專利名稱：用于將機械振動能轉換為電能的機電式發電機的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于將機械振動能轉換為電能的機電式發電機。特別是，本發明涉及一種這樣的裝置其是一種微型化的發電機，該發電機能將周圍環境的振動轉換為電能，其例如被用于向智能化的傳感器系統供電。這樣的系統可被應用在許多場合中，在這些場合中，由于取消了供電線纜或電池，所以帶來了經濟性或工作性能方面的益處。
背景技術：
目前，在用于無線傳感器的替代電源領域，研發活動越來越活躍，在現有技術中，這些裝置被描述為用于執行“能量采收”工作。
已知的是使用機電式發電機來從環境振動中采收可用的電能。普通的磁體-線圈式發電機是由聯接到磁體或線圈上的彈簧-質量體組合體構成的，其中，按照這樣的形式來進行聯接當系統振動時，使得線圈能切割由磁芯所產生的磁通。質量體被安裝到懸臂梁上，當其被振動時，其產生運動。懸臂梁或者是被連接到磁芯上，而線圈相對于裝置所用的罩殼則是固定的，或者是相反的情況。
使用懸臂梁作為彈簧會帶來一些技術上的問題。首先，懸臂梁圍繞其中間位置的運動是非線性的。因而，磁體與線圈之間的任何磁耦合都不是優化的—除非這些組成部件采用了相對復雜的形態。
此外，或者是線圈或者是磁體被安裝成可在懸臂梁上實現諧振運動。在任何一種情況下，必須對安裝在懸臂梁上的質量體進行精心的控制，以確保系統的固有頻率對應于所設計的固有頻率。對于某些結構形式，對質量體進行這樣的精心控制在實際情況中可能是難于實現，而且會極大地增加制造成本，這是由于制造具有所需質量的質量體的難度和復雜性所致。
另外，本領域公知的設計規律是磁芯發電機中彈簧-質量體組合體的質量越大，發電機的輸出電功率越大。但是，在實踐中，將過大的質量體裝在懸臂梁上、同時不僅保持著對固有頻率的精確控制而且實現了緊湊而堅固的結構將是有難度的。
但是，現有機電式發電機—特別是具有懸臂梁的機電式發電機存在的主要問題是其電力輸出通常太低。這是由于磁體-線圈式發電機中彈簧-質量體組合體存在的一個因素所致圍繞著額定固有頻率的諧振帶寬區間狹窄。因而，由于在實際情況中的振動通常趨于發生在比圍繞著該固有頻率的帶寬區間更為寬廣的頻率帶寬中，所以，實際情況中的磁耦合相比于理論上的最大設計值被減弱了。這反過來就意味著可從機電式發電機可靠獲取的最大電壓相對較低。反過來，這會嚴重地限制機電式發電機的工作應用場合。
現有機電式發電機存在的兩個主要問題是它們產生出的電力輸出太少，且工作帶寬太窄。通過增大裝置中的運動質量體可提高電力輸出，但帶寬只能通過增大電磁耦合來改善。在裝置并非精確地工作在其固有頻率上的條件下，更高的電磁耦合能獲得更多的電力。
在由Amir Therarja等人撰寫的論文“使用基于振動的發電機理的自供電信號處理”(刊登在IEEE期刊的固態電路分冊1998年5月期，第33卷第5冊)中，探討了利用由數字系統所處環境的振動所產生的能量驅動該數字系統的可行性—特別是將運動線圈電磁換能器用作發電機的可行性。在試驗室中進行的試驗中，設計出一種慣性機電式發電機，并制造出了原型機，其由連接到螺旋彈簧上的質量體構成，螺旋彈簧的另一端被連接到剛性的殼體上，以使得質量體被螺旋彈簧懸掛著，從剛性殼體向下懸吊著。隨著殼體被振動，質量體將相對于殼體產生運動，從而將能量存儲在質量體-彈簧系統中。在質量體上附接著線圈，隨著質量體的振動，線圈在位于線圈下方的永磁體B的磁場中運動穿行。運動的線圈將對變化著磁通量進行切割，結果就是，根據法拉第定律，將在線圈中感應出電壓。該電壓就是發電機的電力輸出，其作為調壓器的輸入量。
這種基于試驗室條件的模型機對于本領域中的實際應用沒有任何實用性，這是因為其緊固度不足，且與采用懸臂梁的設計不同，其會受到橫向振動的干擾。
在由Yuen等人所著的論文“用于無線應用的AA尺寸規格的微型能量轉換單元”(刊登在第五屆世界智能控制及自動化年會的會議集中，該年會是于2004年6月15-19日在中華人民共和國的Hangshu召開的)中，公開了一種微發電機的原型機，其與AA規格的電池具有相同的尺寸和大小。該發電機包括由激光微加工成的諧振彈簧，其為螺旋形的平面結構，該彈簧被聯接到稀土永磁體上。該裝置被安裝在內部殼體中。內部殼體的外表面被線圈圍繞著。磁體可在內部殼體中形成的筒形腔室內上下振動。
該裝置所存在的問題在于需要很大的振動振幅來獲得可使用的功率輸出；振幅為250微米的100Hz振動約等同于10g的加速度(其中，g是指由重力引起的加速度)。另外，用微加工工藝制造螺旋彈簧是困難而昂貴的，上述論文得出結論如果能設計出在水平面內旋轉振動—而不是在垂直方向上相對于線圈振動的彈簧，就能提高電壓輸出，并減輕在彈簧制造方面的負擔。
在由Aitcheson等人撰寫的論文“振動驅動微發電機的架構”(刊登在2004年6月期的微機械系統學報上，第13卷第3冊的335-342頁)中，公開了各種機電式發電機。特別是，該論文公開了一種速度阻尼型諧振發電機(VDRG)，該發電機包括用于從質量體-彈簧系統采收能量的阻尼器。該阻尼器例如是由磁體-線圈發電機構成的，該發電機例如是這樣的組合體兩個磁體被安裝到銜鐵上，以形成C形的磁芯，且線圈被布置在兩磁體之間的氣隙中，且與質量體在懸臂梁上的運動方向成直角。
緊固這些現有內容都提出了用于設計理論上的機電式發電機的可行結構，但當機電式發電機被應用在實際應用中時，無法精確地預計固有頻率或最佳的阻尼系數。對該機電式發電機的設計和建造是針對于所認為的最為可能的工作條件進行的。但是，無法保證實際的工作條件與用來將機電式發電機設置得適應特定應用的理想理論條件相對應。在實踐中，機電式發電機被設置成可在符合可能工作條件的狹窄范圍內工作，特別是阻尼系數被設置成這樣使得功率輸出處于在包含最佳功率輸出點的范圍內。但是，針對于特定的應用將實際功率輸出優化的可能性非常小。因此，機電式發電機將機械振動能轉換為電能、進而轉換為可用電力時的工作效率將不會是最大的。
