专利名称：用于产生电功率的便携式机电一体化设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于从在互为相反的方向上具有加速度的系统的自然振荡运动 中恢复出功率的方法和产生电功率的设备。此自然振荡运动系统是例如携带悬挂在其腰部 的设备的外壳的行人。
背景技术：
M. Ruellan、S. Turri、Hamid Ben Ahmed 禾口 B. Multon 发表于在 2005 年 10 月 2-6日香港IEEE IAS年度会议的CDROM会刊中的文章“Electromagnetic resonant generator (电磁谐振发电机)”公开了包括具有管状结构的同步电磁线性致动器的电功率 发电机系统，其中该致动器的永磁电感器被固定于一盒体，并且该致动器的电枢被固定于 通过阻尼弹簧耦合到该盒体的可移动质量块部件。该电枢被电连接到电功率存储装置。该 设备的盒体被携带在行人臀部高度，而该行人的运动被认为基本上是正弦的。该致动器相 对于该可移动质量块部件是被动的，并且只作为用于对例如电功率存储装置如蜂窝电话的 电池进行再充电的发电机来工作。所恢复出的功率随着行人步伐的频率而增加。
对于诸如人体那样的自然运动，振荡的频率是很低的。在这样的条件下，由根据以 上描述的文章的发电机系统恢复出的功率是非常低的。因此，采用由行人携带在臀部处的 这样的电磁发电机系统，对于50克的可移动质量块部件和每秒两步的步速而言，所恢复出 的平均功率低于40毫瓦。发明内容
本发明用借助于致动器的电功率产生方法来克服了以上所提到的缺点，其中该致 动器电连接到电功率存储装置，并包括能够服从振荡速度运动的第一构件以及至少部分地 构成能够以相对于该第一构件的速度振荡的质量块部件的第二构件。
这样的方法包括使该质量块部件的运动受该第一构件的振荡运动伺服控制来控 制该致动器在该致动器的工作循环的一部分期间作为对该存储装置充电的发电机，该质量 块部件在该致动器的工作循环的另一部分期间自由地移动。
该第一和第二构件是例如磁体同步旋转机器类型的致动器的外围电枢和中央电 感器。在更大的机器上，磁体可由电磁体来替换。
提供了根据本发明的致动器以用于产生电功率，例如用于为便携物品的电池再充 电，并且随后作为发电机工作来为要连接到该便携物品的电池的电功率存储装置充电。该 质量块部件随后可在该致动器的工作循环的另一部分期间自由地移动。
本发明还涉及一种借助于致动器(11-12,21-22)的电功率产生方法，该致动器电 连接到电功率存储装置(16二6)，并包括能够服从振荡速度运动的第一构件(11，21)以及 至少部分地构成能够以相对于该第一构件的速度振荡的质量块部件(13，23)的第二构件 (12，22)。
这样一种方法的特殊之处在于该方法包括
-使该质量块部件的运动受该第一构件的振荡运动的伺服控制来控制该致动器在 该致动器的工作循环的一部分期间作为该存储装置充电的发电机，
-使该质量块部件的运动受该第一构件的振荡运动伺服控制来控制该致动器在该 致动器(11-12,21-22)的工作循环的另一部分期间作为由该存储装置供电的电动机。
为了从诸如携带具有该质量块部件的致动器的行人之类的自然振荡运动系统恢 复出尽可能多的电功率，该致动器的操作是可逆的以使得该致动器的工作循环的另一部分 能够包括使该质量块部件的运动受该第一构件的振荡运动的伺服控制来控制该致动器作 为由该存储装置供电的电动机。在此情形中，该致动器遵循服从该自然振荡系统的振荡运 动的该第一构件的振荡运动的伺服控制以要么作为电动机工作以加速该质量块部件，要么 作为发电机工作以恢复出该质量块部件的运动功率。此类伺服控制允许恢复出比根据现有 技术借助于被动致动器所恢复出的功率多得多的功率。
具体而言，该伺服控制系统可发生要求该质量块部件的运动速度从动于该第一构 件的加速度。
归功于此类伺服控制，本发明的方法有助于从该运动系统中汲取尽可能多的功 率，同时确保由于由该致动器所可能产生的重量、振动以及噪音对行人造成的不适感很小。 该质量块部件的偏离越大和/或其受到的加速度越强，则恢复出的功率就越高，当该自然 振荡系统的振荡运动较慢时更加明显。
