專利名稱：用于產生電能的設備的制作方法
用于產生電能的設備
本發明涉及用于產生電能的設備，該設備包括通過搖動或振動彼此相對移動的至少一 個永磁體和至少一個感應線圈。諸如這樣的設備已經公開過許多次，例如，在WO 97/30308 或US 5,347,186中，并且具體地用于為僅偶爾需要電能或不能被持續供電的可移動器具或 裝置供電。所述設備包括線圈和永磁體，所述線圈包括位于在移動方向上的軸線，而所述 永磁體通過所述線圈前后移動。這些方案在相互作用的兩個部分的尺寸方面受限制，因為 線圈內徑控制永磁體的橫截面，其中管(tube) —方面作為用于線圈舌片的安裝件，并且 另一方面作為用于永磁體的滑動軸承，進一步減少線圈橫截面。
和相對于旋轉軸線的振蕩軸承相比，用于直線地前后振蕩的部分的滑動軸承更有問 題，因為需要更大的軸承面積，導致更大的摩擦面積，使得任何潤滑都更困難，等等。然 而，這些條件與線圈和永磁體之間的相互作用對于產能率來說同樣地是控制因素。這是因 為對移動的限制和差的關聯等不是造成產能率的幾個百分點的小損失，而是造成產能率的 大大減少，換句話說，該設備僅在最佳條件下產生可用量的能量。
這包括，永磁體的線圈被這樣設計，既使得它們盡可能地彼此匹配，通常可能在非常 長的時間的振蕩在共振范圍內，并且，如有可能，如果搖動或振動的激發頻率顯著改變， 則還包括匹配該改變的能力，以盡可能長地維持在共振范圍內，以及變更所產生能量的發 出(emission)的能力，因為當能量輸出增加時，振蕩被制動。
為了克服該問題，本發明現在提出在至少一對互相相對的永磁體的磁極面之間設置至 少一個線圈并且提供旋轉軸，線圈或永磁體對可以相對于所述旋轉軸相對另一個旋轉。連 同線圈在兩個永磁體的磁極面之間的設置、其中南極和北極互相相對并且圍繞旋轉軸線支 撐，很大程度上滿足了前面提到的條件。如果必要，可以使摩擦面積最小化并且可以更容 易地潤滑軸承。此外，可以將線圈磁極面之間的氣隙保持得盡可能小，因為不需要剩余空 隙(clearance)，而這對于直線滑動軸承來說是關鍵的。在磁極面之間振蕩的線圈和在線 圈的兩側振蕩的永磁體還確保線圈的旋轉可以以可能的最高速度移動通過磁場，并且確保 在反轉區域中保持小的損失。
為了實現緊湊的設計， 一個優選實施方案提供了使線圈具有以與磁極面成直角的方式 延伸的線圈軸線。
在更優選實施方案中，借助于鐵磁部件，尤其是鐵帽，可以實現基本上封閉的磁通路 徑，在所述鐵磁部件上以一個在另一個之后的方式提供兩個不同極性的永磁體對。
在一個實施方案中，各個永磁體和的線圈可以具有大致相同的尺寸，這樣，當移動這
兩個部件中的一個時，磁場持續改變。
在其中具體地可以通過用手搖動產生電壓的一個優選實施方案中，永磁體對相對于旋 轉軸在回彈的終點擋板之間前后振蕩，其中該旋轉軸以與線圈軸線平行的方式延伸，并且 在這種情況下，還可以以一個在另一個之后的方式提供兩個或更多線圈，取決于弧的長度。
因為相對于軸線振蕩的線圈的電連接是無困難的，線圈也可以在回彈的終點擋板之間 前后振蕩。
另一個優選實施方案允許線圈相對于以與線圈軸線成直角的方式延伸的旋轉軸振蕩， 該優選實施方案可以有益地被用來通過搖動產生能量，其中該搖動是通過裝配到所述設備 的主體(body)的向前移動產生的。當然，通過移動永磁體對和通過將線圈安裝到殼體上， 反向(reversal)也是可能的。
