CN102933843A - 利用旋转运动向线性运动的转换的发电机 - Google Patents

Abstract

一种用于从移动的流体到电能的能量转换的方法和装置。该装置包括至少一个磁性结构、至少一个线圈结构、旋转部件和旋转运动向线性运动转换机构。至少一个线圈结构包括导电材料。响应于由移动的流体施加到联接到旋转部件的结构上的力，旋转部件相对于对应的旋转轴线旋转。旋转运动向线性运动转换机构联接到旋转部件。旋转部件围绕对应的旋转轴线的旋转在至少一个磁性结构和至少一个线圈结构中的至少一个线圈之间产生相对线性位移。在至少一个磁性结构和至少一个线圈之间的相对线性位移在线圈结构中产生电能。

Description

利用旋转运动向线性运动的转换的发电机

相关申请的交叉引用

本申请要求提交于2010年2月18日且名称为“ElectricalGenerator that Utilizes Rotational to Linear Motion Conversion”（利用旋转运动向线性运动的转换的发电机）的美国临时专利申请No.61/305,912的优先权。本申请也要求提交于2010年8月6日且名称为“Electrical Generator thatUtilizes Rotational to Linear Motion Conversion”（利用旋转运动向线性运动的转换的发电机）的美国专利申请No.12/852,101的优先权。

背景技术

人们一直在努力减小发电机的成本、重量和大小，尤其是对于发电机安装在遥远的位置或高处或高海拔处的应用来说。更廉价、更轻便和/或更小的发电机可具有显著优点的应用的一个例子是在风力发电机中，其中发电机通常安装在塔架上。

发明内容

本文所述实施例包括一种用于从移动的流体到电能的能量转换的装置。该装置包括至少一个磁性结构、至少一个线圈结构、旋转部件和旋转运动向线性运动转换机构。至少一个线圈结构包括导电材料。响应于由移动的流体施加到联接到旋转部件的结构上的力，旋转部件相对于对应的旋转轴线旋转。旋转运动向线性运动转换机构联接到旋转部件。旋转部件围绕对应的旋转轴线的旋转在至少一个磁性结构和至少一个线圈结构中的至少一个线圈之间产生相对线性位移。在至少一个磁性结构和至少一个线圈之间的相对线性位移在至少一个线圈结构中产生电能。该装置的其它实施例在下文中描述。

本文所述实施例包括一种用于从移动的流体到电能的风能转换的设备。该设备包括至少一个磁性结构、至少一个线圈结构、旋转部件和齿轮机构。齿轮机构联接到旋转部件以在至少一个磁性结构和至少一个线圈结构之间产生相对线性位移。相对线性运动与旋转部件围绕对应旋转轴线的旋转有关。相对线性位移在至少一个线圈结构中产生电能。该设备的其它实施例在下文中描述。

本文所述实施例包括一种用于从移动的流体到电能转换能量的方法。该方法包括使旋转部件相对于对应的旋转轴线旋转。该方法还包括使用旋转运动向线性运动转换机构将旋转部件的旋转转换为第一发电部件的相对线性位移。该方法还包括使第一发电部件相对于第二发电部件移动。相对线性位移在相对于旋转部件的对应的旋转轴线的非垂直方向上沿着基本上线性的路径。该方法还包括基于第一发电部件和第二发电部件的相对线性位移产生电能。该方法的其它实施例在下文中描述。

附图说明

根据结合附图以举例方式说明本发明的原理的以下详细描述，本发明的实施例的其它方面和优点将变得显而易见。

图1A-1B示出了发电机的一个实施例的示意图。

图2A-2B示出了带有旋转运动向线性运动转换机构的图1的发电机的一个实施例的示意图。

图3示出了带有磁性负载的流体运动发生器的一个实施例的示意图。

图4A-4C示出了对应于图1的发电机的表格数据。

在整个说明书中，类似的附图标记可用来表示类似的元件。

具体实施方式

应当容易理解，本文大致描述和附图中示出的实施例的部件可以布置和设计成各种不同的构型。因此，如附图所表示的各种实施例的以下更详细描述并非意图限制本发明的范围，而仅仅是代表各种实施例。虽然附图中提供了实施例的各个方面，但附图未必按比例绘制，除非特别指出。

