CN109312713B

CN109312713B - 发电机

Info

Publication number: CN109312713B
Application number: CN201780022167.XA
Authority: CN
Inventors: 大卫·耶苏·亚涅斯维拉里尔
Original assignee: Vortex Bladeless SL
Current assignee: Vortex Bladeless SL
Priority date: 2016-04-07
Filing date: 2017-04-05
Publication date: 2022-03-01
Anticipated expiration: 2037-04-05
Also published as: EP3440344A1; US11053914B2; WO2017174161A1; CN109312713A; JP2019510920A; JP6967526B2; US20190101100A1; WO2017174685A1

Abstract

发电机包括第一部分(1)，第一部分(1)具有长形形状、第一端(11)和第二端(12)。第一部分被布置成用于以第一端(11)与基部(1000)相对应的方式附接至基部(1000)，并且第一部分被配置成位于流体中，并且被配置成使得当所述流体移动时，第一部分在所述流体中生成产生旋涡，使得在第一部分(1)上生成升力，该升力引起第一部分(1)的振荡运动。另外，发电机包括用于将第一部分的振荡运动转换成电能的子系统(3)。子系统(3)至少部分地容置在第一部分(1)内。

Description

发电机

技术领域

本发明涉及可再生能源领域，更具体地涉及基于冯卡门(von Karman)旋涡的发电领域。

背景技术

由于不可再生能源的缺点，例如基于化石燃料或核能的燃烧的缺点，已经作出了大量努力来开发所谓的可再生能源例如太阳能和风能。

到目前为止，可能最广泛的风力发电机是多叶片水平轴风力涡轮机。这里，风使具有多个叶片的转子旋转，并且该转子有时通过齿轮箱连接至发电机或交流发电机的转子。因此，风被用于使多叶片转子旋转，通常是三叶片转子，其被布置成使交流发电机的转子旋转以产生电力。这种风力涡轮机的缺点是大量的运动部件，其中许多运动部件通过或多或少复杂的轴承可旋转地布置。因此，由于例如部件的磨损、润滑剂的消耗等，维护成本可能很大。另外，在某些情况下，叶片的高速度也可能是噪音和对鸟类生活的影响方面的问题。

作为具有旋转交流发电机的多叶片风力涡轮机的替选方案，已知使用压电元件或材料将机械能转换成电能。例如，FR-2922607-A1公开了一种发电机，其中，一种杆(pole)被支承在压电元件上，使得当杆被风驱动或移动时，通过压电元件将杆的运动转换成电能。

JP-2006-158113-A描述了用于使用附接至磁体的压电元件将机械能转换成电能的机构。

在本领域中还已知使用所谓的“冯卡门旋涡”或简单地“卡门旋涡”来驱动发电机。例如，JP-2006-132397-A描述了在水中使用卡门旋涡以引起耦接至压电板的柱的振动。类似地，JP-2006-226221-A和EP-2602483-A1涉及基于卡门旋涡的发电机。

例如，EP-2602483-A1描述了一种发电机，该发电机包括被配置成有意地将定常的和层状的空气流转换成湍流的杆，其中，涡流或旋涡在整个杆的长度上以同步的方式出现。因此，杆承受两个力，即，在与风相同方向上的阻力和在与风的方向垂直的方向上产生的升力，风的方向以与新旋涡的出现频率相对应的频率改变符号，该频率可以使用以下公式计算：

F_v＝S*V/d

其中，F_v是旋涡的出现频率，V是空气的速度，d是杆的特征尺寸，例如，在具有圆形横截面的杆的情况下为杆的直径。S是无量纲的斯特劳哈尔(Strouhal)数。根据Hellmann指数定律，鉴于空气的速度随高度而增加，为了实现旋涡出现的同步，EP-2602483-A1提出了杆直径随着高度的增加而增加。EP-2602483-A1没有详细说明如何将杆的运动转换成电能，但是可以参考具有高机电耦合的元件。另一方面，EP-2602483-A1提出通过改变具有高机电耦合的元件所经受的电压来主动调节杆的表观杨氏模量或表观弹性模量。

通过引用并入本文的WO-2014/135551-A1公开了基于卡门旋涡的发电机的其他示例，其中，通过压电系统将杆的振荡运动转换成电能。它还说明了如何通过向围绕杆的弹性芯的压电材料施加电压来改变杆的固有振荡频率。

这种基于卡门旋涡的发电机的优点在于它可以在没有轴承、齿轮和润滑剂的情况下操作，并且它不需要额外的装置来启动发电机。

尽管使用压电元件似乎可能是将杆调谐到流体的运动速度例如风速的变化以及用于将振荡和非旋转运动——例如通过卡门旋涡自然生成的运动——转换成电力的问题的理想解决方案，但是已经发现，找到对使用大量压电材料的在技术上和经济上可行的替选方案可能是感兴趣的。

US-2008/0048455-A1描述了基于使用陀螺仪发电机的卡门旋涡驱动的发电机的另一示例。然而，这种类型的机构包括旋转元件，从而涉及上面所讨论的与维护有关的问题。

WO-2012/066550-A1描述了基于使用卡门旋涡的另一发电机，其具有对旋涡形成频率的主动控制以将旋涡形成频率调整至捕获元件的固有振荡频率。

US-2005/0230973-A1公开了另一基于振动的包括旋涡脱落设备的发电机。所描述的实施方式涉及利用从地层产生的流体在井中产生能量的背景。公开了用于将振动转换成电能的不同装置，包括压电装置和与线圈相互作用的磁体。

JP-2012-151985-A和JP-2012-151982-A公开了基于相对于线圈振荡的磁体的振动发电机，并且包括用于改变共振频率的装置。

发明内容

本发明的第一方面涉及一种发电机，该发电机包括第一部分，第一部分具有长形形状、第一端和第二端。例如，第一部分可以是柱、支柱或杆的形状。第一部分被布置成用于以第一端与基部对应的方式附接至基部，即，第一端朝向或面向基部并且第二端更远离基部。然而，第一端不一定附接至基部，并且在许多实施方式中，第一端与基部是基本上间隔开的。

第一部分被配置成位于流体中例如空气中，但是还存在其他的可能性，例如水中。流体可以具有基本上定常的和层状的流(substantially stationary and laminarflow)，一种通常存在于风中的特性。第一部分被配置成使得当流体移动时，第一部分在流体中产生旋涡，使得在第一部分上生成升力，该升力引起第一部分的振荡运动，如例如WO-2014/135551-A1中所描述的。由于第一部分以其第一端与基部相对应的方式附接至基部，因此与第二端相对应的振荡幅度将大于与第一端相对应的振荡幅度。在本申请中，术语“基部”将指相对于其发生振荡的点，即“固定附接”的点。例如，当第一部分经由柔性元件附接至基部时，柔性元件插入至固定结构和/或刚性结构的位置将被视为基部。

发电机还包括用于将第一部分的振荡运动转换成电能的子系统。该子系统至少部分地容置在第一部分内，在第一部分的第一端与第二端之间。在一些实施方式中，子系统完全容置在第一部分内。

常规地，许多所谓的旋涡发电机基本上基于被布置成相对于基部振荡的捕获元件，并且与用于将振荡运动转换成电能的外部子系统相关联。WO-2014/135551-A1公开了这种设备的示例，其中，第一部分或杆被布置成相对于基部以悬臂方式振荡，并且其中，与基部相对应地，用于将运动转换成电能的子系统基本上围绕第一元件。即，第一部分是可以被认为由于旋涡触发并且保持第一部分的振荡的方式从风中捕获能量的捕获元件，并且该捕获元件随后连接至外部子系统以进行能量转换。例如在WO-2012/066550-A1和US-2008/0048455-A1中采用了类似的方法：在两种情况下，被布置成相对于某种基部振荡的元件被连接至外部子系统以用于将机械能转换成电能。

然而，已经发现，将用于将第一部分的运动转换成电能的子系统至少部分地放置在捕获元件内可能存在许多优点。这些优点之一是它提供了能量转换装置的紧凑布置。为了在使材料成本和重量最小化的同时使能量捕获最大化，第一部分即可以被视为捕获元件的部分有利地是基本上中空的部分。将用于将第一部分的运动转换成电能的子系统至少部分地布置在第一部分内提供了紧凑且优雅的布置，例如，以长形杆的形式，而没有围绕基部的用于将机械能转换成电能的潜在庞大的子系统，如根据WO-2012/066550-A1、US-2008/0048455-A1和WO-2014/135551-A1已知的现有技术系统。

另一优点可能是由于如下事实：当长形的第一部分相对于基部振荡时，振荡运动的幅度以及移位的最大速度在振荡元件的轴向方向上从第一端到第二端增加，其中第一部分例如经由如WO-2014/135551-A1中教导的某种弹性元件以其第一端与基部相对应的方式附接至基部。对于许多能量转换系统，例如，对于基于磁体与线圈之间的相互作用的转换系统，为了提供用于由第一部分的运动表示的能量到电能的有效转换，幅度和速度二者会是重要的。因此，就有效的能量转换而言，例如将磁体和线圈放置成远离基部可能是有利的。例如，当由于磁体与线圈之间的相对运动而发生所述转换时，高速度会是优选的，因为在线圈中感应的电动势与穿过线圈的磁场的变化成比例。

