專利名稱：用于小功率電子設(shè)備的永磁振動(dòng)發(fā)電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及將振動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的技術(shù)，特別涉及永磁振動(dòng)發(fā)電裝置及其實(shí)現(xiàn)方法，具體是采用永磁振子、感應(yīng)線圈、拾振彈簧和電能處理電路實(shí)現(xiàn)為小功率電子設(shè)備供電的振動(dòng)發(fā)電裝置。
背景技術(shù)：
小功率電子設(shè)備廣泛應(yīng)用于信號(hào)采集、無(wú)線通信等領(lǐng)域，是一類工業(yè)生產(chǎn)和日常生活都必不可少的重要設(shè)備。目前，各種小功率電子設(shè)備的軟件、硬件具有很高的可靠性和穩(wěn)定性，而電源容量的局限性成為影響其工作時(shí)間、功能拓展的關(guān)鍵因素。小功率電子設(shè)備現(xiàn)有的電源主要依賴于電池，需要經(jīng)常進(jìn)行電池的更換或充電。針對(duì)小功率電子設(shè)備工作時(shí)只能依賴電池的特點(diǎn)，現(xiàn)有的電源技術(shù)存在諸多缺·
占-
^ \\\ ·I.電池的維護(hù)成本高；2.續(xù)航時(shí)間有限，影響設(shè)備工作時(shí)間；3.會(huì)產(chǎn)生較多的能源浪費(fèi)和較嚴(yán)重的環(huán)境污染。小功率電子設(shè)備的工作環(huán)境中存在一定的振動(dòng)能源，利用永磁振動(dòng)發(fā)電裝置將能解決這些電子設(shè)備的供電問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于小功率電子設(shè)備的永磁振動(dòng)發(fā)電裝置及其實(shí)現(xiàn)方法，采用永磁振子、感應(yīng)線圈、拾振彈簧作為發(fā)電機(jī)，整流、濾波、儲(chǔ)能、穩(wěn)壓電路對(duì)電能進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)為小功率電子設(shè)備供電。本發(fā)明的技術(shù)方案為一種用于為小功率電子設(shè)備供電的永磁振動(dòng)發(fā)電裝置，其整體結(jié)構(gòu)為軸對(duì)稱式圓柱結(jié)構(gòu)，外殼底部?jī)?nèi)側(cè)固定有下圓柱永磁彈簧永磁體和圓筒骨架，其中圓筒骨架在下圓柱永磁彈簧永磁體外部；圓筒骨架頂部?jī)?nèi)側(cè)固定有上圓柱永磁彈簧永磁體、頂部外側(cè)固定有電能處理電路板；中間圓環(huán)感應(yīng)線圈直接繞制在圓筒骨架上；外殼上端外側(cè)嵌入電源正負(fù)極輸出端；兩個(gè)端部線圈骨架分別粘合在上、下圓柱永磁彈簧永磁體內(nèi)側(cè)；兩個(gè)端部感應(yīng)線圈分別繞制在兩個(gè)端部線圈骨架外側(cè)；圓柱永磁振子懸浮在兩個(gè)端部線圈骨架中間；電能處理電路板通過(guò)電路板引出線與電源正負(fù)極輸出端相連接。外殼為招合金圓筒；所述的圓柱永磁振子為圓柱永磁體和圓柱夾鐵的組合，圓柱永磁振子的兩端為軸向磁化的永磁體；與兩個(gè)圓柱永磁彈簧永磁體相排斥；圓柱永磁體與圓柱夾鐵依次粘合在一起，且在圓柱夾鐵21兩端的永磁體磁化方向相對(duì)； 所述的永磁振子的永磁體為軸向磁化的釹鐵硼。所述的一個(gè)中間圓環(huán)感應(yīng)線圈和二個(gè)端部感應(yīng)線圈由漆包線制成，三個(gè)線圈按照“端部感應(yīng)線圈一中間圓環(huán)感應(yīng)線圈一端部感應(yīng)線圈”的次序串接在一起，圓筒骨架上部端部感應(yīng)線圈的引出兩個(gè)出線端與電能處理電路板的輸入端連接。感應(yīng)線圈均由漆包線繞制。電能處理電路板按照全橋整流電路、RC濾波電路、儲(chǔ)能電路、DC-DC穩(wěn)壓電路的次序由4個(gè)電路模依次串聯(lián)組成。