能量轉換器和無線設備的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種能量轉換器及含有該能量轉換器的無線設備。所述能量轉換器包括：彈性振動構件；磁回路構件，其包括永久磁體和導磁連接件，所述永久磁體和導磁連接件形成一空隙；電磁線圈，其設置在所述磁回路構件的空隙中；所述磁回路構件和所述電磁線圈中的任一個固定設置，另外一個與彈性振動構件連接并能夠在外力的作用下自由地進行切割磁力線的相對運動。本發(fā)明所公開的技術方案，能夠提高能量轉換效率，充分利用永久磁體的資源。
【專利說明】能量轉換器和無線設備
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種能量轉換器和一種含有該能量轉換器的無線設備。
【背景技術】
[0002]無線技術已經成為一個新興領域并被廣泛應用于各種不同的應用中。例如，無線遠端傳感器和無線燈光控制器等。無線技術的靈活性為用戶提供了很大方便，但無線應用的能源問題卻一直是限制無線設備的應用范圍和可靠性的瓶頸。
[0003]目前，通常采用充電式電池為無線傳感器和無線控制器等無線設備提供能源。雖然隨著電池技術的發(fā)展，電池能夠具有較長的續(xù)航時間、較長的使用壽命和服務時間，但仍存在很多問題難以解決。例如，對環(huán)境的污染問題和不可預知的損壞問題(即不可靠問題)等。此外，對電池驅動設備的維護也是一個大問題，尤其對于應用于較大數量的分布式設備。例如，在一個建筑內維護數百個燈光控制器將花費大量的成本和勞力。
[0004]為了解決這個問題，目前的一種方法是獲取周圍的能量，如光、熱和振動等，作為無線設備的能源。但這種能量由于其何時出現具有不確定性，因此無法為無線設備提供可靠的、穩(wěn)定的能源。
[0005]此外，另一種方法是在傳感器或控制器等無線設備的內部利用能量產生器或能量轉換器來提供能源。
[0006]美國專利“US6861785B2 ”和美國專利申請“US200507322IAl ”中分別給出了 一種通過壓電陶瓷(PZT)組件將外部觸發(fā)力轉換為電能的示例。這種壓電陶瓷組件雖然能輸出高電壓，且具有高轉換效率，但由于PZT材料的易碎性，使得其不能可靠地為傳感器或控制器等無線設備提供能量。
[0007]由于永久磁鐵具有比壓電陶瓷材料更耐用的機械性能，因此可被用于傳感器或控制器等無線設備中。美國專利申請“US2008265693A1”給出了一種使用永久磁鐵的能量轉換器的示例。該示例中，通過在外力作用下使一個彈性軟磁膜彎曲來改變通過電磁線圈中的磁通量，從而根據電磁感應原理在電磁線圈內產生電流。雖然該轉換器的結構簡單、體積較小，但由于該彈性軟磁膜厚度較小且僅進行一次運動，因此無法使電磁線圈的磁通量產生較大變化，轉換器的效率較低。
[0008]為此，本領域內的技術人員還在致力于尋找一種效率更高的能量轉換器。

【發(fā)明內容】

[0009]有鑒于此，本發(fā)明一方面提出了一種能量轉換器，另一方面提出了一種無線設備，用以提高能量轉換的效率，進一步充分利用能源。
[0010]本發(fā)明提出的能量轉換器，包括:
[0011]彈性振動構件；
[0012]磁回路構件，其包括永久磁體和導磁連接件,所述永久磁體和導磁連接件形成一空隙；[0013]電磁線圈，其設置在所述磁回路構件的空隙中；
[0014]所述電磁線圈構件和所述磁回路構件中的任一個固定設置，另外一個與彈性振動構件連接并能夠在外力的作用下自由地進行切割磁力線的相對運動構件。
[0015]在這里，“自由地進行切割磁力線的相對運動”是指電磁線圈和磁回路構件之間沒
有摩擦。
[0016]在本發(fā)明的一個實施方式中，所述彈性振動構件與按鈕連接。在本發(fā)明的一個實施方式中，所述磁回路構件被磁化的兩極之間具有一個橫截面為環(huán)形的筒狀空隙，所述電磁線圈置于所述筒狀空隙內。
