一种永磁振动发电便携电源的制作方法

本发明的技术方案涉及机械振动能量的回收并将其转换成电能的装置，具体涉及一种永磁振动发电便携电源。

背景技术：

随着微机电系统的发展，应用于桥梁状态检测、环境监控、医疗保健与汽车制造等领域的低成本、小功率电源引起了广泛的关注。由于电池寿命的限制并考虑废弃电池对环境的影响，研究人员一直致力于用其他电源代替电池的研究工作，如太阳能、风能、振动能量等。太阳能和风能仅可以在具有足够的光照和风力的地方获得，当光伏发电或风力发电系统嵌入到微机电系统或应用于太阳能或风能不足的场地时，该类电源无法有效工作；同时，这两类能源的获得受到时间限制。振动能量收集成为更有力的代替方案。环境中的气流的大小具有不确定性，而振动却是无处不在，如人运动时的上下振动、波浪振动、汽车颠簸带来的振动、树枝随风摇摆等。因此，振动能量收集装置更具有通用性。

振动发电装置具有使用寿命长、实用性强、功率密度高以及易于集成的优势，因此，采用振动发电装置来取代传统的电池越来越受到人们关注。

根据能量转换机理的不同，振动发电装置可以分成压电式、电磁式和静电式三类。压电式广泛应用于100Hz和1000Hz的频率下，其制造工艺比较复杂，并和CMOS技术不兼容。而静电式需要外加电源进行初始充电，限制了其应用范围。相比较而言，当在低频振动环境中用于无线传感器的功率电源使用时，电磁式振动发电装置具有低成本、高性能的特点。目前已经出现了一些不同结构的电磁发电装置。专利CN1877973A公开了一种用于便携式电子设备的振动发电装置，该装置采用磁弹簧结构，运动腔体两端各安装一块固定永磁铁，运动腔体中放入一块极性相反的活动永磁铁,形成磁弹簧结构，绕线组绕在运动腔体外壁上，且绕线组为双绕组线圈，以相反的方向缠绕在运动腔体外壁，这种线圈结构的特点是：两个线圈相反方向缠绕，那么两个线圈中的电动势也反向，借助于二极管的单相导电性能够保证电流方向的单向连续性，但并不影响机械能到电能的转化效率。即，两个线圈的位置重叠，但对于每一个线圈来说，其电动势都存在相互抵消的问题；也就是说，这种电动势的相互抵消作用并不因为多了一组线圈而受到影响，无论两组线圈的缠绕方向相同或者相反，均不能提高机械能到电能的转化效率。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：提供一种永磁振动发电便携电源。该电源能够收集日常活动中的振动能量，并将转化为电能，所产生的电能经过电力电子变换电路部分可用于小型设备的电能支撑，携带更加方便。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：

一种永磁振动发电便携电源，包括振动发电装置和电力电子变换电路部分，振动发电装置与电力电子变换电路部分相连接，振动发电装置收集振动能量并将其转换为电能，所产生的电能经过电力电子变换电路部分对负载供电；所述振动发电装置包括磁体部分、线圈部分和机械支撑部分，磁体部分由两个分别固定在机械支撑部分两端的固定永磁体和一个置于机械支撑部分内的运动磁体构成，运动磁体同两端的固定磁体都具有斥力；线圈部分缠绕在机械支撑部分外壁上，线圈部分引出振动发电装置的发电输出端，其特征在于所述运动磁体由三块永磁体和两块软磁体构成，三块永磁体为第一永磁体、第二永磁体和第三永磁体，两块软磁体为第一软磁体和第二软磁体，所述三块永磁体和两块软磁体按照先永磁体后软磁体的顺序依次布置，相邻两块永磁体之间具有斥力作用；上述三块永磁体和固定永磁体均是轴向充磁，磁体部分构成磁弹簧结构。

一种永磁振动发电便携电源，包括振动发电装置和电力电子变换电路部分，振动发电装置与电力电子变换电路部分相连接，振动发电装置收集振动能量并将其转换为电能，所产生的电能经过电力电子变换电路部分对负载供电；所述振动发电装置包括磁体部分、线圈部分和机械支撑部分，磁体部分由两个分别固定在机械支撑部分两端的固定永磁体和一个置于机械支撑部分内的运动磁体构成，运动磁体同两端的固定磁体都具有斥力；线圈部分缠绕在机械支撑部分外壁上，其特征在于所述线圈部分包括三个线圈，三个线圈均匀缠绕在机械支撑部分上，第一个线圈起始于“A+”端，终止于“A-”端；第二个线圈起始于“B+”端，终止于“B-”端，第三个线圈起始于“C+”端，终止于“C-”端，第一个线圈的缠绕方向与第二个线圈的缠绕方向相反，第二个线圈的缠绕方向与第三个线圈的缠绕方向相反；第一个线圈的“A-”端与第二个线圈的“B+”端线连接，第二个线圈的“B-”端与第三个线圈的“C+”端线连接；第一个线圈的“A+”端和第三个线圈的“C-”端作为振动发电装置的发电输出端的两极，该输出端与电力电子变换电路部分的输入端连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：不同于现有的振动发电装置的结构，本发明给出了一种特殊结构的磁体-线圈系统，具有显著的优势，具体体现在：