本發(fā)明基于永磁振動(dòng)發(fā)電機(jī)和電能處理電路為小功率電子設(shè)備供電，將小功率電子設(shè)備工作環(huán)境中的振動(dòng)能量進(jìn)行收集并轉(zhuǎn)化為電能，永磁振動(dòng)發(fā)電機(jī)輸出的電能經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的處理，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的直流電能輸出，為小功率電子設(shè)備供電。本發(fā)明基于永磁振動(dòng)發(fā)電機(jī)和電能處理電路為小功率電子設(shè)備供電，將小功率電子設(shè)備工作環(huán)境中的振動(dòng)能量進(jìn)行收集并轉(zhuǎn)化為電能，永磁振動(dòng)發(fā)電機(jī)輸出的電能經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的處理，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的直流電能輸出，完全或部分替代電池為小功率電子設(shè)備供電，降低設(shè)備對(duì)電池的依賴，延長(zhǎng)其工作時(shí)間，也減少了電池對(duì)環(huán)境的污染，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔明了、可靠性高、使用成本低等優(yōu)點(diǎn)。


圖I為永磁振動(dòng)發(fā)電裝置的剖面結(jié)構(gòu)圖。其中，I-下圓柱永磁彈簧永磁體，2-圓筒外殼,3-下圓柱端部線圈骨架,4-圓柱永磁振子，5-上圓柱端部線圈骨架，6-上圓柱永磁彈簧永磁體，7-圓筒骨架，8-中間圓環(huán)感應(yīng)線圈，9-端部感應(yīng)線圈，10-電能處理電路板，11-電路板引出線，12-電源正負(fù)極輸出端。圖2為永磁振子結(jié)構(gòu)圖。其中，21-圓柱夾鐵，22-圓柱永磁體。圖3為電能處理電路板對(duì)應(yīng)電路結(jié)構(gòu)圖。圖4為用于小功率電子設(shè)備的永磁振動(dòng)發(fā)電裝置的運(yùn)行示意圖
具體實(shí)施例方式本發(fā)明以永磁彈簧作為拾振彈簧，該發(fā)電裝置一般包括鋁合金圓筒外殼、永磁體與夾鐵構(gòu)成的三明治式永磁振子、軸向磁化永磁體與永磁振子磁極相對(duì)構(gòu)成永磁彈簧、分體式多個(gè)線圈組成的感應(yīng)線圈組、電能處理電路(包括全橋整流電路、RC濾波電路、超級(jí)電容儲(chǔ)能電路、DC-DC穩(wěn)壓電路)。輸入振動(dòng)作用在鋁合金外殼上，振動(dòng)位移在永磁彈簧的傳遞下，驅(qū)動(dòng)永磁振子相對(duì)感應(yīng)線圈組產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)，使得感應(yīng)線圈中產(chǎn)生交流電動(dòng)勢(shì)，電能再經(jīng)電能處理電路的處理，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的直流輸出。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明，但它們不是對(duì)本發(fā)明作任何限制。實(shí)施例I用于為小功率電子設(shè)備供電的永磁振動(dòng)發(fā)電裝置(剖面結(jié)構(gòu)如圖I所示)，整體結(jié)構(gòu)為軸對(duì)稱式圓柱結(jié)構(gòu)，外殼2底部?jī)?nèi)側(cè)固定有下圓柱永磁彈簧永磁體I和圓筒骨架7，其中圓筒骨架7在下圓柱永磁彈簧永磁體I外部；圓筒骨架7頂部?jī)?nèi)側(cè)固定有上圓柱永磁彈簧永磁體6、頂部外側(cè)固定有電能處理電路板10 ;中間圓環(huán)感應(yīng)線圈8直接繞制在圓筒骨架7上；圓柱永磁振子4懸浮在兩個(gè)端部線圈骨架3和5中間；外殼2上端外側(cè)嵌入電源正負(fù)極輸出端12 ;兩個(gè)端部線圈骨架3、5分別粘合在圓柱永磁彈簧永磁體1、6內(nèi)側(cè)；端部感應(yīng)線圈9繞制在兩個(gè)端部線圈骨架3、5上；電能處理電路板10通過(guò)電路板引出線11與電源正負(fù)極輸出端12相連接。