CZ299911B6 - Elektromagnetický vibracní generátor pro nízké frekvence vibrací - Google Patents

Elektromagnetický vibracní generátor pro nízké frekvence vibrací Download PDF

Info

Publication number
CZ299911B6
CZ299911B6 CZ20070331A CZ2007331A CZ299911B6 CZ 299911 B6 CZ299911 B6 CZ 299911B6 CZ 20070331 A CZ20070331 A CZ 20070331A CZ 2007331 A CZ2007331 A CZ 2007331A CZ 299911 B6 CZ299911 B6 CZ 299911B6
Authority
CZ
Czechia
Prior art keywords
coil
excitation circuit
fixed
movable member
generator
Prior art date
Application number
CZ20070331A
Other languages
English (en)
Other versions
CZ2007331A3 (cs
Inventor
Hadaš@Zdenek
Single@Vladislav
Ondrušek@Cestmír
Fiala@Pavel
Original Assignee
Vysoké ucení technické Brno
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Vysoké ucení technické Brno filed Critical Vysoké ucení technické Brno
Priority to CZ20070331A priority Critical patent/CZ299911B6/cs
Priority to EP08757905A priority patent/EP2143193A2/en
Priority to US12/451,373 priority patent/US20100237719A1/en
Priority to PCT/CZ2008/000051 priority patent/WO2008138278A2/en
Publication of CZ2007331A3 publication Critical patent/CZ2007331A3/cs
Publication of CZ299911B6 publication Critical patent/CZ299911B6/cs

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K35/00Generators with reciprocating, oscillating or vibrating coil system, magnet, armature or other part of the magnetic circuit
    • H02K35/04Generators with reciprocating, oscillating or vibrating coil system, magnet, armature or other part of the magnetic circuit with moving coil systems and stationary magnets

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Reciprocating, Oscillating Or Vibrating Motors (AREA)
  • Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)

Abstract

Elektromagnetický vibracní generátor pro výrobu elektrické energie sestává z pohyblivého clenu (2) a pružného clenu (9) usporádaného v rámu (1), budicího obvodu (8) fixovaného k pohyblivému clenu (2)a cívky (7). Cívka (7) i budicí obvod (8) jsou pohyblive usporádány vuci sobe tak, že magnetické pole permanentního magnetu (83) je schopno indukovatnapetí v cívce (7). Pružný clen (9) je tvoren pevnými permanentními magnety (4) fixovanými v rámu ajedním nebo více pohyblivými permanentními magnety (3) fixovanými k pohyblivému clenu (2) s budicímobvodem (8) opatreným závesem (6) uloženým v pouzdru (5). Budicí obvod (8) tvorí alespon jeden permanentní magnet (83) usporádaný na alespon jednom pólovém nástavci (81), pro vytvorení magnetického toku v cívce (7), pricemž cívka (7) je staticky usporádána na rámu (1) vuci budicímu obvodu (8), kolem níž se tento suvne pohybuje.

