專利名稱：用于將機械振動能轉(zhuǎn)化為電能的機電發(fā)電機和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于將機械振動能轉(zhuǎn)化為電能的機電發(fā)電機和將機 械振動能轉(zhuǎn)化為電能的方法。具體地說，本發(fā)明涉及這樣一種裝置， 該裝置是能夠?qū)h(huán)境振動能轉(zhuǎn)化為電能的小型發(fā)電機，例如用于對智 能傳感器系統(tǒng)供電。該系統(tǒng)可用于在免除電力電纜或電池方面具有經(jīng) 濟或操作優(yōu)點的多個領域。
背景技術：
當前在用于微機電系統(tǒng)(MEMS )裝置的交流電源領域中的研究 活動的水平日益提高，這些裝置在現(xiàn)有技術中描述為用于"能量收集" 和"寄生電源"。當前這些電源被研究用于對無線傳感器供電。
公知使用機電發(fā)電機來從環(huán)境振動收集有用的電能。典型的磁體 一線圏發(fā)電機包括附接到磁體或線圏上的彈簧一質(zhì)量體(mass)組合， 使得當系統(tǒng)振動時，線圏切入磁芯形成的磁通。在振動時運動的質(zhì)量 體安裝在懸臂梁上。該梁可連接到磁芯，使得線團相對于裝置外殼固 定，反之亦然。
在Journal of Micromechanical Systems, Vol.13， No.3， June 2004， pp. 335-342公開的Mitcheson等人所著的題為"Architecture for vibration-driven micropower generators"的論文中，公開了各種機電 發(fā)電機。具體地說，公開了速度阻尼共振發(fā)電機(VDRG),其包括 用于從質(zhì)量體一彈簧系統(tǒng)提取能量的阻尼器。該阻尼器例如可包括磁 體一線圏發(fā)電機，例如安裝在銜鐵(keeper)上的兩個磁體的組合形
成C狀芯，線圏與懸臂梁上的質(zhì)量體的運動方向垂直地放置于磁體之 間的氣隙中。
作者檢驗了阻尼因子來確定從速度阻尼共振發(fā)電機可獲得的最大功率。具體地說，作者提供了計算獲得最大功率的最優(yōu)阻尼因子的 方法。利用速度阻尼共振發(fā)電機的共振頻率計算最優(yōu)阻尼因子。
雖然該現(xiàn)有公開提出了設計理論的機電發(fā)電機的有用機構(gòu)，但當 機電發(fā)電機用于實際應用時，不可能精確地預測共振頻率或最優(yōu)阻尼 因子。針對被認為是可能的工作狀況來設計和設定機電發(fā)電機。然而， 不能保證實際的工作狀況與用于針對具體應用設定機電發(fā)電機的理 論思想對應。實踐中，機電發(fā)電機設定為可以在較窄的可能工作狀況 范圍內(nèi)操作，特別是阻尼因子設定為使功率輸出位于包含最優(yōu)功率輸 出的范圍內(nèi)。然而，實際的功率輸出對于具體應用不可能是最優(yōu)的。 因此，機電發(fā)電機將機械振動能轉(zhuǎn)化為電能從而轉(zhuǎn)化為有用的電力的 工作效率不會最大。
而且，環(huán)境振動的頻率可能在工作中改變。公知的機電發(fā)電機可 能由于該變化而不能以最大的效率工作。
另外，機電發(fā)電機的阻尼器結(jié)合有彈簧質(zhì)量體，該彈簧質(zhì)量體以 旨在與使用中裝置的共振頻率對應的頻率圍繞中央位置振蕩。共振振 動的振幅取決于多個變量，特別是驅(qū)動振動的頻率和幅度、共振器的
Q因子、共振器質(zhì)量及其共振頻率。
當機電發(fā)電機在從振動體收集能量的領域中投入使用時，不能從 所遇到的實際情況預測所有以上變量。彈簧質(zhì)量體的振幅可能隨時間 以間歇和不可預測的方式改變。
具體地說，機電發(fā)電機在使用中可能發(fā)生使彈簧質(zhì)量體以過大振 幅(下面稱為"不安全，，振幅)振蕩的振動，導致質(zhì)量體可能在其行進 的界限物理地撞擊裝置的外殼?？蛇x地，如果沒有外殼，那么質(zhì)量體 可能以過大的振幅振蕩，導致由于超出彈簧材料的屈服應力而使彈簧 永久損壞或劣化。在任一情況下，可以預期該撞擊或屈服會使機電發(fā) 電機的工作壽命縮短至無法接受的程度。