该方法通过更为快速地实现该可移动质量块的人为运动以便为诸如举例而言为 蜂窝移动终端供电的微蓄电器之类的电功率存储装置再充电的方式，来辅助从本质上运动 缓慢的系统汲取功率。为此，该致动器的工作循环可包括该致动器作为电动机在该第一构 件按与预定方向相反的方向的加速度的增大期间增大该质量块部件按该预定方向的运动 速度的工作相、该致动器作为发电机在该第一构件按该相反方向的加速度的减小期间减小 该质量块部件按该预定的方向的运动速度的工作相、该致动器作为电动机在该第一构件按 该预定方向的加速度的增大期间增大该质量块部件按该相反方向的运动速度的工作相、以 及该致动器作为发电机在该第一构件按该预定方向的加速度的减小期间减小该质量块部 件的按该相反方向运动速度的工作相。
对该质量块部件的速度作为时间的函数所强加的变化形式可例如基本上是正弦、 梯形、或与该外壳的加速度相同的类型。
为了更好地优化由该电功率存储装置对功率的恢复，该质量块部件的运动速度无 论其方向如何均可被维持在与该电感器加速度的绝对值最大值同步。换言之，该致动器的 工作循环可包括当该第一构件的加速度在最大值附近变化时使该致动器作为电动机来增 大和减小该质量块部件的运动速度的工作相。
本发明的目的还有提供一种电功率产生设备，该设备包括电连接到电功率存储装 置的致动器并且该致动器包括能够服从振荡速度运动的第一构件以及至少部分地构成能 够以相对于该第一构件的速度振荡的质量块部件的第二构件。该设备的特征在于其包括在 该致动器的工作循环的一部分期间通过使该质量块部件的运动从动于该第一构件的振荡 运动来控制该致动器作为为该存储装置充电的发电机的伺服控制装置。
该伺服控制装置还能够控制该致动器在该致动器的工作循环的另一部分期间作 为由该存储装置供电的电动机。根据能产生的电功率较少的更为经济的替换方案，不对该致动器供电且该质量块部件可在该致动器的工作循环的该另一部分期间自由地移动。
更具体而言，该伺服控制装置可包括用于测量该第一构件的加速度的装置、用于 测量该质量块部件的运动速度的装置、以及用于控制该致动器以使该质量块部件的运动速 度从动于该第一构件的加速度的装置。该使从动装置可包括用于取决于对该第一构件所测 得的加速度以及对该质量块部件所测得的运动速度相对于取决于该第一构件的位置的可 变设定点来校正参数的装置、以及用于根据经校正的参数将该电功率的变化适配成要么从 该致动器恢复出要么被提供给该致动器以指导该存储装置的端子上的电流和电压的可逆 放大器-波荡器。
该质量块部件的运动与致动器类型的不同组合可有助于实现本发明的该设备。根 据第一实施例，该质量块部件的运动是线性的而该致动器是线性的或旋转的。可从中汲取 功率的自然振荡可以是垂直的或根据另一方向来取向的。
根据第二实施例，该质量块部件的运动是旋转的并且该致动器是旋转的。在这样 的第二实施例中，该伺服控制装置能够使该质量块部件的运动速度在比该第一构件的最大 角速度更高的标称速度附近变化以汲取更多的功率。在此第二实施例中，为了改善行人的 舒适度，该致动器的第一构件可由固定于该自然振荡运动系统的外壳支撑且例如由诸如至 少一个滚珠轴承之类的解耦装置从该第一构件可旋转地解耦。
为了更好地辅助该致动器从该自然振荡运动系统中汲取功率并促进该设备的小 型化，该设备可包括固定于支撑该致动器的外壳的弹性装置，用于当该致动器作为电动机 工作时辅助该致动器加速该质量块部件。由此对该质量块部件和该弹性装置的伺服控制可 不仅与该质量块部件的运动速度有关，还与该弹性装置的刚度和/或可在例如与该致动器 的轴线呈径向的杆上移动的平衡锤的运动有关。
调整移动中的质量块部件的惯性力矩也可通过相对于该转动轴移动液体而产生， 而该弹性装置本身可以是通过其刚度根据其压力调整的可压缩流体来实施的。
本发明的其他特性和优势将从阅读本发明通过非限制示例的方式给出的若干实 施例的下列描述并参考相对应的附图变得更加清晰明显，其中
图1是根据本发明的第一实施例的电功率产生设备的示意轴向截面图2是根据第一实施例的替换方案的旋转致动器的电感器的旋转速度伺服控制 系统的框图3包括与外壳和电功率产生设备的质量块部件的正弦运动位置有关以及与其 速度和加速度有关的作为时间的函数的六张图表；
图4示出根据本发明的从动于该外壳的正弦加速度的该质量块部件速度的最优 变化；
图5和图6是根据本发明的第二实施例的电功率产生设备中的旋转致动器的立体 和正视示意图7是根据第二实施例的电功率产生设备的轴向截面图8是根据第二实施例的旋转致动器的电感器的旋转速度伺服控制系统的框图9与图1类似，但具有根据第一实施例的替换方案的压缩弹簧；并且
图10示出用于替换的第二实施例的盘簧。
具体实施方式
参考图1和图2，根据本发明的第一实施例的机电一体化电功率产生设备1包括封 入电磁致动器11-12的外壳10、可移动质量块部件13以及电路14-16。该电路的主要组件 是控制该致动器的电子伺服控制系统14、可逆放大器-波荡器15以及诸如蓄电器或超级电 容器之类的微型电功率存储设备16。