[0017]在本發(fā)明的一個實施方式中，所述磁回路構件包括:一端帶有凸臺的筒狀的第一導磁連接件；置于所述第一導磁連接件的筒中的柱狀第二導磁連接件；和遠離所述凸臺的一端固定連接所述永久磁體和所述第二導磁連接件的第三導磁連接件；所述永久磁體為連接在所述凸臺上且極性同向設置的至少一個永久磁體。
[0018]優(yōu)選，所述第一導磁連接件與第三導磁連接件具有盡可能大的相對面積，以減少漏磁。
[0019]在本發(fā)明的一個實施方式中,所述第三導磁連接件在背離所述永久磁體的一側與所述彈性振動構件相連。
[0020]在本發(fā)明的又一個實施方式中，所述電磁線圈與所述彈性振動構件相連。
[0021 ] 在本發(fā)明的一個實施方式中，所述彈性振動構件為彈簧或帶有設定彎度的彈片。
[0022]本發(fā)明提出的無線設備，包括:
[0023]一個如上述所述任一實現形式的能量轉換器；
[0024]一個用于對所述能量轉換器輸出的電能進行整流的整流器；
[0025]一個用于對所述整流器輸出的電能進行存儲和管理的儲能控制單元；和
[0026]一個用于在所述儲能控制單元的驅動下發(fā)送相應無線信號的信號發(fā)送單元。
[0027]在本發(fā)明的一個實施方式中，所述無線設備為無線開關控制器。
[0028]從上述方案中可以看出，本發(fā)明實施例中設置有一個由永久磁體和導磁連接件構成的帶有空隙的磁回路構件，并將電磁線圈設置在所述磁回路構件的空隙中，且所述電磁線圈能夠在所述空隙中相對所述磁回路構件進行切割磁力線運動。將所述磁回路構件和所述電磁線圈中的任意一個固定設置，將二者之中非固定設置的一個通過彈性振動構件與固定設置的按鈕相連。這樣，當有外力作用在按鈕上時，與所述彈性振動構件相連的組件(即磁回路構件或者電磁線圈)便會在所述彈性振動構件的帶動下相對另一個組件產生振蕩運動，即使得所述電磁線圈相對所述磁回路構件來回振蕩，從而切割磁力線產生電流。與僅有一次運動的方式相比，本實施例中的能量轉換器能夠提高能量轉換效率，充分利用永久磁體的資源。同時，由于在本發(fā)明中磁回路構件和永久磁體形成相對封閉的磁回路，該磁回路能夠收集永久磁體產生的大量磁通，這樣能夠提高產生的感應電動勢，提高能量的利用率。
[0029]此外，相對于獲取周圍能量，如光、熱和振動等的實現方式，本發(fā)明中的方案由于能夠獲取特定的外力，因此可提供可靠、穩(wěn)定的能源。
[0030]此外，通過按鈕式設計可以實現無線開關控制器等無線設備的應用，應用范圍較廣。此外，通過對按鈕的不同設計，可以調節(jié)施加在彈性振動構件上的力，從而可針對不同的應用場合靈活實現?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0031 ] 下面將通過參照附圖詳細描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例，使本領域的普通技術人員更清楚本發(fā)明的上述及其它特征和優(yōu)點，附圖中:
[0032]圖1a至圖1c為本發(fā)明實施例一中的能量轉換器的示例性結構圖。其中，圖1a為主視圖的剖視圖，圖1b為仰視圖，圖1c示為在圖1a基礎上按鈕11被按下時的示意圖。
[0033]圖2為本發(fā)明實施例二中的能量轉換器的示例性結構圖。
[0034]圖3a和圖3b給出了現有技術中的能量轉換器和本發(fā)明實施例中的能量轉換器的輸入結果對比圖。
[0035]圖4為本發(fā)明實施例三中無線設備的結構示意圖。
[0036]其中，附圖標記如下:
[0037]11-按鈕12-彈性振動構件13-磁回路構件14-電磁線圈131-第一導磁連接件132-永久磁體133-第二導磁連接件134-第三導磁連接件
