CZ305591B6 - Vibrační generátor pro výrobu elektrické energie - Google Patents

Abstract

Vibrační generátor pro výrobu elektrické energie sestávající z magnetického obvodu (2) tvořeného cívkou (1) s vinutím (7) o jednom či více závitech (13) a jádrem (10) tvořeným permanentním magnetem (3), kde tento magnet je suvně uložen vůči cívce (1), jehož posunem se indukuje elektrické napětí. Vibrační generátor má magnet (3) s pólovými nástavci (12) uspořádaný v pohyblivé části (16), zatímco cívka (1) s vinutím (7) je uspořádána v pevné části (17), které má délku závitu (13) od 1 mm do 30 m a plochu S.sub.z.n. závitu (13) od 1 mm.sup.2.n. do 100 m.sup.2.n., přičemž vinutí (7) je staticky uspořádáno vůči jádru (10), kde pohyblivá část (16) je posuvná po dráze (19) kolmé vůči ramenům pólových nástavců (12a) pevné části (17).

Description

Vynález se týká vibračního generátoru pro výrobu elektrické energie sestávajícího z magnetického obvodu tvořeného cívkou s vinutím o jednom či více závitech a jádrem tvořeným permanentním magnetem, kde tento magnet je suvně uložen vůči cívce, jehož posunem se indukuje elektrické napětí.

Dosavadní stav techniky

Současný trend ve vývoji a použití sofistikovaných zařízení se ubírá směrem, kdy je nutné dodržet bezpečnost a spolehlivost těchto zařízení. Původní kontrolní systém spočíval ve vizuální a elektronické kontrole kritických míst pomocí obsluhy a počítače. Avšak pro komplikovanost a složitost zařízení, tyto kontroly zabírají stále delší dobu, více pracovních sil s vyšší kvalifikací. Statická i dynamická kontrola a řízení zabírá dlouhou dobu, někdy může dojít k lidské chyběopomenutí poruchy, závady nebo jen k nepřesnosti. Nevýhodou pak je to, že kontrolovaná zařízení jsou delší dobu mimo provoz a tak stoupají jejich režijní náklady. Proto se pro zdokonalení kvality kontrolního systému jako výhodné jeví osazení sledovaných sofistikovaných zařízení sítí nezávislých čidel, která by nezávisle na napájení těchto zařízení pracovala a předávala na stanovené vysílací frekvenci údaje o sledovaných komponentech. Čidla s nezávislým napájením jsou umístěna v kritických sledovaných místech, které jsou fatální pro ovládání sledovaného zařízení. Pomocí dotazu interního (externího) komunikátoru se předá sledovaná veličina obsluze a ve vyhodnocovacím zařízení se zjistí tolerance údaje, který je vyhodnocen a obsluze je jen předána informace, zda sledovaný komponent je připraven k provozu. Tím se zkrátí doba kontroly a vyloučí se omyl, způsobený lidským faktorem. Přitom jako výhodné se jeví k získávání elektrické energie pro čidla z nezávislých napájení užití doposud málo využívaných zdrojů energie, jakými jsou vibrace, teplo, elektrostatický náboj, rezonance, gravitace, zrychlení apod. Tyto obvykle zahrnují rezonátor, zdroj energie a elektrický generátor. Takováto řešení převodníků mechanické energie na elektrickou jsou popisována v následujících vynálezech. Systémy obsahují zdroj mechanické energie a elektrický generátor napojený na tento zdroj energie. V patentové přihlášce US 2002/0175520 Al je popisován rezonanční systém pro výrobu elektrické energie, kteiý zahrnuje rezonátor, zdroj energie a elektrický generátor. Rezonátor poskytuje rezonanční pohyb prostřednictvím rezonančního prvku. Zdroj energie je účinně připojen k rezonančnímu systému. Elektrický generátor poháněný rezonančním systémem vyrábí elektrickou energii z rezonančního pohybu. Jak z popisu patentové přihlášky vyplývá, elektrický generátor může obsahovat (zahrnovat) magnet a cívku, které jsou pohyblivě uspořádané vůči sobě navzájem tak, aby magnetické pole magnetu bylo schopno indukovat proud v cívce, což může být použito jako požadovaná strojní mikrosestava. Cívka může být spojena s rezonátorem a uspořádána (konfigurována) pro rezonanční pohyb po dráze pohybu s hmotou. Cívka může být připojena (připevněna) k pružinovému prvku nebo konzolovému nosníku a může hmotu tvořit nebo pomáhat tvořit hmotu. Magnet může být uspořádán v blízkosti dráhy pohybu cívky ve vzdálenosti potřebné pro elektromagnetickou interakci. Je zřejmé, že umístění magnetu a cívky lze spojit, přičemž magnet je uspořádán na rezonátoru a cívka je uspořádána v blízkosti dráhy pohybu magnetu. Dráty mohou být připojeny k cívce i mezi cívku a výstupní zařízení, aby se elektricky spojil systém s požadovaným výstupním zařízením. Výstupní zařízení může zahrnovat elektronické prvky s cílem dále modifikovat elektrický výkon systému.

