CN102369372A - 离心系统 - Google Patents

Abstract

一种离心系统(500)，其将离心力(513，514)从带有质量元件(505f，506f)的被有利地定位的旋转物体传递到被连接到输出轴杆(509b)或被直接地连接到轴杆或系统上的结构的臂(501，503)，从而提供输出扭矩或力(511，512)。离心系统使用在物体中的一个或多个质量元件(505f，506f)的旋转运动来产生驱动质量元件径向地向外的离心力(513，514)，以使离心力产生切向力(511，512)，该切向力(511，512)以一角度作用在臂(501，503)上以提供大量的扭矩，从而旋转系统的输出轴杆(509b)。物体可具有可调节的连接元件(505e，506e)或连接元件构型，以使物体(505f，506f)传递能量给臂(501，503)以旋转离心系统。离心系统可在开放式空间中或被封闭。例如，产生的力可被用来在输出轴杆或系统上驱动线性运动。

Description

离心系统

相关申请的交叉引用

本申请涉及且要求2009年1月23日提交的名称为“离心系统”的美国非临时专利申请第12/359,132号的优先权，该美国非临时专利申请在此以引用方式并入。

对于美国的指定，本申请是前述的美国专利申请第12/359,132号的延续。

发明背景

1.发明领域

本发明涉及用于使用旋转系统来产生扭矩或力的系统和方法。具体地，本发明涉及利用离心力来移动物体的系统和方法，将离心力施加在有用的位置处，从而产生扭矩或定向力。这些系统包括利用系统中的物体构型来将一个或多个物体的旋转运动转换成机械能或力的一种系统。

2.相关技术的讨论

在旋转的参考系中，离心力——其为与旋转相关联的假想力——从旋转轴线径向地指向外。以一致的速度v在半径r的圆中旋转的粒子受到向心加速度a_c，向心加速度a_c由下式给定：

$a_c=\frac{v^2}{r}$

在圆中一致地运动的物体，例如被保持在绳的端部的球受到向心力。向心力的大小由牛顿第二定律F＝ma来确定。根据牛顿第三定律，离心力等于向心力且与向心力相反。因此，离心力的值等于向心力。离心力F的大小因此由下式确定：

$F={\mathrm{ma}}_c=m\frac{v^2}{r}$

角速度由v＝rω来给定。因此，离心力F的大小还可写成：

F＝mrω²

假定质量体M，该质量体M由长度R的绳系着且被设定处于以ω的角速度围绕旋转中心的旋转运动中。该质量体因为借助于绳来拉动该质量体的向心力F＝MRω²而在圆形的路径中旋转。由旋转的质量体M施加的反作用力等于向心力且在方向上与向心力相反。因此，离心力也为MRω²，且在远离旋转中心的径向的方向上。

概述

本发明提供可被构型成扭矩系统或力系统的离心系统，该离心系统将来自带有质量元件的被有利地定位的旋转物体的离心力传递到臂或连接到输出轴杆的系统，从而提供输出扭矩或力。在一个实施方案中，扭矩系统使用物体中的一个或多个质量元件的旋转运动来产生驱动质量元件径向地向外的离心力，以使离心力以一角度作用在臂上，从而提供大量的扭矩以旋转扭矩系统的输出轴杆。连接元件和臂之间的角度决定了用于扭矩产生的有效力的大小。在一个实施方案中，力系统使用物体的一个或多个质量元件的旋转运动来产生驱动质量元件径向地向外的离心力，且离心力被改变方向以提供使外部结构或力系统以线性运动(向前或向后)的方式来移动的巨大力。

扭矩系统的物体——特别是其质量元件——被设计成机械地驱动扭矩系统的臂。力系统的物体——特别是其质量元件——被设计成以线性运动来驱动力系统。在一个实施方案中，物体可具有可调节的连接元件或连接元件构型，以使物体给臂传递能量，以旋转扭矩系统或提供以线性运动来推动或拉动力系统或外部系统的力。在扭矩系统中得到的扭矩可通过调节由物体产生的离心力的大小来控制。在力系统中得到的力可通过调节由物体产生的离心力的大小来控制。

扭矩系统或力系统可在开放式空间中运行或被封闭。系统构型、物体构型、物体质量、连接位置、质量体到旋转轴线的位置、扭矩臂长度和离心力的角度的多种考虑都是可被调制以实现高性能的设计参数。例如，由扭矩系统产生的扭矩可被用来驱动输出轴杆的旋转运动。由力系统产生的力可被用来驱动外部结构或力系统本身的线性运动。

依据对下文详细描述的考虑并结合附图可更好地理解本发明。

附图简述

图1示意性地显示了根据本发明的一个实施方案的在非运行构型中的扭矩系统100。

图2示意性地显示了根据本发明的一个实施方案的被封装在外壳中的扭矩系统200。

图3示意性地显示了根据本发明的实施方案的扭矩系统300。

图4示意性地显示了根据本发明的实施方案的具有压缩弹簧的扭矩系统400。

图5显示了根据本发明的实施方案的扭矩系统500的透视图。

图6显示了根据本发明的实施方案的扭矩系统600的透视图。

图7显示了根据本发明的实施方案的力系统700的透视图。

图8显示了根据本发明的实施方案的力系统800的透视图。

图9a至图9h显示了根据本发明的一个实施方案的分别被连接到轴杆901和臂902以形成扭矩系统900、910、920、930、940、950、960和970的物体900、910、920、930、940、950、960和970的俯视图。

