發(fā)電裝置制造方法
【專利摘要】一種能夠通過圍繞旋轉(zhuǎn)軸(220)的第一主要部件(370，380)和第二主要部件(200，230)的相對旋轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生電功率的裝置；其中：該第一主要部件和該第二主要部件包括壓電元件(380)和永久磁體(230，370)的布置，使得在使用時這些磁體與壓電元件之間相互作用，從而可以產(chǎn)生電力；并且其中：該第二主要部件(200，230)包括偏離相對旋轉(zhuǎn)軸(220)的質(zhì)量中心，使得該第二主要部件(200，230)對重力或慣性力的響應(yīng)是該第二主要部件(200，230)相對于該第一主要部件(370，380)的相對旋轉(zhuǎn)；該第一主要部件(370，380)被固定地附接至移動主機結(jié)構(gòu)(100)。
【專利說明】發(fā)電裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種可操作為從線性和/或旋轉(zhuǎn)源運動生成電流的發(fā)電裝置。在旋轉(zhuǎn) 的情況下，運動可以是恒定的或間歇性的。在線性情況下，裝置可在非連續(xù)（例如，擺動） 運動下操作。優(yōu)選實施例可適用于其具有可用于感測應(yīng)用的有限空間或可到達(dá)性的區(qū)域。 還可以設(shè)想其它的實施方式。

【背景技術(shù)】
[0002] 能量收集是指使用外界的能量源以局部地生成電力。然后，該電力可被用于尤其 是在小規(guī)模電子應(yīng)用中補充或替代電池或電力網(wǎng)供電。振動或運動是這樣的外界的能量 源，即可以通過許多不同形式發(fā)現(xiàn)的豐富的能量源的實例。已經(jīng)提出可利用振動或運動的 一些裝置。這些實施方式所基于的基本原理是引入電氣阻尼機構(gòu)，其通常被稱為換能器 (transducer)(例如，電磁或壓電換能器），抵抗由在框架內(nèi)部移動的"檢驗（proof) "質(zhì)量 塊（mass)施加的力?？蚣軆H需要至主機結(jié)構(gòu)的一個附接點，并且因此檢驗質(zhì)量塊的運動由 對外部加速度的慣性反作用力引起，其可以是線性或旋轉(zhuǎn)的，因此，這些裝置可被大致分類 為慣性發(fā)電機。
[0003] 對于連續(xù)旋轉(zhuǎn)，其中不存在旋轉(zhuǎn)加速度，故使用了另一種方法。被稱為重力發(fā)電機 的裝置依賴于偏心檢驗質(zhì)量塊和重力以對主機轉(zhuǎn)動產(chǎn)生反力矩并且因此通過換能器從其 提取電力。
[0004] 電磁換能器被廣泛用于常規(guī)、慣性或重力型發(fā)電機。它們依賴于兩個主要部件之 間的相對運動。一般而言，第一主要部件（定子）通過到基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的某種機械附接而保持靜 止。第二主要部件（在旋轉(zhuǎn)裝置的情況下被稱為轉(zhuǎn)子）的運動與第一主要部件電磁耦合。 因此，第二部件的位移要求力（用于線性的實施方式）或轉(zhuǎn)矩（用于旋轉(zhuǎn)的實施方式）并 且可通過對該力/扭矩做功產(chǎn)生電力。這個力或扭矩的性質(zhì)（視情況而定）由裝置的一般 性質(zhì)限定，并且因此可以是慣性、重力或在常規(guī)結(jié)構(gòu)中通過引入將第二主要部件連接到移 動結(jié)構(gòu)的第二附接點來提供。通過常規(guī)布置，可在兩個主要部件之間實現(xiàn)大的換能器能力， 并且因此電力輸出會非常高，這對于大規(guī)模的發(fā)電來說是理想的。然而，具有第二附接點的 可能需要更多空間并且在事實上并不總是很容易實現(xiàn)。一個實例可以是安裝在車輛輪胎內(nèi) 部的壓力傳感器（但并不排除其它可能的應(yīng)用），可以方便地附接至運動部分但阻礙連接 到輔助、靜止的結(jié)構(gòu)。另一種可能是被放置在人體中，其中附接至兩個相對運動的部分/器 官會導(dǎo)致高度介入手術(shù)。
