專利名稱：一種諧振式永磁直線發(fā)電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁體發(fā)電技術(shù)，更具體地，本發(fā)明涉及一種直線發(fā)電機、充電裝置和一 種電池。
背景技術(shù)：
通常，諸如手機、便攜式音視頻播放器、數(shù)碼相機、頭燈等便攜式電子設(shè)備均需要 自身備有電池，以在離開外部電源時能夠使用。該電池一般是鎳鎘、鋰電等貴金屬，成本高， 回收困難，對環(huán)境造成不可逆轉(zhuǎn)的損害。一般來說，在便攜式電子設(shè)備上均設(shè)置充電用的連 接器，通過該連接器連接外部電源或者外部充電器來對便攜式電子設(shè)備進行充電，而不用 取出電池。對于便攜式電子設(shè)備，通常使用工業(yè)電源作為外接供電電源，但是在戶外、途中， 難以利用工業(yè)電源對該設(shè)備進行充電，但可以使用干電池、水力、風(fēng)力或者火力的發(fā)電裝 置。然而，這些設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換效率低，設(shè)備自身體積大，對于電壓低于1伏特，在毫安級下 無法收集，造成極大浪費。特別在當(dāng)前消費電子的高頻率使用情況中，便攜式消費電子自身 的電池遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能提供足夠的電能，以供用戶使用，經(jīng)常使得用戶攜帶多塊電池或者隨處尋 找充電器，影響了人們的通信或其它需要并且造成極大的浪費?，F(xiàn)有的小型發(fā)電裝置還可以將旋轉(zhuǎn)的動能轉(zhuǎn)換為電能，采用旋轉(zhuǎn)的方式使線圈切 割磁力線在線圈中產(chǎn)生電動勢來實現(xiàn)發(fā)電，這種傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)運動發(fā)電方式應(yīng)用在以人自身 為原動力的各種便攜式發(fā)電裝置中，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造難度大，操作不便利、發(fā)電效率低， 不利于低成本的大批量生產(chǎn)，難以作為小型發(fā)電設(shè)備在生活中廣泛使用。直線電動機是一種從普通異步電動機通過縱向分段剖開并且展開定子和轉(zhuǎn)子而 衍生出來的電動機，其工作原理是隨著均勻的直線運動而不是旋轉(zhuǎn)運動來產(chǎn)生磁場，在異 步直線電動機中，感應(yīng)線圈在電樞上產(chǎn)生電流，電流和感應(yīng)磁場之間的相互作用產(chǎn)生電感 應(yīng)來發(fā)電。但這樣的發(fā)電機的運動的方向性的精度要求高、實現(xiàn)復(fù)雜，所產(chǎn)生的電量較小， 通常三四個小時所產(chǎn)生的電量不足以使用五分鐘，在實際中應(yīng)用難以發(fā)揮作用。

發(fā)明內(nèi)容
為了避免現(xiàn)有技術(shù)中的上述各種缺陷，本發(fā)明提出一種直線諧振發(fā)電機和充電裝置。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種諧振式永磁直線發(fā)電機的動子結(jié)構(gòu)，包括永磁 材料和包覆該永磁材料的非導(dǎo)磁材料，該永磁材料為通過非導(dǎo)磁材料間隔的兩塊或者多塊 的條狀、塊狀或者橢圓塊狀，均勻的布置在非導(dǎo)磁材料中。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種諧振式永磁直線發(fā)電機的定子結(jié)構(gòu)，包括隔磁 外殼、定子鐵芯、繞組和環(huán)氧樹脂固封；定子鐵芯、繞組和環(huán)氧樹脂固封布置在隔磁外殼中 的一側(cè)，定子鐵芯附在隔磁外殼的側(cè)壁，繞組位于定子鐵芯的內(nèi)部，繞組的向外連接端位于 定子鐵芯的開口處，環(huán)氧樹脂固封將繞組密封。