在一些实施方式中，第二端在第一端上方距离H处，并且子系统被放置在第一端上方大于0.05H的距离处，优选地在第一端上方大于0.1H的距离处，甚至更优选地，在第一端上方大于0.2H的距离处，例如在第一端上方大于0.3H或大于0.4H的距离处，并且可选地在第二端下方至少0.1H的距离处，例如在第二端下方大于0.2H、大于0.3H或大于0.4H的距离处。例如，在一些实施方式中，子系统被放置在第一端上方大于0.1H并且在第二端下方大于0.1H的距离处，例如在第一端上方大于0.2H并且在第二端下方大于0.2H的距离处，例如，朝向第一部分的纵向中心部分，例如，在第一端上方大于0.3H并且在第二端下方大于0.3H的距离处。在其他实施方式中，子系统可以被定位成靠近第一端(例如第一部分的纵向延伸的下部10％或20％中)，以及在其他实施方式中，可以将它放置在第二端处或接近第二端(例如第一部分的纵向延伸的上部10％或20％中)。

在一些实施方式中，第一端在基部上方。在其他实施方式中，第一端在基部下方。在一些实施方式中，第一部分放置在基部上方的与第一部分的纵向延伸的——即，第一部分的第一端与第二端之间的距离的——5％至40％例如10％至30％相对应的距离处。

将子系统放置在距基部相当远的距离处，并且优选地也距第一部分的第一端相当远的距离处(例如距第一端0.1H、0.2H、0.3H或0.4H或更远的距离处)可以意指放置子系统的位置处振荡运动的相当大的幅度和最大速度，这可以提供子系统的部件之间——例如磁体与线圈之间——的相对运动的相应的相当大的幅度和速度，从而增强子系统在有效的能量转换方面的性能。然而，在一些实施方式中，优选的是将子系统放置在距第一部分的第二端一定距离处，因为与第二端相对应的运动的幅度可能使得难以或不可能避免例如第一部分的内壁与子系统或支承子系统的结构之间的碰撞。

在本发明的一些实施方式中，发电机还包括沿轴向方向从基部延伸的第二部分，以及子系统包括至少一个第一子系统部件和至少一个第二子系统部件，至少一个第一子系统部件和至少一个第二子系统部件被布置成用于通过第一子系统部件相对于第二子系统部件的运动产生电力，其中，第一子系统部件附接至第一部分，并且第二子系统部件附接至第二部分，使得第一部分的振荡运动引起第一子系统部件相对于第二子系统部件的振荡运动。即，子系统的一部分可以例如放置在第一部分内的相对固定且静态的结构上，例如，放置在某种管状或塔式结构上，而子系统的另一部分可以固定至第一部分，由此，第一部分的振荡运动将使子系统的两个部分相对于彼此移动。该运动可以例如通过操作交流发电机来用于生成电力。

在一些实施方式中，第一子系统部件和第二子系统部件中的至少一个包括至少一个磁体，并且第一子系统部件和第二子系统部件中的至少另一个包括至少一个线圈，布置成使得振荡运动通过至少一个磁体与至少一个线圈之间的相对移位在至少一个线圈中产生电动势。第一部分的振荡运动产生一个或更多个线圈所暴露于的磁场的变化，由此第一部分的振荡运动被转换成电能。

由于电力转换的效率与穿过线圈的磁场的变化速度有关，因此由于子系统被布置在距基部相当远的轴向距离处的事实而实现的磁体或磁体组件与一个或更多个线圈之间的相对移动的相对高的速度提高了发电机的性能。

可以使用磁体和线圈的任何合适的配置。有时优选的是，一个或更多个线圈是第二子系统部件的一部分，因为这有时可以便于电流的提取，而不需要必须附接至振荡的第一部分的任何线缆或类似物。即，将线圈布置在优选静态的第二部分上可以是有利的，因为可以在不连接至被布置成振荡的第一部分的情况下实现与外部电气系统的连接。如果线圈在第一部分中，则抽取能量的导体可能被暴露而因疲劳退化，并且可能不必要地增加粘滞损失。

因此，在许多实施方式中，第一子系统部件包括一个或更多个磁体，一个或更多个磁体例如布置在一个或更多个线圈上方和下方的平面中，而第二子系统部件包括一个或更多个线圈。磁体可以布置成在一个或更多个线圈上方和下方形成磁体环。因此，例如，磁体环可以布置在两个或更多个平面中，并且一个或更多个例如环形线圈可以设置在由磁体环确定的平面之间的一个或更多个平面中。

在一些实施方式中，至少一个线圈包括布置在共同平面中并且围绕第二部分的轴线的至少两个线圈，所述线圈中的一个线圈在所述线圈中的另一线圈外部，两个线圈串联连接，使得当电流以顺时针方向流通通过所述线圈中的一个线圈时，电流以逆时针方向流通通过所述线圈中的另一线圈，反之亦然。例如，可以将两个线圈布置在与第二部分的竖直轴线垂直的平面中，并且可以将磁体例如环形磁体放置在两个相邻的平面中，使得两个线圈夹在具有磁体的平面之间。环形磁体可以被布置成使得在振荡期间，当第一部分在一个方向上振荡时，磁体的一部分通过所述线圈中的外部线圈上方/下方，并且磁体的在直径上相对的部分通过所述线圈中的内部线圈上方/下方，使得由于线圈的互相连接，磁体的两个部分有助于增强流过线圈的电流。在一些实施方式中，在每个平面中存在仅一个线圈，或者如上所说明的使用未互相连接的多个单独的线圈。

为了将磁场定向在期望的方向上，提供与磁体相对应的例如与环形磁体相对应的铁磁材料——包括例如径向布置在磁体外侧的铁磁材料——可能有利的。在磁体旨在与各个线圈相互作用时的情况下，这可能是特别方便的。另外地或可替选地，铁磁材料也可以与线圈相对应地布置，例如布置在线圈之间(例如，互相连接的线圈之间)和/或在线圈的径向外侧和/或径向内侧。

在本发明的一些实施方式中，子系统包括布置在与第一部分的纵向轴线垂直的平面中的至少一个环形磁体或者至少一个环形线圈，其中，环形磁体或者环形线圈相对于纵向轴线非对称地定位。其原因在于，已经发现，至少在一些实施方式中，有时第一部分的振荡运动可能不在一个单独的竖直平面中，但是它实际上可以获取圆形或弯曲分量，特别是在存在调谐磁体的情况下(这样的调谐磁体将在下面讨论)。如果存在这样的圆形或弯曲分量，则使至少一个线圈移位，使得其中心点基本上与系统的纵向轴线和第一部分的纵向轴线(这里，参照当第一部分静止即不振荡时第一部分的纵向轴线)间隔开，可以增强能量产生，因为它增强了非对称放置的线圈与对称放置的磁体环之间的相对运动，反之亦然。例如，几个非对称放置的线圈可以一个在另一个上方地布置在几个平面中，并且它们的中心点相对于纵向轴线的移位可以在与纵向轴线不同的径向方向上。例如，在一个可能的实施方式中，三个非对称放置的线圈一个在另一个上方地放置在三个不同的平面中，并且它们的中心点在相对于彼此成角度地间隔例如120度的三个不同的方向上从纵向轴线移位。当使用非对称放置的线圈时，环形磁体可以相对于纵向轴线对称放置(即，使得纵向轴线穿过环形磁体的中心)，反之亦然。该解决方案不仅适用于其中具有线圈的平面(或多个平面)包括一个或更多个单独线圈的情况，而且适用于例如其中一个或更多个平面均包括如上所说明的串联连接的两个线圈的情况。

在本发明的一些实施方式中，磁体被布置成使得当第一部分在振荡运动期间从中性位置移动至极端倾斜位置时，至少一个线圈经受磁场的极性或方向的至少一个变化，优选地，经受磁场方向的多个变化。

在本发明的一些实施方式中，存在布置在基部上方不同高度处的不同平面中的若干磁体子集，例如，一个在另一个上方布置的若干个环，并且同时线圈布置在具有磁体的平面之间的平面中。

本发明的第二方面涉及一种发电机，该发电机包括例如为柱、支柱或杆的形状的第一部分，第一部分被配置成位于流体中例如空气中，但是还存在其他的可能性，例如水中。流体可以具有基本上定常的和层状的流，这通常是风的情况。第一部分被配置成使得当流体移动时，第一部分在流体中产生旋涡，使得在第一部分上生成升力，该升力引起第一部分的振荡运动，例如，如WO-2014/135551-A1中所描述的。振荡运动具有以某种方式与风速有关的幅度。

此外，发电机具有至少部分地布置在第一部分内的第二部分。第一部分可以例如直接地或者经由另一元件例如棒或类似物锚固至基部，使得第一部分可以相对于锚固点或者基部执行振荡或摇摆或摆动运动。第二部分至少部分地布置在第一部分内，例如布置在由第一部分的内壁界定的中空空间中。由于第一部分相对于基部的振荡运动，第一部分的内壁将接近第二部分的一侧，然后接近第二部分的另一侧。因此，第一部分的围绕第二部分的至少一部分的内表面每半个振荡周期接近一次第二部分。