图10显示了根据本发明的一个实施方案的扭矩系统1000的透视图。

为了便于在附图中的交叉引用，类似元件由类似参考数字表示。

优选实施方案的详述

本申请涉及可被构型成扭矩系统或力系统的离心系统。离心系统使用由一个或多个物体的旋转运动所产生的力来产生用于使驱动轴(例如，轴杆)驱动的扭矩或用来产生力。因此，扭矩系统引导离心力以产生用于提供机械能的旋转运动，且力系统使离心力变向成线性定向的力。在一个实施方案中，为了产生扭矩，本发明的扭矩系统利用了作用在臂上的旋转物体的离心力。离心力围绕臂的旋转轴线被施加到扭矩的轴杆固定所在的臂上，以使离心力产生将臂设定成处于旋转运动的扭矩。由离心系统的旋转物体产生的扭矩或力的大小与物体的质量、扭矩的臂的长度和旋转的角速度的平方成比例。根据本发明，扭矩系统或力系统可被封装在充满流体的空间或真空的空间(即，抽空的空间)中。

离心系统可具有以多种不同构型来连接的多个物体，以驱动定位在旋转公共轴线处的轴杆的运动。在扭矩系统中，当物体旋转时，每个物体的离心力引起扭矩，该扭矩使离心系统保持旋转，因此给扭矩系统提供旋转的机械能。在力系统中，每个物体的离心力引起被导向以提供线性输出力的力。在一个实施方案中，离心系统的基本物体结构包括质量元件和连接元件。质量元件可由一个或多个质量体组成。连接元件，其对于扭矩系统可为刚性的且对于力系统可为非刚性的，且可由多个部分组成，连接元件将质量元件连接到轴杆或臂或系统的结构。例如，连接元件可由杆、弹簧或棒组成。扭矩系统的轴杆可被用来驱动外部的机械装置或发电机。力系统的输出可被用来将外部系统驱动成线性运动。

图1显示了扭矩系统100为开放式系统，该开放式系统具有分别通过臂101a、101b、101c和101d而结构性地附接到轴杆109的八个物体(在图1中标记为102、103、104、105、106、107、108和110)。物体102、103、104、105、106、107、108和110由连接到轴杆109的支撑臂101a、101b、101c和101d来结构性地支撑。轴杆109可被用来输出由物体产成的扭矩。每个支撑臂可设有用于产生升力的叶片(即，翼片形部分)。在图1中，物体由在连接位置(例如在图1中标记为A和B的点，或沿着臂101a、101b、101c、和101d的任何位置)处被附接到连接元件(即，标记为102a、103a、104a、105a、106a、107a、108a和110a的连接元件中的任何一个)的质量元件(即，标记为102b、103b、104b、105b、106b、107b、108b和110b的质量元件中的任何一个)组成，以产生扭矩来给系统提供动力。产生扭矩的每个连接位置可具有一个或多个连接的物体。具有一个物体的连接位置的示例是在距旋转轴线预定的径向距离处的连接位置A，显示了物体102由连接元件102a连接。具有两个连接的物体的连接位置的示例是连接位置B，其中，物体102和103分别由连接元件102a和103a连接到连接位置B。另外，每个臂可具有多个连接位置。例如，臂101a具有连接位置A和C。

连接元件可由多个部分组成，且可包括被提供以使质量元件如所期望的相对于连接位置而定位的弯曲部或曲线部。连接元件的设计还影响连接元件连接到连接位置时的角度，该角度可增大由物体产生的扭矩。质量元件可被定位在由连接位置和轴杆形成的相同的或不同的平面上。在图1中，用于扭矩系统100的连接元件101a、101b、101c和101d被图示成是定位在与连接位置相同的平面上的单个直杆。扭矩系统100是平衡的系统。连接元件和臂可由能经受住作用在其上的力的如下文所描述的任何材料形成，包括金属、塑料或复合材料。在运行期间，物体102、103、104、105、106、107、108和110提供足够的扭矩，以补偿由摩擦引起的任何损失。在轴杆109处的输出扭矩是由物体102、103、104、105、106、107、108和110产成的单个扭矩的总和。扭矩系统100的效率可通过将物体定向成使得离心力以优选的角度作用在每个臂上来增加，从而最大化产生的扭矩。

一旦扭矩系统100通过轴杆109的旋转运动而被初始地设定成处于旋转运动，离心力便在每个物体上产生。假设每个物体的质量元件明显地大于其相关联的连接元件，则离心力作用在物体上的方向大约为沿着从轴杆109指向质量元件的质心的径向方向。在每个物体上产生的离心力的一部分基于离心力的方向和连接元件到臂的连接角度而在连接位置处被切向地定向。例如，离心力111在连接位置A处提供切向力112。因为物体102在扭矩系统100旋转时保持相对于臂101a的相同的位置，所以由离心力111产生的切向力112不取决于臂101的相对于轴杆109的旋转位置。在每个连接位置处产生的扭矩是切向力乘以连接位置和轴杆109之间的径向距离。由扭矩系统100产生的总扭矩是在所有连接位置处产生的扭矩的总和。

在轴杆109的旋转运动中的扭矩可被用来驱动外部的机械装置。在扭矩系统100中，使用齿轮或其它构型，轴杆109可被制成以与任何臂或物体的速度不同(即，与臂101a和101b以及物体102、103、104和108中的任何一个的速度不同)的速度来旋转。

在一个实施方案中，物体(例如102、103、104、105、106、107、108和110)可在扭矩系统内的任何位置定位以产生所期望的扭矩。多于一个物体或物体的组可被提供以驱动扭矩系统做功。

