[发明专利]用于将机械振动能量转变成电能的机电发电机

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于将机械振动能量转变成电能的机电发电机。特别是，本发明涉及这样一种装置，该装置是能够将周围环境振动能量转变成电能的小型发电机，例如用于给智能传感器系统供电。这种系统可以在当消除电缆或电池时具有经济性或操作优势的很多区域中使用。

背景技术

已经知道使用机电发电机来从环境振动中采集有用的电力，例如为无线传感器供电。典型的磁体-线圈发电机由安装到磁体或线圈上的机械弹簧-质量组合来构成，这样，当系统振动时，线圈切割由磁芯形成的磁通量。

振动能量采集器需要有固定的自然(谐振)频率或带宽，该带宽足够大，以便足以处理当操作温度变化时该频率的任何变化。当功率-带宽乘积在特殊振动水平下为固定量时，使得带宽更宽通常将降低功率输出。因此希望通过使得频率对温度不敏感而避免必须使得带宽更宽。

振动能量采集器包括机械谐振器，该机械谐振器有电磁感应或压电功率转换。在各种情况下，机械谐振器都包括弹簧质量。弹簧的弹性模量的热变化(热弹性效应)引起自然频率在操作温度变化时产生变化。例如，碳弹簧钢(一种最经济的弹簧材料)的热弹性常数为-2.6x 10^-4K^-1。这导致在工业温度范围(-40℃至+85℃)内的、大约1.6％的自然频率变化，而不管谐振器形式或质量如何。

可以使用具有较低热弹性系数的弹簧合金，例如镍-铁合金“NISPAN-C”，但是这通常不可行，且经济上昂贵。

发明内容

本发明的目的是提供一种装置，它能够通过使得装置在工业温度范围内(从-40℃至+85℃)具有很少或者没有自然频率变化而解决这种问题。

因此，本发明提供了一种用于将机械振动能量转变成电能的机电发电机，该机电发电机包括：壳体；导电线圈组件，该导电线圈组件牢固安装在壳体中；磁性芯组件，该磁性芯组件可运动地安装在壳体中，用于沿轴线线性振动；第一偏压装置，该第一偏压装置安装在壳体和磁性芯组件之间，用于施加定心力，该定心力作用成与磁性芯组件沿线性轴线离开中心位置的运动相反；以及第二磁性偏压装置，该第二磁性偏压装置用于提供沿轴向的力，以便补偿第一偏压装置由于温度而引起的定心力变化。

优选是，第一和第二偏压装置具有基本相同的、随温度的弹簧常数变化率，以便在从-40℃至+85℃的工作温度范围内提供基本恒定的、第一和第二偏压装置的总体弹簧常数。

通常，第一和第二偏压装置的基本恒定弹簧常数提供了在从-40℃至+85℃的工作温度范围内、不超过1％的振动自然频率变化，更优选是小于0.5％，还优选是小于0.2％，通常最优选的是大约0.16％。对于具有120Hz振动自然频率的机电发电机，自然频率在从-40℃至+85℃的工作温度范围内的变化小至+/-0.1Hz。

第一偏压装置和第二偏压装置用于当磁性芯组件离开中心位置时朝着该中心位置施加组合的定心力。

在一个实施例中，第一偏压装置用于当磁性芯组件离开中心位置时提供朝向该中心位置的定心力，第二偏压装置用于提供附加第一偏压装置定心力的温度补偿定心力。第一偏压装置的定心力可以随着增加温度而减小，而第二偏压装置的定心力可以随着增加温度而增大，从而在温度范围内提供了基本恒定的组合定心力。

在另一实施例中，第一偏压装置用于当磁性芯组件离开中心位置时提供朝向该中心位置的定心力，第二偏压装置用于当磁性芯组件离开中心位置时提供与该定心力相反且比该定心力更小的非定心力。第一偏压装置的定心力可以随着增加温度而减小，而第二偏压装置的非定心力也可以随着增加温度而减小，从而在温度范围内提供了基本恒定的组合定心力。

在各实施例中，目标是提供温度补偿弹簧力(定心力或非定心力)，这减小了(优选是减至最小，最优选是消除)在工作范围内随温度的任何弹簧常数变化和(因此)定心力变化，该定心力在可运动元件振动离开中心位置时将该可运动元件推回至该中心位置。因此，这使得装置的自然频率随温度的变化减至最小，如上所述，且与在本领域中通常使用钢机械弹簧的情况相比，通常在从-40℃至+85℃的工作温度范围内获得大约1000％的自然频率稳定性的改进，而不需要昂贵的弹簧合金，例如“NISPAN-C”。

优选是，对于后面的实施例，第二偏压装置包括磁性偏压装置，该磁性偏压装置用于当磁性芯组件离开中心位置时沿离开该中心位置的方向向磁性芯组件施加磁性力。

更优选是，第二偏压装置包括至少一个补偿磁体，该补偿磁体布置成与磁性芯组件的相应的主磁体相邻但间隔开。