知的最強(qiáng)的每立方厘米磁學(xué)性能，并可在達(dá)120℃的溫度下操作。如果需要更高的溫度操作，那么可使用工作溫度達(dá)250℃的不太強(qiáng)的釤鈷。
但是，根據(jù)本發(fā)明，還能夠通過例如通過印刷將磁性材料淀積到相應(yīng)的梁上而不是將執(zhí)行的磁體固定到梁上，制造磁體。這特別適用于小型的裝置，并可通過使用已知的成批制造工藝以在要形成整體的基座和梁的基底上形成多個(gè)層，降低制造成本。
整體的基座和梁可由金屬或金屬合金或諸如硅的半導(dǎo)體構(gòu)成。
線圈104的特征在于穿過磁場的線圈的比例、線圈的匝數(shù)及其串聯(lián)電阻。由于許多應(yīng)用的低頻率，因此諸如線圈電感的二級效應(yīng)常被忽略。在本發(fā)明中可使用兩種類型的線圈纏繞線圈和印刷線圈。
可以通過以與制造印刷電路板(PCB)的方式十分相近的方式將多層導(dǎo)電材料和絕緣體絲網(wǎng)印刷(screen-print)到基底上，形成印刷線圈。由于印刷層一般為10μm厚，因此制成的印刷線圈可非常薄，使得這種方法對于小型裝置特別有吸引力。與特別是隨著規(guī)模減小變得更難制造的纏繞線圈相反，印刷線圈由于僅包含標(biāo)準(zhǔn)的厚膜印刷工藝因此可更易于制造。印刷線圈的不利之處在于，各層的較小的厚度將導(dǎo)致較高的線圈串聯(lián)電阻。如果需要厚度比可用常規(guī)方法從厚膜技術(shù)得到的厚度大(例如＞50μm)的繞組，則制造纏繞線圈將是更合適和更經(jīng)濟(jì)的。印刷線圈具有已被固定到基底上的附加優(yōu)點(diǎn)，這可增加線圈的剛度，并由此減小線圈和外層的磁體之間的間隙。另外，可以通過諸如在微工程的技術(shù)領(lǐng)域中使用的用于在硅晶片上限定結(jié)構(gòu)的光刻工藝形成線圈。這些工藝是現(xiàn)有技術(shù)中公知的，并且，連續(xù)的層可由諸如濺射、蒸鍍或電鍍的各種工藝構(gòu)建，并且不限于在硅晶片上淀積，而是可被施加到任何晶片類基底上。
在使用中，基座110在單個(gè)安裝點(diǎn)上被安裝到主機(jī)裝置(未示出)上，能量是作為主機(jī)裝置的振動的結(jié)果從該主機(jī)裝置收獲的。這樣，在該安裝點(diǎn)上，由主機(jī)的振動產(chǎn)生的慣性力被有效施加到電動機(jī)械發(fā)電機(jī)上。電動機(jī)械發(fā)電機(jī)被安裝到主機(jī)裝置上，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)選的振動模式，這種振動模式是，三個(gè)梁112、114、116在共振結(jié)構(gòu)102的平面之外(即，在圖2的圖面之外)振動。梁112、114、116因此以與三梁雙端音叉的尖齒類似的方式振動。最優(yōu)選地，梁112、114、116的振動為優(yōu)選的共振模式，使得中心梁114上的線圈104的振動與安裝在外部梁112、116上的兩個(gè)磁體106、108中的每一個(gè)的振動反相(即，線圈104和磁體106、108之間的相位差為180°)。一方面的線圈104和另一方面的磁體106、108(因此，磁通)之間的這種反相振動關(guān)系由此使得在線圈104和磁體106、108之間存在最大的相對位移，并由此使線圈104相對于磁體106、108的移動對磁通的切割最大化。
在作為圖2的實(shí)施例的修改方案的替代性實(shí)施例中，線圈和/或磁體可被安裝到梁上的其它的點(diǎn)上而不是梁端部上，另外，或者作為替代方案，磁體可被安裝到中間的梁上，線圈可被安裝到兩個(gè)外部梁上。在另一修改方案中，為了加固這些梁，可另外在承載磁體的梁上或之間加入聯(lián)桿或加固構(gòu)件，由此對抗兩個(gè)磁體的相互吸引力并使梁免于畸變或損壞。
在圖1的公知裝置中，要求磁體和線圈被安裝到相應(yīng)的元件上(磁體安裝到共同的懸臂梁元件上，線圈安裝到固定的元件上)。對這兩個(gè)安裝元件的要求使電磁發(fā)電機(jī)在主機(jī)裝置上的安裝變復(fù)雜。相反，本發(fā)明的電磁發(fā)電機(jī)為所有的磁體和線圈提供共同的支架即基座，并且這種單一的支架可更容易以簡單的方式被固定到主機(jī)裝置上。