外殼2為招合金圓筒；所述的圓柱永磁振子4為圓柱永磁體22和圓柱夾鐵21的組合，如圖2所示，圓柱永磁體22與圓柱夾鐵21依次粘合在一起，圓柱永磁振子的兩端為軸向磁化的永磁體22 ；與圓柱永磁彈簧永磁體1、6相排斥。圓柱永磁振子4根據(jù)需要的磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)確定永磁體和夾鐵的尺寸及數(shù)量，采用膠粘的方式將圓柱永磁體22與圓柱夾鐵21連接在一起，且在圓柱夾鐵21兩端的永磁體磁化方向相對(duì)，提高磁場(chǎng)集中度。所述的中間圓環(huán)感應(yīng)線圈8和二個(gè)端部感應(yīng)線圈9由漆包線制成,三個(gè)線圈按照“端部感應(yīng)線圈9一中間圓環(huán)感應(yīng)線圈8—端部感應(yīng)線圈9”的次序串接在一起，圓筒骨架7 上部端部感應(yīng)線圈9的引出兩個(gè)出線端與電能處理電路板10的輸入端連接。感應(yīng)線圈均由漆包線繞制，繞制在磁場(chǎng)分布比較集中的位置，其厚度不均勻，實(shí)現(xiàn)輸出電動(dòng)勢(shì)的最大化。如圖3所示，電能處理電路板10按照全橋整流電路、RC濾波電路、儲(chǔ)能電路、DC-DC穩(wěn)壓電路的次序由4個(gè)電路模依次串聯(lián)組成。其中，感應(yīng)線圈的感應(yīng)電流(不穩(wěn)定交流電)由輸入端VIN傳輸給電能處理電路板10。輸入端VIN的兩根導(dǎo)線分別連接節(jié)點(diǎn)①、②(文中所述節(jié)點(diǎn)為導(dǎo)線連接點(diǎn)，若多個(gè)連接點(diǎn)之間由導(dǎo)線連接，則這些連接點(diǎn)采用同一節(jié)點(diǎn)編號(hào))。全橋整流電路由4個(gè)二極管01、02、03、04組成，二極管01的正、負(fù)極分別接節(jié)點(diǎn)④、①，二極管D2的正、負(fù)極分別接節(jié)點(diǎn)①、③，二極管D3的正、負(fù)極分別接節(jié)點(diǎn)②、①，二極管D4的正、負(fù)極分別接節(jié)點(diǎn)④、②。全橋整流電路的輸入端為節(jié)點(diǎn)①、②，與輸入端VIN連接，全橋整流電路的輸出端為節(jié)點(diǎn)③、④，節(jié)點(diǎn)④接地。RUCl組成的RC濾波電路接全橋整流電路的輸出端，Rl與Cl并聯(lián)，兩端分別接節(jié)點(diǎn)③和地。濾波電路后接儲(chǔ)能電路。儲(chǔ)能電路由防漏電二極管D5和超級(jí)電容電路C2組成，二極管D5正負(fù)極分別接節(jié)點(diǎn)③和⑤，超級(jí)電容C2兩端分別接節(jié)點(diǎn)⑤和地。儲(chǔ)能電路后接DC-DC穩(wěn)壓電路。DC-DC穩(wěn)壓電路由DC-DC穩(wěn)壓芯片(有6個(gè)引腳GND、EN、VBAT, SW、VOUT, FB)和外圍控制元件(電容C3、電容C4、電感LI、電阻R2、電阻R3)組成。其中，DC-DC穩(wěn)壓芯片的引腳GND接地，引腳EN和VBAT接節(jié)點(diǎn)⑤，電容C3兩端分別接引腳GND和節(jié)點(diǎn)⑤，電感LI兩端分別接引腳SW和節(jié)點(diǎn)⑤，電阻R2兩端分別接引腳VOUT和引腳FB，電阻R3兩端分別接引腳FB和地，電容C4兩端分別接引腳VOUT和地。電能處理電路板10的直流穩(wěn)壓輸出端VO的正負(fù)極分別引腳VOUT和地，輸出端VO的正負(fù)極與電源正負(fù)極輸出端12相連接。