此外，在工作過程中，環境振動的頻率可能會改變。由于存在這樣的變化，現有的機電式發電機將不能工作在最大效率上。
另外，機電式發電機的阻尼器包括由彈簧支撐著的質量體，其以一定的頻率圍繞著中心點振蕩，希望其中的頻率與裝置在工作中受到的振動頻率相對應。諧振的幅度取決于多個變量—特別是驅動振動的頻率和振幅、諧振器的Q值、諧振器的質量及其固有頻率。
當機電式發電機被應用到從振動體中采收能量的領域中時，這些變量并不能根據所遇到的實際條件全部預測出。由彈簧支撐著的質量體的振幅可能會隨著時間以間歇且不可預測的形式變化著。
發明內容
本發明致力于提供一種改進的機電式發電機，其用于將機械振動能轉換為電能。
本發明的目的還在于至少部分地克服現有機電式發電機所存在問題的至少一部分，特別是針對于如下類型的機電式發電機的缺陷其包含有磁體-線圈型發電機，這種類型的發電機包括彈簧-質量體組合體，在該組合體中，要被振動的質量體被安裝在懸臂梁形式的彈簧上。
本發明還致力于提供一種這樣的改進型機電式發電機在該發電機中，磁體組件相對于線圈的磁性耦合可獲得最大化。
本發明還力圖提供這樣一種改進型機電式發電機在該發電機中，確保了磁體組件相對于線圈的相對直線運動，并阻止了橫向上的運動。
本發明還致力于提供一種改進的機電式發電機，這種機電式發電機可被應用在任何定向方向上。
本發明還致力于提供一種改進的機電式發電機，這種機電式發電機可在最大程度上對線圈產生的磁通量進行切割。
本發明還致力于提供一種改進的機電式發電機，在這種機電式發電機中，固有頻率基本上不受振動振幅的影響。
本發明還致力于提供一種改進的機電式發電機，在這種發電機中，彈簧的特性更有可能在裝置的整個工作壽命期間保持恒定，由此增強了機電式發電機的性能。
本發明還致力于提供一種改進的機電式發電機，在這種發電機中，運動質量體可被制得相對于機電式發電機的尺寸非常高，例如與懸臂梁的設計尺寸相比非常高，這樣的設計能最大化這種的電力輸出。
本發明還致力于提供一種改進的機電式發電機，相比于現有的裝置，這種發電機能產生出更高的輸出電壓。
本發明還致力于提供一種改進的機電式發電機，由于增強了磁耦合而增大了電力輸出，由此可極大地增加這種的工作帶寬。
本發明還致力于提供一種改進的機電式發電機，這種裝置在許多新的能量采收應用領域中的適用能力得到了極大的增強。
本發明還致力于提供一種改進的機電式發電機，可利用簡單的制造工藝、以低廉的生產成本容易而可靠地制造出這種發電機。
本發明還致力于提供一種改進的機電式發電機，其具有可靠而簡單的結構，避免了采用復雜的、錯綜的和/或昂貴的制造技術，所制得的結構是堅固而緊湊的。
本發明還致力于提供一種改進的機電式發電機，其可被安全地使用在存在潛在可燃性的環境中—例如使用在鉆井平臺上。
在第一方面，本發明相應地提供了一種機電式發電機，其包括用于將機械振動能轉換為電能的諧振能量采收器，該機電式發電機包括殼體；固定地安裝在殼體中的導電線圈；磁體組件，其被可動地安裝在殼體中，以便于沿著軸線實現線性振動運動，該磁體組件具有一對對置的磁極表面，它們之間形成了間隙，線圈被布置在該間隙中；以及偏壓裝置，其被安裝在殼體與磁體組件之間，該偏壓裝置沿著所述軸線在相反方向上將磁體組件朝向中間位置偏壓。
優選地是，偏壓裝置圍繞所述中間位置運動時的彈性系數基本上是線性的。
更為優選地是，磁體組件圍繞所述中間位置運動的固有頻率與其相對于中間位置的運動振幅基本上無關。
機電式發電機還包括電絕緣的封裝體，其包圍著導電線圈。
進一步地，機電式發電機還包括用于對導電線圈的輸出進行控制的電路，該電路與導電線圈實現電路連接，且位于封裝體內。
優選地是，封裝體由塑料材料組成。
優選地是，所述電路被設置在電路板上，該電路板與線圈的軸向垂直，且線圈和電路板都與磁體組件圍繞所述中間位置的運動方向垂直。
優選地是，偏壓裝置包括一對彈簧，每個彈簧都與所述軸線在軸向上對正，并沿著軸線在兩相反方向中的一個方向上將可動安裝的磁體組件朝向中間位置偏壓。
更為優選地是，彈簧包括壓縮彈簧。但是，所述彈簧也可包括拉伸彈簧。
有利地是，偏壓裝置環形地圍繞著磁體組件的至少一部分。
優選地是，偏壓裝置適于基本上阻止了磁體組件的非軸向運動。
機電式發電機還包括用于限制磁體組件非軸向運動的約束裝置。磁體組件的運動受到限制，從而其不會接觸到線圈。
優選地是，磁體組件包括圓柱形的磁體、以及第一鐵磁材料體和第二鐵磁材料體，兩鐵磁材料體的轉動軸線都與磁體的圓柱軸線對正，且被聯接到磁體的對應磁極上，第一材料體構成了其中一個磁極表面，第二材料體構成了另一磁極表面。
更為優選地是，磁體組件還包括支撐件，其與所述軸線對正，并被安裝到第一材料體的一個表面上，該表面是遠離磁體的那個表面，偏壓裝置包括第一、第二壓縮彈簧，兩彈簧在所述軸線上沿相反的方向對磁體組件施加偏壓作用，第一壓縮彈簧被安裝在第一材料體與殼體之間，第二壓縮彈簧被安裝在支撐件與殼體之間。
優選地是，殼體具有凸緣，第一、第二壓縮彈簧分別抵接在該凸緣的兩相反環形表面上。
更為優選地是，每個壓縮彈簧都具有兩個相反的端部，每個端部都可拆卸地座承在殼體或支撐件上的環形溝槽中。
可選地是，圓柱形磁體被容納在第一材料體中的空腔中，且該磁體的第一磁極靠近空腔的底壁，第二材料體被安裝在圓柱形磁體的第二磁極上，在空腔的圓筒形內表面與第二材料體的圓柱形外表面之間形成了間隙，且該間隙是環形的。
偏壓裝置在其自身的偏壓作用下，可拆卸地安裝在殼體與磁體組件之間。
優選地是，磁體組件圍繞所述軸線是軸對稱的。
優選地是，磁體組件的一個端面遠離所述線圈，且該端面上帶有與所述軸線對正、且圍繞著該軸線軸對稱的空腔。
優選地是，殼體的內部容積中包含有氣體，殼體還包括氣密密封件，其包圍著殼體，用于將殼體的內部容積氣密地密封起來，還在運動元件上設置了至少一個通氣口，以便于對殼體容積內的氣體壓力差進行均衡，其中，該氣體壓力差是由于磁體組件沿軸線的運動而產生的。