線圈優選地被保持在具有側旋轉臂的旋轉體上，并且在兩個永磁體對之間振蕩，所述 永磁體對在弧上被設置為一個在另一個之后，從而導致緊湊設計。然而，在諸如這樣的實 施方案中也可以提供兩個線圈，該實施方案通過重復該設置并且在每種情況下提供一個單 元而呈簡單方式，其中兩個單元關于旋轉軸在直徑方向上相對并且每個單元包括振蕩線圈
和兩個永磁體。
為了其中通過搖動向前移動的主體(例如運動器具等)來產生能量的實施方案的最佳 化，回彈的終點擋板通常根本不足以維持振蕩或不足以盡可能長時間將振蕩保持在共振范 圍內。因此優選地提供一種裝置，可以借助該裝置調整彈動和阻尼，并且該裝置可以，例 如，具有片簧，該片簧的第一端被連接到旋轉體并且第二端被引導或保持固定到殼體。片 簧具有中性的中間位置，該中間位置優選地可以被調整并且作用于兩側。在一個優選的實 施方案中，通過保持架等形成固定到殼體的連接，為了改變有效彈簧長度，可以在片簧的 縱向上調整該保持架。在再一個實施方案中，還可以提供用于這一目的的致動馬達，并且 可以通過所產生的能量的一部分來驅動該致動馬達。剩余的能量可以優選地儲存在例如可 充電電池、電容器等的能量儲存裝置中，并且可以提供電子控制來用于匹配和最佳化。
如果使用所謂的智能控制電子設備，那么可以通過與即時激發頻率的持續的匹配來改 進由激發頻率(搖動或振動頻率)產出的能量，至少為了大量利用振蕩部分的可能移動， 以及為了避免偏離共振范圍。
現在將在下文中參考附圖的圖更詳細地描述本發明，但是本發明并不限于所述附圖， 在附圖中
圖1示出通過第一實施方案的彎曲剖面，
圖2以剖面的形式示出第二實施方案的示意圖，
圖3示出第三實施方案的示意圖，
圖4示出通過圖3所示的實施方案的剖面， 圖5示出細節的斜視圖，
圖6與圖2相似，示出根據本發明的設備的第四實施方案的示意圖，以及 圖7和圖8示出如圖3所示的實施方案的具有電壓和功率分布(profile)的測量曲線， 其中該電壓和功率是借助搖動設備被激發的。
在如圖l所顯示的第一實施方案中，設備包括殼體l，在殼體1中提供至少一個感應 線圈2。感應線圈2大致以直角繞巻，并且從肋9在殼體1的縱向的中心上延伸，覆蓋不 到一半的殼體，肋9在殼體的端面上向內突出。以同樣的方式在殼體的另一半中提供第二 感應線圈2，并且在兩個感應線圈2之間設置分離的中心腹板10。用于永磁體5、曲率中 心位于軸11的軸線上的彎曲導向路徑在線圈2的兩側上延伸，線圈2大致占據導向路徑 的三分之二并且在每種情況下通過螺旋彈簧7朝向兩個端面被支撐。大體上，四個永磁體 5被成對地設置為互相相對，其中對每一個來說為以南極和北極面向另一個，但是該設置 可以成對地相互交換。永磁體5被設置為在鐵磁部件8 (鐵帽)上互相隔開距離6并且被 安裝在旋轉軸11上的臂(在圖1中不可見)上。由四個永磁體5產生的磁通因此在基本 閉合的回路中流動，而不需要跨過任何顯著的氣隙。如果在雙箭頭A的方向上前后搖動殼 體l，那么，因為磁場前后移動，其在線圈2中感生電壓。可以毫無問題地電氣連接固定 線圈2。還可以提供不同的彈性終點擋板來代替示出的螺旋彈簧7，還有，例如還可以提 供具有相應排斥極性的永磁體。線圈2還可以包圍鐵核，該線圈2的軸線3與永磁體5的 磁極面成直角并且與旋轉軸11平行。
同樣地，因為可以相對于軸11旋轉的線圈2的電氣連接沒有問題，當然還可以將線 圈2設置為使得線圈2移動而永磁體5固定到殼體。