本實(shí)施例采用的具體材料和器件為感應(yīng)線圈均由外徑O. 15mm的漆包線繞制，3個(gè)感應(yīng)線圈組成感應(yīng)線圈組，其中，2個(gè)500匝線圈固定在2個(gè)永磁彈簧永磁體靠近永磁振子的一側(cè)、I個(gè)1200匝線圈纏繞在永磁振子所處的圓筒骨架位置處的周圍，感應(yīng)線圈組串聯(lián)在一起。永磁體(包括上下圓柱永磁、彈簧永磁體)均采用軸向磁化的釹鐵硼(牌號(hào)N35，直徑20mm,高IOmm),永磁振子采用3個(gè)永磁體與2層軛鐵(直徑20mm,高5mm)粘合在一起。電能處理電路板10中的5個(gè)二極管Dl、D2、D3、D4、D5的型號(hào)為IN4001 ；RC濾波器的電阻Rl為32. 4Ω的金屬膜電阻，Cl為470 μ F鋁電解電容；超級(jí)電容器C2為220mF(松下EECSOHD224H) ；DC-DC穩(wěn)壓芯片為T(mén)LV61220 (德州儀器)，C3、C4均為10 μ F鉭電容，LI為4. 7μΗ電感，R2為1ΜΩ金屬膜電阻，R3為180kΩ金屬膜電阻。經(jīng)該電能處理的直流穩(wěn)壓電能由振動(dòng)發(fā)電裝置的VO端輸出，輸出電壓為3. 3V。為用于小功率電子設(shè)備的永磁振動(dòng)發(fā)電裝置的運(yùn)行示意圖如圖4所示。輸入振動(dòng)直接作用在外殼2上，外殼2的位移變化通過(guò)與其直接連接的永磁彈簧1、6傳遞到永磁振子4上,使得永磁振子4與感應(yīng)線圈8、9之間產(chǎn)生相對(duì)速度和相對(duì)位移,基于電磁感應(yīng)原理使得線圈輸出端(即永磁振動(dòng)發(fā)電機(jī)輸出端)上產(chǎn)生不穩(wěn)定的交流電VIN ;該交流電經(jīng)全橋整流電路(D1、D2、D3和D4組成)處理后 變?yōu)椴环€(wěn)定直流電；不穩(wěn)定直流電中有很多諧波，再通過(guò)RC濾波器(C1、R1組成)后濾除不穩(wěn)定直流電中的部分諧波，使直流電變得比較平穩(wěn)；然后對(duì)儲(chǔ)能電路(D5、C2組成)中的超級(jí)電容進(jìn)行充電并達(dá)到工作電壓，為防止電容儲(chǔ)能向前面電路漏電，儲(chǔ)能電路中加了防漏電二極管D5 ;超級(jí)電容中的儲(chǔ)能再經(jīng)DC-DC穩(wěn)壓電路(DC-DC穩(wěn)壓芯片、C3、LI、R2、R3、C4組成)進(jìn)一步穩(wěn)壓之后，可輸出滿足小功率電子設(shè)備電源要求的穩(wěn)壓直流電，DC-DC穩(wěn)壓電路主要由DC-DC穩(wěn)壓芯片構(gòu)成，輸出電壓VO可通過(guò)設(shè)置外圍控制兀件參數(shù)來(lái)確定。DC-DC穩(wěn)壓電路輸出的穩(wěn)壓直流電由發(fā)電裝置的輸出端12輸出。由于很多小功率電子設(shè)備的工作環(huán)境中都存在較豐富的振動(dòng)能源，因此，本永磁振動(dòng)發(fā)電裝置可以將振動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為穩(wěn)壓直流電，可以作為電壓源替代電池為小功率電子設(shè)備供電。考慮到有些振動(dòng)環(huán)境的不穩(wěn)定性，本永磁振動(dòng)發(fā)電裝置也可以配合電池供電，只在發(fā)電裝置功率不足的時(shí)候用電池供電，延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間。這就減少了小功率電子設(shè)備對(duì)電池的依賴，減少電池的使用也意味著減少了電池對(duì)環(huán)境的污染。本發(fā)電裝置所用的永磁體、漆包線、電路元器件等在市場(chǎng)上均有充足供應(yīng)，質(zhì)量可靠，制造成本低。此外，本發(fā)電裝置是一個(gè)封閉的系統(tǒng)，可防止外界環(huán)境對(duì)其性能的破壞，具有很高的可靠性，能夠長(zhǎng)期使用而無(wú)需維護(hù)，這也大大降低了使用成本。