[0005] 壓電換能器還主要被用在線性裝置中。壓電材料的關(guān)鍵特性是它響應(yīng)于由電荷的 累積所施加的應(yīng)力。優(yōu)點可在無需任何傳動裝置的情況下實現(xiàn)高輸出電壓并且可實現(xiàn)的能 量是材料內(nèi)部的應(yīng)力的函數(shù)且不是兩個主要部件的相對速度，如電磁換能器的情況。已經(jīng) 使用彎曲結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了良好的結(jié)果，因為在垂直于彎曲方向的方向上的應(yīng)力高。提高機電耦 合的另一種方式是在壓電元件的諧振頻率下操作。在旋轉(zhuǎn)裝置中合并彎曲梁的難度使這種 類型的壓電實施方式至今仍是很復(fù)雜的。
[0006] 線性裝置的共同缺點是對裝置的方位和勵磁加速度的方向有很強的依賴性。在許 多情況下，必須克服重力加速度以便使內(nèi)部質(zhì)量塊能夠完全移動。如果裝置的方位是恒定 的并且勵磁的主方向不同于（優(yōu)選地垂直于重力的平面內(nèi)）重力，則可以繞開這個問題。然 而這并不總是可直截了當(dāng)實現(xiàn)的并且在強烈變化的條件（例如在人體運動）下引起問題。 裝置具有圍繞軸（該軸相對于主機是固定的）的檢驗質(zhì)量塊，并且質(zhì)量中心不與該軸在一 條直線上具有可在重力和慣性的情況下進(jìn)行操作的優(yōu)點。
[0007] 因此，需要解決這個問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種可操作為產(chǎn)生電功率的裝置。該裝置包括第 一主要部件和第二主要部件，其中，所述第一部件與第二部件之間的相對旋轉(zhuǎn)運動的性能 是操作所需的。圍繞相對旋轉(zhuǎn)的公共軸的第一部件與第二部件之間的相對旋轉(zhuǎn)運動的能力 可被用于將動能轉(zhuǎn)化為電能。盡管由相對旋轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生這種能量的轉(zhuǎn)換，但在本發(fā)明中僅 第一主要部件需要被固定地附接至主機結(jié)構(gòu)，并且在不連續(xù)的線性和/或連續(xù)/不連續(xù)的 旋轉(zhuǎn)勵磁以及它們的組合的條件下，可主要（但不排他）操作由所述主體結(jié)構(gòu)提供并通過 先前提及的單個機械連接點傳輸至裝置的作為運動源的第一主要部件。將理解的是，可在 任何運動源上有意地選擇的連接點并且不一定需要例如在旋轉(zhuǎn)主機結(jié)構(gòu)的軸上。可圍繞相 對旋轉(zhuǎn)的軸旋轉(zhuǎn)的第二主要部件包括質(zhì)量偏心中心，即，以作用在該質(zhì)量中心上的任何力 和/或加速度的方式偏離旋轉(zhuǎn)軸（具有非平行于旋轉(zhuǎn)軸的方向）將引起圍繞該軸的轉(zhuǎn)矩， 其中，作用于阻礙與第一主要部件的相對運動的換能元件上的這個轉(zhuǎn)矩還可用于將能量轉(zhuǎn) 換從機械形式轉(zhuǎn)換成電能形式,并且根據(jù)第一主要部件與第二主要部件相對于由主機結(jié)構(gòu) 提供的外力和/或加速度（這些包括重力加速度，但并非專用于后者）的方位可以是慣性 或重力性質(zhì)或它們的組合。術(shù)語"阻礙（impedes)"在廣義上應(yīng)被視作抵抗第一主要部件與 第二主要部件之間的相對旋轉(zhuǎn)。本文中的不平行于旋轉(zhuǎn)軸的力和加速度的描述包括這樣的 原則：圍繞旋轉(zhuǎn)軸的力矩可以通過強度相同但是方向相反并且在與相對于軸的相對側(cè)上的 軸固定距離處具有它們的動作點的一對力來有效地表示。因此，所描述的裝置還可由力矩 或圍繞旋轉(zhuǎn)軸并作用在第二主要部件上的角加速度操作。
[0009] 實施例提供了一種旋轉(zhuǎn)裝置，可操作在不連續(xù)的線性的和僅需要附接至運動源的 單個點的連續(xù)/不連續(xù)的旋轉(zhuǎn)外部勵磁的條件下。這解決了上述確定的問題。此外，實施 例可包括可在以其固有頻率進(jìn)行操作的壓電變換機構(gòu)。
[0010] 由于缺少與第二點的連接，所以裝置的僅需要單個固定附接接觸點可使某些應(yīng)用 的安裝更加容易并且可以減小整體尺寸。此外，在各種形式的勵磁下操作的可能性可使裝 置在其使用時，尤其是但不是唯一地在顯著變化的源運動和裝置方位的應(yīng)用（例如，醫(yī)學(xué) 和人體傳感器應(yīng)用）中更加靈活。
[0011] 第一方面的實施例的特征被限定在從屬權(quán)利要求11至20中。