圖3示出根據(jù)本發(fā)明的電動機(jī)械發(fā)動機(jī)的另一實(shí)施例。該實(shí)施例是上面的實(shí)施例的修改方案，修改之處在于五個(gè)梁222、224、226、228、230從共同的基座242伸出。梁222、224、226、228、230限定梁222、224、226、228、230的線性和共面的陣列，并且相應(yīng)的磁體232、234、236被安裝在第一、第三和第五梁222、226、230中每一個(gè)的端部，相應(yīng)的線圈238、240被安裝在第二和第四梁224、228中的每一個(gè)的端部。磁體232、234、236和線圈238、240以公共軸的方式沿公共軸B-B被安裝，使得各個(gè)線圈238、240位于對置的相反極性的磁極之間。
同樣，當(dāng)電磁發(fā)電機(jī)通過基座242被安裝到主機(jī)裝置(未示出)上時(shí)，當(dāng)主機(jī)裝置受到機(jī)械振動時(shí)，該振動被傳送到電動機(jī)械發(fā)電機(jī)的五個(gè)梁222、224、226、228、230，這五個(gè)梁以與三梁雙端音叉的尖齒類似的方式即在共振結(jié)構(gòu)的平面(和圖3的圖面)之外振動。在選擇的振動模式中，承載磁體222、226、230的梁222、226、230和承載線圈的梁224、228，如第一實(shí)施例所述的那樣，承載線圈的兩個(gè)梁224、228的振動相互同相，而與承載磁體的三個(gè)梁222、226、230反相。同樣，對于給定的振動幅度和頻率，這使線圈224、228對磁通的切割最大化。
圖3的實(shí)施例可被修改，以為兩個(gè)線圈/磁體組合中的每一個(gè)提供不同的共振頻率。這種不同的共振頻率可在任何情況下作為正常的制造容限的結(jié)果出現(xiàn)，但優(yōu)選例如通過以下步驟在裝置中有意地提供這種共振頻率差修改梁的質(zhì)量，特別是將額外的質(zhì)量固定到梁上，(例如，選擇磁體和/或線圈的質(zhì)量)，和/或修改梁尺寸，諸如截面面積和/或梁長度。在單個(gè)電動機(jī)械發(fā)電機(jī)中提供多個(gè)共振頻率相應(yīng)地使可產(chǎn)生電能的頻率范圍變寬。
圖3的實(shí)施例可被進(jìn)一步修改，以提供額外的承載磁體或線圈的梁，以在保持線性陣列的同時(shí)提供任意數(shù)量的梁“指部”。
本實(shí)施例容許在需要較小的幾何體積和面積的結(jié)構(gòu)中安裝多個(gè)磁體和多個(gè)線圈，仍通過提供多個(gè)線圈/磁體組合增加電流的產(chǎn)生的效率。共同磁體(在本實(shí)施例為第三梁上的磁體)在兩個(gè)線圈/磁體組合之間被共享。
圖3的多個(gè)線圈的實(shí)施例可被修改，以提高在單一電磁發(fā)電機(jī)中提供分別用于各個(gè)線圈的多個(gè)共振頻率的能力。修改包含通過避免提供在相鄰的共振結(jié)構(gòu)之間共享的共同可振動梁，對共振結(jié)構(gòu)去耦合。因此，如圖4所示，可以在兩個(gè)線圈之間設(shè)置額外的梁，使得梁對中的每個(gè)梁與相應(yīng)的共振結(jié)構(gòu)相關(guān)。圖4表示包含六梁結(jié)構(gòu)的另一實(shí)施例，該六梁結(jié)構(gòu)包含兩個(gè)三梁結(jié)構(gòu)，每個(gè)三梁結(jié)構(gòu)具有稍微不同的共振頻率。實(shí)際上，由于結(jié)構(gòu)相互去耦合以避免它們具有單一的共振模式，因此在共同的裝置中設(shè)置兩個(gè)獨(dú)立的電動機(jī)械發(fā)電機(jī)。第一共振結(jié)構(gòu)400包含每一個(gè)承載相應(yīng)磁體406、408的兩個(gè)外部梁402、404和承載線圈412的中心梁410。與第一共振結(jié)構(gòu)相鄰的第二共振結(jié)構(gòu)420包含每個(gè)承載相應(yīng)磁體426、428的兩個(gè)外部梁422、424和承載線圈432的中心梁430。第一和第二共振結(jié)構(gòu)400、420與共同基座440構(gòu)成一個(gè)整體，以構(gòu)成單一電磁發(fā)電機(jī)442。第一和第二共振結(jié)構(gòu)400、420共面，但這不是必須的，并且各個(gè)三梁結(jié)構(gòu)可沿不同或相反的方向延伸。另外，還可以在根據(jù)本發(fā)明的另一修改方案中設(shè)置多于兩個(gè)的去耦合共振結(jié)構(gòu)。