根据本发明的该方面，发电机包括用于产生磁场的装置，该磁场在第一部分与第二部分之间产生磁斥力，排斥力随第一部分的振荡运动而变化并且具有最大值(即，当第一部分——或者更确切地说，第一部分的内表面——到达其最接近第二部分的位置时，在振荡运动的每个半周期中出现一次的最大值)。当第一部分的振荡运动的幅度增加时，该位置越来越接近第二部分，因此排斥力的最大水平相应地增加。

因此，第一部分与第二部分之间的磁斥力在振荡运动的幅度增大时增大，并且在振荡运动的幅度减小时减小。已经观察到，当风速增加时，第一部分的振荡运动的幅度也增加，并且排斥力的最大值也增加。随着风速继续增加，虽然幅度以下降的速率增长，但与之相比，排斥力非常快地增加——因为该增加优选地与第一部分与第二部分的相关部分之间的距离的平方成反比——使得系统能够在磁体中存储势能，当第一部分通过零弯曲的中性位置时，该势能完全或基本上转换为动能(速度)。这使得第一部分的固有振荡频率增加。换句话说，排斥力修改第一部分的特性，好像第一部分的杨氏模量或弹性模量是可变的一样。因此，当风速增加时，第一部分的固有振荡频率也自动增加，反之亦然。因此，实现了对作为风速的函数的第一部分的共振频率的被动调整或者被动控制，其可以用作主动调整例如WO-2014/135551-A1中描述的基于向压电材料施加电压的主动调整的替选方案或补充方案。

例如，在不具有用于适应调整共振频率的系统的杆形第一部分的情况下，当风速太低时，杆不振荡。随着风速增加并且接近旋涡的出现频率与结构的固有振荡频率一致的速度时，杆的振荡幅度增加，直至达到最大值。如果风速继续增加，则幅度开始减小，因为旋涡开始产生地太快，而结构的固有振荡频率保持恒定。最后，如果风速继续进一步增加，则杆停止振荡。从杆开始振荡的速度到杆停止振荡的速度的范围的窄风速范围被称为“锁定(lock-in)”范围。本发明的一个效果是由于系统的固有振荡频率的适应调整，锁定范围可以被加宽。

尽管系统的固有振荡频率的这种适应调整也可以通过(例如在共同未决的申请PCT/EP2015/072802中描述的)布置在第一部分外侧的例如完全或部分围绕第一部分的第二部分来实现，但是将第二部分布置在第一部分内具有某些优点。例如，可以获得非常紧凑的布置，其中，外部尺寸基本上对应于第一部分的尺寸，特别是在发电机的最大径向延伸方面。实现空间的有效利用，例如，使用了第一部分内的空余空间。第一部分的尺寸至少部分地由与空气相互作用的需要和与沿第一部分产生的旋涡同步的需要来确定。因此，对于第一部分的给定期望高度、第一部分的直径将优选地在特定范围内(并且通常在第一部分的轴向方向上变化)。在现有技术的布置中，例如WO-2014/135551-A1中描述的那些布置中，第一部分内的空间——第一部分通常可以被选择为中空的以最小化材料的使用和/或重量——被浪费。

因此，不仅从逻辑的角度来看，利用这个空间来包含用于第一部分的固有振荡频率的被动调谐的系统是优点，它还使得可以在不需要(或者减少了需要)例如在第一部分的径向外侧或者第一部分下方、与例如支承第一部分的杆径向间隔开的、支承磁体的外部结构的情况下生产这种具有吸引力的设计的发电机。

另一方面，在第一部分内提供第一部分与第二部分之间的排斥使得可以在距基部相当远的距离处提供排斥，这对于有效利用磁性材料、利用“杠杆效应”的目的是有利的。即，它提供了对产生将第一部分的固有振荡频率调谐成与风速一致所需要的磁性材料的有效利用。如果由磁体提供的给定排斥力施加在第一部分的角动量相对小的位置处，则给定排斥力对振荡的固有振荡频率具有更大的影响。因此，将负责产生该排斥的磁体设置在距第一部分被锚固至的点相对远的距离处即距基部相对远的距离处是有利的。

在本发明的一些实施方式中，用于生成磁场的装置包括与第一部分关联(例如，附接)的至少一个第一磁体(例如，一个或更多个环形磁体，或者被布置在第一部分上的优选在直径上相对的两个或更多个点处例如形成在第一部分内的一个或更多个高度处的连续或不连续的环的多个磁体)以及与(例如，附接至)第二部分关联的至少一个第二磁体(例如，一个或更多个环形磁体，或者被布置与第二部分的优选在直径上相对的两个或更多个点相对应、例如形成在第二部分的一个或更多个高度处的连续或不连续的环的多个磁体)。所述至少一个第一磁体和所述至少一个第二磁体以使得它们相互排斥这样的方式布置，并且使得当第一部分的振荡运动发生时，所述至少一个第一磁体与所述至少一个第二磁体之间的距离根据所述振荡运动来变化。由于两个磁体之间的排斥力与磁体之间的距离的平方成反比，所以在第一部分的振荡期间，力将显著变化，并且力的最大值可以显著地取决于振荡运动的幅度。因此，第一部分的振荡幅度的变化将对应于最大排斥力的变化，并且因此对应于第一部分的固有振荡频率的变化。

在本发明的一些实施方式中，至少一个第一磁体包括至少两个在直径上相对的部分，并且至少一个第二磁体包括面向所述至少一个第一磁体的所述至少两个在直径上相对的部分的至少两个在直径上相对的部分。以这种方式，当第一部分的摇摆或振荡运动发生时，第一磁体和第二磁体在第二部分的一侧互相接近，同时远离在直径上相对的侧移动，然后第一部分上产生振荡力，其符号和幅度取决于磁体之间的距离而周期性地变化。

在本发明的一些实施方式中，至少一个第一磁体被构造为至少一个环，例如被配置为在不同高度处的若干环，和/或至少一个第二磁体被构造为至少一个环，例如被配置为在不同的高度处的若干环。这些环可以由并置的单个磁体形成。使用环形形状的磁体例如水平环对于发电机无论风向如何都以相同的方式工作可能是有用的。然而，例如，在风(或者其他流体)仅在有限的方向范围内吹动(流动)的地方，具有布置在第一部分的可预测的竖直振荡平面中的成对的第一磁体和第二磁体可能是足够的。

在本发明的一些实施方式中，至少一个第一磁体包括布置在发电机的基部上方不同高度处的多个第一磁体，并且至少一个第二磁体包括布置在发电机的基部上方不同高度处的多个第二磁体。

通过选择磁体的尺寸和强度、磁体的数量和在竖直方向上的磁体排数以及磁体的位置，可以设置与第一部分关联的磁体和与第二部分关联的磁体之间的相互作用，其用于第一部分的固有频率以可能与旋涡的出现频率最一致的方式变化，旋涡的出现频率又根据流体(例如，空气)与第一部分之间的相对速度而变化。

在一些实施方式中，至少一个第一磁体包括第一多个磁体，第一多个磁体基本上邻近彼此地——例如在彼此上方或者在水平平面中并排——布置，并且其中，极性(例如，根据Halbach阵列)被布置成使得由第一多个磁体产生的磁场在所述磁体的面向所述至少一个第二磁体的一侧比相对侧强，和/或至少一个第二磁体包括第二多个磁体，第二多个磁体基本上邻近彼此地——例如，在彼此上方或者并排——布置，并且其中，极性(例如，根据Halbach阵列)被布置成使得由第二多个磁体产生的磁场在面向所述至少一个第一磁体的一侧比相对侧强。这种布置用于在流体的速度增加时磁体对第一部分的共振频率的增加的贡献方面提高磁体的效率，反之亦然。即，基本上，当以这种方式例如遵循Halbach阵列布局来布置磁体，即，以这种已知的方式将磁体布置成增加阵列一侧的磁场同时在另一侧将场抵消至接近零时，磁场将在第一磁体与第二磁体相互面对的一侧最强，从而提供磁体的有效使用。

在一些实施方式中，至少一个第一磁体和至少一个第二磁体相对于第一部分的纵向轴线例如竖直轴线以倾斜的方式来布置。在一些实施方式中，倾斜是这样的：使得磁体与第一部分的对称轴线或纵向轴线之间的距离根据第一部分或基部的底端上方的高度而增加。例如，第一磁体和第二磁体可以布置为具有截锥形形状或者具有成型为截锥形的至少一个表面的磁体环。已经发现这种倾斜对于引入可以用于减少或消除第一部分进入与对应于其固有振荡频率的共振模式不同的共振模式的趋势的扭矩是有用的。

