CN114731092A - 电力发电机 - Google Patents

Abstract

一种电力发电机包括被布置成相对于第二部分(2)往复移动的第一部分(1)。所述第一部分(1)包括至少一个第一环状磁体，所述至少一个第一环状磁体包括沿轴向方向彼此相对布置的北极端和南极端。所述第二部分(2)包括由铁磁材料制成的芯。所述芯包括沿轴向方向延伸的中心部分(21)，以及彼此间隔开间隙(24)的两个径向延伸的部分(22、23)。线圈(25)缠绕在所述中心部分周围。当经受沿径向方向的重复振荡移动时，所述磁体的相对段(11A、11B)可以进入和离开所述间隙。本发明还涉及一种包括所述发电机的基于涡流的电力设备。

Description

电力发电机

技术领域

本发明涉及可用于将移动转换成电力和能量的电力发电机的领域。此类发电机例如在可再生能源的背景下是有用的，诸如在基于振荡移动或振动的电力发电的背景下，诸如在基于诸如冯卡门涡流的气动弹性共振的电力发电的背景下是有用的。

背景技术

由于不可再生能源（诸如基于燃烧化石的燃料或核能的那些）的缺点，已经做出重大努力来开发所谓的可再生能源，诸如太阳能和风能。风能通常基于使用风作为主要能源来产生一个或多个物体的运动。例如，在水平轴线风力涡轮机中，致使多叶片转子旋转，并且多叶片转子的旋转移动引起布置在所述风力涡轮机的所谓的机舱中的发电机的转子的旋转。发电机的转子的旋转在定子绕组中引发电动势、并且因此引发电流。为了实现旋转移动到电能的高效转换，已经开发出许多不同类型的发电机。

然而，一些用于将初级能量（诸如风能或波浪能）转换成系统的构件的移动的系统通常产生振荡、而非旋转移动。例如，基于冯卡门涡流的用于发电的系统通常涉及构件的来回振荡，即，摇摆双向移动。例如在WO-2016/055370-A2、WO-2017/174685-A1和WO-2018/149942-A1中公开此类基于涡流的电力设备，所述专利申请的内容以引用方式并入本文中。这些文档公开其中杆柱的振荡移动因磁体相对于线圈的移动而转换成电能的设备。这些设备以及许多其他用于发电的振荡设备可以在没有轴承、齿轮和润滑剂的情况下操作。而且，其有时并不需要额外手段来启动设备。所谓的涡流风力发电设备可以包括被配置成有意地将静止空气层流转变成湍流的杆柱，其中涡旋或涡流以同步方式出现在所述杆柱的整个长度上。因此，所述杆柱承受两个力，即，沿与风相同方向的阻力和沿垂直于风的方向产生的升力，升力的方向以对应于新涡流的出现频率的频率改变符号，并且可以使用以下公式计算：

其中

是涡流的出现频率，V是空气的速度，S是斯德鲁哈尔无量纲数，并且d是所述杆柱的特性尺寸，例如，在具有圆形截面的杆柱的情况下，杆柱的直径。杆柱的设计可以诸如有利于涡流沿着捕获元件以同步方式出现。而且，为了实现锁定状态，使杆柱的固有振荡频率适应风速。WO-2016/055370-A2、WO-2017/174685-A1和WO-2018/149942-A1描述其中利用磁体之间的排斥力随磁体之间的距离变化的事实来使用的系统。

为了使用于发电的设备在市场上具有竞争力，设备的成本必须相对于其在一定时间周期期间产生的能量是合理的，同时考虑维护成本等等。因此，必须高效利用所涉及的材料。例如，在基于磁体相对于线圈的移动的发电机中，要考虑的一个方面是磁体的高效使用：所述磁体例如因用于制造磁体的材料（诸如钕(Nd)）的成本而可能占发电机的成本的大部分。

发明内容

本发明的第一方面涉及一种电力发电机，其包括被布置成相对于第二部分往复移动的第一部分。

所述第一部分包括至少一个第一环状磁体，所述至少一个第一环状磁体包括沿轴向方向彼此相对布置的北极端和南极端。在本文档中，表述“环状磁体”旨在指代大致为环形（即，具有大致圆形布局）的磁体或磁体组合。在一些实施例中，所述环状磁体是连续的，即，磁性材料存在于整个360°圆上。在其他实施例中，所述环状磁体可以包括沿角方向（即，遵循圆）一个接一个地布置、但是彼此间隔开间隙的多个磁体。对“大致圆形布局”的提及是指如下事实：所述布局使得所属领域的技术人员将理解其大致是圆形的并且并不排除例如某些多边形形状，这例如通过未必以弯曲形状为特征的磁体的并列放置而可能有时更适于促进系统的实际实现。在本文档中，表述“轴向方向”旨在指代与环状磁体的轴线（即，与环状磁体的中心轴线）平行的方向，所述轴线被由环状磁体形成的环面环绕，并且垂直于磁体的半径和磁体与之对准的平面。例如，如果环状磁体与水平平面对准（使得磁体的半径沿不同水平方向延伸），则磁体的轴线是竖直的，并且轴向方向是竖直方向。

第二部分包括由铁磁材料（诸如钢（例如所谓的电工钢、铁氧体等等））制成的芯，如本技术中所已知，为了减少因涡电流所致的损失，其可能是层压的。芯径向设置在所述至少一个第一环状磁体内部。所述芯包括沿轴向方向延伸的中心部分、第一径向延伸的部分和第二径向延伸的部分。所述径向延伸的部分在两个不同轴向位置处从中心部分径向延伸，使得所述径向延伸的部分彼此间隔开间隙，所述间隙沿轴向方向延伸并且环绕所述中心部分。

所述第二部分进一步包括在所述径向延伸的部分之间缠绕在所述中心部分周围的至少一个线圈。

所述第一部分被布置成可沿垂直于轴向方向的径向方向移位（所述移动不必纯粹沿径向方向，不排除轴向分量；例如，所述移动可以是摆动的），使得当经受沿径向方向的重复振荡移动时，在所述振荡移动的一个循环期间：