在圖5中示出根據(jù)本發(fā)明的電磁發(fā)電機(jī)的另一實(shí)施例。在該實(shí)施例中，一連串線圈350和磁體352繞共同的中心基座358以交替的結(jié)構(gòu)被安裝在相應(yīng)的梁354、356的端部，該中心基座358具有可例如如示出的實(shí)施例所示為圓形的幾何形狀。梁354、356從基座358沿徑向向外延伸，該基座358在使用中被安裝到要收獲能量的主機(jī)裝置(未示出)上。相隔的梁354在其上安裝相應(yīng)的線圈350，并且剩余的梁356在其上安裝相應(yīng)的磁體352，這些磁體352在被安裝時(shí)使得每個(gè)線圈350被設(shè)置在對置的相反極性的磁面之間。線圈350和磁體352通過具有相同長度的梁354、356繞相同半徑的環(huán)線被安裝。
通過如上面的實(shí)施例所述設(shè)置多個(gè)線圈/磁體組合，這使得對每個(gè)線圈和磁體單元采用稍微不同的共振頻率變?yōu)榭赡?。這提供更寬的對來自主機(jī)的振動進(jìn)行響應(yīng)的頻帶。同樣，每個(gè)線圈350被配置為在其相應(yīng)的梁354上基本上以與其對應(yīng)的本身被安裝在相應(yīng)梁356上的磁體352反相的方式振動。對于圖4的實(shí)施例，可以設(shè)置額外的梁，以將包含一對磁體之間的線圈的每個(gè)共振結(jié)構(gòu)與其相鄰的共振結(jié)構(gòu)去耦合。
在本實(shí)施例中，電磁發(fā)電機(jī)的圓形幾何結(jié)構(gòu)使得最有效地利用空間和磁體。但是，可同樣很好地以諸如正方形、矩形的另一種多邊形或者實(shí)際上以任意幾何形狀配置梁。
在圖6中示出根據(jù)本發(fā)明的電磁發(fā)電機(jī)的另一實(shí)施例。在本實(shí)施例中，基座610為環(huán)形，更特別地為矩形，并限定中心開口611?；?10支撐從基座610的一個(gè)邊613延伸進(jìn)入中心開口611并承載線圈604的第一指部(finger)612和從基座610的相反的邊615延伸進(jìn)入中心開口611并每個(gè)承載相應(yīng)磁體606、608的兩個(gè)第二指部614、616。指部612、614、616基本上共面并且基本上等長，使得線圈604被設(shè)置在磁體606、608之間。
在圖7和圖8中示出根據(jù)本發(fā)明的電磁發(fā)電機(jī)的另一實(shí)施例。在本實(shí)施例中，基座是三維的，并且支撐磁體和線圈的指部不共面?；?10包含具有上下邊711、713的中心部分，該上下邊711、713通過相應(yīng)的立柱715、717在其相對的端部被連接。在正視圖中，基座710為環(huán)形，更特別地為矩形。在平面圖中，基座710基本上是U形，使得立柱715、717處于基座710的自由端，并且中心空腔719被限定在立柱715、717和上下邊711、713之間。一個(gè)立柱717支撐從立柱717伸出并承載線圈704的第一指部714，另一個(gè)立柱715支撐從立柱715伸出并且每個(gè)承載相應(yīng)的磁體706、708的兩個(gè)第二指部714、616。指部712、716基本上共面并且基本上等長，并且指部714的長度基本上與指部712、716相同，使得線圈704被設(shè)置在磁體706、708之間。在該特定的實(shí)施例中，指部712和716相互平行，但不與指部714平行。指部712、716以銳角傾斜于與上下邊711、713正交的平面，該銳角一般為30～45度，并且，指部714相應(yīng)地傾斜，但是是沿相反的方向。這樣，磁體706、708和線圈704均被收納于在立柱715、717和上下邊711、713之間限定的中心空腔719中。振動方向在圖7中的圖面中并且基本上在圖8的圖面之外。