在一些实施方式或者一些方面中，第一部分被布置成使得振荡运动的幅度至少在一定速度范围内随着流体的速度例如随着风速的增加而增加。

如上所说明的，在本发明的一些实施方式中，操作原理可以如下：第一磁体与第二磁体之间的排斥力与第一磁体与第二磁体之间的距离的平方成反比；当流体的速度(例如风速)增加时，振荡运动的幅度趋于增加，由此磁体在每个振荡周期的最大接近的部分期间趋于更接近，由此在每个振荡周期中的第一磁体与第二磁体之间产生的最大排斥力相应地增加。排斥力的增加使第一部分的共振频率增加，由此发电机的结构有助于在流体的速度增加时第一部分的共振频率的自动增加，反之亦然。

在一些实施方式中，第二端在第一端上方的距离H处，并且用于生成磁场的装置被放置在第一端上方大于0.05H的距离处，优选地在第一端上方大于0.1H的距离处，更优选地在大于0.2H的距离处，例如在第一端上方大于0.3H或者大于0.4H的距离处，并且可选地在第二端下方至少0.1H的距离处，例如，在第二端下方大于0.2H、大于0.3H或者大于0.4H的距离处。

将用于生成排斥磁场的装置放置在基部上方的相当高处可能是有利的，因为这可以有助于减少实现对固有振荡频率的必要适应调整或调谐所需的磁性材料例如钕合金的量。这被认为至少部分地归因于杠杆效应。如上所说明的，如果将给定排斥力施加在角动量小的点处，则给定排斥力将对固有振荡频率具有更大的影响。以摇摆方式振荡的杆相对于杆的一端锚固至的基部的角动量随着到基部的距离而减小，即，与靠近基部相比，远离基部角动量更小。

本发明的另一方面对应于根据上面描述的两方面的发电机。这里，例如，形成用于生成在第一部分与第二部分之间产生磁斥力的磁场的装置的一部分的一个或更多个磁体也可以形成用于将第一部分的振荡运动转换成电能的子系统的一部分。因此，有效地利用了磁性材料，这用于进一步降低发电机的成本。

本发明的又一方面涉及一种发电机，该发电机包括长形的第一部分，第一部分具有第一端和第二端，例如呈柱、支柱或杆的形状，第一部分被配置成位于流体中例如空气中，但是还存在其他的可能性，例如水中。流体可以具有基本上定常的和层状的流，一种通常存在于风中的特性。第一部分被配置成使得当流体移动时，第一部分在流体中产生旋涡，使得在第一部分上生成升力，该升力引起第一部分的振荡运动，如例如WO-2014/135551-A1中所描述的。发电机还包括用于将第一部分的振荡运动转换成电能的子系统。在本发明的该方面，第一部分具有基本上圆形的横截面，其中，直径沿着第一部分的从第一端朝向第二端的高度的至少70％、优选地至少80％、更优选地至少90％从第一端朝向第二端增加。从与到第一端相比更靠近第二端的位置起，第一部分的直径在从第一端朝向第二端的方向上开始减小，并且第一部分的在所述位置处的纵向截面具有朝向外部的凸状部分，接着是凸状部分与第二端之间的凹状部分。

已经发现，直径的这种减小——包括具有凸状部分接着是凹状部分的配置——有助于避免或最小化在第一元件的上端处出现扭曲了所需旋涡的旋涡，即，有助于振荡运动的旋涡。因此，第一部分的上端的这种形状有助于提高第一部分从风中捕获能量的效率。

在一些实施方式中，本发明是根据上面描述的两个或更多个方面的。

本发明的另一方面涉及一种用于使发电机与风速协调的方法。该方法适用于下述发电机，该发电机包括例如柱、支柱或杆形状的第一部分，第一部分被配置成位于流体中例如空气中，但是还存在其他的可能性，例如水中。流体可以具有基本上定常的和层状的流，这通常是风的情况。第一部分被配置成使得当流体移动时，第一部分在流体中产生旋涡，使得在第一部分上生成升力，该升力引起第一部分的振荡运动，如例如EP-2602483-A1或WO-2014/135551-A1中所描述的。发电机还包括第二部分，第二部分至少部分地在第一部分内延伸例如与第一部分的纵向轴线平行直至一定高度。

该方法包括下述步骤：将至少一个第一磁体放置在第一部分上并且将至少一个第二磁体放置在第二部分上，使得至少一个第一磁体与至少一个第二磁体互相排斥。上面已经说明了利用这种布置实现的效果。它有助于将第一部分的固有振荡频率自动调整适应于旋涡的出现频率。

本发明的另一方面涉及多个磁体在发电机中的用途，所述发电机包括例如柱、支柱或杆形状的第一部分，第一部分被配置成位于流体中例如空气中，但是还存在其他的可能性，例如水中。流体可以具有基本上定常的和层状的流，这通常是风的情况。第一部分被配置成使得当流体移动时，第一部分在流体中产生旋涡，使得在第一部分上生成升力，该升力引起第一部分的振荡运动，如例如EP-2602483-A1或WO-2014/135551-A1中所描述的。发电机还包括第二部分，第二部分至少部分地在第一部分内延伸例如与第一部分的纵向轴线平行延伸直至一定高度。磁体的使用旨在产生第一部分的固有振荡频率与风速的自动适应调整。

在本发明的一些实施方式中，第一部分的纵向轴线被布置成当第一部分不振荡时大致竖直地延伸。

本发明的一些实施方式包括上面描述的第一方面和第二方面。在本发明的这些实施方式的一些中，作为用于通过在线圈中感生电流将第一部分的振荡运动转换成电能的子系统的一部分的一些或所有磁体也可以至少部分地用于将第一部分的固有振荡频率调谐为适应于风速。例如，第一磁体中的至少一些磁体可以是用于在线圈中感生电流的子系统的一部分，这就是这些磁体可以具有双重功能的原因，从而有效地使用磁性材料。

在本发明的一些实施方式中，第一部分可以包括振荡杆，振荡杆被配置成能够在卡门旋涡的影响下振荡，并且第二部分可以包括基本上位于杆内例如从基部向上延伸的静态结构。在本发明的一些实施方式中，第一部分的高度将具有至少1米，例如大于2米、5米、10米、15米、60米、100米或200米。在本发明的其他实施方式中，杆可以更小，例如，杆的高度可以低于1米，例如低于10厘米、低于1厘米，或甚至更小。已经发现，即使非常小的设备也能正常工作，因为它们由于其快速的振荡频率能够快速适应风的变化(湍流)。

在一些实施方式中，第一部分具有基本上长形的形状，例如，具有圆形的横截面。第一部分在第一端与第二端之间延伸，第一部分旨在以其第一端与基部相对应的方式附接至基部，以相对于所述基部执行振荡运动。第一部分的宽度或直径通常沿第一部分在第一端与第二端之间延伸的至少大部分例如沿该距离的至少50％、60％、70％、80％、90％或更多随着距第一端的距离而增加。其原因至少部分地在共同未决的国际申请PCT/EP2015/072802中说明，该国际申请的内容通过引用并入本文(参见例如关于PCT/EP2015/072802中的图13A至图15的论述)。这种直径的增加的目的是为了确保在整个第一部分上同步地产生旋涡。增加直径以实现这种同步的需要有时可能是由于风速通常随高度增加的事实，如EP-2602483-A1中所描述的。然而，这不是唯一的原因：另一个并且更通常的原因甚至更重要的原因，特别是在第一部分相对短的情况下，可能是第一部分的振荡运动的速度随着距基部的距离而增加，如共同未决的国际申请PCT/EP2015/072802中所说明的。如其中所说明的，EP-2602483-A1(参考国际公布WO-2012/017106-A1)未考虑到由杆的特有运动而引起的空气相对于杆的相对速度的变化。如在共同未决的国际申请PCT/EP2015/072802中所说明的，第一部分的几何形状应当仔细设计，使得产生的旋涡在其整个长度上同步地作用，以防止在某一高度处产生的旋涡的影响被不同高度处生成的旋涡完全或部分抵消。为了使杆的几何形状具有适当的或者最优的性能，不仅需要考虑设备的工作区域中的空气速度分布，而且还需要考虑杆本身的振荡，因为杆的振荡会影响不同高度处空气与杆之间的相对速度。

然而，尽管直径增加，但是第一部分可以被保持得相对纤细。已经发现，可以在将第一部分的最大直径保持在第一部分的第一端与第一部分的第二端之间的距离的25％内、20％内、15％内或更小的同时实现沿着杆的旋涡的良好同步。然而，在许多实施方式中，第一部分的最大直径是第一部分的第一端与第一部分的第二端之间的距离的至少5％，通常基本上更大一些。

然而，如上所说明的，在一些实施方式中，当在从第一端的方向接近第二端时，直径可以开始减小，例如，对应于第一部分的纵向截面的凸状部分，可选地在到达第二端之前接有凹状部分。

在本发明的许多实施方式中，第一部分经由附接元件例如棒或条或类似物附接至基部，附接元件被布置成由于其连接至基部的方式或者以任何其他合适的方式来例如通过弹性变形允许第一部分的振荡运动。附接元件可以延伸至第一部分中，第二部分可以延伸至第一部分中，并且第二部分可以至少部分地在第一部分内部围绕附接元件。例如，附接元件可以包括附接至第一部分并且附接至基部的杆或条或棒或类似物，例如弹性棒。第二部分例如可以包括与附接元件平行延伸的圆柱形部分和/或多个竖直条、棒或支柱，例如，其中，附接元件布置在圆柱形部分的中心或者在这些条、棒或支柱的中心。