在第二方面，本發明提供了一種機電式發電機，其包括用于將機械振動能轉換為電能的諧振能量采收器，該機電式發電機包括導電線圈；磁體組件，該磁體組件具有一對對置的磁極表面，它們之間形成了間隙，線圈被布置在該間隙中，線圈和磁體組件中的其中之一被固定著，而它們中的另一者則被可動地安裝著，以便于沿著軸線實現線性的振動運動；以及一對彈簧，每個彈簧都在軸向上與所述軸線對正，并沿軸線在兩個相反方向中的其中一個方向上將可動安裝的線圈或磁體組件朝向中間位置偏壓。
優選地是，磁體組件被可動地安裝，線圈被固定。作為替代方案，線圈被可動地安裝著，磁體組件被固定著。
在第三方面，本發明提供了一種機電式發電機，其包括用于將機械振動能轉換為電能的諧振能量采收器，該機電式發電機包括導電線圈；磁體組件，其被可動地安裝著，以便于沿著軸線實現線性的振動運動，磁體組件具有一對對置的磁極表面，它們之間形成了間隙，線圈被布置在該間隙中；以及偏壓裝置，其環形地圍繞著磁體組件的至少一部分，偏壓裝置沿著軸線在相反方向上將磁體組件朝向中間位置偏壓。
在第四方面，本發明提供了一種機電式發電機，其包括用于將機械振動能轉換為電能的諧振能量采收器，該機電式發電機包括導電線圈；磁體組件，其被可動地安裝著，以便于沿著軸線實現線性的振動運動，磁體組件具有一對對置的磁極表面，它們之間形成了間隙，線圈被布置在該間隙中；以及偏壓裝置，其沿著軸線在相反方向上將磁體組件朝向中間位置偏壓，該偏壓裝置基本上阻止磁體組件的非軸向運動。
在第五方面，本發明提供了一種機電式發電機，其包括用于將機械振動能轉換為電能的諧振能量采收器，該機電式發電機包括導電線圈；磁體組件，其被可動地安裝著，以便于沿著軸線實現線性的振動運動，磁體組件具有一對對置的磁極表面，它們之間形成了間隙，線圈被布置在該間隙中；偏壓裝置，其沿著軸線在相反方向上將磁體組件朝向中間位置偏壓；以及約束裝置，其用于限制磁體組件的非軸向運動。
在第六方面，本發明提供了一種機電式發電機，其包括用于將機械振動能轉換為電能的諧振能量采收器，該機電式發電機包括導電線圈；磁體組件，其被可動地安裝著，以便于沿著軸線實現線性的振動運動，磁體組件具有一對對置的磁極表面，它們之間形成了間隙，線圈被布置在該間隙中，該磁體組件包括圓柱形磁體、以及第一和第二鐵磁材料體，每個鐵磁材料體的轉動軸線都與磁體的圓柱軸線對正，且兩材料體被聯接到磁體的對應磁極上，第一材料體形成了一個磁極表面，第二材料體形成了另一磁極表面；以及偏壓裝置，其沿著軸線在相反方向上將磁體組件朝向中間位置偏壓。
在第七方面，本發明提供了一種機電式發電機，其包括用于將機械振動能轉換為電能的諧振能量采收器，該機電式發電機包括殼體；固定地安裝在殼體中的導電線圈；磁體組件，其被可動地安裝在殼體中，以便于沿著軸線實現線性振動運動，該磁體組件具有一對對置的磁極表面，它們之間形成了間隙，線圈被布置在該間隙中，磁體組件包括與軸線對正的磁體、以及第一和第二鐵磁材料體，兩材料體都與軸線對正，且被聯接到磁體的對應磁極上，第一材料體形成了一個磁極表面，第二材料體形成了另一磁極表面；支撐件，其與所述軸線對正，并被安裝到第一材料體的一個表面上，該表面是遠離磁體的表面；以及第一和第二壓縮彈簧，它們沿著軸線在相反方向上對磁體組件施加偏壓作用，第一壓縮彈簧被安裝在第一材料體與殼體之間，第二壓縮彈簧被安裝在支撐件與殼體之間。
在第八方面，本發明提供了一種機電式發電機，其包括用于將機械振動能轉換為電能的諧振能量采收器，該機電式發電機包括導電線圈；磁體組件，其被可動地安裝著，以便于沿著軸線實現線性的振動運動，磁體組件具有一對對置的磁極表面，它們之間形成了間隙，線圈被布置在該間隙中；以及偏壓裝置，其沿著軸線在相反方向上將磁體組件朝向中間位置偏移，其中，磁體組件圍繞著所述軸線是軸對稱的。
在第九方面，本發明提供了一種機電式發電機，其包括用于將機械振動能轉換為電能的諧振能量采收器，該機電式發電機包括導電線圈；磁體組件，其被可動地安裝著，以便于沿著軸線實現線性的振動運動，磁體組件具有一對對置的磁極表面，它們之間形成了間隙，線圈被布置在該間隙中；以及偏壓裝置，其沿著軸線在相反方向上將磁體組件朝向中間位置偏壓，其中，磁體組件上遠離線圈的端面具有空腔，該空腔與軸線對正，且圍繞著軸線是軸對稱的。
在第十方面，本發明提供了一種機電式發電機，其包括用于將機械振動能轉換為電能的諧振能量采收器，該機電式發電機包括殼體，該殼體的內部容積中包含有氣體；被安裝在殼體中的導電線圈；磁體組件，其被安裝在殼體中，磁體組件具有一對對置的磁極表面，它們之間形成了間隙，線圈被布置在該間隙中，線圈和磁體組件被安裝成可在軸線上實現二者之間的相對線性振動運動；偏壓裝置，其位于殼體中，其沿著軸線在相反方向上將運動元件朝向中間位置偏壓，其中的運動元件包括線圈和磁體組件的至少之一；氣密的密封件，其包圍著殼體，用于對殼體內部容積進行氣密地密封；以及位于運動元件上的至少一個通氣口，以便于對殼體容積內的氣體壓力差進行均衡，其中，該氣體壓力差是由于運動元件沿軸線的運動而產生的。
下面將參照附圖對本發明的一些實施方式進行描述，該描述僅是示例性的，在附圖中 圖1是根據本發明一種實施方式的、用于將機械振動能轉換為電能的機電式發電機的示意性透視圖； 圖2是沿圖1中的I-I線對機電式發電機所作的示意性剖面圖； 圖3中的圖線表示了對于理論上的機電式發電機，功率與換能效率之間的關系； 圖4中示意性的側視圖表示了兩壓縮彈簧之間的材料體組件； 圖5中的圖線表示了對于圖4所示組件，壓縮量與作用力之間的關系； 圖6是與單個彈簧鄰近的材料體組件的示意性側視圖； 圖7中的圖線表示了對于圖6所示組件，壓縮量與作用力之間的關系；以及 圖8中的示意性剖面圖與圖2類似，表示了根據本發明第二實施方式的、用于將機械振動能轉換為電能的機電式發電機。
具體實施例方式 本發明的機電式發電機在本技術領域中被稱為“速度-阻尼”型諧振發電機，在這種發電機中，由慣性質量相對于殼體運動所做的所有功與該運動的即時速度成比例。不可避免的是，這些功中的一部分將被吸收掉，以克服不利的機械或電路損耗，但通過合適的換能機構—例如下文描述的電路線圈/磁體組件，可用剩余部分的功來產生出電流。