為了有效的能量轉(zhuǎn)換，在本發(fā)明的實(shí)施例中，以共振頻率激發(fā)承載磁體和線圈的梁。該共振頻率對梁振幅和環(huán)境溫度敏感。還希望確定所允許的最大梁振幅，以防止由于變形過大損壞梁材料。優(yōu)選地，設(shè)計(jì)包含真空密封的外殼，使得真空包圍整個(gè)裝置。
在示出的實(shí)施例中，雖然具有在磁體的相反極性的端部之間延伸的縱向的每個(gè)塊狀磁體被示為具有矩形橫截面，但可例如通過設(shè)置環(huán)形截面改變這種截面。
本發(fā)明因此一般提供可在其上安裝線圈和磁體組合或多個(gè)線圈和磁體組合的共振結(jié)構(gòu)。這些線圈和磁體可具有簡單的單磁體或雙磁體結(jié)構(gòu)、或更復(fù)雜的多磁體結(jié)構(gòu)。本發(fā)明還提供在單點(diǎn)上被安裝到主機(jī)上的共振結(jié)構(gòu)，因此，在該安裝點(diǎn)上有效地施加由振動產(chǎn)生的慣性力。由于在現(xiàn)有技術(shù)中磁體和線圈必須被單獨(dú)安裝，因此，還提供安裝比現(xiàn)有技術(shù)更容易的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明為磁體和線圈提供單一的安裝點(diǎn)。
在優(yōu)選的共振模式中，線圈的共振與磁體的振動反相，從而能夠使得相對位移和磁通切割最大化。本發(fā)明提供以與磁體反相的方式移動線圈的手段，以在磁體和線圈之間提供更大的相對速度。通過加入多個(gè)懸臂梁，這使得每個(gè)線圈和磁體單元能夠采用稍微不同的共振頻率，由此提供更寬的針對振動的頻帶響應(yīng)。還提供延長結(jié)構(gòu)的手段，以使得能夠在較小的幾何結(jié)構(gòu)中安裝多個(gè)磁體和線圈。這種結(jié)構(gòu)提供通過在單個(gè)結(jié)構(gòu)中加入多種共振使可產(chǎn)生能量的頻率范圍變寬的手段。事實(shí)上，由于正常的制造容限，這種效果可自然地出現(xiàn)。
雖然音叉為人們公知已有很多年，并且振動梁用于諸如力傳感器的裝置中也是公知的，但本發(fā)明的發(fā)明人相信，在電動機(jī)械發(fā)電機(jī)中使用具有與音叉類似的結(jié)構(gòu)、且為了以共振頻率振動另外同時(shí)安裝磁體和線圈的振動裝置在本領(lǐng)域中不是已知的。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方面，通過使用晶片處理和厚膜技術(shù)以制造小型電磁發(fā)電機(jī)，可容易地成批制造該裝置，由此實(shí)現(xiàn)低制造成本。并且，這種裝置容易地被小型化，并且，作為使用可容易控制的已知的制造步驟的結(jié)果，仍具有較高的可靠性。
本發(fā)明的電動機(jī)械發(fā)電機(jī)在提供傳感器系統(tǒng)的電力中具有特殊的應(yīng)用。根據(jù)本發(fā)明，這種自供電的智能傳感器系統(tǒng)的典型應(yīng)用領(lǐng)域是在身體(例如，人、動物)內(nèi)或身體上；在旋轉(zhuǎn)的物體上；在諸如熔融的塑料的液體或凝結(jié)的混凝土中；諸如橋梁、建筑物、飛行器或道路內(nèi)的結(jié)構(gòu)監(jiān)控；環(huán)境監(jiān)控，諸如現(xiàn)場污染監(jiān)控。
根據(jù)本發(fā)明的電磁發(fā)電機(jī)具有大量的潛在用途和應(yīng)用，特別是在被小型化時(shí)。例如，電磁發(fā)電機(jī)在以下應(yīng)用中確實(shí)是有用的對需要電力的單元(例如，傳感器單元)敷設(shè)電纜是困難和/或昂貴的；電池電源在單元的壽命中是不夠的；重量是十分重要的；存在顯著性水平的可用振動以收獲電力。在一些情況下，電動機(jī)械發(fā)動機(jī)的振動收獲技術(shù)可被用于提供電池供電的系統(tǒng)的充電設(shè)施。
