專利名稱：一種諧振式永磁直線發(fā)電機(jī)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(jī)、充電裝置和一 種電池。
背景技術(shù)：
通常，諸如手機(jī)、便攜式音視頻播放器、數(shù)碼相機(jī)、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(shí)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(duì)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(duì)便攜式電子設(shè)備進(jìn)行充電，而不用 取出電池。對(duì)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(duì)該設(shè)備進(jìn)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(duì)于電壓低于1伏特，在毫安級(jí)下 無法收集，造成極大浪費(fèi)。特別在當(dāng)前消費(fèi)電子的高頻率使用情況中，便攜式消費(fèi)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(fèi)。現(xiàn)有的小型發(fā)電裝置還可以將旋轉(zhuǎn)的動(dòng)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(dòng)勢(shì)來實(shí)現(xiàn)發(fā)電，這種傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)發(fā)電方式應(yīng)用在以人自身 為原動(dòng)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(dòng)機(jī)是一種從普通異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)，其工作原理是隨著均勻的直線運(yùn)動(dòng)而不是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來產(chǎn)生磁場(chǎng)，在異 步直線電動(dòng)機(jī)中，感應(yīng)線圈在電樞上產(chǎn)生電流，電流和感應(yīng)磁場(chǎng)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(jī)的運(yùn)動(dòng)的方向性的精度要求高、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，所產(chǎn)生的電量較小， 通常三四個(gè)小時(shí)所產(chǎn)生的電量不足以使用五分鐘，在實(shí)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(jī)和充電裝置。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種諧振式永磁直線發(fā)電機(jī)的動(dòng)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(jī)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(jī)，包括定子結(jié)構(gòu)和動(dòng)子 結(jié)構(gòu)，動(dòng)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(duì)于定子結(jié)構(gòu)的另一側(cè)， 或者位于兩個(gè)或者多個(gè)定子結(jié)構(gòu)的中間；動(dòng)子結(jié)構(gòu)中的永磁體提供磁場(chǎng)，定子結(jié)構(gòu)中的繞 組在可變的磁場(chǎng)中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。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(jī)和電子控制系統(tǒng)，所述發(fā)電機(jī)包括定子結(jié)構(gòu)和動(dòng)子結(jié)構(gòu)，動(dòng)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(duì)于定子結(jié)構(gòu)的另一側(cè)，或者位于兩個(gè)或者多個(gè)定 子結(jié)構(gòu)的中間；動(dòng)子結(jié)構(gòu)中的永磁體提供磁場(chǎng)，定子結(jié)構(gòu)中的繞組在可變的磁場(chǎng)中產(chǎn)生感 應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；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(jí)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(jī)、電子 控制系統(tǒng)和超級(jí)電容，其特征在于，所述發(fā)電機(jī)包括定子結(jié)構(gòu)和動(dòng)子結(jié)構(gòu)，動(dòng)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(duì)于定子結(jié)構(gòu)的另一側(cè)，或者位于兩個(gè)或者多 個(gè)定子結(jié)構(gòu)的中間；動(dòng)子結(jié)構(gòu)中的永磁體提供磁場(chǎng)，定子結(jié)構(gòu)中的繞組在可變的磁場(chǎng)中產(chǎn) 生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；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(jí)電 容電路用于存儲(chǔ)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(duì)便攜式電 