V US patentové přihlášce US 2002/0167235 je popisován převodník pohyb - energie pro převod nelineárního pohybu z kyvné uloženého magnetu na rotační pohyb. Rotační pohyb zajišťuje alespoň jeden rotační magnet prostřednictvím vzájemného působení magnetického pole na kyvné uložený magnet a rotační magnet. Převodník pohyb-energie zahrnuje axiální hřídel uspořádanou k rotaci. Alespoň jeden kyvné uložený magnet, který je ve spojení s axiální hřídelí. Dále alespoň

- 1 CZ 305591 B6 jeden rotační magnet otočně uspořádaný na axiální hřídeli schopný rotace v odezvě na nelineární pohyb alespoň jednoho kyvně uloženého magnetu. Množství rotačních magnetických prvků mohou být bezprostředně uspořádány k pohybu okolo oddělených axiálních hřídelí, kde každý rotační magnetický prvek má rotační magnetické pole ovlivňované nelineárním pohybem alespoň jednoho kyvně uloženého magnetu, jenž je uspořádán nejblíže k rotačnímu magnetickému prvku. Pohyb každého kyvně uloženého magnetu vytváří odpudivou a přitažlivou sílu každého rotačního magnetu na základě rotace axiální hřídele, čímž vytváří rotační pohyb, který je využit k vykonání práce. Rovněž jsou zřejmé kombinace rotačního magnetického prvku uspořádaného k rotaci kolem axiálního hřídele na přímočarý vratný pohyb kyvně uloženého magnetu, pro použití/využití při provozu kapalného dopravního čerpadla a/nebo elektrického generátoru.

Patent DE 3535143 popisuje lineární generátor pro střídavé napětí mající alespoň jeden magnetický obvod s indukční cívkou uspořádanou (podél části F) a permanentní magnet, který vytváří magnetický tok. Střídavý proud a napětí jsou se vzájemným zřetelem vyráběny lineárně oscilačním pohybem v části magnetického obvodu. Aby mohl být vytvořen lineární generátor o nízké váze, a vysoké účinnosti je podle tohoto vynálezu permanentní magnet pro každý případ opatřen dvěma magnetickými obvody uspořádanými k permanentnímu magnetu tak, že během lineárně oscilačního pohybuje ve stejném směru a v podstatě se stejnou intenzitou indukován magnetický tok v těch částech magnetických obvodů, které prochází přes permanentní magnet.

Vynález si klade za cíl navrhnout vibrační generátor, který by sloužil jako zdroj pro mikroelektromechanické systémy (MEMS) nebo integrované obvody (1C) či čidla s nezávislým napájením, která jsou umístěna pro sledování v kritických místech, například dopravního prostředku. Zdrojem energie, z kterého by se čerpadla energie, je chvění pláště - karosérie při spuštěném a naprázdno běžícím motoru.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nedostatky jsou odstraněny vibračním generátorem pro výrobu elektrické energie sestávajícího z magnetického obvodu tvořeného cívkou svinutím o jednom či více závitech a jádrem tvořeným permanentním magnetem, kde tento magnet je suvně uložen vůči cívce, jehož posunem se indukuje elektrické napětí, jehož podstata spočívá v tom, že jádro je tvořeno pohyblivou částí a pevnou částí, přičemž pohyblivá část sestává z magnetu s pólovými nástavci, zatímco pevnou část tvoří soustava pólových nástavců a cívka opatřená elektrickým vinutím uspořádaným na jednom z pólových nástavců, přičemž pohyblivá část je posuvná po dráze kolmé vůči ramenům pólových nástavců pevné části.