在裝置外殼被沖擊的情況下，可以使用柔性材料作為可能互相接 觸或撞擊的表面之間的緩沖器。然而，這種"機械止動"會受到磨損并 且不會完全消除彈簧在撞擊時受到的額外應力。共振振動能收集器有利地設計成使它們的Q因子盡可能高。這 是因為Q較高的發(fā)電機可產(chǎn)生較高電能。然而如果該裝置處于驅(qū)動振 動的幅度高于預期的環(huán)境下，那么共振器的振幅可能大于設計或接納 的振幅。該振幅可能使共振質(zhì)量體撞擊在裝置外殼上并可能導致裝置 在長期暴露之后永久損壞。

發(fā)明內(nèi)容
因此，需要提供一種機電發(fā)電機，該機電發(fā)電機使得彈簧質(zhì)量體 的振幅可按照間歇和不可預測的方式隨著時間變化，因此使得不安全 振幅的損壞可能性降低，從而使工作壽命延長。
本發(fā)明旨在提供一種用于將機械振動能轉(zhuǎn)化為電能的改進的機 電發(fā)電機，其可滿足以上需求。
本發(fā)明還旨在提供一種用于將機械振動能轉(zhuǎn)化為電能的改進的 機電發(fā)電機，其適于防止共振器的振幅超出某個閾值。
本發(fā)明還旨在提供一種用于將機械振動能轉(zhuǎn)化為電能的改進的 機電發(fā)電機，其適于在振幅超出某個閾值時減小共振器的振幅。
本發(fā)明還旨在提供一種用于將機械振動能轉(zhuǎn)化為電能的改進的 機電發(fā)電機，其包括振幅限制器，該限制器在低于特定或預定振幅閾 值時不會引起發(fā)電機的任何功率損失，從而當機電發(fā)電機在小于或不 大于特定或預定振幅閾值的特定或預定振幅工作范圍下工作時避免 了機電發(fā)電機的能量轉(zhuǎn)化效率的降低或使降低最少。
因此本發(fā)明提供了一種機電發(fā)電機，其包括用于將機械振動能轉(zhuǎn) 化為電能的機電裝置，該機電裝置具有適于在一頻率下以振蕩振幅共 振的可振動質(zhì)量體以及用于將振蕩振幅調(diào)節(jié)至不大于最大閾值的值 的調(diào)節(jié)器。
優(yōu)選地，根據(jù)一個優(yōu)選方面，所述調(diào)節(jié)器包括至少一個用于所述 機電裝置的輸出電壓的調(diào)壓器，該至少一個調(diào)壓器適于在輸出電壓超 過閾值電壓時引起機電裝置的輸出短路。
更優(yōu)選地，所述調(diào)壓器包括至少一個齊納二極管。在一個優(yōu)選實施方式中，所述調(diào)節(jié)器包括兩個跨機電裝置的交流 電輸出端連接的調(diào)壓器，這兩個調(diào)壓器均具有預定的擊穿電壓，并跨 電輸出端以電流相反的構(gòu)造串聯(lián)連接。
在另一個優(yōu)選實施方式中，所述調(diào)節(jié)器包括跨機電裝置的直流電 輸出端連接的調(diào)壓器，該調(diào)壓器具有預定的擊穿電壓。
在另一個優(yōu)選實施方式中，所述調(diào)節(jié)器包括跨機電裝置的交流 電輸出端連接的兩個第一調(diào)壓器，這兩個調(diào)壓器均具有預定的擊穿電 壓，并跨電輸出端以電流相反的構(gòu)造串聯(lián)連接；連接到所述調(diào)壓器的 整流器；以及跨所述整流器的直流電輸出端連接的第二調(diào)壓器，該第 二調(diào)壓器具有預定的擊穿電壓。
在另一個優(yōu)選實施方式中，所述調(diào)節(jié)器包括跨機電裝置的交流電 輸出端連接的整流器，該整流器結(jié)合有各自具有預定的擊穿電壓的多 個調(diào)壓器。
優(yōu)選地，根據(jù)另一優(yōu)選方面，所述機電發(fā)電機還包括用于檢測振 蕩振幅的檢測器以及用于確定檢測的振蕩振幅是否高于預定最大閾 值的比較器，所述調(diào)節(jié)器可響應于該比較器操作。
優(yōu)選地，所述檢測器適于檢測來自機電裝置的電輸出，所述比較 器適于將檢測的電輸出與對應于預定最大振幅的電輸出的閾值進行 比較。
在一個實施方式中，所述檢測器適于檢測從所述機電裝置輸出的 交流電流和交流電壓。
優(yōu)選地，所述比較器適于計算由機電裝置產(chǎn)生的電動勢的值，并 且將該值與電動勢的預設值比較。
在另一實施方式中，所述機電發(fā)電機還包括用于對機電裝置的電 輸出整流的整流器，并且所述檢測器適于檢測從該整流器輸出的直流 電5充和直-虎電壓。