圖1和圖2表示了根據本發明一種實施方式的、用于將機械振動能轉換為電能的機電式發電機2。該機電式發電機2具有殼體4。殼體4包括外周壁6和頂蓋8，在頂蓋8的各個拐角處，利用螺栓10將該頂蓋牢固地裝配到外周壁6上。頂蓋8是方形的，且外周壁6為殼體形成了具有方形橫截面的外表面12，并圍成了具有筒形橫截面的內部容積14，其具有旋轉軸線A-A。制有貫通頂蓋8的圓形開孔16，該開孔與筒形橫截面的內部容積14同軸。
導電線圈18被固定地安裝在殼體4中，特別是，其被附接到頂蓋8面向內側的表面20上，從而延伸到內部容積14中。線圈18是圓形的，其與開孔16同軸。線圈18的內徑與開孔16的內徑大體上是相同的。線圈18的引線22延伸穿過頂蓋18上的孔洞24，以便于與外部的電路(圖中未示出)進行連接。
磁體組件26被可動地安裝在殼體4中，以便于沿著軸線A-A實現線性的振動運動。磁體組件26是軸對稱的，其具有一對對置的圓柱磁極表面28、30，兩表面之間形成了環形的間隙32。線圈18被布置在間隙32中，并使得線圈18的圓柱外表面34、圓柱內表面36分別與對應的內外圓柱磁極表面28、30間隔開小的距離，該距離通常約小于1mm。磁體組件26包括圓柱形的磁體38，其通常是磁場強度很高的稀土永磁體；以及第一和第二鐵磁材料體40、42，兩材料體的轉動軸線都與磁體38的圓柱形軸線對正。磁體38的圓形平面端44、46具有相反的極性(即N極和S極)。第一、第二鐵磁材料體40、42都被聯接到磁體38的對應磁極上，且第一材料體40形成了一個磁極表面28，第二材料體42形成了另一個磁極表面30。
第一鐵磁材料體40是由上部部件48組成的。上部部件48被組裝到下部支撐件80上，兩部件都是軸對稱的，且上部部件48和支撐件80是同軸的。上部部件48基本上是杯形的，其具有圓形的底壁50，磁體38的一個磁極同軸地布置在該底壁的內表面52上。在底壁50上設置了圓形的淺凹陷54，用于接納磁體38。整體式的環壁56從底壁50向上延伸，且其上邊緣58處制有整體凸緣60，該凸緣從上邊緣58向徑向外側延伸。上邊緣58的上部內周表面形成了磁極表面28。凸緣60面向下方的環形表面62具有環形的凹陷64。底壁52的外表面66具有圓形的抵接部68，其與螺紋盲孔70同軸。
支撐件80總體上也是杯形的，但其顛倒的定向姿態與上部部件48是相反的。支撐件80圓形頂壁82的外表面84靠近上部部件48底壁52的外表面66。在頂壁82上設置了圓形的淺凹陷86，以便于接納圓形抵接部68。螺釘88向上延伸地穿過頂壁82上的孔洞90，并伸入到螺紋盲孔70中。因此，螺釘88將上部部件48與支撐件80緊固地固定到一起。整體式的環壁94從頂壁82向下延伸，且該環壁的下邊緣96處具有向徑向外側延伸的整體凸緣98。凸緣98面向上方的環形表面100上具有環形凹陷102。
第二鐵磁材料體42包括盤形體104，其底面108上具有淺凹陷106，磁體38的上表面110被接納在該凹陷106中。盤形體104的外周面112形成了磁極表面30。盤形體104的上表面114與凸緣60和上邊緣58的環形上表面處于同一平面上。
上部部件48底壁52的厚度小于支撐件80頂壁82的厚度，這使得上部部件48(在軸向上)的高度大于支撐件80的高度。這樣設置是為了將由第一、第二鐵磁材料體40和42以及磁體38構成的磁體組件布置到此間，且使得重心基本上位于軸向上的中間高度處，更為優選地是，使得重心位于磁體組件的幾何中心處。
偏壓裝置120被安裝在殼體4與磁體組件26之間。如圖2所示，偏壓裝置120沿著軸線在相反方向上將磁體組件26朝向中間位置偏壓，在圖2中，線圈18相對于兩個相對的磁極表面28和30基本上處于軸向上的中間位置處。
偏壓裝置120包括一對螺旋壓縮彈簧122、124。每個壓縮彈簧122、124都與軸線A-A在軸向上對正，并在軸線上沿著兩相反方向中的一個方向將可動安裝的磁體組件26朝向中間位置偏移。當磁體組件16在中間位置處達到平衡狀態時，兩壓縮彈簧122、124對磁體組件26施加了相同的機械偏壓力。兩壓縮彈簧122、124具有相同的彈性常數、相同的自然長度，且當磁體組件26在中間位置達到平衡時，兩彈簧受到同等的壓縮。
但是，由于總的彈性常數是兩彈簧彈性常數的之和，所以，兩壓縮彈簧122、124不必具有相同的屬性。
殼體4外周壁6的內表面具有向徑向內側延伸的整體式中間凸緣128。凸緣128具有分別面向上方和面向下方的環形表面130、132，每個表面都具有各自的環形凹陷134、136。
上壓縮彈簧122具有相反的上端128和下端140，它們分別被容納、座承在凸緣60的環形溝槽64和凸緣128的環形溝槽134中。下壓縮彈簧124具有相反的上端142和下端144，它們分別被容納、座承在凸緣128的環形溝槽136和凸緣98的環形溝槽102中。因而，壓縮彈簧122、124環形地圍繞著磁體組件26的至少一部分，當機電式發電機2受到機械力—特別是至少具有軸線A-A方向的運動分量的機械振動的作用時，磁體組件26將沿著軸線A-A作軸向運動。壓縮彈簧122、124在橫向上具有很高的剛性，也就是說，在徑向方向上的剛性很高，從而可基本上防止磁體組件26出現非軸向運動。將壓縮彈簧122、124的端部138、140、142、以及144座承在凸緣60、98、128上環形溝槽中的設計能防止這些端部138、140、142、144在橫向上—即在徑向上運動，從而構成了限制磁體組件26產生非軸向運動的約束裝置。
第二部件80的圓形頂壁82限定了磁體組件26上遠離線圈18的端面146，圓形頂壁82和環壁94圍成了圓筒形的空腔146，其接近于端面26，該空腔與軸線A-A對正，并圍繞著該軸線為軸對稱。