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種諧振式永磁直線發(fā)電機，包括定子結(jié)構(gòu)和動子 結(jié)構(gòu)，動子結(jié)構(gòu)布置在定子結(jié)構(gòu)的隔磁外殼中，位于隔磁外殼中相對于定子結(jié)構(gòu)的另一側(cè)， 或者位于兩個或者多個定子結(jié)構(gòu)的中間；動子結(jié)構(gòu)中的永磁體提供磁場，定子結(jié)構(gòu)中的繞 組在可變的磁場中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供一種諧振式永磁直線發(fā)電充電裝置，包括諧振式永 磁直線發(fā)電機和電子控制系統(tǒng)，所述發(fā)電機包括定子結(jié)構(gòu)和動子結(jié)構(gòu)，動子結(jié)構(gòu)位于定子 結(jié)構(gòu)的隔磁外殼中，位于隔磁外殼中相對于定子結(jié)構(gòu)的另一側(cè)，或者位于兩個或者多個定 子結(jié)構(gòu)的中間；動子結(jié)構(gòu)中的永磁體提供磁場，定子結(jié)構(gòu)中的繞組在可變的磁場中產(chǎn)生感 應(yīng)電動勢；所述電子控制系統(tǒng)包括EMI模塊，整流模塊，倍壓電路，穩(wěn)壓模塊和超級電容電 路。 根據(jù)本發(fā)明的第五方面，提供一種自充電電池，包括諧振式永磁直線發(fā)電機、電子 控制系統(tǒng)和超級電容，其特征在于，所述發(fā)電機包括定子結(jié)構(gòu)和動子結(jié)構(gòu)，動子結(jié)構(gòu)包括在 定子結(jié)構(gòu)的隔磁外殼中，位于隔磁外殼中相對于定子結(jié)構(gòu)的另一側(cè)，或者位于兩個或者多 個定子結(jié)構(gòu)的中間；動子結(jié)構(gòu)中的永磁體提供磁場，定子結(jié)構(gòu)中的繞組在可變的磁場中產(chǎn) 生感應(yīng)電動勢；所述電子控制系統(tǒng)包括EMI模塊，整流模塊，倍壓電路和穩(wěn)壓模塊；超級電 容電路用于存儲電荷來為電子設(shè)備供電。本發(fā)明的發(fā)電、充電和電池裝置使得人們能夠行走、戶外、車輛上就能對便攜式電 子設(shè)備進行充電，該設(shè)備設(shè)計簡單、結(jié)構(gòu)巧小、不但攜帶方便，免除了需要專門外接充電電 源、浪費時間充電以及外出時應(yīng)急充電的困擾，還實現(xiàn)了隨時都能充電的可能。本發(fā)明的裝 置構(gòu)建方便、使用節(jié)能、環(huán)保，更低碳。本發(fā)明的發(fā)電裝置除了可用于發(fā)電、充電之外，還可以作為一個永久性的電池用 于電子設(shè)備使用，而免除了電子設(shè)備自身配有電池的需要，而該電池不再需要外接電源進 行充電，而使用自身發(fā)電來供電，更加環(huán)保和節(jié)約成本。本發(fā)明的發(fā)電裝置可以用于手機、 電動剃須刀、數(shù)碼相機等所有毫安級電器、便攜式播放器及所有便攜式電子設(shè)備的應(yīng)用。另 外，本發(fā)明的發(fā)電裝置可以做成外置式或嵌入式。



圖13示出直線永磁發(fā)電機二維實體模型；圖14示出單邊扁平型永磁直線發(fā)電機二維建模實體模型；圖15示出雙邊扁平型永磁直線發(fā)電機二維建模實體模型圖16示出單邊扁平型永磁直線發(fā)電機磁通密度；圖17示出空載感應(yīng)電動勢；圖18示出負(fù)載感應(yīng)電動勢分析；圖19示出諧振式永磁直線發(fā)電機三維實體模型；圖20示出磁通密度的示意圖；圖21示出永磁直線發(fā)電機等效電路及負(fù)載的示意圖；圖22示出負(fù)載電壓分析；圖23示出負(fù)載電流分析；圖M示出單相線圈繞組動子總成實例；圖25示出雙邊型Halbach磁體列陣永磁直線發(fā)電機總裝實例示意圖；圖沈示出Halbach磁體列陣安裝方式實例。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明提供的一種發(fā)電機和充電裝置進行詳細(xì)描 述。現(xiàn)有的便攜式發(fā)電機充電裝置大多數(shù)屬于手搖式發(fā)電機，在對便攜式電器、電子 產(chǎn)品進行充電時，至少需要用手搖轉(zhuǎn)發(fā)電機充電裝置30分鐘，才能讓電子、電器產(chǎn)品提供 一定使用時間的用電量。本發(fā)明的目的是提供應(yīng)用于毫安級電子電器的外置式發(fā)電充電裝 置或直接嵌入到電子電器內(nèi)部。