用來將機械振動能轉化為電能的電機械發電機和方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及用來將機械振動能轉化為電能的電機械發電機。本發明也涉及使用電機械發電機將機械振動能轉化為電能的方法。特別地，本發明涉及這種裝置，該裝置是微型發電機，該微型發電機能夠將周圍的振動能轉化為電能以便用于例如為智能傳感器系統提供電力。這種系統可以用于許多領域，其中由于消除了電纜或電池而存在經濟或操作優點。
【背景技術】
[0002]用來將機械振動能轉化為電能的電機械發電機在該技術領域中是熟知的，并且由機械共振器組成，所述機械共振器具有電磁感應或壓電功率變換。在任一情況中，該機械共振器由簧載質量塊組成。已知使用電機械發電機來從周圍振動獲取有用的電功率，例如，用來為無線傳感器提供功率。具有其它變換系統(諸如磁致伸縮或靜電系統)的發電機也是已知的。
[0003]典型的電機械發電機是磁體-線圈發電機，該磁體-線圈發電機由機械彈簧-質量塊組合組成，該機械彈簧-質量塊組合附接到磁體或線圈使得當該系統振動時線圈穿過由磁芯形成的磁通。當振動時移動的質量塊典型地安裝在懸臂梁上。該梁可以或者連接到磁芯，該線圈相對于用于該裝置的罩殼被固定，或者反過來。
[0004]該電機械發電機在使用中可能受到大的沖擊力或振動，該大的沖擊力或振動弓I起簧載質量塊以過度大的幅值振蕩，其結果是該質量塊在其行程的極限處可能物理地撞擊該裝置的外部殼體或其它部件。雖然在理論上可以使該質量塊與該殼體和其它部件更遠地相間隔以適應這種大的振蕩幅值而不發生撞擊，但這給予總裝置較大的體積，該較大的體積限制其在較小空間中的應用，很可能增加其重量，并且需要使用更多的材料來形成該殼體。如果沒有殼體，或者如果該質量塊與殼體和其它部件更遠地相間隔以避免這種撞擊，則該質量塊可能以過度大的幅值振蕩，這通過重復地超過彈簧材料的比例極限而引起彈簧的永久損壞或劣化。在任一情況中，可以預期，具有過度大的幅值的這種撞擊或振蕩，將使電機械發電機的操作壽命縮短到不可接受的程度。
[0005]共振振動能量采集器有利地被設計使得它們的品質因子盡可能高。這是因為較高的功率可以通過較高品質共振器而被產生。然而，如果這種裝置位于驅動振動變得在幅值上高于預期的環境中，或者如果這種裝置受到偶然的大沖擊力，則共振器的振蕩幅值可能變得大于所設計或適應的振蕩幅值。這個振蕩幅值可能引起共振質量塊撞擊該裝置殼體或其它部件，并且潛在地在延長的暴露之后，導致永久的裝置損壞。
[0006]因此，需要提供一種電機械發電機，該電機械發電機適應簧載質量塊的振動或振蕩的幅值可能以間歇的且不可預測的方式隨時間變化的可能性，并且因此，由于不安全的幅值而損壞的可能性可被減小，并且因此可以提高操作壽命。
【發明內容】
[0007]本發明旨在提供用來將機械振動能轉化為電能的改進的電機械發電機，該改進的電機械發電機可以滿足這個需要。
[0008]本發明也旨在提供一種緊湊的電機械發電機，該緊湊的電機械發電機用來將機械振動能轉化為電能。
[0009]本發明也旨在提供一種用來將機械振動能轉化為電能的改進的電機械發電機，該改進的電機械發電機包括用于其質量塊的振動或振蕩幅值的限制器，當該質量塊以不超過特別的或預定的臨界幅值的幅值振蕩時，該限制器不引起發電機的任何功率損失，因此當電機械發電機在不超過特別的或預定的臨界幅值的特別的或預定的幅值操作范圍中操作時，避免或最小化電機械發電機的能量轉換效率的任何減小。
