CN101479815A - 利用单个磁通量路径的发电设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开的方法和设备通过对基于单个磁通量路径的电路的操作进行发电。可磁化构件提供磁通量路径。一个或多个电导线圈缠绕该构件，且磁阻或磁通量开关设备用来控制磁通量。该开关设备在操作时引起经该构件的永磁体的磁通量的极性(方向)颠倒，因而在每个线圈中感应产生交流电流。该磁通量开关设备可以是静止或旋转的。在静止实施例中，操作两个或四个磁阻开关以便来自一个或多个静止永磁体的磁通量被颠倒经过可磁化构件。在可替换实施例中，磁通量开关设备包括由高磁导率和低磁导率材料组成的主体，以便在主体旋转时，来自磁体的磁通量经被依次颠倒经过可磁化构件。

Description

利用单个磁通量路径的发电设备

相关申请的交叉参考

【0001】本申请要求2006年4月17日提交的美国临时专利申请序列号60/792,602；60/792,596；60/792,594；60/792,595的优先权，并要求2007年4月16日提交的美国专利申请序列号11/735,746的优先权。每个申请的全部内容都并入本文以供参考。

技术领域

【0002】本发明涉及这样的方法和设备，其中一个或多个永磁体通过单个通量路径的磁通量的极性(方向)被反复地颠倒，绕该通量路径缠绕有导电线圈以便在线圈中感应产生电。

背景技术

【0003】动生发电机(motional electric generators)和交流发电机中所涉及的机电和电磁方法是公知的。交流发电机和动生发电机通常采用永磁体，并通常具有转子和定子以及一个或多个线圈，该线圈中感应产生EMF(电动势)。发电所涉及的物理学有发电机等式V＝∫(v×B)·dl描述。

【0004】现在常见的是由具有高矫顽力、高磁通量密度、高磁动势(mmf)且磁强度随时间无显著退化的材料制成的永磁体。例子包括陶瓷铁氧体磁体(Fe₂O₃)；钐钴合金(SmCo₅)；铁钕硼组合物；以及其他材料。

【0005】变压器的磁路通常由层压的含铁材料构造；感应器通常采用铁氧体材料，其用于变压器和感应器的较高频率的操作。现在有用于磁电路内磁路的高性能磁性材料，该材料适于以最小的涡流(快速)开关磁通量。一个例子是日本Hitachi公司制造的纳米晶体芯材料FINEMET

。

【0006】按照Moskowitz的“Permanent Magnet Design and ApplicationHandbook”(1995，第52页)，磁通量可以认为总是以直角离开并进入铁磁材料表面的通量线，但通量线绝对不能以真正的直角转弯，其仅以直线或弯曲路径行进，并遵从最短的距离和最低磁阻的路径。

【0007】“磁阻开关”是一种可以直接快速的方式显著增加或降低(通常是增加)磁路的磁阻(抵抗磁动势)随后以直接快速的方式将其恢复到原始(通常较低)值的装置。磁阻开关通常具有模拟特性。相比而言，关/开电开关通常具有数字特性，原因在于不存在电“泄漏(bleed-through)”。对于现有技术，磁阻开关具有磁通量泄漏。磁阻开关可机械地执行(如引起衔铁(keeper)运动从而产生空气间隙)或者通过几个装置或其他装置电气执行。一种电气装置是使用绕通量路径的控制线圈。另一种电气装置是将某些类型的材料设置在通量路径中，该材料在加电后改变(通常增加)其磁阻。另一种电气装置是使一定区域的开关材料饱和以致通过将电线插入到该材料中磁阻增加至空气的磁阻，如Konrad和Brudny在“An Improved Method for Virtual Air Gap LengthComputation”，《IEEE Transaction on Magnetics》，Vol.41，No.10，2005年10月中所述的。

【0008】专利文献公开了大量结构，这些结构被设计用来通过反复不均匀地划分来自交流通量路径之间的一个或多个静止永磁体的磁通量，从而改变交流磁通量路径中的磁通量以便发电。当线圈缠绕路径时，一个磁路中磁通量的增加和其他路径中的相应减小为感应电提供基础。由这些结构产生电所涉及的物理学由变压器方程V＝-∫dB/dt·ds描述。多种磁阻开关装置已经用来使经过特定交流路径的磁通量增加/减小而在另一个路径产生相应的减小/增加，并重复该过程。