圖1示出具有諧振式永磁直線發(fā)電機的充電裝置，如圖1所示，該充電裝置包括永 磁直線發(fā)電機、電子控制系統(tǒng)、超級電容電路和電池。其中，永磁振動直線發(fā)電機和電子控 制系統(tǒng)相連接，用來通過發(fā)電機內(nèi)部動子相對于定子的直線運動來產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，電子 控制系統(tǒng)將所接收的來自永磁振動直線發(fā)電機的感應(yīng)電動勢進行濾波、整流、倍壓、穩(wěn)壓處 理后，獲取到適合的穩(wěn)定電壓，輸入到超級電容電路，將電荷儲存在超級電容中。該超級電 容接附便攜式電子設(shè)備的電池，從而給該電池充電。在另一個實施例中，具有諧振式永磁直線發(fā)電機的充電裝置包括永磁振動直線發(fā) 電機、電子控制系統(tǒng)和超級電容電路，而不包括圖中所示的電池，該超級電容電路直接和用 電設(shè)備相連接，作為該用電設(shè)備(例如便攜式消費電子設(shè)備)的供電裝置(例如電池)。其 中，永磁振動直線發(fā)電機和電子控制系統(tǒng)相連接，用來通過發(fā)電機內(nèi)部動子相對于定子的 直線運動來產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，電子控制系統(tǒng)將所接收的來自永磁振動直線發(fā)電機的感應(yīng)電 動勢進行濾波、整流、倍壓、穩(wěn)壓處理后，獲取到適合的穩(wěn)定電壓，輸入到超級電容電路，將 電荷儲存在超級電容中。該超級電容作為設(shè)備的供電裝置直接為設(shè)備供電。此時，該充電 裝置不僅僅是用于充電，更主要地將自充電和供電結(jié)合在一起，尤其當(dāng)超級電容的電容量 足夠大時，完全可以作為供電電源使用。圖2示出諧振式直線永磁發(fā)電機的動子結(jié)構(gòu)的正面剖視圖，其中，對于扁平型直 線發(fā)電機，如圖2所示，包括永磁材料和包覆該永磁材料的非導(dǎo)磁材料，該非導(dǎo)磁材料可以是廉價的不銹鋼材料。其中，永磁材料為條塊狀，位于不銹鋼材料中?？梢岳斫猓摋l塊狀 的永磁材料不限于圖中所示的三塊，圖中所示僅為示例，該永磁材料可以是兩塊或者多塊。 在一個實施例中，該永磁材料布置為條狀。在另一個實施例中，該永磁材料布置為圓塊狀或 者橢圓塊狀。在又一個實施例中，在不銹鋼材料中布置為不規(guī)則形狀。可以理解，根據(jù)制作 便利，該永磁材料的形狀可以任意選擇。另外該永磁材料的布置在僅使用兩塊永磁材料塊 的情況下，期望盡可能均勻，相互之間的關(guān)系盡可能均衡。而當(dāng)使用多個永磁材料塊時，永 磁材料塊之間的距離或者相互位置關(guān)系可以是不均勻的，當(dāng)然如果均勻的話讓磁性分布均 勻更佳。永磁材料選用諸如釹鐵硼、鎳鈷的硬磁材料，而不選用軟磁材料。該永磁材料在非 導(dǎo)磁材料中所占的體積比可以根據(jù)制作成本、磁性大小靈活選擇。在制造本發(fā)明所述的動子時，首先把不銹鋼基板通過沖壓鏤空，形成所需的中空 形狀，該中空形狀對應(yīng)于上述永磁材料塊的形狀；然后，把永磁材料粉以粘結(jié)或燒結(jié)工藝做 成合適的形狀和尺寸，進行充磁；將充磁后的永磁材料鑲(或粘結(jié))在不銹鋼基板的鏤空 中，之后把整塊動子進行涂覆或者電鍍，從而，保持動子的整體性。如圖2所示，動子基板是平板狀，非環(huán)狀，屬于標(biāo)準(zhǔn)型的直線電機的動子機構(gòu)。本 發(fā)明所述的動子基板位于定子之外，而對于雙邊型偏平直線電機，該動子基板位于兩個定 子之間，而非內(nèi)含到定子之內(nèi)。永磁材料選擇用的是硬磁材料，即已經(jīng)充磁的磁體，而非不 能充磁的軟磁材料。在實際應(yīng)用中，尤其是在用于便攜式消費電子的充電設(shè)備或者供電設(shè)備時，需要 進一步的降低設(shè)備的重量。在本實施例中，通過將不銹鋼基板的部分鏤空來降低動子基板 的重量。如圖3所示，永磁材料1包覆在不銹鋼基板2中，在不銹鋼基板2的中間鏤出多個 空槽。該空槽不應(yīng)該將永磁材料連通，而僅僅在不銹鋼基板的中間進行鏤空。該空槽可以 根據(jù)需要設(shè)置不同大小和形狀的結(jié)構(gòu)。