Hlavní výhodou popisovaného vynálezu je technologická dostupnost, účinnost získaného napětí na jeden závit. Konstrukce není náročná na údržbu, má vysokou životnost, je vhodná pro malé amplitudy budicích vibrací. Konstrukce lze nastavit tak, že vyhovuje širšímu rozsahu základních frekvencí vibrací.

Navržené varianty řešení generátoru z obr. 6, obr. 7, obr. 8 a obr. 9 mají jisté výhody vzhledem k jejich použití a vzhledem k technologii výroby. Vibrační generátor z obr. 6 je vhodný pro aplikace s vyšším výstupním výkonem (od 1 až lOOmW), zvolená technologie výroby je pro vinutou cívku izolovaným vodičem. Jeho citlivost k buzení vibracemi (10% očekávaného výstupního elektrického výkonu) je vysoká, vyšší lze dosáhnout variantou z obr. 9. Konstrukce je poměrně jednoduchá, využití vlastností magnetických materiálů je vyšší než u variant z obr. 7 a obr. 8. Generátor z obr. 7 se přepíná do magnetického odporu s nižší (shodnou nebo velmi malou) hodnotou. Toto řešení zvyšuje u koncepce bez rekuperace účinnost generátoru, výstupní napětí na svorkách elektrického vinutí na jeden závit. Tímto opatřením se také zvýší hranice citlivosti generátoru k vibracím vzhledem k variantě navržené v obr. 8. Varianta v obr. 8 má výhodu nejjednodušší technologie výroby, snadné levné konstrukce. Je ovšem z uvedených variant nejméně účinná a má nejmenší citlivost vzhledem k budicím vibracím. Varianta v obr. 9 je z uvedených

-2CZ 305591 B6 variant konstrukčně náročná a je vhodná k aplikaci v mikroelektromechanických systémech s možností vícečinného uspořádání elektrického vinutí. Tato varianta je citlivá k budicím vibracím a má vysokou účinnost, hodnoceno výstupním napětím na jeden závit elektrického vinutí. Vibrační generátor lze aplikovat i v náročných řešeních nanostruktur, nanomateriálovém inženýrství.

Je výhodné, když je magnetický obvod tvořen cívkou s alespoň jedním závitem, jehož délka I_z a plocha S_z je ve vztahu B_m*S_m > B_V*I_Z*I_V, který bude objasněn níže. Platí S_C=I_Z*I_V*N, kde N je počet závitů cívky. Dále magnetem a pólovým nástavcem, přičemž cívka může být staticky uspořádána vůči magnetu, v němž se tento souose a suvně pohybuje nebo naopak. Suvně uspořádání magnetu nebo cívky může být na přímce nebo na kružnici.

Pro snadnou výrobu a technologii výroby je výhodné, když vyrovnávací člen je tvořen pružinou nebo magnetickým polštářem. Přitom pro užití mikrogenerátoru ve spojení s mikromechanickými systémy je výhodné, když je tlumicí člen tvoří magnetický polštář.

Objasnění výkresů

Vynález bude blíže osvětlen pomocí výkresu, kde obr. 1 znázorňuje schéma koncepce generátoru, obr. 2 znázorňuje schematický pohled na jádro generátoru, obr. 3 znázorňuje technický princip generátoru s tlumicím prostředkem v podobě pružiny, obr. 4 technický princip generátoru s tlumicím prostředkem v podobě vetknutého nosníku, obr. 5a tvar závitu cívky generátoru v klasickém uspořádání, obr. 5b jednočinné uspořádání cívek pro získání násobné účinnosti, obr. 5c dvojčinné uspořádání cívek pro získání násobné účinnosti, obr. 5d vícenásobné uspořádání cívek pro získání násobné účinnosti, obr. 6a konstrukci vibračního generátoru s jednoduchou rekuperací, 6b funkční schéma vibračního generátoru s jednoduchou rekuperací, obr. 7a konstrukci vibračního generátoru přepínatelné varianty nakrátko bez rekuperace, obr. 7b funkční schéma vibračního generátoru přepínatelné varianty nakrátko bez rekuperace, obr. 8a konstrukci vibračního generátoru s přepínáním magnetického toku do stavu naprázdno, obr. 8b funkční schéma vibračního generátoru s přepínáním magnetického toku do stavu naprázdno obr. 9 z výhodných provedení vibračního generátoru s přepínáním magnetického toku s rekuperací, 9b funkční schéma vibračního generátoru s přepínáním magnetického toku s rekuperací, obr. 10 znázorňuje průběh modulu magnetické indukce B v závislosti na čase pro jednoduché varianty magnetického toku (bez rekuperace), obr. 11 znázorňuje průběh modulu magnetické indukce B v závislosti na čase pro varianty s přepínáním magnetického toku a obr. 12 je příklad uspořádání jádra vibračního generátoru v kyvném provedení.