1)机械支撑部分的外壁上三组线圈的缠绕方向采用两端绕向与中间绕向反向方式，减少同向线圈感应电动势之间的相互抵消，增大输出电动势的幅值，提高机械能转化为电能的转换率。

2)运动磁体具有特殊结构，由三块永磁体和两块软磁体构成，与固定永磁体组成磁弹簧，相邻永磁体的极性相反，从而使得穿过线圈的径向磁场分量加大；由电磁感应定律可知：磁场径向分量的增大能提高机械能到电能的转化率；软磁体位于极性相反的两块永磁体之间，由于软磁体具有较高的磁导率，因而改变磁场的分布，使得径向磁场分量加大；进一步提高了机械能到电能的转化率。且由于软磁体的成本远远小于永磁体，因此本发明的运动磁体结构能够显著降低振动发电装置的成本。

3)第一永磁体和第三永磁体的厚度较小，第一软磁体、第二永磁体、第二软磁体具有相同的直径，第一永磁体和第三永磁体具有相同的直径，且第一永磁体的直径要略大于第一软磁体的直径，如此设置可以有效减小运动磁体与机械支撑部分内壁之间的摩擦，提高效率。

4)绕向相反的三个线圈与磁弹簧结构结合，两部分的电气参数相互耦合，能更大程度地提高机械能到电能的转换效率。

5)电力电子变换电路部分设置瞬态电压抑制电路，防止后续电路电压过高而损坏后续电路元件；设置过压报警电路，如果持续对振动发电装置错误操作，LED将被导通而报警，起到对操作人员错误操作的警告作用。一种可能的情况是，振动发电装置可能在使用过程中出现跌落或剧烈震动等状况，从而造成发电峰值电压过高而损坏与之电气连接的元器件，尤其在夜晚，振动发电装置意外跌落时，本发明的保护电路对元器件起到保护作用，发光二极管不仅起到报警作用，而且能方便人们找到跌落的装置。电阻和稳压二极管组成的稳压电路可以稳定充电锂电池两端的充电电压，防止振动输出尖峰电压对充电锂电池的冲击，可延长充电锂电池的使用寿命。

6)电力电子变换电路部分与振动发电装置电气连接，电力电子变换电路部分综合考虑振动发电装置的电气特性、负载的电气特性与实际的应用情况，能够满足人们的使用需求。

附图说明

图1为本发明永磁振动发电便携电源一种实施例的振动发电装置的纵向结构剖面图；

图2为本发明永磁振动发电便携电源一种实施例的运动磁体3的结构示意图；

图3为本发明永磁振动发电便携电源一种实施例的线圈部分5缠绕方式示意图；

图4为本发明永磁振动发电便携电源一种实施例的电力电子变换电路部分的电路图；

图5为本发明永磁振动发电便携电源中振动发电装置线圈的电动势示意图；

图6为由单一永磁体作为运动磁体与由三块永磁体和两块软磁体构成的运动磁体的磁场分布对比图；其中图6(a)为单一永磁体作为运动磁体的二维磁场分布图；图6(b)为由三块永磁体和两块软磁体构成的运动磁体的二维磁场分布图；图6(c)为单一永磁体作为运动磁体的三维磁场分布图；图6(d)为由三块永磁体和两块软磁体构成的运动磁体的三维磁场分布图；

图7为本发明永磁振动发电便携电源一种实施例的圆柱筒2的结构示意图；其中图7(a)为主视图，图7(b)为俯视图；图7(c)为左视图；

图8本发明永磁振动发电便携电源一种实施例的端盖1的结构示意图；其中图8(a)为主视图，图8(b)为左视图；

图9为本发明实施例2振动发电装置的发电输出端的开路电压图；

图10为本发明实施例3(采用三块永磁体和两块软磁体构成的运动磁体、且线圈绕向不同时)的振动发电装置的发电输出端的开路电压图；

图11为对比例(采用单一永磁体、线圈绕向相同时)的发电输出端的开路电压图；

图中，1端盖、2圆柱筒、3运动磁体、4固定永磁体、5线圈部分、6第一永磁体、7第一软磁体、8第二永磁体、9第二软磁体、10第三永磁体。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明权利要求保护的范围。