在一個(gè)特別優(yōu)選的應(yīng)用中，本發(fā)明的電磁發(fā)電機(jī)可被加入用于直升機(jī)和固定翼飛行器的狀況和使用監(jiān)控系統(tǒng)(Health and UsageMonitoring Systems)(HUMS)中。
HUMS系統(tǒng)監(jiān)控與直升機(jī)(或其它飛行器)條件和在限定的應(yīng)力條件下飛行的小時(shí)數(shù)有關(guān)的振動和其它參數(shù)。在安裝中以及在計(jì)劃維修中，安裝傳感器和從這些裝置檢索數(shù)據(jù)是主要的成本項(xiàng)。本發(fā)明的電磁發(fā)電機(jī)的益處是，降低安裝成本并縮短維護(hù)花費(fèi)的時(shí)間。傳感器會與本地?zé)o線傳輸系統(tǒng)一起被包裝并會向HUMS監(jiān)控系統(tǒng)傳送數(shù)據(jù)。使用電磁發(fā)電機(jī)供電的傳感器系統(tǒng)的一些優(yōu)點(diǎn)在于，避免在現(xiàn)有或新型飛機(jī)機(jī)身上安裝布線的復(fù)雜性并消除電纜線路的重量。并且，可以在較短的試驗(yàn)期內(nèi)以不高的安裝成本安裝監(jiān)控傳感器。
在另一特別優(yōu)選的應(yīng)用中，本發(fā)明的電磁發(fā)電機(jī)可被加入用于鐵路線和相關(guān)部件的感測系統(tǒng)中。
在英國，而且可能在全世界，鐵路線和相關(guān)部件的條件都是所關(guān)心的事項(xiàng)。設(shè)置用于感測鐵軌條件以及關(guān)鍵部件的存在/不存在的傳感器系統(tǒng)是公知的。在一些情況下，有用于驅(qū)動傳感器的足夠的當(dāng)?shù)仉娏?。但是，在另一些情況下，當(dāng)?shù)仉娏赡懿豢捎没虿环奖悖貏e是對于偏遠(yuǎn)的地點(diǎn)，在這種情況下，需要可對單個(gè)供電的點(diǎn)(用于較大的地理區(qū)域)或通過GPS鏈路遙測輸出數(shù)據(jù)的自供電的傳感器(例如，應(yīng)用傳感器)?？梢酝ㄟ^火車的通過直接從鐵軌線或通過固定到鐵軌線上的懸臂梁提供用于傳感器的振動。其它鐵軌基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)監(jiān)控包含例如鐵軌中的應(yīng)變測量、道碴條件和高度以及點(diǎn)監(jiān)控。
在另一特別優(yōu)選的應(yīng)用中，本發(fā)明的電磁發(fā)電機(jī)可被加入例如用于貨車或卡車拖車跟蹤電池再充電的車輛電池充電器系統(tǒng)中。
為了后勤應(yīng)用，鉸接拖車需要被跟蹤。在該應(yīng)用中，拖車僅在拖車與牽引車單元連接時(shí)才被供電。盡管這樣，對于改型的跟蹤系統(tǒng)仍可能沒有電力可用。如果系統(tǒng)由電池供電，那么具有在系統(tǒng)被拖時(shí)對電池充電的獨(dú)立的充電系統(tǒng)會是一種優(yōu)點(diǎn)。充電系統(tǒng)可包含本發(fā)明的電磁發(fā)電機(jī)。電池從而能夠在拖車靜止并與牽引車單元斷開時(shí)對跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行供電。
在另一特別優(yōu)選的應(yīng)用中，本發(fā)明的電磁發(fā)電機(jī)可被加入例如由電池供電的軍用背包電信設(shè)備(例如，Bowman)的移動電信設(shè)備中。電池在很大比例上決定在現(xiàn)場攜帶的設(shè)備的總重量。很顯然，在現(xiàn)場操作中，設(shè)備經(jīng)受大量的振動。這些振動可被本發(fā)明的電磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換成被適當(dāng)調(diào)節(jié)以用于對電池組再充電的電力。本發(fā)明的電磁發(fā)電機(jī)可減輕重量并保持電信設(shè)備可用的電力，由此為用戶提供實(shí)際益處。