Příklady uskutečnění vynálezu

Uspořádání 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.

Pro nezávislé napájení čidel, MEMS systémů, integrovaných obvodů, či strojních mikro-sestav se jeví výhodným použít, jako zdroje elektrické energie vibrační mikrogenerátor. Jeho konstrukce vychází z realizace pohybu jádra JO vibračního generátoru vlivem vnějších vibrací g_z ve směru z, jak je schematicky znázorněno na obr. 1.

Základní princip vibračního generátoru pro výrobu elektrické energie je znázorněn na obr. 2. Vibrační generátor zahrnuje těleso 7, jenž je pevně spojeno se zdrojem vibrací (na výkrese není znázorněn) a díky netlumeným kmitům vyrovnávacího členu 6, kterým může být například pružina 9, se tento pohyb přenáší na jádro 10 vibračního generátoru, pohybuje suvně se po dráze 19, jenž například tvoří permanentní magnet 3. Magnetický obvod 2 vibračního generátoru tvoří cív-3CZ 305591 B6 ka 1, permanentní magnet 3 a vzduchová mezera 14, které jsou pohyblivě uspořádány vůči sobě způsobem, že magnetické pole magnetu 3 je schopno indukovat napětí v cívce 1_.

Setrvačný pohyb lze využít na principu Faradayova indukčního zákona k převodu na elektrickou energii. Pokud soustava generátoru bude v netlumeném stavu, lze pomocí malých změn v zrychlení g dosáhnout relativně velkých výchylek. Formulace části matematického modelu této úlohy lze stručně zapsat jako:

(1) kde m je hmotnost pohybující se části mikrogenerátoru, /_e je tlumení,

Aje tuhost pružných částí mikrogenerátoru,

Af² je zrychlení pohybující se části mikrogenerátoru, d z dt je rychlost pohybující se části mikrogenerátoru - v,

F_z je soustava sil, které působí na pohybující se části mikrogenerátoru.

Do hmotnosti m se promítnou hmotnost m_m magnetu 3, hmotnost m_p vyrovnávacího členu 6, např. pružiny 9, síla F_z je v prvním náhledu dána hmotností pohybujících se částí vibračního generátoru.

F_z = (m_m + m_p)(g_z + g(t)).

(2)

V tomto vztahu se může zanedbat vliv změn vnější zrychlení g_z, protože se uvažuje s kontrolou před provozem zařízení lze tedy zrychlení vztažené soustavy považovat jako konstantu. Potom se síla vyjádří jako

F_z = (m_m + m_p)g(t).

(3)

K principu formulace a návrhu aktivní části vibračního generátoru se vztahuje známý Faradayův indukční zákon. Ten lze formulovat jako

(4) kde E je intenzita elektrického pole. Pokud se do takového proměnného elektrického pole vloží tenký vodič ve tvaru uzavřené smyčky. Magnetický tok je tvořen vnějším magnetickým polem Φ. Platí

dt (5) pokud se plocha smyčky v čase nemění lze výraz rozepsat

-4CZ 305591 B6 d JJ(b \dS = - (6)

Po dalších úpravách je výsledek možné formulovat jako při pohybu smyčky rychlostí v v magnetickém poli s indukcí B.

§E(t)dl = -$?^-dS + §(vxB)-dl. (7) ř s e

Jak zvýše uvedeného vyplývá, je důležité naleznout takové uspořádání sestavy magnetického obvodu 2 (tj. permanentní magnet 3 - cívka 1 vibračního generátoru), aby se při malých výchylkách z permanentního magnetu 3projevila maximální změna vxB a tím také bylo získáno maximální indukované napětí u_T (Z) podle níže uvedeného vztahu.

w_r (/) = §(y*B)-d l (

Jádro 10 vibračního generátoru tvořené permanentním magnetem 3 se pohybuje po dráze 19 a vzhledem k ploše S_z elektrického vinutí 7 cívky i vytváří změnu magnetického toku Φ s magnetickou indukcí B_p permanentního magnetu 3 s plochou na povrchu permanentního magnetu S_m která je kolmá k maximálnímu magnetickému toku Φ. Přitom výsledné elektromotorické napětí u_T (Z) je závislé nejen na délce I_z a ploše S_z elektrického vinutí 7, ale také na orientaci plochy S_z elektrického vinutí 7 a dále na magnetické indukci B_p permanentního magnetu 3, magnetickém toku Φ a na rychlosti v pohybu cívky i v magnetickém poli permanentního magnetu 3.