致动器11-12是可逆的。在伺服控制系统14的控制下，该致动器当其由作为电压 源的电功率存储设备16供电时作为电动机工作以将电功率转换成使可移动质量块部件13 偏移的机械功率，或作为发电机工作以将由该可移动质量块部件的运动得到的机械功率转 换成将被存储在能够投放输出电压VS的存储设备中的电功率。
根据图1所解说的实施例，该致动器是同步线性的并包括两个主要构件具有固 定在外壳10内侧的线圈的圆柱形电枢11以及具有能够在该电枢中以垂直轴向平移滑动的 永磁体的圆柱形电感器12。电感器12由下端通过轴向杆121支撑移动质量块部件13。
根据该线性致动器的替换方案，该电枢与该电感器的相对位置可颠倒。该电枢位 于中央且固定于轴向杆121并由摩擦电刷连接到放大器-波荡器15。该电感器是外围的并 包围该电枢。
根据图2所示的替换方案，该致动器是包括具有永磁体的圆柱形定子电枢Ila和 可旋转地搭载在电枢Ila中的线圈圆柱形转子电感器12a的DC旋转机器。致动器lla_12a 的示例将参考图7和图8进一步详细描述。此替换方案中的质量块部件13a借助于齿条 131a可垂直于电感器1 的轴向杆121a移动，该齿条的下端固定于该质量块部件且齿轮链 接到固定于轴向杆121a的一端的齿轮12 中。
外壳10由移动的系统携带并从后者受到按两个相反方向的加速度。根据后续提 及的一示例，该移动的系统是携带固定于其腰部的外壳的行人。从而外壳10服从基本上 在垂直平面中的、由该行人的步伐所产生的且以按两个相反方向的加速度为特征的振荡运 动。根据其他示例，该移动的系统是服从由在浪涛影响下产生的侧滚和/或俯仰所造成的 振荡运动的船。
图1所示的质量块部件13是例如其电池至少部分地是电功率存储设备16自身的 移动蜂窝终端或随身听或诸如钥匙圈或钱包之类的任何其他物体的全部或部分的。该质量 块部件可通过轴向杆121上的夹子或者魔术贴(hook and loop)编织带、或者磁体加铁类 型的紧固件来从该致动器移除。
根据图1所示的实施例的替换方案，该外壳被倒置并且包括外壳10、致动器11-12 和电路14-16的组装件由该致动器的轴向杆121从该行人的腰部垂下以使得该质量块部件 至少由该机电一体化设备的非常重的组件构成。由此附加的质量就没有用了。在此类替换 方案中，加速计被固定于该致动器的轴向杆。该致动器相对于该轴向杆的速度如以下进一 步所述的那样被测量。移动蜂窝终端或任何其他物体也可从该外壳垂下以使其更重些，如 前所述。
图1中，向上的箭头示出由腰部施加在外壳10上的保持力!V方向向下的箭头示 出质量块部件施加在该致动器的轴向杆121上的作用Fa。外壳10相对于联系到地面S并且原点0在离地面高度H处的参考系的位置、和该外壳的运动振幅分别记为χ和X。质量块 部件13相对于联系到该外壳的参考系的位置以及该质量块部件该外壳中的运动振幅分别 记为y和Y。带有其全部组件的外壳具有质量M且该可移动质量块部件具有质量m。
根据本发明，致动器11-12是从动的，以自动地汲取比现有技术的被动发电机多 得多的功率。当该致动器作为发电机工作时，外壳10例如被向上加速并且坐标χ增加，而 质量块部件13由于其惯性趋向保持静止并且坐标y减小。发电机随后提供能够被存储在 设备16中的电功率。
力Fa和&由以下方程给出
Fa = mg+(m d2x/dt2+m d2y/dt2)，以及
Fb = Mg+ (M-m) d2x/dt2+ (m d2x/dt2+m d2y/dt2)，
g是重力加速度。
借助于轴向杆121被投放给该致动器的瞬时功率Pa和在外壳固定于该行人腰上 的位置处从该行人所汲取的瞬时功率I3b由以下“力χ速度”型的乘积表达
Pa (t) = -Fa dy/dt 且 I\(t) = Fb dx/dt。
这样的功率在忽略外壳中的任何摩擦且假定所有的运动都是周期性的情下具有 相同的均值P，这要求取决于相同变量χ或y的所有这些导数乘积平均起来为零。那么前述 功率的平均功率就变为
P = <PA> = -m < (d2x/dt2) (dy/dt) > 且
P = <PB> = m < (d2y/dt2) (dx/dt) >。
