專利名稱：用于小功率電子設備的永磁振動發(fā)電裝置的制作方法
技術領域：
用于小功率電子設備的永磁振動發(fā)電裝置技術領域[0001]本實用新型涉及將振動的機械能轉換為電能的技術，特別涉及永磁振動發(fā)電裝置及其實現(xiàn)方法，具體是采用永磁振子、感應線圈、拾振彈簧和電能處理電路實現(xiàn)為小功率電子設備供電的振動發(fā)電裝置。
背景技術：
[0002]小功率電子設備廣泛應用于信號采集、無線通信等領域，是一類工業(yè)生產(chǎn)和日常生活都必不可少的重要設備。目前，各種小功率電子設備的軟件、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間、功能拓展的關鍵因素。小功率電子設備現(xiàn)有的電源主要依賴于電池，需要經(jīng)常進行電池的更換或充電。[0003]針對小功率電子設備工作時只能依賴電池的特點，現(xiàn)有的電源技術存在諸多缺占-^ \\\ ·[0004]1.電池的維護成本高；2.續(xù)航時間有限，影響設備工作時間；3.會產(chǎn)生較多的能源浪費和較嚴重的環(huán)境污染。小功率電子設備的工作環(huán)境中存在一定的振動能源，利用永磁振動發(fā)電裝置將能解決這些電子設備的供電問題。實用新型內容[0006]本實用新型的目的是提供一種用于小功率電子設備的永磁振動發(fā)電裝置及其實現(xiàn)方法，采用永磁振子、感應線圈、拾振彈簧作為發(fā)電機，整流、濾波、儲能、穩(wěn)壓電路對電能進行處理，實現(xiàn)為小功率電子設備供電。[0007]本實用新型的技術方案為[0008]一種用于為小功率電子設備供電的永磁振動發(fā)電裝置，其整體結構為軸對稱式圓柱結構，外殼底部內側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；圓筒骨架頂部內側固定有上圓柱永磁彈簧永磁體、頂部外側固定有電能處理電路板；中間圓環(huán)感應線圈直接繞制在圓筒骨架上；外殼上端外側嵌入電源正負極輸出端；兩個端部線圈骨架分別粘合在上、下圓柱永磁彈簧永磁體內側；兩個端部感應線圈分別繞制在兩個端部線圈骨架外側；圓柱永磁振子懸浮在兩個端部線圈骨架中間；電能處理電路板通過電路板引出線與電源正負極輸出端相連接。[0009]外殼為招合金圓筒；[0010]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；[0011 ] 所述的永磁振子的永磁體為軸向磁化的釹鐵硼。[0012]所述的一個中間圓環(huán)感應線圈和二個端部感應線圈由漆包線制成，三個線圈按照 “端部感應線圈一中間圓環(huán)感應線圈一端部感應線圈”的次序串接在一起，圓筒骨架上部端部感應線圈的引出兩個出線端與電能處理電路板的輸入端連接。感應線圈均由漆包線繞 制。[0013]電能處理電路板按照全橋整流電路、RC濾波電路、儲能電路、DC-DC穩(wěn)壓電路的次 序由4個電路模依次串聯(lián)組成。[0014]本實用新型基于永磁振動發(fā)電機和電能處理電路為小功率電子設備供電，將小功 率電子設備工作環(huán)境中的振動能量進行收集并轉化為電能，永磁振動發(fā)電機輸出的電能經(jīng) 過進一步的處理，實現(xiàn)穩(wěn)定的直流電能輸出，為小功率電子設備供電。[0015]本實用新型基于永磁振動發(fā)電機和電能處理電路為小功率電子設備供電，將小功 率電子設備工作環(huán)境中的振動能量進行收集并轉化為電能，永磁振動發(fā)電機輸出的電能經(jīng) 過進一步的處理，實現(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備供電， 降低設備對電池的依賴，延長其工作時間，也減少了電池對環(huán)境的污染，具有結構簡潔明 了、可靠性高、使用成本低等優(yōu)點。


[0016]圖1為永磁振動發(fā)電裝置的剖面結構圖。[0017]其中，1-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 線圈，9-端部感應線圈，10-電能處理電路板，11-電路板引出線，12-電源正負極輸出端。[0018]圖2為永磁振子結構圖。[0019]其中，21-圓柱夾鐵，22-圓柱永磁體。[0020]圖3為電能處理電路板對應電路結構圖。[0021]圖4為用于小功率電子設備的永磁振動發(fā)電裝置的運行示意圖具體實施方式
[0022]本實用新型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構成永磁彈 簧、分體式多個線圈組成的感應線圈組、電能處理電路(包括全橋整流電路、RC濾波電路、 超級電容儲能電路、DC-DC穩(wěn)壓電路)。輸入振動作用在鋁合金外殼上，振動位移在永磁彈簧 的傳遞下，驅動永磁振子相對感應線圈組產(chǎn)生直線運動，使得感應線圈中產(chǎn)生交流電動勢， 電能再經(jīng)電能處理電路的處理，實現(xiàn)穩(wěn)定的直流輸出。[0023]
