[发明专利]用于将机械振动能转化为电能的机电发电机和方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于将机械振动能转化为电能的机电发电机和将机 械振动能转化为电能的方法。具体地说，本发明涉及这样一种装置， 该装置是能够将环境振动能转化为电能的小型发电机，例如用于对智 能传感器系统供电。该系统可用于在免除电力电缆或电池方面具有经 济或操作优点的多个领域。

背景技术

当前在用于微机电系统(MEMS)装置的交流电源领域中的研究 活动的水平日益提高，这些装置在现有技术中描述为用于“能量收集” 和“寄生电源”。当前这些电源被研究用于对无线传感器供电。

公知使用机电发电机来从环境振动收集有用的电能。典型的磁体 —线圈发电机包括附接到磁体或线圈上的弹簧—质量体(mass)组合， 使得当系统振动时，线圈切入磁芯形成的磁通。在振动时运动的质量 体安装在悬臂梁上。该梁可连接到磁芯，使得线圈相对于装置外壳固 定，反之亦然。

在Journal of Micromechanical Systems，Vol.13，No.3，June 2004，pp.335-342公开的Mitcheson等人所著的题为“Architecture for vibration-driven micropower generators”的论文中，公开了各种机电 发电机。具体地说，公开了速度阻尼共振发电机(VDRG)，其包括 用于从质量体—弹簧系统提取能量的阻尼器。该阻尼器例如可包括磁 体—线圈发电机，例如安装在衔铁(keeper)上的两个磁体的组合形 成C状芯，线圈与悬臂梁上的质量体的运动方向垂直地放置于磁体之 间的气隙中。

作者检验了阻尼因子来确定从速度阻尼共振发电机可获得的最 大功率。具体地说，作者提供了计算获得最大功率的最优阻尼因子的 方法。利用速度阻尼共振发电机的共振频率计算最优阻尼因子。

虽然该现有公开提出了设计理论的机电发电机的有用机构，但当 机电发电机用于实际应用时，不可能精确地预测共振频率或最优阻尼 因子。针对被认为是可能的工作状况来设计和设定机电发电机。然而， 不能保证实际的工作状况与用于针对具体应用设定机电发电机的理 论思想对应。实践中，机电发电机设定为可以在较窄的可能工作状况 范围内操作，特别是阻尼因子设定为使功率输出位于包含最优功率输 出的范围内。然而，实际的功率输出对于具体应用不可能是最优的。 因此，机电发电机将机械振动能转化为电能从而转化为有用的电力的 工作效率不会最大。

而且，环境振动的频率可能在工作中改变。公知的机电发电机可 能由于该变化而不能以最大的效率工作。

另外，机电发电机的阻尼器结合有弹簧质量体，该弹簧质量体以 旨在与使用中装置的共振频率对应的频率围绕中央位置振荡。共振振 动的振幅取决于多个变量，特别是驱动振动的频率和幅度、共振器的 Q因子、共振器质量及其共振频率。

当机电发电机在从振动体收集能量的领域中投入使用时，不能从 所遇到的实际情况预测所有以上变量。弹簧质量体的振幅可能随时间 以间歇和不可预测的方式改变。

具体地说，机电发电机在使用中可能发生使弹簧质量体以过大振 幅(下面称为“不安全”振幅)振荡的振动，导致质量体可能在其行进 的界限物理地撞击装置的外壳。可选地，如果没有外壳，那么质量体 可能以过大的振幅振荡，导致由于超出弹簧材料的屈服应力而使弹簧 永久损坏或劣化。在任一情况下，可以预期该撞击或屈服会使机电发 电机的工作寿命缩短至无法接受的程度。

在装置外壳被冲击的情况下，可以使用柔性材料作为可能互相接 触或撞击的表面之间的缓冲器。然而，这种“机械止动”会受到磨损并 且不会完全消除弹簧在撞击时受到的额外应力。

共振振动能收集器有利地设计成使它们的Q因子尽可能高。这 是因为Q较高的发电机可产生较高电能。然而如果该装置处于驱动振 动的幅度高于预期的环境下，那么共振器的振幅可能大于设计或接纳 的振幅。该振幅可能使共振质量体撞击在装置外壳上并可能导致装置 在长期暴露之后永久损坏。

发明内容

因此，需要提供一种机电发电机，该机电发电机使得弹簧质量体 的振幅可按照间歇和不可预测的方式随着时间变化，因此使得不安全 振幅的损坏可能性降低，从而使工作寿命延长。

本发明旨在提供一种用于将机械振动能转化为电能的改进的机 电发电机，其可满足以上需求。