Provedení vibračního generátoru v uspořádání s vyrovnávacím členem 6 tvořeným pružinou 9 spojenou s jádrem 10 vibračního generátoru je schematicky zobrazeno na obr. 3. Vibrační generátor v tomto provedení zahrnuje těleso 8, k němuž je upevněna pružina 9 spojená s jádrem 10 vibračního generátoru v podobě permanentního magnetu 3. Přitom cívku 1 tvoří elektrické vinutí 7 s alespoň jedním závitem 13, který je znázorněn na obr. 5a, a jehož délka I_z leží v rozmezí 1 mm do 10 m 100 a plocha S_z je z rozsahu lmm² až lm². Cívka 1 je staticky uspořádána vůči permanentnímu magnetu 3, vůči níž se tento suvně pohybuje po dráze 19 způsobem, aby magnetické pole permanentního magnetu 3 bylo schopno indukovat napětí v cívce 1.

Označíme-li magnetickou indukci na hraně permanentního magnetu B_m, magnetickou indukci B_v ve vzduchové mezeře 14 a je-li průřez magnetickým obvodem 2 charakterizován plochou S_z, kterou lze popsat vztahem S_Z=I_Z*I_V, kde I_v je druhý rozměr průřezu magnetického obvodu 2, přičemž I_v je poloviční výška vinutí 7 (viz obr. 5a). Pro výše jmenované veličiny pak platí podmínka B_m*S_m > B_V*I_Z*I_V. Platí tedy předpoklad, že za aktivní plochu S_m magnetu nebo permanentního magnetu 3 lze pokládat takovou plochu, kdy touto plochou kolmo prochází maximální magnetický tok Φ.

Další výhodná varianta provedení vibračního generátoru je schematicky znázorněna na obr. 4. Vibrační generátor v tomto provedení zahrnuje těleso 8, k němuž je upevněn nosník JJ_ spojený s jádrem 10 vibračního generátoru v podobě permanentního magnetu 3, který se posouvá pro dráze 19 kolmé vůči závitu 13. Přitom cívka i a magnet 3 tvoří magnetický obvod 2 a vzduchová mezera 14, které jsou pohyblivě uspořádané vůči sobě navzájem způsobem, aby magnetické pole magnetu 3 bylo schopno indukovat napětí v cívce i, zatímco těleso 8 vibračního mikrogenerátoru je uzpůsobeno k vibracím soustavy.

Funkce vibračního generátoru je zahájena rozpohybováním pohyblivé části J6 magnetického obvodu 2 opatřeného permanentním magnetem 3. Ten mění magnetický tok v magnetickém ob-5CZ 305591 B6 vodu 2 s cívkou 1. Díky těmto změnám podle Faradayova indukčního zákona se v elektrickém vinutí 7 cívky i indukuje elektrické napětí.

Podle následujících schémat lze sestavit magnetický obvod 2 s elektrickým vinutím 7 v různých konfiguracích. Jedná se o konfigurace s vinutím 7 klasickým, jednočinným, dvojčinným a vícečinným, jak je znázorněno na obr. 5a, 5b, 5c a 5d, přitom toto vinutí 7 může být tvarováno v podobě hranaté - (kartézská souřadnicová soustava), či zaoblené - (válcová kulová, eliptická, a další souřadná soustava). Stejně tak magnetický obvod 2 podle schémat znázorněných na obr. 6 až 9 lze aplikovat v lineárním provedení, kartézské, válcové, kulové souřadnicové soustavě a dalších.

