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HINTERGRUND
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Die Offenbarung betrifft allgemein ein Inspektionssystem und insbesondere die Energieerzeugung in einer Vorrichtung, die zur Rohrleitungsinspektion verwendet wird.
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Gewöhnlich werden auf dem Öl- und Gasverteilungssektor Untergrundrohrleitungen verwendet, um Brennstoffe, einschließlich schwere Kohlenwasserstoffe, zu einer oder mehreren Stellen zu transportieren. Jedoch können diese Rohrleitungen mit einer Leckage, Wanddicke, Verformung und/oder Korrosion verbundenen Beschädigungen aufgrund der Alterung der Rohrleitungen unterliegen.
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Um diese Beschädigungen zu verhindern, inspizieren Rohrleitungsbesitzer und/oder -betreiber routinemäßig Rohrleitungen von der Innenseite aus. Insbesondere wird eine Inspektionsvorrichtung durch die Rohrleitungen geschickt, um jegliche Beschädigungen in den Rohrleitungen zu überprüfen. Die Inspektionsvorrichtung sammelt Daten von der Innenseite der Rohrleitungen, z.B. Daten, die die Wanddicke, Verformung an der Rohrleitung und/oder andere mit Korrosion in Zusammenhang stehende Beschädigungen in den Rohrleitungen anzeigen. Ferner werden diese Daten abgerufen und analysiert, um Beschädigungen in den Rohrleitungen zu identifizieren.
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Während einer Inspektion der Rohrleitungen kann jedoch die Inspektionsvorrichtung hunderte von Kilometern im Inneren der Rohrleitungen zurücklegen müssen, ohne die Möglichkeit zu haben, an Bord befindliche Batterien (Akkumulatoren), die die Vorrichtungselektronik versorgen, aufzuladen. Außerdem kann die Inspektionsvorrichtung, um den Zustand von Verschweißungen im Inneren der Rohrleitungen zu erfassen, mit einem Röntgengenerator und/oder einem anderen Sensor ausgestattet sein, der mehr Leistung von den bordeigenen Batterien verbraucht. Dies führt zu einer schnellen Erschöpfung der bordeigenen Batterien und kann die Inspektionsvorrichtung deaktivieren.
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Deshalb haben die Erfinder ein verbessertes System und Verfahren zur Energieerzeugung geschaffen.
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KURZDARSTELLUNG
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Gemäß einer hierin beschriebenen Ausführungsform enthält ein Energieerzeugungssystem ein leitendes Rohr und eine Erzeugungseinheit, die eingerichtet ist, um sich über einer leitfähigen Oberfläche des leitenden Rohrs linear zu bewegen. Ferner enthält die Erzeugungseinheit einen Magnetrotor, der eingerichtet ist, um ein erstes Magnetfeld in der Nähe der leitfähigen Oberfläche zu erzeugen, und einen Stator, der konzentrisch zu dem und radial im Inneren des Magnetrotors angeordnet ist und elektrische Spulen enthält. Der Magnetrotor rotiert um den Stator herum, um eine Spannung in den elektrischen Spulen zu induzieren, wenn sich die Erzeugungseinheit linear über der leitfähigen Oberfläche des leitenden Rohrs bewegt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung enthält ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Leistung ein Anordnen eines Magnetrotors in der Nähe einer leitfähigen Oberfläche eines leitenden Rohrs, wobei der Magnetrotor ein erstes Magnetfeld in der Nähe der leitfähigen Oberfläche erzeugt. Ferner enthält das Verfahren ein Verändern des ersten Magnetfeldes durch eine Linearbewegung einer Erzeugungseinheit über der leitfähigen Oberfläche. Das Verfahren enthält auch ein Umwandeln der Linearbewegung der Erzeugungseinheit in eine Drehbewegung des Magnetrotors, wenn das erste Magnetfeld verändert wird. Außerdem enthält das Verfahren ein Induzieren einer Spannung in elektrischen Spulen eines Stators aufgrund der Drehbewegung des Magnetrotors.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung enthält eine Energieerzeugungsvorrichtung eines Erzeugungseinheit, die eingerichtet ist, um sich linear über einer leitfähigen Oberfläche zu bewegen. Die Erzeugungseinheit enthält einen Stator, der elektrische Spulen aufweist, und einen Magnetrotor, der konzentrisch zu und radial außerhalb von dem Stator angeordnet ist. Der Magnetrotor ist eingerichtet, um ein erstes Magnetfeld in der Nähe der leitfähigen Oberfläche zu erzeugen, und um den Stator herum zu rotieren, um eine Spannung in den elektrischen Spulen zu induzieren, wenn sich die Erzeugungseinheit über der leitfähigen Oberfläche linear bewegt.