本發(fā)明未盡事宜為公知技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種用于為小功率電子設(shè)備供電的永磁振動(dòng)發(fā)電裝置，其特征該裝置整體結(jié)構(gòu)為軸對(duì)稱式圓柱結(jié)構(gòu)，外殼底部?jī)?nèi)側(cè)固定有下圓柱永磁彈簧永磁體和圓筒骨架，其中圓筒骨架在下圓柱永磁彈簧永磁體外部；圓筒骨架頂部?jī)?nèi)側(cè)固定有上圓柱永磁彈簧永磁體、頂部外側(cè)固定有電能處理電路板；中間圓環(huán)感應(yīng)線圈直接繞制在圓筒骨架上；外殼上端外側(cè)嵌入電源正負(fù)極輸出端；兩個(gè)端部線圈骨架分別粘合在上、下圓柱永磁彈簧永磁體內(nèi)側(cè)；兩個(gè)端部感應(yīng)線圈分別繞制在兩個(gè)端部線圈骨架外側(cè)；圓柱永磁振子懸浮在兩個(gè)端部線圈骨架中間；電能處理電路板通過(guò)電路板引出線與電源正負(fù)極輸出端相連接。
2.如權(quán)利要求I所述的用于為小功率電子設(shè)備供電的永磁振動(dòng)發(fā)電裝置，其特征外殼為鋁合金圓筒。
3.如權(quán)利要求I所述的用于為小功率電子設(shè)備供電的永磁振動(dòng)發(fā)電裝置，其特征所述的圓柱永磁振子為圓柱永磁體和圓柱夾鐵的組合，圓柱永磁振子的兩端為軸向磁化的永磁體；與兩個(gè)圓柱永磁彈簧永磁體相排斥；圓柱永磁體與圓柱夾鐵依次粘合在一起，且在圓柱夾鐵21兩端的永磁體磁化方向相對(duì)。
4.如權(quán)利要求I所述的用于為小功率電子設(shè)備供電的永磁振動(dòng)發(fā)電裝置，其特征所述的永磁振子的永磁體為軸向磁化的釹鐵硼。
5.如權(quán)利要求I所述的用于為小功率電子設(shè)備供電的永磁振動(dòng)發(fā)電裝置，其特征所述的一個(gè)中間圓環(huán)感應(yīng)線圈和二個(gè)端部感應(yīng)線圈由漆包線制成，三個(gè)線圈按照“端部感應(yīng)線圈一中間圓環(huán)感應(yīng)線圈一端部感應(yīng)線圈”的次序串接在一起，圓筒骨架上部端部感應(yīng)線圈的引出兩個(gè)出線端與電能處理電路板的輸入端連接；感應(yīng)線圈均由漆包線繞制。
6.如權(quán)利要求I所述的用于為小功率電子設(shè)備供電的永磁振動(dòng)發(fā)電裝置，其特征電能處理電路板按照全橋整流電路、RC濾波電路、儲(chǔ)能電路、DC-DC穩(wěn)壓電路的次序由4個(gè)電路模依次串聯(lián)組成。
全文摘要
本發(fā)明為一種用于為小功率電子設(shè)備供電的永磁振動(dòng)發(fā)電裝置，該裝置外殼底部?jī)?nèi)側(cè)固定有下圓柱永磁彈簧永磁體和圓筒骨架，圓筒骨架頂部?jī)?nèi)側(cè)固定有上圓柱永磁彈簧永磁體、頂部外側(cè)固定有電能處理電路板；中間圓環(huán)感應(yīng)線圈直接繞制在圓筒骨架上；外殼上端外側(cè)嵌入電源正負(fù)極輸出端；兩個(gè)端部線圈骨架分別粘合在上、下圓柱永磁彈簧永磁體內(nèi)側(cè)；兩個(gè)端部感應(yīng)線圈分別繞制在兩個(gè)端部線圈骨架外側(cè)；圓柱永磁振子懸浮在兩個(gè)端部線圈骨架中間。本發(fā)明可以降低設(shè)備對(duì)電池的依賴，并具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔明了、可靠性高、使用成本低等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H02K35/02GK102882344SQ20121042068
公開(kāi)日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月29日
發(fā)明者王博文, 王志華, 翁玲, 孫英, 黃文美 申請(qǐng)人:河北工業(yè)大學(xué)