在不脱离本发明的精神或基本特征的前提下，可以将本发明具体化为其他具体形式。所述实施例在所有方面都将被视为示例性而非限制性的。因此，本发明的范围取决于随附权利要求而不是此详细描述。在权利要求的等同形式的涵义和范围内出现的所有变化都将涵盖在权利要求的范围内。

贯穿本说明书对特征、优点或类似语言的引用并非暗示可通过本发明实现的所有特征和优点都应在本发明的任何单个实施例中。相反，引用特征和优点的语言应理解为意味着结合一个实施例描述的具体特征、优点或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书对特征和优点的讨论以及类似的语言可以但未必引用相同的实施例。

此外，所描述的本发明的特征、优点和特性可以任何合适的方式在一个或多个实施例中进行组合。根据本文的描述，本领域的技术人员将认识到，本发明可以在没有特定实施例的具体特征或优点中的一个或多个的情况下实施。在其它情况下，在某些实施例中可能发现可以不存在于本发明的所有实施例中的附加特征和优点。

贯穿本说明书对于“一个实施例”、“实施例”或类似语言的引用意味着结合所指实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书，短语“在一个实施例中，”、“在实施例中，”和类似语言可以但未必全部引用相同的实施例。

本文所述实施例提出了创新性发电机设计，其允许相比常规发电机设计减小发电机的成本、重量和/或大小。用于在永磁发电机中将移动的流体的能量转换为电能的最常见的方法是将磁体附连到旋转轴，其中磁体在磁体随轴旋转时经过铜线圈，这导致相对于铜线圈变化的磁通量，从而产生电能。在本发明的描述中，公开了用于首先将由风能或某些流体的运动驱动的旋转轴的旋转运动转换为振荡的线性运动的装置和方法。然后，使用线性运动来相对于（例如进入和离开）诸如铜线圈的导电线圈移动磁体。有多种方式能将旋转运动转换为线性运动，下面描述几个示例。在一个实施例中，线性运动导致至少一个磁体移动进入和离开线圈。

本文所述一些实施例包括将旋转运动转换为一个或多个线性运动的方法和装置，这些线性运动导致磁体相对于电线圈移动，以便在线圈中产生电压和/或电流。其它实施例包括将旋转运动转换为一个或多个线性运动的方法和装置，这些线性运动导致磁体部分或完全地移动进入和离开空心电线圈，以便在线圈中产生电压和/或电流。下面描述本发明的若干实施例。

存在多种用于将旋转运动转换为线性运动（在轴向、径向或其它方向上）的旋转运动向线性运动转换机构；对已知用于此目的的任何机构的描述决不限制本发明的范围。旋转运动向线性运动转换机构的几个示例包括使用齿轮***、使用推动和释放活塞杆的波状表面、或使用利用磁力的***来产生线性运动。在一些情况下，用于转换为线性运动的机构不产生振荡运动，而产生仅在一个方向上推动磁体的运动，在这种情况下，可包括弹簧***（或用于引起运动的其它机构）以有助于提供用于振荡运动的返回行程的能量。

图1A-1B示出了本发明的其它实施例，其中磁体移动通过线圈的线性运动大致平行于转子轴的旋转轴线。在这种情况下，主齿轮12连接成转子轴的一部分，其又连接到一个或多个小齿轮40，在较小的小齿轮40中相对于主齿轮12具有更少的齿数。这起到通过增加多个小齿轮40相对于附连到转子轴的大齿轮12的转数而增加频率的作用。另外，主齿轮12和小齿轮40可构成包括主齿轮和一个或多个小齿轮的面齿轮***，该***将旋转轴线改变了90度。因此，当曲柄滑块机构42连接到小齿轮40时，移动的磁体的线性运动可大致平行于转子轴的旋转轴线进行。图1A-1B示出了带有曲柄滑块42的4个小面齿轮40，曲柄滑块42驱动单独的磁体阵列18通过线圈20（参见图1B的放大部分）。带有曲柄滑块42的各个小面齿轮40可被设置使得磁体阵列行程彼此或者同相或者异相，视发电应用而定。