本发明永磁振动发电便携电源(简称电源，参见图1-4)包括振动发电装置和电力电子变换电路部分，振动发电装置与电力电子变换电路部分相连接，振动发电装置收集振动能量并将其转换为电能，所产生的电能经过电力电子变换电路部分对负载供电；所述振动发电装置包括磁体部分、线圈部分和机械支撑部分，磁体部分由两个分别固定在机械支撑部分两端的固定永磁体4和一个置于机械支撑部分内的运动磁体3构成，运动磁体3同两端的固定磁体4都具有斥力,即如图1所示，左端固定磁体4的N极与运动磁体3的N极相对，运动磁体3的S极与右端固定磁体4的S极相对；线圈部分5缠绕在机械支撑部分外壁上，线圈部分5引出振动发电装置的发电输出端，所述运动磁体3由三块永磁体和两块软磁体构成，所述三块永磁体(第一永磁体6、第二永磁体8和第三永磁体10)和两块软磁体(第一软磁体7和第二软磁体9)按照先永磁体后软磁体的顺序依次布置，相邻两块永磁体之间具有斥力作用，即如图2所示，第一永磁体6的S极通过第一软磁体7连接第二永磁体8的S极，第二永磁体8的N极通过第二软磁体9连接第三永磁体10的N极；上述三块永磁体和固定永磁体均是轴向充磁，磁体部分构成磁弹簧结构。

所述线圈部分(参见图3)包括三个线圈，三个线圈均匀缠绕在机械支撑部分上，第一个线圈起始于“A+”端，终止于“A-”端；第二个线圈起始于“B+”端，终止于“B-”端，第三个线圈起始于“C+”端，终止于“C-”端，第一个线圈的缠绕方向与第二个线圈的缠绕方向相反，第二个线圈的缠绕方向与第三个线圈的缠绕方向相反；第一个线圈的“A-”端与第二个线圈的“B+”端线连接，第二个线圈的“B-”端与第三个线圈的“C+”端线连接；第一个线圈的“A+”端和第三个线圈的“C-”端作为振动发电装置的发电输出端，该输出端与电力电子变换电路部分的输入端连接，振动发电装置的发电输出端的一极为第一个线圈的“A+”端，振动发电装置的发电输出端的一极为第三个线圈的“C-”端；当运动磁体在机械支撑部分内沿轴向运动时，其磁力线与线圈位置会发生相对运动，相当于线圈在切割磁力线，根据电磁感应定律，当导线切割磁力线时，导线中会产生电动势。

本发明电源的进一步特征在于所述机械支撑部分由两个柱形端盖1和一个圆柱筒2构成，端盖1的外直径与圆柱筒2的内径相匹配，端盖由固定螺钉固定在圆柱筒2的两端，固定永磁体4固定于端盖1内侧，所述圆柱筒2的外壁上加工三个外壁槽，三个线圈分别缠绕于相应的外壁槽中。

本发明电源的进一步特征在于所述运动磁体3的三块永磁体和两块软磁体均为圆柱型，其中第一软磁体7、第二永磁体8和第二软磁体9的直径相同，第一永磁体6和第三永磁体10的尺寸相同，第一永磁体6的直径为第一软磁体7的直径的1.1-1.3倍，第一永磁体6的厚度是第二永磁体厚度的1/6-1/4。