Description

Oblast techniky
Vynález se tyká uspořádání elektromagnetického vibračního generátoru pro výrobu elektrické energie sestávajícího z pohyblivého clenu s pružným cienem uspořádaným krámu, budicího obvodu fixovaného k pohyblivému členu a cívky, přičemž cívka i budicí obvod jsou pohyblivě uspořádány vůči sobě způsobem, že magnetické pole permanentního magnetuje schopno indukolo vat napětí v cívce.
Dosavadní stav techniky
Pro napájení bezdrátových senzorů a dalších vnořených aplikací se momentálně používají primární a sekundární galvanické články. V souvislosti s vývojem elektroniky a snižováním její energetické náročnosti nabývá na významu využití některých zdrojů okolní energie k napájení bezdrátových senzorů a vnořených aplikací.
2o formou všudypřítomné okolní energie může být solární energie, teplotní gradient, proudění tekutin, mechanické vibrace atd.. a tato energie může sloužit jako primární zdroj energie, přeměnitelné na elektrickou energii pro napájení určitého autonomního zařízení (např. bezdrátového senzoru).
Obecně jsou zdroje získávající energii z okolí označovány Energy' Harvest ing zařízení a v souvislosti se snižováním energetické náročnosti bezdrátových sítí roste význam takovýchto nevyčerpatelných zdrojů elektrické energie pro napájení těchto senzorů. Již dnes se používají některé zdroje elektrické energie, využívající energie z okolí (solární články, rozdíl teplot, proudění tekutin, kinetická energie atd.). Jednou z možností jc i využití kinetické energie okolních vibrací. Nej30 vhodnějším zdrojem okolní energie se u většiny dynamických strojních soustav jeví mechanické vibrace. Vhodnost těchto vibrací pro získávaní elektrické energie závisí na stálosti dominantní frekvence a velikosti vibrací. Energie z mechanických vibrací soustavy je získávána vibračním generátorem, jehož konstrukce je naladěna na budicí vibrace a je optimálně navržena vzhledem k požadovanému generovanému výkonu a dalším požadavkům na toto zařízení.
Pro převod kinetické energie vibrací na energii elektrickou je obecně využíváno následujících fyzikálních principů; piezoelektrického jevu, elektrostatické přeměny a elektromagnetické indukce.
Další potenciální možností převodu kinetické energie na elektrickou je využití magnetostrikčních materiálů. Tento princip však není v žádné nám známé publikované studii o možnostech získávání energie z okolí zmiňován,
Jakýkoli vibrační generátor se obecně skládá ze dvou částí: z rezonančního mechanismu, který při buzení vibracemi o rezonanční frekvenci vyvolává určitý relativní pohyb, a generátoru (tzv. převodníku energie), ve kterém se přeměňuje kinetická energie vybuzeného pohybu rezonančního mechanismu na elektrickou energii implementací některého již zmíněného fyzikálního principu.
V posledních letech jsou využívány piezoelektrické a elektrostatické vibrační generátory a jsou používány jako zdroje elektrické energie pro napájení MEMS zařízení a miniaturních bezdrátových senzoru. Tyto generátory mají svá specifika a jsou využívány pro malý generovaný výkon při vysoké frekvenci vibrací.
CZ 299911 Bó
Pro získání dostatečně velkého generovaného napětí a výkonu potřebuje elektromagnetický vibrační generátor odpovídající vybuzený relativní pohyb rezonančního mechanismu, který způsobí dostatečnou změnu magnetického toku ve vinutí cívky a v tomto vinutí se tak indukuje dostatečné elektromotorické napětí. Z uvedeného plyne, že pro nízké frekvence vibrací je potřeb5 ná hodnota výchylky vibrace podstatně větší, a tudíž lze snáze docílit dostatečný vybuzený pohyb rezonančního mechanismu a dostatečnou změnu magnetického toku v cívce v elektromagnetickém vibračním generátoru.
Získávání elektrické energie z vibrací pomocí elektromagnetického vibračního generátoru je tedy výhodné pro nízké frekvence budicí vibrace, kdy je amplituda kmitavého pohybu vibrace dostatečná. Tento elektromagnetický generátor lze obecně použít i pro získávání elektrické energie z obecného kmitavého pohybu.
Obecně se elektromagnetický vibrační generátor skládá z následujících částí: rezonančního mechanismu, který jc tvořen pružným členem a pohyblivou hmotou a je naladěn na frekvenci budicích vibrací (zajišťuje relativní pohyb budicího obvodu oproti cívce), a budicího obvodu (s permanentním rnagnetem/magnety FeNdB). který je součástí hmoty rezonančního mechanismu a vytváří vhodné magnetické pole v cívce/nebo je pevný a součástí rezonančního obvodu je cívka (cívky) kotvy, která je pevně spojená s rámem generátoru/nebo opačně je součástí rezonančního zo mechanismu, ale tím vznikají problémy s přenosem elektrické energie pohyblivými vodiči.
Základní princip elektromagnetického vibračního generátoru pro výrobu elektrické energie schematicky znázorněný na obr. 1 je tvořen kmitajícím pohyblivým tělesem o hmotnosti ni zavěšeným na pružném členu o tuhosti k. Naladění generátoru na vlastní frekvenci Ω je dáno poměrem tuhosti pružného členu ka hmotnosti kmitajícího tělesa m. Tato kombinace vytváří rezonanční mechanismus a může být konstrukčně dosažena několika způsoby:
Kmitající těleso jc zavěšeno na pružném členu, kterým může být:
válcová pružina, e tvarová pružina.
- torzní pružina, 1 speciální konstrukční varianty, např. tvarová křemíková pružina (MEMS),
Kmitající těleso jc uloženo mezi sadou odpuzujících se permanentních magnetů, které vytvářejí tuhost mechanismu.
• Kmitající těleso je umístěno na vetknutem nosníku.
Kmitající těleso je umístěno na pružné membráně.
• Kombinace výše zmíněných řešení přidáním nových konstrukčních prvků atd.
Vlastnosti rezonančního mechanismu ovlivňuje jeho parametr mechanické tlumení bn„ které je dáno konstrukčním uspořádáním rezonančního mechanismu a použitými materiály. Parametr bm ovlivňuje vybuzený pohyb kmitající hmoty při buzení vibracemi, udává kvalitu rezonančního mechanismu, a tím ovlivňuje i získaný výkon z budicí vibrace. Rezonanční mechanismus s nižší hodnotou mechanického tlumení má větší kvalitativní faktor a dokáže ze stejných vibrací vybudit větší relativní pohyb a tím vytvořit předpoklady pro získání většího generovaného výkonu.