用于将旋转运动转换为线性运动的其它实施例在图2A-2B中示出。图示实施例包括主齿轮12（具有基准轴线14）、安装结构22（在这种情况下外接轴）、可移动结构18（例如磁体）和固定结构20（例如，线圈）。图示实施例也包括小齿轮40，其机械联接到主齿轮12并由于轴的旋转而旋转。在图2A的图示实施例中，曲柄连杆42附连到旋转结构40，并且当旋转结构40旋转时导致磁体支撑板44在壳体46内在由箭头16所示径向方向上线性移动。可移动结构（例如，磁体）附连到磁体支撑板44并因此而由于轴的旋转运动在径向方向上线性移动。虽然图2A-2B示出了磁体支撑板44的运动在径向方向上的实施例，但其中该运动在相对于轴的基准轴线的任意方向上的具有齿轮设计的实施例也在本发明的范围内。小齿轮也可直接机械联接到轴，不需要作为单独部件的主齿轮，而只是轴上的特征。

因此，图示实施例采用大的中央旋转轴或直接联接到旋转轴的齿轮（或主齿轮），转轴联接到叶片，叶片由于诸如风的移动流体而提供旋转运动。主齿轮可被构造成在周边上具有齿轮齿（未示出），使得齿轮齿能够与来自一个或多个小齿轮的齿轮齿啮合。这类齿轮构型的示例包括行星齿轮或周转齿轮，并且术语“小齿轮”在本说明书中可被视为表示其齿轮齿与主齿轮的齿轮齿接触的任何副齿轮，并且不限于副齿轮的任何具体几何形状、位置、大小或构型。齿轮的大小和数量可以变化以实现线性运动的不同振荡频率。在一个实施例中，小齿轮中的齿轮齿的数量小于主齿轮的齿轮齿的数量。这导致对于较大的中央齿轮轴的每个单周旋转，较小的小齿轮旋转多周。例如，齿轮齿数比可设计成对于主齿轮的单周旋转产生至少一个小齿轮的10周旋转。增加小齿轮相对于主齿轮的转数导致每次旋转更多的线性振荡和因此通过线圈结构的更高的磁通量变化率，从而导致更大的功率产生。为了获得线性运动，主齿轮或小齿轮可设计有作为构造一部分的曲柄连杆，使得当主齿轮旋转时，曲柄连杆在由箭头16所示振荡线性运动中移动。这种通常称为曲柄滑块的带有曲柄连杆的齿轮被用来将旋转运动转换为线性运动。用于旋转运动向线性运动转换的另一类齿轮被称为“万向节传动装置”（参见图2B），其中连杆在纯线性运动中移动，而不需要提供容纳线性运动的通道。可替代地，代替曲柄连杆，可以使用凸轮型***，使得当主齿轮或小齿轮旋转时，其也使推动活塞杆的凸轮旋转。应当指出，线性行程的长度也可通过改变主齿轮或小齿轮的直径和/或凸轮的设计而变化。因此，这些参数将接着影响振荡的频率和磁体的大小。

虽然图2A和图2B均示出具有三个小齿轮的较大中央轴，但其它实施例可具有更少或更多的小齿轮。类似的小齿轮可全部定位在轴周围。箭头指示运动的方向，表明当联接到轴的主齿轮旋转时，齿轮齿与更小的小齿轮啮合，这实现了对于单周旋转的多周旋转，曲柄连杆在循环线性运动中移动，导致磁体移动进入和离开铜线圈。可替代地，可以让连接到连杆的线圈和磁体静止，最终结果同样是在磁体和铜线圈之间产生相对运动。