本发明电源的进一步特征在于所述电力电子变换电路部分包括整流二极管、瞬变电压抑制二极管、稳压二极管、电阻、电容、可充电锂电池和发光二极管，由此实现电能变换、储能与供能的作用，并具有过压保护与过压报警功能，具体电路构成(参见图4)是：四个整流二极管(D1-D4)构成全桥整流电路；第一个线圈的“A+”端与整流二极管D1的正极和整流二极管D3的负极连接，整流二极管D1的负极与整流二极管D2的负极连接，第三个线圈的“C-”端与整流二极管D2的正极、整流二极管D4的负极连接，整流二极管D4的正极和整流二极管D3的正极连接；整流二极管D2的负极端记为a端，整流二极管D4的正极端记为b端，滤波电容C并连在a端和b端之间；瞬变电压抑制二极管TVS1并接于a端和b端之间，构成瞬态电压抑制电路，当其两端电压达到击穿电压时会维持击穿电压，当其两端电压超过击穿电压时，将两端电压钳位到钳位电压，防止两端电压过高而损坏后续电路元件；瞬变电压抑制二极管TVS2与一个LED(H)串联最后并接于a端和b端之间，构成过压报警电路，瞬变电压抑制二极管TVS2的钳位电压小于TVS1的钳位电压，随着a、b两端电压的升高，瞬变电压抑制二极管TVS2先于瞬变电压抑制二极管TVS1被击穿，当a、b两端电压继续升高，超过两TVS2的钳位电压，此时a、b两端电压为瞬变电压抑制二极管TVS1的钳位电压，亦为瞬变电压抑制二极管TVS2的钳位电压和LED两端电压的和，两钳位电压的差值满足LED的工作电压，此时LED发光警示；电阻R与稳压二极管D_Z串联后并接于a端和b端之间，构成稳压电路，稳压二极管D_Z的电压是可充电锂电池的充电电压，a、b两端高出稳压二极管D_Z的电压由电阻R承担,稳压二极管D_Z的负极记为c端；充电锂电池E并接于c端和b端之间，用于将振动发电装置发出的电能储存；一个常开开关S与一个供电负载(发光二极管D)串联最后并接于c端和b端之间，此处的供电负载为发光二极管D，也可由其它负载替换，也就是说，本发明永磁振动发电便携电源可用于其它形式的负载，此处只是以发光二极管为例。

本发明的线圈部分的工作原理是：当运动永磁体在机械支撑部分(圆柱筒)内沿轴向运动时，其磁力线与线圈位置会发生相对运动，线圈切割磁力线，根据电磁感应定律，当导线切割磁力线时，导线中会产生电动势。处于相同磁极下的线圈，由于穿过线圈的磁力线方向一致，所以每匝线圈中的电动势方向一致，这样，同一磁极下的线圈顺次串联起来会叠加出更大的输出电动势。同理，处于不同磁极下的线圈，由于穿过线圈的磁力线方向不一致，所以不同磁极下线圈中的电动势方向相反，这样，不同磁极下的线圈顺次串联起来会相互抵消，从而输出电动势会减小。依据上述运行机理分析，本发明采用不同磁极下线圈绕向不同的方法，即把线圈部分分为三个线圈，使相邻线圈绕向相反。其绕向方式示意图如图3所示。为了进一步阐明这一问题，此处给出运动磁体运动到某一位置时进行具体分析：当运动永磁体运动到第一线圈与第二线圈的中间位置时，磁力线分布与感生电动势的方向如图5所示，运动磁体向右运动时，根据电磁感应定律，处于圆柱筒左侧线圈(第一个线圈)的感生电动势与右侧线圈(第二个线圈)的感生电动势的方向相反，由于相邻外壁槽中线圈绕向相反，两个线圈感生电动势是增强关系，如果相邻外壁槽中线圈绕向相同，则感生电动势是抵消关系，输出电动势会降低。

由单一永磁体作为运动磁体与由三块永磁体和两块软磁体构成的运动磁体进行仿真对比试验，得到的结果如图6所示，从图中可以看出，由三块永磁体和两块软磁体构成的运动磁体结构无论是在二维仿真还是在三维仿真中均显著加大了磁场的径向分量，从而能显著提高机械能到电能的转化率。

实施例1

本实施例永磁振动发电便携电源包括振动发电装置和电力电子变换电路部分，振动发电装置与电力电子变换电路部分相连接，振动发电装置收集振动能量并将其转换为电能，所产生的电能经过电力电子变换电路部分对负载供电；所述振动发电装置包括磁体部分、线圈部分和机械支撑部分，磁体部分由两个分别固定在机械支撑部分两端的固定永磁体4和一个置于机械支撑部分内的运动磁体3构成，运动磁体3同两端的固定磁体4都具有斥力,即如图1所示，左端固定磁体4的N极与运动磁体3的N极相对，运动磁体3的S极与右端固定磁体4的S极相对；线圈部分5缠绕在机械支撑部分外壁上，所述运动磁体3由三块永磁体和两块软磁体构成，所述三块永磁体(第一永磁体6、第二永磁体8和第三永磁体10)和两块软磁体(第一软磁体7和第二软磁体9)按照先永磁体后软磁体的顺序依次布置，相邻两永磁体之间具有斥力作用，即如图2所示，第一永磁体6的S极通过第一软磁体7连接第二永磁体8的S极，第二永磁体8的N极通过第二软磁体9连接第三永磁体10的N极；上述三块永磁体和固定永磁体均是轴向充磁，磁体部分构成磁弹簧结构。

本实施例中机械支撑部分包括圆柱筒和端盖，圆柱筒2的结构如图7所示，圆柱筒为亚克力塑料管，长110mm，内径18mm，外径22mm；外壁加工三个相同的外壁槽，每个外壁槽的槽深为1mm，槽长度22mm；圆柱筒两端各分布三个均匀围绕圆周的端盖用螺丝孔，用来固定端盖，端盖用螺丝孔半径1mm，孔中心距离圆柱筒端部5mm。