-在所述循环的一个时刻，第一环状磁体的第一段将进入所述间隙，而第一环状磁体的第二段将远离所述间隙移位，所述第二段与所述第一段在直径上相对定位，并且

-在所述循环的另一时刻，所述第二段将进入所述间隙，而所述第一段将远离所述间隙移位。

当所述环状磁体的一段接近并且进入所述间隙时，所述段的磁极之间的磁通量将遵循如下路径：所述路径包括所述径向延伸的部分的轴向相邻于所述段的部分（即，在其“上方”和“下方”）以及从那里径向向内放置的部分和所述中心部分。随着所述段接近所述间隙和远离所述间隙移动，通过缠绕在中心部分周围的一个或多个线圈的磁通量将变化。基本上，在一个循环期间，通过线圈的通量将达到两个最大值和两个最小值，即，通量的变化频率将是振荡移动的频率的两倍，这有利于发电。

在本上下文中，段“进入”间隙的陈述旨在包括如下情况：如果狭义地解释为存在于严格地在径向延伸的部分之间的空间中，则所述段可能不进入所述间隙，但是如此接近它以至由所述段产生的磁场诸如例如通过将磁场的量值修改超过50%或超过100%和/或通过反转通过线圈或所述线圈中的至少一者的磁场的极性而在很大程度上影响通过芯和通过线圈（或者如果存在多于一个线圈，则通过所述线圈中的至少一者）的磁场（磁通量密度B）。而且，当在例如基于冯卡门涡流的风力发电设备中使用时，当振荡的幅度很小时，第一磁体的相关段可能不进入间隙、而是仅接近间隙，而当幅度增加时，所述段可能进入间隙。可以在第一磁体的段不实际进入间隙的情况下发生相对相当大的电力产生。

使用磁体的基本上环状或环形布局是有利的，因为其关于芯对称，使得操作和性能可以相同，而不管其中发生振荡移动的平面（通过对称轴线）的取向如何。例如，在如WO-2018/149942-A1中的冯卡门涡流发电机的情况下，其中发生捕获元件的振荡移动的平面将取决于流体的移动方向：其将基本上垂直于所述方向。使用大致环状第一磁体实现发电机的大致相同性能，而与流体流动的方向（例如，风吹动的方向）无关。

如本技术中所已知，为了减少因涡电流所致的损失，芯可以任选地是完全或部分层压的。在一些实施例中，仅径向延伸的部分是层压的。在其他实施例中，芯不是层压的。

术语“中心部分”不应在如下意义上解释：所述部分必须放置在芯的中心中，诸如在发电机的中心轴线处。相反，其应该被解释为意指其相对于径向延伸的部分的径向外周界径向向内放置，因此，在径向延伸的部分的径向外部部分之间留下间隙。

而且，对“中心部分”的提及不应理解为意指只能存在一个单个中心部分。在一些实施例中，发电机可以包括多于一个中心部分，诸如三个或更多个中心部分，每一中心部分由相应线圈环绕。例如，多个中心部分可以围绕发电机的中心轴线分布。

在本发明的一些实施例中，第二环状磁体布置在第一径向延伸的部分上，并且第三环状磁体布置在第二径向延伸的部分上，所述第二和第三环状磁体产生通过芯的中心部分的磁场，所述磁场具有与当第一环状磁体进入所述间隙时由所述第一环状磁体产生的通过芯的磁场的方向相反的方向。当提及第二和第三环状磁体时，术语“环状”像在如上文提及第一环状磁体时所解释的那样解释。

铁磁芯的使用可以有利于引导磁通量通过线圈，从而最大化第一环状磁体的移动因通过线圈的磁通量的变化而产生电力的方式。然而，实际限制在于铁磁材料具有有限磁通量支持能力，即，通常以特斯拉(T)表示的有限磁通量密度。因此，当经受较大磁通量密度时，材料变得饱和。这意味着，对于给定芯，不管由第一环状磁体的相关部分产生的通量如何，通过芯的通量都将受到诸如芯的尺寸、芯的材料等等参数的限制。为实现更多通量，可以增加尺寸，但是这意味着材料量的增加，并且因此成本和重量增加。

通过在芯的径向延伸的部分上提供第二和第三环状磁体，在接近和进入间隙时产生与由第一环状磁体产生的磁场相反的磁场，芯可以被预加载或磁性偏置，使得在任何饱和之前，在进入和离开间隙时，第一环状磁体可以产生更大通量变化。即，如果芯的磁饱和极限是X特斯拉，则通过将芯预加载至-X特斯拉，第一环状磁体在进入和离开间隙时产生的通量变化的幅度可以达到2X特斯拉，而没有增加芯的尺寸的任何需求。另外，由于由第二环状磁体和第三环状磁体产生的磁场与由第一环状磁体在进入间隙时产生的磁场相反-即，基本上，第二和第三环状磁体中的一者的北极以及第二和第三环状磁体中的另一者的南极分别面向第一环状磁体的北极和南极，第二和第三环状磁体将在第一环状磁体上产生排斥力，所述排斥力将具有径向向外指向的分量。这可以帮助形成振荡系统的固有振荡频率与风速的自动适应，如在例如WO-2016/055370-A2、WO-2017/174685-A1和WO-2018/149942-A1中所述。这还可以降低发电机的移动与固定部件之间或周围部件之间的碰撞风险。

在本发明的一些实施例中，所述第一部分进一步包括沿轴向方向布置在第一环状磁体的相对侧上的第一环状构件和第二环状构件，所述第一环状构件和第二环状构件由铁磁材料制成，例如，钢（例如所谓的电工钢、铁氧体等等），在一些实施例中，如本技术中所已知，为了减少因涡电流所致的损失，所述铁磁材料是层压的。第一环状构件与第一环状磁体轴向间隔开，使得当第一环状磁体的对应段接近芯时，芯的第一径向延伸的部分可以进入第一环状构件与第一环状磁体之间的空间。第二环状构件与第一环状磁体轴向间隔开，使得当第一环状磁体的对应段接近芯时，芯的第二径向延伸的部分可以进入第二环状构件与第一环状磁体之间的空间。在第一和第二环状构件的背景下，术语“环状”像如上文关于第一环状磁体所解释的那样解释。已经发现，对于给定第一环状磁体，这些环状构件的使用、通过芯的磁通量及其变化可以增加。据信，这可能是由于第一和第二环状构件用于引导源自磁体的有角度相邻部分或段的磁场，以便引导其通过芯的最接近第一和第二环状构件的部分。以此方式，不仅第一环状磁体的实际上最靠于芯的径向延伸的部分的段、而且第一环状磁体的其他部分（即，有角度更遥远部分）可以通过朝向芯的最靠近于所述环状构件的部分引导由磁体的那些部分产生的磁场而贡献于通过芯的磁通量。