扭矩系统100可被封装在充满流体或空气的外壳中，或装入真空环境。来自旋转物体的质量元件的离心力被传递到将轴杆109连接到扭矩系统100内的臂。臂继而在轴杆109中产生扭矩，该扭矩可被用来进一步产生扭矩。不存在摩擦或空气阻力时(例如在真空或抽空的环境中)，质量元件将持续其旋转运动。只要物体中的质量元件旋转，离心力便被维持。

图2显示了具有封闭式外壳202的扭矩系统200，该封闭式外壳202包括分别由臂201a、201b、201c和201d连接到轴杆209的壁部分202a和202b。扭矩系统200包括给物体的放置提供空间的中空的内部空间(例如，外壳空间203)。被定位在外壳空间203内的物体204、205、206和207被结构性地附接到壁部分202a的内壁。为了驱动轴杆209，每个物体被定向成最大化在运转期间由旋转运动引起的扭矩。在图2中，物体210和211被显示为定位在外壳202的外部且被定位成沿着壁部分202b的外壁，且每个物体被定向成最大化扭矩的产生。物体212和213被显示为定位在外壳202的外部且被定位成沿壁部分202a的外壁，且每个物体被定向成最大化扭矩的产生。物体可被连接到壁部分202b和壁部分202a的内壁(例如，在外壳空间203内)或外壁。

臂201a、201b、201c和201d可延伸进入外壳空间203。一旦扭矩系统200被初始地设定处于旋转运动，由物体引起的离心力便在连接位置处产生切向力，如上文所述。扭矩系统200提供了外壳以预定的方向旋转的示例。扭矩系统200的旋转运动可被用于通过被外部地连接到外壳202的轴杆或齿轮系统来驱动机械装置。具有外壳的旋转允许外壳用作储存在扭矩系统200中所产生的机械能的飞轮。外壳空间203可填充有流体以改变外壳202的质量，从而调节飞轮的能量储存能力。

如上文所描述的，连接元件可具有多个部分。图3显示了具有被连接到臂301a和301b的物体310和311的扭矩系统300。臂301a和301b继而被连接到轴杆309。物体310和311每个都包括具有两个部分的连接元件，一个部分被连接到臂(即，部分310a或部分311a)，而另一个部分以与离心力相同的方向延伸(即，部分310b或部分311b)。具有以与离心力相同的方向向外延伸的部分提供了在由物体产生的离心力上的增大，同时保持对于臂的相同的连接角度。

扭矩系统100、200和300由外部动力被初始地设定处于旋转运动，其提供系统中的离心力。扭矩系统在设有装置(例如，压缩弹簧)时可被制成自启动。该张力装置可被用来产生作用在系统内的一个或多个物体上的力。图4显示了具有压缩弹簧402a和402b的扭矩系统400，该压缩弹簧402a和402b分别产生作用在物体403和404的质量元件403b和404b上的力。由弹簧402a和402b产生的力在与由物体产生的离心力相同的方向上，产生在连接位置A和B处的切向力。切向力的总和可被用来启动旋转且增大扭矩系统400的总扭矩。

图5显示了包括物体505和506的扭矩系统500，该物体505和506分别由升高元件501f和503f连接到臂501和503。带有升高元件501f的物体505的接合点展现为连接位置A。类似地，带有升高元件503f的物体506的接合点展现为连接位置B。考虑到物体505和506的各自的连接元件的长度，可选的支撑件可被提供用于物体505和506。例如，具有升高元件502h和504h的支撑臂502和504可在连接元件部分505b和506b处被分别提供给物体505和506。升高元件502h和504h都被设计成仅用于支撑，从而允许连接元件部分505b和506b分别地在尽可能小的摩擦下移动。升高元件502h和504h可设置滚子，以减小在连接元件部分505b和506b上的接触摩擦。可选的张力装置510可被放置在连接元件部分505b和506b之间，以给物体505和506提供支撑、使扭矩系统500自启动以及提供附加的扭矩效益，如上文所述。臂501、502、503和504在轴杆部分509a处被连接到轴杆509。物体505和506被设计成使分别在连接位置A和B处被转换为切向力的离心力的大小最大化。物体505由连接元件部分505a而连接在沿着臂501的径向方向的连接位置A处。离心力513作用在物体505上的方向与连接元件505a相切，以使离心力513在连接位置A处产生最大的切向力511。同样，作用在物体506上的离心力514在连接位置B处产生最大的切向力512。

尽管显示为单个物体被连接到臂501和502中的每个处，但是扭矩系统500可具有被连接到臂501和502中的每个处的在彼此上面堆叠的多个物体。例如，类似于升高元件501f的多个升高元件可在彼此上面堆叠，每个升高元件支撑类似于物体505的物体。类似的构型可被提供，以将多个物体支撑在类似于升高元件503f的升高元件处。用于堆叠的物体的可选的支撑件可通过堆叠类似于升高元件502h和504h的升高元件来提供。多个张力装置也可被堆叠，以增加启动扭矩和输出扭矩两者。

在一个实施方案中，扭矩系统500的物体505和506被修改成与分别定位在臂504和502上的滑轮505d和506d一起运转。扭矩系统500的旋转可由作用在物体505和506上的重力来启动。物体505和506每个具有非刚性连接元件505e和506e，每个非刚性连接元件由缆、绳、线或任何类型的类似地构造线制成。连接元件505e和506e是柔性的且具有抗拉强度，从而在其端部之间传递力。连接元件部分505e将质量元件505f通过滑轮505d而连接到连接元件部分505b。连接元件部分506e将质量元件506f通过滑轮506d而连接到连接元件部分506b。滑轮505d和506d将作用在质量元件505f和506f上的重力的方向分别改变为由参考数字513和514标示的方向，以在臂501和503上产生在方向511和512上的力，从而导致给旋转系统500提供扭矩。一旦系统500开始旋转，质量元件505f和506f便旋转且继而产生离心力以提供输出扭矩。