優(yōu)選地，所述機電發(fā)電機還包括跨機電裝置的輸出端子連接的具 有可變阻抗的分路阻抗元件，所述調(diào)節(jié)器適于調(diào)節(jié)所述分路阻抗元件 的阻抗，從而調(diào)節(jié)振蕩振幅。
8更優(yōu)選地，當振蕩振幅不大于預定最大閾值時所述分路阻抗元件 的阻抗較高，并且當振蕩振幅高于預定最大閾值時所述分路阻抗元件 的阻抗較低。
在可選實施方式中，所述檢測器選自以下之一光學接近裝置、 磁性接近裝置、機械接近裝置、壓電裝置、電磁感應裝置或磁致伸縮 裝置。
優(yōu)選地，所述調(diào)節(jié)器適于響應于檢測振幅提供對振幅的動態(tài)反饋控制。
更優(yōu)選地，動態(tài)反饋控制是連續(xù)或間歇的。 本發(fā)明還提供了一種利用機電發(fā)電機用于將機械振動能轉(zhuǎn)化為 電能的方法，該方法包括以下步驟
(a) 提供包括機電裝置的機電發(fā)電機，該機電裝置用于在其電 輸出端處將機械振動能轉(zhuǎn)化為電能，該機電裝置具有適于在共振頻率 下以振蕩振幅共振的可振動質(zhì)量體；
(b) 使所述機電裝置振動，從而使所述可振動質(zhì)量體振動而在 電輸出端處產(chǎn)生輸出電壓；以及
(c) 在輸出電壓高于預定最大閾值時通過使電輸出端短路將輸 出電壓控制在預定最大閾值以下，從而將振蕩振幅調(diào)節(jié)至不大于預定 最大閾值的值。
本發(fā)明還提供了 一種機電發(fā)電機，其包括用于將機械振動能轉(zhuǎn)化 為電能的機電裝置，該機電裝置具有適于在一頻率下以振蕩振幅共振 的可振動質(zhì)量體、用于電能的電輸出端、以及至少一個用于調(diào)節(jié)所述 電輸出端處的輸出電壓的調(diào)壓器，該至少一個調(diào)壓器跨所述電輸出端 連接，并適于在輸出電壓超過閾值電壓時使機電裝置的電輸出端短 路，從而導致所述可振動質(zhì)量體的振動衰減。
本發(fā)明還提供了一種機電發(fā)電機，其包括用于將機械振動能轉(zhuǎn) 化為電能的機電裝置，該機電裝置具有適于在一頻率下以振蕩振幅共 振的可振動質(zhì)量體，該可振動質(zhì)量體具有從包括至少一個線團和至少 一個磁體的組中選擇的第一元件，并且該可振動質(zhì)量體布置成相對于所述機電裝置的第二元件振動，該第二元件從包括至少一個磁體和至
少一個線圏的組中選擇；檢測器，該檢測器用于檢測來自所述^L電裝 置的至少一個線圏的電輸出；比較器，該比較器用于計算由所述機電 裝置的所述至少一個線圏產(chǎn)生的電動勢的值，并且將該值與電動勢的 預設值比較；分路阻抗元件，該分路阻抗元件跨所述機電裝置的輸出 端子連接，并具有可變阻抗；以及調(diào)節(jié)器，該調(diào)節(jié)器響應于所述比較 器操作，適于調(diào)節(jié)所述分路阻抗元件的阻抗，從而將計算的電動勢值 調(diào)節(jié)為不大于電動勢的預設值的值。


下面將僅參照附圖通過實施例描述本發(fā)明的實施方式，附圖中 圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實施方式在機電發(fā)電機中使用的用于將
機械振動能轉(zhuǎn)化為電能的機電裝置的示意性側(cè)視圖2是根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的機電發(fā)電機的示意性框圖，該
機電發(fā)電機結(jié)合有圖1的機電裝置；
圖3是根據(jù)本發(fā)明第二實施方式的機電發(fā)電機的示意性框圖，該
機電發(fā)電機結(jié)合有圖1的機電裝置；
圖4是根據(jù)本發(fā)明第三實施方式的機電發(fā)電機的示意圖5是表示根據(jù)本發(fā)明第三實施方式的機電發(fā)電機的振幅與正
弦驅(qū)動加速度之間的關系的曲線圖6是根據(jù)本發(fā)明第四實施方式的機電發(fā)電機的示意圖7是根據(jù)本發(fā)明第五實施方式的機電發(fā)電機的示意圖；并且
圖8是根據(jù)本發(fā)明第六實施方式的機電發(fā)電機的示意圖。
具體實施例方式
圖l表示根據(jù)本發(fā)明一個實施方式使用的用于將機械振動能轉(zhuǎn)