在本发明的一些实施例中，第一环状磁体具有第一内径，第一径向延伸的部分具有第一外径，并且第二径向延伸的部分具有第二外径，第一内径大于所述第一外径和第二外径（诸如大至少10%、25%、50%、75%或100%）。直径的差异意味着第一环状磁体可以占据中性位置，在所述中性位置中，其径向定位超出芯的径向延伸的部分（即，从其向外），从而最小化芯与来自磁体的磁通量之间的相互作用。这可以具有数个优点，包括如下事实：在启动发电机时，即，当第一磁体的振荡移动开始时 –并且当幅度仍很小时，- 将无实质性电力产生，从而避免对启动阶段中的振荡移动的任何阻尼影响。例如，在如在WO-2018/149942-A1中公开的冯卡门涡流发电机的情况下，可以期望允许杆柱的振荡移动的幅度在开始任何实质性电力产生之前达到一定幅度。

第一环状磁体可以基本上围绕容纳芯（包括其第一径向延伸的部分及其第二径向延伸的部分）的圆柱形空间布置。

在本发明的一些实施例中，第二外径大于第一外径。例如，当第一部分执行振荡摆动移动时，这可能是有用的，因为与所述径向延伸的部分中的一者相对应的所述移动的幅度可能大于与所述径向延伸的部分中的另一者相对应的所述移动的幅度：于是，第一外径可以对应于第一径向延伸的部分，所述第一径向延伸的部分比第二径向延伸的部分离摆动移动的中心点更遥远。

在本发明的一些实施例中，第一径向延伸的部分和第二径向延伸的部分为大致圆盘形，任选地具有大致圆形周界。对圆盘形的提及并不意味着每一径向延伸的部分必须具有完整圆盘形、而无空隙等等。所述径向延伸的部分可以例如包括多个元件，例如，基本上成形为圆的段的元件。例如，在带有多个中心部分的发电机的情况下，圆的相当大的段可以与每一这样的中心部分相关联，诸如与其接触。

在本发明的一些实施例中，所述中心部分具有大致圆柱形形状。在一些实施例中，所述圆柱体具有圆形截面。在其他实施例中，所述圆柱体具有例如多边形截面，诸如六边形截面。

在本发明的一些实施例中，所述发电机包括由铁磁材料制成的多个中心部分，每一中心部分由相应线圈环绕。所述中心部分平行布置，例如，环绕发电机的中心轴线有角度地分布。可以例如使用三相二极管桥式整流器组合线圈的电气输出。

本发明的另一方面涉及一种基于涡流的发电设备，其包括：

具有细长形状的捕获元件，所述捕获元件在捕获元件的第一端部与所述捕获元件的第二端部之间沿纵向方向延伸，所述捕获元件被配置成附接到锚固点并且浸没在流体中，其中所述第一端部比第二端部更靠近于所述锚固点，所述捕获元件被配置成使得，当所述流体移动时，所述捕获元件在所述流体中产生涡流，使得在所述捕获元件上产生振荡升力，这产生捕获元件的振荡移动。所述基于涡流的发电设备进一步包括如上所述电力发电机。所述电力发电机相对于捕获元件被布置成使得捕获元件的振荡移动引起电力发电机的第一部分相对于电力发电机的第二部分的振荡移动，以便产生电能。已经发现上述发电机在基于冯卡门涡流的风力发电设备的背景中特别有用，因为其适于将振荡移动转换成电能，而不管其中发生振荡移动的平面。因此，发电机因其许多部件的大致环状形状而可以以相同方式操作，而不管涡流引发流的流动的方向，这在例如基本上被动涡流风力发电设备的背景中可能是很大优点。在一些实施例中，所述设备包括例如沿轴向方向一个接一个地布置的根据本发明的多个电力发电机。

在本发明的一些实施例中，所述电力发电机的第一部分和第二部分中的一者附接到捕获元件，并且所述第一部分和第二部分中的另一者布置在捕获元件内的支撑件上。所述支撑件可以是固定的，并且因此捕获元件相对于支撑件的移动可以因此在线圈中引发电流，并且从而产生电能。可能优选的是，将第二部分布置在支撑件上，以促进诸如传送电能离开线圈所需的电缆等电导体的布置。

在本发明的一些实施例中，所述捕获元件具有大致圆形截面，或具有大致为带有或不带倒圆顶点的正多边形的形状的截面。此类形状可用于允许所述设备基本上以相同方式操作，而不管风的方向如何。

在本发明的一些实施例中，捕获元件至少部分中空，并且电力发电机至少部分容纳在所述捕获元件内部。电力发电机的第一部分和第二部分优选地完全容纳在捕获元件内。已经发现，将电力发电机至少部分放置在捕获元件内可能涉及许多优点。这些优点中的一者在于其实现能量转换装置的紧凑布置。为了最大化能量捕获、同时最小化材料成本和重量，捕获元件有利地是大致中空部件。将电力发电机至少部分布置在捕获元件内实现紧凑和优雅布置，例如，呈细长杆柱的形式，而无用于将机械能转换成电能的潜在笨重发电机环绕其基部。

在一些实施例中，第二端部距第一端部距离H（对应于捕获元件的长度），诸如在第一端部上方的高度H处，并且电力发电机放置在距第一端部超过0.05H的距离处、优选地距第一端部超过0.1H的距离处、甚至更优选地距第一端部超过0.2H的距离处（诸如超过0.3H或超过0.4H的距离处）、并且任选地在第二端部下方或距第二端部至少0.1H的距离处，诸如在距第二端部超过0.2H、超过0.3H或超过0.4H的距离处。例如，在一些实施例中，电力发电机放置在第一端部上方超过0.1H和第二端部下方超过0.1H的距离处，诸如在第一端部上方超过0.2H和第二端部下方超过0.2H的距离处，例如，朝向捕获元件的纵向中心部分，例如，在第一端部上方超过0.3H和第二端部下方超过0.3H的距离处。在其他实施例中，子系统可以靠近于第一端部定位（诸如在捕获元件的纵向延伸部的底部10%或20%中），并且在其他实施例中，其可以放置在第二端部处或靠近于第二端部放置（诸如在捕获元件的纵向延伸部的上部10%或20%中）。已经发现，可能优选的是，将子系统放置在距第一端部0.25H至0.5H之间的范围内，以实现振荡幅度和杠杆效应的适当平衡，同时避免运动部件之间的干扰。而且，有时可能优选的是，将磁体和/或其他相对重部件放置在距第二端部或第二端部下方相当大的距离处，诸如距第二端部超过0.3H或超过0.5H。