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ZEICHNUNGEN
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Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden, wenn die folgende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile überall in den Zeichnungen darstellen, worin zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Energieerzeugungssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
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2 eine isometrische Ansicht des Energieerzeugungssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
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3 eine schematische Darstellung eines Magnetrotors in dem Energieerzeugungssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
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4 eine schematische Darstellung von elektrischen Spulen in einem Stator, der mit einer externen Einheit gekoppelt ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung; und
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5 ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Energieerzeugung in einer Inspektionsvorrichtung veranschaulicht, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Wie im Einzelnen hier nachstehend beschrieben, werden verschiedene Ausführungsformen eines beispielhaften Energieerzeugungssystems präsentiert. Durch Anwenden der Verfahren und der verschiedenen Ausführungsformen des Energieerzeugungssystems, wie hier nachstehend beschrieben, kann eine oder können mehrere bordeigene Batterien in einer Inspektionsvorrichtung effizient wiederaufgeladen werden, während die Inspektionsvorrichtung durch Rohrleitungen verfährt.
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Bezugnehmend auf 1 ist eine schematische Darstellung eines Energieerzeugungssystems 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung gezeigt. In einer Ausführungsform enthält das Energieerzeugungssystem 100 allgemein eine Inspektionsvorrichtung 104, die eingerichtet ist, um sich linear über einer leitfähigen Oberfläche 118 zu bewegen. Die leitfähige Oberfläche 118 kann eine beliebige leitfähige Oberfläche sein, die sich dazu eignet, einen Betrieb des Energieerzeugungssystems 100 in der hierin beschriebenen Weise zu ermöglichen. Zum Beispiel kann die leitfähige Oberfläche 118 in einer Ausführungsform ein leitendes Rohr 102 sein. In einer derartigen Ausführungsform kann das leitende Rohr 102 ein Teil der Rohrleitung sein, die zur Beförderung von Brennstoffen von einer Stelle zu einer anderen Stelle verwendet wird. In einem Beispiel kann das leitende Rohr 102 ein magnetisches oder nichtmagnetisches Rohr, aber elektrisch leitend, wie beispielsweise ein Aluminium-, Kupfer-, Stahl-, Edelstahl-, Magnesium- und/oder leitendes Kunststoffrohr, sein.
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Ferner kann die Inspektionsvorrichtung 104 durch die Rohrleitung hindurch geschickt werden, um jegliche Beschädigungen in der Rohrleitung zu überprüfen. In einem Beispiel kann die Inspektionsvorrichtung 104 hunderte von Kilometern durch die Rohrleitung fahren, die in abgelegenen und städtischen Gebieten angeordnet sein kann. Ferner kann die Inspektionsvorrichtung 104 Daten von der Innenseite der Rohrleitung, z.B. Daten, die die Wanddicke, die Verformung an der Rohrleitung und/oder anderer mit Korrosion verbundene Beschädigungen in der Rohrleitung anzeigen, sammeln. Ferner werden diese Daten abgerufen und analysiert, um Beschädigungen in der Rohrleitung zu identifizieren.
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In einer derzeit angedachten Konfiguration enthält die Inspektionsvorrichtung 104 eine Erzeugungseinheit 106. Es sei darauf hingewiesen, dass die Inspektionsvorrichtung 104 weitere Komponenten enthalten kann und nicht auf die in 1 veranschaulichten Komponenten beschränkt ist. In einem Beispiel können die weiteren Komponenten ein Röntgengenerator, ein Detektor, ein Speicher, Sensoren und ein Transceiver sein, die verwendet werden, um die Rohrleitung zu inspizieren.