Příkladné provedení uspořádání vibračního generátoru, který splňuje výše uvedené zadání, je znázorněno na obr. 6a. Konstrukční uspořádání v tomto provedení zahrnuje magnetický obvod 2 obsahující permanentní magnet 3, pólové nástavce 12b pohyblivé části 16, vzduchovou mezeru 14 a pólové nástavce 12a pevné části 17 a cívku i tvořenou elektrickým vinutím 7 s minimálně jedním závitem 13. Uspořádání je provedeno tak, že jádro 10 je tvořeno pohyblivou částí 16 a pevnou částí 17, přičemž pohyblivá část 16, posouvající se po dráze 19, sestává z magnetu 3 s pólovými nástavci J_2b. Tyto tvarují vhodným způsobem magnetický tok Φ, který se uzavírá přes magnetický obvod 2. Zatímco pevnou část Γ7 vibračního generátoru tvoří cívka 1 s elektrickým vinutím 7 uspořádaným na pólovém nástavci 12a. Tato pevná část V7 je uspořádána vůči pohyblivé části 16 způsobem patrným z obr. 12. Při vybuzení tělesa 8 generátoru se pohyblivá část 16 generátoru rozkmitá po dráze 19 a dojde k požadovaným změnám magnetického toku Φ v magnetickém obvodu 2. Při vhodném nastavení vibračního generátoru dojde ke změnám (jednoduché rekuperaci) magnetického toku Φ v magnetickém obvodu 2. Funkce rekuperace magnetického obvodu je zobrazena na obr. 6b. Pohyb a změna magnetického toku je ve schématu charakterizována přepínačem, který mění magnetický tok Φ magnetickým odporem J_8. Ten se skládá z magnetického odporu pólových nástavců 12a a 12b a vzduchové mezery 14. Tato rekuperace způsobí podle obr. 11 dvojnásobnou hodnotu změny maximálního magnetického toku Φ. Obdobné zvýšení účinnosti vibračního generátoru lze dosáhnout vyšším počtem N závitů 13 elektrického vinutí 7 nebo změnou konstrukce elektrického vinutí 7 podle obr. 5b z jednočinného na dvojčinné nebo vícečinné, které jsou patrné z obr. 5c a 5d.

Další příkladné provedení uspořádání vibračního generátoru v provedení přepínatelné varianty v režimu nakrátko bez rekuperace, který splňuje výše uvedené zadání je znázorněno na obr. 7a. Konstrukční uspořádání sestává z magnetického obvodu 2, jenž tvoří permanentní magnet 3, pólové nástavce 12b pohyblivé části 16, vzduchová mezera 14 a pólové nástavce 12a pevné části 17, dále cívka 1 tvořená elektrickým vinutím 7 s minimálně jedním závitem 13, jež je uspořádána na pólovém nástavci 12a, přičemž vzduchová mezera 14 je uspořádána mezi pólovými nástavci 12a a 12b. Uspořádání jádra _10 vibračního generátoru tvoří pohyblivá část J_6 a pevná část 17. Kde pohyblivá část 16 obsahuje magnet 3 vibračního generátoru. Pohyblivou část 16 tvoří permanentní magnet 3 s pólovými nástavci 12b, jež tvarují vhodným způsobem magnetický tok Φ, který se uzavírá magnetickým obvodem 2. Pevnou část 17 tvoří pólové nástavce 12a spolu s vinutím 7 tvořené cívkou i. Pevná část 17 je uspořádána vůči pohyblivé části 16 způsobem patrným obr. 12. Pohyblivou část 16 tvoří pólový nástavec 12b, permanentní magnet 3. Při vybuzení těla 8 vibračního generátoru se pohyblivá část J6 vibračního generátoru rozkmitá ve směru dráhy 19, čímž dojde k požadovaným změnám magnetického toku Φ v magnetickém obvodu 2. Při vhodném nastavení vibračního generátoru dojde k změnám magnetického toku Φν magnetickém obvodu 2. Funkce magnetického obvodu 2 vibračního generátoru je zobrazena na obr. 7b. Pohyb a změna magnetického toku <Pje ve schématu charakterizována přepínačem, který mění magnetický tok Φ magnetickým odporem. Ten se skládá z magnetického odporu pólových nástavců 12a a 12b a vzduchové mezery 14. Při výchylkách se magnetický tok Φ uzavírá buď magnetickým odporem 1_8, potom se v elektrickém vinutí 7 generuje elektrické napětí nebo se uzavírá magnetickým obvodem 2 s malým magnetickým odporem. Zde se jedná pouze o vedení toku jiným magnetickým obvodem, než obvodem procházejícím vinutím 7. Tato funkce způsobí změ-6CZ 305591 B6 ny magnetického toku Φ nebo magnetické indukce B podle obr. 10 z minima na maximální magnetický tok <Z>_max. Zvýšení účinnosti vibračního generátoru lze dosáhnout vyšším počtem N závitů 13 elektrického vinutí 7 nebo změnou konstrukce elektrického vinutí 7 podle obr. 5b, 5c a 6d z jednočinného na dvojčinné nebo vícečinné.