【0009】沿永磁体的相对极之间的交流路径开关磁通量的装置包括R.J.Radus在1963年7月的《Engineers’Digest》中描述的磁通量转移原理。

【0010】提供具有大体类似的几何构型和磁导率的交流磁通量路径的结果是，在特定条件下，首先选择的交流路径或为磁通量主体选择的路径将保持为“优选路径”，因为该路径比其他路径保持更多磁通量，尽管这些路径具有相等的磁阻。(在类似路径之间不会自动均衡磁通量。)Moskowitz的“Permanent Magnet Design and Application Handbood”(1995，第87页)讨论了关于工业应用永磁体提起和释放钢铁的效果，该工业应用是经磁阻开关通过导通和(几乎)关闭永磁体实现的，该磁阻开关由绕磁通量路径的线圈的电脉冲组成(磁阻开关)。

【0011】以正方形放置的四个铁矩形条(相对磁导率＝1000)的实验结果表明移去和更换平行于条形磁体的端部条形体之一将导致约80％的磁通量保持在仍保持接触的条形体内，其中条状永磁体(一个磁极测量的磁通量密度＝5000高斯)在约位于中心位置的两个相对条之间。该结果进一步表明：在不均匀磁通量条件产生并转移到交流路径前，优选路径的磁阻必定增加约为可用交流路径的10倍。

【0012】Flynn的美国专利6,246,561；Patrick等人的美国专利6,362,718；和Pedersen的美国专利6,946,938都公开了开关(划分)来自交流路径之间的一个或多个静止永磁体的磁通量以便发生电(和/或原动力)的方法和设备。它们提供一个路径中磁通量的增加和另一个路径中磁通量的相应减小。总有至少两个路径。

发明内容

【0013】本发明涉及通过对基于单个磁通量路径的电路的操作而产生电的方法和设备。可磁化构件提供磁通量路径。一个或多个电导线圈绕该构件缠绕，磁阻或通量开关设备被用来控制磁通量。开关设备在工作时引起经该元件的永磁体的磁通量的极性(方向)颠倒，因而在每个线圈中感应出交流电流。

【0014】按照本发明，磁通量开关设备可为静止或旋转的。在静止实施例中，四个磁阻开关由控制单元操作，引起第一对开关打开(增加磁阻)而另一对开关闭合(减小磁阻)。然后第一对闭合同时另一对打开，如此类推。该2×2开合周期重复，伴随该过程，通过可磁化构件的来自静止永磁体的磁通量的极性被颠倒，从而在导电线圈中产生电。可替换的静止实施例使用两个磁阻开关和两个空气或其他材料的间隙。

【0015】在可替换实施例中，磁通量开关设备包括由高磁导率和低磁导率材料组成的主体，以便在主体旋转时，来自磁体的磁通量被依次颠倒通过可磁化构件。在优选实施例中，该主体是具有中心轴的圆柱体，且主体绕该轴旋转。除了将圆柱体分成两个半圆柱体的低磁导率材料段，该圆柱体由高磁导率材料组成。至少一个导电线圈缠绕可磁化构件，以便在主体时在线圈中感应产生电流。该主体可由机械力、机电力或其他力而旋转。

【0016】一种发生电流的方法，其包括以下步骤：提供缠绕有导电线圈的可磁化构件；和依次颠倒经该构件的来自永磁体的磁通量，因而在线圈中感应产生电流。

附图说明

【0017】图1是按照本发明的磁路的示意图；

【0018】图2是基于静止磁通量开关的本发明实施例的透视图；

【0019】图3是按照本发明的静止磁通量开关的详细图；

【0020】图4是按照本发明的磁阻开关的详细图；

【0021】图5是按照本发明利用空气间隙或其他材料的可替换静止磁通量开关的详细图；

【0022】图6是按照本发明使用旋转磁通量开关的系统的示意图；

【0023】图7是按照本发明的旋转磁通量开关的详细图；

【0024】图8是按照本发明利用两个永磁体和单个磁通量路径的电路的示意图；

【0025】图9示出具有图8的元件的设备的一种可能物理实施例，其包括磁阻开关控制单元；以及

【0026】图10示出按照本发明的互连的发电机阵列。

具体实施方式

【0027】图1是按照本发明的利用静止磁通量开关的磁路的示意图。该电路包括以下元件：永磁体102，单个磁通量路径104，导电线圈106，108，和四个磁阻开关110，112，114，116。在单元118的控制下，磁阻开关110，114打开(增加磁阻)，同时开关112，116闭合(减小磁阻)。然后磁阻开关110，114闭合，而开关112，116打开，如此类推。重复这个2×2开合周期，伴随该过程，来自静止永磁体102的磁通量的极性被颠倒经过单个磁通量路径104，使得在导电线圈106，108中产生电。