[0038]41-能量轉換器42-整流器43-儲能控制單元44-信號發(fā)送單元
【具體實施方式】
[0039]本發(fā)明實施例中，考慮到利用使用永久磁體的能量轉換器產生的感應電動勢是由磁通的變化率來決定的，即有:Ε=ηΛ φ/At。
[0040]其中，E為感應電動勢，η為電磁線圈的匝數，Λ Φ/At為磁通的變化速率。
[0041]可見，當保持磁場、電磁線圈以及運動速度不變的情況下，感應電動勢E的值取決于磁通變化量Δ φ的大小。
[0042]其中，對于永久磁體來說，其最大的磁通量ΦΜΧ由磁場大小和回路磁阻決定。在美國專利申請“US2008265693A1”中，磁通變化量Λ φ是從O (或接近于O)變化至Φ_。且一旦可移動部分移至設定位置時，能量轉換即結束，即可移動部分僅有一小部分的動能轉換成了電能，而大部分的動能轉換成了熱和噪聲，其轉換效率低，僅僅轉換了不到10%的能量。
[0043]本發(fā)明實施例中，為了提高能量轉換的效率，考慮盡可能的將動能轉換為電能。為此，本發(fā)明實施例中，可設置一個由永久磁體和導磁連接件構成的帶有空隙的磁回路構件，并將電磁線圈設置在所述磁回路構件的空隙內，且所述電磁線圈能夠在所述空隙中相對所述磁回路構件進行切割磁力線運動。將所述磁回路構件和所述電磁線圈這兩個組件中的二者之一固定設置，將非固定設置的一個與一彈性振動構件相連。此時，當有外力作用在彈性振動構件上時，與所述彈性振動構件相連的組件便會在所述彈性振動構件的帶動下相對另一個組件產生振蕩運動，即使得所述電磁線圈相對所述磁回路構件來回振蕩，從而切割磁力線產生電流?？梢姡景l(fā)明實施例中，通過彈性振動構件帶動與之相連的組件運動至設定位置后，仍能使與彈性振動構件相連的組件在彈性振動構件的彈力作用下產生振蕩式運動，從而使電磁線圈繼續(xù)切割磁回路構件產生的磁場中的磁力線，這樣提高了能量的轉換效率。同時，由于在本發(fā)明中磁回路構件和永久磁體形成相對封閉的磁路，該磁路能夠收集永久磁體產生的大量磁通，這樣能夠提高產生的感應電動勢，提高能量的利用率。
[0044]為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，以下用實施例對本發(fā)明進一步詳細說明。
[0045]實施例一
[0046]圖1a至圖1c為本發(fā)明實施例一中的能量轉換器的示例性結構圖。其中，圖1a為主視圖的剖視圖，圖1b為仰視圖，圖1c示為在圖1a基礎上按鈕11被按下時的示意圖。本說明書中將主要基于圖1a所示方位對本發(fā)明實施例中的能量轉換器進行詳細描述，除非特殊說明，本說明書中為描述方便所涉及的上、下、左、右、前、后、豎直以及水平等方位均相對于圖1a所示視角而言。如圖1a和圖1b所示，該能量轉換器包括:一個按鈕11、一個彈性振動構件12、一個磁回路構件13和一個電磁線圈14。
[0047]本實施例中，所述按鈕11固定設置，如固定設置在一殼體面板上等。具體實現時，本實施例中的按鈕11可以為薄膜按鈕；也可以為其它任意類型的按鈕，如翻板形式的開關按鈕，其一端與所述構件彈性振動構件12 —端相連。
[0048]所述構件彈性振動構件12 —端與所述按鈕11相連，另一端與所述磁回路構件13相連。
[0049]所述磁回路構件13由永久磁體132和導磁連接件131、133、134構成，且磁回路構件13磁化的兩極之間具有空隙。
[0050]所述電磁線圈14設置在所述磁回路構件13的空隙中，且所述電磁線圈14固定設置，如固定設置在所述殼體內部的支架上等。
[0051 ] 在所述按鈕11被按動時，所述構件彈性振動構件12能夠帶動所述磁回路構件13進行上下往復運動，使所述電磁線圈14在所述空隙中相對所述磁回路構件13進行切割磁力線運動。圖1c示出了按鈕11被按下的瞬間，構件彈性振動構件12的瞬時狀態(tài)。
