振动发电装置.pdf

提供了基于振动的电力发电装置。一个方面，基于振动的电力发电机配置在机器减振装置(10、30)中且包括电动电力发电模块(16)和压电电力发电模块(22)。电力储存设备(50)可操作地被连接至电动电力发电模块(16)和压电电力发电模块(22)。另一个方面，提供了基于产生电能的设备(100)。所述设备(100)包括可操作地连接至振动源的壳(104)。所述壳(104)限定了在其中的腔(108)。第一圆形的永久磁铁(112)被设置在腔(108)中和具有外直径。环形的永久磁铁(110)被围绕第一圆形磁铁(112)设置和限定了在它们之间的环形空间(116)。至少一个音圈部分(118、120)被设置在环形空间(116)中和被连接至弯曲结构(124、126)，以允许音圈部分(118、120)响应于振动在永久磁铁(110、112)的磁力线中移动。

1.  一种基于振动的混合型电力发电机，包括：
电动电力发电模块；
第二电力发电模块，该第二电力发电模块不同于所述电动电力发电模块转化电力；
电力储存设备，该电力储存设备可操作地被连接至所述电动电力发电模块和第二电力发电模块；且
其中，所述设备被配备在机器减振装置中。

2.  根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备被配备在活塞型机器减振装置中。

3.  根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备被配备在条形机器减振装置中。

4.  根据权利要求1所述的设备，该设备进一步包括置于电力储存设备和发电模块之间的另外的电路，其中，所述另外的电路被配置以提供另外的信号至所述电力储存设备。

5.  根据权利要求4所述的设备，该设备进一步包括设置在所述另外的电路和电力储存设备之间的升压电压转换器。

6.  根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备被配置以提供相对于振动的特性的指示。

7.  根据权利要求6所述的设备，其中，所述指示也是关于振动源的诊断指示。

8.  根据权利要求6所述的设备，其中，所述特性是振幅。

9.  根据权利要求6所述的设备，其中，所述特性是频率。

10.  根据权利要求1所述的设备，其中，所述第二发电模块是压电发电模块。

11.  根据权利要求1所述的设备，其中，所述第二发电模块是热能发电模块。

12.  一种使用来自振动的能量的系统，该系统包括：
基于振动的发电机，该基于振动的发电机被配备在机器振动的减振装置中，所述基于振动的发电机包括：
可操作地连接至振动源的电动电力发电模块；
可操作地连接至振动源的压电电力发电模块；
可操作地被连接至电动电力发电模块和压电电力发电模块的电力储存设备；
可操作地连接至电力储存设备且从电力储存设备中获得电力的设备。

13.  根据权利要求12所述的系统，其中，可操作地被连接至电力储存设备的所述设备是场设备。

14.  根据权利要求13所述的设备，其中，所述场设备提供了关于振动源的诊断指示。

15.  根据权利要求12所述的设备，其中，可操作地被连接至电力储存设备的所述设备是无线通信设备。

16.  根据权利要求15所述的设备，其中，所述无线通信设备提供关于振动源的诊断指示。

17.  根据权利要求12所述的设备，其中，可操作地被连接至电力储存设备的所述设备被间断性提供电力。

18.  一种基于振动产生电能的设备，所述设备包括：
壳，该壳可操作性地连接至振动源，所述壳限定了在其中的腔；
第一圆形永久磁铁，该第一圆形永久磁铁设置在所述腔中且具有外直径；
环形永久磁铁，该环形永久磁铁围绕第一圆形永久磁铁设置且在第一圆形永久磁铁与环形永久磁铁之间限定了环形空间；
至少一个音圈部分，该音圈部分设置在环形空间中；
弯曲结构，该弯曲结构被连接至所述至少一个音圈部分且允许音圈部分响应于振动在永久磁铁的磁力线中移动。