化為電能的機電裝置2。機電裝置2使用安裝在外殼6內(nèi)的共振質(zhì)量 體—彈簧結(jié)構(gòu)4。共振質(zhì)量體一彈簧結(jié)構(gòu)4包括通過彈簧12和阻尼器 14安裝到外殼6的內(nèi)壁10上的慣性質(zhì)量體8,彈簧12和阻尼器14為平行構(gòu)造。
如果外殼6發(fā)生受到外部振動源的影響，使其沿著方向A-A運 動，那么慣性質(zhì)量體8可能也沿著方向A-A相對于外殼6運動。此時， 彈簧12的長度改變，壓縮或伸長，并對阻尼器14做功。
在圖1中，為了簡化將阻尼器14示意性示出為活塞和缸的結(jié)構(gòu)。 然而，本領域技術人員公知，阻尼器14包括能夠在其兩個部件相對 運動時產(chǎn)生電流的組件。機械能可通過電磁耦合和/或壓電耦合轉(zhuǎn)化為 電能。通常，布置成可平移運動的"活塞"包括電線團，布置成靜止的 "缸，，包括產(chǎn)生電線圏布置于其中的磁通區(qū)域的磁性組件。然而，可利 用相反的構(gòu)造。電線圏在磁通內(nèi)的運動使得在電線圏中感生出電流， 該電流可用作驅(qū)動外部裝置(未示出)的電力源。
本發(fā)明優(yōu)選利用的機電裝置是在現(xiàn)有技術中公知為"速度阻尼" 的共振發(fā)電機，其中慣性質(zhì)量體8相對于外殼6的運動所做的功與該 運動的瞬時速度成比例。不可避免的是，該功的一部分被吸收用于克 服不期望的機械損失或電損失，但是其余的功可用于通過適當?shù)膿Q能 器機構(gòu)(例如上述電線圏/磁性組件)產(chǎn)生電流。
速度阻尼共振發(fā)電機在被沿方向A-A的機械振動激勵時具有公 知的特征響應。質(zhì)量體m相對于外殼的相對運動的振幅Z。是正弦振 動的角頻率f和振幅Yo、彈簧常數(shù)k和阻尼系數(shù)c的函數(shù)
本發(fā)明的一個目的是將質(zhì)量體一彈簧和換能器機構(gòu)進行動態(tài)優(yōu) 化以控制質(zhì)量體的最大振幅，從而限制最大振幅低于與"安全"振幅對 應的最大閾值振幅。
對于在靜止電線圏之間的懸臂梁上安裝有磁體的典型的機電發(fā) 電機，振幅(Z。)通常約lmm。
圖2是根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的機電發(fā)電機20的示意性框圖。
機電發(fā)電機20包括如上參照圖1所述的用于將機械振動能轉(zhuǎn)化 為電能的機電裝置2。檢測器22連接到機電裝置2的電輸出端，在該實施方式中機電裝置2的電輸出端包括至少一個線圍34的端子30、 32，線圏34相對于承載至少一個磁體35的懸臂梁33安裝。檢測器 22適于檢測機電裝置2產(chǎn)生的輸出電壓(V。ut)和輸出電流(I。ut)。 EMF計算器24連接到檢測器22并適于根據(jù)以下表達式計算代表換 能元件的輸出EMF的量 EMF=V。ut+(I。ut*Rtrans)
其中Rtms是能量收集機電裝置2的換能元件(例如線圏)的內(nèi)阻抗。
EMF是電磁感應產(chǎn)生的電壓并與振蕩振幅成正比。 從EMF計算器24向與其相連的比較器26發(fā)送代表計算的EMF 值的信號。比較器26將計算的EMF值與預設EMF值比較，從而確 定振幅是否低于預定的最大閾值。比較器26的輸出端連接到調(diào)節(jié)器 28。
調(diào)節(jié)器28適于提供跨線圏34的端子30、 32的可控的可變分路 阻抗36。如果振幅確定為"安全"，那么將分路阻抗設定為較高，例如 至少為lMohm。相比之下，如果振幅確定為"不安全"，那么減小分 路阻抗，直到振幅回到安全水平。減小的分路阻抗允許更大的電流流 經(jīng)線圈，從而使抵抗運動的力變大從而增加振蕩的阻尼。這又導致共 振振動的振幅減小，直到振幅低于預定的最大閾值。因此由EMF表 示的振蕩振幅被檢測并動態(tài)調(diào)節(jié)至設計為"安全"的預定閾值。
該控制操作提供了對振幅的動態(tài)反饋控制，響應于通過確定機電 裝置的電輸出而間接檢測的振幅。動態(tài)反饋控制可在能量收集操作期 間連續(xù)或間歇地進行。
調(diào)節(jié)器28連接到AC/DC整流器38，整流器38又連接到負載39。