在本文所述的任何方法和装置中，磁体可以是永久磁体或电磁体（例如，在连接电网的***中）。在具体实施中使用的磁体的类型决不限制本发明的其它实施例的范围。在一些实施例中，磁体可以是诸如铁氧体或磁钢以及稀土磁体的低成本永久磁体或不同类型磁体的组合。

还应当指出，类似的机构可实施为在除了旋转轴的径向或轴向之外的方向上产生移动。例如，一些实施例可使用类似的结构（参见图2A-B），该结构围绕旋转轴的周边放置，以便在除了轴向或径向之外的任意方向上产生基本上等价的移动。将旋转运动转换为线性运动的其它方法例如万向节传动装置、曲柄滑块等可与本文所述实施例中的任一种联合使用。

在本文所述任何方法和装置中，磁性结构可包括布置成阵列和/或行的磁体，使得线性运动的每个行程导致每个磁体移动通过不止一个线圈、和/或一个或多个磁体移动通过每个线圈。例如，磁体可以线性阵列布置在线圈阵列内，其间距等于或相当于沿运动轴线的磁体长度，使得由旋转运动驱动的单个线性行程可导致每个磁体移动通过线圈中的不止一个。利用这类磁体构型的实施例可导致当有效频率远远超出旋转轴的每分钟转数（RPM）时高得多的磁通量变化率。在具体实施中使用的磁体阵列的类型决不限制本发明的其它实施例的范围。

在本文所述任何方法和装置中，可存在复合用于控制由一个或多个永久磁体产生的磁通量的大小和/或方向的一个或多个部件/材料。例如，在磁体阵列中，可包括具有高磁导率的一个或多个材料/部件（例如，软钢或铁心硅钢）以便当磁体在物理上处于线圈外部时限制进入线圈的磁漏。具有高磁导率的一个或多个部件可在磁极附近用来重新导向/重新定向磁通线以便也限制漏通量。在具体实施例中使用的导磁材料的类型和构型决不限制本发明的范围。

虽然图4为简单起见显示为图4A、图4B和图4C，但在图4A、图4B和图4C中的每一个中的数据将在本文中统称为图4。图4示出了具有用于本发明的实施例的计算参数的示例。虽然在附图中未示出，但此处在计算中考虑的实施例具有连接到带有5个行星的行星齿轮的齿圈和芯的转子。每个行星联接到诸如万向节传动装置型***的旋转运动向线性运动转换器，该转换器使带有多个磁体阵列的支撑板移动。当转子旋转时，齿圈旋转并且行星原地旋转，以驱动保持磁体的板的线性行程。在一个实施例中，存在磁体数量两倍的线圈，并且在每个线性行程中，每个磁体移动进入和离开许多线圈（即，电能发生频率远高于行星旋转频率）。对于一定速率的风速和转子尺寸及目标RPM来说，可以确定齿圈的内径、磁体的数量、磁体的尺寸和负载电阻以允许匹配转子和发电机的功率/扭矩。

另一个实施例包括利用磁体阵列的诸如线性发电机的装置，该磁体阵列被构造使得在阵列中的邻接磁体将相同的极面向彼此且以一定的间距偏置，该间距相当于且在一些实施例中等于磁体的厚度（即，在运动方向上的磁体尺寸）。以这种方式构造磁体允许在邻接磁体在单个线性行程期间穿过每个线圈时通量变化高达单个磁体的强度的两倍。在使用永久磁体的一个实施例中，磁体具有高抗退磁性。铁氧体磁体和稀土磁体可能适合该实施例。各个线圈用线连接在一起，以使得电压/电流根据需要加总。应当指出，该实施例可结合或独立于本文所述此前的实施例中的任一个或其它类似的实施例使用。