在一些实施例中，第一端部在锚固点上方。在其他实施例中，第一端部在锚固点下方。在一些实施例中，捕获元件和/或电力发电机放置在锚固点上方对应于捕获元件的纵向延伸部（即，捕获元件的第一端部与第二端部之间的距离）的5%至40%之间、诸如10%至30%之间的距离。

将电力发电机放置在距锚固点相当大的距离处、并且优选地也距捕获元件的第一端部相当大的距离处（诸如在距第一端部0.1H、0.2H、0.3H或0.4H或以上的距离处）可以暗示放置子系统位置处的振荡移动的实质性幅度和最大速度，这可以实现子系统的部件之间（诸如磁体与线圈之间）的相对移动的相应实质性幅度和速度，从而增强电力发电机高效能量转换方面的性能。然而，在一些实施例中，优选的是，将电力发电机放置在距捕获元件的第二端部一定距离处，因为与第二端部相对应的移动的幅度可能使得难以或不可能避免例如捕获元件与电力发电机的内壁之间或电力发电机的部件之间的碰撞。当捕获元件具有特性尺寸（诸如朝向第二端部减小的直径）时，情况尤其如此。

在本发明的一些实施例中，捕获元件被配置成经由锚固构件附接到锚固点，所述锚固构件被布置成通过捕获元件的振荡移动反复变形。在一些实施例中，锚固构件延伸到捕获元件中，并且发电机的第二部分安装在同样地延伸到捕获元件中的支撑件上。在一些实施例中，支撑件延伸到捕获元件中至轴向超过锚固构件的位置。

在许多实施例中，捕获元件相对刚性，并且在振荡移动期间并不实质上变形。因此，捕获元件可以被设计和布置成使得升力作用在捕获元件上，并且在一些实施例中，锚固构件比捕获元件更具柔性和/或更有弹性，并且被布置成将捕获元件连接到锚固点，使得当升力作用在捕获元件上时，捕获元件将例如因锚固构件的弹性变形而相对于所述锚固点摇摆。此布置可以实现成本降低，因为捕获元件可以使用比锚固构件更便宜的材料，并且锚固构件可以被设计成确保捕获元件的移位或摇摆将足以经由电力发电机产生电力，同时具有足够抵抗力以长时间（包括具有高风速的周期）经受由风和通过捕获元件的摇摆产生的力。关于捕获元件，主要重要的往往是其形状和大小，以及足够低重量和对磨损（包括天气引发的磨损）的足够抗性。因此，使用在例如弹性方面具有不同特性的两个部件可能是优点，并且帮助降低成本。锚固构件可以由与捕获元件不同的一种或多种材料制成，或者在由相同材料制成时，其可以以与用于捕获元件的比例不同的比例来包括所述材料。捕获元件优选地由轻质材料制成并且可以是大致中空的。

例如，捕获元件可以优选地由轻质材料制成或至少包括轻质材料，诸如例如碳纤维、玻璃纤维、聚酯树脂、环氧树脂、玄武岩纤维、轻木、铝和/或钛等等。此捕获元件可以包括提供结构刚度的内部加强元件，诸如肋、托架或梁。在一些实施例中，捕获元件具有超过10 cm的长度，诸如超过0.5 m或超过1 m，诸如超过2 m或4 m或10 m或20 m或50 m或100 m或150 m或200 m。锚固构件（诸如杆）可以由适于提供适当性能的任何材料制成。碳纤维或诸如钛和钢的金属是合适材料的实例。

在本申请中，术语“锚固点”是指关于其发生振荡的点，即，“固定附接”的点。例如，如果所述设备包括捕获元件和锚固构件并且捕获元件经由锚固构件附接到基部，则锚固构件插入到固定和/或刚性结构中的位置可以被视为锚固点。

术语“锚固构件”不应以限制性意义解释，并且尤其不应被解释为必然是指单个单元；弹性元件可以例如包括相对于彼此以任何合适方式布置的数个元件。

术语“弹性”从如下意义上来说是指元件的弹性特性：在通过弯折其而变形之后，其往往恢复其初始形状。术语“弹性”并不旨在暗示在伸长之后其性能方面对弹性特性的任何需要。

本发明的进一步方面涉及一种借助如上所述基于涡流的发电设备产生电力的方法。所述方法包括如下步骤：使捕获元件经受移动流体，使得致使所述捕获元件因由所述捕获元件在所述流体中引发的冯卡门涡流而振荡。

附图说明

为完成本说明书并且为了实现对本发明的更好理解，提供一组附图。所述附图形成说明书的组成部分并且图示本发明的实施例，其不应被解释为限制本发明的范围，而是仅作为可以如何执行本发明的实例。所述附图包括以下图：

图1是根据本发明的一实施例的基于涡流的风力发电设备的示意性正视截面视图。

图2是图1中所示的基于涡流的风力发电设备的一部分的示意性正视截面视图。

图3A是形成所述设备的一部分的发电机的示意性顶视图。

图3B是发电机的透视截面视图。

图4A-图4C示意性地图示在发电机的操作期间通过发电机的芯的磁场如何变化。

图5示意性地图示在操作期间发电机的两个部分之间的排斥力如何变化。

图6示意性地图示在发电机的操作期间通过发电机的线圈的磁场的变化。

图7A和图7B是根据本发明的另一实施例的发电机的示意性透视图，其中切除若干部分以更好地示出发电机的构造。

图8是图1和图2中所示的设备的变型的一部分的示意性正视截面视图。

具体实施方式

图1示意性地示出基于冯卡门涡流的风力发电设备1000，其包括呈竖直地布置的杆柱或桅杆（即，使纵向轴线竖直地布置的杆柱或桅杆）形状的捕获元件1001，捕获元件1001具有第一端部1001A（当如图1中所示布置时，捕获元件1001的底端）和第二端部1001B（当如图1中所示布置时，捕获元件1001的顶端）。捕获元件1001的高度或长度是其第一端部1001A与其第二端部1001B之间的距离。在此实施例中，捕获元件1具有圆形或大致圆形截面，这通常是有利的，因为其允许发电机独立于风的方向以相同方式操作。所图示实施例中的捕获元件根据在WO-2018/149942-A1中论述的原理成形。