殼體4的內部容積150中具有氣體。氣密的密封件152包圍著殼體4，以便于對殼體4的內部容積150進行氣密地密封。在磁體組件26上設置了至少一個通氣口154，其延伸穿過底壁52、82，以便于對殼體容積150內部的壓力差進行平衡，其中，該壓力差是由于磁體組件26沿軸線運動而產生的。
該機電式發電機2采用了安裝在殼體4中的諧振質量體-彈簧機構。如果機電式發電機2受到促使其沿軸線A-A運動的外部振動源的作用，則磁體組件26中包含的慣性質量體也將沿著A-A方向相對于殼體4運動。在執行該運動的過程中，每個壓縮彈簧122、124的長度都將改變，它們或者是被壓縮，或者是被拉伸，而且，彈簧將做功來克服由靜止電線圈和可動磁體組件組成的阻尼器的作用，磁體組件將形成磁通區域，電線圈被布置在該磁通區域中。電線圈在磁通中的運動將在電線圈中感應出電流，該電流將被用作驅動外部裝置(圖中未示出)的電力的來源。
盡管在該實施方式中是磁體相對于固定的線圈進行運動，但在備選實施方式中，也可采用相反的結構設計，使得線圈相對于固定著的磁體運動。
另外，盡管在該實施方式中彈簧是壓縮彈簧，但也可采用其它的偏壓元件—例如對置著的拉伸彈簧。
將被用作振動能采收器的機電式發電機被設計成這樣其能在預定的固有頻率上發出最大的電力輸出，該固有頻率對應于激勵振動的頻率。例如，如果該機電式發電機將被聯接到電氣裝置上，且該電氣裝置按照電力網電力的振蕩頻率振動，其中，該頻率例如是50Hz，此條件下，設計的固有頻率與激勵振動的頻率相對應，也將是50Hz。通常很難確保激勵振動的數值不變，所以必須要將機電式發電機設計成這樣即使輸入振動是偏離諧振狀況的，其也能輸出可用的電力。本發明的發明人已確認在振動能采收器實現偏離諧振能量的采集時，電磁換能效率是非常重要的因素。特別是，對于從質量體-彈簧諧振器系統中可獲取最大能量的頻譜方面，對于采收能量而言，在偏離諧振振動時的換能效率甚至表現得比在諧振振動時的效率更為重要。
下式表示出了在某個外部電氣負載裝置中、由振動能采收器利用電磁換能作用所產生出的功率 式中a是由頻率為ω的正弦振動分量所引起的加速度幅值；m是諧振器中由彈簧支撐的質量，Qoc是當裝置處于斷路狀態、因而未提取能量時的Q因子(品質)。ωn是振動的固有頻率，其由下式表達 式中k是彈性系數。κ是電磁換能效率，其與線圈中感生出的電動勢EMF相關，在線圈相對于質量體和磁體的相對速度為v的情況下，EMF如下式表達 式中的RC是線圈的電阻。
參數r是負載電阻與線圈電阻的比值 如果r經過了優化(阻抗適配)，則外部負載中的功率就能達到最大。下式給出了最優的電阻比 利用上述的各個公式就能模擬出能量采收器真實的輸出功率。圖3中表示出了功率輸出與電磁換能效率之間的模擬曲線。該曲線是針對于具有下列參數的裝置而計算出的 在許多采收能量的應用場合中，采收器必須要具有能生產出可用功率的最為寬廣的頻帶區間。附圖顯示出為了能將可利用能量的80％提取出來，需要在較寬的頻帶范圍內具有較高的換能效率。為了提取出80％的可利用能量，在頻帶寬度為2％(圍繞著50Hz頻率的1Hz帶寬)時，所需要的換能效率約為諧振時所需效率的一倍。4％的頻帶寬度需要的效率大體上又增加一倍。
因而，該附圖表明的是在具有規定的容積空間的前提下，如果需要獲得有用的頻寬響應，則實現最為有效的電磁轉換機構將是重要的。
根據本發明的實施方式，利用軸對稱的結構設計，能從磁體與線圈之間的相對運動中產生出最高的電壓(每歐姆電阻)。
此外，未表現出線性彈性常數的機械諧振器不具備與振幅無關的固有頻率。諧振振動能量采收器需要恒定的固有頻率(或接近于恒定的固有頻率)。根據本發明的實施方式，機電式發電機提供了一種新的結構，其實現了如下的優點獲得了與振幅無關的固有頻率，且該結構具有基本上恒定的固有頻率。
如圖4和圖5所示，如果一種裝置帶有這樣的結構體其將被布置在兩個類似的對置壓縮彈簧之間，當該裝置處于停息狀態時，兩彈簧都被壓縮，因而被偏壓到它們的線性區域。因而，所合成的圍繞著原點的彈性系數是線性的，該彈性系數是兩單個彈性系數之和。
與此相反，如圖6和圖7所示，如果一種裝置帶有這樣的結構體其將被布置成與單個彈簧(拉伸彈簧或壓縮彈簧)相連接，當處于停息狀態時，彈簧未被偏壓到其線性區域中。因而，所獲得的圍繞著原點的彈性系數是非線性的。從而，固有頻率將受到振幅的影響，因此，除非振幅是恒定的，否則的話固有頻率將不保持恒定。在實際情況中，機電式發電機當被用作能量采收器時，其所經受的振幅將是變化的-而非恒定的。在此條件下，固有頻率將發生變化。
圖8表示了根據本發明第二實施方式的機電式發電機200。與第一實施方式相比，該實施方式在多個方面進行了改動。
殼體204具有圓筒形的外表面206。頂蓋208上未設置有中央開孔。頂蓋208的外凸緣210用螺紋旋接到殼體204的上凸緣212上。另外還設置了底部214，其外凸緣216利用螺紋旋接到殼體204的下凸緣218上。螺紋聯接部被氣密地密封了。按照這種方式，機電式發電機200的整個內部容積220都被氣密地密封起來。除了螺紋聯接結構之外，還可以采用其它聯接結構。
第二鐵磁材料體222與磁體224具有相同的外半徑。第一鐵磁材料體226具有平面的底面228，該底面靠近支撐件232的平面頂面230。沿著軸線A-A布置的軸桿234與第二鐵磁材料體222、第一鐵磁材料體226、以及支撐件232對正，并固定到一起。為了實現無摩擦的縱向運動，軸桿234的上端236和下端238被分別接納在頂蓋208和底部214上的上空腔240和下空腔242中。軸桿234與兩空腔240、242之間的這種相互關系從機械上限制了磁體組件的任何橫向運動。軸桿234具有帶螺紋端244，其利用螺紋接納在支撐件232上的孔腔246中，軸桿還具有徑向擴大的頭部246，其抵承在第二鐵磁材料體222的上表面上。底部214的外表面250上設置有帶螺紋的盲孔252，其用于將該裝置安裝到安裝件(圖中未示出)或振動裝置(圖中未示出)上，其中，將要從該振動裝置中來采收能量。