Další příkladné provedení uspořádání vibračního generátoru v provedení přepínatelné varianty naprázdno bez rekuperace, který splňuje výše uvedené zadání je znázorněno na obr. 8a. Konstrukční uspořádání v tomto provedení obsahuje permanentní magnet 3, pólové nástavce 12b pohyblivé části 16, vzduchovou mezeru 14 a pólové nástavce 12a pevné části 17, dále cívku i tvořenou elektrickým vinutím 7 s minimálně jedním závitem 13 elektrického vinutí 7. Uspořádání je provedeno tak, že pohyblivá část 16 tj. jádro 10 vibračního generátoru, které je tvořeno permanentním magnetem 3 a pólovými nástavci 12b uspořádanými tak, že tvarují vhodným způsobem magnetický tok Φ. který se uzavírá magnetickým obvodem 2. Pevná část 17 tvořená cívkou 1, která je uspořádaná na pólových nástavcích 12a a je uspořádána vůči pohyblivé části 16 způsobem patrným z obr. 12. Při vybuzení tělesa 8 vibračního generátoru se pohyblivá část 16 jádro 10 vibračního generátoru rozkmitá ve směru dráhy 19 a dojde k požadovaným změnám magnetického toku Φ v magnetickém obvodu 2. Při vhodném nastavení vibračního generátoru dojde k změnám magnetického toku Φ v magnetickém obvodu 2. Funkce vibračního generátoru magnetického obvodu je zobrazena na obr. 8b. Pohyb a změna magnetického toku Φ)ε ve schématu charakterizována přepínačem, který mění magnetický tok Φ magnetickým odporem 18. Ten se skládá z magnetického odporu pólových nástavců 12a a 12b a vzduchové mezery 14. Při výchylkách se magnetický tok Φ uzavírá buď magnetickým odporem a v elektrickém vinutí 7 je generováno elektrické napětí nebo se uzavírá magnetickým obvodem 2s velkým magnetickým odporem. Tato funkce způsobí změny magnetického toku Φ nebo magnetické indukce B podle obr. 10 z minima na maximální magnetický tok <Ž>_max. Zvýšení účinnosti generátoru lze dosáhnout vyšším počtem TV závitů 13 vinutí 7 nebo změnou konstrukce elektrického vinutí 7 podle obr. 6b, 6c a 6d z jednočinného na dvojčinné nebo vícečinné.

Příkladné provedení uspořádání vibračního generátoru v provedení přepínatelné varianty s rekuperací, který splňuje výše uvedené zadání je znázorněno na obr. 9a. Konstrukční uspořádání v tomto provedení obsahuje permanentní magnet 3, pólové nástavce 12b pohyblivé části 16, cívky 1 tvořené elektrickým vinutím 7 s minimálně jedním závitem 13 elektrického vinutí 7. Uspořádání je provedeno tak, že pohyblivá část ]_6 tj. jádro 10 vibračního generátoru je tvořena permanentním magnetem 3 a pólovými nástavci 12b které tvarují vhodným způsobem magnetický tok Φ, který se uzavírá přes magnetický obvod 2. Pevná část j/7 tvořená cívkou 1 uspořádanou na soustavě pólových nástavců 12a je připojena k pohyblivé části 16 způsobem patrným z obr. 12. Při vybuzení tělesa generátoru 8 se pohyblivá část 16 jádra 10 vibračního generátoru rozkmitá ve směru dráhy 19 a dojde k požadovaným změnám magnetického toku Φ v magnetickém obvodu 2. Při vhodném nastavení generátoru dojde ke změnám (jednoduché rekuperací) magnetického toku Φ v magnetickém obvodu 2. Funkce rekuperace magnetického obvodu je zobrazena na obr. 10b. Pohyb a změna magnetického toku <Z>je ve schématu charakterizována přepínačem, který mění magnetický tok Φ magnetickým odporem. Ten se skládá z magnetického odporu pólových nástavců 12 a vzduchové mezery 14. Tato rekuperace způsobí, podle obr. 11 dvojnásobnou hodnotu změny maximálního magnetického toku Φ. Toto řešení vzhledem k řešení zobrazeného na obr. 6 má výhodné vlastnosti zvláště při dvojčinném a vícečinném provedení elektrického vinutí 7. Zvýšení účinnosti generátoru lze dosáhnout vyšším počtem závitů 13 elektrického vinutí 7 nebo změně konstrukce elektrického vinutí 7 podle obr. 5b, 5c a 5d z jednočinného na dvojčinné a vícečinné.