子設(shè)備進(jìn)行充電，該設(shè)備設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(fèi)時(shí)間充電以及外出時(shí)應(yīng)急充電的困擾，還實(shí)現(xiàn)了隨時(shí)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(gè)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(jìn) 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(jī)、 電動(dòng)剃須刀、數(shù)碼相機(jī)等所有毫安級(jí)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(jī)二維實(shí)體模型；圖14示出單邊扁平型永磁直線發(fā)電機(jī)二維建模實(shí)體模型；圖15示出雙邊扁平型永磁直線發(fā)電機(jī)二維建模實(shí)體模型圖16示出單邊扁平型永磁直線發(fā)電機(jī)磁通密度；圖17示出空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；圖18示出負(fù)載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)分析；圖19示出諧振式永磁直線發(fā)電機(jī)三維實(shí)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(jī)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(dòng)子總成實(shí)例；圖25示出雙邊型Halbach磁體列陣永磁直線發(fā)電機(jī)總裝實(shí)例示意圖；圖沈示出Halbach磁體列陣安裝方式實(shí)例。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提供的一種發(fā)電機(jī)和充電裝置進(jìn)行詳細(xì)描 述?，F(xiàn)有的便攜式發(fā)電機(jī)充電裝置大多數(shù)屬于手搖式發(fā)電機(jī)，在對(duì)便攜式電器、電子 產(chǎn)品進(jìn)行充電時(shí)，至少需要用手搖轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)充電裝置30分鐘，才能讓電子、電器產(chǎn)品提供 一定使用時(shí)間的用電量。本發(fā)明的目的是提供應(yīng)用于毫安級(jí)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(jī)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(jī)、電子控制系統(tǒng)、超級(jí)電容電路和電池。其中，永磁振動(dòng)直線發(fā)電機(jī)和電子控 制系統(tǒng)相連接，用來通過發(fā)電機(jī)內(nèi)部動(dòng)子相對(duì)于定子的直線運(yùn)動(dòng)來產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，電子 控制系統(tǒng)將所接收的來自永磁振動(dòng)直線發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)進(jìn)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(jí)電容電路，將電荷儲(chǔ)存在超級(jí)電容中。該超級(jí)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(gè)實(shí)施例中，具有諧振式永磁直線發(fā)電機(jī)的充電裝置包括永磁振動(dòng)直線發(fā) 電機(jī)、電子控制系統(tǒng)和超級(jí)電容電路，而不包括圖中所示的電池，該超級(jí)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(fèi)電子設(shè)備)的供電裝置(例如電池)。其 中，永磁振動(dòng)直線發(fā)電機(jī)和電子控制系統(tǒng)相連接，用來通過發(fā)電機(jī)內(nèi)部動(dòng)子相對(duì)于定子的 直線運(yùn)動(dòng)來產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，電子控制系統(tǒng)將所接收的來自永磁振動(dòng)直線發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電 動(dòng)勢(shì)進(jìn)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(jí)電容電路，將 電荷儲(chǔ)存在超級(jí)電容中。該超級(jí)電容作為設(shè)備的供電裝置直接為設(shè)備供電。此時(shí)，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(jí)電容的電容量 足夠大時(shí)，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(jī)的動(dòng)子結(jié)構(gòu)的正面剖視圖，其中，對(duì)于扁平型直 線發(fā)電機(jī)，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(jià)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(gè)實(shí)施例中，該永磁材料布置為條狀。在另一個(gè)實(shí)施例中，該永磁材料布置為圓塊狀或 者橢圓塊狀。在又一個(gè)實(shí)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(gè)永磁材料塊時(shí)，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(dòng)子時(shí)，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(duì)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(jìn)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(dòng)子進(jìn)行涂覆或者電鍍，從而，保持動(dòng)子的整體性。