[0010]本發明因此在第一方面中提供一種用來將機械振動能轉化為電能的電機械發電機，該電機械發電機包括:質量塊，所述質量塊通過偏壓裝置彈性地連接到本體并且適合于相對于所述本體在平衡點附近以一定振蕩幅值振蕩；變換器，所述變換器被構造用來將相對于所述本體的在所述平衡點附近的所述質量塊的振蕩轉化為電能；和彈性裝置，所述彈性裝置布置在所述質量塊與所述本體中的一者和所述偏壓裝置之間，其中，所述彈性裝置被構造用來僅當所述振蕩幅值超過預定的非零臨界幅值時在所述質量塊與所述本體中的一者和所述偏壓裝置之間變形。
[0011]在這里，通過“非零”意指預定的臨界幅值不是零幅值。因此，當該質量塊以預定的臨界幅值振蕩時，該質量塊相對于該本體在平衡點附近振蕩、振動或運動。
[0012]該發電機被構造成使得該質量塊被允許相對于本體在平衡點附近以不超過預定臨界幅值的振蕩幅值振蕩，而彈性裝置不變形，例如，不被壓縮在質量塊與本體中的一者和偏壓裝置之間。因此，在這種情況中，當質量塊的振蕩幅值不超過特別的或預定的臨界幅值時，彈性裝置不引起該發電機的任何功率損失。然而，該發電機被構造成使得當振蕩幅值超過預定臨界幅值時，諸如當它受到強烈的沖擊時，彈性裝置隨后變形，例如，被壓縮在質量塊與本體中的一者和偏壓裝置之間以充當限制器，該限制器限制振蕩幅值。
[0013]因此，體現本發明的電機械發電機在它可能受到偶然的強烈沖擊的環境中具有特別的效用。
[0014]任選地，所述彈性裝置被構造用來當所述彈性裝置在所述質量塊與所述本體中的一者和所述偏壓裝置之間變形時接觸所述偏壓裝置。替代地，所述電機械發電機包括硬的或剛性的裝置(諸如彈性擋圈)，所述硬的或剛性的裝置被構造用來當所述彈性裝置在所述質量塊與所述本體中的一者和所述偏壓裝置之間變形時隔離所述彈性裝置與所述偏壓
目.ο
[0015]所述彈性裝置可以被安裝在所述質量塊與所述本體中的一者上。當所述質量塊處于所述平衡點時所述彈性裝置可以與所述偏壓裝置相間隔。優選地，彈性裝置安裝到其上的質量塊與本體中的一者包括彈性裝置所接觸的硬的表面或座。該硬的表面或座可以由硬的部件提供，該硬的部件諸如質量塊或本體的環形或非環形的部件。
[0016]所述彈性裝置可以安裝在所述偏壓裝置上。當所述質量塊處于所述平衡點時所述彈性裝置可以與所述質量塊與所述本體中的一者相間隔。
[0017]優選地，所述彈性裝置的彈簧常數大于所述偏壓裝置的彈簧常數。然而，該彈性裝置的彈簧常數可以小于或等于偏壓裝置的彈簧常數。
[0018]所述彈性裝置可以包括下述選項中的一者:彈簧墊圈、螺旋彈簧以及彈性體裝置或嵌條，諸如O型環。所述彈簧墊圈可以選自由以下選項組成的組:Belleville墊圈、彎曲的圓盤彈簧、波形墊圈以及開口墊圈。優選地，所述彈性裝置是單體式的順從裝置。
[0019]所述電機械發電機可以包括彈簧裝置，所述彈簧裝置布置在所述質量塊與所述本體中的一者和所述偏壓裝置之間，并且被構造用來將所述彈性裝置偏壓在所述偏壓裝置和所述質量塊與所述本體中的所述一者之一上。優選地，該彈性裝置僅通過彈簧裝置被保持在偏壓裝置、質量塊或本體上。即，優選地，該彈性裝置不附著或另外固定到偏壓裝置、質量塊與本體中的一者上。