端盖1(参见图8)为圆柱形，其厚度为10mm，直径为18mm；端盖圆周侧面上均匀分布有三个圆柱筒连接螺丝孔，通过圆柱筒连接螺丝孔与端盖用螺丝孔将端盖与圆柱筒固定在一起，圆柱筒连接螺丝孔的直径1.5mm，圆柱筒连接螺丝孔的孔中心距离端盖一侧边部5mm；端盖内侧均匀分布有三个永磁体连接螺丝孔，永磁体连接螺丝孔用来吸贴固定永磁体4，永磁体连接螺丝孔的半径为1.25mm，永磁体连接螺丝孔的孔中心距离端盖外边缘的距离为4mm。

本实施例中线圈部分采用同方向缠绕方式。

实施例2

本实施例永磁振动发电便携电源包括振动发电装置和电力电子变换电路部分，振动发电装置与电力电子变换电路部分相连接，振动发电装置收集振动能量并将其转换为电能，所产生的电能经过电力电子变换电路部分对负载供电；所述振动发电装置包括磁体部分、线圈部分和机械支撑部分，磁体部分由两个分别固定在机械支撑部分两端的固定永磁体4和一个置于机械支撑部分内的运动磁体3构成，运动磁体3同两端的固定磁体4都具有斥力,即如图1所示，左端固定磁体4的N极与运动磁体3的N极相对，运动磁体3的S极与右端固定磁体4的S极相对；线圈部分5缠绕在机械支撑部分外壁上，所述运动磁体3为单一永磁体；

所述线圈部分包括三个线圈，三个线圈均匀缠绕在机械支撑部分上，第一个线圈起始于“A+”端，终止于“A-”端；第二个线圈起始于“B+”端，终止于“B-”端，第三个线圈起始于“C+”端，终止于“C-”端，第一个线圈的缠绕方向与第二个线圈的缠绕方向相反，第二个线圈的缠绕方向与第三个线圈的缠绕方向相反；第一个线圈的“A-”端与第二个线圈的“B+”端线连接，第二个线圈的“B-”端与第三个线圈的“C+”端线连接；第一个线圈的“A+”端和第三个线圈的“C-”端作为振动发电装置的输出端，该输出端与电力电子变换电路部分的发电输入端连接；当运动磁体在机械支撑部分内沿轴向运动时，其磁力线与线圈位置会发生相对运动，相当于线圈在切割磁力线，根据电磁感应定律，当导线切割磁力线时，导线中会产生电动势。

机械支撑部分的尺寸结构与实施例1相同。

实施例3

本实施例永磁振动发电便携电源的各部分组成及连接关系同实施例1，不同之处在于线圈部分采用实施例2的缠绕方式进行缠绕。

对比例

对比例为采用实施例1的机械支撑部分，运动磁体3为单一永磁体，线圈部分的缠绕方式为同向缠绕。

将上述的实施例1-3和对比例均进行振动发电装置的输出端(指第一个线圈的“A+”端和第三个线圈的“C-”端)开路电压测量，实验中主要实验设备为激振器(型号HEV-50)与示波器(型号DPO4054)。图9为实施例2的开路电压测量结果，在振动频率为5Hz、振幅为5mm时此开路电压最大值810mv，最小值-630mv,有效值(均方根)325mv。图10为实施例3的开路电压测量结果，在振动频率为5Hz、振幅为5mm时，开路电压最大值990mv，最小值-1.53v,有效值597mv。图11为对比例的开路电压测量结果，在振动频率为5Hz、振幅为5mm时此开路电压最大值286mv，最小值-210mv,有效值99.1mv。

对比图9和图10可知，当线圈部分缠绕方式相同时，采用由三块永磁体和两块软磁体构成的运动磁体时，输出电压明显增加，表明当运动磁体设计为三块永磁体和两块软磁体组成时，会显著提高输出电压。对比图9和图11可知，当均采用由单一永磁体作为运动磁体时，采用不同的线圈缠绕方式，所产生的开路电压会有明显变化，当三个外壁槽中线圈绕向相同后，相邻外壁槽中线圈电动势相互抵消，输出开路电压明显降低。实验结果表明，本发明所给出的线圈的缠绕与连接方式能显著提高输出电压。且当采用由三块永磁体和两块软磁体构成的运动磁体和线圈绕向不同时，即实施例3，输出电压增大更加显著。

本发明未述及之处适用于现有技术。