圖3是根據(jù)本發(fā)明第二實施方式的機電發(fā)電機120的示意性框圖。
與第一實施方式相比，第二實施方式通過檢測來自與機電裝置2 的電輸出端(在該實施方式中為線圏的輸出端子)相連的AC/DC整流器的整流后DC電壓和電流而得到改進。因此，在第二實施方式中， 機電發(fā)電機120包括如上參照圖1所述的用于將機械振動能轉(zhuǎn)化為電 能的機電裝置2。AC/DC整流器42連接到線圏34的輸出端子30、32。 檢測器44連接到整流器42的電輸出端，并適于檢測由整流器42產(chǎn) 生的輸出DC電壓和輸出DC電流。EMF計算器46連接到檢測器44 并適于以與第一實施方式類似的方式計算代表線圏EMF的量。
從EMF計算器46向與其相連的比較器48發(fā)送代表計算的EMF 值的信號。比較器48將計算的EMF值與預設EMF值比較，從而確 定振幅是否低于預定的最大閾值。比較器48的輸出端連接到調(diào)節(jié)器 50。
調(diào)節(jié)器50適于以如上參照第一實施方式描述的方式提供跨線圏 34的端子30、 32的可控的可變分路阻抗52。 從整流器42輸出的DC被發(fā)送到負載54。
第一和第二實施方式提供了對低于預設閾值的振幅的動態(tài)控制，
利用現(xiàn)有的機電發(fā)電機的能量提取機構(gòu)來檢測振幅。因此除了附加的 感測和控制電路之外，第一和第二實施方式不需要任何附加的振幅檢 測設備。在每個實施方式中，能量感測電路設置為連接到振幅調(diào)節(jié)電 路。在每個實施方式中，感測電路為調(diào)節(jié)電路提供控制輸入。
然而，本發(fā)明的可選實施方式可設有這類附加的振幅檢測設備， 振幅檢測設備安裝為檢測振蕩質(zhì)量體的運動，并受到監(jiān)測，使得當達 到"不安全，，振幅時發(fā)出信號，振幅檢測設備例如為光學接近裝置、 磁性接近裝置、機械接近裝置、壓電裝置、電磁感應裝置或磁致伸縮裝置。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的機電發(fā)電機的第三實施方式。機電發(fā)電 機220包括具有質(zhì)量體一彈簧結(jié)構(gòu)224的機電裝置222，質(zhì)量體一彈 簧結(jié)構(gòu)224例如呈圖1至圖3的任何質(zhì)量體一彈簧結(jié)構(gòu)的形式，其中 可振動的質(zhì)量體適于以固有頻率以振蕩振幅共振。機電裝置222具有 電輸出端，電輸出端在該實施方式中包括兩個輸出端子226、 228,每 個輸出端子連接有相應的電引線230、 232。在使用中，電引線230、
13232通過相應的連接器234、 236連接到待由機電發(fā)電機220電驅(qū)動的 外部電路。
兩個調(diào)壓器238、 240跨電引線230、 232并聯(lián)連接。每個調(diào)壓器 238、 240適于以低阻抗允許電流沿相應的第一(前進)電流方向流過， 并且當電壓低于特定或預定的擊穿電壓時以高阻抗阻止電流沿相應 的第二(后退)電流方向流過。這兩個調(diào)壓器238、 240跨電引線230、 232沿相對于它們相應的前進和后退方向的相反方向串聯(lián)連接。例如， 對于調(diào)壓器238，電流的前進方向為從引線230到引線232，電流的 后退方向為從引線232到引線230，而對于調(diào)壓器240，電流的后退 方向為從引線230到引線232，電流的前進方向為從引線232到引線 230。
最優(yōu)選的是，每個調(diào)壓器238、 240包括齊納二極管，兩個齊納 二極管238、 240沿相反的前進和后退方向串聯(lián)連接，每個齊納二極 管的擊穿電壓與齊納二極管的相應的齊納電壓對應。對于兩個齊納二 極管238、 240的該構(gòu)造，連接器234、 236處的電輸出為交流電流 (AC)。
每個調(diào)壓器238、 240的擊穿電壓預定為在兩個輸出端子226、 228的輸出電壓超過與擊穿電壓對應的特定閾值時提供機電發(fā)電機 220的電輸出的短路，擊穿電壓對應于振動質(zhì)量體的預定最大振幅。
作為示例，機電發(fā)電機被數(shù)學模擬，并具有表l中示出的以下設 計參數(shù)。
表1