在本发明的一些实施方式中，第一部分经由棒构件或类似物例如经由弹性棒构件附接至基部，棒构件或类似物从基部延伸至第一部分中，例如直至大于第一端与第二端之间的距离的5％、10％、20％、30％、40％、50％或更多的距第一端的距离。另一方面，在这些实施方式中的一些中，第二部分延伸至第一部分中直至超过棒构件的轴向位置。

从构造的角度来看，可以更容易地将棒构件附接至轴向超过第二部分的终端的第一部分，特别是当第二部分处于棒构件的径向外侧例如围绕棒构件时。然而，棒构件占据的空间和在第一部件的振荡期间棒构件移动所需的空间可能难以安装用于将振荡运动转换成电能的子系统，和/或难以在与棒构件重合的轴向位置处，即，在存在棒构件的轴向位置处安装如上所说明的使用磁斥力来调谐第一部分的固有振荡频率的系统。因此，可以优选的是使第二部分延伸超出棒构件，包括超出其中棒构件附接至第一部分的轴向位置。

在一些实施方式中，第一部分借助于臂或棒或类似物或者借助于例如一个或更多个板或类似物附接至附接元件例如附接至棒构件，所述一个或更多个板或类似物例如如具有一个用于附接元件的中心开口和第二部分的轴向延伸部分可以穿过其的另一开口的特征的盘形构件，所述开口足够大以允许第一部分和附接元件/棒构件的振荡运动而不会造成开口的边缘与第二部分的轴向延伸部分之间的干扰。

在许多实施方式中，第一部分是相对刚性的并且在振荡运动期间不会变形。因此，第一部分可以被设计和布置成使得升力作用在第一部分上，并且在一些实施方式中，附接元件可以比第一部分更柔韧和/或更有弹性，并且被布置成将第一部分连接至基部，使得当升力作用在第一部分上时，例如，由于附接元件的弹性变形，第一部分将相对于所述基部摇摆。这种布置可以提供降低的成本，因为第一部分可以使用比附接元件更低成本的材料和/或设计，并且附接元件可以被设计成确保第一部分的移位或摇摆将足以经由子系统产生电力，同时具有足够的抵抗力以承受由风和由长时间——包括具有高风速的时段——第一部分的摇摆产生的力。关于第一部分，最重要的通常是其形状和尺寸，以及足够低的重量和足够的耐磨性，包括天气引起的磨损。因此，使用具有例如弹性和/或柔性方面不同特性的两个部件可能是有利的并且有助于降低成本。附接元件可以由不同的材料制成，或者由与第一部分不同的材料制成，或者如果由相同的材料制成，则其可以包括与用于第一部分的比例不同的比例。第一部分优选地由轻质材料制成并且可以是基本上中空的。术语“附接元件”不应当以限制的意义解释，特别不应当被解释为必然指的是一个单独的元件；弹性元件可以例如包括以任何合适的方式相对于彼此布置的若干元件。术语“弹性”是指在通过弯曲变形之后元件趋于恢复其原始形状意义上的元件的弹性特性。术语“弹性”并不旨在意指在伸长之后其性能方面需要任何弹性特性。

例如，第一部分可以优选地由轻质材料制成，或者至少包括轻质材料，例如如碳纤维、玻璃纤维、聚酯树脂、环氧树脂、玄武岩纤维、轻木、铝和/或钛等。该第一部分可以包括提供结构刚性的内部加强元件，例如肋、支架或梁。附接部分例如棒可以由适于提供适当性能的任何材料制成。碳纤维或金属例如钛和钢是合适材料的示例。

例如，根据本发明的发电机可以用于在农村和城市地区提供能量，例如代替太阳能或作为太阳能的补充。例如，在存在太阳能设备的情况下，根据本发明的一个或更多个发电机可以安装作为补充，例如，使得当没有足够的阳光时例如在夜晚或在所谓的恶劣天气期间也可以产生电力。这里，可以使用已经安装来用于调整和传导通过太阳能电池获得的电力的电路：该电路可以用于和/或适于也传导来自根据本发明的发电机的能量。由于这些发电机可以提供纤细且有吸引力的设计，并且这些发电机的许多部件具有纤细且优雅的杆，该杆被用于从风中捕获能量，将这种发电机安装在建筑物上或者其他地方可能对人们有吸引力。

尽管在上面描述的一些实施方式中使用了自动调谐，但是有时并且特别是在风速快速变化的情况下，通过磁体提供的自动调谐可能是不够的。调谐或补充调谐的另一方式可以基于受控的向子系统注入或从子系统中提取能量来将运动转换成电能。

附图说明

为了补充说明书以及有助于根据本发明的实际实施方式的示例更好地理解本发明的特征的目的，附有一组附图来作为说明书的组成部分，其通过图示且不具有限制含义地示出以下内容：

图1A是根据发电机的纵向截面示出根据本发明的可能实施方式的发电机的一些部件的示意性正视图。

图1B是图1A的发电机的示意性剖视图。

图2是根据该优选实施方式的发电机的振荡杆和在其周围的流体中产生的旋涡的示意性剖视图。

图3A至图3D是根据本发明的一个实施方式的用于将振荡运动转换成电力的子系统的一部分的示意性剖视图(图3A)和示意性俯视图(图3C至图3D)。

图4A和图4B分别示出了没有任何调谐系统(图4A)和具有调谐系统(图4B)的第一部分的特性的两个简化模型。

图5表示弹簧力(F_k)和磁斥力(F_b)相对于位移(x)的演变。

图6表示当在初始瞬间经受瞬间力的作用时(由于磁斥而运动)没有调谐的设备(I)和调谐设备(II)的幅度(位移x)和频率(沿时间轴t的振荡)随时间的变化。

图7A至图7D是与图3A至图3D中的视图类似的视图，但是是线圈和磁体的替选布置的视图。

图8A和图8B示意性地示出了本发明的两个不同实施方式或操作模式中第一部分的振荡运动。

图8C示意性地示出了根据本发明的替选实施方式的线圈相对于发电机的纵向轴线的布置。

具体实施方式

图1示意性地示出了根据本发明的一个可能实施方式的发电机。发电机包括竖直布置的杆(即，具有竖直布置的纵向轴线2000的杆)的形状的第一部分1，第一部分1具有第一端11(当如图1A所示布置时，第一部分的底端)和第二端12(当如图1A所示布置时，第一部分的顶端)。第一部分具有圆形横截面，这通常是有利的，因为它使得发电机能够与风的方向无关地以相同方式操作。第一部分1以其第一端11与基部1000相对应的方式附接至基部1000，即，第一端朝向基部。更具体地，第一部分1经由插入至基部的弹性棒5附接至基部1000。术语“弹性”不排除使用相对刚性的棒的可能性，而仅意指棒应当具有足够的侧向弯曲/倾斜能力以允许第一部分1相对于基部的振荡运动，即，根据该振荡运动，第一部分首先向一侧倾斜，并且然后向另一侧倾斜等。在该实施方式中，基部包括第二部分2的底部，该底部可以以任何合适的方式锚固至地面或者锚固至建筑物或者锚固至任何其他合适的支承件。

如图2所示，当风的层流3001撞击在长形杆形状的第一部分1上时，它引起一系列的旋涡3002，这些旋涡3002交替地出现在杆1的一侧和另一侧，并且杆的每一侧的连续旋涡之间具有恒定距离3003。因此，在杆1上产生沿风的方向基本恒定的阻力3004和基本垂直于风的大致方向和阻力的方向的升力3005。该升力3005以与旋涡的发生相对应的频率周期性地切换符号，并且该力引起杆1朝向一侧然后朝向另一侧的振荡。在本发明的该实施方式中，杆1具有圆形横截面，使得其在从风中捕获能量方面的性能不依赖于可能随时间变化的风的方向。在本发明的其他实施方式中，例如，当存在一个非常主导的流体运动方向时，杆可以具有另一类型的横截面，但是圆形横截面通常可以是最合适的横截面。

旋涡的出现频率取决于风速。为了使杆的能量捕获最大化，可能期望旋涡沿着杆1以同步方式出现。根据Hellmann指数定律，鉴于风速随着高度而增加，并且鉴于旋涡的出现频率取决于空气与杆之间的相对速度(其继而取决于风速)和杆的特征尺寸(在这种情况下，取决于杆的直径)，因此通常适当的是当空气与杆之间的相对速度随高度而增加时，杆的直径也随高度而增加。然而，这并不是使用具有随高度而增加的直径的杆的唯一原因：如上所说明的，第一部分在轴向方向上朝向第二端渐增的直径的另一原因是第一部分的振荡运动的速度随距基部的距离而增加的事实，如在共同未决的国际申请PCT/EP2015/072802中所说明的。如上所说明的，为了使杆的几何形状具有适当或者最佳的性能，鉴于第一部分的振荡影响第一部分与周围空气之间的相对速度，因此不仅需要考虑设备的工作区域中的空气速度分布，而且还需要考虑第一部分本身的振荡。这是第一部分1通常具有随距基部的距离而增加的直径的特征的原因。然而，如上所说明的，已经发现，第一部分在其顶端处的突然终止可能生成扰乱引起振荡运动的旋涡的额外的旋涡。已经发现，提供第一部分的其中直径朝向第二端减小的顶部是有利的。更具体地，如图1A中示意性所示，在达到其最大直径之后，第一部分的纵向截面具有其中直径朝向第二端开始减小的凸状部分121，(在朝向第二端的方向)接着是凹状部分122的特征。已经发现，就其从风中捕获能量的能力而言，这提高了发电机的效率。