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In der Ausführungsform nach 1 enthält die Erzeugungseinheit 106 einen Stator 108, einen magnetischen Rotor 110 und einen Tragbügel 120. Der Tragbügel 120 ist mit einer Welle 116 verbunden, die wiederum mit dem Stator 108 gekoppelt ist. Der Tragbügel 120 und die Welle 116 werden dazu verwendet, den Stator 108 zu halten, während der Magnetrotor 110 um den Stator 108 herum rotiert. Ferner kann der Stator 108 elektrische Spulen 112 enthalten, die über einem oder mehreren Armen 114 des Stators 108 gewickelt sind. In einem Beispiel kann jeder der Arme 114 senkrecht zu dem benachbarten Arm positioniert sein. Ferner sind die elektrischen Spulen 112 an jedem Arm 114 mit den elektrischen Spulen 112 an dem benachbarten Arm 114 verbunden. In der Ausführungsform nach 4 sind die elektrischen Spulen 112 in einer Reihenschaltung miteinander verbunden. In einer weiteren Ausführungsform sind die elektrischen Spulen 112 in einer Parallelschaltung miteinander verbunden. Ferner sind diese elektrischen Spulen mit einer externen Einheit (siehe 4) zur Wiederaufladung einer Batterieeinheit (Akkueinheit) verbunden (siehe 4). In einem Beispiel kann die Batterieeinheit eine oder mehrere bordeigene Batterien (Akkumulatoren) der Inspektionsvorrichtung 104 enthalten. Es sei darauf hingewiesen, dass die elektrischen Spulen 112 je nach den Spannungs- und Stromanforderungen der Batterieeinheit eine beliebige Art einer Verbindung miteinander und/oder mit der externen Einheit haben können.
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Außerdem ist der Magnetrotor 110 konzentrisch zu dem Stator 108 und radial außerhalb dessen angeordnet. Der Magnetrotor 110 ist mit dem Stator 108 in einer derartigen Weise gekoppelt, dass der Magnetrotor 110 um den Stator 108 rotieren kann, während sich der Stator 108 in einer ortsfesten oder stationären Position befindet. Ferner ist der Magnetrotor 110 in der Nähe einer leitfähigen Oberfläche 118 des leitenden Rohrs 102 positioniert. Außerdem enthält der Magnetrotor 110 einen oder mehrere (in den 2 und 3 veranschaulichte) Magnete, die um einen Außenrand des Magnetrotors herum angeordnet sind. Ferner ist jeder der Magnete benachbart zu einem anderen Magneten, der eine entgegengesetzte Polarität aufweist, angeordnet. In einem Beispiel können diese Magnete ein Permanentmagnet sein, der verwendet wird, um ein erstes Magnetfeld in der Nähe der leitfähigen Oberfläche 118 des leitenden Rohrs 102 zu erzeugen.
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Während eines Betriebs kann sich die Inspektionsvorrichtung 104 linear über der leitfähigen Oberfläche 118 des leitenden Rohres 102 bewegen. Diese Linearbewegung der Inspektionsvorrichtung 104 kann durch eine Flüssigkeitsströmung und/oder eine Druckdifferenz in dem leitenden Rohr 102 verursacht sein. Wenn sich die Inspektionsvorrichtung 104 bewegt, bewegt sich auch die Erzeugungseinheit 106 in der Inspektionsvorrichtung 104 linear über der leitfähigen Oberfläche 118. Diese Linearbewegung der Erzeugungseinheit 106 kann das erste Magnetfeld, das durch den Magnetrotor 110 erzeugt wird, verändern. Insbesondere kann, wenn sich die Erzeugungseinheit 106 linear über der leitfähigen Oberfläche 118 bewegt, die Amplitude und/oder Richtung des ersten Magnetfeldes variiert werden, und infolgedessen wird ein Wirbelstrom in einem Abschnitt der leitfähigen Oberfläche 118, der sich in der Nähe des Magnetrotors 110 befindet, induziert. Dieser Wirbelstrom kann ferner ein zweites Magnetfeld erzeugen, das dem ersten Magnetfeld entgegenwirkt. Wegen dieser beiden entgegengesetzten oder entgegenwirkenden Magnetfelder wirkt eine gekoppelte Bewegung oder eine elektromagnetische Kraft auf den Magnetrotor 110 ein, was wiederum den Magnetrotor 110 veranlasst, sich um den Stator 108 herum zu drehen oder um diesen herum zu rotieren. Es sei darauf hingewiesen, dass der Aspekt der Rotation des Magnetrotors 110 in größeren Einzelheiten unter Bezugnahme auf die 2 und 3 erläutert ist.