19.  根据权利要求18所述的设备，其中，所述至少一个音圈部分包括多个音圈部分。

20.  根据权利要求19所述的设备，其中，所述多个音圈部分被电学串联。

21.  根据权利要求19所述的设备，其中，第一音圈部分沿第一方向被缠绕，而第二音圈部分沿与第一方向相反的方向被缠绕。

22.  根据权利要求18所述的设备，其中，所述弯曲结构包括多个板簧。

23.  根据权利要求22所述的设备，其中，每个板簧通过多个悬臂梁被悬置。

24.  根据权利要求18所述的设备，其中，所述弯曲结构的共振频率是可调节的。

25.  根据权利要求24所述的设备，其中，通过旋转螺钉调节所述共振频率，所述螺钉可操作地靠在弯曲结构的至少一个板簧上。

26.  根据权利要求18所述的设备，该设备进一步包括可操作地被连接至所述至少一个音圈部分的电力储存设备。

27.  根据权利要求18所述的设备，其中，所述设备能够连接至场设备以给所述场设备提供电力。

28.  根据权利要求18所述的设备，其中，所述设备能够连接至无线通信设备以给所述无线通信设备提供电力。

振动发电装置
背景技术
许多工业或商业操作使用电的、机械的、风力的、或一些它们的结合的机器设备。这样的机器设备的例子包括电动机、涡轮机等。典型地，期望消除或削弱由这样的机器设备产生的任何的振动。通常，降低机器设备的振动会减小机器设备的噪音和设置在机器设备上或在其附近的部件由于振动引起的加速经受的机械磨损。垫或弹簧形式的振动减振装置已经在包括例如重工业、建筑业、机动车辆、过程工业等许多工业中使用。典型地通过将一些机械运动能量转换至减振装置中并且最终转化成热能，这些减振装置/垫/弹簧至少一定程度上降低了振动。
虽然典型的减振装置被认为对于许多情形是必需的，但是转化至减振装置的机械能量基本上被丢失。如果改善的设备、结构或系统可连接至机械振动源且能产生有用的能量，那么这样的设备、结构或系统将会是非常被期望的。
发明内容
提供了基于振动的电力发电装置。一个方面，基于振动的电力发电机被配备在机器减振装置中且包括电动电力发电模块和压电电力发电模块。电力储存设备可操作地连接至电动电力发电模块和压电电力发电模块。另一个方面，提供了基于产生电能的设备。所述设备包括可操作地连接至振动源的壳。所述壳限定了在其中的腔。第一圆形的永久磁铁被设置在腔中且具有外直径。环形的永久磁铁围绕第一圆形磁铁设置并在它们之间限定环形空间。至少一个音圈部分设置在环形空间内且连接至弯曲(flexure)结构，以允许音圈部分响应于振动在永久磁铁的磁力线中移动。
附图说明
图1是根据本发明实施例的机器振动减振装置的图解视图。
图2是根据本发明实施例的条形(bar-type)的振动减振装置的图解视图。
图3是与本发明实施例配合使用的电路的框图。
图4是根据本发明的实施例的储存电能和短时间运作至少一个被连接的设备的方法。
图5是根据本发明实施例的执行基于振动的诊断的方法的流程图。
图6是根据本发明实施例的基于振动的电动发电设备的横截面视图。
具体实施方式
振动是可再生能量的一个重大来源。由振动产生的能量密度依据驱动的频率以及依据振动的振幅/位移可从10μW/cm³变化至800μW/cm³，该驱动频率在Hz至kHz范围内变化。例如，假设振动提供500μW/cm³的平均能量密度。长3英尺、宽3英尺以及高3英尺的小泵可产生400瓦特的电力。在过程工业和相关的其它工业中，被这些工业所使用的重型机器设备和发动机典型地非常沉重并且占据了几千平方英尺的面积。这些机器的振动能产生非常大的电力。
本发明的实施例基本上提供了连接至机械振动源，且至少把机械振动的一部分转化成有用的电能的设备。在一些实施例中，设备本身是振动减振装置，而在其它的实施例中，设备被简单地连接至振动源上。
图1是根据本发明实施例的机器振动减振装置的图解视图。减振装置10连接至振动源12。源12可以是产生振动的任意类型的机器设备或装置，且期望对振动进行减振。例如，机器12可以是泵、发动机、涡轮机或经受机械振动的任何其它的机械系统。减振装置10把机器12连接至地面(floor：或地板)14且被配置以把来自源12的至少一些机械能量转化成电能。减振装置10包括电动的振动发电模块16，其通过连接部分20连接至源或负载18。此外，减振装置10还包括第二发电模块22，该第二发电模块22优选地是压电发电模块，该压电发电模块通过线24连接至负载或储存设备18。如本文此处所述的，基于振动的混合型的发电机包括使用至少两种不同类型的发电装置产生电能的发电机。上述所给出的例子是由使用电动和压电基发电模块的基于振动的混合型发电机。然而，基于振动的混合型发电机还可能包括与热能发电模块配合工作的电动发电模块。