发电机还包括第二部分2，在这种情况下，第二部分2是与第一部分1的纵向轴线2000同轴延伸的直至到达棒5的端部上方的位置的大致圆柱形结构。在该实施方式中，第二部分2的底部构成基部1000，棒构件5锚固至基部1000中，从第二部分2的底部开始，第二部分包括围绕棒构件向上延伸的第一段，第一段限定了棒构件可以在其内横向振荡的空间200。向上，第二部分2的大致圆柱形主体终止于进一步轴向延伸至第一部分中的三个单独的轴向延伸的支柱或段21。在那里，第二部分终止于平台22，平台22设置有轴向突出构件23，轴向突出构件23被布置成用于支承用于将第一部分1的振荡运动转换成电能的子系统3。该子系统包括具有磁体的第一子系统部件31，该磁体被布置成使得在振荡运动期间，磁体相对于包括一个或更多个线圈的第二子系统部件32移位。在该实施方式中，如上所说明的，另外的磁体42被设置用于调谐第一部分的固有振荡频率的目的。此外，这些磁体42放置在轴向突出构件23上。对于轴向突出构件23，可以优选使用低磁导率材料以至少在一定程度上防止磁体42的磁场被引导通过该突出构件，就磁体对第一部分1的固有振荡频率的调谐的贡献而言，这可能导致磁体的效率的降低。

如图1A和图1B示意性所示，第一部分1借助于两个基本上盘形的构件51附接至棒5，盘形构件51被布置成将第一部分1附接至棒5。盘形构件51被固定至棒5，棒5穿过盘形构件51中的中心开口。盘形构件还包括与盘形构件的中心径向间隔开的三个较大的开口52。如图1A和图1B所示，第二部分的支柱或轴向延伸部21延伸穿过这些开口52，开口52足够大以允许盘形构件与棒5在不干扰支柱21的情况下一起振荡。以这种方式，第二部分2终止于棒5的轴向端部上方，使得可以将用于将第一部分的振荡运动转换成电力的装备或子系统3以及用于调谐固有振荡频率的装备放置在棒5上方，即，在振荡期间没有任何干扰它的风险。

图3A示意性地示出了用于将第一部分1的运动转换成电力的子系统的一部分。子系统包括互相连接的两个线圈321和322，使得当电流在一个线圈中沿一个方向(例如顺时针方向)流动时，电流在另一线圈中沿相反方向流动。线圈被附接至第二部分2，并且更具体地，附接至关于图1所讨论的突出构件23。导电线350被布置成沿着第二部分将生成的电流传导离开线圈。

另一方面，在线圈的上方和下方设置环形磁体311(例如，每个环形磁体311由一个接一个地被布置成环形的多个单独的磁体形成)。在这种情况下，两个环形磁体311具有指向上方的N极(黑色)和指向下方的S极(白色)。上环形磁体与下环形磁体之间建立磁场，并且当第一部分振荡时，磁体将相对于固定线圈移动，使得线圈将经受变化的磁场。从图3A容易地理解的，当第一部分1在一个方向上倾斜时在最外面的线圈321中感应的电动势将与在最里面的线圈322中同时感应的电动势相反，但是由于线圈相互连接的方式(如上所论述的；此外参照图3C)，生成的电流将对应于在两个线圈中感应的电动势之和。图3B和图3D示意性地示出了图3A中的磁体的分布，并且图3C示意性地示出了线圈的布置。图3E示意性地示出了替选布置，在替选布置中，增加了铁磁材料360以以合适的方式来传导场线。

另外地，在固定的第二部分上即在突出部23上设置了另外的环形磁体41。如从图3A可理解的，由于它们的定向，在这些磁体41与附接至第一部分的磁体311之间存在排斥力，如上所说明的，当磁体在振荡运动期间互相接近时，排斥力增加。因此，如上所说明的，这些磁体可以用于构成用于使第一部分的固有振荡频率适应于风速的被动系统。更具体地，当第一部分1相对于基部振荡时，安装在第一部分上的环形磁体311的一部分接近安装在静态结构2上的环形磁体41的一部分，而在第一部分的直径上的相对侧，磁体311的一部分远离磁体41的相应部分移动。磁体311与磁体41之间的排斥力与磁体311与磁体41之间的距离的平方成反比。当风增加时，第一部分的振荡运动的幅度趋于增加，由此磁体311与磁体41在每个振荡周期的最大接近的部分期间趋于越来越近，因此，磁体311与磁体41之间产生的最大排斥力在每个振荡周期中相应地增加。排斥力的增加使结构的共振频率增加。以这种方式，图3A的发电机的具有其磁体311与磁体41的特有结构有助于在风速增加时自动增加杆的共振频率，以及在风速减小时自动减小杆的共振频率。以这种方式，通过适当地选择和布置磁体311与磁体41——有时可以通过反复试验和/或通过计算机模拟来完成——可以实现杆的固有振荡频率与风速的自动调整，使得它总是随着旋涡的出现频率进行调谐，从而实现对来自流体运动中的能量的良好摄取。换句话说，磁体311与磁体41的功能可以是获得杆的固有振荡频率与旋涡的出现频率之间的自动调谐。

换句话说，例如，振荡杆1和固定部分2二者均设置有例如磁环形状的磁体或者共轴地布置的布置成环形使得磁体趋于互相排斥的个体磁体的集合。因此，第一部分的振荡运动不仅受到旋涡的影响，而且还受到磁力的影响，使得杆的固有振荡频率随着振荡幅度的增加而增加。

接着如上所说明的，在根据图1A和图3之一的本发明的实施方式中，第二(静态)部分具有与被设计成在不需要使用任何轴承或者减速齿轮箱的情况下产生能量并且无论棒5弯曲的方向如何都能产生电力的非常规交流发电机的定子的作用相对应的作用。可以设置大量成排的线圈和磁体，例如图3A至图3E中的那些，由此，磁体41有助于电力的产生并且有助于发电机与风速的“自动调谐”。

图4A和图4B示意性地示出了没有任何调谐系统的杆或者第一部分的特性(图4A)和根据本发明的可能实施方式的具有调谐系统的杆的特性(图4B)。

调谐机构的目的是根据流体的速度来修改装备的固有振荡频率。当设备没有调谐系统时，它的运动可以被建模为阻尼简谐振子(a)(图4A)：

其中，m是其质量，c是阻尼常数，包括设备本身的结构阻尼、其他损耗以及转换成电能的机械能，以及k是弹性棒的弹性常数。在这种情况下，装备的固有振荡频率为：

假定生成旋涡，当振荡杆受到具有最大值为F₀(如果升力系数的值被认为是恒定的，则与频率的平方成比例)的正弦力F、

的延迟以及频率w＝2·π·f(w[rad/s]，f[Hz])的影响时，运动可以被建模为强制阻尼谐振子：

当频率w与装备的固有频率w₀一致时，后者进入共振，并且其从流体吸收能量的能力显著增加。

由于原则上频率w与流体的速度成比例，假定设备具有仅一个固有振荡频率(在第一振荡模式下)，则将仅存在设备将以该速度工作的一个单一速度。然而，由例如风力发电机可以获得的利润与发电机运行、产生电力的小时数/年数有关。如上所说明的，存在小范围的风速(锁定的空气动力学现象)，在该小范围的风速中，基于卡门旋涡的装备可以保持其共振，但是该范围远小于合理的有竞争力的发电机所期望的。

为了能够增加该风速范围，可以包括改变设备的振荡频率的调谐机构。因此，在存在较高风速的情况下，或者换句话说，在存在旋涡的出现频率增加的情况下，杆将以更高的频率振荡。

图4B的布置与图4A的布置的不同之处在于增加了处于排斥模式的两对磁体。该模型的运动可以通过以下表达式来描述：

其中，b包括(用于磁学的库仑定律(Coulomb law))磁导率的倒数以及磁质量的乘积，d是静止时每对磁体之间的距离。

如图5所示，由杆的变形在质量体上产生的弹簧力F_k与由两对磁体产生的接合力F_b随位移x的演变是非常不同的。如可以看到的并且如已经提到的，当质量体(杆)移动时，在零弯曲的中性位置附近，相对于磁性力，弹簧力占优势。随着位移的增加，其影响开始均衡，并且在高位移时，占优势的力是磁力。