該空槽均勻設(shè)置，以使定子運動均衡。圖4示出諧振動子的整體結(jié)構(gòu)，該諧振動子結(jié)構(gòu)包括動子基板和滑槽結(jié)構(gòu)，動子 基板位于滑槽結(jié)構(gòu)之間。動子基板即包括永磁體的非導(dǎo)磁基板。如圖4所示，總的來說，該 諧振動子結(jié)構(gòu)包括換向彈簧1、諧振彈簧2、永磁體和不銹鋼動子基板3、U形滑槽4和滾珠 5。U形滑槽板位于動子基板的兩側(cè)，U形滑槽內(nèi)設(shè)置滾珠，動子基板夾置在U形滑槽中，動子 基板的端部和滾珠接觸，在U形滑槽內(nèi)上下滑動，兩個U形滑槽兩端使用連接板對應(yīng)連接， 在兩個U形滑槽的每一個的兩端設(shè)置換向彈簧，動子基板和兩個連接板之間分別設(shè)置諧振 彈簧。動子基板在U形滑槽內(nèi)滑動，到達U形滑槽的端部，和端部的換向彈簧相碰撞，反彈， 反向滑動。同時，動子基板壓制諧振彈簧，產(chǎn)生諧振。以下描述定子的結(jié)構(gòu)，對于諧振式永磁直線發(fā)電機定子鐵芯形式，永磁直線發(fā)電 機可以做成單邊扁平型或雙邊扁平型，繞組可以是單相、兩相、三相。永磁直線發(fā)電機可以 做成單相、兩相和三相，也可以做成幾個單相然后串聯(lián)或并聯(lián)。圖5示出單相單邊扁平型永磁直線發(fā)電機定子結(jié)構(gòu)，如圖5所示，該定子結(jié)構(gòu)包括 隔磁外殼1、定子鐵芯2、繞組3和環(huán)氧樹脂固封4。其中，定子鐵芯2是半開口或者全開口。 繞組3可以是漆包線繞組或印刷線圈。定子鐵芯2、繞組3和環(huán)氧樹脂固封4布置在隔磁外 殼1中的一側(cè)，隔磁外殼1通常為長方形，但這不限于制成正方形、橢圓形或者其他形狀，隔 磁外殼1的另一側(cè)空置。定子鐵芯2附在隔磁外殼1的側(cè)壁，繞組3位于定子鐵芯2的內(nèi) 部，繞組3的向外連接端位于定子鐵芯2的半開口或者全開口處。環(huán)氧樹脂固封4將繞組3密封。圖6示出兩組獨立單相單邊扁平型永磁直線發(fā)電機定子結(jié)構(gòu)，如圖6所示，該定子 結(jié)構(gòu)包括兩組獨立的單相單邊扁平型永磁直線發(fā)電機定子結(jié)構(gòu)，可以理解，該定子結(jié)構(gòu)可 以包括多組獨立的單相單邊扁平型永磁直線發(fā)電機定子結(jié)構(gòu)。多組獨立的單相單邊扁平型 永磁直線發(fā)電機定子結(jié)構(gòu)可以并聯(lián)或者串聯(lián)輸出，也就是各個單相單邊扁平型永磁直線發(fā) 電機定子結(jié)構(gòu)中的繞組可以串聯(lián)或者并聯(lián)。其中，每組單相單邊扁平型永磁直線發(fā)電機定 子結(jié)構(gòu)包括隔磁外殼1、定子鐵芯2和繞組3。繞組使用環(huán)氧樹脂固封。其中，定子鐵芯2 是半開口或者全開口。繞組3可以是漆包線繞組或印刷線圈。定子鐵芯2、繞組3布置在隔 磁外殼1中的一側(cè)，隔磁外殼1通常為長方形，但這不限于制成正方形、橢圓形或者其他形 狀，隔磁外殼1的另一側(cè)空間空置。定子鐵芯2附在隔磁外殼1的側(cè)壁，繞組3位于定子鐵 芯2的內(nèi)部，繞組3的向外連接端位于定子鐵芯2的半開口或者全開口處。在相鄰兩個單 相單邊扁平型永磁直線發(fā)電機定子結(jié)構(gòu)之間，布置隔磁材料板4，用于阻斷相鄰定子結(jié)構(gòu)之 間的磁干擾。圖7示出單相雙邊扁平型永磁直線發(fā)電機定子結(jié)構(gòu)。如圖7所示，該定子結(jié)構(gòu)包 括兩組單相單邊扁平型永磁直線發(fā)電機定子結(jié)構(gòu)，每個單相單邊扁平型永磁直線發(fā)電機定 子結(jié)構(gòu)分別位于隔磁外殼1的相對側(cè)，分別附在隔磁外殼1的側(cè)壁上，兩個單相單邊扁平型 永磁直線發(fā)電機定子結(jié)構(gòu)之間中空，留有放置動子的空間。其中，每組單相單邊扁平型永磁 直線發(fā)電機定子結(jié)構(gòu)包括隔磁外殼1、定子鐵芯2和繞組3。繞組使用環(huán)氧樹脂固封。其 中，定子鐵芯2是半開口或者全開口。繞組3可以是漆包線繞組或印刷線圈。定子鐵芯2、 繞組3布置在隔磁外殼1中的側(cè)壁，隔磁外殼1通常為長方形，但這不限于制成正方形、橢 圓形或者其他形狀。