用来将机械振动能转化为电能的电机械发电机和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用来将机械振动能转化为电能的电机械发电机。本发明也涉及使用电机械发电机将机械振动能转化为电能的方法。特别地，本发明涉及这种装置，该装置是微型发电机，该微型发电机能够将周围的振动能转化为电能以便用于例如为智能传感器系统提供电力。这种系统可以用于许多领域，其中由于消除了电缆或电池而存在经济或操作优点。
【背景技术】
[0002]用来将机械振动能转化为电能的电机械发电机在该技术领域中是熟知的，并且由机械共振器组成，所述机械共振器具有电磁感应或压电功率变换。在任一情况中，该机械共振器由簧载质量块组成。已知使用电机械发电机来从周围振动获取有用的电功率，例如，用来为无线传感器提供功率。具有其它变换系统(诸如磁致伸缩或静电系统)的发电机也是已知的。
[0003]典型的电机械发电机是磁体-线圈发电机，该磁体-线圈发电机由机械弹簧-质量块组合组成，该机械弹簧-质量块组合附接到磁体或线圈使得当该系统振动时线圈穿过由磁芯形成的磁通。当振动时移动的质量块典型地安装在悬臂梁上。该梁可以或者连接到磁芯，该线圈相对于用于该装置的罩壳被固定，或者反过来。
[0004]该电机械发电机在使用中可能受到大的冲击力或振动，该大的冲击力或振动弓I起簧载质量块以过度大的幅值振荡，其结果是该质量块在其行程的极限处可能物理地撞击该装置的外部壳体或其它部件。虽然在理论上可以使该质量块与该壳体和其它部件更远地相间隔以适应这种大的振荡幅值而不发生撞击，但这给予总装置较大的体积，该较大的体积限制其在较小空间中的应用，很可能增加其重量，并且需要使用更多的材料来形成该壳体。如果没有壳体，或者如果该质量块与壳体和其它部件更远地相间隔以避免这种撞击，则该质量块可能以过度大的幅值振荡，这通过重复地超过弹簧材料的比例极限而引起弹簧的永久损坏或劣化。在任一情况中，可以预期，具有过度大的幅值的这种撞击或振荡，将使电机械发电机的操作寿命缩短到不可接受的程度。
[0005]共振振动能量采集器有利地被设计使得它们的品质因子尽可能高。这是因为较高的功率可以通过较高品质共振器而被产生。然而，如果这种装置位于驱动振动变得在幅值上高于预期的环境中，或者如果这种装置受到偶然的大冲击力，则共振器的振荡幅值可能变得大于所设计或适应的振荡幅值。这个振荡幅值可能引起共振质量块撞击该装置壳体或其它部件，并且潜在地在延长的暴露之后，导致永久的装置损坏。
[0006]因此，需要提供一种电机械发电机，该电机械发电机适应簧载质量块的振动或振荡的幅值可能以间歇的且不可预测的方式随时间变化的可能性，并且因此，由于不安全的幅值而损坏的可能性可被减小，并且因此可以提高操作寿命。
【发明内容】
[0007]本发明旨在提供用来将机械振动能转化为电能的改进的电机械发电机，该改进的电机械发电机可以满足这个需要。
[0008]本发明也旨在提供一种紧凑的电机械发电机，该紧凑的电机械发电机用来将机械振动能转化为电能。
[0009]本发明也旨在提供一种用来将机械振动能转化为电能的改进的电机械发电机，该改进的电机械发电机包括用于其质量块的振动或振荡幅值的限制器，当该质量块以不超过特别的或预定的临界幅值的幅值振荡时，该限制器不引起发电机的任何功率损失，因此当电机械发电机在不超过特别的或预定的临界幅值的特别的或预定的幅值操作范围中操作时，避免或最小化电机械发电机的能量转换效率的任何减小。