[0052]本實施例中的彈性振動構件12可為彈簧。實際應用中，該彈性振動構件12也可以是一個帶有設定彎度的彈片，該設定彎度應使得所述彈性振動構件12在按鈕11被按下時，能夠帶動所述磁回路構件13相對所述電磁線圈14進行往復運動,使所述電磁線圈14在所述空隙中相對所述磁回路構件13進行切割磁力線運動。
[0053]具體實現時，所述磁回路構件13磁化的兩個極性之間可如本實施例中的圖1b所示，具有一個橫截面為環(huán)形的筒狀空隙，相應地，所述電磁線圈14置于所述筒狀空隙內。
[0054]具體實現時，所述磁回路構件13可有多種具體實現結構，本實施例中的磁回路構件13包括:一個第一導磁連接件131、至少一個永久磁體132、一個第二導磁連接件133和一個第三導磁連接件134。
[0055]其中，第一導磁連接件131為一端帶有凸臺的筒狀結構。
[0056]至少一個永久磁體132固定連接在所述第一導磁連接件131的凸臺上，且各永久磁體132按照相同的極性方向進行設置，如都為N極朝上，S極朝下。具體實現時，該至少一個永久磁體132可以是一個筒狀的永久磁體，也可以是分布在所述凸臺上的兩個或兩個以上的永久磁體。
[0057]第二導磁連接件133設置在所述第一導磁連接件131的筒中，在本實施例中其為柱狀結構。
[0058]第三導磁連接件134在遠離所述第一導磁連接件131的凸臺的一端固定連接所述至少一個永久磁體132和所述第二導磁連接件133，且第三導磁連接件134在背離所述永久磁體132的一側與所述彈性振動構件12相連。[0059]具體實現時，本實施例中的各導磁連接件可由軟磁材料制成，如軟磁鐵氧體、硅鋼片等，永久磁體可以為永久磁鐵或稀土磁體(例如燒結的NdFeB和SmCo，或者Alnico和Barium Ferrite 等。
[0060]本實施例中，能量轉換器的振蕩參數由彈性振動構件12、磁回路構件13的材料以及電磁線圈14的負載決定。此外，通過對按鈕11的不同設計，可調節(jié)按鈕11被按下時，施加給彈性振動構件12的力。
[0061]實施例二
[0062]圖2為本發(fā)明實施例二中的能量轉換器的示例性結構圖。如圖2所示，本實施例二中的能量轉換器的結構與圖1a至圖1c中所示的能量轉換器的結構一致。不同之處在于，本發(fā)明實施例中的能量轉換器，其磁回路構件13和電磁線圈14的位置相當于在圖1a至圖1c的基礎上進行垂直翻轉后得到。此時磁回路構件13固定設置，例如可設置在殼體內部的支架上等，而電磁線圈14則通過彈性振動構件12與固定設置的按鈕11相連。
[0063]本實施例中，能量轉換器的振蕩參數由彈性振動構件12、電磁線圈14的材料以及電磁線圈14的負載決定。此外，通過對按鈕11的不同設計，可調節(jié)按鈕11被按下時，施加給彈性振動構件12的力。
[0064]以上僅列舉了本發(fā)明實施例中能量轉換器的兩個示例，具體實現時，能量轉換器的具體結構還可以有其它的實現形式，此處不再一一贅述。
[0065]圖3a和圖3b給出了現有技術中的能量轉換器和本發(fā)明實施例中的能量轉換器的輸入結果對比圖。其中，圖3a為前述現有技術US2008265693A1中的能量轉換器的輸出結果示意圖；圖3b為本發(fā)明實施例中的能量轉換器的輸出結果示意圖。其中，橫坐標為時間(t)，縱坐標為輸出的感應電動勢(V)?？梢姡摤F有技術中的能量轉換器的僅輸出對應一個脈沖的能量，而本發(fā)明實施例中的能量轉換器則輸出對應波形(相當于多個脈沖)的能量，這使得能量轉換效率得到了極大的提高。
[0066]以上對本發(fā)明實施例中的能量轉換器進行了詳細描述，下面再對本發(fā)明實施例中的無線設備進行詳細描述。
[0067]實施例三