定子鐵芯2附在隔磁外殼1的一側(cè)，繞組3位于定子鐵芯2的內(nèi)部，繞 組3的向外連接端位于定子鐵芯2的半開口或者全開口處。圖8示出多組獨立單相雙邊扁平型永磁直線發(fā)電機結(jié)構(gòu)，如圖6所示，該定子結(jié)構(gòu) 包括兩組獨立的單相雙邊扁平型永磁直線發(fā)電機定子結(jié)構(gòu)，可以理解，該定子結(jié)構(gòu)可以包 括多組獨立的單相雙邊扁平型永磁直線發(fā)電機定子結(jié)構(gòu)。每個單相雙邊扁平型永磁直線發(fā) 電機定子結(jié)構(gòu)分別位于隔磁外殼1的相對側(cè)，分別附在隔磁外殼1的側(cè)壁上，兩個或者多個 單相雙邊扁平型永磁直線發(fā)電機定子結(jié)構(gòu)之間中空，留有放置動子的空間。多組獨立的單 相單邊扁平型永磁直線發(fā)電機定子結(jié)構(gòu)可以并聯(lián)或者串聯(lián)輸出，也就是各個單相單邊扁平 型永磁直線發(fā)電機定子結(jié)構(gòu)中的繞組可以串聯(lián)或者并聯(lián)。同樣，多組獨立的單相雙邊扁平 型永磁直線發(fā)電機定子結(jié)構(gòu)可以并聯(lián)或者串聯(lián)輸出，也就是各個單相雙邊扁平型永磁直線 發(fā)電機定子結(jié)構(gòu)中的繞組可以串聯(lián)或者并聯(lián)。其中，每組單相單邊扁平型永磁直線發(fā)電機 定子結(jié)構(gòu)包括隔磁外殼1、定子鐵芯2和繞組3。繞組使用環(huán)氧樹脂固封。其中，定子鐵芯 2是半開口或者全開口。繞組3可以是漆包線繞組或印刷線圈。定子鐵芯2、繞組3布置在 隔磁外殼1中的一側(cè)，隔磁外殼1通常為長方形，但這不限于制成正方形、橢圓形或者其他 形狀，隔磁外殼1的另一側(cè)空間空置。定子鐵芯2附在隔磁外殼1的側(cè)壁，繞組3位于定子 鐵芯2的內(nèi)部，繞組3的向外連接端位于定子鐵芯2的半開口或者全開口處。在相鄰兩個 單相單邊扁平型永磁直線發(fā)電機定子結(jié)構(gòu)之間，布置隔磁材料板4，用于阻斷相鄰定子結(jié)構(gòu) 之間的磁干擾。以下描述諧振式永磁發(fā)電機的總裝結(jié)構(gòu)，其中，圖9示出單相單邊扁平型永磁直線發(fā)電機總裝示意圖。如圖9所示，該發(fā)電機包括定子結(jié)構(gòu)和動子結(jié)構(gòu)，其中，動子結(jié)構(gòu)包 括在定子結(jié)構(gòu)的隔磁外殼1中，位于隔磁外殼1中相對于定子結(jié)構(gòu)的另一側(cè)。動子結(jié)構(gòu)和 隔磁外殼1之間布置輔助鐵軛，用來減少動子結(jié)構(gòu)的橫向電磁力。如圖9所示，該定子結(jié)構(gòu)包括隔磁外殼1、定子鐵芯2、繞組3和環(huán)氧樹脂固封4。 其中，定子鐵芯2是半開口或者全開口。繞組3可以是漆包線繞組或印刷線圈。定子鐵芯 2、繞組3和環(huán)氧樹脂固封4布置在隔磁外殼1中的一側(cè)，隔磁外殼1通常為長方形，但這不 限于制成正方形、橢圓形或者其他形狀，隔磁外殼1的另一側(cè)空間空置。定子鐵芯2附在隔 磁外殼1的一側(cè)，繞組3位于定子鐵芯2的內(nèi)部，繞組3的向外連接端位于定子鐵芯2的半 開口或者全開口處。環(huán)氧樹脂固封4將繞組3密封。圖9所示的動子結(jié)構(gòu)是將圖4所示的側(cè)視剖面圖，附圖所示僅是示意，并不是對形 狀的限制。其中，圖9所示的動子結(jié)構(gòu)包括動子基板和滑槽結(jié)構(gòu)，動子基板位于滑槽結(jié)構(gòu)之 間。如圖9所示，該諧振動子結(jié)構(gòu)包括換向彈簧、諧振彈簧5、釹鐵硼永磁體和不銹鋼動子 基板6、U形滑槽和滾珠(圖中未示)。U形滑槽板位于動子基板的兩側(cè)，U形滑槽內(nèi)設(shè)置滾 珠，動子基板夾置在U形滑槽中，動子基板的端部和滾珠接觸，在U形滑槽內(nèi)上下滑動，兩個 U形滑槽兩端使用連接板對應(yīng)連接，在兩個U形滑槽的每一個的兩端設(shè)置換向彈簧，動子基 板和兩個連接板之間分別設(shè)置諧振彈簧。動子基板在U形滑槽內(nèi)滑動，到達U形滑槽的端 部，和端部的換向彈簧相碰撞，反彈，反向滑動。同時，動子基板壓制諧振彈簧，產(chǎn)生諧振。其中，隔磁外殼1是諧振永磁直線發(fā)電機的外殼和內(nèi)部機械零部件的固定框架， 具有隔磁功能，防止永磁材料的磁場對電子電路的影響。