[0020]在該電機械發電機的使用中，該質量塊和彈性裝置受到加速。該彈簧裝置應當足夠剛性以耐受來自第一彈性裝置的任何慣性力。即，當彈性裝置安裝在質量塊和偏壓裝置中的一者上時，雖然不是必需的，但優選的是，在該質量塊的振蕩期間總是保持彈性裝置與質量塊和偏壓裝置中的一者接觸。為了實現這個，在發電機的組裝時，彈簧裝置可以以壓縮狀態被安裝在質量塊與偏壓裝置中的一者和彈性裝置之間(這暗示彈簧裝置的最小彈簧應變率)，使得當質量塊處于平衡點時彈性裝置被偏壓在偏壓裝置和質量塊中的一者上。然而，彈簧裝置應當是充分順從的，以保證在質量塊的振蕩期間當彈性裝置變形時，彈性裝置保持與質量塊和偏壓裝置中的一者接觸(這暗示彈簧裝置的最大彈簧應變率)。彈簧裝置的彈簧常數可以在偏壓裝置和彈性裝置的相應彈簧常數中間。
[0021]該彈簧裝置可以包括彈簧墊圈，諸如Belleville墊圈、彎曲的圓盤彈簧、波形墊圈和開口墊圈中的一者。優選地，彈簧裝置是單體式的順從裝置。
[0022]優選地，所述質量塊通過所述偏壓裝置并且通過第二偏壓裝置彈性地連接到所述本體，所述偏壓裝置和所述第二偏壓裝置中的每一個偏壓裝置沿相反的兩個方向中的相應一個方向朝所述平衡點偏壓所述質量塊。所述質量塊可以彈性地連接到所述本體以便沿軸線進行直線振動運動。偏壓裝置和第二偏壓裝置可以沿該軸線相互間隔。
[0023]所述彈性裝置可以具有孔，所述軸線穿過所述孔。優選地，所述彈性裝置關于所述軸線旋轉對稱。
[0024]優選地，所述電機械發電機包括第二彈性裝置，所述第二彈性裝置布置在所述質量塊與所述本體中的一者和所述第二偏壓裝置之間。當彈性裝置布置在質量塊與本體中選定的一者和偏壓裝置之間時，優選地，第二彈性裝置布置在質量塊與本體中相同地選定的一者和第二偏壓裝置之間。
[0025]所述第二彈性裝置可以被安裝在所述質量塊與所述本體中的一者上。當所述質量塊處于所述平衡點時所述第二彈性裝置可以與所述第二偏壓裝置相間隔。優選地，第二彈性裝置安裝到其上的質量塊與本體中的一者包括第二彈性裝置所接觸的硬的表面或座。該硬的表面或座可以由硬的部件提供，該硬的部件諸如質量塊或本體的環形或非環形的部件。
[0026]優選地，所述第二彈性裝置包括下述選項中的一者:彈簧墊圈、螺旋彈簧以及彈性體裝置或嵌條，諸如O型環。優選地，所述第二彈性裝置包括彈簧墊圈，所述彈簧墊圈選自由以下選項組成的組:Belleville墊圈、彎曲的圓盤彈簧、波形墊圈以及開口墊圈。優選地，所述第二彈性裝置是單體式的順從裝置。
[0027]優選地，所述彈性裝置包括第一 Belleville墊圈并且所述第二彈性裝置包括第二 Belleville墊圈。第一和第二 Belleville墊圈可以布置成以它們的內側相互面對。替代地，第一和第二 Belleville墊圈可以布置成以它們的內側相互背離。仍然替代地，第一和第二 Belleville墊圈可以布置成以它們的相應內側面向相同的方向，即，不相互面對或相互背離。
[0028]所述電機械發電機可以包括第二彈簧裝置，所述第二彈簧裝置布置在所述質量塊與所述本體中的一者和所述第二偏壓裝置之間，并且被構造用來將所述第二彈性裝置偏壓在所述第二偏壓裝置和所述質量塊與所述本體中的所述一者之一上。優選地，該第二彈性裝置僅通過第二彈簧裝置而被保持在第二偏壓裝置、質量塊或本體上。即，優選地，該第二彈性裝置不附著或另外固定到第二偏壓裝置、質量塊與本體中的一者上。第二彈簧裝置可以具有上述彈簧裝置的各個性質中的任何性質。特別地，第二彈簧裝置的彈簧常數可以在第二偏壓裝置和第二彈性裝置的相應彈簧常數中間。
[0029]本發明的第二方面提供一種用來將機械振動能轉化為電能的電機械發電機，該電機械發電機包括:質量塊，所述質量塊通過偏壓裝置彈性地連接到本體并且適合于相對于所述本體在平衡點附近振蕩