[0010]本发明因此在第一方面中提供一种用来将机械振动能转化为电能的电机械发电机，该电机械发电机包括:质量块，所述质量块通过偏压装置弹性地连接到本体并且适合于相对于所述本体在平衡点附近以一定振荡幅值振荡；变换器，所述变换器被构造用来将相对于所述本体的在所述平衡点附近的所述质量块的振荡转化为电能；和弹性装置，所述弹性装置布置在所述质量块与所述本体中的一者和所述偏压装置之间，其中，所述弹性装置被构造用来仅当所述振荡幅值超过预定的非零临界幅值时在所述质量块与所述本体中的一者和所述偏压装置之间变形。
[0011]在这里，通过“非零”意指预定的临界幅值不是零幅值。因此，当该质量块以预定的临界幅值振荡时，该质量块相对于该本体在平衡点附近振荡、振动或运动。
[0012]该发电机被构造成使得该质量块被允许相对于本体在平衡点附近以不超过预定临界幅值的振荡幅值振荡，而弹性装置不变形，例如，不被压缩在质量块与本体中的一者和偏压装置之间。因此，在这种情况中，当质量块的振荡幅值不超过特别的或预定的临界幅值时，弹性装置不引起该发电机的任何功率损失。然而，该发电机被构造成使得当振荡幅值超过预定临界幅值时，诸如当它受到强烈的冲击时，弹性装置随后变形，例如，被压缩在质量块与本体中的一者和偏压装置之间以充当限制器，该限制器限制振荡幅值。
[0013]因此，体现本发明的电机械发电机在它可能受到偶然的强烈冲击的环境中具有特别的效用。
[0014]任选地，所述弹性装置被构造用来当所述弹性装置在所述质量块与所述本体中的一者和所述偏压装置之间变形时接触所述偏压装置。替代地，所述电机械发电机包括硬的或刚性的装置(诸如弹性挡圈)，所述硬的或刚性的装置被构造用来当所述弹性装置在所述质量块与所述本体中的一者和所述偏压装置之间变形时隔离所述弹性装置与所述偏压
目.ο
[0015]所述弹性装置可以被安装在所述质量块与所述本体中的一者上。当所述质量块处于所述平衡点时所述弹性装置可以与所述偏压装置相间隔。优选地，弹性装置安装到其上的质量块与本体中的一者包括弹性装置所接触的硬的表面或座。该硬的表面或座可以由硬的部件提供，该硬的部件诸如质量块或本体的环形或非环形的部件。
[0016]所述弹性装置可以安装在所述偏压装置上。当所述质量块处于所述平衡点时所述弹性装置可以与所述质量块与所述本体中的一者相间隔。
[0017]优选地，所述弹性装置的弹簧常数大于所述偏压装置的弹簧常数。然而，该弹性装置的弹簧常数可以小于或等于偏压装置的弹簧常数。
[0018]所述弹性装置可以包括下述选项中的一者:弹簧垫圈、螺旋弹簧以及弹性体装置或嵌条，诸如O型环。所述弹簧垫圈可以选自由以下选项组成的组:Belleville垫圈、弯曲的圆盘弹簧、波形垫圈以及开口垫圈。优选地，所述弹性装置是单体式的顺从装置。
[0019]所述电机械发电机可以包括弹簧装置，所述弹簧装置布置在所述质量块与所述本体中的一者和所述偏压装置之间，并且被构造用来将所述弹性装置偏压在所述偏压装置和所述质量块与所述本体中的所述一者之一上。优选地，该弹性装置仅通过弹簧装置被保持在偏压装置、质量块或本体上。即，优选地，该弹性装置不附着或另外固定到偏压装置、质量块与本体中的一者上。