在其它的優(yōu)選的應(yīng)用中，本發(fā)明的電磁發(fā)電機(jī)可被加入為了許多類型的設(shè)備被越來越多地用于十分寬的領(lǐng)域中的調(diào)節(jié)監(jiān)控系統(tǒng)中。例如，本發(fā)明的電磁發(fā)電機(jī)可被用于對任何類型的設(shè)備上的振動條件監(jiān)控傳感器供電。
權(quán)利要求
1.一種電磁發(fā)電機(jī)，包括兩個(gè)磁體和設(shè)置在其間的線圈，所述兩個(gè)磁體被配置為在其間限定其中設(shè)置線圈的磁通區(qū)域，由此，線圈和磁體之間的相對移動在線圈中產(chǎn)生電流；和用于磁體中的每一個(gè)的可振動的第一支架和用于線圈的可振動的第二支架，由此，至少兩個(gè)磁體中的每一個(gè)和線圈可分別關(guān)于相應(yīng)的中心位置振動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的電磁發(fā)電機(jī)，其中，可振動的第一支架和可振動的第二支架適于在被共同的振動能輸入激發(fā)為振動時(shí)異相振動，使得線圈及其相應(yīng)的磁體相互異相振動。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的電磁發(fā)電機(jī)，其中，可振動的第一支架和可振動的第二支架適于在被共同的振動能輸入激發(fā)為振動時(shí)基本上反相振動，使得線圈及其相應(yīng)的磁體相互基本上反相振動。
4.根據(jù)權(quán)利要求1～3中的任一項(xiàng)的電磁發(fā)電機(jī)，其中，可振動的第一支架和可振動的第二支架中的每一個(gè)包含懸臂梁。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的電磁發(fā)電機(jī)，其中，每個(gè)可振動的第一支架的懸臂梁的質(zhì)量基本上是可振動的第二支架的懸臂梁的質(zhì)量的一半。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的電磁發(fā)電機(jī)，其中，每個(gè)可振動的第一支架的懸臂梁的長度基本上與可振動的第二支架的懸臂梁的長度相同。
7.根據(jù)權(quán)利要求4～6中的任一項(xiàng)的電磁發(fā)電機(jī)，其中，每個(gè)磁體被安裝在每個(gè)可振動的第一支架的懸臂梁的自由端，并且，線圈被安裝在可振動的第二支架的懸臂梁的自由端。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)的電磁發(fā)電機(jī)，其中，可振動的第一支架和可振動的第二支架中的每一個(gè)被安裝在共同的基座上。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的電磁發(fā)電機(jī)，其中，可振動的第一支架和可振動的第二支架中的每一個(gè)與共同的基座形成一個(gè)整體。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)的電磁發(fā)電機(jī)，其中，至少兩個(gè)磁體和線圈沿公共軸被安裝。
11.根據(jù)權(quán)利要求1～9中的任一項(xiàng)的電磁發(fā)電機(jī)，其中，至少兩個(gè)磁體和線圈沿限定多邊形或其一部分的共同線被安裝。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的電磁發(fā)電機(jī)，其中，所述多邊形是圓形。
13.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)的電磁發(fā)電機(jī)，包括多個(gè)線圈和多于兩個(gè)的磁體，每個(gè)線圈被設(shè)置在相應(yīng)的一對磁體之間。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的電磁發(fā)電機(jī)，其中，磁體中的至少一個(gè)被設(shè)置在一對線圈之間，并由此包含用于相鄰線圈的共同磁體。