在圖2-6所顯示的實施方案中，相對于軸ll發生旋轉運動，軸11以與線圈2的軸線 3成直角。永磁體5和鐵磁部件8兩者以及線圈2都被彎曲為圓弧的形式。因為在該實施 方案中還可以經由軸11電氣連接線圈2，所以圖2中的線圈2可以在殼體1中移動而四個 永磁體5被固定到殼體。圖2中示意性圖示出插入式接觸體14。線圈2經由設置在側部的 旋轉臂12被保持在旋轉體上，當搖動時，所述旋轉體相對于軸ll前后振蕩。在這些實施 方案中，在旋轉體的保持件上提供用于回彈的終點擋板的彈性元件，所述保持件包圍線圈 2。取代或附加于彈性元件13，旋轉臂12本身可以是彈性的，并且以例如彎曲片簧的形式。 因為線圈2被安裝為使得它可以僅以少量摩擦的方式旋轉，能量轉換良好，并且，由于旋 轉運動，線圈2和永磁體5之間的氣隙被最小化，從而增加感應電壓。
在圖3-5所示的實施方案中，U型或呈架形式的旋轉體在每個側旋轉臂12上配備有 彎曲的導向槽15。大致U型的架(圖5)具有兩個肢16，所述肢16安裝在旋轉軸11和 連接它們的夾板22上。配備在側肢16中的固定螺釘17通過導槽15，這樣旋轉體和側肢 16之間的角度可以在一個例如45度的范圍內被調整，從而使一方面調整線圈2的零位并 且另一方面調整片簧21的零位成為可能，所述片簧21通過可變裝置20的夾板22固定。
在其另一端處，片簧21被寬松地保持在保持架23中的槽中，可以借助螺釘25改變保持 架23的寬度。保持架23具有細長的槽24，另外的調整螺釘26通過該細長的槽24。保持 架23可以因此優選地在片簧21的縱向上以無級可變的方式被調整，調整螺釘(圖3中未 示出)或電氣致動馬達30 (圖4中示出)可以被用于這一目的。 一些例如電磁體的其他致 動元件也可以被用于兩個位置之間的調整。致動馬達30或致動元件可以通過由該設備產 生并且具體地被存儲在例如可充電電池等中的能量工作。對保持架23的調整改變夾板22 和螺釘25之間的距離，換言之，片簧21的有效長度，并且因此還有彈性特性、阻尼特性 等。對所有彈性元件來說，漸變特性是可能的。
圖6所示的實施方案基本上表示圖2所示的實施方案的復制，換言之，存在兩個單元， 每個單元包括感應線圈2和兩對永磁體5，其中感應線圈2被保持在一個旋轉體上，而永 磁體5被設置為關于旋轉軸11在直徑方向上相對并且可以致使其以獨立于另一個的方式 振蕩。
在旋轉軸11上振蕩的部件的減少的摩擦，在兩個永磁體5的磁極面之間的最小化的 氣隙和在其間被引導的線圈2的最小化的氣隙，以及調整裝置20的能力，使得當在共振 范圍內振蕩時相對高的產能率成為可能，并且可以通過調整裝置IO和通過影響能量輸出 來在很大程度上保持在共振范圍內。
圖7示出如圖3所示的產生能量的設備在20秒的時間段內在搖動設備上被搖動的電 壓分布圖。片簧21的厚度為lmm并且它的固定長度，也即夾板22和在保持架23的槽中 的螺釘25之間的距離為55mm。搖動設備以8Hz的頻率振動，并且動程為9mm。如從圖 7中可以看到的，通過變更彈性特性和引起的電流而使得線圈2的振蕩上升到共振范圍內， 線圈2在最初2秒之后發生感應，其中在最初的2秒中電壓U為大約11到12V。隨后， 測量到的電壓上升到幾乎30V。在大約10秒后，共振被手擾亂，并且電壓起初下降到數 伏特，之后再次上升到大約12V的初始值，這是由于搖動設備均勻的激發振蕩。在大約 17秒后，另一個脈沖再一次引發共振振蕩，伴隨著大約30V的高電壓。
圖8示出可以輸出的功率P的相應的測量曲線，以瓦為單位。在這種情況下，將振蕩 轉換到共振范圍內導致相當大的功率增益，具體地從大約0.2W到大約0.7W。