參數(shù)符號值
質(zhì)量M
Q因子Q300
線圏電阻Rc10kQ
電磁耦合系數(shù)K2.0kg/s
共振器固有頻率120Hz
利用這些參數(shù)，可以計算質(zhì)量體運動的模擬振幅(以mm表示)
14如何相對于正弦驅(qū)動加速度(以mgRMs表示)變化。該變化取決于輸 出電路，具體取決于(a)在兩個輸出端子226、 228之間是否存在 斷路；(b)在兩個輸出端子226、 228之間通過兩個齊納二極管238、 240是否存在電路；或者(c)在兩個輸出端子226、 228之間是否存 在短路。圖5表示在這三種情況下對機電發(fā)電機的模擬，該機電發(fā)電 機用作以固有頻率通過正弦振動幅度a被驅(qū)動的電磁振動能收集器， 其中在后一種情況下齊納二極管238、 240的齊納電壓均為10伏。
在斷路情況下，即缺少根據(jù)本發(fā)明該方面的調(diào)壓器的情況下，在 正弦驅(qū)動加速度增加時，振幅以線性方式對應地增加。這意味著振幅 可以變大，使得在250mgRMS的正弦驅(qū)動加速度下，質(zhì)量體運動的振 幅高達士1.8mm。這會導致?lián)p壞機電發(fā)電機。而且，輸出電壓會對應 地增加至較高值，這可能使機電發(fā)電機在用于存在潛在爆炸危險(例 如由于細粉或燃燒氣體)的環(huán)境中時構(gòu)成潛在危害。
相比之下，根據(jù)本發(fā)明，當兩個輸出端子226、 228之間的電路 包括兩個具有根據(jù)本發(fā)明該方面的調(diào)壓器的齊納二極管238、 240時， 隨著正弦驅(qū)動加速度的增加，振幅限制于基本最大值。具體地說，當 正弦驅(qū)動加速度從零增加到特定值(圖1中的X，在該實施例中對應 于約25mgRMs)時，振幅線性增加到閾值(圖1中的A)。在這些情 況下，輸出電壓正好低于齊納二極管的10V的擊穿(齊納)電壓。如 果正弦驅(qū)動加速度進一步增加到值X以上，那么擊穿電壓等于或超過 齊納電壓。齊納二極管沿相應的后退方向引導電流。這導致輸出端子 之間的電短路，并且使得振動衰減，而基本限制了輸出電壓和振幅進 一步增加。在250mgRMS的正弦驅(qū)動加速度下，質(zhì)量體運動的振幅僅 為士0.35mm。該振幅明顯低于斷路條件下的振幅。振幅的限制可通過 將振幅限制在特定或預定最大值而避免損壞機電發(fā)電機。而且，輸出 電壓會對應地限制在與齊納電壓對應的值。這使機電發(fā)電機在用于存 在潛在爆炸危險(例如由于細粉或燃燒氣體)的環(huán)境中時構(gòu)成潛在危 害的可能性明顯降低。
相比之下，在短路情況下，即缺少根據(jù)本發(fā)明該方面的調(diào)壓器并且兩個輸出端子226、 228電連接在一起的情況下，在正弦驅(qū)動加速 度增加時，振幅以線性方式對應地增加，但是由于短路在所有振幅下 引起阻尼，所以振幅非常低。在250mgRMS下的振幅僅為運動的 士0.17mm。
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的第四實施方式的機電發(fā)電機320。這是 對圖3的實施方式的改進，結(jié)合由整流器以產(chǎn)生DC電流輸出，并且 其中在與連接到待由機電發(fā)電機電力驅(qū)動的外部電路的連接器與整 流器之間設有調(diào)壓器。
機電發(fā)電機320包括具有質(zhì)量體一彈簧結(jié)構(gòu)324的機電裝置322， 質(zhì)量體一彈簧結(jié)構(gòu)324例如呈圖1至圖3的任何質(zhì)量體一彈簧結(jié)構(gòu)的 形式，其中可振動的質(zhì)量體適于以固有頻率以振蕩振幅共振。機電裝 置322具有電輸出端，電輸出端包括兩個輸出端子326、 328，每個輸 出端子連接有相應的電引線330、 332。電引線330、 332連接到以公 知方式包括四個循環(huán)串聯(lián)二極管的AC-DC整流器354的相應的輸入 端子350、 352。 AC-DC整流器354的輸出端子356、 358具有輸出引 線360、 362。呈齊納二極管形式的調(diào)壓器364跨輸出引線360、 362 連接。在使用中，電引線360、 362通過相應的連接器366、 368連接 到待由機電發(fā)電機320電力驅(qū)動的外部電路。當來自整流器的輸出 DC電壓超過調(diào)壓器的擊穿電壓時，輸出引線被短路，從而限制機電 發(fā)電機320的振幅。