Dále, jak je též patrné z obr. 1. je generátor tvořen budicím obvodem, vytvářejícím magnetickou indukci B ve vzduchové mezeře, kde je umístěna cívka, a touto cívkou s indukčností L a vnitřním odporem Rc, která je pevně spojená s rámem generátoru, a na kterou je připojena elektrická zátěž s odporem Rz.
Budicí obvod sc skládá / jednoho nebo několika permanentních magnetů a pólových nadstavcu. Uspořádání celého magnetického obvodu vibračního generátoru je navrženo tak, aby v odpovídající vzduchově mezeře byla dosažena co největší hodnota magnetické indukce Β. V této vzduchové mezeře je uspořádáno vinutí cívky a relativním kmitavým pohybem rezonančního mechanis5 mu vůči rámu s cívkou se ve vinutí cívky indukuje střídavé napětí. Velikost indukovaného napětí je závislá na hodnotě magnetického indukčního toku a rychlosti pohybu, neboli rychlosti změny magnetického indukčního toku. vzájemné poloze vektoru magnetického toku a osy cívky a počtu závitů cívky.
κι Velmi důležité je vhodně navrhnout konstrukci budicí soustavy a cívky z hlediska návrhu rezonančního mechanismu generátoru. Konstrukce budicího obvodu a cívky jc sladěna s konstrukcí rezonančního mechanismu a návrh konstrukce magnetického obvodu odpovídá vybuzenému pohybu rezonančního mechanismu. Konstrukce budicího obvodu a cívky je vhodně zvolena podle velikosti vibrací a parametrů rezonančního mechanismu.
Pokud je generátor zatížen okolními vibracemi se zrychlením A„ které mají frekvenci stejnou jako je naladěná rezonanční frekvence generátoru, buzení mechanismu vibracemi způsobí relativní kmitavý pohyb x tělesa m vzhledem krámu generátoru scívkou/nebo opačně. Tento pohyb vyvolá změnu magnetického toku procházejícího závity cívky L. Na jednotlivých závitech cívky se tak podle Haradayova zákona elektromagnetické indukce indukuje střídavé napěli, kterc jc závislé na rychlosti vybuzeného kmitavého pohybu magnetického budicího obvodu a na velikosti časové změny magnetického indukčního toku procházejícího vinutím cívky a na geometrii cívky.
Velikost vybuzené výchylky x tělesa m, a tím i velikost indukovaného napětí, závisí nejen na mechanickém tlumení v generátoru, ale i na elektromagnetickém tlumení, které vzniká odebíráním elektrického výkonu ze systému (odebíraný výkon na zátěži R, a ztráty' v cívce na odporu RJ. Celkový generovaný výkon závisí na poměru těchto tlumení a je maximální, je-li okamžitá hodnota elektromagnetického tlumení, které je dáno konstrukcí budicího obvodu, cívky a zátěží, shodná s okamžitou hodnotou mechanického tlumení, které jc závislé na konstrukcí rezonančního ío mechanismu a taktéž na velikosti vybuzeného pohybu.
Nejvhodnějšími strojními soustavami k implementaci vibračního generátoru jako nevyčerpatelného zdroje elektrické energie sc jeví helikoptéry , kde jsou otáčky rotoru konstantní (tzn. i frekvence vibrací) po celou dobu chodu stroje, mění se jen intenzita vibrací. Zde umístěný a vhodně naladěný vibrační generátor bude pracovat jako nepřetržitý zdroj elektrické energie po celou dobu chodu stroje. Předpokládá se využití tohoto zařízení i u jiných technických soustav jako jsou automobily (strojní soustavy obecně), různé stavební konstrukce, mosty atd.
Nejznámější firmou zabývající se zařízeními na získávání elektrické energie z mechanických vibrací je firma Perpetuum Ltd. l ato firma poskytuje vibrační generátory pro různé aplikace a výkony,
Patent WO 05022726 A1 popisuje principy elektromagnetických vibračních generátorů, vyráběných touto firmou. Tento patent používá magnetický obvod upevněný na vetknutem nosníku.
který spolu s magnetickým obvodem kmitá při buzení vibracemi. Při tomto pohybu se v pevné cívce, umístěné ve vzduchové mezeře magnetického obvodu, indukuje elektromotorické napětí.
Doposud využívaně konstrukce rezonančního mechanismu vibračního generátoru mají těleso s efektivní hmotou umístěno na vetknutem nosníku či tvarové pružině, která vytváří pružný člen, so Tyto konstrukční varianty mají své omezení z hlediska tuhosti pružného členu a tím i rezonanční frekvence generátoru. Pro nízké rezonanční frekvence je potřeba poměrně měkké tu host ní charakteristiky pružného členu. Při použití tradičních materiálů je použití těchto konstrukčních variant pro nízké frekvence zcela nevhodné. Lze použil jen měkkou pružinu v kombinaci s mechanickým vedením pohyblivého členu, což přináší další mechanické tlumení do systému
- .1 CZ 299911 B6 a znamená nižší generovaný výkon. Pokud jc již pružný člen použit, nastává problém s relativně velkou deformaci pružného clenu pri nízké frekvenci vybuzeného pohybu.
Podstata vynálezu
Úkolem vynalezu je poskytnout řešeni elektromagnetického vibračního generátoru využívající nízkou frekvenci vibrací (zpravidla do 50 Hz, výjimečně až 100 Hz) pro výrobu elektrické energie na principu Faradayova zákona elektromagnetické indukce.
to
Výše uvedeného úkolu je dosaženo uspořádání elektromagnetického vibračního generátoru pro výrobu elektrické energie sestávajícího z pohyblivého členu a pružného členu uspořádaného v rámu, budicího obvodu fixovaného k pohyblivému členu a cívky, přičemž cívka i budicí obvod jsou pohyblivé uspořádány vúěi sobě. tak, že magnetické pole permanentního magnetuje schop15 no indukovat napětí v cívce, a jehož podstata spočívá v tom, že má pružný člen tvořený pevnými permanentními magnety fixovanými v rámu a jedním nebo více pohyblivými permanentními magnety fixovanými k pohyblivému členu s budicím obvodem opatřeným závěsem uloženým v pouzdru, přičemž budicí obvod tvoří alespoň jeden permanentí magnet uspořádaný na alespoň jednom pólovém nástavci, pro vytvoření magnetického toku v cívce, přičemž cívka je staticky
2o uspořádána na rámu vůči budicímu obvodu, kolem níž se tento suvné pohybuje.