前述第一个方程表达了提供给作为发电机工作的该致动器的机械功率取决于由 该行人强加于该外壳的垂直加速度d2x/dt2和该质量块部件相对于该外壳的垂直速度dy/ dt。在知晓强加于该外壳的加速度d2x/dt2取决于该行人的情况下，本发明使该质量块部件 的速度dy/dt从动于该外壳的加速度。为了调控该质量块部件的速度，电子伺服控制系统 14包括速度传感器141、加速计142、减法器-乘法器143、校正器144以及可逆放大器-波 荡器15，如图2所示。速度传感器141测量电感器12a的旋转速度、或整合到该质量块部 件13a或13的电感器12的平移速度，并由此感测与该质量块部件的垂直速度dy/dt成比 例的幅值。例如，速度传感器感测该电感器的运动速度是其线圈中感生的电压或通过霍尔 效应或由电-光单元导致的跨该致动器的电压的函数。加速计142被固定于外壳10并测 量该外壳的基本垂直加速度d2x/dt2。
根据本发明中该外壳的加速度与该质量块部件的速度之间的关系，减法器-乘法 器143提供取决于所测得的该外壳的加速度和所测得该质量块部件的运动速度的参数。该 减法器-乘法器通过将所测得的加速度与具体取决于该加速度和该速度的振幅的预定的 因数相乘并将结果所得的乘积减去与所测得的垂直速度dy/dt成比例的大小来获得此参 数。校正器144相对于取决于该外壳的位置的设定点值对由该减法器-乘法器投放的差值 进行校正以将作为该经校正的差值的函数的输入电压施加于放大器-波荡器15。根据作为 该经校正的差值的函数的输入电压，该放大器-波荡器是可逆的，用于将电功率的变化适 配成要么从该致动器恢复出要么被提供给该致动器，以指导跨存储设备16的电流和电压。 放大器-波荡器被连接到功率存储设备16和致动器11-12以便将电流和电压强加于该致 动器以使得后者作为具有用作电压源的电功率存储设备16的电动机工作，或甚至作为为存储设备16充电的发电机工作。
静止时，使质量块部件13a或13降落到该外壳的底部，并且当该加速计感测到该 外壳的运动时仅再次被提升到齿条131a或轴向杆121的半冲程处。替换地，该质量块部件 由固定在该外壳的下部与齿条131a或轴向杆121之间的压缩弹簧、或由固定在该外壳的上 部与齿条131a或轴向杆121之间的引力弹簧持久地保持平衡。
例如，假定作为电动机工作的该致动器对该外壳中的该质量块部件强加基本正弦 运动并且该外壳相对于地面S以基本正弦的方式垂直地移动，即
χ = X sin (2 π ft)，且
y 二 Y sin (2π Ι + φ),
其中f是基本正弦运动的频率且φ是其间的相移，其中该相移φ等于-π /2时平均 功率P最大化。对于P = <ΡΑ>，这导致了该质量块部件相对于该外壳的速度从动于该外壳 相对于地面的加速度。根据P = <ΡΒ>使该质量块部件相对于该外壳的加速度从动于该外 壳相对于地面的速度实现起来更为方便。
在这样的假设下，该质量块部件的速度相对于该外壳的加速度的依存关系如下
dy/dt = - (Υ/2 π fX) (d2x/dt2)。
参数f和X可从所测得的该外壳的加速度d2x/dt2推导出。在考虑到偏离越大，将 要恢复出的电功率也就越大的情况下，该质量块部件的偏离2Y受限制。
图3示出当如前所述假定该外壳和该质量块部件的线性运动在时间上基本上是 周期为τ = Ι/f的正弦的情况下所述坐标X和y及其速度和加速度作为时间t的函数的演 变。该外壳相对于地面S的位置χ由该行人的运动强加。该外壳的速度dx/dt和加速度 d2x/dt2也由该行人强加，即
dx/dt = 2 π fX cos (2 π ft)，
d2x/dt2 = -4π 2f2X sin (2 π ft)。
该质量块部件相对于该外壳的速度
dy/dt = 2π Υ cos(2;rft + φ) = 2π Υ8 η(2π )
根据关系式dy/dt = (d2x/dt2) (Υ/2 π fX)从动于该外壳的加速度d2x/dt2。从中 得到该质量块部件在该外壳中的位置y及其加速度d2y/dt2。在时刻0和T/2，该外壳的速 度dx/dt为最大值并且尽管较低，该质量块部件的加速度d2y/dt2此时是最大值，并与该外 壳的速度有相同的符号设备1由此在腰的高度处具有显著的力并且由此有显著的功率 I3b可用。所汲取的功率没有被立即被传送给该致动器的轴向杆121、121a 所汲取的功率的 一部分首先被转化成运动功率。