电力发电机的第一部分1安装在捕获元件1001内，并且附接到所述捕获元件，使得其与所述捕获元件一起移动，使得当捕获元件1001振荡（例如，因当所述捕获元件放置在移动流体中时（在风力发电设备的情况下，当暴露至风时）产生的冯卡门涡流）时，第一部分1也振荡。

所述风力发电设备进一步包括用于将发电机的第二部分2支撑在捕获元件内的支撑件1002。在所图示实施例中，支撑件1002包括大致圆柱形部分1002A，大致圆柱形部分1002A在其上端处终止于多个竖直地延伸的臂1002B和1002C中，所述臂支撑其上安装发电机的第二部分2的平台1002D。因此，发电机的第二部分2同样地布置在捕获元件内，但是由支撑件1002固定，并且并不与捕获元件1001一起振荡。第二部分2布置在与第一部分1大致相同高度处，使得当捕获元件振荡时，第一部分1将相对于第二部分2执行振荡移动。此振荡移动致使发电机以下文将进一步解释的方式产生电力和能量。另外，在第一部分1与第二部分2之间产生磁性排斥力。此排斥力可以用于防止捕获元件1001的振荡移动的过大幅度（或至少限制其风险）（从而防止或降低所述设备的移动与静止部件之间的不期望碰撞的风险），并且还根据在WO-2016/055370-A2、WO-2017/174685-A1和WO-2018/149942-A1中论述的原理影响捕获元件1001的固有振荡频率，其可以用于使所述设备“适应”流体（诸如风）的速度。

所述设备进一步包括锚固构件1003，捕获元件1001安装在锚固构件1003上并借助于锚固构件1003锚固到锚固点（示意性地图示在1003A处），所述捕获元件可以相对于所述锚固点执行摇摆移动。在所图示实施例中，锚固构件1003是在支撑件1002内沿轴向（和竖直）方向延伸的杆或杆状构件。锚固构件1003锚固到支撑件1002的基部部分。所述设备安装在支撑板2000上，支撑板2000例如通过螺栓2002附接到某种地基2001。支撑件1002可以由构件2003环绕，构件2003在支撑板2000与靠近于捕获元件1001的第一端部1001A的位置之间沿轴向方向延伸，并且可以用于改善设备的外观和/或空气动力学行为，和/或用于保护设备。

锚固构件1003是弹性的。术语“弹性”并不排除使用相对刚性锚固构件1003的可能性，而是仅暗示锚固构件应该具有足够通过侧向弯折/倾斜弹性变形的能力以允许捕获元件1001相对于锚固点1003A的振荡移动，即，捕获元件1001根据其首先向一侧、然后向另一侧倾斜等等的振荡移动。术语“弹性”并不暗示锚固构件应该能够沿轴向方向拉伸：术语“弹性”是指锚固构件可以侧向弯折的事实，即，其上部部分可以因由捕获元件施加的弯折力而基本上沿径向方向移位，并且然后恢复其初始笔直轴向延伸的形状，而不遭受任何实质性塑性变形。

捕获元件1001借助于一个或多个互连构件1004（诸如一个或多个圆盘形构件）附接到锚固构件1003，互连构件1004被布置成将捕获元件1001附接到锚固构件1003，如图1和图2中示意性地所示。一个或多个互连构件1004包括支撑件1002的臂1002B和1002C可以穿过的轴向延伸的通道、开口或空间1004B、1004C。这些通道、开口或空间的尺寸及其相对于所述臂的位置使得捕获元件1001和互连构件1004可以振荡（至少到足以实现所述设备用于能量产生的有效使用的程度），而在互连构件1004与支撑件1002之间无任何干扰。因此，支撑件1002沿竖直（向上）方向轴向延伸超过锚固构件1003，使得用于将捕获元件的振荡移动转换成电力的包括第一部分1和第二部分2的发电机以及用于调谐固有振荡频率的装备可以放置在锚固构件1003上方，而在振荡期间无任何干扰其的风险。

因此，并且如在例如WO-2016/055370-A2、WO-2017/174685-A1和WO-2018/149942-A1中所解释的，当风（或其他流体）的层流撞击细长杆柱形捕获元件1001时，其产生一系列涡流，所述涡流交替出现在捕获元件1001的一侧和另一侧上，并且在捕获元件1001的每一侧上的连续涡流之间具有恒定距离。因此，在捕获元件1001上产生沿风的方向的大致恒定阻力和基本上垂直于风的一般方向和阻力的方向的升力。此升力以对应于涡流的开始的频率周期性地切换符号，并且此力引起捕获元件1001朝向一侧和朝向另一侧的振荡（即，摇摆）。由于捕获元件1001具有大致圆形截面，因此所述振荡可以以大致相同方式发生，而不管风吹动的方向如何；所述振荡将在垂直于风的方向的平面中发生。所述振荡将致使发电机的第一部分1相对于第二部分2移动。

如图1中示意性地所图示，包括第一部分1和第二部分2的发电机放置在捕获元件内，即，在其第一端部上方，但是远离其第二端部。更具体来说，其被放置在如下位置处：内径相对大，并且振荡的幅度不会大到引起与捕获元件相关联的移动部件与放置在支撑件1002上的部件之间的物理干扰。因此，可以在需要空间来容纳发电机、期望将发电机和调谐磁体距基部放置在相当大的距离处以便利用“杠杆效应”以及期望相当大的幅度的振荡以增强能量产生之间找到平衡。