【0028】有效的永磁体102的形状为“C”形，其中磁极彼此密切靠近并与磁通量开关啮合。单个磁通量由可磁化构件100携带，该可磁化构件也为“C”形，且端部彼此靠近并与磁通量开关啮合。在这个实施例和其他实施例中，2×2开关周期是同时执行的。同样地，控制电路118优选是以晶体控制的时钟馈进数字计数器、触发器、门电路等执行的，从而调整上升时间、下降时间、响铃(ringing)和其他寄生效果。控制电路的输出级可以使用FET(场效应开关)从而按照需要将模拟或数字波形传送到磁阻开关。

【0029】图2是使用图1的元件的设备的一种可能物理实施例的透视图，其示出这些元件相对彼此的位置。磁阻开关110，112，114，116可被不同地执行，如下面所述，但通常占据设备内的同一相对位置。图3是静止磁通量开关的详细图。连接段120，122，124，126必须由高磁导率的铁磁材料制成。中央体积128可以是提供空气间隙的穿孔或者可以填充有玻璃、陶瓷或其他低磁导率材料。也可替代性地使用超导体或其他具有Meissner效应的结构。

【0030】在图2和3所示的实施例中，磁阻开关110，112，114，116是用促进静止操作的固体结构执行的。当前优选的静止磁阻开关是由东京大学的Toshiyuki Ueno和Toshiro Higuchi于2004年在论文“Investigationon Dynamic Properties of Magnetic Flux Control Device composed ofLamination of Magnetostrictive Material Piezoelectric Material”中描述的，该文章全部内容包括在此以供参考。如图4所示，该开关由GMM(巨磁致伸缩材料42)、TbDyFe合金的层压材料制成，该层压材料两边粘接PZT(压电)材料44，46，电被施加到该PZT材料上。将电施加到PZT会在GMM上产生应变，这会使得磁阻增加。

【0031】其他结构也是可用的，包括在悬而未决的美国专利申请序列号2006/0012453中公开的那些结构，该专利申请的全部内容包括在此以供参考。这篇文献中公开的这些开关都基于液晶材料的电磁效应，即磁致伸缩和压电效应。ME材料的属性在以下文献中说明，例如Ryu等人的“Magnetoelectric Effect in Composites of Magnetorestrictive andPiezoelectric Materials”，Journal of Electroceramics，Vol.8，107—119(2002)，Filipov等人的“Magnetoelectric Effects at Piezoresonance inFerromagnetic-Ferroelectric Layered Composites”，Abstract，AmericanPhysical Societv Meeting(2003年3月)和Chang等人的“Magneto-bandof Stacked Nanographite Ribbons”，Abstract，American Physical SocietvMeeting(2003年3月)。每篇这些论文的全部内容包括在此以供参考。

【0032】进一步的替换材料包括，可在居里温度上下依次被加热并允许冷却(或者被冷却并允许升温或者动态加热并冷却)的材料，因而调节磁阻。钆是一种候选材料，因为其居里点接近室温。高温超导体是其他候选材料，该材料在隔离腔室中被冷却至基本处于或接近居里点的温度。微波或其他能量源可结合控制单元使用从而实现该开关动作。根据开关刚度，可以有或不必有进一步的扩展限制“束缚轭”缠绕装置块，图4中最佳地示出。

【0033】图5是按照本发明利用空气间隙或其他材料的可替换静止磁通量开关的详细示图。该实施例使用两个电操作磁阻开关110，114，和两个间隙113，115，以便在开关以预定方式激活时，沿着含开关的开关段阻断来自磁体102的磁通量并使其经过含间隙的段，因而颠倒经可磁化构件100的磁通量。在激活两个磁阻开关110，114后，磁通量寻求磁阻显著低的路径，弹回到含(未去激的)磁阻开关的原始路径，因而颠倒经过元件100的磁通量。注意，磁通量开关也可以是电磁的从而饱和开关的局部区域，以便磁阻增加至空气(或间隙材料)的磁阻，产生虚间隙(virtual gap)，如发明背景中Konrad和Brudny所描述的那样。

【0034】更特别地，按照该实施例的磁通量开关设备使用永磁体，其具有横跨定义体积的间隙的相对北极“N”和南极“S”。具有端部“A”和“B”的可磁化构件相对地横跨拥有该体积的间隙支撑，磁通量开关包括在具有四条边1—4的体积中的静止块，其中两条相对边分别与N和S连接，而另两条相对边分别与A和B连接。该静止块由两个电操作的磁通量开关和两个填充有空气或其他材料的间隙所分段的可磁化材料组成。与磁通量开关通信的控制单元可操作来：

a)被动地允许缺省磁通量路径经过边1—2和3—4，然后

b)主动建立经过边2—3和1—4的磁通量路径，以及

c)依次重复a)和b)。

【0035】作为静止磁通量开关的替换，旋转磁通量开关可用来执行2×2交替序列。参考图6和7，具有磁通量间隙132的圆柱体130由运动装置134旋转。这引起圆柱体130的两半提供两个同时并分开的磁通量桥(即“闭合的”磁阻开关条件)，其中可磁化构件136的给定端与静止永磁体138的一个极配对。同时，单个磁通量路径载体136的另一端与静止永磁体138的相对极配对。