如圖2所示，動(dòng)子基板是平板狀，非環(huán)狀，屬于標(biāo)準(zhǔn)型的直線電機(jī)的動(dòng)子機(jī)構(gòu)。本 發(fā)明所述的動(dòng)子基板位于定子之外，而對(duì)于雙邊型偏平直線電機(jī)，該動(dòng)子基板位于兩個(gè)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(shí)際應(yīng)用中，尤其是在用于便攜式消費(fèi)電子的充電設(shè)備或者供電設(shè)備時(shí)，需要 進(jìn)一步的降低設(shè)備的重量。在本實(shí)施例中，通過將不銹鋼基板的部分鏤空來降低動(dòng)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(gè) 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(jìn)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(yùn)動(dòng)均衡。圖4示出諧振動(dòng)子的整體結(jié)構(gòu)，該諧振動(dòng)子結(jié)構(gòu)包括動(dòng)子基板和滑槽結(jié)構(gòu)，動(dòng)子 基板位于滑槽結(jié)構(gòu)之間。動(dòng)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(dòng)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(dòng)子基板3、U形滑槽4和滾珠 5。U形滑槽板位于動(dòng)子基板的兩側(cè)，U形滑槽內(nèi)設(shè)置滾珠，動(dòng)子基板夾置在U形滑槽中，動(dòng)子 基板的端部和滾珠接觸，在U形滑槽內(nèi)上下滑動(dòng)，兩個(gè)U形滑槽兩端使用連接板對(duì)應(yīng)連接， 在兩個(gè)U形滑槽的每一個(gè)的兩端設(shè)置換向彈簧，動(dòng)子基板和兩個(gè)連接板之間分別設(shè)置諧振 彈簧。動(dòng)子基板在U形滑槽內(nèi)滑動(dòng)，到達(dá)U形滑槽的端部，和端部的換向彈簧相碰撞，反彈， 反向滑動(dòng)。同時(shí)，動(dòng)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(duì)于諧振式永磁直線發(fā)電機(jī)定子鐵芯形式，永磁直線發(fā)電 機(jī)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(jī)可以 做成單相、兩相和三相，也可以做成幾個(gè)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(jī)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(zhǎng)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(dú)立單相單邊扁平型永磁直線發(fā)電機(jī)定子結(jié)構(gòu)，如圖6所示，該定子 結(jié)構(gòu)包括兩組獨(dú)立的單相單邊扁平型永磁直線發(fā)電機(jī)定子結(jié)構(gòu)，可以理解，該定子結(jié)構(gòu)可 以包括多組獨(dú)立的單相單邊扁平型永磁直線發(fā)電機(jī)定子結(jié)構(gòu)。多組獨(dú)立的單相單邊扁平型 永磁直線發(fā)電機(jī)定子結(jié)構(gòu)可以并聯(lián)或者串聯(lián)輸出，也就是各個(gè)單相單邊扁平型永磁直線發(fā) 電機(jī)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(jī)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(zhǎng)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(gè)單 相單邊扁平型永磁直線發(fā)電機(jī)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(jī)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(jī)定子結(jié)構(gòu)，每個(gè)單相單邊扁平型永磁直線發(fā)電機(jī)定 子結(jié)構(gòu)分別位于隔磁外殼1的相對(duì)側(cè)，分別附在隔磁外殼1的側(cè)壁上，兩個(gè)單相單邊扁平型 永磁直線發(fā)電機(jī)定子結(jié)構(gòu)之間中空，留有放置動(dòng)子的空間。其中，每組單相單邊扁平型永磁 直線發(fā)電機(jī)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(zhǎng)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(dú)立單相雙邊扁平型永磁直線發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，如圖6所示，該定子結(jié)構(gòu) 包括兩組獨(dú)立的單相雙邊扁平型永磁直線發(fā)電機(jī)定子結(jié)構(gòu)，可以理解，該定子結(jié)構(gòu)可以包 括多組獨(dú)立的單相雙邊扁平型永磁直線發(fā)電機(jī)定子結(jié)構(gòu)。每個(gè)單相雙邊扁平型永磁直線發(fā) 電機(jī)定子結(jié)構(gòu)分別位于隔磁外殼1的相對(duì)側(cè)，分別附在隔磁外殼1的側(cè)壁上，兩個(gè)或者多個(gè) 單相雙邊扁平型永磁直線發(fā)電機(jī)定子結(jié)構(gòu)之間中空，留有放置動(dòng)子的空間。