在一些实施例中，可使用凸轮型结构来将轴的旋转运动转换为线性振荡运动。使用这种具有大的中央旋转轴的凸轮轴***使得多个磁体能够在线性振荡运动中移动。为了增加单个磁体部件（或者是单个大磁体或者是包含许多较小磁体的平板）的振荡频率，可使用沿轴的多个凸轮来驱动磁体部件的运动。在一个实施例中，各自附连到中央旋转轴的四个单独的凸轮错开90度，结果导致中央轴的每周旋转产生四次磁板振荡。在该实施例的另一个变型中，各自附连到磁板部件的四个单独的活塞杆错开90度，使得当单个凸轮经过一圈完整的旋转时，其在各自90度的位置处驱动不同活塞杆。在这种情况下，发电机可被构造有四个扇形体，这些扇形体围绕圆柱形轴，从而当每个凸轮旋转时，其导致四个单独的磁体部件经过单次振荡。利用这种设计策略，可以相对于其它发电机设计增加振荡的频率。虽然该示例引用了由单个凸轮驱动的四个不同的磁体结构，但其它实施例可使用与任何数量的凸轮结构结合的任何数量的磁体结构。

在一些实施例中，利用磁力来移动能量发生磁体结构能有助于通过防止任何表面之间用于将旋转运动转换为线性运动的物理接触而使磨损减少或最小化。为了实现这个目的，一些实施例利用一个或多个磁体来产生排斥和/或吸引力以从旋转运动产生线性运动。图3示出了一个实施例，其中两个板（即，转子和可移动的磁体支撑板）面向彼此，并且具有相同极性的磁体面向彼此，使得当转子旋转时，在至少一对磁体之间的磁场排斥力导致其上安装有至少一个磁体（或线圈）的可移动板（即，可移动支撑板）相对于其上安装有至少一个线圈（或磁体）的另一个板（即，安装结构）移动，使得由这种相对运动引起的磁通量变化在线圈中产生电流和/或电压。在一个实施例中，该结构被构造成使得一个或多个磁体至少部分地移动进入和离开空心线圈。

图3示出了一个实施例，其包括安装到轴12的一个或多个叶片24。当流体流过叶片时，轴旋转并转动转子26。一个或多个磁体28安装到转子并定向为使可移动结构18移动，可移动结构18在图示实施例中包括两侧附连有磁体32和34的支撑板30。附连到最靠近转子26的一侧的磁体32被布置和定向为当对应的磁体28在环形运动中移动经过时经受排斥力。根据磁体28和32的布局，排斥力能使整个可移动板在箭头16所示方向上移动。当板30移动离开转子26时，最靠近安装结构22的磁体34相对于电线圈20移动并产生电力。弹簧36或其它装置可用来帮助板30朝转子26向后移动，从而使得能够在轴向方向上振荡线性运动。作为另一示例，附连到转子的磁体28中的一些可被定向为提供吸引力，以便除了弹簧力之外或代替弹簧力而帮助将可移动板30向后拉向转子。还应当指出，利用排斥力或吸引力的实施例的描述可以颠倒，使得一些实施例可以仅利用排斥力，一些实施例可以仅利用吸引力，并且一些实施例可以利用排斥力和吸引力的组合。

在以上描述中，提供了各种实施例的具体细节。然而，可以不使用所有这些具体细节来实施一些实施例。在其它情况下，为了简洁和清晰，以仅能实现本发明的各种实施例的详细程度描述了某些方法、程序、部件、结构和/或功能。

虽然本文以特定顺序示出并描述了方法的操作，但可以改变每种方法的操作的顺序，使得某些操作可按相反的顺序进行，或使得某些操作可至少部分地与其它操作同时进行。在另一个实施例中，可以用间歇和/或交替的方式来实施不同操作的指令或子操作。

虽然已经描述和说明了本发明的具体实施例，但本发明不受限于所描述和说明的部分的具体形式或排列。本发明的范围将受到所附权利要求及其等同物的限定。

Claims (20)