【0036】图7是圆柱体的详细示图。圆柱体每次旋转90度都会引起第一磁通量桥断开(“打开”磁阻开关条件)而产生第二组磁通量桥，其中元件136的给定端与静止永磁体138的相对极桥接。圆柱体130旋转一周引起四次这样的颠倒。在单个磁通量桥2内每次磁通量颠倒都会引起在导电线圈140，142中感应产生电流。在该实施例中，随着圆柱体130旋转时提供磁通量桥，相对永磁体138的磁极和磁通量路径载体136的端部，在(旋转)圆柱体130的两半间保持精确一致的间隔是重要的。

【0037】旋转圆柱体130由高磁导率材料制成，该磁导率材料完全由磁通量间隙132划分。优选材料是纳米晶体材料，如Hitachi公司制造的FINEMET

。磁通量间隙132可以是空气、玻璃、陶瓷或任何其他具有低磁导率的材料。也可替代性地使用超导体或其他具有Meissner效应的结构。

【0038】有效的可磁化构件136的形状是“C”，其中相对端以与圆柱体130相同的半径弯曲，并尽最大可能地靠近旋转圆柱体130。永磁体138也优选为C形，其中相对极以与圆柱体130相同的半径弯曲，并尽最大可能地靠近旋转圆柱体130。制造和组装因素也可能规定其他形状。

【0039】虽然这里所述的实施例至此都是利用单个永磁体，按照本发明的其他实施例也可能利用多个永磁体，但产生单个磁通量路径。图8描绘利用两个永磁体和单个磁通量路径的电路。图9示出基于图8的元件的设备的一种可能物理实施例，其包括磁阻开关控制单元158。

【0040】在单元158的控制下，磁阻开关150，152打开(增加磁阻)，同时开关154，156闭合(减小磁阻)。然后磁阻开关150，152闭合，而开关154，156打开，如此类推。该2×2开合周期重复，伴随该过程，经可磁化构件的来自静止永磁体160，162的磁通量的极性被颠倒，使得在导电线圈166，168中产生电。

【0041】在该实施例的优选实施方式中，磁体的N极和S极颠倒设置。可磁化构件设置在两个磁体之间，且有四个磁通量开关SW1—SW4，两个在该构件的每端和每个磁极之间。磁阻开关是以上面参考图1到3所述的结构执行的。

【0042】对于额外的特殊性，假定第一个磁体具有北极和南极，N1和S1，而第二个磁体具有北极和南极，N2和S2，且该构件具有两个端部A和B。假定SW1位于N1和A之间，SW2位于A和S2之间，SW3位于N2和B之间，SW4位于B和S1之间，则控制电路可操作地激活SW1和SW4，然后激活SW2和SW3，并依次重复该过程。对于这里所述的其他实施例，因为效率的缘故，开关是同时执行的。

【0043】在这里所述的所有实施例中，用于永磁体的材料可以是磁组件或单个磁化单元。优选材料是陶瓷铁氧体磁体(Fe₂O₃)、钐钴合金(SmCo₅)或者铁、钕和硼的组合。单个磁通量路径由具有高磁导率并被构造成具有最小涡流的材料执行。这类材料可以是层压的钢铁组件或铁氧体芯，如用于变压器中的铁氧体芯。优选材料是纳米晶体材料如FINEMET

。一个或多个导电线圈缠绕携带单个磁通量路径的材料的匝数按电压、电流或功率要求而定。常用的标准绝缘的铜磁线(马达线)就可足够接受。也可使用超导材料。在导电线圈中感应产生的至少部分电可反馈回开关控制单元中。在该操作模式中，根据需要，起动电脉冲可以由化学或太阳能电池提供。

【0044】虽然在图2和6的实施例中，磁体和磁通量携带材料是位于正交平面上的平整元件，其中磁通量携带材料位于磁体描述的体积之外，磁通量路径可设置在磁体体积内或以一定角度配置。元件的物理尺度也可改变从而利用制造技术或其他优点。例如图10示为磁路阵列，根据电压或电流要求，每个磁路都具有串联、并联或串并联组合的一个或多个线圈。在每个情形中，磁体可用微电子工业中的普通技术来设置或制造。如果使用机械磁通量开关，它们可用MEMS类技术来制造。如果使用静止开关，材料可以被设置和/或沉积。路径优选事先缠绕，然后拾取并设置在图示位置中。图9所示的实施例也适于微型化和复制。