當打算用例如諸如滑雪橇等運動器具的向前移動的主體的搖動來產生電能時，均勻的 激發和相對長地維持共振振蕩是不可能的。所謂的智能電子設備(在圖中未示出)可以通 過不斷地將振蕩部分的固有頻率重新調整或調適到借助至少一個感應器檢測到的即時激 發頻率來提高產能率，從而盡可能地確保不離開共振范圍，或盡可能快地再次達到共振范 圍。為了實現這一點，如果振蕩被制動從而出現脫離共振范圍的危險，則減小負載阻抗(也 即減小電流輸出)也是重要的，并且，改變片簧21的彈簧長度以便影響彈簧剛性也是重 要的。
共振，也即如果激發頻率接近固有頻率時的振蕩的增加，在很多情況下可能被避免。 相反，在根據本發明的設備的情況下，這是期望的，因為它以大的倍數提高產能率。
權利要求
1. 一種用于產生電能的設備，所述設備包括通過搖動或振動彼此相對移動的至少一個永磁體(5)和至少一個線圈(2)，其特征在于，所述至少一個線圈(2)被設置在至少一對互相相對的永磁體(5)的磁極面之間，以及提供旋轉軸(11)，所述線圈(2)或所述永磁體對可以相對于所述旋轉軸(11)相對另一方旋轉。
2. 如權利要求l所述的設備，其特征在于，所述線圈(2)包括以與所述磁極面成直 角的方式延伸的線圈軸線(3)。
3. 如權利要求1或2所述的設備，其特征在于，所述永磁體對包括鐵磁部件(8)。
4. 如權利要求3所述的設備，其特征在于，兩個永磁體(5)在每個鐵磁部件(8) 上被設置為一個在另 一個之后。
5. 如權利要求l-4中的一項所述的設備，其特征在于，所述永磁體對相對于以平行 于所述線圈軸線(3)的方式延伸的旋轉軸(11)振蕩。
6. 如權利要求l-4中的一項所述的設備，其特征在于，所述線圈(2)相對于以與所 述線圈軸線(3)成直角的方式延伸的旋轉軸(11)振蕩。
7. 如權利要求6所述的設備，其特征在于，所述線圈(2)被保持在具有側旋轉臂(12) 的旋轉體上。
8. 如權利要求7所述的設備，其特征在于，每個旋轉臂(12)由片簧形成。
9. 如權利要求1-8中的一項所述的設備，其特征在于，兩個單元被設置為關于所述 旋轉軸(11)在直徑方向上相對，并且每個單元包括線圈(2)和兩個永磁體對。
10. 如權利要求l-9中的一項所述的設備，其特征在于，所述設備的所述振蕩部分具 有關聯裝置(20)，借助于所述關聯裝置(20)可以調整彈動和/或阻尼。
11. 如權利要求10所述的設備，其特征在于，所述裝置(20)包括彈性元件，所述 彈性元件從一中性的、可能可調整的中間位置作用于兩側。
12. 如權利要求8和11所述的設備，其特征在于，形成所述旋轉臂(12)的所述片 簧形成所述裝置(20)的所述彈性元件。
13. 如權利要求7所述的設備，其特征在于，所述旋轉體被連接到片簧(21)的一端，所述片簧(21)的另一端與保持架(23)相關聯，所述保持架(23)可以在所述片簧(21) 的縱向被調整。
14. 如權利要求13所述的設備，其特征在于，所述保持架(23)包括致動馬達(30)， 所述致動馬達(30)是通過所述設備產生的電能工作的。
15. 如權利要求1-14中的一項所述的設備，其特征在于，通過電子控制來獲得能量 供應的最佳化。
全文摘要
本發明涉及用于產生電能的設備，所述設備包括通過搖動或振動相對于軸線(11)彼此相對移動的至少一個永磁體(5)和至少一個線圈(2)。根據本發明，每個線圈(2)被設置在至少一對互相相對的永磁體(5)的磁極面之間。
文檔編號H02K35/00GK101390278SQ200680053514
公開日2009年3月18日 申請日期2006年12月29日 優先權日2005年12月30日
發明者J·波賽爾, S·巴特洛格 申請人:因文特斯工程有限責任公司