Hlavní výhodu uspořádání elektromagnetického vibračního generátoru lze spatřoval v tom. Že tuhost v pružném členu rezonančního mechanismu vibračního generátoru jc tvořena odpuzujícími se permanentními magnety. Tyto magnety' jsou souhlasnými póly natočeny k sobě a vytvářejí odpuzující magnetickou sílu. Takto vytvořený pružný člen nemá žádné materiálové tlumení a tím je umožněno generování většího výkonu, jelikož generovaný výkon závisí pouze na celkovém mechanickém tlumení vibračního generátoru. Odpadají zde i problémy s únavou materiálu pružného členu, jelikož tuhost mechanismu je zprostředkována pouze magnetickými silami. Výhodou tohoto pružného členu je možnost přeladění rezonanční frekvence, čili pracovní frekvence genc30 rátoru, změnou vzdálenosti mezi pevnými magnety v rámu a pohyblivým magnetem na pohyblivém členu.
Výhodné je i to. že konstrukční uspořádání pouzdra závěsu vytváří přesné mechanické vedení pro pohyb pohyblivého členu s budicím obvodem vůči cívce. Toto mechanické vedení vytváří jediné mechanické tlumicí síly rezonančního mechanismu. Při použili mechanického pružného clenu, například pružiny, je nutno využít taktéž mechanické vedení a navíc tento člen má i další mechanické tlumení dané vlastnostmi materiálu, ze kterého je vyroben. Z těchto důvodů sc jeví použití magnetického pružného členu s mechanickým vedením jako nej výhodnější pro frekvence vibrací do přibližně 50 - 100 Hz.
Rotační uložení pohyblivého clenu v ložiskách není vhodné z hlediska tření a tím i nízké citlivosti na budicí vibrace takto vytvořeného vibračního generátoru. Použití segmentových valivých ložisek není rovněž pro vibrační generátory' použitelné z důvodu pouze kmilavého pohy bu okolo rovnovážné polohy a velkého zatížení těchto valivých segmentů budicí vibrací.
Pro zajištění bodového nebo přímkového styku pouzdra vůči závěsu je výhodné, když pružný člen, který jc tvořený pevnými permanentními magnety fixovanými v rámu a jedním nebo více pohyblivými permanentními magnety, vzájemnou polohou pevných a pohyblivých permanentních magnetů vytváří stykovou sílu pouzdra vůči závěsu. Což má za důsledek minimalizaci
5(i mechanických tlumicích sil a zvyšuje citlivost elektromagnetického vibračního generátoru na buzení vibracemi a umožňuje generovat větší výkon.
Pro dosažení výše uvedených minimálních mechanických tlumicích sil je výhodné, když provedení závěsu a pouzdra má následující konstrukční uspořádání: Závěs je proveden jako válcový čep odvalovaný vc válcovém pouzdru, závěs jc proveden jako válcový čep odvalovaný v kužclo-4 CZ 299911 B6 vém pouzdru, závěs je proveden jako brit uloženy v pouzdru s drážkou, závěs je proveden jako hrot uložený v pouzdru, opatřeném důlkem.
Přehled obrázků na výkresech
Vynález bude objasněn pomoeí přiložených výkresů, kde obr. í znázorňuje schéma elektromagnetického vibračního generátoru, obr. 2 konstrukci vibračního generátoru pro nízké frekvence vibraci, obr. 3a a obr 3b znázorňují vhodné konstrukční řešení uložení pohyblivého členu v rámu io a obr. 4 znázorňuje použité konstrukční řešení budicího obvodu s permanentními magnety a cívky.
Příklady provedení vynálezu
Uspořádáni elektromagnetického vibračního generátoru pro výrobu elektrické energie bude vysvětleno na jednotlivých příkladech jeho provedení. Je nasnadě, že níže uvedené popisy jsou ilustrativním vyjádřením aplikace principů tohoto vynálezu.
2o Je nasnadě, že celý návrh elektromagnetického vibračního generátoru musí býl sladěn tak, aby zdaných budicích vibrací generoval maximální možný výkon. To odpovídá sladění parametrů budicího obvodu a cívky s parametry rezonančního mechanismu
Podstata vynálezu spočívá v konstrukci elektromagnetického vibračního generátoru využívajícího nízkou dominantní frekvenci vibrací do 50 Hz (podle velikosti popřípadě až do 100 Hz) pro výrobu elektrické energie, u něhož se jako pružný člen rezonančního mechanismu využije sada pevných a pohyblivých permanentních magnetů 4, 3, 4 se vzájemnou souhlasnou polaritou, jak je schematicky zobrazeno na obr. 2. Pracovní frekvence vibračního generátoru je dána poměrem vytvořené magnetické tuhosti a hmotností (momentem setrvačnosti) celého pohyblivého členu, so Technické řešení tohoto elektromagnetického vibračního generátoru jc vhodné pro nízké okolní vibrace s frekvencí do 50 - 100 Hz, díky měkké tuhostní charakteristice vytvořené sadou odpuzujících se pevných a pohyblivých permanentních magnetů 4, 3. 4. V kombinaci s hmotností (popřípadě momentem setrvačnosti) celého pohyblivého členu vibračního generátoru je naladěna požadovaná rezonanční (vlastní) frekvence vibračního generátoru, která se shoduje s frekvencí budicích vibrací. Vhodnost maximální pracovní frekvence záleží na velikosti vibračního generátoru. čili požadovaném výkonu a velikosti budicích vibrací.
Tuhost pružného členu 9 rezonančního mechanismu vibračního generátoru je tvořena odpuzujícími se pevnými a pohyblivými permanentními magnety 4, 3, 4. Tyto magnety jsou souhlasnými
4d póly natočeny k sobě a vytvářejí odpuzující magnetickou sílu. Nejvhodnější jsou permanentní magnety ze vzácných zemin NdPeB, které i při malých rozměrech poskytují dostatečnou tuhost mechanismu. Pohyblivý permanentní magnet(-y) 3 je fixován k pohyblivému členu generátoru 2 a je odpuzován magnetickými silami od pevného permanentního magnetu 4 fixovaného v rámu 1 generátoru. Na každé straně pohyblivého permanentního magnetu 3 umístěného na pohyblivém členu 2 je v rámu umístěn pevný permanentní magnet 4. Na pohyblivém členu 2 a i v rámu J_ je možno fixovat i několik pohyblivých a pevných permanentních magnetu požadovaných tvarů pro dosažení požadované tuhostní charakteristiky rezonančního mechanismu, čili požadované pracovní frekvence. Tvar, velikost a způsob fixování všech magnetů vychází z požadované tuhostní charakteristiky, maximálních vybuzených výkmitú pohyblivého členu 2 a celá konstrukce navzá5o jem odpuzujících se pevných a pohyblivých magnetů 4, 3, 4 je přizpůsobena celkovému návrhu vibračního generátoru,
