[发明专利]使用可变电感磁通量开关采集机械能的方法和设备

说明书

一种机械能到电能转换的方法结合使用机械弹簧(22)与快速动作的可变电感磁通量开关以将弹簧承载的机械能转换成由磁通量开关内的电线圈元件(32)捕获的磁通量的变化。线圈电感和磁通量的变化感应出电流以可存储的电能脉冲的形式流过所述电线圈。所述电线圈(32)耦接到所述机械弹簧(22)，使得每次释放弹簧时，线圈相对于磁芯(28)移动并且产生磁通量的变化。施加外部机械力(例如人体运动)的作用是压缩并随后“解锁”机械开关，从而实现对与施加非周期性力相关联的电能的采集。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年10月16日提交的美国临时申请第62/745,993号的优先权，前述在先申请以引用的方式纳入本文。

技术领域

本发明涉及机械能的采集、特别是涉及使用可变电感磁通量开关将机械能(例如弹簧力)转换成电能，该电能可被存储以用于以后需要时使用。

背景技术

当前，大多数自立和移动电子系统由电化学电池供电。尽管在过去的二十年中电池质量有了显著改善，但其能量密度并未有很大的提高。当前，诸如成本、重量、有限的服务时间和一次性废物问题(所有这些都是用于制造电池的材料所固有的)之类的因素阻碍了许多领域的电子器件的发展。该问题在便携式电子器件领域尤其严重，在便携式电子器件领域中，移动电子设备的快速发展的性能和复杂性导致电化学电池无法满足其日益增长的电力需求。

可以大大减轻当今对电化学电池的依赖的技术之一就是大功率能量采集。能量采集的概念致力于开发不需要可更换电源的自供电装置。在需要高机动性和大功率输出的情况下，将机械能转换为电能的采集器尤其有前途，因为它们可以利用各种高功率密度的能源，包括机械振动、人体运动和机器运动等。

机械能的大功率采集是一个公认的概念，但由于缺乏可行的能量采集技术，过去尚未将其商业化。现有的机械能-电能的能量转换方法、例如电磁、压电或静电不能有效地直接耦合到大多数高功率环境机械能量源。需要大而昂贵的机械或液压换能器，以将自然界中通常遇到的广泛的非周期性力和位移转换为可使用这些方法转换的形式。因此，任何能有效地耦合到广泛的力和位移的机械能-电能转换方法都将是非常有益的，因为它将允许能量采集扩展到更广泛的环境中。许多实际应用将受益于这种能量转换方法，包括例如下肢和上肢假体装置、从包括人体移动在内的人体运动中采集能量、物联网装置等。

发明内容

本发明解决了本领域中还需应对的需求，本发明涉及机械能的采集、特别是涉及可变电感磁通量开关的使用，其中，响应于弹簧承载的电线圈穿过磁场的运动而产生磁通量。

如下文详细描述的，本发明涉及一种使用本发明的设备进行机械能-电能转换的方法，所述设备包括机械能储存装置(例如机械弹簧)，该机械能储存装置与快速动作的可变电感磁通量开关结合使用，以将弹簧承载的机械能转换为磁通量的变化，然后将磁通量的变化转换为可以储存的电能脉冲。

在本发明的示例性实施例中，可变电感磁通量开关包括可移动线圈和固定磁芯。机械弹簧用于控制线圈相对于磁芯的运动，以改变线圈电感以及由线圈捕获的磁通量，磁通量和电感的变化会感应出流过线圈的电流，该电流以脉冲形式离开线圈。

各种实施例可以使用单个磁芯元件或一对相反极化的磁芯元件来控制通过机械弹簧的作用而采集的能量的量。提出并使用了用于解锁和重新锁定机械弹簧的不同装置，以允许在不需要单独的过程来重新启动随后的能量采集循环的情况下进行能量采集。换句话说，一旦弹簧位移或力超过某个预定值，则通过可复位的开关机构来自启动致动过程。

本发明的一个方面是，如下文详细描述的，可变电感磁通量开关的使用提供了与广泛的力和位移的有效耦合。

根据本发明实施的方法允许多种当前不可使用的机械能来源参与转换成电能的过程。本发明的方法特别适合于从以具有较大力和较小位移的相对较慢的非周期性运动为特征的来源中提取能量，例如在人体运动和假体下肢装置中遇到的那些。