在图1-5中显示的物体凭借被固定地连接到各自的连接位置而相对于臂保持静止。但是，物体相对于其各自的连接位置还可能是可移动的。图6显示了扭矩系统600，其中，物体605和606通过可旋转元件601r和603r被分别连接到臂601和603。物体605和606可因此也分别围绕可旋转元件601r和603r旋转。升高元件601p和603p从臂601和603延伸至达到物体605和606的上方的高度，以给臂601和603提供切向力。可选的支撑件通过在连接元件部分605b和606b处的升高元件602h和604h被分别地提供用于物体605和606。可选的张力装置可被放置在连接元件部分605b和606b之间，以给物体605和606提供支撑、使扭矩系统600自启动以及提供额外的扭矩效益，如上文所描述的。臂601、602、603和604在轴杆部分609a处均被连接到轴杆609。

物体605的连接元件部分605a和605t形成在可旋转元件601r处枢转的两侧杠杆臂。当扭矩系统600旋转时，离心力610在连接元件部分605a处产生切向力，该切向力使物体605围绕可旋转元件601r旋转，直到连接元件部分605t进入与升高元件601p的接触状态，从而在臂601上产生切向力。因离心力610而引起的在臂601上的切向力的大小取决于质量元件605c和可旋转元件601r之间的距离与可旋转元件601r和升高元件601p之间的距离的比值。可旋转元件601r距升高元件601p越近，在臂601上的切向力越大。

在物体内部，连接元件可具有多个连接元件部分；同样，质量元件可具有多个质量体。图9a-9e显示了每个物体可在一个端处被连接到臂902以形成扭矩系统900、910、920、930和940的物体的不同的变型的示例。(臂902在另一端处被连接到轴杆901)。图9f-9h显示了每个物体可被连接到轴杆901以形成扭矩系统950、960和970的物体的不同的变型的示例。轴杆901可由外部动力提供动力，以给扭矩系统提供旋转运动。图9a显示了这样的扭矩系统900，其具有物体900的无需连接元件而被连接到臂902的质量元件900b。臂902可被认为是用于物体900的连接元件。连接元件可作为臂的部分或质量元件的部分被一体形成，其中，质量元件被成形为不平均地分配其质量。图9b显示了包括具有质量元件910b和弯曲的连接元件910a的物体的扭矩系统910。图9c显示了具有由质量元件920c和两个直连接元件部分920a和920b组成的物体的扭矩系统920。图9d显示了具有由质量元件930d和三个直连接元件部分930a、930b和930c组成的物体的扭矩系统930。图9e显示了具有由多个质量体(940d、940e和940f)和多个连接元件部分(940a、940b和940c)组成的物体的扭矩系统940。

图9f显示了具有物体951、952、953和954的扭矩系统950，该物体951、952、953和954沿着轴杆901被直接地连接且围绕轴杆被圆形地或螺旋形地定位，以轴向地输出扭矩，而无需由臂传送的力传递。由扭矩系统950产生的总扭矩是在所有连接位置处产生的扭矩的总和。物体可在任何位置以包括螺旋形的任何构型沿着轴杆901被连接。图9g显示了具有直接地连接到轴杆901以轴向地输出扭矩的物体961、962、963、964、965和966的扭矩系统960。物体961、962、963、964、965和966的质量元件是相等的。连接元件961a和962a的长度是相等的。连接元件963a和964a的长度是相等的。连接元件961a的长度比963a的长度长，且963a的长度比965a的长度长。

一旦扭矩系统960由轴杆901的旋转运动而初始地设定成处于旋转运动，离心力便在每个物体上产生，其基于离心力的方向和连接元件到轴杆的连接角度而在轴杆处被定向。当在物体961、962、963、964、965和966上的离心力都指向公共轴线且每个物体以与连接元件到轴杆的基本相同的连接角度来作用时，物体961和962给扭矩系统960提供最大的扭矩，且物体965和物体966给扭矩系统960提供最小的扭矩。物体961和962可分别与物体965和966交换位置，以具有在轴杆的较下端处产生的较大的扭矩。连接元件在扭矩系统960中的长度可以以不同的量级来布置，以达到不同的结果。

图9h显示了包括物体971、972、973、974、975和976的扭矩系统970，该物体971、972、973、974、975和976全部具有以相同的角度被附接到轴杆901的具有相同长度的连接元件。质量元件971a和972a被设置成同样的质量，质量元件973a和974a被设置成同样的质量，且质量元件975a和质量元件976a被设置成同样的质量。质量元件971a和972a每个都具有比质量元件973a和974a中的任一个更大的质量，质量元件973a和974a每个继而具有比质量元件975a或976a中的任一个的质量更大的质量。当轴杆901旋转时，因为物体在质量上的不同，顶部物体971和972产生比物体973和974更大的扭矩，物体973和974继而产生比底部物体975和976更大的扭矩。物体971和972可与物体975和976换位。扭矩系统900、910、920、930、940、950、960和970可每个被部分地或全部地封装在适当的外壳中。物体900、910、920、930、940、950、960和970根据本发明的实施方案可被构型成形成力系统。