[0068]圖4示出了本發(fā)明實施例三中無線設備的結構示意圖。如圖4所示，該無線設備包括:一個能量轉換器41、一個整流器42、一個儲能控制單元43和一個信號發(fā)送單元44。
[0069]其中，能量轉換器41可以為本發(fā)明實施例中任一形式的能量轉換器。
[0070]整流器42與能量轉換器41中的電磁線圈的引線相連，用于對所述能量轉換器41輸出的電能進行整流。具體實現時，其可以為任一具體實現形式的整流設備，如由二極管構成的整流橋等。
[0071]儲能控制單元43用于對所述整流器42輸出的電能進行存儲和管理，并驅動信號發(fā)送單元44發(fā)送無線信號。具體實現時，可有多種實現形式，例如，可由電容及相應的觸發(fā)開關等硬件電路來實現。
[0072]信號發(fā)送單元44用于在所述儲能控制單元43的驅動下發(fā)送對應的無線信號。具體實現時，其可由帶有無線射頻(RF)模塊的微處理器(MCU)實現。
[0073]具體應用時，上述無線設備可以為任意無線傳感器或控制器，例如，可以為無線開關控制器，如燈光控制器等。相應地，能量轉換器41的按鈕對應該無線傳感器或控制器的按鈕。
[0074]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種能量轉換器，包括: 彈性振動構件(12 ); 磁回路構件(13)，其包括永久磁體(132)和導磁連接件(131，133，134)，所述永久磁體(132)和導磁連接件(131，133，134)形成一空隙； 電磁線圈(14)，其設置在所述磁回路構件(13)的空隙中； 所述電磁線圈(14)和磁回路構件(13)中的任一個固定設置，另外一個與彈性振動構件(12)連接并能夠在外力的作用下自由地進行切割磁力線的相對運動。
2.根據權利要求1所述的能量轉換器，所述彈性振動構件(12)與按鈕連接。
3.根據權利要求1所述的能量轉換器，其特征在于，永久磁體(132)和導磁連接件(131，133，134)形成的所述空隙為筒狀，并且該空隙位于所述磁回路構件(13)磁化的兩極之間。
4.根據權利要求3所述的能量轉換器，其特征在于，所述磁回路構件(13)包括:一端帶有凸臺的筒狀第一導磁連接件(131)，其形成所述筒狀空隙；置于所述第一導磁連接件筒狀空隙中的柱狀第二導磁連接件(133);和在遠離所述凸臺的一端固定連接所述永久磁體(132)和所述第二導磁連接件(133)的第三導磁連接件(134);和所述永久磁體(132)為連接在所述第一導磁連接件(131)的凸臺上且極性同向設置的至少一個永久磁體(132)。
5.根據權利要求4所述的能量轉換器，其特征在于，所述第三導磁連接件(134)在遠離所述永久磁體(132)的一側與所述彈性振動構件(12)相連。
6.根據權利要求3所述的能量轉換器，其特征在于，所述電磁線圈(14)與所述彈性振動構件(12)相連。
7.根據權利要求1至6中任一項所述的能量轉換器，其特征在于，所述彈性振動構件(12)為彈簧或帶有設定彎度的彈片。
8.一種無線設備，包括: 如權利要求1至7中任一項所述的能量轉換器(41)； 用于對所述能量轉換器輸出的電能進行整流的整流器(42); 用于對所述整流器輸出的電能進行存儲和管理的儲能控制單元(43);和 用于在所述儲能控制單元的驅動下發(fā)送相應無線信號的信號發(fā)送單元(44)。
9.根據權利要求8所述的無線設備，其特征在于，所述無線設備為無線開關控制器。
【文檔編號】H02K35/04GK103580443SQ201210270660
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2012年7月31日 優(yōu)先權日:2012年7月31日
【發(fā)明者】郭旻, 范順杰, 卓越 申請人:西門子公司