本實用新型涉及發(fā)電機，特別是涉及將列車轉(zhuǎn)向架上振動產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)化為電能的微型發(fā)電機。

背景技術(shù)：

機械振動能是環(huán)境中普遍存在的一種能量形式，持續(xù)或階段性持續(xù)振動的振源比較豐富，比如家用電器和工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備工作時產(chǎn)生的振動、人體運動和車輛行駛過程中產(chǎn)生的振動、軌道的振動等。通常這些能量因為忽略而被白白浪費或被減震系統(tǒng)吸收。因此，通過振動能量采集器將環(huán)境中的振動能轉(zhuǎn)化成電能為低功耗電子設(shè)備供電，不僅提高了能量的綜合利用率，而且為低功耗電子設(shè)備提供了新的綠色電源系統(tǒng)。在軌道交通系統(tǒng)中，將無用的機械振動轉(zhuǎn)換電能，為對無線傳感系統(tǒng)以及軌道監(jiān)測系統(tǒng)等電子設(shè)備進(jìn)行供電，對軌道，尤其是轉(zhuǎn)向架部分進(jìn)行實時監(jiān)測，對于軌道監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用具有重要意義。

目前，振動能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電機所利用的原理主要有靜電感應(yīng)，電磁感應(yīng)和特殊材料的壓電性能、靜電脈沖發(fā)電機等。然而，已經(jīng)實用新型的靜電感應(yīng)發(fā)電機，由于需要接入外部電源作為啟動電壓，并且靜電式能量收集裝置產(chǎn)生的是高電壓、低電流和高輸出阻抗，從一定程度上限制了靜電式能量收集技術(shù)的應(yīng)用范圍。靜電脈沖發(fā)電機在小型化和輕量化方面有所不足，輸出功率密度較小，不能滿足對各種振動機械能收集的需要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的是提供一種可以將軌道中的振動能轉(zhuǎn)化為電能的結(jié)構(gòu)簡單的微型發(fā)電機，能夠為微無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)測器等，特別是軌道交通系統(tǒng)中轉(zhuǎn)向架的監(jiān)測系統(tǒng)提供匹配的電源。

為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用的手段是：一種基于列車轉(zhuǎn)向架軌道振動能收集的微型發(fā)電機，包括：與永磁鐵連接的壓電塑料彈片作為壓電發(fā)電單元， 永磁鐵與嵌入基板內(nèi)的線圈構(gòu)成一個電磁發(fā)電單元；

在電磁發(fā)電單元中：具有嵌入上基板102的第一線圈101與嵌入下基板111的第二線圈110，永磁鐵106作為電磁發(fā)電單元由彈簧片聯(lián)接于第一線圈與第二線圈之間；所述彈簧片包括：與永磁鐵106連接的第一壓電塑料彈片104及第一電極103與第二電極105，以及第二壓電塑料彈片108及其第三電極107與第四電極109。

在電磁發(fā)電單元中，永磁鐵106構(gòu)成電磁發(fā)電單元；每塊磁鐵由彈簧連接上下振動，致使通過線圈的磁通量發(fā)生變化；在壓電發(fā)電單元中，包括：與永磁鐵106連接的第一壓電塑料彈片104及第一電極103與第二電極105，以及第二壓電塑料彈片108及其第三電極107與第四電極109；壓電塑料彈片發(fā)生形變，導(dǎo)致電極上由脈沖信號產(chǎn)生；這樣，磁鐵106充當(dāng)質(zhì)量塊，上基板102中嵌有第一線圈101，下基板111中嵌有第二線圈110。發(fā)電機受到外力作用(振動作用)時，使得電磁振動發(fā)電機的磁鐵106發(fā)生上下振動，使發(fā)電單元的通過第一線圈101與第二線圈的磁通量發(fā)生變化，因而有脈沖電信號輸出。而由于質(zhì)量塊磁鐵106的原因，使得壓電塑料彈片104和108發(fā)生一定程度的形變，致使電極上由脈沖信號輸出。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有下列有益效果：

1、本實用新型提供的微型發(fā)電機采用電磁、壓電發(fā)電技術(shù)，相對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計和加工費時繁瑣，器件性能不穩(wěn)定的靜電式發(fā)電機，它在增強發(fā)電適用性，大大的降低成本的同時仍然能保持非常有益的功率的輸出。