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的第五實施方式的機電發(fā)電機420。這是 對圖6的實施方式的改進，在整流器426的AC側(cè)上另外結(jié)合有相對 的調(diào)壓器，調(diào)壓器呈齊納二極管422、 424的形式。
圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的第六實施方式的機電發(fā)電機520。這是 對圖5的實施方式的改進，其中整流器522自身結(jié)合有調(diào)壓器，調(diào)壓 器呈齊納二極管524、 526、 528、 530的形式。齊納二極管用于橋式 整流，而且提供了關于圖4、圖6和圖7的其它實施方式描述的"閾上 短路"性能。
當所有齊納二極管具有相同的齊納電壓時，圖6和圖7的實施方式都產(chǎn)生了相同的輸出。圖8的實施方式對于相同的輸出所需的齊納 二極管的齊納電壓比圖6和圖7的實施方式多出一半。因而圖6至圖 8表述的實施方式的輸出相同并在圖4中示出。
利用調(diào)壓器降低振幅的該方法的另一好處是限制了輸出電壓。在 由于細粉或燃燒氣體而存在潛在爆炸危險的環(huán)境下，輸出電壓和電流 必須被嚴格限制。圖5至圖8的所有電路表現(xiàn)出了限幅(限制)于所 用齊納二極管值的電壓輸出波形。
本發(fā)明的其它改進和實施方式對于本領域技術人員顯而易見。例 如，在所示實施方式中，壓電元件可替代線圏/磁體組合，并可如本文 所述檢測壓電元件的電輸出。
權利要求
1、一種機電發(fā)電機，其包括用于將機械振動能轉(zhuǎn)化為電能的機電裝置，該機電裝置具有適于在一頻率下以振蕩振幅共振的可振動質(zhì)量體以及用于將所述振蕩振幅調(diào)節(jié)至不大于最大閾值的值的調(diào)節(jié)器。
2、 根據(jù)權利要求1所述的機電發(fā)電機，其中，所述調(diào)節(jié)器包括 至少一個用于所述機電裝置的輸出電壓的調(diào)壓器，該至少一個調(diào)壓器 適于在輸出電壓超過閾值電壓時引起機電裝置的輸出短路。
3、 根據(jù)權利要求2所述的機電發(fā)電機，其中，所述調(diào)壓器包括 至少一個齊納二極管。
4、 根據(jù)權利要求2所述的機電發(fā)電機，其中，所述調(diào)節(jié)器包括 兩個跨所述機電裝置的交流電輸出端連接的調(diào)壓器，這兩個調(diào)壓器均 具有預定的擊穿電壓，并跨電輸出端以電流相反的構(gòu)造串聯(lián)連接。
5、 根據(jù)權利要求2所述的機電發(fā)電機，其中，所述調(diào)節(jié)器包括 跨所述機電裝置的直流電輸出端連接的調(diào)壓器，該調(diào)壓器具有預定的 擊穿電壓。
6、 根據(jù)權利要求2所述的機電發(fā)電機，其中，所述調(diào)節(jié)器包括 跨所述機電裝置的交流電輸出端連接的兩個第一調(diào)壓器，這兩個調(diào)壓 器均具有預定的擊穿電壓，并跨電輸出端以電流相反的構(gòu)造串聯(lián)連 接；連接到所迷調(diào)壓器的整流器；以及跨所述整流器的直流電輸出端 連接的第二調(diào)壓器，該第二調(diào)壓器具有預定的擊穿電壓。
7、 根據(jù)權利要求2所述的機電發(fā)電機，其中，所述調(diào)節(jié)器包括 跨所述機電裝置的交流電輸出端連接的整流器，該整流器結(jié)合有各自 具有預定的擊穿電壓的多個調(diào)壓器。
8、 根據(jù)權利要求1所述的機電發(fā)電機，該機電發(fā)電機還包括用 于檢測振蕩振幅的檢測器以及用于確定檢測的振蕩振幅是否高于預 定最大閾值的比較器，其中所述調(diào)節(jié)器響應于該比較器操作。
9、 根據(jù)權利要求8所述的機電發(fā)電機，其中，所述檢測器適于 檢測來自所述機電裝置的電輸出，所述比較器適于將檢測的電輸出與對應于預定最大振幅的電輸出的閾值進行比較。