線圈254與環形的電路板256進行電路連接。電路板256包括用于對線圈254的電力輸出進行控制的電路，其例如對最大輸出電壓進行限制。電路板256所在平面與線圈254的軸向垂直。線圈254和環形電路板256都被封裝在圓形的電絕緣材料體258中，該電絕緣材料例如是鑄塑塑料樹脂，該材料體被固定到頂蓋208的內表面上260上，并包圍著環壁262，環壁262圍繞著頂蓋208上的上空腔240。這樣的設計為線圈及其相關電路板提供了非常緊湊且耐用的結構，形成了具有很高的原有安全性和可靠性的電路結構，而且還易于制造。
在該實施方式中，通常情況下，頂蓋208、殼體204、以及底部214是由鋁材制成的，這樣的材料可被容易地加工為所需的形狀和尺寸。磁體224通常是由NdFeB構成的。第一、第二鐵磁材料體226、222是由鐵構成的，且支撐件232是由致密金屬—例如鎢合金制成的。與第一實施方式的情況相同，對置的螺旋壓縮彈簧264、266將由磁體組件偏壓向中間位置，磁體組件包括第二鐵磁材料體222、磁體224、第一鐵磁材料體226、以及支撐件232，這些組成部件由軸桿234組裝到一起。
該實施方式提供了一種氣密密封的裝置，該裝置具有很高的原有安全性，并且，例如利用現有的加工操作就能容易地制造出該裝置。
本發明機電式發電機的構造相比于現有的機電式發電機實現了許多顯著的技術優點。
首先，通過使得磁體組件相對于線圈在軸向上作線性運動，可增強磁體組件與線圈之間的磁耦合。與此相反，如果與被用作能量采收裝置的現有機電式發電機一樣用懸臂梁來構成彈簧，則磁體組件與線圈之間的相對運動就不是線性的，而是沿著曲線進行運動，這就減弱了二者之間的磁耦合，并降低了電力輸出。
其次，通過設置具有很高橫向剛性的壓縮彈簧，并牢固地座承著彈簧的端部以防止其出現平移運動，可確保磁體組件相對于線圈的線性相對運動，并防止出現橫向運動。通過阻止了橫向運動，可以使磁極表面非常靠近線圈，例如實現了小于1mm的距離，在磁體組件被振動時，這樣小的距離會在被線圈切割的極靴之間實現最大的磁通密度。
第三，設置了對置的壓縮彈簧，而且這些彈簧能在相反的方向上有力地對磁體組件進行偏壓，使其圍繞著中間平衡位置運動，由此，機電式發電機可被應用在任何定向狀態下。磁體組件可克服著彈簧的偏壓作用按照任何定向角度圍繞著中間位置進行振動，且振動特性和性能都與定向狀態無關。與普通的機電式發電機相比，這是一個根本性的區別，并帶來了顯著的實用性優點。
第四，通過設置了對置的壓縮彈簧、且這些彈簧能在相反的方向上有力地對磁體組件進行偏壓、使其圍繞著中間平衡位置運動，機電式發電機使得線圈對磁通量的切割達到最大。在中間位置處，對磁通的切割達到最大。
第五，表現為機電式發電機的諧振能量采收器需要預定的固有頻率，且希望該固有頻率基本上是恒定的。在本發明的機電式發電機中，壓縮彈簧的受壓/被拉伸是圍繞著受壓的中間位置進行的，這就增大了彈簧壓縮/拉伸特性—特別是彈性系數的線性度。這就使得固有頻率與磁體組件的振幅基本上是無關的。另外，壓縮彈簧的特性更易于在裝置的整個工作壽命期間保持恒定，由此可提高機電式發電機的性能。
第六，磁體組件的質量被制得相對于裝置的尺寸而言非常大，從而增大了裝置的總體質量密度，使得裝置例如與懸臂梁型裝置相比具有更大的質量密度。對于由裝置占據的給定容積而言，可獲得更大的運動質量。出于上文提到的原因，這一特點也能增大電力輸出。
這些優點共同有助于使本發明的機電式發電機對于50Hz的輸入振動能產生出50伏特的輸出電壓(且峰-峰電壓為200伏特)，上述結果是基于如下條件獲得的機電式發電機(其總體外部尺寸為50mm2×50mm高)例如被安裝到電動泵的外殼上，將要對該電動泵的振動能進行收集。由此增強了磁耦合作用而增大了電力輸出，由此可極大地增加裝置的工作頻寬。反過來，這會提高裝置被應用到許多新的能量采收領域中的可能性。
第七，磁體組件的質量對機電式發電機的固有頻率產生了影響。需要對機電式發電機的運動質量進行控制，以便于將機電式發電機調諧到所需的固有頻率上，該頻率是當裝置從振動物體上收集能量時其將要在應用環境中受到的振動的頻率。通過為磁體組件設計出外露的端面，能利用車床等機加工工具容易地對該端面進行加工，以便于將多余的材料從磁體組件上去除掉，由此能減小磁體組件的質量，其中，端面通常是由不銹鋼等金屬制成的。將端面切去到所需的深度可擴大端面以下的軸對稱空腔。由于第一材料體上的至少第二部分是軸對稱的，所以可在車床上容易地加工這一部分。例如與采用懸臂梁的機電式發電機相比，可對磁體組件的部件進行機加工、進而制造出這些部件并控制其質量的能力是另一個突出的技術優勢。這樣可顯著地降低制造成本。
第八，在該機電式發電機中可使用簡單的壓縮彈簧。這些彈簧并不需要被結合到任何其它部件上。只需要將彈簧的端部可拆卸地座承在對應的環形溝槽中、并圍繞著可動磁體組件的外部進行布置即可。每個壓縮彈簧都是在自身的偏壓作用下被可拆卸地安裝著。這就獲得了可阻止磁體組件橫向運動的可靠而簡單的結構，且摩擦作用很低，并避免了采用復雜、繁瑣和/或昂貴的制造工藝。所制得的結構是堅固而緊湊的。
第九，常常需要將機電式發電機使用在潛在可燃的環境—例如石油鉆井平臺中。在這樣的環境中，絕對嚴格的一點是機電式發電機意外產生的電火花不會對設施的安全性造成損害—特別是在機電式發電機能產生出高輸出電壓的情況下。通過設置了包圍著機電式發電機的氣密密封件，可防止任何可燃性蒸氣侵入到機電式發電機中。可在機電式發電機中氣密地密封惰性氣體。作為備選方案，可將殼體內部的容積整體或部分地排空。
在圖示的實施方式中，線圈是靜止的，磁體是動態的。這樣進行設計的優點在于在線圈固定的情況下，更易于完成與線圈的電路連接，且更為可靠。但是，在本發明的備選實施方式中，也可采用相反的構造線圈是動態的，而磁體是固定的。
本領域普通技術人員可顯見地認識到本發明的其它改型和其它實施方式。例如，在圖示的實施方式中，可在運動元件與殼體之間設置一個或多個軸承，以便于對運動元件的振動運動進行引導；磁體可以是除圓形截面之外的其它形狀；磁體組件和線圈可并不圍繞著軸線呈現軸對稱的結構；和/或偏壓裝置可由壓縮彈簧之外的其它裝置構成。