2、本實用新型提供的微型發(fā)電機采用電磁和壓電相結(jié)合的發(fā)電結(jié)構(gòu)單元，因此，能夠有效增加微型發(fā)電機的輸出，從而更加有效地將振動機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?/p>

3、采用具有一定機械強度和彈性的壓電塑料彈片作為支撐框架，同時也作為壓電發(fā)電單元進(jìn)行能量收集。

4、本實用新型的發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡單，制備方法簡單，對材料無特殊要求，可以有效地將軌道產(chǎn)生的振動能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，具有實際應(yīng)用價值。

附圖說明

圖1為本實用新型發(fā)電機的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本實用新型發(fā)電機的實施例圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本實用新型方法做進(jìn)一步的詳述。

機械振動能是環(huán)境中普遍存在的一種能量形式，持續(xù)或階段性持續(xù)振動的振源比較豐富，比如家用電器和工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備工作時產(chǎn)生的振動、人體運動和車輛行駛過程中產(chǎn)生的振動、軌道的振動等。通常這些能量因為忽略而被白白浪費或被減震系統(tǒng)吸收。因此，通過振動能量采集器將環(huán)境中的振動能轉(zhuǎn)化成電能為低功耗電子設(shè)備供電，不僅提高了能量的綜合利用率，而且為低功耗電子設(shè)備提供了新的綠色電源系統(tǒng)。在軌道交通系統(tǒng)中，將無用的機械振動轉(zhuǎn)換電能，為對無線傳感系統(tǒng)以及軌道監(jiān)測系統(tǒng)等電子設(shè)備進(jìn)行供電，對軌道，尤其是轉(zhuǎn)向架部分進(jìn)行實時監(jiān)測，對于軌道監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用具有重要意義。

下面結(jié)合附圖和實施例詳細(xì)介紹本實用新型微型發(fā)電機的具體實施方式。

實施例一：

參見圖1，在任一結(jié)構(gòu)單元中，包括：嵌入上基板102的第一線圈101與嵌入下基板111的第二線圈110由壓電塑料彈片(104和108)連接到上基板102和下基板111的永磁鐵106構(gòu)成振動發(fā)電機。

兩個塑料片基板具有一定機械強度，兩個壓電塑料彈片(104和108)具有一定的機械強度和彈性，與嵌入基板的兩個線圈以及永磁鐵106構(gòu)成了微型振動發(fā)電機；發(fā)電機受到外力作用(振動作用)時，使得電磁振動發(fā)電機的磁鐵106發(fā)生上下振動，使發(fā)電單元的通過第一線圈101與第二線圈的磁通量發(fā)生變化，與此同時壓電塑料彈片(104和108)發(fā)生形變，因而有脈沖電信號輸出。

本實用新型的發(fā)電機中，永磁鐵104材料選擇為選自合金，其中，所述合金選自鋁鎳鈷合金、釤鈷合金、釹鐵硼合金。本實用新型的發(fā)電機相當(dāng)于第一線圈101、第二線圈110和永磁鐵106組成電磁發(fā)電單元，壓電塑料彈片104、108及其兩側(cè)電極組成壓電發(fā)電單元。

所述的電磁發(fā)電單元工作原理說明：永磁鐵106在外力作用下發(fā)生上下振動，使得兩個壓電塑料彈片交替伸縮，致使通過兩個線圈(101和110)的磁通量發(fā)生改變。當(dāng)永磁鐵106向上振動時，壓電塑料彈片104被壓縮，108被拉伸，在這一過程中通過線圈101的磁通量變大，而通過線圈110的磁通量變小，進(jìn)而 分別在兩個線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流；當(dāng)磁鐵106向下振動時，壓電塑料彈片104被拉伸，彈簧108被壓縮，在這一過程中通過線圈101的磁通量變小，而通過線圈110的磁通量變大，進(jìn)而分別在兩個線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流。如此反復(fù)運動，在線圈(101和110)中便會產(chǎn)生方向相反的脈沖電流。

所述的壓電發(fā)電單元工作原理說明：壓電塑料彈片被壓縮拉伸時，會發(fā)生壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)是指當(dāng)晶體受到某固定方向外力的作用時,內(nèi)部就產(chǎn)生電極化現(xiàn)象,同時在某兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；當(dāng)外力撤去后，晶體又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；當(dāng)外力作用方向改變時，電荷的極性也隨之改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。這樣，壓電塑料彈片在形變時產(chǎn)生交變電流。