定子鐵芯2可以是硅鋼片疊壓鐵 芯。線圈繞組3可以是漆包線繞組或印刷線圈，用作永磁發(fā)電機的繞組。諧振彈簧5用于在 振動時把機械能轉(zhuǎn)換為動能，使滑塊動子產(chǎn)生諧振。永磁體6為直線發(fā)電機提供磁場，繞組 在可變的磁場中可以產(chǎn)生感應(yīng)電動勢；不銹鋼基板作為釹鐵硼永磁體承載體，并一起組成 滑動基板。另外，各零部件可以用沉頭螺栓緊固、預(yù)制在隔磁外殼1上或者提前一體成型。從結(jié)構(gòu)上，動子結(jié)構(gòu)無需支承基架，定子結(jié)構(gòu)不需要電磁體，無電磁驅(qū)動力，而是 靠外來振動來驅(qū)動動子。諧振彈簧依賴外來振動的機械能產(chǎn)生諧振運動，并非恢復(fù)力。圖10示出雙邊扁平型永磁直線發(fā)電機總裝結(jié)構(gòu)，如圖10所示，該發(fā)電機包括定子 結(jié)構(gòu)和動子結(jié)構(gòu)，其中，動子結(jié)構(gòu)包括在定子結(jié)構(gòu)的隔磁外殼1中，位于隔磁外殼1中相對 于兩個定子結(jié)構(gòu)的中間，通過兩個定子結(jié)構(gòu)夾持，或者固定在外殼的兩端。如圖10所示，該定子結(jié)構(gòu)包括隔磁外殼1、定子鐵芯2、繞組3和環(huán)氧樹脂固封4。 其中，定子鐵芯2是半開口或者全開口。繞組3可以是漆包線繞組或印刷線圈。定子鐵芯 2、繞組3和環(huán)氧樹脂固封4布置在隔磁外殼1中的一側(cè)，隔磁外殼1通常為長方形，但這不 限于制成正方形、橢圓形或者其他形狀，隔磁外殼1的另一側(cè)同樣如這樣布置。定子鐵芯2 附在隔磁外殼1的一側(cè)，繞組3位于定子鐵芯2的內(nèi)部，繞組3的向外連接端位于定子鐵芯 2的半開口或者全開口處。環(huán)氧樹脂固封4將繞組3密封。圖10所示的動子結(jié)構(gòu)是將圖4所示的側(cè)視剖面圖。其中，圖10所示的動子結(jié)構(gòu) 包括動子基板和滑槽結(jié)構(gòu)，動子基板位于滑槽結(jié)構(gòu)之間。如圖10所示，該諧振動子結(jié)構(gòu)包 括換向彈簧、諧振彈簧5、釹鐵硼永磁體6和不銹鋼動子基板、U形滑槽和滾珠(圖中未示)。 U形滑槽板位于動子基板的兩側(cè)，U形滑槽內(nèi)設(shè)置滾珠，動子基板夾置在U形滑槽中，動子基 板的端部和滾珠接觸，在U形滑槽內(nèi)上下滑動，兩個U形滑槽兩端使用連接板對應(yīng)連接，在兩個U形滑槽的每一個的兩端設(shè)置換向彈簧，動子基板和兩個連接板之間分別設(shè)置諧振彈 簧。動子基板在U形滑槽內(nèi)滑動，到達U形滑槽的端部，和端部的換向彈簧相碰撞，反彈，反 向滑動。同時，動子基板壓制諧振彈簧，產(chǎn)生諧振。其中，隔磁外殼1是諧振永磁直線發(fā)電機的外殼和內(nèi)部機械零部件的固定框架， 具有隔磁功能，防止永磁材料的磁場對電子電路的影響。定子鐵芯2可以是硅鋼片疊壓鐵 芯。線圈繞組3可以是漆包線繞組或印刷線圈，用作永磁發(fā)電機的繞組。諧振彈簧5用于 在振動時把機械能轉(zhuǎn)換為動能，使滑塊動子產(chǎn)生諧振。永磁體6為直線發(fā)電機提供磁場，繞 組在可變的磁場中可以產(chǎn)生感應(yīng)電動勢；不銹鋼基板作為永磁體承載體，并一起組成滑動 基板。另外，各零部件可以用沉頭螺栓緊固，或者預(yù)制在隔磁外殼1上或者提前一體成型。另外，可以理解，圖9和圖10示出單相單邊和單項雙邊的扁平型永磁直線發(fā)電機 總裝結(jié)構(gòu)，但根據(jù)圖8，該扁平型永磁直線發(fā)電機總裝結(jié)構(gòu)可以包括多相單邊或者多相雙 邊，本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員可以根據(jù)圖8-10的結(jié)構(gòu)容易實現(xiàn)，這里將不再贅述。圖11示出圖1所述的電子控制系統(tǒng)的總體模塊結(jié)構(gòu)圖，如圖11所示，該電子控制 系統(tǒng)包括EMI模塊，整流模塊，倍壓電路，穩(wěn)壓模塊和超級電容電路。其中，EMI是電源電磁 干擾濾波器。整流模塊，和EMI模塊相連接。倍壓電路和整流模塊相連接，將整流模塊輸出 的小電壓倍增。