根据本发明的实施例，基于振动的发电模块嵌在(或装在)减振装置10中。这种混合的方法的一个优点是，对于电动发电机，产生的电力正比于振动的频率。对于基于压电的发电机，产生的电力正比于由施加的力产生的加速度，但反比于频率。使用这样的混合的方法，对于高和低频率的应用，都可产生电力。如图1所示，减振装置10是活塞型减振装置。减振装置10被认为是活塞型减振装置是因为至少一些机械振动在圆柱形侧壁26内被引导。
图2是根据本发明实施例的条形振动减振装置的图解视图。在图2中示出的实施例部分类似于图1中示出的实施例，并且相似的部件被类似地标示。如图2所示，条型减振装置30被连接至振动源12以及地面14。减振装置30包括或在其中嵌有电动发电机16和压电发电机22。通过线20把电动发电机16连接至负载或储存设备18。类似地，通过线24把压电发电机22连接至负载或储存设备18。
虽然图1和图2分别示出了活塞型和条形振动减振装置，但是其它的减振装置依据图1和图2可被修改以包括混合的发电特征。
图3是与本发明实施例配合使用的电路的框图。电路40包括或被连接至电动发电机16和压电发电机22中的每一个上。发电机16、22被连接至另外的电路42，该电路42产生由发电机16和22产生的所有电能的总和的输出44。输出44被提供作为升压电压转换器46的输入，升压电压转换器46把输入44的电压增加至更高水平。电压升压转换器46的输出可直接连接至如在标记48处所指出的输出负载或设备，或直接连接至储存设备50。可选择地，升压电压转换器46的输出可被提供至储存设备50和输出48。储存设备50包括能把电能储存一段时间的任意的部件。储存设备50的适当的例子包括充电的电池、电容器以及相类似的部件。
电动发电机16利用永久磁场的振动感应的移动(motion)发电。相应地，各种结构可以用于形成电动发电机16。然而，将会在随后的说明书中提供一个具体的例子(参考图6)。压电发电机22包括依据压电效应运作的任何设备，其中，由响应于施加的机械压力的材料产生电荷。已知很多材料能产生这种效应，其中包括已知的PZT(锆钛酸铅)陶瓷。相信使用基于混合型的发电装置可提供数百瓦的电力，这些电力从机器振动中提取，否则机器振动的能量将被简单地浪费掉。
特别是考虑到在一些情形中从机械振动能量中获得的功率的最大量，可能不足以以稳定状态方式给连接的设备或设备提供动力。因此，本发明实施例提供了储存电能和在短的时段或多个瞬间(bursts oftime)内运行连接的设备的能力。
图4是这样运行的框图。方法60开始于框62，在框62中一个或多个基于振动的发电机积累电能。在框64中，核对阀值以确定是否已经积累了足够的能量。通过检查储存在储存设备诸如充电电池和/或电容器中的能量的量或简单地确定在框62中能量积累是否已经过去预先选择的时间的量，可以进行这种核对。如果没有到达阀值，控制返回至框62且继续积累能量。然而，如果已经达到阀值，控制转至框66，在框66中一个或多个被连接的设备被加电(powered up)。被连接的设备的例子包括场设备68和无线通信设备70。典型的场设备包括压力、温度、水平或流动发射机或阀。无线通信设备70可以是场设备的一部分或是连接至场设备的分离的设备。然而，可以使用任何其它合适的设备。在框72中，计时器用于对被连接设备的启动开始计时。如果计时器72确定已经过去了选择的时间的量，控制转至框74，在框74中被连接的设备被下电(powereddown)。注意到，框72可能被一个可选择的布置替代，其中，对储存设备(图3中的描述的)中的可利用的电力进行监控，且当可利用的电力水平低于一定阀值时关闭所述设备。
根据本发明的实施例的混合发电装置提供了执行基于自身振动的诊断的独特的可能。相应地，这些设备能够从机械振动中获得全部的它们的运行电能，而同时提供相对于这样振动的诊断能力。这对于工业应用可能非常重要。例如，如果振动停止或慢下来，它可能指示工业应用有某些问题。相似地，如果振动的频率和/或振幅显著地增加，它也可能指示对于应用的问题。