10、 根據(jù)權利要求9所述的機電發(fā)電機，其中，所述檢測器適于 檢測從所述機電裝置輸出的交流電流和交流電壓。
11、 根據(jù)權利要求10所述的機電發(fā)電機，其中，所述比較器適 于計算由機電裝置產(chǎn)生的電動勢的值，并且將該值與電動勢的預設值 比較。
12、 根據(jù)權利要求9所述的機電發(fā)電機，該機電發(fā)電機還包括用 于對所述機電裝置的電輸出整流的整流器，并且所述檢測器適于檢測 從該整流器輸出的直流電流和直流電壓。
13、 根據(jù)權利要求9所述的機電發(fā)電機，該機電發(fā)電機還包括跨 所述機電裝置的輸出端子連接的具有可變阻抗的分路阻抗元件，其中 所述調(diào)節(jié)器適于調(diào)節(jié)所述分路阻抗元件的阻抗，從而調(diào)節(jié)振蕩振幅。
14、 根據(jù)權利要求13所述的機電發(fā)電機，其中，當振蕩振幅不 大于預定最大閾值時所述分路阻抗元件的阻抗較高，并且當振蕩振幅 高于預定最大閾值時所述分路阻抗元件的阻抗較低。
15、 根據(jù)權利要求8所述的機電發(fā)電機，其中，所述檢測器選自 以下之一光學接近裝置、磁性接近裝置、機械接近裝置、壓電裝置、 電磁感應裝置或磁致伸縮裝置。
16、 根據(jù)權利要求8所述的機電發(fā)電機，其中，所述調(diào)節(jié)器適于 響應于檢測振幅提供對振幅的動態(tài)反饋控制。
17、 根據(jù)權利要求16所述的機電發(fā)電機，其中，動態(tài)反饋控制 是連續(xù)或間歇的。
18、 一種利用機電發(fā)電機用于將機械振動能轉(zhuǎn)化為電能的方法， 該方法包括以下步驟(a) 提供包括機電裝置的機電發(fā)電機，該機電裝置用于在其電 輸出端處將機械振動能轉(zhuǎn)化為電能，該機電裝置具有適于在共振頻率 下以振蕩振幅共振的可振動質(zhì)量體；(b) 使所述機電裝置振動，從而使所迷可振動質(zhì)量體振動而在 電輸出端處產(chǎn)生輸出電壓；以及(C)在輸出電壓高于預定最大閾值時通過使電輸出端短路將輸 出電壓控制在預定最大閾值以下，從而將振蕩振幅調(diào)節(jié)至不大于預定 最大閾值的值。
19、 一種機電發(fā)電機，其包括用于將機械振動能轉(zhuǎn)化為電能的機 電裝置，該機電裝置具有適于在一頻率下以振蕩振幅共振的可振動質(zhì) 量體、用于電能的電輸出端、以及至少一個用于調(diào)節(jié)所述電輸出端處 的輸出電壓的調(diào)壓器，該至少一個調(diào)壓器跨所述電輸出端連接，并適 于在輸出電壓超過閾值電壓時使機電裝置的電輸出端短路，從而使得 所述可振動質(zhì)量體的振動衰減。
20、 一種機電發(fā)電機，其包括用于將機械振動能轉(zhuǎn)化為電能的 機電裝置，該機電裝置具有適于在一頻率下以振蕩振幅共振的可振動 質(zhì)量體，該可振動質(zhì)量體具有從包括至少一個線團和至少一個磁體的 組中選擇的第一元件，并且該可振動質(zhì)量體布置成相對于所述機電裝 置的第二元件振動，該第二元件從包括至少一個磁體和至少 一個線圏 的組中選擇；檢測器，該檢測器用于檢測來自所述機電裝置的至少一 個線圏的電輸出；比較器，該比較器用于計算由所述機電裝置的所述 至少一個線圏產(chǎn)生的電動勢的值，并且將該值與電動勢的預設值比 較；分路阻抗元件，該分路阻抗元件跨所述機電裝置的輸出端子連接， 并具有可變阻抗；以及調(diào)節(jié)器，該調(diào)節(jié)器響應于所述比較器操作，適 于調(diào)節(jié)所述分路阻抗元件的阻抗，從而將計算的電動勢值調(diào)節(jié)為不大 于電動勢的預設值的值。
全文摘要
一種機電發(fā)電機，其包括用于將機械振動能轉(zhuǎn)化為電能的機電裝置，該機電裝置具有適于在一頻率下以振蕩振幅共振的可振動質(zhì)量體以及用于將振蕩振幅調(diào)節(jié)至不大于最大閾值的值的調(diào)節(jié)器。
文檔編號H02K7/18GK101449450SQ200780013676
公開日2009年6月3日 申請日期2007年3月6日 優(yōu)先權日2006年3月8日
發(fā)明者B·奇尼, S·羅伯茨 申請人:佩爾皮圖姆有限公司