以下結合附圖對本實用新型進行說明，但它們不是對本實用新型作任何限制。[0024]實施例1[0025]用于為小功率電子設備供電的永磁振動發(fā)電裝置(剖面結構如圖1所示)，整體結 構為軸對稱式圓柱結構，外殼2底部內側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頂部內側固定有上圓柱永磁彈 簧永磁體6、頂部外側固定有電能處理電路板10 ;中間圓環(huán)感應線圈8直接繞制在圓筒骨架 7上；圓柱永磁振子4懸浮在兩個端部線圈骨架3和5中間；外殼2上端外側嵌入電源正負 極輸出端12 ;兩個端部線圈骨架3、5分別粘合在圓柱永磁彈簧永磁體1、6內側；端部感應 線圈9繞制在兩個端部線圈骨架3、5上；電能處理電路板10通過電路板引出線11與電源正負極輸出端12相連接。[0026]外殼2為招合金圓筒；[0027]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)需要的磁場強度來確定永磁體和 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，提高磁場集中度。[0028]所述的中間圓環(huán)感應線圈8和二個端部感應線圈9由漆包線制成,三個線圈按照 “端部感應線圈9一中間圓環(huán)感應線圈8—端部感應線圈9”的次序串接在一起，圓筒骨架7 上部端部感應線圈9的引出兩個出線端與電能處理電路板10的輸入端連接。感應線圈均由 漆包線繞制，繞制在磁場分布比較集中的位置，其厚度不均勻，實現(xiàn)輸出電動勢的最大化。[0029]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、儲能電路、DC-DC 穩(wěn)壓電路的次序由4個電路模依次串聯(lián)組成。[0030]其中，感應線圈的感應電流(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的兩根導線分別連接節(jié)點①、②(文中所述節(jié)點為導線連接點，若多個連接 點之間由導線連接，則這些連接點采用同一節(jié)點編號)。[0031]全橋整流電路由4個二極管01、02、03、04組成，二極管01的正、負極分別接節(jié)點 ④、①，二極管D2的正、負極分別接節(jié)點①、③，二極管D3的正、負極分別接節(jié)點②、①，二極 管D4的正、負極分別接節(jié)點④、②。[0032]全橋整流電路的輸入端為節(jié)點①、②，與輸入端VIN連接，全橋整流電路的輸出端 為節(jié)點③、④，節(jié)點④接地。[0033]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③和地。[0034]濾波電路后接儲能電路。儲能電路由防漏電二極管D5和超級電容電路C2組成， 二極管D5正負極分別接節(jié)點③和⑤，超級電容C2兩端分別接節(jié)點⑤和地。[0035]儲能電路后接DC-DC穩(wěn)壓電路。DC-DC穩(wěn)壓電路由DC-DC穩(wěn)壓芯片(有6個引腳 GND、EN、VBAT、SW、VOUT、FB)和外圍控制元件(電容C3、電容C4、電感L1、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⑤，電容C3兩端分別 接引腳GND和節(jié)點⑤，電感LI兩端分別接引腳SW和節(jié)點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。[0036]電能處理電路板10的直流穩(wěn)壓輸出端VO的正負極分別引腳VOUT和地，輸出端VO 的正負極與電源正負極輸出端12相連接。[0037]本實施例采用的具體材料和器件為[0038]感應線圈均由外徑O. 15mm的漆包線繞制，3個感應線圈組成感應線圈組，其中，2 個500匝線圈固定在2個永磁彈簧永磁體靠近永磁振子的一側、I個1200匝線圈纏繞在永 磁振子所處的圓筒骨架位置處的周圍，感應線圈組串聯(lián)在一起。[0039]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N35，直 徑20mm,高IOmm),永磁振子采用3個永磁體與2層軛鐵(直徑20mm,高5mm)粘合在一起。[0040]電能處理電路板10中的5個二極管Dl、D2、D3、D4、D5的型號為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；超級電容器C2為220mF (松下EECS0HD224H) ；DC-DC穩(wěn)壓芯片為TLV61220 (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)壓電能由振動發(fā)電裝置的VO端輸出，輸出電壓為3. 