如图2中所示，在所图示实施例中，并且在捕获元件处于其中性位置中（即，其中轴线沿竖直方向延伸）的情况下，第一部分1（附接到捕获元件1001）与第二部分径向间隔开并且环绕第二部分。第一部分1包括大致环状磁体11，大致环状磁体11包括沿轴向方向彼此相对布置的北极端（例如，在图2中，上端）和南极端（例如，在图2中，下端）。轴向方向是垂直于环状磁体11的半径的方向。在图2中，半径沿水平方向延伸，因此，轴向方向是竖直方向，所述方向与所述环状磁体的中心轴线平行。

第二部分2包括由铁磁材料（诸如所谓的电工钢、铁氧体等等）制成的芯，其径向放置在大致环状磁体11内部。在一些实施例中，所述芯不是层压的，并且在其他实施例中，如本领域中所已知，为了减少因涡电流所致的损失，所述芯是完全或部分层压的。所述芯包括沿轴向方向延伸的中心部分21、第一径向延伸的部分22和第二径向延伸的部分23，径向延伸的部分22、23在两个不同轴向位置处从中心部分21径向延伸，使得径向延伸的部分22、23彼此间隔开间隙24，间隙24沿轴向方向延伸并且环绕中心部分21。第二部分2进一步包括在径向延伸的部分22、23之间缠绕在中心部分21周围的线圈25。图3A示意性地图示线圈25如何在径向延伸的部分22下方缠绕在芯的中心部分21周围。

如图2中所示，第一部分1被布置成可沿垂直于轴向方向的大致径向方向移位，使得当因捕获元件的移动而经受沿径向方向的重复振荡移动时，在所述振荡移动的一个循环期间：

-在所述循环的一个时刻，第一环状磁体11的第一段11A将进入间隙24，而第一环状磁体11的第二段11B将远离间隙24移位，第二段11B与第一段11A在直径上相对定位，并且

-在所述循环的另一时刻，第二段11B将进入所述间隙，而第一段11A将远离所述间隙移位。

图4A-图4C示意性地图示此循环的一部分，即，当捕获元件1001完全竖直地取向时，第一环状磁体11如何从其占据的中性位置移位（图4A中所示），使得第一段11A接近间隙24，而在直径上相对的段远离所述间隙移动（图4B），直到第一段11A进入间隙24（图4C）。

当环状磁体11的一段接近并且可能甚至实际上进入间隙24（图4B和图4C中的段11A也是如此）时，所述段的磁极之间的磁通量将循环如下路径：所述路径包括径向延伸的部分22、23的相邻于所述段的部分（即，基本上在其“上方”和“下方”）和从那里径向向内放置的部分以及中心部分21。随着所述磁体的所述段接近所述间隙和远离所述间隙移动，通过缠绕在中心部分周围的一个或多个线圈的磁通量将变化。基本上，在一个循环期间，通过线圈的通量将达到两个最大值和两个最小值，即，通量的变化频率将是振荡移动的频率的两倍，这有利于发电。如可以容易地理解，使用磁体的基本上环状布局是有利的，因为其关于芯对称，使得操作和效率可以基本上相同，而不管其中发生振荡移动的平面（通过对称轴线）的取向如何，即，在风力发电机的情况下，不管风吹动的方向如何。

如图2中示意性地所图示，第一环状磁体11具有第一内径D1，第一径向延伸的部分22具有第一外径d1，并且第二径向延伸的部分23具有第二外径d2，D1大于d1，并且也大于d2。直径的差异意味着第一环状磁体可以占据中性位置，在所述中性位置中，其径向定位超出芯的径向延伸的部分（即，从其向外），从而最小化芯与来自磁体的磁通量之间的相互作用。在所图示实施例中，d2>d1；所述直径已经被相应地选择成使发电机适应如下事实：第一部分的移动不是纯粹径向的：相反，所述移动是摆动的，并且因此以取决于到所述移动的中心点的距离的幅度为特征：比起第一部分的下部部分，第一部分的上部部分以更大幅度移动。

如图2以及图4A-图4C中所示，第二大致环状磁体221布置在第一径向延伸的部分22上，并且第三大致环状磁体231布置在第二径向延伸的部分23上。所述第二和第三环状磁体产生通过芯的中心部分的磁场，所述磁场具有与当第一环状磁体11接近并进入间隙24时由第一环状磁体11产生的通过芯的磁场的方向相反的方向。这示意性地图示在图4A-图4C中，其中图4A示意性地图示当第一环状磁体处于其中性位置中、与间隙的整个圆周相对应地与所述间隙间隔开时通过芯的磁场。即，在此位置中，第一磁体对通过芯的中心部分的磁场的影响最小，通过芯的中心部分、并且因此通过线圈的磁场的量值和方向可以如图4A中示意性地所图示。芯的中心部分内的磁场基本上是由第二磁体221和第三磁体231所致。

现在，当第一环状磁体11接近所述间隙（在芯的一侧上）时，其对通过芯的磁通量具有越来越多的影响，这在图4B中被示意性地图示为通过芯的磁场的量值的减小，后跟图4C中的磁场的极性变化和量值的增加。如上文所解释，对于芯的给定设计和材料，这可以用于在每一循环期间增强通过线圈的磁通量的总量值变化，而不增加芯的尺寸。如图4A-图4C中示意性地所图示，芯可以被预加载或磁性偏置，使得在芯的任何磁饱和之前，在进入和离开间隙时，第一环状磁体可以产生更大通量变化。而且，如从图4A-图4C可以容易地理解的，第二环状磁体221和第三环状磁体231将在第一环状磁体11上产生力，所述力将具有径向向外指向的分量。这可以帮助形成振荡系统的固有振荡频率与风速的自动适应，并且降低所述设备的移动与固定部件之间因过大幅度的振荡移动所致的碰撞的风险。

在所图示实施例中，电力发电机的第一部分1进一步包括沿轴向方向布置在第一环状磁体11的相对侧上的第一环状构件12和第二环状构件13，即，在图2中所示的取向的情况下，基本上轴向在第一环状磁体上方和下方。第一和第二环状构件由铁磁材料制成。如例如在图2以及图4A-图4C中所示，第一环状构件12与第一环状磁体11轴向间隔开，使得当第一环状磁体11的对应段接近芯时，芯的第一径向延伸的部分22可以进入第一环状构件12与第一环状磁体11之间的空间。第二环状构件13与第一环状磁体11轴向间隔开，使得当第一环状磁体11的对应段接近芯时，芯的第二径向延伸的部分23可以进入第二环状构件13与第一环状磁体11之间的空间。例如参考图4A-图4C。在图3B中还可以观察到上文论述的不同部件之间的关系。在所图示实施例中，第一环状磁体11、第一环状构件12和第二环状构件布置在共同（在所图示情况下，大致环形）框架或支撑构件14上。