15.根據(jù)權(quán)利要求13的電磁發(fā)電機(jī)，其中，每個(gè)線圈與相應(yīng)的一對磁體相關(guān)并被設(shè)置在其間，使得每個(gè)線圈及其相關(guān)的磁體包含獨(dú)立的共振結(jié)構(gòu)，該共振結(jié)構(gòu)具有基本上與由其它線圈和磁體組合構(gòu)成的其它共振結(jié)構(gòu)去耦合的共振模式。
16.根據(jù)權(quán)利要求13～15中的任一項(xiàng)的電磁發(fā)電機(jī)，其中，所述多個(gè)線圈當(dāng)在它們相應(yīng)的第二可振動的支架上振動時(shí)具有至少兩種共振頻率。
17.一種電磁發(fā)電機(jī)，包括分別被設(shè)置在相應(yīng)的一對磁體之間的第一和第二線圈，這些成對的磁體被配置為在其間限定其中設(shè)置相應(yīng)的線圈的磁通區(qū)域，由此，相應(yīng)線圈和相應(yīng)磁體之間的相對移動在相應(yīng)線圈中產(chǎn)生電流，并且，第一和第二線圈在相對于它們的相應(yīng)的磁體振動時(shí)分別具有不同的相應(yīng)的共振頻率。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的電磁發(fā)電機(jī)，其中，磁體中的至少一個(gè)被設(shè)置在相鄰的第一和第二線圈之間，并由此包含用于第一和第二相鄰線圈的共同磁體。
19.根據(jù)權(quán)利要求17的電磁發(fā)電機(jī)，其中，第一和第二線圈中的每一個(gè)與相應(yīng)的一對磁體相關(guān)并被設(shè)置在其間，使得每個(gè)線圈及其相關(guān)的磁體包含獨(dú)立的共振結(jié)構(gòu)，該共振結(jié)構(gòu)具有基本上與由其它線圈和磁體組合構(gòu)成的其它共振結(jié)構(gòu)去耦合的共振模式。
20.根據(jù)權(quán)利要求17～19中的任一項(xiàng)的電磁發(fā)電機(jī)，還包括用于磁體中的每一個(gè)的可振動的第一支架和用于第一和第二線圈中的每一個(gè)的可振動的第二支架，由此，至少兩個(gè)磁體中的每一個(gè)和相應(yīng)的第一或第二線圈可分別關(guān)于相應(yīng)的中心位置振動。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的電磁發(fā)電機(jī)，其中，可振動的第一支架和可振動的第二支架適于在被共同的振動能輸入激發(fā)為振動時(shí)異相振動，使得線圈及其相應(yīng)的磁體相互異相振動。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的電磁發(fā)電機(jī)，其中，可振動的第一支架和可振動的第二支架適于在被共同的振動能輸入激發(fā)為振動時(shí)基本上反相振動，使得線圈及其相應(yīng)的磁體相互基本上反相振動。
23.根據(jù)權(quán)利要求19～22中的任一項(xiàng)的電磁發(fā)電機(jī)，其中，可振動的第一支架和可振動的第二支架中的每一個(gè)包含懸臂梁。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的電磁發(fā)電機(jī)，其中，用于一對磁體的每個(gè)可振動的第一支架的懸臂梁的質(zhì)量基本上是用于相關(guān)的線圈的可振動的第二支架的懸臂梁的質(zhì)量的一半。
25.根據(jù)權(quán)利要求24的電磁發(fā)電機(jī)，其中，每個(gè)可振動的第一支架的懸臂梁的長度基本上與可振動的第二支架的懸臂梁的長度相同。
26.根據(jù)權(quán)利要求23～25中的任一項(xiàng)的電磁發(fā)電機(jī)，其中，每個(gè)磁體被安裝在每個(gè)可振動的第一支架的懸臂梁的自由端，并且，每個(gè)線圈被安裝在相應(yīng)的可振動的第二支架的懸臂梁的自由端。
27.根據(jù)權(quán)利要求19～26中的任一項(xiàng)的電磁發(fā)電機(jī)，其中，可振動的第一支架和可振動的第二支架中的每一個(gè)被安裝在共同的基座上。