根据本发明的另一个实施方案，图10显示了扭矩系统1000，其具有附接到轴杆1009提供输出扭矩的臂1001和1002。滑轮1003c、1003d、1003e和1003f通过支撑臂1003a和1003b而连接到轴杆1009。物体1004和1005被连接到可旋转结构1006，从而连接到力结构1007。力结构1007提供轴向力1008。物体1004具有连接到臂结构1001b的刚性连接元件部分1004a以及穿过滑轮1003e和1003f延续至可旋转结构1006的非刚性连接元件部分1004b。物体1005具有连接到臂结构1002b的刚性连接元件部分1005a和穿过滑轮1003c和1003d延续至可旋转结构1006的非刚性连接元件部分1005b。滑轮1003c和1003d被用来将来自力结构1007的力通过可旋转结构1006变向至刚性连接元件部分1005a，以在1002b处产生力1010。滑轮1003e和1003f将来自力结构1007的力变向至刚性连接元件部分1004a，以在连接位置1001b处产生力1011。可旋转结构1006与轴杆1009和非刚性连接元件部分1004b和1005b一起旋转。力结构1007可借助于通过轴承(未示出)来连接到可旋转结构1006从而与可旋转结构1006一起旋转(或可为静止的)。

扭矩系统1000使用力结构1007来提供轴向力1008，使用重力、液压系统或任何其它方法以产生单向力。力1008通过物体1004和1005在臂1001和1002上产生扭矩。只要存在由力结构1007产生的力，则在臂1001和1002上产生的扭矩就被持续。扭矩系统1000使用单向力来产生用于系统的旋转运动。当力结构1007与可旋转结构1006一起旋转时，力结构1007可用作储存旋转能量用的飞轮。当力结构1007是静止的时，结合机械的方法来产生力1008以驱动扭矩系统1000的复杂性被减小。

离心系统例如本发明的扭矩系统可具有带有不同的质量元件的不同的物体，以基于作用在扭矩系统中的臂上的离心力来驱动轴杆输出。扭矩系统通常在扭矩输出前被驱动至特定的旋转速度。当物体继续旋转时，由物体产成的扭矩使系统的角速度增大，包括物体的角速度。当系统达到特定的角速度时，物体的旋转可被停止，因为物体已经产生足够量的输出扭矩或足够大的系统角速度来维持系统的运动。

在离心系统中，具有不同长度的连接元件的物体可围绕输出轴杆被圆形地或螺旋形地定位。如在上文的图1-6和图9中所示，为了阐述的目的，物体的连接元件被设置为刚性连接元件以产生扭矩。如上文的图10中所示，为了阐述的目的，物体的连接元件被设置为刚性连接元件以产生扭矩输出和设置为非刚性连接元件以使输入力变向。

图7显示了使用上文所讨论的原理的根据本发明的一个实施方案的开放式离心系统700。如在图7中所示，力系统700包括具有外围部分701a和底部部分701b的容器701，该容器701连接到允许外部动力通过使轴杆709旋转而启动力系统700的轴杆709。滑轮702a、702b、702c和702d每个被结构性地附接到外围部分701a的内壁，以将径向方向的离心力改变成预定方向(“单向”)的力。物体703、704、705和706分别包括连接元件703a、704a、705a和706a以及质量元件703b、704b、705b和706b。物体703、704、705和706中的连接元件可由缆、绳、索、线、丝、带、链或柔性的且具有抗拉强度的任何类型的类似地构造的线组成，以在其端部之间传递力。连接元件703a、704a、705a和706a中的每个都具有连接到容器701的在底部部分701b处的内部的一个端。力系统700通过使轴杆709驱动的外部动力源而被设定成处于在方向707上的旋转运动。在运行期间，由质量元件703b、704b、705b和706b的旋转运动引起的离心力由连接元件703a、704a、705a和706a经过静止的滑轮702a、702b、702c和702d而传递到容器701的底部部分701b，由此产生轴向力708。因此，力系统700将旋转物体的离心力转换为单向力，该单向力可被用来移动力系统700、使力系统700驱动的驱动系统和被连接到驱动系统的所有部件。滑轮702a、702b、702c和702d可结构性地适于附接到外壳701的边缘部分701c。更多的滑轮或其它适合的结构可被用来提高系统的结构完整性。

在力系统700内设置有被定向成使用物体的旋转运动来产生推力的许多最佳构型的物体。该推力可被用于以预定的方向来驱动被附接到轴杆709的力系统700。从力系统700输出的力的大小取决于质量元件、质量元件的角速度以及每个质量元件和旋转轴线之间的距离。连接元件703a、703b、703c和703d的长度在运行期间可被动态地改变，以控制产生的推动力的大小。物体的连接元件可被调节，以控制推力和轴杆的旋转速度。连接元件的长度还可具有由一个或多个弹簧组成的部分。在一个实施方案中，力系统700具有在长度上可调节的线缆元件，或具有带有一个或多个弹簧的部分。力系统700的输出推动力可由控制单元(未示出)控制。力系统700可根据需求而被构型成封闭式系统。

图7还显示了带有刚性连接元件的与上文的图1-4的扭矩系统100、200、300和400中的物体类似的物体，且该物体可以以适当的角度被放置在力系统700的位置中，以提供扭矩从而帮助构型系统700来旋转。例如，如在图7中所示，臂702e在一个端处被连接到外围部分701a的外壁，且径向地向外延伸，连接到由连接元件710a和质量元件710b形成的物体710。类似地，被连接到边缘部分701c的支撑件702f径向地向外延伸且具有延续到内部的连接元件705a，以使连接元件705a的运动不被限制。支撑件702f可被用作带有附接的物体712的臂。如在图7中所示，(a)物体711被直接地连接到外围部分701a且远离外围部分701a，(b)物体714被直接地连接到外围部分701a且沿着外围部分701a，且(c)物体713被直接地连接到边缘部分701c并向外定位。物体710、711、712、713和714都促成产生用于力系统700的扭矩。与扭矩系统500的物体505、506和扭矩系统600的物体605、606类似的物体可与一些额外的构型一起放置在边缘部分701c上，以给轴杆709提供扭矩来旋转。力系统700可被部分地或全部地封装在外壳中。