多組獨(dú)立的單 相單邊扁平型永磁直線發(fā)電機(jī)定子結(jié)構(gòu)可以并聯(lián)或者串聯(lián)輸出，也就是各個(gè)單相單邊扁平 型永磁直線發(fā)電機(jī)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(dú)立的單相雙邊扁平 型永磁直線發(fā)電機(jī)定子結(jié)構(gòu)可以并聯(lián)或者串聯(lián)輸出，也就是各個(gè)單相雙邊扁平型永磁直線 發(fā)電機(jī)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(jī) 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(zhǎng)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(gè) 單相單邊扁平型永磁直線發(fā)電機(jī)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(jī)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(jī)總裝示意圖。如圖9所示，該發(fā)電機(jī)包括定子結(jié)構(gòu)和動(dòng)子結(jié)構(gòu)，其中，動(dòng)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(duì)于定子結(jié)構(gòu)的另一側(cè)。動(dòng)子結(jié)構(gòu)和 隔磁外殼1之間布置輔助鐵軛，用來減少動(dòng)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(zhǎng)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(dòng)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(duì)形 狀的限制。其中，圖9所示的動(dòng)子結(jié)構(gòu)包括動(dòng)子基板和滑槽結(jié)構(gòu)，動(dòng)子基板位于滑槽結(jié)構(gòu)之 間。如圖9所示，該諧振動(dòng)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(dòng)子 基板6、U形滑槽和滾珠(圖中未示)。U形滑槽板位于動(dòng)子基板的兩側(cè)，U形滑槽內(nèi)設(shè)置滾 珠，動(dòng)子基板夾置在U形滑槽中，動(dòng)子基板的端部和滾珠接觸，在U形滑槽內(nèi)上下滑動(dòng)，兩個(gè) U形滑槽兩端使用連接板對(duì)應(yīng)連接，在兩個(gè)U形滑槽的每一個(gè)的兩端設(shè)置換向彈簧，動(dòng)子基 板和兩個(gè)連接板之間分別設(shè)置諧振彈簧。動(dòng)子基板在U形滑槽內(nèi)滑動(dòng)，到達(dá)U形滑槽的端 部，和端部的換向彈簧相碰撞，反彈，反向滑動(dòng)。同時(shí)，動(dòng)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(jī)的外殼和內(nèi)部機(jī)械零部件的固定框架， 具有隔磁功能，防止永磁材料的磁場(chǎng)對(duì)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(jī)的繞組。諧振彈簧5用于在 振動(dòng)時(shí)把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，使滑塊動(dòng)子產(chǎn)生諧振。永磁體6為直線發(fā)電機(jī)提供磁場(chǎng)，繞組 在可變的磁場(chǎng)中可以產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；不銹鋼基板作為釹鐵硼永磁體承載體，并一起組成 滑動(dòng)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(dòng)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(dòng)力，而是 靠外來振動(dòng)來驅(qū)動(dòng)動(dòng)子。諧振彈簧依賴外來振動(dòng)的機(jī)械能產(chǎn)生諧振運(yùn)動(dòng)，并非恢復(fù)力。圖10示出雙邊扁平型永磁直線發(fā)電機(jī)總裝結(jié)構(gòu)，如圖10所示，該發(fā)電機(jī)包括定子 結(jié)構(gòu)和動(dòng)子結(jié)構(gòu)，其中，動(dòng)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(duì) 于兩個(gè)定子結(jié)構(gòu)的中間，通過兩個(gè)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(zhǎng)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(dòng)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(dòng)子結(jié)構(gòu) 包括動(dòng)子基板和滑槽結(jié)構(gòu)，動(dòng)子基板位于滑槽結(jié)構(gòu)之間。如圖10所示，該諧振動(dòng)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(dòng)子基板、U形滑槽和滾珠(圖中未示)。 U形滑槽板位于動(dòng)子基板的兩側(cè)，U形滑槽內(nèi)設(shè)置滾珠，動(dòng)子基板夾置在U形滑槽中，動(dòng)子基 板的端部和滾珠接觸，在U形滑槽內(nèi)上下滑動(dòng)，兩個(gè)U形滑槽兩端使用連接板對(duì)應(yīng)連接，在兩個(gè)U形滑槽的每一個(gè)的兩端設(shè)置換向彈簧，動(dòng)子基板和兩個(gè)連接板之間分別設(shè)置諧振彈 簧。動(dòng)子基板在U形滑槽內(nèi)滑動(dòng)，到達(dá)U形滑槽的端部，和端部的換向彈簧相碰撞，反彈，反 向滑動(dòng)。同時(shí)，動(dòng)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(jī)的外殼和內(nèi)部機(jī)械零部件的固定框架， 具有隔磁功能，防止永磁材料的磁場(chǎng)對(duì)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(jī)的繞組。諧振彈簧5用于 在振動(dòng)時(shí)把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，使滑塊動(dòng)子產(chǎn)生諧振。