穩(wěn)壓電路，和倍壓電路相連接，用于將倍壓電路輸出的倍增電壓穩(wěn)定到期望 的電壓值，通常會根據(jù)實際應(yīng)用穩(wěn)定在3-30伏特之間的一個值。穩(wěn)壓模塊輸出的穩(wěn)定電壓 輸入到超級電容中。其中，倍壓電路和穩(wěn)壓電路的處理順序可以交換，也就是可以先穩(wěn)壓再 倍增，或者如上先倍增再穩(wěn)壓。圖12示出圖11所述的電子控制系統(tǒng)的一個示例電路原理圖，電源電磁干擾濾 波器EMI包括并聯(lián)的濾波電容CO和濾波電感H，整流模塊使用四個橋接的整流二極管 (D1-D4)。倍壓電路包括兩個串聯(lián)的電阻和兩個串聯(lián)的電容，兩個電阻和兩個電容之間并 聯(lián)，兩個電阻之間的連接端和兩個電容之間的連接端相連接。穩(wěn)壓電路包括并聯(lián)的濾波電 容C3、穩(wěn)壓二極管WD和直流電壓變換集成電路IC1，當(dāng)不存在太多雜波時可以不需要濾波 電容C3。超級電容電路包括兩個串聯(lián)的單體超級電容C4和C5。該電子控制系統(tǒng)還包括防 逆流二極管D5。在具體實現(xiàn)時，將電源電磁干擾濾波器、整流、倍壓、穩(wěn)壓、超級電容電路制成線路 板或者一體成集成電路。用導(dǎo)線把諧振永磁直線發(fā)電機的輸出和電子控制電路的L和N端 連接起來，完成諧振式永磁直線發(fā)電充電裝置的總裝。其中，整流二極管D1、D2、D3和D4最好選用鍺整流管，以提高整流效率，在非滿載 情況下，其壓降<=2V。ICl是寬輸入電壓DC-DC變換集成電路，輸出電壓為5.2V。超級電容C4、C5，基于超級電容的快速充電特性，用作充電的中繼蓄能元件。由于 超級電容的實用壽命比蓄電池廠，報廢后不會對環(huán)境造成污染，可以直接代替蓄電池作為 蓄能元件。在本發(fā)明中，由于超級電容器不同于電池，可以將兩者結(jié)合起來，將電容器的功 率特性和電池的高能量存儲結(jié)合起來。超級電容器在其額定電壓范圍內(nèi)可以被充電至任意 電位，且可以完全放出。而電池則受自身化學(xué)反應(yīng)限制工作在較窄的電壓范圍，如果過放可 能造成永久性破壞。超級電容器的荷電狀態(tài)(SOC)與電壓構(gòu)成簡單的函數(shù)，而電池的荷電 狀態(tài)則包括多樣復(fù)雜的換算。超級電容器與其體積相當(dāng)?shù)膫鹘y(tǒng)電容器相比可以存儲更多的 能量，電池與其體積相當(dāng)?shù)某夒娙萜飨啾瓤梢源鎯Ω嗟哪芰俊Ｔ谝恍┕β蕸Q定能量存儲器件尺寸的應(yīng)用中，超級電容器是一種更好的途徑。超級電容器可以反復(fù)傳輸能量脈沖 而無任何不利影響，相反如果電池反復(fù)傳輸高功率脈沖其壽命大打折扣。超級電容器可以 快速充電而電池快速充電則會受到損害。超級電容器可以反復(fù)循環(huán)數(shù)十萬次，而電池壽命 僅幾百個循環(huán)。為了進一步說明本發(fā)明的具體的技術(shù)效果，以下對諧振式直線永磁發(fā)電機進行二 維有限元仿真分析。由于直線發(fā)電機具有特有的邊端效應(yīng)，使得直線電機的分析比旋轉(zhuǎn)電 機的分析更為復(fù)雜，并且傳統(tǒng)電機分析理論不能直接應(yīng)用到直線電機上。因此，對直線發(fā)電 機的分析不但需要以麥克斯韋電磁場理論為依據(jù)，還需要利用二維和三維有限元分析，才 能精確尋找直線發(fā)電機的解決方案。在二維電磁場有限元方法理論中，電磁場的經(jīng)典理論是麥克斯韋方程組。其中，無 論介質(zhì)和磁場強度H分布如何，磁場中磁場強度沿任何一閉合路徑的線積分都等于穿過該 積分路徑所確定電流總和。電磁場麥克斯韋方程組積分形式
權(quán)利要求