權利要求
1.一種機電式發電機，其包括用于將機械振動能轉換為電能的諧振能量采收器，該機電式發電機包括殼體；固定地安裝在殼體中的導電線圈；磁體組件，其被可動地安裝在殼體中，以便于沿著軸線實現線性振動運動，該磁體組件具有一對對置的磁極表面，該磁極表面之間形成有間隙，線圈被布置在該間隙中；以及偏壓裝置，其被安裝在殼體與磁體組件之間，該偏壓裝置沿著軸線在相反方向上將磁體組件朝向中間位置偏壓。
2.根據權利要求1所述的機電式發電機，其特征在于偏壓裝置相對于中間位置的彈性系數基本上是線性的。
3.根據權利要求2所述的機電式發電機，其特征在于磁體組件圍繞中間位置的固有頻率與其相對于中間位置的運動振幅基本上無關。
4.根據權利要求1到3之一所述的機電式發電機，還包括電絕緣的封裝體，其包圍導電線圈。
5.根據權利要求4所述的機電式發電機，還包括用于對導電線圈的輸出進行控制的電路，該電路與導電線圈實現電路連接，且位于封裝體內。
6.根據權利要求4或5所述的機電式發電機，其特征在于封裝體由塑料材料組成。
7.根據權利要求4到6之一所述的機電式發電機，其特征在于電路被設置在電路板上，該電路板與線圈的軸向垂直，且線圈和電路板都與磁體組件圍繞中間位置的運動方向垂直。
8.根據上述權利要求之一所述的機電式發電機，其特征在于偏壓裝置包括一對彈簧，每個彈簧都與軸線在軸向上對正，并沿著軸線在兩相反方向中的一個方向上將可動安裝的磁體組件朝向中間位置偏壓。
9.根據權利要求8所述的機電式發電機，其特征在于彈簧包括壓縮彈簧。
10.根據上述權利要求之一所述的機電式發電機，其特征在于偏壓裝置環形地圍繞磁體組件的至少一部分。
11.根據上述權利要求之一所述的機電式發電機，其特征在于偏壓裝置適于基本上阻止了磁體組件的非軸向運動。
12.根據上述權利要求之一所述的機電式發電機，包括用于限制磁體組件非軸向運動的約束裝置。
13.根據上述權利要求之一所述的機電式發電機，其特征在于磁體組件包括圓柱形的磁體、以及第一鐵磁材料體和第二鐵磁材料體，兩鐵磁材料體的轉動軸線都與磁體的圓柱軸線對正，且被聯接到磁體的對應磁極上，第一材料體形成了一個磁極表面，第二材料體形成了另一磁極表面。
14.根據權利要求13所述的機電式發電機，其特征在于磁體組件還包括支撐件，該支撐件與軸線對正，并被安裝到第一材料體的一個表面上，該表面是遠離磁體的那個表面，偏壓裝置包括第一、第二壓縮彈簧，兩彈簧沿著軸線在相反的方向上對磁體組件偏壓，第一壓縮彈簧被安裝在第一材料體與殼體之間，第二壓縮彈簧被安裝在支撐件與殼體之間。
15.根據權利要求14所述的機電式發電機，其特征在于殼體具有凸緣，第一、第二壓縮彈簧分別抵接在該凸緣的兩相反環形表面上。
16.根據權利要求14所述的機電式發電機，其特征在于每個壓縮彈簧都具有兩個相反的端部，每個端部都可拆卸地座承在殼體或支撐件的相應環形溝槽中。
17.根據權利要求13所述的機電式發電機，其特征在于圓柱形磁體被容納在第一材料體中的空腔內，且該磁體的第一磁極靠近空腔的底壁，第二材料體被安裝在圓柱形磁體的第二磁極上，在空腔的圓筒形內表面與第二材料體的圓柱形外表面之間形成了間隙，且該間隙是環形的。
18.根據上述權利要求之一所述的機電式發電機，其特征在于偏壓裝置在其自身的偏壓作用下可拆卸地安裝在殼體與磁體組件之間。
19.根據上述權利要求之一所述的機電式發電機，其特征在于磁體組件關于軸線是軸對稱的。
20.根據上述權利要求之一所述的機電式發電機，其特征在于磁體組件的一個端面遠離線圈，且該端面上帶有與所述軸線對正、且圍繞著軸線為軸對稱的空腔。
21.根據上述權利要求之一所述的機電式發電機，其特征在于殼體的內部容積中包含有氣體，殼體還包括氣密的密封件，該密封件包圍殼體，用于將殼體的內部容積氣密地密封起來，還在運動元件上設置了至少一個通氣口，以便于對殼體容積內的氣體壓力差進行均衡，其中，該氣體壓力差是由于磁體組件沿軸線的運動而產生的。
22.一種機電式發電機，其包括用于將機械振動能轉換為電能的諧振能量采收器，該機電式發電機包括導電線圈；磁體組件，該磁體組件具有一對對置的磁極表面，該磁極表面之間形成有間隙，線圈被布置在該間隙中，線圈和磁體組件中的其中之一被固定，而它們中的另一者被可動地安裝，以便于沿著軸線實現線性的振動運動；以及一對彈簧，每個彈簧都在軸向上與所述軸線對正，并沿軸線在兩個相反方向中的其中一個方向上將可動安裝的線圈或磁體組件朝向中間位置偏壓。
23.根據權利要求22所述的機電式發電機，其特征在于兩彈簧相對于中間位置的彈性系數基本上是線性的。
24.根據權利要求23所述的機電式發電機，其特征在于可動安裝的磁體組件或線圈圍繞中間位置的固有頻率與其相對于中間位置的運動振幅基本上無關。
25.根據權利要求22到24之一所述的機電式發電機，其特征在于還包括電絕緣的封裝體，其包圍導電線圈。
26.根據權利要求25所述的機電式發電機，其特征在于還包括用于對導電線圈的輸出進行控制的電路，該電路與導電線圈實現電路連接，且位于封裝體內。
27.根據權利要求25或26所述的機電式發電機，其特征在于封裝體由塑料材料組成。
28.根據權利要求25到27之一所述的機電式發電機，其特征在于電路被設置在電路板上，該電路板與線圈的軸向垂直，且線圈和電路板都與可動安裝的磁體組件或線圈圍繞中間位置的運動方向垂直。
29.根據權利要求22到28之一所述的機電式發電機，其特征在于磁體組件被可動地安裝，線圈被固定。
30.根據權利要求22到29之一所述的機電式發電機，其特征在于彈簧包括壓縮彈簧。
31.根據權利要求22到30之一所述的機電式發電機，其特征在于彈簧環形地圍繞磁體組件的至少一部分。
32.根據權利要求22到31之一所述的機電式發電機，其特征在于彈簧適于基本上阻止了磁體組件的非軸向運動。
33.根據權利要求22到32之一所述的機電式發電機，其特征在于還包括用于限制磁體組件非軸向運動的約束裝置。