Claims (17)

1.一种发电机，其包括：

产生磁通量的永磁体；

可磁化构件；

绕该可磁化构件的导电线圈；以及

磁通量开关设备，其可操作地依次颠倒来自磁体的经所述构件的磁通量，因而在所述线圈中感应产生电流。

2.如权利要求1所述的发电机，其中所述磁通量开关设备包括多个静止的固体磁阻开关。

3.如权利要求2所述的发电机，其中所述磁阻开关由巨磁致伸缩材料和压电材料组成。

4.如权利要求1所述的发电机，其中：

所述永磁体形成第一环路，其中北端“N”和南端“S”相对横跨定义体积的间隙；

所述可磁化构件形成第二环路，其中端部“A”和“B”相对横跨拥有同一体积的间隙；以及

所述磁通量开关设备设置在所述体积中并可操作来：

a)磁耦合N与A，以及S与B，然后

b)磁耦合N与B，以及S与A，和

c)依次重复步骤a)和b)。

5.如权利要求4所述的发电机，其中所述磁通量开关设备包括：

具有四条边1—4的体积中的静止块，其中两条相对边分别与N和S连接，而另两条相对边分别与A和B连接，该静止块由被四个电操作的磁阻开关所分段的可磁化材料组成；以及

与所述磁通量开关电通信的控制单元，所述单元可操作来：

a)建立经边1—2和3—4的磁通量路径，然后

b)建立经边2—3和1—4的磁通量路径，和

c)依次重复a)和b)。

6.如权利要求4所述的发电机，其中所述磁通量开关设备包括：

具有四条边1—4的体积中的静止块，其中两条相对边分别与N和S连接，而另两条相对边分别与A和B连接，该静止块由被两个电操作的磁阻开关和两个空气或其他材料的间隙所分段的可磁化材料组成；以及

与磁通量开关电通信的控制单元，所述单元可操作来：

a)被动地允许缺省磁通量路径经过边1—2和3—4，然后

b)主动建立经过边2—3和1—4的磁通量路径，以及

c)依次重复a)和b)。

7.如权利要求4所述的发电机，其中所述磁通量开关设备包括由高磁导率和低磁导率材料组成的主体，以便在该主体旋转时，来自磁体的磁通量被依次颠倒经过可磁化构件。

8.如权利要求7所述的旋转磁通量开关设备，其中除了将圆柱体分成两个半圆柱体的低磁导率材料的部分外，所述圆柱体由高磁导率材料组成。

9.如权利要求7所述的旋转磁通量开关设备，其中所述主体被机械地旋转。

10.如权利要求7所述的旋转磁通量开关设备，其中所述主体被机电地旋转。

11.如权利要求1所述的发电机，其中在所述线圈中感应产生的至少部分电流用于操作所述磁通量开关设备。

12.如权利要求1所述的发电机，进一步包括：

在相对的方向上产生磁通量的第一和第二永磁体；以及

多个磁通量开关，其可操作来依次颠倒来自所述磁体的经所述构件的磁通量，因而在所述线圈中感应产生电流。

13.如权利要求12所述的发电机，其中：

所述磁体被设置成其N和S极颠倒；

所述可磁化构件设置在两个磁体之间；以及

有四个磁通量开关SW1—SW4，两个磁通量开关位于该构件的每端和每个磁体的磁极之间。

14.如权利要求12所述的发电机，其中：

所述第一磁体具有北极和南极，N1和S1；

所述第二磁体具有北极和南极，N2和S2；

所述构件具有两端A和B；

SW1在N1和A之间；

SW2在A和S2之间；

SW3在N2和B之间；

SW4在B和S1之间；以及

进一步包括控制电路，其可操作来：

a)激活SW1和SW4，然后

b)激活SW2和SW3，和

c)依次重复步骤a)和b)。

15.一种发生电流的方法，其包括以下步骤：

提供缠绕其四周有电导线圈的可磁化构件；和

依次颠倒来自永磁体的经所述构件的磁通量，因而在所述线圈中感应电流。

16.如权利要求15所述的方法，其进一步包括以下步骤：使用在所述线圈中感应产生的至少一部分电流从而依次颠倒来自永磁体的经所述构件的磁通量。

17.如权利要求15所述的方法，进一步包括以下步骤：依次颠倒来自多个永磁体的经所述构件的磁通量，因而在所述线圈中感应产生电流。

。

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