Na obr. 12 je příklad uspořádání jádra 10 vibračního generátoru v kyvném provedení. Mechanická ložiska 15 kluzně spojují těleso 8 vibračního generátoru a pohyblivou část 16 vibračního generátoru v požadovaném stupni volnosti. Přitom pohyblivá část 16 může být s výhodou tvořena ramenem 4 spojeným s vyrovnávacím členem 6, například pružinovými prvky 9. Vibrace tělesa 8 generátoru způsobí rozkmitání pohyblivé části 16 vibračního generátoru díky pružnému uložení

-7CZ 305591 B6 pomocí pružných prvků 9 a dojde tak k požadovaným změnám magnetického toku Φ magnetickým obvodem 2. Pohybem pólových nástavců 12b pohyblivé části 16 vibračního generátoru po dráze J_9 vůči pólovým nástavcům 12a pevné části 17 vibračního generátoru se magnetický tok Φ vhodně tvarovaný plochou S_c cívky 1 mění a dojde tak k indukování elektrického napětí na svorkách elektrického vinutí 7 podle vztahu (7). Tato změna s dostatečnou výchylkou pohyblivé části 16 vytvoří na svorkách elektrického vinutí 7 napětí úměrně rychlosti v pohyblivé části 16.

Průmyslová využitelnost

Aplikace vibračních generátorů, netypických, nestandardních zdrojů energie vede ke zmenšení, zlevnění zařízení, zvýšení jeho aplikovatelnosti, bezpečnosti a spolehlivosti. Vede k tomu, že lze realizovat zařízení na místech, kde z technických důvodů doposud nebylo možné provozovat zařízení napájené elektrickým napětím. Jednou možnou aplikací navrhovaného vibračního generátoru je jeho integrace s mikroelektromechanickými systémy (MEMS), či integrovanými obvody (IC), vyznačující se nízkou spotřebou energie nebo soběstačnou výrobou energie. Jejich použití je příhodné v dopravě, zdravotnictví, mikroelektronice, robotíce a všude tam, kde se vyskytují vibrace, které jsou nuzné pro pohyb jádra generátoru.

Claims (4)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Vibrační generátor pro výrobu elektrické energie sestávajícího z magnetického obvodu (2) tvořeného cívkou (1) s vinutím (7) o jednom či více závitech (13) ajádrem (10) tvořeným permanentním magnetem (3), kde tento magnet je suvně uložen vůči cívce (1), jehož posunem se indukuje elektrické napětí, vyznačující se tím, že jádro (10) je tvořeno pohyblivou částí (16) a pevnou částí (17), přičemž pohyblivá část (16) sestává z magnetu (3) s pólovými nástavci (12b), zatímco pevnou část (17) tvoří soustava pólových nástavců (12a) a cívka (1) opatřená elektrickým vinutím (7) uspořádaným na jednom z pólových nástavců (12a), přičemž pohyblivá část (16) je posuvná po dráze (19) kolmé vůči ramenům pólových nástavců (12a) pevné části (17).
2. 2. Vibrační generátor pro výrobu elektrické energie podle nároku 1, vyznačující se tím, že vinutí (7) má délku závitu (13) od lmm do lOm a plochu S_z závitu (13) od lmm² do
3. 3. Vibrační generátor pro výrobu elektrické energie podle nároku 1, vyznačující se tím, že pólové nástavce (12a) pevné části (16) a pólové nástavce (12b) pohyblivé části jsou tvořeny diamagnetickým nebo paramagnetickým nebo feromagnetickým materiálem.
4. 4. Vibrační generátor pro výrobu elektrické energie podle nároku 1, vyznačující se tím, že pohyblivá část (16) je opatřena vyrovnávacím členem (6) tvořeným pružinou (9).