34.根據權利要求22到33之一所述的機電式發電機，其特征在于磁體組件包括圓柱形的磁體、以及第一鐵磁材料體和第二鐵磁材料體，兩鐵磁材料體的轉動軸線都與磁體的圓柱軸線對正，且被聯接到磁體的對應磁極上，第一材料體形成了一個磁極表面，第二材料體形成了另一磁極表面。
35.根據權利要求22到34之一所述的機電式發電機，其特征在于磁體組件還包括支撐件，其與軸線對正，并被安裝到第一材料體的一個表面上，該表面是遠離磁體的那個表面，彈簧包括第一、第二壓縮彈簧，兩彈簧沿軸線在相反的方向上對磁體組件偏壓，第一壓縮彈簧被安裝在第一材料體與凸緣之間，第二壓縮彈簧被安裝在支撐件與凸緣之間。
36.根據權利要求35所述的機電式發電機，其特征在于凸緣具有相反的環形表面，第一、第二壓縮彈簧分別抵接在兩環形表面上。
37.根據權利要求36所述的機電式發電機，其特征在于每個壓縮彈簧都具有兩個相反的端部，每個端部都可拆卸地座承在凸緣或支撐件的相應環形溝槽中。
38.根據權利要求34所述的機電式發電機，其特征在于圓柱形磁體被容納在第一材料體中的空腔內，且該磁體的第一磁極靠近空腔的底壁，第二材料體被安裝在圓柱形磁體的第二磁極上，在空腔的圓筒形內表面與第二材料體的圓柱形外表面之間形成了間隙，且該間隙是環形的。
39.根據權利要求35所述的機電式發電機，其特征在于偏壓裝置在其自身的偏壓作用下可拆卸地安裝在凸緣與磁體組件之間。
40.根據權利要求22到39之一所述的機電式發電機，其特征在于磁體組件圍繞著軸線是軸對稱的。
41.根據權利要求22到40之一所述的機電式發電機，其特征在于磁體組件的一個端面遠離線圈，且該端面上帶有與所述軸線對正、且圍繞軸線為軸對稱的空腔。
42.根據權利要求22到41之一所述的機電式發電機，其特征在于還包括殼體，該殼體中容納磁體組件和線圈，殼體的內部容積中包含有氣體，殼體還包括氣密的密封件，該密封件包圍殼體，用于將殼體的內部容積氣密地密封起來，還在運動元件上設置了至少一個通氣口，以便于對殼體容積內的氣體壓力差進行均衡，其中，該氣體壓力差是由于磁體組件沿軸線的運動而產生的。
43.一種機電式發電機，其包括用于將機械振動能轉換為電能的諧振能量采收器，該機電式發電機包括殼體，該殼體的內部容積中包含有氣體；被安裝在殼體中的導電線圈；磁體組件，其被安裝在殼體中，磁體組件具有一對對置的磁極表面，該磁極表面之間形成有間隙，線圈被布置在該間隙中，線圈和磁體組件被安裝成沿著軸線實現二者之間的相對線性振動運動；偏壓裝置，其位于殼體中，其沿著軸線在相反方向上將運動元件朝向中間位置偏壓，其中的運動元件包括線圈和磁體組件中的至少之一；以及氣密的密封件，其用于對殼體內部容積進行氣密地密封。
44.根據權利要求43所述的機電式發電機，其特征在于偏壓裝置相對于中間位置的彈性系數基本上是線性的。
45.根據權利要求44所述的機電式發電機，其特征在于運動元件圍繞著中間位置的固有頻率與其相對于中間位置的運動振幅基本上無關。
46.根據權利要求42到45之一所述的機電式發電機，其特征在于還包括電絕緣的封裝體，其包圍導電線圈。
47.根據權利要求46所述的機電式發電機，其特征在于還包括用于對導電線圈的輸出進行控制的電路，該電路與導電線圈實現電路連接，且位于封裝體內。
48.根據權利要求46或47所述的機電式發電機，其特征在于封裝體由塑料材料組成。
49.根據權利要求46到48之一所述的機電式發電機，其特征在于電路被設置在電路板上，該電路板與線圈的軸向垂直，且線圈和電路板都與運動元件圍繞中間位置的運動方向垂直。
50.根據權利要求43到49之一所述的機電式發電機，其特征在于還包括位于運動元件上的至少一個通氣口，以用于對殼體容積內的氣體壓力差進行均衡，其中，該氣體壓力差是由于運動元件沿軸線的運動而產生的。
51.根據權利要求43到50之一所述的機電式發電機，其特征在于氣密密封件包圍殼體。
52.根據權利要求43到51之一所述的機電式發電機，其特征在于殼體包括多個部件，這些部件組裝到一起而形成組件，該組件的相鄰部件之間被氣密密封件氣密地密封。
53.根據權利要求43到52之一所述的機電式發電機，其特征在于磁體組件被可動地安裝，線圈被固定到殼體上。
54.根據權利要求53所述的機電式發電機，其特征在于偏壓裝置包括一對壓縮彈簧，每個彈簧都環形地包圍磁體組件的至少一部分，且每個彈簧都在軸向上與軸線對正，并沿軸線在兩個相反方向中的其中一個方向上將可動安裝的磁體組件朝向中間位置偏壓。
55.根據權利要求54所述的機電式發電機，其特征在于還包括用于限制磁體組件非軸向運動的約束裝置。
56.根據權利要求54所述的機電式發電機，其特征在于磁體組件包括圓柱形的磁體；第一鐵磁材料體和第二鐵磁材料體，兩鐵磁材料體的轉動軸線都與磁體的圓柱軸線對正，且被聯接到磁體的對應磁極上，第一材料體形成了一個磁極表面，第二材料體形成了另一磁極表面；以及支撐件，其與軸線對正，并被安裝到第一材料體的一個表面上，該表面是遠離磁體的那個表面，壓縮彈簧包括第一、第二壓縮彈簧，兩彈簧沿軸線在相反的方向上對磁體組件偏壓，第一壓縮彈簧被安裝在第一材料體與凸緣之間，第二壓縮彈簧被安裝在支撐件與凸緣之間。
57.一種機電式發電機，其包括用于將機械振動能轉換為電能的諧振能量采收器，該發電機基本上如前文參照圖1、圖2或圖8所述的那樣。
全文摘要
一種機電式發電機包括用于將機械振動能轉換為電能的機電式裝置，該機電式裝置包括殼體；固定地安裝在殼體中的導電線圈；磁體組件，其被可動地安裝在殼體中，以便于沿著軸線實現線性振動運動，該磁體組件具有一對對置的磁極表面，它們之間形成了間隙，線圈被布置在該間隙中；以及偏壓裝置，其被安裝在殼體與磁體組件之間，該偏壓裝置沿著所述軸線在相反方向上將磁體組件朝向中間位置偏移。
文檔編號H01L41/113GK101421861SQ200780012690
公開日2009年4月29日 申請日期2007年2月22日 優先權日2006年2月22日
發明者S·羅伯茨 申請人:佩爾皮圖姆有限公司