图8显示了根据本发明的一个实施方案的提供控制机构来产生双向力的力系统800。力系统800具有被结构性地连接到轴杆809的外壳801，其允许外部动力来旋转力系统800。力系统800包括物体805和物体806。外壳801包括外壳部分801a、801b、801c和801d。在外壳801内，设有分别地被附接到外壳部分801d和801b的控制单元802a和802b，以控制张力单元802c和802d。张力单元802c和802d每个都被设计成轴向地移动，以控制物体805和806的连接元件805a、805b、806a和806b与其各自的质量元件805c和806c之间的张力。由于物体805和806引起的在张力单元802c和802d上产生的力每个都与在附接到张力单元的连接元件805a、805b、806a和806b上的各自的张力成比例。在运行期间，控制单元802a和802b控制张力单元802c和802d的轴向位置，以动态地改变分别在张力单元802c和802d上产生的力。由附接到张力单元802a的连接元件而引起的力产生了在方向811上的推动力，且同样地，由附接到张力单元802b的连接元件而引起的力产生了在方向810上的推动力。

如在图8中所示，物体805具有两个都附接到质量元件805c的连接元件805a和805b，该质量元件805c被定位成通过系统的在由参考数字812标示的方向上的旋转运动而在轴杆809上产生推力。连接元件805a穿过外壳开口801e至外壳内的滑轮803a，从而附接到张力单元802c。类似地，连接元件805b通过外壳开口801e和外壳801内的滑轮803b附接到张力单元802d。物体806具有两个都附接到质量元件806c的连接元件806a和806b。连接元件806a穿过外壳开口801f至外壳内的滑轮803d以附接到张力单元802c。连接元件806b通过外壳开口801f和外壳801内的滑轮803c附接到张力单元802d。连接元件805a、805b、806a和806b可为缆、绳或能够操纵质量元件805c和806c以及张力单元802c和802d之间的力的另一种类型的柔性材料。在运行前，当张力单元802c和802d处在它们的分别最接近于控制单元802a和802b的轴向位置中时，连接元件805a和805b的长度是相等的。类似地，连接元件806a和806b的长度是相等的。张力单元802c控制连接元件805a和806a的长度，且张力单元802d控制连接元件805b和806b的长度。在运行期间，在提供给物体的连接元件的张力中的较大的量值决定了哪个相关联的张力单元输出推动力(和产生的推力的方向)。例如，如果连接元件805a比连接元件805b具有更大的张力值，则张力单元802c将在方向811上输出推动力。相反地，如果连接元件806a比连接元件806b具有更小的张力值，则张力单元802d在方向810上输出推动力。

物体805和806被径向地布置，以提供由力系统800的旋转引起的离心力。滑轮803a、803b、803c和803d结构性地适应于外壳部分801a和801c的内壁，且被定位成允许转换连接元件805a、805b、806a和806b上的离心力以形成轴杆809上的单向力。力系统800初始地被设置成处于由812标示的方向上的旋转运动中，且张力单元802c和802d处在轴向位置中以使连接元件805a和805b的长度是相等的且连接元件806a和806b的长度是相等的，因此产生零净推动力。为了产生在方向810上的推动力，控制单元802a使张力单元802c远离控制单元802a而移动，以使连接元件805a和806a的长度分别比连接元件805b和806b的相应的长度长。当张力单元802c运动至更靠近控制单元802a时，连接元件805a和806a的长度分别比连接元件805b和806b的相应的长度短。当张力单元802d更靠近控制单元802b移动时，连接元件805a和806a的长度分别比连接元件805b和806b的长度长。为了产生在方向811上的推动力，控制单元802b使张力单元802d远离控制单元802b而移动，以使连接元件805b和806b的长度分别比连接元件805a和806a的长度长。当力系统800的旋转速度增加时或当产生推力的张力单元和其相关联的控制单元之间的距离改变时，推动力增加。可选地，连接元件805a、805b、806a和806b可被调节以控制推力和轴杆的旋转速度，或具有储存在张力单元802c和802d内用于控制单元802a和802b的额外的长度，从而控制推力输出。力系统800允许推动力在向前、向后或停止位置中的控制，而无需停止轴杆旋转。

与扭矩系统100、200、300和400中的物体类似的带刚性连接元件的物体可以以适合的角度被放置在力系统800的任何位置中，从而提供扭矩以帮助系统旋转。例如，在图8中，臂801h被连接到外壳部分801a的外壁且径向地向外延伸。附接到臂801h的物体808包括连接元件808a和质量元件808b。连接到外壳部分801a的支撑件801g径向地向外延伸且连接元件805a和805b伸入到内部，以使连接元件805a和805b的运动不被限制。支撑件801g可被用作带有附接的物体807的臂。物体可被直接地或间接地连接到适当的位置和角度，以在力系统800中促进扭矩产生。与扭矩系统500和600的物体505、506、605和606类似的物体可与某些构型一起被放置在外壳部分801b、801d上或放置在外壳801内，以提供扭矩用于使轴杆809旋转。力系统800可被部分地或全部地封装在外壳中。