[0012] 因此，第一主要部件可包括一個或多個壓電彎曲梁，每一個梁都具有固定安裝到 第一主要部件上的一端和能夠自由振動的一端。附接至第一主要部件的一個或多個梁的自 由端包括永久磁體（一個或多個初級磁體）。在其中在一個或多個初級磁體與一個或多個 次級磁體之間具有吸引力或排斥力的布置中，因為第二主要部件在相對旋轉(zhuǎn)運動中移動到 第一主要部件，故第二主要部件可保持一個或多個永久磁體（一個或多個次級磁體）。將理 解的是，一個或多個梁之間的布置（保持第二主要部件的一個或多個初級磁體和一個或多 個次級磁體）以使得它們在相對運動下通過彼此時在一個或多個初級磁體與一個或多個 次級磁體之間沒有物理接觸的方式完成。作為一個或多個初級磁體與一個或多個次級磁體 之間的相互作用力的結(jié)果是該力是排斥力或吸引力，這取決于初級磁體與次級磁體之間的 相對方位，一個或多個壓電梁的自由端可偏轉(zhuǎn)，并且提取在材料中的所得到的電荷以便產(chǎn) 生電功率。可以各種方式實現(xiàn)偏轉(zhuǎn)，特別地但不限于其中達(dá)到磁相互作用力與梁彎曲力之 間的平衡的點之后一個或多個梁的自由端經(jīng)歷突然釋放的方式，并且借助于引入的初始偏 轉(zhuǎn)，自由端隨后在其固有頻率振動。
[0013] 此外，將理解的是，可能但不限于調(diào)節(jié)一個或多個初級磁體與一個或多個次級磁 體之間的磁相互作用力的方法是改變所述磁體之間的間隙或使用不同強度的磁體，其中， 磁體的強度可以與其幾何形狀、尺寸、材料和/或磁化強度以及它們的組合相關(guān)。另外，本 發(fā)明的描述包括本領(lǐng)域中已知的所有可能形式的壓電彎曲梁。因此在不排除其它可能性的 前提下包括，：使用一個或多個壓電層、不同支撐材料和/或各種壓電材料的梁；各種厚度、 尺寸和通常的幾何形狀的梁。應(yīng)理解的是，對該一個或多個梁進(jìn)行的前述改變的組合會對 一個或多個梁的剛度、阻尼和電性能有影響，并且因此可以結(jié)合先前描述的對磁相互作用 力的改變以確定磁相互作用與梁彎曲力之間的理想平衡點，從而使功率輸出最大化。
[0014] 在另一實施例中，該裝置可包括用于電力處理的電路，其處于裝置內(nèi)部或經(jīng)由電 觸點外部連接，除其它方式外，能夠執(zhí)行一個或多個以下的任務(wù)：對輸出電壓進(jìn)行整流，即， 從AC電力轉(zhuǎn)換為DC電力；將輸出電壓調(diào)整到可被所附接的負(fù)載（例如傳感器）使用的電 平，應(yīng)用預(yù)偏置電壓或任何其它方法以最大化功率輸出，最大功率點跟蹤和/或可再充電 電池的充電。
[0015] 根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種用于通過裝置的加速度和/或方向上的改變 來產(chǎn)生電力的裝置，該裝置包括第一主要部件和第二主要部件，其中：
[0016] 相對于殼體安裝第一主要部件，用于彈性形變并且在這樣的形變時產(chǎn)生電力；
[0017] 相對于殼體旋轉(zhuǎn)地安裝所述第二主要部件，用于相對于殼體和第一部件旋轉(zhuǎn)，第 二部件的質(zhì)量中心偏離其旋轉(zhuǎn)軸；以及
[0018] 兩個部件被布置為在第二部件的旋轉(zhuǎn)路徑的至少一部分上彼此相互作用以使第 二部件形變，從而產(chǎn)生電力。
[0019] 可基本上固定地安裝第一部件，用于彈性形變。彈性形變可以是偏斜。彈性形變 可以是彎曲。該第一部件被安裝為懸臂，該懸臂具有相對于所述殼體基本上被固定安裝的 一端。該形變可以是彎曲。
[0020] 第一部件可以可彈性形變。它可包括可彈性形變材料的基板?；蹇捎米靼寤?。 基板可以是彈簧鋼。
[0021] 第一部件可包括當(dāng)?shù)谝徊考?jīng)歷形變時產(chǎn)生電力的發(fā)電材料。發(fā)電材料可以是壓 電材料。發(fā)電材料可被固定在基板上，使得基板的形變導(dǎo)致發(fā)電材料的形變。
[0022] 第一部件和第二部件中的至少一個可包括一個或多個磁體。該磁體或每個磁體可 被布置為在第二部件的旋轉(zhuǎn)路徑的至少一部分上，第一部件形變，從而產(chǎn)生電力。第一部件 和第二部件兩者都包括至少一個相應(yīng)的磁體，每個部件上的磁體沿第二部件的旋轉(zhuǎn)路徑的 至少一部分與相應(yīng)的其它部件上的磁體相互作用，以使第一部件形變。
[0023] 第一部件被布置為在接收初始位移之后以發(fā)電材料的固有頻率進(jìn)行振動。