这有几个含义。

当振荡杆通过其零弯曲的中性位置时，振荡杆的动能在两种情况下均取决于其质量的平方和其速度。但在其位移最大时具有存储的势能的情况下不是这样。在图4A所示的情况下，势能仅是弹性势能，而在图4B所示的情况下，势能将具有弹性势能和磁性势能二者，本质不同在于磁能的势能随着位移的立方而非平方增加。如图6所示，与用于大位移的阻尼简谐运动(I)相比，具有磁排斥的运动(II)的轨迹经受其振荡频率的增加。对于小位移(图的右侧)，几乎所有势能都由弹性棒累积，两个轨迹具有非常相似大小的周期。

图7A至图7D是与图3A至图3D的视图类似的视图，但是是具有磁体和线圈的替选布置的特征的实施方式。这里，用于将运动转换成电力的子系统在所示的系统级包括一个线圈323。该线圈布置在两个环形磁体之间(在其他实施方式中，每级可以有更多的线圈，并且如图1A所示，子系统可包括多级线圈323和磁体312)。在该实施方式中，与图3A至图3D中的布置不同，环形磁体布置成其N极和S极径向地向外或向内布置，而不是向上/向下布置。根据图7A清楚的是，振荡运动将如何径向地移动磁体312，从而将电动势引至线圈323。此外，在该实施方式中，磁体42被设置用于“自动调谐”第一部分的固有振荡频率。在这种情况下，这些磁体42被类似地定向其中N极和S极为径向地而非竖直地。

关于环形磁体例如磁体42，在一些实施方式中，这些磁体由布置成环形的多个单独的磁体形成，但是在其他实施方式中，这些磁体由单个环形磁体构成。在这样的情况下，已经发现，与获得具有沿径向方向定向的N极和S极的环形磁体(如图7A的磁体42的情况)相比，获得具有沿轴向方向定向的N极和S极的环形磁体(如图3A的环形磁体41的情况)可能更便宜。因此，为了降低所涉及的成本，一种可能性是如图7E中示意性所示通过将具有轴向布置的磁极的一个磁体定位在另一磁体的顶部上来获得具有径向定向的S(或N)极的磁体。

理论上，当流体沿恒定方向移动时，例如当风在一个方向上恒定地吹时，第一部分的振荡运动在水平面上的投影是线性的，如图8A所示。然而，有时观察到，并且明显地特别是在使用如上所说明的磁性自动调谐装置时，第一部分将不仅在一个竖直平面中振荡，而且以明显随机的方式振荡，如图8B中示意性所示。即，将运动投影到水平面上时不仅是线性的，而且还具有旋转分量。

尽管可能期望防止第一部分如图8B那样振荡，但是已经发现，在这种振荡模式中也可以从运动中提取能量。然而，已经发现，在这样的情况下，为了在使用如图3A至图3E或图4A至图4D那样布置在水平面中的线圈时优化电力的提取，将线圈布置成使得它们的中心与发电机的纵向轴线2000不一致可能是有利的。图8C中示意性地示出了这种布置，其中，线圈323相对于突出部23即相对于发电机的纵向轴线2000(参照图1A)非对称地布置。此外，图8C中示意性地示出了布置在与线圈323不同的其他水平面中的两个另外的线圈323'和323″。这些线圈相对于线圈323轴向地移位，即，它们对应于用于将运动转换成电力的子系统的不同“级”。线圈323'和323″的中心也相对于突出部23径向地移位。三个线圈323、323'和323″在不同的径向方向上以120°的角度间隔偏移，如图8C示意性所示。

另一方面，例如作为上面建议的方法的替选方案，可以使用用于将第一部分的振荡运动转换成电能的子系统3的受控的能量注入或能量提取来使第一部分的振荡基本上保持在一个竖直平面内，即，防止如图8B那样的振荡。

在本文中，表述“用于将第一部分的振荡运动转换成电能的子系统”中的术语“子系统”或者类似术语不应以任何限制的意义来解释。在常规风力涡轮机领域中，表述“发电机”经常用于整个风力涡轮机的将机械能或动能转换成电能的部分。在本文献中，术语“发电机”用于表示包括第一部分——即，与主能源例如风相互作用以捕获能量的部分——的整个系统。因此，为了避免混淆，术语“发电机”未被用于将第一部分的振荡运动转换成电能的子系统。然而，该子系统明显可以被视为发电机，因为它生成电能。此外，发电机可以包括多于一个的用于将运动转换成电能的子系统。如果存在多于一个子系统，则并非所有子系统都必须被布置成如上所描述的。

在本文中，术语“磁体”通常是指永磁体，但是如本领域技术人员容易理解的，在适当的时候，也可以使用电磁体。

在本文中，术语“环形”在应用于磁体时，不要求所讨论的磁体是由单个环形元件构成的完全“环形”的磁体。相反，术语“环形”是指磁体的一般配置，而不是其构造。即，在本文献的上下文中的“环形磁体”可以由基本上布置成圆形的多个单独的磁体构成，各个磁体之间具有或不具有空间。该空间可以是大的，只要它不会使所讨论的该组磁体丧失形成一般的圆形配置即可。本领域技术人员将考虑例如部件成本及其安装成本等方面来使用部件。这同样适用于形状为“环”的磁体。

在本文中，术语“上方”、“下方”、“竖直”、“水平”等通常是指长形的第一部分被布置成其第一端在其第二端下方的情况，即，通常，第一部分的纵向轴线竖直延伸。但是，这不应解释为意指第一部分必须始终以这种方式布置。在一些实施方式中，第一部分的其他定向是可行的。

在本文中，术语“包含”及其派生词(例如“包含”等)不应以排除的意义来理解，即，这些术语不应被解释为排除所描述和限定的内容可能包括其他元件、步骤等的可能性。

本发明明显不限于本文所描述的具体实施方式，而是还包括本领域技术人员可以考虑到的在权利要求书中限定的本发明的一般范围内的任何变型(例如，关于材料、尺寸、部件、配置等的选择)。

Claims

1.一种发电机，包括：

第一部分(1)，所述第一部分具有长形形状、第一端(11)和第二端(12)，所述第一部分被布置成用于以所述第一端(11)与基部(1000)相对应的方式地附接至所述基部(1000)，所述第一部分被配置成位于流体中，并且被配置成使得当所述流体移动时，所述第一部分在所述流体中产生旋涡，使得在所述第一部分(1)上生成升力，所述升力引起所述第一部分(1)的振荡运动；以及

子系统(3)，其用于将所述第一部分的所述振荡运动转换成电能；

其特征在于，

所述子系统(3)至少部分地容置在所述第一部分(1)内；

其中，所述发电机还包括沿轴向方向从所述基部延伸的第二部分(2)，其中，所述子系统(3)包括至少一个第一子系统部件(31)和至少一个第二子系统部件(32)，所述至少一个第一子系统部件(31)和所述至少一个第二子系统部件(32)被布置成用于通过所述第一子系统部件(31)相对于所述第二子系统部件(32)的运动产生电力，其中，所述第一子系统部件(31)附接至所述第一部分(1)，并且所述第二子系统部件(32)附接至所述第二部分(2)，使得所述第一部分(1)的振荡运动引起所述第一子系统部件(31)相对于所述第二子系统部件(32)的振荡运动；

其中，所述第一部分经由附接元件(5)附接至所述基部，所述附接元件(5)被布置成通过所述第一部分的振荡运动而重复变形或移位，其中，所述附接元件(5)延伸至所述第一部分中，其中，所述第二部分(2)也延伸至所述第一部分中，并且其中，所述第二部分(2)至少部分地在所述第一部分(1)内围绕所述附接元件(5)。