例如本发明的力系统的离心系统可具有带有不同质量元件的不同物体，用来基于作用在系统上的离心力而驱动轴杆输出。力系统通常在力被输出之前被驱动至特定的旋转速度。当物体继续旋转时，由物体产生的离心力被用来输出定向力。外壳701或801可被构型成杆、轴或臂或被结合到轴杆或其它支撑结构内。滑轮(即702a、803a)可被提供类似的功能的导轨或其它结构替换。

在本发明的离心系统中，具有不同长度连接元件的物体可围绕输出轴杆被圆形地或螺旋形地定位。如在上文的图7-8所示，为了阐述性的目的，物体的连接元件被设置成非刚性连接元件来产生力输出。离心系统的臂或连接元件或任何适合的结构可被设计成具有翼片形截面或用作叶片，从而根据臂的构型、离心系统的连接元件和应用来提供升力，以在例如风扇、泵、推动器、压缩器或增压器的用中移动流体。根据本发明，离心系统可包括在机械输出动力或力不需要驱动轴杆或系统时允许物体或臂从旋转运动退回的一个或多个机构，从而减少由摩擦引起的损失。

在离心系统的一个实施方案中，连接元件和扭矩系统的扭矩臂之间的角度或连接元件和力系统的轴杆之间的角度、质量元件的总质量以及质量元件和旋转轴线之间的距离可在运行期间被动态地调节。每种类型的调节可被设置在充分使调节对于由质量元件引起的离心力的作用最大化的范围内。连接元件响应于物体的速度和扭矩系统或力系统的运动而可倾斜或弯曲并且可相对于离心的方向被调节，从而最大化系统输出。在操作期间控制臂和物体的可调节部分的扭矩控制机构可被用来改变旋转的物体或离心系统的角速度。

产生用于离心系统的扭矩或力的物体可被定位在能够实现扭矩或力的产生的任何位置。在上文的图1-10中显示的物体可仅被定位成用于阐述本发明且不被认为有限制性。每个物体的几何形状和放置位置取决于许多系统设计参数，包括到旋转轴线的距离、系统重量、臂的数量、运动、旋转速度和迎角，这些设计参数被优化以产生最大量的扭矩输出。在物体在臂上产生离心力之后，扭矩系统输出可增大轴杆的旋转速度。离心系统的扭矩或力输出可通过改变质量元件的总质量、施加到系统的结构上的离心力的角度和从离心力的应用到旋转轴的距离而被最大化。旋转离心系统的旋转运动可被用来产生扭矩或定向力。

如上文所讨论的，包括扭矩系统或力系统的离心系统可为封闭式或开放式系统。在封闭式离心系统中，系统的一部分或全部可在真空或在优化的环境中运行，以减小由摩擦或阻力引起的能量损失。系统构型、物体位置、物体构型、物体数量、扭矩臂半径、物体形状、物体的质量、连接元件与臂或轴杆之间的角度以及所期望的物体速度的多种考虑是可被调整用以实现高性能的所有设计参数。本发明的实施方案可使用MEMS或其它技术来实现。

离心系统机构组件在每个系统中的数量和它们的各自的强度是可变化的。利用极小的设计改变，弹簧可被压缩或延伸。离心系统机构组件可被重新定位且被改变以获得同样的或更大的离心系统结果。用于物体的材料的选择和它们的各自的强度虽然是重要的设计考虑，但是是在本领域技术人员的常规能力内的。

离心力系统的输出取决于物体在系统中的旋转速度。离心力系统的输出依赖于物体在系统中的旋转速度。根据本发明的一个实施方案，物体在离心系统中的质量元件可为球形或翼片形物体。为了系统的效率，质量元件优选地为具有优选地大于1的升阻比的空气动力物体。当物体的质量元件被适当地定位和定向时，质量元件具有由质量元件的空气动力效应引起的组合的离心力和升力。这些组合的力可被引导以增加扭矩生成或增加用于离心系统的力生成。控制机构可被提供以降速或停止系统。

如上文讨论的，离心系统可为部分地封闭、完全地封闭或完全地开放。离心系统可使用由离心力向量、升力和张力引起的旋转运动来提供扭矩或力输出。(例如，张力由扭矩系统400中的弹簧图示)。通过改变物体的数量以及连接和定向的方式，在所期望的扭矩或力输出中的改变可被实现。许多这些扭矩系统或力系统可取决于所需的期望的扭矩输出而以串联或并联来连接。

在离心系统中，在物体的连接元件和臂或轴杆之间的连接角可以是提供在扭矩或力输出上的力的任何适当的角度。物体的质量元件的质量应足够大以提供离心力。连接元件的质量还有助于质量产生物体的离心力。连接元件的强度被设计成保持其设计完整性。物体和臂可被定位在垂直于旋转轴线的不同的平面上。如果物体被定位在与臂不同的相对于旋转轴线垂直的平面上，则由物体提供的离心力是基于物体的在垂直于旋转轴线的臂平面上的投影平面。物体可具有螺旋形或圆形的连接元件以使物体可具有高度和宽度尺寸两者。张力装置例如弹簧还可给离心系统提供系统完整性。张力装置可为压缩弹簧、液压机构或任何类似的能够抵着质量元件产生力的机构。张力装置的位置和来自被施加在质量元件上的张力装置的力的方向可以是在离心系统上提供扭矩的任何方位。

本发明可应用于这样的系统，该系统具有可用来为某些系统——例如将重力或其它物理效应与来自离心系统的离心力组合的系统——产生扭矩或力的不平衡的重量或角动量。臂在运行期间可为可调节的，包括调节对于轴杆的连接角度、长度或形状(即，具有可移动的一个或多个部分)。臂可为直的或弯曲的，且可取决于应用从轴杆以任何角度延伸。质量元件可为球形、环形、圆柱形或任何形状，且可取决于应用而提供额外的益处，包括减小摩擦和增大由空气动力效应引起的力。质量元件可具有多个结构，每个结构具有共享由单个结构展现的质心的相同或不同的质量。