28.根據(jù)權(quán)利要求27的電磁發(fā)電機(jī)，其中，可振動的第一支架和可振動的第二支架中的每一個(gè)與共同的基座形成一個(gè)整體。
29.根據(jù)權(quán)利要求19～28中的任一項(xiàng)的電磁發(fā)電機(jī)，其中，磁體和第一和第二線圈沿公共軸被安裝。
30.根據(jù)權(quán)利要求19～29中的任一項(xiàng)的電磁發(fā)電機(jī)，其中，磁體和第一和第二線圈沿限定多邊形或其一部分的公同線被安裝。
31.根據(jù)權(quán)利要求30的電磁發(fā)電機(jī)，其中，所述多邊形是圓形。
32.一種用于飛行器的健康和使用監(jiān)控系統(tǒng)(HUMS)，該系統(tǒng)包含根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求17的至少一個(gè)電磁發(fā)電機(jī)。
33.一種根據(jù)權(quán)利要求32的用于飛行器的健康和使用監(jiān)控系統(tǒng)(HUMS)，該系統(tǒng)包括傳感器和當(dāng)?shù)責(zé)o線傳輸系統(tǒng)，該傳感器和該無線傳輸系統(tǒng)均由電磁發(fā)電機(jī)供電。
34.一種用于鐵路線和相關(guān)構(gòu)件的感測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求17的至少一個(gè)電磁發(fā)電機(jī)。
35.根據(jù)權(quán)利要求34的用于鐵路線和相關(guān)構(gòu)件的感測系統(tǒng)，其中，電磁發(fā)電機(jī)適于通過火車的通過直接從鐵路線或通過固定到鐵路線上的懸臂梁提供的振動產(chǎn)生電力。
36.根據(jù)權(quán)利要求34的用于鐵路線和相關(guān)構(gòu)件的感測系統(tǒng)，其中，感測系統(tǒng)包含傳感器和對遠(yuǎn)程位置遙測輸出數(shù)據(jù)的裝置。
37.一種包含根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求17的至少一個(gè)電磁發(fā)電機(jī)的車輛電池充電系統(tǒng)。
38.根據(jù)權(quán)利要求37的車輛電池充電系統(tǒng)，該車輛電池充電系統(tǒng)被加入用于貨車或卡車拖車的跟蹤系統(tǒng)的電池再充電系統(tǒng)中。
39.一種移動電信設(shè)備，該移動電信設(shè)備包含根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求17的至少一個(gè)電磁發(fā)電機(jī)。
40.一種調(diào)節(jié)監(jiān)控系統(tǒng)，該調(diào)節(jié)監(jiān)控系統(tǒng)包含根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求17的至少一個(gè)電磁發(fā)電機(jī)。
41.一種基本上如上文參照

的那樣的電磁發(fā)電機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于將機(jī)械振動能轉(zhuǎn)換成電能的電磁裝置。一種電磁發(fā)電機(jī)，包括設(shè)置在其間的兩個(gè)磁體和線圈，這兩個(gè)磁體被配置為在其間限定其中設(shè)置線圈的磁通區(qū)域，由此，線圈和磁體之間的相對移動在線圈中產(chǎn)生電流；和用于磁體中的每一個(gè)的可振動的第一支架和用于線圈的可振動的第二支架，由此，至少兩個(gè)磁體中的每一個(gè)和線圈可分別關(guān)于各自的中心位置振動。
文檔編號H02K16/00GK1950989SQ200580014344
公開日2007年4月18日 申請日期2005年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月26日
發(fā)明者尼古拉斯·R·哈瑞斯, 邁克爾·J·圖朵, 尼爾·M·懷特, 斯蒂芬·P·比拜 申請人:南安普敦大學(xué)