2.根据权利要求1所述的发电机，其中，所述子系统(3)完全容置在所述第一部分(1)内。

3.根据权利要求1或2所述的发电机，其中，所述第二端(12)在所述第一端上方的距离H处，并且其中，所述子系统(3)被放置在所述第一端上方大于0.05H的距离处。

4.根据权利要求3所述的发电机，其中，所述子系统(3)被放置在所述第一端上方大于0.1H的距离处。

5.根据权利要求4所述的发电机，其中，所述子系统(3)被放置在所述第一端上方大于0.2H的距离处。

6.根据权利要求5所述的发电机，其中，所述子系统(3)被放置在所述第一端上方大于0.3H的距离处。

7.根据权利要求6所述的发电机，其中，所述子系统(3)被放置在所述第一端上方大于0.4H的距离处。

8.根据权利要求3所述的发电机，其中，所述子系统(3)被放置在所述第二端下方至少0.1H的距离处。

9.根据权利要求8所述的发电机，其中，所述子系统(3)被放置在所述第二端下方大于0.2H的距离处。

10.根据权利要求9所述的发电机，其中，所述子系统(3)被放置在所述第二端下方大于0.3H的距离处。

11.根据权利要求4所述的发电机，其中，所述子系统(3)被放置在所述第二端下方至少0.1H的距离处。

12.根据权利要求11所述的发电机，其中，所述子系统(3)被放置在所述第二端下方大于0.2H的距离处。

13.根据权利要求12所述的发电机，其中，所述子系统(3)被放置在所述第二端下方大于0.3H的距离处。

14.根据权利要求5所述的发电机，其中，所述子系统(3)被放置在所述第二端下方至少0.1H的距离处。

15.根据权利要求14所述的发电机，其中，所述子系统(3)被放置在所述第二端下方大于0.2H的距离处。

16.根据权利要求15所述的发电机，其中，所述子系统(3)被放置在所述第二端下方大于0.3H的距离处。

17.根据权利要求6所述的发电机，其中，所述子系统(3)被放置在所述第二端下方至少0.1H的距离处。

18.根据权利要求17所述的发电机，其中，所述子系统(3)被放置在所述第二端下方大于0.2H的距离处。

19.根据权利要求18所述的发电机，其中，所述子系统(3)被放置在所述第二端下方大于0.3H的距离处。

20.根据权利要求7所述的发电机，其中，所述子系统(3)被放置在所述第二端下方至少0.1H的距离处。

21.根据权利要求20所述的发电机，其中，所述子系统(3)被放置在所述第二端下方大于0.2H的距离处。

22.根据权利要求21所述的发电机，其中，所述子系统(3)被放置在所述第二端下方大于0.3H的距离处。

23.根据权利要求1或2所述的发电机，其中，所述第一子系统部件(31)和所述第二子系统部件(32)中的至少一个包括至少一个磁体(311，312)，并且其中，所述第一子系统部件(31)和所述第二子系统部件(32)中的至少另一个包括至少一个线圈(321，322，323)，被布置成使得所述第一子系统部件(31)相对于所述第二子系统部件(32)的振荡运动通过所述至少一个磁体与所述至少一个线圈之间的相对移位在所述至少一个线圈中生成电动势。

24.根据权利要求23所述的发电机，其中，所述至少一个线圈包括布置在共同平面中并且围绕所述第二部分的轴线的两个线圈(321，322)，所述线圈中的一个线圈(321)在所述线圈中的另一线圈(322)外部，所述两个线圈串联连接，使得当电流以顺时针方向流通通过所述线圈中的一个线圈时，电流以逆时针方向流通通过所述线圈中的另一线圈，反之亦然。

25.根据权利要求1或2所述的发电机，其中，所述子系统包括布置在与所述第一部分(1)的纵向轴线(2000)垂直的平面中的至少一个环形磁体或者至少一个环形线圈(323)，其中，所述环形磁体或者所述环形线圈相对于所述纵向轴线不对称地定位。

26.根据权利要求1或2所述的发电机，其中，在所述第一部分(1)与所述第二部分(2)之间产生磁斥力的、形成所述用于生成磁场的装置的一部分的至少一个磁体(311，312)还形成用于将所述第一部分的振荡运动转换成电能的所述子系统(3)的一部分。

27.根据权利要求1或2所述的发电机，其中，所述第一部分(1)具有下述直径，所述直径沿所述第一部分的在所述第一端(11)与所述第二端(12)之间的至少大部分随着距所述第一端(11)的距离而增加。

28.根据权利要求27所述的发电机，其中，所述直径沿所述第一部分的在所述第一端(11)与所述第二端(12)之间的至少60％随着距所述第一端(11)的距离而增加。

29.根据权利要求28所述的发电机，其中，所述直径沿所述第一部分的在所述第一端(11)与所述第二端(12)之间的至少70％随着距所述第一端(11)的距离而增加。

30.根据权利要求29所述的发电机，其中，所述直径沿所述第一部分的在所述第一端(11)与所述第二端(12)之间的至少80％随着距所述第一端(11)的距离而增加。

31.根据权利要求1或2所述的发电机，其中，所述第一部分(1)具有在所述第一端(11)与所述第二端(12)之间沿所述第一部分(1)变化的直径，其中，所述直径的最大值不大于所述第一端与所述第二端之间的距离的20％。

32.一种发电机，包括：

其特征在于，

所述子系统(3)至少部分地容置在所述第一部分(1)内；

其中，所述第一部分经由棒构件(5)附接至所述基部，所述棒构件(5)从所述基部(1000)延伸并进入所述第一部分(1)中，其中，所述第二部分(2)延伸至所述第一部分(1)中在轴向上超过所述棒构件(5)的位置。

33.根据权利要求32所述的发电机，其中，所述子系统(3)完全容置在所述第一部分(1)内。

34.根据权利要求32或33所述的发电机，其中，所述第二端(12)在所述第一端上方的距离H处，并且其中，所述子系统(3)被放置在所述第一端上方大于0.05H的距离处。

35.根据权利要求34所述的发电机，其中，所述子系统(3)被放置在所述第一端上方大于0.1H的距离处。

36.根据权利要求35所述的发电机，其中，所述子系统(3)被放置在所述第一端上方大于0.2H的距离处。

37.根据权利要求36所述的发电机，其中，所述子系统(3)被放置在所述第一端上方大于0.3H的距离处。

38.根据权利要求37所述的发电机，其中，所述子系统(3)被放置在所述第一端上方大于0.4H的距离处。

39.根据权利要求34所述的发电机，其中，所述子系统(3)被放置在所述第二端下方至少0.1H的距离处。

40.根据权利要求39所述的发电机，其中，所述子系统(3)被放置在所述第二端下方大于0.2H的距离处。

41.根据权利要求40所述的发电机，其中，所述子系统(3)被放置在所述第二端下方大于0.3H的距离处。

42.根据权利要求35所述的发电机，其中，所述子系统(3)被放置在所述第二端下方至少0.1H的距离处。

43.根据权利要求42所述的发电机，其中，所述子系统(3)被放置在所述第二端下方大于0.2H的距离处。

44.根据权利要求43所述的发电机，其中，所述子系统(3)被放置在所述第二端下方大于0.3H的距离处。

45.根据权利要求36所述的发电机，其中，所述子系统(3)被放置在所述第二端下方至少0.1H的距离处。

46.根据权利要求45所述的发电机，其中，所述子系统(3)被放置在所述第二端下方大于0.2H的距离处。

47.根据权利要求46所述的发电机，其中，所述子系统(3)被放置在所述第二端下方大于0.3H的距离处。

48.根据权利要求37所述的发电机，其中，所述子系统(3)被放置在所述第二端下方至少0.1H的距离处。

49.根据权利要求48所述的发电机，其中，所述子系统(3)被放置在所述第二端下方大于0.2H的距离处。

50.根据权利要求49所述的发电机，其中，所述子系统(3)被放置在所述第二端下方大于0.3H的距离处。

51.根据权利要求38所述的发电机，其中，所述子系统(3)被放置在所述第二端下方至少0.1H的距离处。

52.根据权利要求51所述的发电机，其中，所述子系统(3)被放置在所述第二端下方大于0.2H的距离处。

53.根据权利要求52所述的发电机，其中，所述子系统(3)被放置在所述第二端下方大于0.3H的距离处。

54.根据权利要求32或33所述的发电机，其中，所述第一子系统部件(31)和所述第二子系统部件(32)中的至少一个包括至少一个磁体(311，312)，并且其中，所述第一子系统部件(31)和所述第二子系统部件(32)中的至少另一个包括至少一个线圈(321，322，323)，被布置成使得所述第一子系统部件(31)相对于所述第二子系统部件(32)的振荡运动通过所述至少一个磁体与所述至少一个线圈之间的相对移位在所述至少一个线圈中生成电动势。

55.根据权利要求54所述的发电机，其中，所述至少一个线圈包括布置在共同平面中并且围绕所述第二部分的轴线的两个线圈(321，322)，所述线圈中的一个线圈(321)在所述线圈中的另一线圈(322)外部，所述两个线圈串联连接，使得当电流以顺时针方向流通通过所述线圈中的一个线圈时，电流以逆时针方向流通通过所述线圈中的另一线圈，反之亦然。

56.根据权利要求32或33所述的发电机，其中，所述子系统包括布置在与所述第一部分(1)的纵向轴线(2000)垂直的平面中的至少一个环形磁体或者至少一个环形线圈(323)，其中，所述环形磁体或者所述环形线圈相对于所述纵向轴线不对称地定位。

57.根据权利要求32或33所述的发电机，其中，在所述第一部分(1)与所述第二部分(2)之间产生磁斥力的、形成所述用于生成磁场的装置的一部分的至少一个磁体(311，312)还形成用于将所述第一部分的振荡运动转换成电能的所述子系统(3)的一部分。

58.根据权利要求32或33所述的发电机，其中，所述第一部分(1)具有下述直径，所述直径沿所述第一部分的在所述第一端(11)与所述第二端(12)之间的至少大部分随着距所述第一端(11)的距离而增加。

59.根据权利要求58所述的发电机，其中，所述直径沿所述第一部分的在所述第一端(11)与所述第二端(12)之间的至少60％随着距所述第一端(11)的距离而增加。

60.根据权利要求59所述的发电机，其中，所述直径沿所述第一部分的在所述第一端(11)与所述第二端(12)之间的至少70％随着距所述第一端(11)的距离而增加。

61.根据权利要求60所述的发电机，其中，所述直径沿所述第一部分的在所述第一端(11)与所述第二端(12)之间的至少80％随着距所述第一端(11)的距离而增加。

62.根据权利要求32或33所述的发电机，其中，所述第一部分(1)具有在所述第一端(11)与所述第二端(12)之间沿所述第一部分(1)变化的直径，其中，所述直径的最大值不大于所述第一端与所述第二端之间的距离的20％。