1.一種諧振式永磁直線發(fā)電機，包括定子結(jié)構(gòu)和動子結(jié)構(gòu)，其特征在于，動子結(jié)構(gòu)布置 在定子結(jié)構(gòu)的隔磁外殼中，位于隔磁外殼中相對于定子結(jié)構(gòu)的另一側(cè)；動子結(jié)構(gòu)中的永磁 體提供磁場，定子結(jié)構(gòu)中的繞組在可變的磁場中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢；其中，該動子結(jié)構(gòu)還包括動子基板和滑槽結(jié)構(gòu)，動子基板位于滑槽結(jié)構(gòu)之間，該滑槽結(jié) 構(gòu)包括換向彈簧、諧振彈簧、U形滑槽和滾珠；所述U形滑槽內(nèi)設(shè)置滾珠，動子基板夾置在U 形滑槽中，動子基板的端部和滾珠接觸，在U形滑槽內(nèi)上下滑動，兩個U形滑槽兩端使用連 接板對應(yīng)連接，在兩個U形滑槽的每一個的兩端設(shè)置換向彈簧，動子基板和兩個連接板之 間分別設(shè)置諧振彈簧。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直線發(fā)電機，其特征在于，所述動子結(jié)構(gòu)和隔磁外殼之間布 置輔助鐵軛，用來減少動子結(jié)構(gòu)的橫向電磁力。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直線發(fā)電機，其特征在于，所述U形滑槽布置在隔磁外殼的內(nèi)側(cè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直線發(fā)電機，其特征在于，該動子結(jié)構(gòu)包括永磁材料和包覆 該永磁材料的非導(dǎo)磁基板，該永磁材料為通過非導(dǎo)磁材料間隔的兩塊或者多塊的條狀、塊 狀或者橢圓塊狀，均勻的布置在非導(dǎo)磁基板中。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的直線發(fā)電機，其特征在于，該非導(dǎo)磁基板使用不銹鋼材料或其它硬質(zhì)合金或金屬，永磁材料是諸如釹鐵硼、鎳鈷、鐵氧體的硬磁材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的直線發(fā)電機，其特征在于，所述非導(dǎo)磁基板是平板狀，所述非 導(dǎo)磁基板的部分鏤空，非導(dǎo)磁基板中鏤出多個空槽，該空槽未將永磁材料連通。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直線發(fā)電機，其特征在于，所述隔磁外殼的一側(cè)或者兩側(cè)布 置有多個這樣的定子鐵芯組定子鐵芯附在隔磁外殼的側(cè)壁，繞組位于該定子鐵芯的內(nèi)部， 繞組的向外連接端位于定子鐵芯的開口處，環(huán)氧樹脂固封將繞組密封；同一側(cè)的定子鐵芯 組通過隔磁材料板隔離。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的直線發(fā)電機，其特征在于，定子鐵芯的開口是半開口或者全 開口，所述繞組是漆包線繞組或印刷線圈。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的直線發(fā)電機，其特征在于，所述繞組的端線串聯(lián)或者并聯(lián)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種諧振式永磁直線發(fā)電機，包括定子結(jié)構(gòu)和動子結(jié)構(gòu)，動子結(jié)構(gòu)布置在定子結(jié)構(gòu)的隔磁外殼中，位于隔磁外殼中相對于定子結(jié)構(gòu)的另一側(cè)；該動子結(jié)構(gòu)還包括動子基板和滑槽結(jié)構(gòu)，動子基板位于滑槽結(jié)構(gòu)之間，該滑槽結(jié)構(gòu)包括換向彈簧、諧振彈簧、U形滑槽和滾珠；所述U形滑槽內(nèi)設(shè)置滾珠，動子基板夾置在U形滑槽中，動子基板的端部和滾珠接觸，在U形滑槽內(nèi)上下滑動，兩個U形滑槽兩端使用連接板對應(yīng)連接，在兩個U形滑槽的每一個的兩端設(shè)置換向彈簧，動子基板和兩個連接板之間分別設(shè)置諧振彈簧。本發(fā)明的發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡單、易于構(gòu)建，成本低廉、發(fā)電量大，便于攜帶，易于集成。
文檔編號H02J7/32GK102064661SQ20111002805
公開日2011年5月18日 申請日期2011年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月26日
發(fā)明者陳堅, 麥偉儀 申請人:陳堅, 麥偉儀