Mechanické vedení pohyblivého členu 2 je vytvořeno pomocí závěsu 6 uložení, fixovaného k pohyblivému členu 2, v pouzdře 5. Dochází zde pouze k přímkovému či bodovému styku, a na takto uložený pohyblivý člen 2 působí velmi malé mechanické tlumicí síly, tj. tření ve styku sou- 5 CZ 299911 B6 částí, jimž jsou pouzdro 5 a závěs 6. Takto uložený pohyblivý člen 2 dovoluje využít i velmi nízké intenzity vibrací k vybuzeni relativního pohy bu a tím ke generování užitečného výstupního výkonu.
? Rezonanční mechanismus vibračního generátoru se skládá z:
• Pružného členu, skládajícího se z vhodně rozestavěných a tvarovaných pevných a pohyblivých permanentních magnetů 4, 3. 4, io · Pohyblivého členu 2, na kterém jsou fixovány pohyblivé magnety 3, závěsu 6 a budicího obvodu 8. Takto vytvořená pohyblivá část vibračního generátoru tvoří efektivní hmotnost, vyjádřenou momentem setrvačnosti, která kmitá relativním pohybem vůči rámu 1 při buzení vibrací.
i? ♦ Rámu i, který přenáší budicí vibraci na pohyblivý člen 2 pomocí magnetické tuhosti fixovaných permanentních magnetu 4 v kombinaci s pohyblivým magnetem 3 na pohyblivém členu 2. V rámu 1 je uloženo pouzdro 5, ve kterém se odvaluje/natáčí závěs 6 spolu s pohyblivým členem 2.
Závěs 6 pohyblivého členu 2 je uložen v pouzdru 5 v přímkovém a nebo bodovém styku, což sníží mechanické tlumicí síly na minimum a dovolí vibračnímu generátoru získat eo největší výkon. Tento přímkový a nebo bodový styk závisí na konstrukční variaci součástí, jimiž jsou pouzdro 5 a závěs 6. a je v rovnovážné a nebuzené poloze pohyblivého členu 2 přitisknut magnetickými silami, vznikajícími vhodně rozmístěnými magnety 4. 3, 4 a jejich tvarem a velikostí.
k pouzdru 5 ve směru odstředivé síly vybuzeného pohyblivého členu 2. Tato síla by neměla být příliš velká a měla by jen udržovat požadovaný dotyk pouzdra 5 a závěsu 6. Při vibracemi vybuzeném kmitavém pohybu pohyblivého členu 2 vzniká i odstředivá síla, která působí na tento přímkový (bodový) styk součástí pouzdra 5 a závěsu 6.
io Kombinace pevných a pohyblivých permanentních magnetů £ 3, 4 vytváří i síly ve směru přímkového uložení. Konstrukce permanentního magnetu/ů 3 fixovaného k pohyblivému členu 2 je navržena vhodně vzhledem k pevným magnetům 4 lak, aby udržovala pohyblivý člen 2 a všechny součásti fixované k tomuto členu v rovnovážné poloze ve směru přímkového styku závěsu 6 a pouzdra 5. Na rámu i jsou pro případ vypadnutí pohyblivého členu 2 z této rovno35 vážné polohy mezi pouzdry 5 umístěny dosedneí plochy z kluzkého materiálu, které spolu s magnetickými silami udržují pohyblivý člen 2 v rovnovážné poloze vzhledem k pouzdrům 5. Tyto kluzné dosedací plochy, pokud jsou v záběru, taktéž snižují citlivost vibračního generátoru na okolní vibrace.
4o Pevné a pohyblivé permanentní magnety 4. 3, 4 tvořící pružný člen rezonančního mechanismu vymezují i maximální amplitudu kmitávcho pohybu pohyblivého členu 2 s budicím obvodem 8. Vhodně geometricky vyřešený tvar pohyblivého magnetu 3 vůči pevnému magnetu 4 vymezí maximální amplitudu kmitání pohyblivého členu 2. Při maximálním přiblížení magnetu 3 k pevnému magnetu 4 vzniká velká magnetická síla. která má funkci měkkého bezdotykového dorazu. Díky tomuto konstrukčnímu vyřešení nenaráží budicí obvod 8 do rámu i a/nebo do cívky 7, tento náraz by měl destruktivní charakter vzhledem k funkci vibračního generátoru, při krátkodobém zvýšení amplitudy vibrací, které jsou u reálných technických soustav velmi časté. Mechanický doraz budicího obvodu 8 vůči rámu i však musí být zařazen kvůli přetížení špičkovými rázy o velmi vysokém zrychlení, kdy tato magnetická síla může být překonána a následoval by náraz některých funkčních částí vibračního generátoru, který by měl neblahé následky na životnost celé soustavy.
Konstrukce cívky 7 je navržena podle požadované velikosti indukovaného napětí (délky vodiče), rozměrových omezení vibračního generátoru, velikosti vybuzeného kmitavého pohybu pohybli55 vého členu 2 s budicím obvodem 8, ale i v závislosti na velikosti připojené odporové zátěže.
-6CZ 299911 B6
Parametry cívky 7, jedná se zde o průměr použitého vodice a počet závitů cívky; spolu s velikostí odporové zátěže podstatné ov livňují elektromagnetické tiumeni. ktere pro generovaní maximálního výkonu musí být sladěno s celkovým mechanickým tlumením rezonančního mechanismu generátoru.
Umístění cívky 7 a tím i její tvar a tvar vzduchové mezery v budicím obvodu 8 závisí na rozměrových možnostech vibračního generátoru a maximální velikosti budicího obvodu sladčne s parametry rezonančního mechanismu. Cívka 7 může být umístěna vodorovně, podélně či svisle vzhledem k pohyblivému členu 2. Cívka může mít libovolný tvar, který vychází ze vzájemné iii konstrukce cívky 7. budicího obvodu 8 a jeho vybuzeného kmitavého pohybu. Umístění cívky závisí na sladění vstupních a navržených parametrů vibračního generátoru. Jako výhodné pro natáčející se pohyb pohyblivého členu 2 a budicího obvodu 8 je použití svislé pozice cívky; která je tvarována vzhledem k poloměru natáčení budicího obvodu 8.
is Doporučené je použití konstrukce samonosné cívky bez jádra. Pokud je použila cívka s jádrem, tak magnetické přitažlivé síly od magnetů umístěných v budicím obvodu vzhledem k jádru cívky jsou podstatné a jsou zachycovány ve styku pouzdra 5 a závěsu 6 a vytváří větší třecí síly, čili větší mechanické tlumicí síly, a podstatně snižují citlivost vibračního generátoru na budící vibrace.
K pohyblivému členu 2 jc fixován magnetický budicí obvod 8, který' díky svému vybuzenému pohybu vůči cívce 7 indukuje elektromotorické napětí a ke generátoru připojená odporová zátěž odebírá výstupní výkon, Clen 8 se skládá z;
· Jednoho a nebo více permanentních magnetů, nejlépe pokud jsou použity magnety ze vzácných zemin (např. FeNdB).
• Jednoho a nebo více pólových nadstaveů.
so NejjednoduŠŠí budicí obvod 8 je složen pouze z jednoho permanentního magnetu 83, který spolu s pohyblivým členem 2 kmitá relativně vůči cívce 7. Obecně lze vymyslel mnoho konstrukčních variant uspořádání permanentních magnetů, pólových nadstaven a cívky; či několika cívek.