已经发现，对于给定第一环状磁体，使用这些环状构件12和13可以有助于增强在操作期间通过芯的磁通量及其变化。据信，这可能是由于第一环状构件12和第二环状构件13有助于引导和传导源自第一环状磁体11的相邻部分或段的磁场，以便引导其通过芯的最接近第一环状构件12和第二环状构件13的部分。以此方式，不仅第一环状磁体11的实际上最靠于芯的径向延伸的部分的段、而且磁体11的其他部分（即，有角度更遥远部分）可以贡献于通过芯的磁通量，因为由那些更遥远部分产生的磁场可以经由那些环状构件朝向芯的最靠近于环状构件12和13的部分引导。因此，就磁性材料的量对比捕获元件的给定振荡移动的所产生功率而言，实现了第一环状磁体的磁性材料的更高效使用。

图5示意性地图示第一环状磁体11与第二环状磁体221和第三环状磁体231之间的排斥力F，其取决于第一部分的关于从中性位置的移位的距离x的位置。在中性位置A'中，所述排斥力为零。当第一部分从其中性位置移位至诸如由图4B表示的位置（图5中的位置B'）的位置时，排斥力增加，并且其朝向在对应于移动的幅度的位置C'处的最大值快速上升。当第一部分从中性位置沿相反方向移动时，这同样适用。因此，此排斥力用于两个目的：其可以帮助防止第一部分与第二部分之间的碰撞（或系统的其他部件之间的碰撞），并且其还可以用于修改捕获元件的固有振荡频率，从而提高所述设备适应流体的速度的能力。图5中可以观察到的轻微滞后可能是由于电能和磁滞的提取，这对发电机具有阻尼效果。

图6示出当第一部分从其中性位置A'移位（根据图4A），通过中间位置B'（例如，根据图4B）至其对应于振荡移动的幅度的末端位置C'（如图4C中）时，通过线圈25的磁场B如何变化。此图可以有助于理解发电机的正确定尺寸（包括第一、第二和第三环状磁体的选择和布置）的重要性，以便优化相应磁场，从而通过防止或最小化芯的铁磁材料的饱和来最大化通过芯的磁场的变化幅度。因此，根据曲线B1的布置（其并不产生铁磁材料的任何饱和）实现幅度“a”，幅度“a”大于曲线B2的幅度“b”和曲线B3的幅度“c”，幅度“b”和幅度“c”两者都因芯的铁磁材料的饱和而小于“a”。

图7A和图7B图示另一实施例，其中存在三个中心部分21，每一中心部分21都缠绕有其自己的线圈25。径向延伸的部分22和23基本上通过圆的段的组合来配置，所述段组合以产生大致圆盘形径向延伸的部分。在此实施例中，第一部分如上文所描述。

图8示意性地图示图2的实施例的变型，其中径向延伸的部分22和23以及第一环状构件12和第二环状构件13替代图2中所示的矩形截面具有台阶式截面（即，台阶式表面），使得第一径向延伸的部分22的台阶式表面面向并基本上匹配第一环状构件12的台阶式表面，并且第二径向延伸的部分23的台阶式表面面向并基本上匹配第二环状构件13的台阶式表面。对于给定第一环状磁体，这可以用于进一步增强径向延伸的部分与环状构件之间的磁耦合，并且因此增强在操作期间通过芯的磁通量及其变化。因此，甚至更高效地利用发电机的材料，包括磁性材料。当然，这必须和部件的更复杂设计保持平衡。

在此文本中，术语“磁体”通常是指永磁体。

在此文本中，并且如上文所解释的，术语“环状”当应用于磁体时并不要求所讨论磁体是由单个环状元件组成的完全“环状”磁体。相反，术语“环状”是指磁体的一般配置、而非其构造。即，在本文档的上下文中，“环状磁体”可以由多个单独的磁体组成，所述单独磁体基本上按圆布置或形成具有大量边的多边形（诸如多于例如6个、8个、10个、15个或20个边）或类似物，在所述单独磁体之间有或没有空间。所述空间可以是相当大的，只要其不阻止所讨论磁体组形成大致圆形配置即可。本领域技术人员将考虑诸如部件的成本及其安装成本等若干方面来使用部件。这同样适用于对成形为“环”的磁体的引用。这同样适用于本文中提及的由铁磁材料制成的环状构件。

在此文本中，如“在…上方”、“在…下方”、“竖直”、“水平”等等术语通常是指如下情况：将细长捕获元件布置成其第一端部在其第二端部下方，即，通常，捕获元件的纵向轴线竖直地延伸。然而，这不应被解释为暗示捕获元件必须始终以此方式布置。在一些实施方式中，捕获元件的其他取向是可能的。

在此文本中，术语“包括(comprises)”及其派生词（诸如“包括(comprising)”等等）不应以排除意义来理解，即，这些术语不应被解释为排除所描述和定义的内容可以包括其他元件、步骤等等的可能性。

在此文本中，并且除非另有说明，否则表述“磁场”是指以特斯拉(T)为量度的磁通量密度，即，通常标记为“B”的磁场。

本发明显然并不限于本文中描述的具体实施例，而是还包括本领域技术人员在权利要求书中定义的本发明的总体范围内可以考虑的任何变化（例如，关于对材料、尺寸、部件、配置等等的选择）。

Claims (15)

1.一种电力发电机，其包括被布置成相对于第二部分(2)往复移动的第一部分(1)，其中：

所述第一部分(1)包括至少一个第一环状磁体(11)，所述磁体包括沿轴向方向彼此相对布置的北极端和南极端；

所述第二部分(2)包括径向定位在所述第一环状磁体(11)内部的由铁磁材料制成的芯，所述芯包括沿所述轴向方向延伸的中心部分(21)、第一径向延伸的部分(22)和第二径向延伸的部分(23)，径向延伸的部分(22、23)在两个不同轴向位置处从所述中心部分(21)径向延伸，使得所述径向延伸的部分(22、23)彼此间隔开间隙(24)，所述间隙(24)沿所述轴向方向延伸并且环绕所述中心部分(21)；