例如根据图3，使该质量块部件的运动速度从动于该外壳的加速度的该伺服控 制系统有具有电磁致动器11-12的四个工作相的循环，该四个工作相基本对应于四个 四分之一周期，并且具有大约相等的历时，而平均功率<PA>不为零且取决于周期期间 sin(2nft)cos(2Kfl+(p)的乘积。在半周期T/2开始时，只要该外壳按着下降方向(S卩，按与 该质量块部件的上升相反的方向)向下的加速度增加，该致动器首先大致在时刻0与T/4 之间作为电动机工作以将质量块部件13以增大的速度提升到其冲程的大致中心处；由该致动器所消耗的电功率被转换成运动功率以降低该质量块部件的加速度。随后大致在时 刻T/4与T/2之间，该致动器作为发电机工作以在该外壳按向下方向的加速度降低期间按 向上方向越来越多地降低该质量块部件的速度以通过该质量块部件结束上升的越来越强 的制动来恢复出被转换成电功率的运动功率。在下一个半周期开始时，大致在时刻T/2与 3T/4之间，该质量块部件下降且该致动器作为电动机工作在该外壳按向上方向的加速度增 加期间按向下方向增加该质量块部件的速度。最终，大致在时刻3T/4与T之间，通过对该 质量块部件越来越强的制动其再次出现减速，结束了由作为发电机工作的该致动器所施加 的上升并因此在该外壳按向上方向的加速度降低期间降低了该质量块部件按向下方向的 速度。
在没有与诸如地面等的固定参考的机械接触的情形下，功率的自动汲取通过移动 该机电一体化设备发生。这证明了使用惯性是正确的，因为例如当外壳悬挂在行人的腰上 时该外壳中的可移动质量块部件趋于相对于地面保持静止。该质量块部件相对于该外壳的 相对运动允许该致动器以功率被充分汲取为条件受到控制。
如上所示，当对该致动器的轴强加与该外壳的加速度呈直接关系的速度时所恢复 出的功率是最大化的。归功于该伺服控制系统，这两个大小被维持在同相。根据所针对的目 标，诸如将所产生的不适感最小化和/或将所恢复出的功率最大化和/或使实施例简单化， 由伺服控制系统强加于该质量块部件的速度的变化可以是如先前示例中的大致正弦的、或 是大致梯形的、或是和该外壳的加速度相同的类型。
该速度的振幅被确定以调控该外壳中的该质量块部件的偏离2Y。如果力Fa被限 制在该致动器的轴的高度，则力通过反作用力也被限制在该外壳到腰的紧固件的高度。 如果该外壳的速度较低，那么由其紧固件传送给该外壳的机械功率被大大地降低了。换言 之，为了增加由该外壳所汲取的机械功率，以及增加由此被汲取的电功率，本发明构想了在 不借助诸如将质量块部件悬挂在弹簧上之类的任何手段的情形下使该质量块固件加速随 后制动以恢复出电功率。
该质量块部件的大偏离2Y增强了功率恢复，包括从该外壳的慢运动中的功率恢 复。由该行人所携带的较轻的质量块部件与所汲取的显著功率不矛盾，只要对该质量块部 件强加很强的角速度从而导致大偏离2Y即可，其中2Y将被适配于该外壳的尺寸。
如以上所提出的，该质量块部件在该外壳中的垂直运动还可以是正弦以外的其他 运动。特别出于优化功率评估的目的，本发明构想了从该外壳大致在周期T的时刻T/4和 3T/2时的加速度最大值谋得最大利益以使得致动器11-12作为电动机工作并将甚高的速 度传递给质量块部件13，因为提供给该致动器的平均功率<PA>与该外壳的加速度d2x/dt2 和该质量块部件的从动于该加速度控制的速度dy/dt的乘积成比例。当该外壳的加速度大 致在时刻0和T/2附近较低时，该质量块部件随后由作为发电机工作的该致动器减速。
图4解说了根据历时Δ T小于周期T的基本梯形变化，对该质量块部件在周期T 的时刻Τ/4和3Τ/2附近突然增加的速度dy/dt的此类优化。通过伺服控制系统14实现优 化，该伺服控制系统通过校正器144强加产生总是具有对应于该质量块部件的最大偏离的 相同振幅Y和相同历时△ T并与该外壳的最大加速度同步的该移动质量块部件的速度“脉 冲”的电流设定点。更准确地说，致动器11-12具有对应于两个“半周期”的两个相的工作 循环。该致动器在大致在时刻(Τ/4-ΔΤΛ)与T/4之间以及(3Τ/4-ΔΤΛ)与3T/4之间的速度脉冲刚开始时突然作为电动机工作以在该外壳的加速度的绝对值增加期 间按向上方向和向下方向突然地将该质量块部件的运动速度增加至其最大值。该质量块部 件在该外壳中的速度由此可达到速度(dy/dt)max = 2Υ/ΔΤ。大致在时刻(Τ/4+ΔΤ/2)与 (3Τ/4-ΔΤ/2)之间，该致动器突然作为发电机工作以在该外壳的加速度的绝对值减小期间 按向上方向和向下方向将该质量块部件的运动速度减小到趋向零。在这些速度脉冲ΔΤ之 间，该致动器不工作且该质量块部件维持静止在y = 0处。
假定历时Δ T大大低于周期Τ，那么平均功率变为
P = <ΡΑ> = (2Δ T/T) m (d2x/dt2) max (dy/dt) max，即
P = (2 Δ T/T)m(4 π 2 f2 Χ) (2Υ/ Δ Τ)，或
P = 16 π 2m f3 XY.