图5是根据本发明实施例的进行基于振动的诊断的方法的流程图。方法80开始于框82，在框82中相对于振动源的初始条件是必需的。当设备被第一次使用时，当振动机器设备开始或简单地在程序中或维护中时，可简单地进行初始条件的获得。在框82之后，控制转到框84，在框84中发电机确定或者测量来自电动发电机的电动力。之后，控制转到框86，在框86中测量或确定来自压电发电机的电动力。在框88中，振动的至少一个特性可从框84、86所描述的被测量的量中推测出来。示例性的振动特性包括频率、振幅、最大振幅以及这些量的变化。在框90中，系统确定振动的特性是否相对于在框82中获得的初始条件已经变化。如果这样的变化没有发生，通过返回至框84中继续监控。然而，如果这样的变化已经发生，控制转到框92和产生警报或其它的合适的信息。合适的警报/信息的例子包括从减振装置局部地通告的听觉或视觉的警报、通过被连接的设备(诸如无线通信装置70)传送出的信息。这样的警报/信息可以给振动发电机的操作者提供警报已经发生一些情况，这可以有利于机器设备的检查。
图6是根据本发明实施例的基于振动的电动发电设备的横截面视图。设备100可被嵌在减振装置中或简单地连接至基于振动产生电能的振动源。在这个实施例中，设备100包括顶盖102、壳体104和底盖106。盖102、106和壳体104配合形成在其中的腔108。设备100包括一对永久磁铁110、112，所述永久磁铁110、112优选地为圆环形的，且被同心地安装，把磁铁112设置在磁铁110中。音圈114设置在磁铁110、112之间的环形空间116中。所述一对环型的永久磁铁110、112提供了高密度的横向径向磁力线(flux)。磁铁110、112优选地由钕铁硼(NdFeB)形成。这样的磁铁可在120℃的度数下运行和产生目前已知的每立方厘米上的最强大的磁性能。然而，无论是现在已知的或是之后开发的，显示出永久磁性能的任何其它的适合的材料可使用。音圈114优选地具有由脊122彼此分离开的第一部分118和第二部分120。音圈部分118、120优选地以相反方向缠绕和电学串联(electrically cascaded)地连接在一起。第一音圈部分118切割在磁铁110、112之间的上部一对磁极中的磁力线，而第二音圈部分120切割在下部的一对磁极中的磁力线。相应地，在音圈部分和磁极中的线的长度被充分利用。音圈部分118、120可在任何取向上工作和在磁铁110、120的两侧移动且切割磁力线，以产生跨过圈部分的电压。由一对板簧124、126悬置音圈部分118、120。每个板簧124、126优选地具有多个(例如3个)纵横比大的弯曲悬梁，以保证移动的方向相对地垂直于弹簧表面。由这种取向提供的一个优点是所述装配变得紧凑，具有减少了的部件数。另外，音圈部分的大的双向倾斜是可能的。更进一步地，所述布置减小了摩擦、磨损和噪音，以及提供了自对齐。相信所述装配将会使得制造便宜和校准容易，而且提供对于装配中的变化的较小的敏感度。
设备100优选地包括板簧张力螺钉128，该螺钉128整体地与螺纹磁铁保持器130接合。板簧张力螺钉128靠在板簧132和平坦垫圈134上。通过调整板簧张力螺钉128，改变在板簧上的张力，可把共振频率调节至相对宽的范围上的具体频率。卷簧136靠在设置在磁铁保持器130中的板簧张力螺钉128上。优选地，临近板簧张力螺钉128的头实现对于音圈部分118、120的电接触。设备100还包括围绕板簧张力螺钉128设置的滑动螺母138，滑动螺母138靠在卷簧136上。为了适当地间隔在设备100中的部件，支撑体(或隔离体)140和142被采用。然而，根据本发明实施例的其他适合的支撑体或布置可被使用。
设备100被期望是相对自由地维护和提供高的可靠性。另外，不需要外部的功率和配线。进一步地，设备可被电连接至任何适合的电设备上，诸如Minnesota Chanhassen的Rosemount公司使用的过程控制和监控场设备。相信设备100可在几乎任何取向上工作，然而，优选地振动的主轴线相对于轴向的轴线144被对齐，以使得音圈部分118和120从振动中获得最大的移动。使用任何适合的电路，可提供各种输出水平，这样的输出包括同时用于5分钟循环中的2秒钟的9伏/4毫安、5伏/2毫安，和3伏/300微安。这样的功率输出提供了用于完全的无线传感器节点的工作循环的足够的电力。设备100的峰值DC输出电压被认为是在大约10分钟循环的50伏、8毫安的量级上。最大电力输出被认为是大约40毫瓦，且在45Hz的输入振动和50微米的振幅上具有4.2毫瓦每立方英寸的能量密度。
虽然已经参考优选的实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员将会认识到在不背离本发明的实质和范围的情况下可进行形式上和具体的改变。