1.一种用于将来自移动的流体的能量转换为电能的装置，所述装置包括：

至少一个磁性结构；

至少一个线圈结构，所述至少一个线圈结构包括导电材料；

旋转部件，所述旋转部件响应于由所述移动的流体施加到联接到所述旋转部件的结构上的力而相对于对应的旋转轴线旋转；和

旋转运动向线性运动转换机构，所述旋转运动向线性运动转换机构联接到所述旋转部件，其中，所述旋转部件围绕所述对应的旋转轴线的旋转在所述至少一个磁性结构和所述至少一个线圈结构中的至少一个线圈之间产生相对线性位移；

其中，在所述至少一个磁性结构和所述至少一个线圈之间的所述相对线性位移在所述至少一个线圈结构中产生电能。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述相对线性位移被定向在相对于所述旋转部件的所述对应的旋转轴线的某个非垂直方向上。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在所述至少一个磁性结构和所述至少一个线圈之间的所述相对线性位移沿着相对于所述旋转部件的所述对应的旋转轴线大致平行的方向。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述旋转运动向线性运动转换机构包括至少一个凸轮，其中，所述旋转部件围绕所述对应的旋转轴线的所述旋转导致由所述至少一个凸轮施加的力在所述至少一个磁性结构和所述至少一个线圈之间产生所述相对线性位移。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述旋转运动向线性运动转换机构包括至少一个齿轮。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少一个磁性结构包括永久磁体阵列，其中，在所述永久磁体阵列中的邻接磁体将相同的极面向彼此。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少一个线圈结构包括线圈阵列。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，在所述永久磁体阵列中的磁体之间的间距基本上等于所述线圈阵列中的线圈之间的间距。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少一个磁性结构或所述至少一个线圈结构包括一个或多个高磁导率部件以提供磁通路线和/或增加磁通变化。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述旋转运动向线性运动转换机构包括至少一个磁体，所述至少一个磁体用于在保持所述至少一个磁性结构的支撑结构上施加磁力，以有利于所述至少一个磁性结构相对于所述至少一个线圈的所述相对线性位移。

11.一种用于将来自移动的流体的能量转换为电能的设备，所述设备包括：

至少一个磁性结构；

至少一个线圈结构；

旋转部件；和

齿轮机构，所述齿轮机构联接到所述旋转部件以在所述至少一个磁性结构和所述至少一个线圈结构之间产生相对线性位移，其中，所述相对线性位移与所述旋转部件围绕对应的旋转轴线的旋转有关，其中，所述相对线性位移在所述至少一个线圈结构中产生电能。

12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述齿轮机构包括与至少一个主齿轮联接的至少一个小齿轮，其中，所述主齿轮联接到主轴并以基本上等于所述主轴的速度的速度旋转。

13.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，在所述至少一个磁性结构和所述至少一个线圈结构之间的所述相对线性位移相对于在所述设备中在第二至少一个磁性结构和第二至少一个线圈结构之间的第二相对线性位移不同步地发生。

14.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述齿轮机构包括至少一个万向节传动装置。

15.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述至少一个磁性结构包括永久磁体阵列，其中，在所述至少一个磁性结构中的邻接磁体将相同的极面向彼此。

16.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述至少一个线圈结构包括线圈阵列，并且所述至少一个磁性结构包括磁体阵列。

17.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，与在所述至少一个磁性结构中的至少两个永久磁体相对应的间距基本上等于与所述至少一个线圈结构中的至少两个线圈相对应的间距。

18.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述至少一个磁性结构或所述至少一个线圈结构包括一个或多个高磁导率部件以提供磁通路线和/或增加磁通变化。

19.一种用于将来自移动的流体的能量转换为电能的方法，所述方法包括：

使旋转部件相对于对应的旋转轴线旋转；

将所述旋转部件的所述旋转转换为第一发电部件的相对线性位移；

使所述第一发电部件相对于第二发电部件移动，其中，所述相对线性位移在相对于所述旋转部件的所述对应的旋转轴线的非垂直的方向上沿着基本线性的路径；和

基于所述第一发电部件和所述第二发电部件的所述相对线性位移产生电能。

20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述第一发电部件为邻接磁体的相同极面向彼此的永久磁体阵列，并且其中所述第二发电部件为线圈阵列。

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