例如，假定该质量块部件重0. 2公斤并且以偏离振幅Y = 4cm从动，并且携带在该 行人腰上的该致动器服从振幅X = 6cm且频率f = 2Hz的振荡，如果根据图4实现对该可 移动质量块部件的速度峰值的优化，则将要恢复出的功率在P = O. 605W的量级上。
在没有此类优化的情形下，将要恢复出的功率为
<PA> = -m < (d2x/dt2) (dy/dt) >，即
P = -m 4 π 2f2X 2 π fY (sin (-π/2))/2 = 4 π 3m f3 XY ；
P = O. 475ff0
该优化允许相对于仅仅具有速度伺服控制系统的实施例获得4/ π因子的增益。
更一般而言，该质量块部件的速度dy/dt可在时刻T/4和3T/2附近不对称地增加 和减少。
如上描述的具有其替换方案的本发明的第一实施例对于为诸如比方移动蜂窝终 端、心动仪、或由动物携带的GPS定位设备之类的小型电子物件提供输出电压VS而言是足 够的。
为了节省可能被存储设备16所消耗的电功率，可在其输出处布置开关，这样只要 加速计142在长达预定时段没有检测到该外壳的任何运动就不为致动器11-12和伺服控制 系统14供电。根据另一替换方案，时钟被包括在机电一体化设备1中且被用来在每个预定 周期期满时唤醒机电一体化设备1以使得速度传感器141可任选地检测该质量块部件的运 动，或使得加速计142可任选地检测该外壳的运动。
为了在机/电转换和电存储中节省甚至更多的电功率，但不利的一面是所汲取的 电功率减少，参考图3，伺服控制系统14在该致动器的工作循环中范围大致在时刻0与T/4 之间和大致在时刻T/2与3T/4之间的部分期间不再控制致动器11-12作为电动机。在循 环的这些部分期间，质量块部件12-13自由地移动。伺服控制系统14仅在该致动器的工作 循环中范围大致在时刻T/4与T/2之间和大致在时刻3T/4与T之间的部分期间操作以控 制该致动器作为发电机来为电功率存储设备16充电。
如果考虑按另一方向的自然振荡运动，例如船的俯仰或侧滚，则先前的解释同样 有效。那么该质量块部件服从该自然振荡，但其重量的效应可诸如在水平方向被消去，例 如，从而消除了静止时平衡的需要。该设备的组装件可以是摆的类型。
现在参照图5和图6，根据本发明的第二实施例的机电一体化电功率产生设备2 包括外壳和能够以转动运动来驱动的质量块部件23，取代了根据本发明的第一实施例的外壳10和质量块部件13的线性运动。质量块部件23可包括固定于能够在可逆旋转致动器 21-22的定子电枢21中旋转的转子电感器22的轴向杆221的一端的惯性轮。替换地，该惯 性轮由两个平衡锤代替，这两个平衡锤是固定的或能够在固定于轴向杆221 —端的径向杆 上对称地自由滑动、或者能以通过伺服控制系统M从动的方式在径向杆上对称地滑动、或 者被布置在可变形的四边形的两个相反的顶点的端部处，该四边形的另一顶点固定于轴向 杆的端部并且其变形借助于伺服控制系统M来从动。采用在径向杆上的可移动平衡锤或 采用可变形四边形的代替方案允许该质量块部件的惯性力矩根据该致动器的工作循环的 从动相被调整。柱塞系统也可移动不可压缩的流体来调整该质量块部件相对于该转动轴的 惯性力矩。
质量块部件23的偏离2 θ γ现在是角度的并不再受该外壳的垂直维度限制。
图7进一步详细示出了根据本发明的机电一体化设备的第二实施例，其包括例如 具有四个极点的、呈比线性致动器更常规的磁体同步旋转机器形式的可逆旋转电磁致动器。
机电一体化设备2包括包含致动器21-22的外壳20、基本由该致动器的圆柱形转 子电感器22所构成可移动质量块部件、以及电路Μ-26。如果转子电感器的惯性不够，则 该质量块部件可由与转子电感器的轴向杆221整合的小轮来补全，诸如图5所示出的惯性 轮23。图7中，外壳20部分地以垂直支撑的形式被示出，即例如，固定于行人的腰部下或腿 上。外壳20通过滚珠轴承201围绕固定于软钢圆柱筒212的一端的支点211旋转地布置。 该致动器的圆柱筒定子电枢21被固定于圆柱筒212的内表面，其端部被封闭且借助于两个 滚珠轴承213绕转子电感器22的轴向杆221可旋转地搭载。圆柱筒212的外表面支撑伺 服控制系统Μ、可逆放大器-波荡器25以及微型电功率存储设备沈。定子电枢21由相对 于转子电感器22的快速旋转运动而言相对较慢的旋转运动被驱动。
圆柱形电枢21的一端支撑由滚珠轴承201从外壳20可旋转地解耦的支点211。 滚珠轴承213可旋转地解耦转子电枢22。此类解耦通过将外壳20从由于转子电感器的快 速转动所导致的可能的振动隔离开来，而定子电枢仅由较慢的角振荡产生偏移，从而改善 了携带设备2的行人的舒适度。
根据替换的旋转致动器，该电枢与该电感器的相对位置可颠倒。该电枢位于中央 且固定于轴向杆221并由摩擦电刷连接到放大器-波荡器25。该电感器是外围的并固定于 圆柱筒212的内表面。
根据未示出的另一替换方案，为了利用该机电一体化设备的惯性的主要部分，该 惯性轮由该机电一体化设备中比方诸如存储设备沈之类的电路Μ-26的一些相对较重的 组件等的一些组件的质量来替换，和/或当移动蜂窝中断由存储设备26提供输出电压VS 时由该移动蜂窝终端替换。此类附加的质量被固定于致动器21a-2h、21b-22b的轴向杆 22la、22Ib来利用总惯性。
在第二实施例中，在支撑圆柱形定子电枢21的圆柱筒212与电路M46相对的端 部处，耦合臂214可被固定以便能够以由行人产生的慢振荡运动所驱动。固定于定子电枢 21的圆柱筒212的角加速度测量传感器包括相对于轴向杆221径向对立的两个微型加速计 215。当该外壳从该行人的腿上垂下时，加速度计215能够按基本平行于地面的加速度测量 灵敏性方向来测量互为相反的加速度。