Celá konstrukce a rozestavení budicího obvodu 8 jako celku a cívky 7 je navržena vhodně vzhleb dem k požadovaným rozměrům vibračního generátoru a k vybuzenému relativnímu pohybu pohyblivého členu 2 při dané intenzitě budicích vibrací a citlivosti rezonančního mechanismu jako celku. Budicí obvod 8 tvoří podstatnou efektivní hmotnost v rezonančním mechanismu a při návrhu rezonančního mechanismu je potřeba uvažovat předpokládané rozměry a parametry budicího obvodu 8 a opačně. Při návrhu konstrukce budicího obvodu 8 a návrhu cívky 7 je potřeba
4(i uvažovat předpokládané rozměry a parametry rezonančního mechanismu a návrh konstrukce uzpůsobit predikované amplitudě vybuzeného kmitavého pohybu, který' poskytne rezonanční mechanismus při zatížení danými vibracemi a při požadované hodnotě odebíraného výkonu ze systému.
Přesný návrh parametrů celé konstrukce a konstrukční uspořádání hlavně budicího obvodu 8 a cívky 7 musí probíhat součastně s návrhem všech členů vibračního generátoru, protože jednotlivé parametry vibračního generátoru jsou ve vzájemné interakci.
Při buzení vibracemi se pohyblivý člen 2 s magnetickým budicím obvodem 8 pohybuje relativně vůči pevné cívce 7, fixované k rámu generátoru. Díky vhodné konstrukci budicího obvodu 8 a cívky 7 způsobuje relativní vybuzený pohyb dostatečnou časovou změnu magnetického toku vinutím cívky a lim indukuje ve vinutí cívky elektromotorické napětí.
Celá konstrukce vibračního generátoru může mít i obrácené uspořádání, kdy cívka 7 muže být fixována k pohyblivému členu 2 a bude se pohybovat relativně vůči budicímu obvod 8 fíxované-7C/ 299911 Bó mu krámu i. Konstrukce vibračního generátoru může mít i kombinované uspořádání předchozích případů, kdy cásl budicího obvodu 8 jc pohyblivá a část fixovaná k rámu L
Jak je s celého popisu konstrukce elektromagnetického vibračního generátoru zřejmé, jedná se o velmi komplexní technickou soustavu, která využívá koncepci konstrukce rezonančního mechanismu s využitím magnetického pružného členu, jak je patrné z obr. 3a a 3b. Konstrukce cívky 7 a budicího obvodu 8 podstatně závisí na vstupních parametrech, výkonu, maximální velikosti, hmotnosti, frekvenci a amplitudě vibrací. Prakticky může býl toto uložení pohyblivého členu 2 provedeno několika způsoby uspořádání závěsu 6 v pouzdře 5: Válcový čep 6_L odvalolo váný vc válcovém pouzdru 5E Válcový čep 6 odval ováný v kuželovém pouzdru 52. Brit 63 uložený v pouzdru 5 s drážkou. Hrot(y) 64 uložený v pouzdru 5 s důlkem a/nebo, v pouzdru s drážkou 5. Citlivost vibračního generátoru pak závisí na použitých materiálech a geometrii částí pouzdra 5 a válcového čepu 6. / tohoto důvodu musí být pro konkrétní vstupní parametry konstrukce cívky 7 a budicího obvodu 8 zkonstruována přímo na míru těmto požadavkům, každému vstupnímu parametru odpovídá jiná vhodná konstrukce cívky 7 a budicího obvodu 8, a zároveň sladěna s parametry rezonančního mechanismu vibračního generátoru.
Jedno s výhodných konstrukčních provedení budicího obvodu 8 a cívky 7 je znázorněno na obr. 4. Budicí obvod 8 se skládá ze 4 permanentních magnetů 83. 84, 85 a 86 umístěných na vnitřním pólovém nástavci 8_[ a vnějším pólovém nástavci 82. Protilehlé magnety jsou magnetovány ve shodném směru a vytvářejí tak ve vzduchové mezeře mezi nimi dostatečně velkou magnetickou indukci v místě umístění vinutí cívky 7. magnetický tok sc uzavírá přes vnitřní pólový nástavec 8_[ a vnější pólový nástavec 82. Tyto nástavce mají tvar odpovídající poloměru pohybu pohyblivého členu 2 v místě umístění cívky 7. Cívka 7 má tvar obdélníkové samonosné cívky bez jádra. Konstrukce této cívky 7 je tvarována podle již zmíněného poloměru pohybu a kmitající budicí obvod 8 v celém rozsahu kmitajícího pohybu vytváří maximální magnetickou indukci v pevné cívce 7. Tato konstrukce nedovoluje ani při extrémním vybuzeném pohybu kontakt budicího obvodu 8 a této cívky 7 a nemůže dojít při přetížení generátoru k porušení vinutí cívky 7.
Funkce výše popsaného elektromagnetického vibračního generátoru je následující: pohyblivý člen 2 s pohyblivým permanentním magnetem (ty) 3 je umístěn mezí pevnými permanentními magnety 4 fixovanými v rámu 1 vibračního generátoru, tak, že pohyblivý permanentní magnet 3 a pevné permanentními magnety 4 mezi sebou vytvářejí odpuzující magnetické síly, které vytvá55 reji tuhost vibračního generátoru (odpuzující magnety tvoří pružný člen). Kmitavý pohyb pohyblivého členu 2 s budicím obvodem 8 je vyvolán buzením vibracemi dané frekvence, na kterou je generátor naladěn. Naladěná rezonanční (vlastní) frekvence je dána poměrem tuhosti pružného členu 9 a hmotnosti (momentu setrvačnosti) pohyblivého členu 2 s budicím obvodem 8.
Podstata generování elektrické energie spočívá v pohybu budicího obvodu 8 vůči cívce 7. Kmitavý pohyb pohyblivého členu 2 s budicím obvodem 8 je vyvolán budicími vibracemi dané frekvence, na kterou je generátor naladěn. Tento kmitavý pohyb indukuje v cívce 7 elektromotorické napětí a při připojení elektrické zátěže Rz na svorky cívky 7 prochází zátěží proud a připojenou elektrickou zátěží Rz je odebírán elektrický výkon.
P r ůmyslová využitelnost
Elektromagnetického vibračního generátoru pro získávání elektrické energie z mechanických vibrací, kinetické energie kmitavého pohybu obecně, o frekvenci do 50 Hz (v extrémních případech až do 100 Hz) lze použít pro získávání elektrické energii z mechanických vibrací (kmitavého pohybu obecně) a napájet tak autonomní zařízení a bezdrátové senzory bez nutnosti externího přívodu energie či bez použití primárního či sekundárního galvanického článku nebo baterie. Využití tohoto zařízení je vhodné i pro napájení bezdrátových senzorů a dalších aplikací ve vno-8 CZ 299911 B6 řených strukturách a konstrukcích bez použití přívodu elektrické energie nebo galvanických článků a baterii.