永磁體6為直線發(fā)電機(jī)提供磁場(chǎng)，繞 組在可變的磁場(chǎng)中可以產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；不銹鋼基板作為永磁體承載體，并一起組成滑動(dòng) 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(xiàng)雙邊的扁平型永磁直線發(fā)電機(jī) 總裝結(jié)構(gòu)，但根據(jù)圖8，該扁平型永磁直線發(fā)電機(jī)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(shí)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(jí)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(huì)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用穩(wěn)定在3-30伏特之間的一個(gè)值。穩(wěn)壓模塊輸出的穩(wěn)定電壓 輸入到超級(jí)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(gè)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(gè)橋接的整流二極管 (D1-D4)。倍壓電路包括兩個(gè)串聯(lián)的電阻和兩個(gè)串聯(lián)的電容，兩個(gè)電阻和兩個(gè)電容之間并 聯(lián)，兩個(gè)電阻之間的連接端和兩個(gè)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(shí)可以不需要濾波 電容C3。超級(jí)電容電路包括兩個(gè)串聯(lián)的單體超級(jí)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(shí)現(xiàn)時(shí)，將電源電磁干擾濾波器、整流、倍壓、穩(wěn)壓、超級(jí)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(jī)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(jí)電容C4、C5，基于超級(jí)電容的快速充電特性，用作充電的中繼蓄能元件。由于 超級(jí)電容的實(shí)用壽命比蓄電池廠，報(bào)廢后不會(huì)對(duì)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(jí)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(chǔ)結(jié)合起來。超級(jí)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(jí)電容器的荷電狀態(tài)(SOC)與電壓構(gòu)成簡(jiǎn)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(jí)電容器與其體積相當(dāng)?shù)膫鹘y(tǒng)電容器相比可以存儲(chǔ)更多的 能量，電池與其體積相當(dāng)?shù)某?jí)電容器相比可以存儲(chǔ)更多的能量。在一些功率決定能量存儲(chǔ)器件尺寸的應(yīng)用中，超級(jí)電容器是一種更好的途徑。超級(jí)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(jí)電容器可以 快速充電而電池快速充電則會(huì)受到損害。超級(jí)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(gè)循環(huán)。為了進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體的技術(shù)效果，以下對(duì)諧振式直線永磁發(fā)電機(jī)進(jìn)行二 維有限元仿真分析。由于直線發(fā)電機(jī)具有特有的邊端效應(yīng)，使得直線電機(jī)的分析比旋轉(zhuǎn)電 機(jī)的分析更為復(fù)雜，并且傳統(tǒng)電機(jī)分析理論不能直接應(yīng)用到直線電機(jī)上。因此，對(duì)直線發(fā)電 機(jī)的分析不但需要以麥克斯韋電磁場(chǎng)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(jī)的解決方案。在二維電磁場(chǎng)有限元方法理論中，電磁場(chǎng)的經(jīng)典理論是麥克斯韋方程組。其中，無 論介質(zhì)和磁場(chǎng)強(qiáng)度H分布如何，磁場(chǎng)中磁場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)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(jī)，包括定子結(jié)構(gòu)和動(dòng)子結(jié)構(gòu)，其特征在于，動(dòng)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(duì)于定子結(jié)構(gòu)的另一側(cè)，或者位于兩個(gè)或者 多個(gè)定子結(jié)構(gòu)的中間；動(dòng)子結(jié)構(gòu)中的永磁體陣列提供磁場(chǎng)，定子結(jié)構(gòu)中的繞組在可變的磁 場(chǎng)中滑動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，動(dòng)子結(jié)構(gòu)的一側(cè)設(shè)置滑槽結(jié)構(gòu)，定子的繞組在滑槽結(jié)構(gòu)中相對(duì) 于動(dòng)子滑動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直線發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述動(dòng)子結(jié)構(gòu)和隔磁外殼之間布 置輔助鐵軛，用來減少動(dòng)子結(jié)構(gòu)的橫向電磁力。