图8所示出的控制致动器21-22的电子伺服控制系统M类似于根据第一实施例 的伺服控制系统14。电子伺服控制系统M包括连接到控制电路M3-M4-25的差分输入的 用于测量电感器21的角旋转速度的速度传感器Ml以及双加速计传感器M2，类似于图2 所示的第一实施例。根据与定子电枢21的角加速度d2 θ x/dt2和主要包括转子电感器22的 质量块部件的角速度d θ y/dt有关的关系，控制电路中的校正器244从减法器-乘法器243 采集差值，该差值是一方面所测得的角加速度与特别取决于该角加速度和该角速度的振幅 的预定因数的乘积与另一方面同该角速度d θ y/dt成比例的大小之间的差值，并将结果差 值与取决于该外壳的角位置θ设定点值进行比较。该比较的结果被用于将输入电压施 加于连接到电功率存储设备26的放大器-波荡器25来对致动器21-22强加电流和电压以 使得后者作为将电功率存储设备26用作电压源的电动机来工作，或甚至作为发电机来工 作来为存储设备16充电。
例如，机电一体化设备2可被携带在行人手腕或大腿处，或被固定在船上。
如在第一实施例中那样，为了节省能由存储设备沈消耗的电功率，可通过开关手 动地切断对电路M-26的供电，这样只要双加速计传感器242在长达预定时段期间没有检 测出该外壳的任何运动就不为致动器21-22和伺服控制系统M供电。
机电一体化设备2的工作原理基本类似于根据第一实施例的机电一体化设备1的 工作原理，其中使得线速度对应于角旋转速度并且线加速度对应于角旋转加速度。借助于 至少由滚珠轴承201赋予的、外壳20相对于定子电枢21的机械解耦，该定子电枢由诸如行 人之类的移动的系统的自然运动所驱动，从中机械功率将被恢复出。在关于行人股骨颈部、 或行人的腰的高度或受到侧滚和/或俯仰的船上的情形中，该系统的运动具有旋转分量。 由定子电枢21的自然振荡所恢复出的功率通过对由转子电感器22所构成的旋转质量块部 件强加与该定子电枢的角加速度呈直接关系的角速度而最大化。然而，在第二实施例中，转 子电感器22的自有角速度不再受外壳20的尺寸约束所限制并且与定子电枢21的较低角 速度相比可以较高，从中将可恢复出最大功率。
图6中，按三角法方向定向的箭头示出了由该行人的身体施加在定子电枢上的阻 力矩CB。按相反的三角法方向定向的箭头示出了惯性轮23和转子电感器22施加在该致动 器的轴向杆221上的作用CA。定子电枢21例如相对于联系到地面的垂直线V的角位置和 该定子电枢的旋转运动的角振幅分别记为θ χ。该质量块部件相对于联系到该定子电 枢的半径R的参考系的角位置和该质量块部件在该外壳中的旋转运动的振幅分别记为θ y 和θγ。具有该外壳的设备2和其所有组件具有总惯性力矩J，并且尤其包括转子电枢22、 轴向杆221并可任选地包括惯性轮23的总的可移动质量块部件22-23具有惯性力矩j。
如果该外壳服从旋转运动而质量块部件22-23同时旋转，则力矩(；和(；由以下方 程给出
Ca = j d2 θ x/dt2+j d2 θ y/dt2
Cb = (J-j) d2 θ x/dt2+CA = J d2 θ x/dt2+j d2 θ y/dt2。
借助于轴向杆221投放给致动器21-22的瞬时功率Pa和在该外壳对该行人的腿 的挂钩点处从该行人所汲取的瞬时功率I3b由以下“力矩X速度”型的乘积来表达
Pa (t) = -Ca d θ y/dt 且 Pb (t) = Cb d θ Jdt0
在忽略该外壳中的任何摩擦并假定所有旋转是周期性的情况下，此类功率具有相同的均值P，这强制取决于相同变量9!￡或θ丨的所有这些导数乘积平均起来为零。由此前 述功率的平均功率变为
P = <ΡΑ> = - j < (d2 Θ x/dt2) (d Θ y/dt) > 且
P = <PB> = j < (d2 θ y/dt2) (d θ x/dt) >。
前述的第一关系式表达了提供给作为发电机工作的该致动器的机械功率取决于 由该行人强加于该定子电枢的角加速度d2 θ x/dt2并取决于该质量块部件相对于该定子电 枢的角速度d θ y/dt。知晓强加于该定子电枢的加速度d2 θ x/dt2取决于该行人，由此本发 明使该质量块部件的速度d θ y/dt从动于该定子电枢的加速度。对于该定子电枢的角速度 的较低变化而言，转子电感器的速度越高并由此该质量块部件的速度越高，恢复出的功率 量就越高。该质量块部件的角速度对该定子电枢的角加速度的调控由图8所示的电子伺服 控制系统M所提供，如参考图2已经描述的那样。
例如，假定作为电动机工作的致动器21-22将作为时间的函数的基本正弦的旋转 强加于该定子电枢中的质量块部件22-23且该定子电枢替换地按相对于地面基本正弦的 旋转移动，即
权利要求
1.一种借助于致动器(11-12,21-22)的电功率产生的方法，所述致动器电连接到电功 率存储装置(16，26)并包括能够服从振荡速度运动的第一构件(11，21)以及至少部分地构 成能够以相对于所述第一构件的速度振荡的质量块部件(13，23)的第二构件(12，22)，其 特征在于，所述方法包括使所述质量块部件的运动受所述第一构件的振荡运动的伺服控制 来控制所述致动器在所述致动器的工作循环的一部分期间作为对所述存储装置充电的发 电机，所述质量块部件(13，23)在所述致动器(11-12，21-22)的工作循环的另一部分期间 自由地移动。