Claims (5)

  1. PATENTOVÉ NÁROKY
    10 1, Elektromagnetický vibrační generátor pro výrobu elektrické energie sestávající z pohyblivého členu (2) a pružného členu (9) uspořádaného v rámu (I), budicího obvodu (8) fixovaného k pohyblivému členu (2) a cívky (7), přičemž cívka (7) i budicí obvod (8) jsou pohyblivě uspořádány vůči sobě lak, že magnetické pole alespoň jednoho permanentního magnetu (83) je schopno indukovat napětí v cívce (7). vyznačující se tím, že má pružný člen (9) tvořený
    15 pevnými permanentními magnety (4) fixovanými v rámu (1) a jedním nebo více pohyblivými permanentními magnety (3) fixovanými k pohyblivému členu (2) s budicím obvodem (8) opatřeným závěsem (6) uloženým v pouzdru (5), přičemž budicí obvod (8) tvoří alespoň jeden permanentní magnet (83) uspořádaný na alespoň jednom pólovém nástavci (81), pro vytvoření magnetického toku v eívee (7), přičemž cívka (7) je staticky uspořádána na rámu (1) vůči budicímu obvodu (8), kolem níž se tento suvnč pohybuje.
  2. 2. Elektromagnetický vibrační generátor pro výrobu elektrické energie podle nároku 1, vyznačující s c tím, že pružný člen (9) je tvořený pevnými permanentními magnety (4) fixovanými v rámu (1) a jedním nebo více pohyblivými permanentními magnety (3), přičemž
    25 vzájemná poloha pevných a pohyblivých permanentních magnetů (3 a 4) vytváří stykovou sílu pouzdra (5) vůči závěsu (ó).
  3. 3. Elektromagnetický vibrační generátor pro výrobu elektrické energie podle nároku 1. vyznačující se tím, že závěs (6) je proveden jako válcový čep (61) odvalovaný ve válco30 vém pouzdru (51).
  4. 4. Elektromagnetický vibrační generátor pro výrobu elektrické energie podle nároku 1, vyznačující se tím, že závěs (6) je proveden jako válcový čep (61) odvalovaný v kuželovém pouzdru (52).
  5. 5. Elektromagnetický vibrační generátor pro výrobu elektrické energie podle nároku 1. vyznačující se t í m . že závěs (6) je proveden jako břit (63) uložený v pouzdru (53) s drážkou.
    40 6. Elektromagnetický vibrační generátor pro výrobu elektrické energie podle nároku 1.
    vyznačující s c tím, že závěs (6) je proveden jako hrot (64) uložený v pouzdru (54) opatřeném důlkem.
CZ20070331A 2007-05-09 2007-05-09 Elektromagnetický vibracní generátor pro nízké frekvence vibrací CZ299911B6 (cs)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ20070331A CZ299911B6 (cs) 2007-05-09 2007-05-09 Elektromagnetický vibracní generátor pro nízké frekvence vibrací
EP08757905A EP2143193A2 (en) 2007-05-09 2008-05-07 Electromagnetic vibratory generator for low frequencies of vibrations
US12/451,373 US20100237719A1 (en) 2007-05-09 2008-05-07 Electromagnetic vibratory generator for low freqency vibrations
PCT/CZ2008/000051 WO2008138278A2 (en) 2007-05-09 2008-05-07 Electromagnetic vibratory generator for low frequencies of vibrations