本實用新型的發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡單，制備方法簡單，對材料無特殊要求，在實際使用中，只需進(jìn)行簡單的固定和封裝，即可應(yīng)用在生活環(huán)境中、收集自然界、軌道、機械設(shè)備等產(chǎn)生的振動機械能。在軌道交通系統(tǒng)中，將無用的機械振動轉(zhuǎn)換電能，為對無線傳感系統(tǒng)以及軌道監(jiān)測系統(tǒng)等電子設(shè)備進(jìn)行供電，對軌道，尤其是轉(zhuǎn)向架部分進(jìn)行實時監(jiān)測，對于軌道監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用具有重要意義。

發(fā)電單元數(shù)可以多個分布在平面上,圖2為發(fā)電單元數(shù)為n＝4的條形微型振動發(fā)電機的截面圖。顯然,發(fā)電單元可呈矩陣狀有序地在平面上延伸,如果發(fā)電單元數(shù)增加，將顯著地增加發(fā)電機的輸出功率。

本實用新型各實施例的發(fā)電機輸出的電信號為交流脈沖電信號。發(fā)電機輸出的脈沖電信號，不僅可以作為脈沖電源直接應(yīng)用于電化學(xué)等領(lǐng)域，還可以用來給儲能元件充電，比如電容器或者鋰離子電池等，而儲存的電能能夠用來為便攜式小型電子設(shè)備提供電力。在軌道交通系統(tǒng)中，將無用的機械振動轉(zhuǎn)換電能，為對無線傳感系統(tǒng)以及軌道監(jiān)測系統(tǒng)等電子設(shè)備進(jìn)行供電，對軌道，尤其是轉(zhuǎn)向架部分進(jìn)行實時監(jiān)測，對于軌道監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用具有重要意義。具有廣泛的應(yīng)用前景。所述壓電塑料彈片材料選自具有壓電性能的塑性材料彈片，包括且不限于:聚偏氟乙烯PVDF、聚氟乙烯PVF聚甲基丙烯酸甲PMMA、聚氯乙烯PVC、聚碳酸酯PC、聚丙烯PP、聚ω-氨基十一酰(poly-ω-aminoundecanoyl)。所述永磁鐵采用鋁鎳鈷合金、釤鈷合金、釹鐵硼合金。所述線圈材料為金、銀、銅。

作為本實用新型的一個實施應(yīng)用，可將發(fā)電機運用于收集軌道上的振動能，尤其是將振動能轉(zhuǎn)換為電能用于轉(zhuǎn)向架的實時監(jiān)測。

實用新型人的研究過程中發(fā)現(xiàn)，在本實用新型各實施例的微型振動發(fā)電機在實際工作當(dāng)中，外加負(fù)載的電阻值對實際輸出功率有很大的影響。隨著負(fù)載電阻值的增大，負(fù)載兩端的電壓增大，通過負(fù)載的電流減小，而實際輸出功率先增大后減小，并出現(xiàn)極大值。本實用新型人經(jīng)過多次實驗發(fā)現(xiàn)，輸出功率極大值所對應(yīng)的電阻值在千歐量級，因此，本實用新型在負(fù)載的電阻值為千歐量級的情況下能夠最大程度發(fā)揮其功效。需要說明的是，本文中使用的“輸出功率”，是指脈沖電流的極大值和在負(fù)載兩端形成的脈沖電壓的極大值的乘積，即瞬時極大功率。

本實用新型的發(fā)電機的輸出功率除了受到外界環(huán)境因素，包括振動頻率的大小，外加負(fù)載的電阻值等影響外，還受到微型發(fā)電機本身的設(shè)計和制造，包括線圈線徑、材料的選擇，以及各部分的尺寸大小，和永磁鐵材料物理性質(zhì)等的影響。

以上所述，僅是本實用新型的較佳實施例而已，并非對本實用新型作任何形式上的限制。任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本實用新型技術(shù)方案范圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對本實用新型技術(shù)方案做出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本實用新型技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本實用新型的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本實用新型技術(shù)方案保護(hù)的范圍內(nèi)。