2.一种借助于致动器(11-12,21-22)的电功率产生的方法，所述致动器电连接到电功 率存储装置(16，26)并包括能够服从振荡速度运动的第一构件(11，21)以及至少部分地构 成能够以相对于所述第一构件的速度振荡的质量块部件(13，23)的第二构件(12，22)，其 特征在于，所述方法包括使所述质量块部件的运动受所述第一构件的振荡运动的伺服控制来控制所述致动器 在所述致动器的工作循环的一部分期间作为对所述存储装置充电的发电机；使所述质量块部件的运动受所述第一构件的振荡运动的伺服控制来控制所述致动器 在所述致动器(11-12,21-22)的工作循环的另一部分期间作为由所述存储装置供电的电 动机。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，伺服控制以控制所述致动器作为发电机 涉及所述质量块部件的运动速度从动于所述第一构件的加速度。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述致动器(11-12，21-22)的所述工作循 环包括所述致动器(11-12，21-22)作为电动机以在所述第一构件按与预定方向相反的方 向的加速度的增大期间增大所述质量块部件按所述预定方向的运动速度的工作相(0到 T/4)、所述致动器作为发电机以在所述第一构件按所述相反方向的加速度的减小期间减小 所述质量块部件按所述预定的方向的运动速度的工作相(T/4到T/幻、所述致动器作为电 动机以在所述第一构件按所述预定方向的加速度的增大期间增大所述质量块部件按所述 相反方向的运动速度的工作相(T/2到3T/4)、以及所述致动器作为发电机以在所述第一构 件按所述预定方向的加速度的减小期间减小所述质量块部件按所述相反方向的运动速度 的工作相(3T/4到T)。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述致动器(11-12，21-22)的所述工作循环 包括当所述第一构件的加速度在最大值附近变化时所述致动器作为电动机增大和减小所 述质量块部件的运动速度的工作相(ΔΤ)。
6.一种包括致动器(11-12,21-22)的电功率产生设备，所述致动器电连接到电功率存 储装置(16，26)并包括能够服从振荡速度运动的第一构件(11，21)以及至少部分地构成能 够以关于所述第一构件的速度振荡的质量块部件(13，23)的第二构件(12，22)，其特征在 于，所述设备包括伺服控制装置(14，，所述伺服控制装置用于通过在所述致动器的工作 循环的一部分期间使所述质量块部件的运动从动于所述第一构件的振荡运动来控制所述 致动器作为对所述存储装置充电的发电机，并且用于控制所述致动器(11-12,21-22)在所 述致动器的所述工作循环的另一部分中作为由所述存储装置(16，26)供电的电动机。
7.如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述伺服控制装置(14，24)包括用于测量所 述第一构件(11，21)的加速度的装置(142，242)、用于测量所述质量块部件的运动速度的装置(141，241)、以及控制所述致动器以使所述质量块部件的运动速度从动于所述第一构 件的加速度的装置(143，144，15，16 ；243, 244，25，26)。
8.如权利要求7所述的设备，其特征在于，所述伺服控制装置包括取决于所测得的所 述第一构件的加速度以及所测得的所述质量块部件的运动速度相对于取决于所述第一构 件的位置的可变设定点来校正参数的装置(143，144 ；243，244)、以及用于根据经校正的参 数将所述电功率的变化适配成要么从所述致动器被恢复出要么被提供给所述致动器以指 导所述存储装置(16，26)的端子上的电流和电压的可逆放大器-波荡器(15，25)。
9.如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述质量块部件03)的所述运动是旋转并 且所述致动器(21-2 是旋转的。
10.如权利要求9所述的设备，其特征在于，所述伺服控制装置能够将所述质量块部件 (22,23)的运动速度围绕比所述第一构件的最大角速度高的标称速度变化。
11.如权利要求10所述的设备，其特征在于，包括用于将支撑所述致动器(21-22)的外 壳OO)从所述第一构件可旋转解耦的装置。
12.如权利要求6所述的设备，其特征在于，包括固定于支撑所述致动器(11-12， 21-22)的外壳(10，20)的用于当所述致动器作为电动机工作时辅助所述致动器来加速所 述质量块部件(13，23)的的弹性装置(17，27)。
13.如权利要求6所述的设备，其特征在于，可移动的所述质量块部件(13，23)以可移 除的方式包括连接至所述存储设备(16，26)的移动终端的至少一部分。
全文摘要
本设备在外壳(20)中包括连接到用于为诸如移动终端之类的便携物体充电的电池的致动器。对于包括服从振荡运动的第一构件(21)(例如由行人携带该外壳)以及至少部分地形成实心部分的第二构件(22)的旋转致动器，该实心部分能够围绕电枢的转轴(221)相对于该第一构件发生振荡。控制(24)可通过使该实心部分的运动速度受该第一构件的振荡运动的加速度控制的方式，将该致动器控制成有时作为由该电池或通过允许该实心部分自由地运动来供电的电动机，有时作为对该电池充电的发电机。这使得可从该行人能恢复出尽可能多的电功率。
文档编号H02K35/00GK102037639SQ200980119256
公开日2011年4月27日 申请日期2009年4月17日 优先权日2008年4月22日
发明者D·萨达纳克, D·马凯 申请人:法国电信局