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ20070331A CZ299911B6 (cs) 2007-05-09 2007-05-09 Elektromagnetický vibracní generátor pro nízké frekvence vibrací

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CZ2007331A3 CZ2007331A3 (cs) 2008-12-29
CZ299911B6 true CZ299911B6 (cs) 2008-12-29

Family

ID=39876605

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CZ20070331A CZ299911B6 (cs) 2007-05-09 2007-05-09 Elektromagnetický vibracní generátor pro nízké frekvence vibrací

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20100237719A1 (cs)
EP (1) EP2143193A2 (cs)
CZ (1) CZ299911B6 (cs)
WO (1) WO2008138278A2 (cs)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5846688B2 (ja) * 2009-03-06 2016-01-20 ルメダイン テクノロジーズ インコーポレイテッド 機械的振動に応答して電力を発生させるための装置
US8258644B2 (en) * 2009-10-12 2012-09-04 Kaplan A Morris Apparatus for harvesting energy from flow-induced oscillations and method for the same
WO2011092223A2 (en) 2010-01-26 2011-08-04 Hochschule Kempten Electromagnetic generator
US10641243B2 (en) * 2014-10-06 2020-05-05 Vortex Bladeless, S.L. Electrical power generator harnessing a swaying movement of a pole and including a system for generating a magnetic repulsion force
CA3008230A1 (en) * 2015-12-14 2017-06-22 Indian Industries, Inc. Basketball goal with vibration damping
DE102017131389B4 (de) * 2017-12-28 2022-05-05 fos4X GmbH Verfahren zum Kalibrieren von Nominalfrequenzen
CN115459629B (zh) * 2022-09-05 2025-04-29 天津大学 基于冲击倍频的2Hz以下超低频旋转高效集能器及设计方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005022726A1 (en) * 2003-08-28 2005-03-10 University Of Southampton An electromagnetic device for converting mechanical vibrational energy into electrical energy, and manufacture thereof
WO2007020383A1 (en) * 2005-08-15 2007-02-22 Perpetuum Ltd. An electromechanical generator for converting mechanical vibrational energy into electrical energy
WO2007039733A1 (en) * 2005-10-04 2007-04-12 Perpetuum Ltd. Generator for converting mechanical vibrational energy into electrical energy

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4680968A (en) * 1984-11-23 1987-07-21 Messerschmitt-Bolkow-Blohm Gmbh Mechanical vibrator
US4950931A (en) * 1989-01-17 1990-08-21 Motorola, Inc. Vibrator
US5818132A (en) * 1997-01-13 1998-10-06 Konotchick; John A. Linear motion electric power generator
JP2004215472A (ja) * 2003-01-06 2004-07-29 Sasayuri Green:Kk 振子式簡易発電装置及び懸架発電装置
US8907533B2 (en) * 2005-12-30 2014-12-09 Inventus Engineering Gmbh Device for producing electrical energy with oscillating magnet and coil

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005022726A1 (en) * 2003-08-28 2005-03-10 University Of Southampton An electromagnetic device for converting mechanical vibrational energy into electrical energy, and manufacture thereof
WO2007020383A1 (en) * 2005-08-15 2007-02-22 Perpetuum Ltd. An electromechanical generator for converting mechanical vibrational energy into electrical energy
WO2007039733A1 (en) * 2005-10-04 2007-04-12 Perpetuum Ltd. Generator for converting mechanical vibrational energy into electrical energy

Also Published As

Publication number Publication date
US20100237719A1 (en) 2010-09-23
WO2008138278A3 (en) 2009-01-08
WO2008138278A4 (en) 2009-04-09
WO2008138278A2 (en) 2008-11-20
EP2143193A2 (en) 2010-01-13
CZ2007331A3 (cs) 2008-12-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5248598B2 (ja) 機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換するための永久磁石による発電機
Koukharenko et al. Microelectromechanical systems vibration powered electromagnetic generator for wireless sensor applications
EP2332244B1 (en) Miniaturized generator with oscillating magnets for the production of electric energy from vibrations
US6476702B1 (en) Electromagnetic actuator with an oscillating spring-mass system
US8188622B1 (en) Tunable resonant frequency kinetic energy harvester
JP5005676B2 (ja) 機械的振動エネルギを電気エネルギに変換するための発電機
CZ2007331A3 (cs) Elektromagnetický vibracní generátor pro nízké frekvence vibrací
US20160352168A1 (en) Linear electromagnetic actuator comprising two independent moving members
Fu et al. Comparison and scaling effects of rotational micro‐generators using electromagnetic and piezoelectric transduction
Wang et al. Design and analysis of a plane vibration-based electromagnetic generator using a magnetic spring and ferrofluid
JP2015180134A (ja) 振動発電機
KR20120063937A (ko) 에너지 하베스터 및 휴대형 전자 기기
JP2014528230A (ja) 磁気装置
US10298107B2 (en) Non-contact power generator
Wang et al. An electromagnetic energy harvester using ferrofluid as a lubricant
Lee et al. Low-frequency driven energy harvester with multi-pole magnetic structure
JP5997454B2 (ja) 振動アクチュエータ
JP2013055715A (ja) 振動発電機
JP2023077353A (ja) 発電機、発電素子、発電装置
Cronin et al. A Comparison of Two Planar Electromagnetic Vibrational Energy Harvesters Designs
Gîrtan et al. Electromagnetic actuator with ferromagnetic disk and magnetic spring suspension
Truong et al. Electromagnetic Induction Generator by Harvesting Vibration Energy
EP3043453A1 (en) Vibration energy harvester
Yu et al. An Electromagnetic Energy Harvester for Powering Embedded Sensors Inside Wind Turbine Blades
Kurt Comparison of Electromagnetic Energy Harvesters

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Patent lapsed due to non-payment of fee

Effective date: 20140509