尽管在图1-10中显示的离心系统每个具有偶数个物体，但是离心系统还可具有奇数个物体。物体优选地应被定位成使由物体引起的离心力围绕离心系统的旋转轴线是平衡的。物体的构型以及对于扭矩系统和力系统的其它系统参数可为相似的。本申请涉及使用由连接到轴杆的一个或多个物体的旋转运动来产生离心力以在驱动轴上或在系统上产生扭矩或力的系统。根据本发明，扭矩或力可取决于系统构型由任何适当的结构例如轴杆来输出。本发明的原理不是必须限制于传动意义上的“动力生成”，而是可延伸到需要推进力或旋转能量的任何系统，包括纳米级物体、更大的机械的部分和甚至仅旋转的物体。

上文的详述被提供用以阐述本发明的具体的实施方案，且不被认为有限制性。在本发明的范围内的很多变型和改变是可能的。本发明在所附权利要求中被阐明。

Claims (24)

1.一种用于将离心力转换成扭矩的离心系统，包括：

能量输出装置，其具有旋转轴线；以及

一个或多个物体，其连接到所述能量输出装置，以使所述物体围绕所述旋转轴线的旋转运动在所述能量输出装置上产生扭矩。

2.如权利要求1所述的离心系统，其中，每个物体包括质量元件和将所述质量元件连接到所述能量输出装置的连接元件。

3.如权利要求2所述的离心系统，其中，所述连接元件被构型成最大化在所述能量输出装置上的来自所述质量元件的离心力的所述扭矩。

4.如权利要求2所述的离心系统，其中，所述连接元件是可调节的，以改变质量元件和所述能量输出装置之间的角度。

5.如权利要求2所述的离心系统，其中，所述连接元件是可调节的，以改变所述质量元件和所述旋转轴线之间的距离。

6.如权利要求2所述的离心系统，其中，所述连接元件具有被连接到所述能量输出装置的刚性部分。

7.如权利要求1所述的离心系统，还包括输入装置和变向元件，所述输入装置包括输入力，所述变向元件将所述输入装置连接到所述能量输出装置以使所述输入力在所述能量输出装置上产生扭矩，其中，所述输入力不取决于所述能量输出装置的旋转运动。

8.如权利要求7所述的离心系统，其中，所述变向元件包括所述物体中的一个或多个物体的部分。

9.如权利要求7所述的离心系统，其中，所述输入力由张力装置产生。

10.如权利要求7所述的离心系统，其中，所述输入力是可调节的。

11.如权利要求1所述的离心系统，其中，一个或多个物体具有是翼片或叶片的部分。

12.一种用于将力转换为扭矩的旋转系统，包括：

输出结构，其具有旋转轴线；

输入结构，其包括输入力；以及

变向结构，其将所述输入结构连接到所述输出结构，以使所述输入力在所述输出结构上产生扭矩从而使所述输出结构旋转，且其中，所述输入力的大小不取决于所述输出结构、所述输入结构和所述变向结构的旋转运动。

13.如权利要求12所述的旋转系统，其中，所述变向结构包括一个或多个缆线，所述一个或多个缆线通过每个缆线一个或多个滑轮将所述输出结构连接到所述输入结构。

14.如权利要求12所述的旋转系统，其中，所述输入力的大小是可调节的，以改变在所述输出结构上产生的所述扭矩。

15.如权利要求14所述的旋转系统，其中，所述输入结构以与所述输出结构和所述变向结构不同的角速度旋转。

16.一种用于将离心力转换成线性力的离心系统，包括：

第一输出装置，其具有旋转轴线；以及

一个或多个物体，其连接到所述第一输出装置，以使所述物体围绕所述旋转轴线的旋转运动在所述第一输出装置上产生力。

17.如权利要求16所述的离心系统，其中，每个物体包括质量元件和将所述质量元件连接到所述第一输出装置的连接元件。

18.如权利要求17所述的离心系统，其中，所述连接元件是可调节的，以改变所述质量元件到所述旋转轴线的距离。

19.如权利要求16所述的离心系统，还包括第二输出装置，以使力是来自所述第一输出装置和所述第二输出装置的力的总和，其中，所述物体包括质量元件、将所述质量元件连接到所述第一输出装置的第一连接元件和将所述质量元件连接到所述第二输出装置的第二连接元件。

20.如权利要求19所述的离心系统，还包括控制机构，其中，所述控制机构调节所述第一连接元件和所述第二连接元件，以控制从所述质量元件到所述第一输出装置和所述第二输出装置的离心力的分布。

21.如权利要求19所述的离心系统，其中，所述第一连接元件包括第一缆线和第一滑轮，且所述第二连接元件包括第二缆线和第二滑轮。

22.如权利要求16所述的离心系统，还包括一个或多个扭矩物体，所述扭矩物体被连接到所述第一输出装置，以使所述扭矩物体的旋转运动在所述第一输出装置上产生扭矩。

23.如权利要求16所述的离心系统，还包括输入装置和变向结构，所述输入装置包括输入力，所述变向结构将所述输入装置连接到所述第一输出装置以使所述输入力在所述第一输出装置上产生扭矩，且其中，所述输入力的大小不取决于所述第一输出装置和所述输入装置的旋转运动。

24.如权利要求16所述的离心系统，其中，一个或多个物体具有是翼片的部分。

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