所述第二部分进一步包括在所述径向延伸的部分(22、23)之间缠绕在所述中心部分(21)周围的至少一个线圈(25)；

所述第一部分(2)被布置成能够沿垂直于所述轴向方向的径向方向移位，使得当经受沿所述径向方向的重复振荡移动时，在所述振荡移动的一个循环期间：

在所述循环的一个时刻，所述第一环状磁体(11)的第一段(11A)将进入所述间隙(24)，而所述第一环状磁体(11)的第二段(11B)将远离所述间隙(24)移位，所述第二段(11B)与所述第一段(11A)在直径上相对定位，并且

在所述循环的另一时刻，所述第二段(11B)将进入所述间隙，而所述第一段将远离所述间隙移位。

2.根据权利要求1所述的电力发电机，其中第二环状磁体(221)布置在所述第一径向延伸的部分(22)上，并且其中第三环状磁体(231)布置在所述第二径向延伸的部分(23)上，所述第二环状磁体和第三环状磁体产生通过所述芯的所述中心部分的磁场，所述磁场具有与当所述第一环状磁体(11)进入所述间隙(24)时由所述第一环状磁体(11)产生的通过所述芯的磁场的方向相反的方向。

3.根据前述权利要求中的任何一项权利要求所述的电力发电机，其中所述第一部分(1)进一步包括沿所述轴向方向布置在所述第一环状磁体(11)的相对侧上的第一环状构件(12)和第二环状构件(13)，所述第一环状构件(12)和所述第二环状构件(13)由铁磁材料制成，所述第一环状构件(12)与所述第一环状磁体(11)轴向间隔开，使得当所述第一环状磁体(11)的对应段接近所述芯时，所述芯的所述第一径向延伸的部分(22)能够进入所述第一环状构件(12)与所述第一环状磁体(11)之间的空间，所述第二环状构件(13)与所述第一环状磁体(11)轴向间隔开，使得当所述第一环状磁体(11)的对应段接近所述芯时，所述芯的所述第二径向延伸的部分(23)能够进入所述第二环状构件(13)与所述第一环状磁体(11)之间的空间。

4.根据前述权利要求中的任何一项权利要求所述的电力发电机，其中所述第一环状磁体(11)具有第一内径(D1)，其中所述第一径向延伸的部分(22)具有第一外径(d1)，并且其中所述第二径向延伸的部分具有第二外径(d2)，所述第一内径(D1)大于所述第一外径(d1)和所述第二外径(d2)。

5.根据权利要求4所述的电力发电机，其中所述第二外径(d2)大于所述第一外径(d1)。

6.根据前述权利要求中的任何一项权利要求所述的电力发电机，其中所述第一径向延伸的部分(22)和所述第二径向延伸的部分(23)为大致圆盘形，任选地具有大致圆形周界。

7.根据前述权利要求中的任何一项权利要求所述的电力发电机，其中所述中心部分(21)具有大致圆柱形形状。

8.根据前述权利要求中的任何一项权利要求所述的电力发电机，其包括由铁磁材料制成的多个中心部分(21)，每一中心部分由相应线圈环绕，所述中心部分(21)平行布置。

9.一种基于涡流的发电设备，其包括：

具有细长形状的捕获元件(1001)，所述捕获元件在所述捕获元件的第一端部(1001A)与所述捕获元件的第二端部(1001B)之间沿纵向方向延伸，

所述捕获元件(1)被配置成附接到锚固点(1003A)并且浸没在流体中，其中所述第一端部(1001A)比所述第二端部(1001B)更靠近于所述锚固点(1003A)，所述捕获元件被配置成使得，当所述流体移动时，所述捕获元件(1001)在所述流体中产生涡流，使得在所述捕获元件(1001)上产生振荡升力，这产生所述捕获元件(1001)的振荡移动；以及

根据权利要求1-8中的任何一项权利要求所述的电力发电机，

其中所述电力发电机相对于所述捕获元件(1001)被布置成使得所述捕获元件(1001)的振荡移动引起所述电力发电机的所述第一部分(1)相对于所述电力发电机的所述第二部分(2)的振荡移动，以便产生电能。

10.根据权利要求9所述的基于涡流的发电设备，其中所述电力发电机的所述第一部分(1)和所述第二部分(2)中的一者附接到所述捕获元件(1001)，并且所述第一部分(1)和所述第二部分(2)中的另一者布置在所述捕获元件(1001)内的支撑件(1002)上。

11.根据权利要求9或10所述的基于涡流的发电设备，其中所述捕获元件(1001)具有大致圆形截面，或具有大致为带有或不带倒圆顶点的正多边形的形状的截面。

12.根据权利要求9-11中的任何一项权利要求所述的基于涡流的发电设备，其中所述捕获元件(1001)是至少部分中空的，并且其中所述电力发电机至少部分容纳在所述捕获元件(1001)内部，并且其中所述电力发电机的所述第一部分(1)和所述第二部分(2)优选地完全容纳在所述捕获元件(1001)内。

13.根据权利要求9-12中的任何一项权利要求所述的基于涡流的发电设备，其中所述捕获元件(1001)被配置成经由锚固构件(1003)附接到所述锚固点(1003A)，所述锚固构件(1003)被布置成通过所述捕获元件(1001)的所述振荡移动反复变形。

14.根据权利要求13所述的基于涡流的发电设备，其中所述锚固构件(1003)延伸到所述捕获元件(1001)中，并且其中所述发电机的所述第二部分(2)安装在同样地延伸到所述捕获元件(1001)中的支撑件(1002)上，其中所述支撑件(1002)延伸到所述捕获元件(1001)中至轴向超过所述锚固构件(1003)的位置。

15.一种借助根据权利要求9-14中的任何一项权利要求所述的基于涡流的发电设备产生电力的方法，其包括如下步骤：使所述捕获元件(1001)经受移动流体，使得致使所述捕获元件因由所述捕获元件(1001)在所述流体中引发的冯卡门涡流而振荡。

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