[0024] 本發(fā)明的第一方面的任選特征，諸如第一方面的實施例的特征還可以是本發(fā)明的 第二方面的任選特征。特別地，從屬權(quán)利要求11至20中的特征還可以是第二方面的特征， 因此在實施例中結(jié)合權(quán)利要求1的特征。
[0025] 本發(fā)明可能的應(yīng)用是內(nèi)部或外部附接至車輛輪胎或人類或任何其它運動源，優(yōu)選 地但不是必須的，以向諸如無線傳感器供電為目標(biāo)，提供以隨機低頻率和大振幅為特征的 勵磁。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026] 現(xiàn)在將僅借助示例并且參照附圖來描述本發(fā)明的實施方式，在附圖中：
[0027] 圖1示出壓電發(fā)電機的等效電路；
[0028] 圖2是示意性地示出了在不同外部勵磁下圍繞旋轉(zhuǎn)軸的偏心質(zhì)量塊的運動；
[0029] 圖3是在初始勵磁后讓壓電梁振動的電壓輸出；
[0030] 圖4示出了在本領(lǐng)域中已知的用于鐘表的發(fā)電機；
[0031] 圖5示出了用于鐘表的本發(fā)明的可能實施方式；
[0032] 圖6示出了裝置的第一實施例；
[0033] 圖7示出了連接到外部運動源的根據(jù)本發(fā)明的實施例的裝置；
[0034] 圖8示出連接至電源處理電路的根據(jù)本發(fā)明的實施例的裝置。
[0035] 在圖4、圖5、圖6、圖7和圖8中，由相同的參考標(biāo)號指代相同的元件。

【具體實施方式】
[0036] 圖1示出了附接至電阻負(fù)載&的壓電發(fā)電機的最簡單的可能的等效電路。壓電 元件可被描述為電容器C p與AC(交流電）電壓源V的串聯(lián)連接。給出了應(yīng)用在這個系統(tǒng) 周圍的基爾霍夫電壓定律（Kirchhoff' s voltage law):
[0037]

【權(quán)利要求】
1. 一種裝置，通過所述裝置的加速度和/或方位上的變化來產(chǎn)生電力，所述裝置包括 第一主要部件和第二主要部件，其中， 相對于殼體安裝所述第一主要部件，用于彈性形變并且在這樣的形變時產(chǎn)生電力； 相對于所述殼體旋轉(zhuǎn)地安裝所述第二主要部件，用于相對于所述殼體和第一部件旋 轉(zhuǎn)，第二部件的質(zhì)量中心偏離其旋轉(zhuǎn)軸；以及 兩個部件被布置為在所述第二部件的旋轉(zhuǎn)路徑的至少一部分上彼此相互作用以使所 述第二部件形變，從而產(chǎn)生電力。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述第一部件被安裝為懸臂，所述懸臂具有相對 于所述殼體基本上被固定安裝的一端。
3. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中，所述形變是彎曲。
4. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中，所述第一部件包括能夠彈性形變的 材料的基板。
5. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中，所述第一部件包括當(dāng)所述第一部件 經(jīng)歷形變時產(chǎn)生電力的發(fā)電材料，任選地，所述發(fā)電材料是壓電材料。
6. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中，所述第一部件和/或所述第二部件 包括一個或多個磁體，其中，任選地，所述一個或多個磁體包括一系列磁體。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中，所述磁體或每個磁體被布置為在所述第二部件 的旋轉(zhuǎn)路徑的至少一部分上，所述第一部件和所述第二部件中的一個上的至少一個磁體與 所述第一部件和所述第二部件中的另一個或所述第一部件和所述第二部件中的另一個上 的磁體相互作用，以使所述第一部件形變，從而產(chǎn)生電力。
8. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中，所述第一部件和所述第二部件包括 至少一個相應(yīng)的磁體，位于每個部件上的磁體沿所述第二部件的所述旋轉(zhuǎn)路徑的至少一部 分與位于相應(yīng)的其它部件上的磁體相互作用以使所述第一部件形變。
9. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中，所述第一部件被布置為在接收初始 位移之后以所述發(fā)電材料的固有頻率振動。