3V。[0041]為用于小功率電子設備的永磁振動發(fā)電裝置的運行示意圖如圖4所示。輸入振動直接作用在外殼2上，外殼2的位移變化通過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與感應線圈8、9之間產(chǎn)生相對速度和相對位移,基于電磁感應原理使得線圈輸出端(即永磁振動發(fā)電機輸出端)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)； 然后對儲能電路(D5、C2組成)中的超級電容進行充電并達到工作電壓，為防止電容儲能向前面電路漏電，儲能電路中加了防漏電二極管D5 ;超級電容中的儲能再經(jīng)DC-DC穩(wěn)壓電路 (DC-DC穩(wěn)壓芯片、C3、L1、R2、R3、C4組成)進一步穩(wěn)壓之后，可輸出滿足小功率電子設備電源要求的穩(wěn)壓直流電，DC-DC穩(wěn)壓電路主要由DC-DC穩(wěn)壓芯片構成，輸出電壓VO可通過設置外圍控制兀件參數(shù)來確定。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。[0042]由于很多小功率電子設備的工作環(huán)境中都存在較豐富的振動能源，因此，本永磁振動發(fā)電裝置可以將振動的機械能轉換為穩(wěn)壓直流電，可以作為電壓源替代電池為小功率電子設備供電。考慮到有些振動環(huán)境的不穩(wěn)定性，本永磁振動發(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候用電池供電，延長電池的使用時間。這就減少了小功率電子設備對電池的依賴，減少電池的使用也意味著減少了電池對環(huán)境的污染。[0043]本發(fā)電裝置所用的永磁體、漆包線、電路元器件等在市場上均有充足供應，質量可靠，制造成本低。此外， 本發(fā)電裝置是一個封閉的系統(tǒng)，可防止外界環(huán)境對其性能的破壞，具有很高的可靠性，能夠長期使用而無需維護，這也大大降低了使用成本。[0044]本實用新型未盡事宜為公知技術。
權利要求1.一種用于為小功率電子設備供電的永磁振動發(fā)電裝置，其特征該裝置整體結構為軸對稱式圓柱結構，外殼底部內側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；圓筒骨架頂部內側固定有上圓柱永磁彈簧永磁體、頂部外側固定有電能處理電路板；中間圓環(huán)感應線圈直接繞制在圓筒骨架上；外殼上端外側嵌入電源正負極輸出端；兩個端部線圈骨架分別粘合在上、下圓柱永磁彈簧永磁體內側；兩個端部感應線圈分別繞制在兩個端部線圈骨架外側；圓柱永磁振子懸浮在兩個端部線圈骨架中間；電能處理電路板通過電路板引出線與電源正負極輸出端相連接。
2.如權利要求1所述的用于為小功率電子設備供電的永磁振動發(fā)電裝置，其特征外殼為鋁合金圓筒。
3.如權利要求1所述的用于為小功率電子設備供電的永磁振動發(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。
4.如權利要求1所述的用于為小功率電子設備供電的永磁振動發(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.如權利要求1所述的用于為小功率電子設備供電的永磁振動發(fā)電裝置，其特征所述的一個中間圓環(huán)感應線圈和二個端部感應線圈由漆包線制成，三個線圈按照“端部感應線圈一中間圓環(huán)感應線圈一端部感應線圈”的次序串接在一起，圓筒骨架上部端部感應線圈的引出兩個出線端與電能處理電路板的輸入端連接；感應線圈均由漆包線繞制。
6.如權利要求1所述的用于為小功率電子設備供電的永磁振動發(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、儲能電路、DC-DC穩(wěn)壓電路的次序由4個電路模依次串聯(lián)組成。
專利摘要本實用新型為一種用于小功率電子設備的永磁振動發(fā)電裝置，該裝置外殼底部內側固定有下圓柱永磁彈簧永磁體和圓筒骨架，圓筒骨架頂部內側固定有上圓柱永磁彈簧永磁體、頂部外側固定有電能處理電路板；中間圓環(huán)感應線圈直接繞制在圓筒骨架上；外殼上端外側嵌入電源正負極輸出端；兩個端部線圈骨架分別粘合在上、下圓柱永磁彈簧永磁體內側；兩個端部感應線圈分別繞制在兩個端部線圈骨架外側；圓柱永磁振子懸浮在兩個端部線圈骨架中間。本實用新型可以降低設備對電池的依賴，并具有結構簡潔明了、可靠性高、使用成本低等優(yōu)點。
文檔編號H02J15/00GK202840900SQ20122056022
公開日2013年3月27日 申請日期2012年10月29日 優(yōu)先權日2012年10月29日
發(fā)明者王博文, 王志華, 翁玲, 孫英, 黃文美 申請人:河北工業(yè)大學