[0020]在该电机械发电机的使用中，该质量块和弹性装置受到加速。该弹簧装置应当足够刚性以耐受来自第一弹性装置的任何惯性力。即，当弹性装置安装在质量块和偏压装置中的一者上时，虽然不是必需的，但优选的是，在该质量块的振荡期间总是保持弹性装置与质量块和偏压装置中的一者接触。为了实现这个，在发电机的组装时，弹簧装置可以以压缩状态被安装在质量块与偏压装置中的一者和弹性装置之间(这暗示弹簧装置的最小弹簧应变率)，使得当质量块处于平衡点时弹性装置被偏压在偏压装置和质量块中的一者上。然而，弹簧装置应当是充分顺从的，以保证在质量块的振荡期间当弹性装置变形时，弹性装置保持与质量块和偏压装置中的一者接触(这暗示弹簧装置的最大弹簧应变率)。弹簧装置的弹簧常数可以在偏压装置和弹性装置的相应弹簧常数中间。
[0021]该弹簧装置可以包括弹簧垫圈，诸如Belleville垫圈、弯曲的圆盘弹簧、波形垫圈和开口垫圈中的一者。优选地，弹簧装置是单体式的顺从装置。
[0022]优选地，所述质量块通过所述偏压装置并且通过第二偏压装置弹性地连接到所述本体，所述偏压装置和所述第二偏压装置中的每一个偏压装置沿相反的两个方向中的相应一个方向朝所述平衡点偏压所述质量块。所述质量块可以弹性地连接到所述本体以便沿轴线进行直线振动运动。偏压装置和第二偏压装置可以沿该轴线相互间隔。
[0023]所述弹性装置可以具有孔，所述轴线穿过所述孔。优选地，所述弹性装置关于所述轴线旋转对称。
[0024]优选地，所述电机械发电机包括第二弹性装置，所述第二弹性装置布置在所述质量块与所述本体中的一者和所述第二偏压装置之间。当弹性装置布置在质量块与本体中选定的一者和偏压装置之间时，优选地，第二弹性装置布置在质量块与本体中相同地选定的一者和第二偏压装置之间。
[0025]所述第二弹性装置可以被安装在所述质量块与所述本体中的一者上。当所述质量块处于所述平衡点时所述第二弹性装置可以与所述第二偏压装置相间隔。优选地，第二弹性装置安装到其上的质量块与本体中的一者包括第二弹性装置所接触的硬的表面或座。该硬的表面或座可以由硬的部件提供，该硬的部件诸如质量块或本体的环形或非环形的部件。
[0026]优选地，所述第二弹性装置包括下述选项中的一者:弹簧垫圈、螺旋弹簧以及弹性体装置或嵌条，诸如O型环。优选地，所述第二弹性装置包括弹簧垫圈，所述弹簧垫圈选自由以下选项组成的组:Belleville垫圈、弯曲的圆盘弹簧、波形垫圈以及开口垫圈。优选地，所述第二弹性装置是单体式的顺从装置。
[0027]优选地，所述弹性装置包括第一 Belleville垫圈并且所述第二弹性装置包括第二 Belleville垫圈。第一和第二 Belleville垫圈可以布置成以它们的内侧相互面对。替代地，第一和第二 Belleville垫圈可以布置成以它们的内侧相互背离。仍然替代地，第一和第二 Belleville垫圈可以布置成以它们的相应内侧面向相同的方向，即，不相互面对或相互背离。
[0028]所述电机械发电机可以包括第二弹簧装置，所述第二弹簧装置布置在所述质量块与所述本体中的一者和所述第二偏压装置之间，并且被构造用来将所述第二弹性装置偏压在所述第二偏压装置和所述质量块与所述本体中的所述一者之一上。优选地，该第二弹性装置仅通过第二弹簧装置而被保持在第二偏压装置、质量块或本体上。即，优选地，该第二弹性装置不附着或另外固定到第二偏压装置、质量块与本体中的一者上。第二弹簧装置可以具有上述弹簧装置的各个性质中的任何性质。特别地，第二弹簧装置的弹簧常数可以在第二偏压装置和第二弹性装置的相应弹簧常数中间。
[0029]本发明的第二方面提供一种用来将机械振动能转化为电能的电机械发电机，该电机械发电机包括:质量块，所述质量块通过偏压装置弹性地连接到本体并且适合于相对于所述本体在平衡点附近振荡