10. -種能夠操作為借助于第一主要部件和第二主要部件產(chǎn)生電能的裝置，所述裝置 能夠通過圍繞所述第一主要部件和所述第二主要部件的旋轉(zhuǎn)軸的相對旋轉(zhuǎn)運動來產(chǎn)生電 功率，其中， 所述第一主要部件被固定地附接至所述裝置的主體； 在使用時，所述第二主要部件相對于所述第一主要部件能夠旋轉(zhuǎn)；以及 所述第二主要部件的質(zhì)量中心相對于相對旋轉(zhuǎn)的軸偏移，使得所述第二主要部件上的 慣性或重力或所述慣性和所述重力的組合的作用在所述第一主要部件與所述第二主要部 件之間產(chǎn)生相對旋轉(zhuǎn)運動。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其中，所述第一主要部件包括一個或多個壓電元件， 這些壓電元件中的每一個承載一個或多個永久磁體，并且所述第二主要部件包括以以下方 式布置的一個或多個永久磁體：在使用時，在由所述一個或多個壓電兀件承載的一個或多 個磁體與由所述第二主要部件承載的一個或多個磁體之間的相互作用導(dǎo)致所述一個或多 個壓電元件形變，并且這個形變被用于產(chǎn)生電功率。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的裝置，其中，所述第一主要部件包括一個或多個永久 磁體，并且所述第二主要部件包括一個或多個壓電元件，這些壓電元件中的每一個承載以 以下方式布置的一個或多個永久磁體：在使用時，在由所述一個或多個壓電兀件承載的一 個或多個磁體與由所述第二主要部件承載的一個或多個磁體之間的相互作用導(dǎo)致所述一 個或多個壓電元件形變，并且這個形變被用于產(chǎn)生電功率。
13. 根據(jù)權(quán)利要求10至12中任一項所述的裝置，其中，在使用時，由于由所述一個或多 個壓電元件承載的一個或多個磁體與由所述第二主要部件承載的一個或多個磁體之間的 相互作用，在接收初始勵磁之后讓所述壓電元件在其固有頻率振動。
14. 根據(jù)權(quán)利要求10至13中任一項所述的裝置，其中，所述第二主要部件的質(zhì)量分布 使得所述第二主要部件的所得質(zhì)量中心偏離所述第一主要部件與所述第二主要部件之間 的相對旋轉(zhuǎn)運動的軸。
15. 根據(jù)權(quán)利要求10至14中任一項所述的裝置，在此，所述第二主要部件以以下方式 包括離散偏心質(zhì)量：所述第二主要部件的質(zhì)量中心偏離所述第一主要部件與所述第二主要 部件之間的相對旋轉(zhuǎn)運動的軸。
16. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，進(jìn)一步包括電路，所述電路能夠操用于調(diào) 節(jié)由所述裝置產(chǎn)生的電力。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的裝置，其中，能夠操用于調(diào)節(jié)電力的所述電路被布置為執(zhí) 行下列各項中的一個、多個或全部或者其任意組合： 將AC電力整流為DC電力； 將變化電壓下的電力轉(zhuǎn)換為更加恒定的電壓下的電力； 存儲由所述裝置產(chǎn)生的能量； 限制供應(yīng)給負(fù)載的電流，以防止損壞發(fā)電機或負(fù)載或用于其它目的；以及 將電力供應(yīng)給附接的負(fù)載。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的裝置，其中，所述附接的負(fù)載為無線傳感器。
19. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中，所述第一主要部件內(nèi)部或外部地附 接至汽車輪胎或人體或動物體或任何其它運動源。
20. -種基本上如參照附圖在本文中所描述的和/或如在附圖的任意組合中所示的裝 置。
【文檔編號】H02N2/00GK104412504SQ201380035509
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2013年5月3日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月4日
【發(fā)明者】埃里克·摩根·耶特曼, 安德魯·肖恩·霍姆斯, 皮特·皮拉奇 申請人:帝國創(chuàng)新有限公司