3.權(quán)利要求1所述的直線發(fā)電機(jī)，其特征在于，該動(dòng)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。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直線發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述隔磁外殼內(nèi)部的一側(cè)或者兩 側(cè)布置有多個(gè)這樣的定子鐵芯組該定子鐵芯包括隔磁外殼、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。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的直線發(fā)電機(jī)，其特征在于，該動(dòng)子結(jié)構(gòu)還包括滑槽結(jié)構(gòu)，非導(dǎo) 磁材料形成的基板位于滑槽結(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；U形滑槽內(nèi)設(shè)置滾珠，基板夾置在U形滑槽中，基板的端部和滾珠接觸，在U形滑槽內(nèi)上 下滑動(dòng)，兩個(gè)U形滑槽兩端使用連接板對(duì)應(yīng)連接，在兩個(gè)U形滑槽的每一個(gè)的兩端設(shè)置換向 彈簧，基板和兩個(gè)連接板之間分別設(shè)置諧振彈簧。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的直線發(fā)電機(jī)，其特征在于，該非導(dǎo)磁材料是不銹鋼材料或其 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。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的直線發(fā)電機(jī)，其特征在于，通過將非導(dǎo)磁基板沖壓鏤空，形成 中空形狀，在中空形狀中布置永磁材料粉，進(jìn)行充磁；然后通過涂覆或者電鍍，構(gòu)成一體的 動(dòng)子結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的直線發(fā)電機(jī)，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(gè)空槽，該空槽未將永磁材料連通。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的直線發(fā)電機(jī)，其特征在于，該空槽均勻設(shè)置，以使定子運(yùn)動(dòng)均
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的直線發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述非導(dǎo)磁基板在U形滑槽內(nèi)滑 動(dòng)，到達(dá)U形滑槽的端部，和端部的換向彈簧相碰撞，反向滑動(dòng)，非導(dǎo)磁基板壓制諧振彈簧， 產(chǎn)生諧振將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直線發(fā)電機(jī)，其特征在于，該動(dòng)子結(jié)構(gòu)還包括動(dòng)子基板和滑 槽結(jié)構(gòu)，動(dòng)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。
12.根據(jù)權(quán)利要求4所述的直線發(fā)電機(jī)，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；所述隔磁外殼為長(zhǎng)方形，隔磁外殼的另一側(cè)空置。
13.根據(jù)權(quán)利要求4所述的直線發(fā)電機(jī)，其中所述隔磁外殼的另一側(cè)還包括第二定子鐵芯、第二繞組和第二環(huán)氧樹脂固封，第二定子鐵芯附在隔磁外殼的該另一側(cè)，第二繞組位 于該第二定子鐵芯的內(nèi)部，第二繞組的向外連接端位于第二定子鐵芯的開口處，第二環(huán)氧 樹脂固封將第二繞組密封。
14.根據(jù)權(quán)利要求4所述的直線發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述隔磁外殼布置鐵芯的同一側(cè) 還包括第三定子鐵芯、第三繞組和第三環(huán)氧樹脂固封，該第三定子鐵芯附在隔磁外殼的同 一側(cè)和所述鐵芯通過隔磁材料板隔離，第三繞組位于該第三定子鐵芯的內(nèi)部，第三繞組的 向外連接端位于第三定子鐵芯的開口處，第三環(huán)氧樹脂固封將第三繞組密封。
15.根據(jù)權(quán)利要求4所述的直線發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述隔磁外殼的一側(cè)或者兩側(cè)布 置多個(gè)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；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(jī)，包括定子結(jié)構(gòu)和動(dòng)子結(jié)構(gòu)，其特征在于，動(dòng)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(duì)于定子結(jié)構(gòu)的另一側(cè)，或者位于兩個(gè)或者多個(gè)定子結(jié)構(gòu)的中間；動(dòng)子結(jié)構(gòu)中的永磁體陣列提供磁場(chǎng)，定子結(jié)構(gòu)中的繞組在可變的磁場(chǎng)中滑動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，動(dòng)子結(jié)構(gòu)的一側(cè)設(shè)置滑槽結(jié)構(gòu)，定子的繞組在滑槽結(jié)構(gòu)中相對(duì)于動(dòng)子滑動(dòng)。本發(fā)明的發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(hào)H02J7/32GK102064662SQ20111002806
公開日2011年5月18日 申請(qǐng)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(jiān), 麥偉儀 申請(qǐng)人:陳堅(jiān), 麥偉儀