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Ferner wird, wenn der Magnetrotor 110 um den Stator 108 rotiert, ein oszillierendes Magnetfeld in dem Stator 108 erzeugt, und infolgedessen wird eine Spannung in den elektrischen Spulen 112 des Stators 108 induziert. Diese Spannung kann ferner zu der externen Einheit zum Aufladen der bordeigenen Batterien der Inspektionsvorrichtung 104 übertragen werden. Es sei darauf hingewiesen, dass die induzierte Spannung für eine oder mehrere Anwendungen in der Inspektionsvorrichtung 104 verwendet werden kann und nicht auf die Aufladung der bordeigenen Batterien der Inspektionsvorrichtung 104 beschränkt ist.
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Zusätzlich wird, wenn ein Strom von den elektrischen Spulen 112 zu der externen Einheit fließt, um die Spannung zu der externen Einheit zu übertragen, ein drittes Magnetfeld erzeugt, das dem zweiten Magnetfeld entgegenwirkt. Dieses wiederum induziert eine Bremskraft an dem Magnetrotor 110, um dem Magnetrotor 110 kinetische Energie zu entziehen und mit der entzogenen kinetischen Energie verbundene Leistung zu der externen Einheit 402 zu übertragen.
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Somit können durch Verwendung der beispielhaften Inspektionsvorrichtung 104 die bordeigenen Batterien automatisch aufgeladen werden, während die Inspektionsvorrichtung 104 entlang der Rohrleitung verfährt. Ferner können bordeigene Batterien mit einer kleineren Größe und einem geringeren Gewicht verwendet werden, da sie leicht wiederaufgeladen werden. Dies wiederum reduziert die gesamte Größe und das Gesamtgewicht der Inspektionsvorrichtung 104.
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Bezugnehmend auf 2 ist eine isometrische Ansicht des Energieerzeugungssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung dargestellt. Ferner veranschaulicht 3 eine Anordnung von Magnetblöcken in dem Magnetrotor. Die Inspektionsvorrichtung 104 enthält einen Tragbügel 120, der mit einer Welle 116 der Inspektionsvorrichtung 4 gekoppelt ist, wie in 2 dargestellt. In einem Beispiel kann der Tragbügel verwendet werden, um die Welle 116 an einer Rotation zu hindern, was wiederum den Stator 104 an einer Rotationsbewegung hindert, während der Magnetrotor 110 um den Stator 108 herum rotiert.
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Wie in 2 dargestellt, enthält der Magnetrotor 110 mehrere magnetische Blöcke 202, die um einen Außenrand des Magnetrotors 110 herum angeordnet sind. Diese Magnetblöcke 202 können verwendet werden, um ein erstes Magnetfeld in dem leitenden Rohr 102 zu erzeugen. Ferner ist jeder Magnetblock benachbart zu einem anderen Magnetblock, der eine entgegengesetzte Polarität aufweist, angeordnet. Zum Beispiel ist ein Magnetblock 204 mit einer Nordpolarität benachbart zu einem Magnetblock 206 angeordnet, der eine Südpolarität aufweist, wie in den 2 und 3 dargestellt.
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Ferner kann, wenn sich die Inspektionsvorrichtung 104 linear über der leitfähigen Oberfläche 118 des leitenden Rohrs 102 bewegt, das erste Magnetfeld einen Wirbelstrom in einem Abschnitt der leitfähigen Oberfläche 118, der sich in der Nähe des Magnetrotors 110 befindet, induzieren. Dieser Wirbelstrom kann ferner ein zweites Magnetfeld erzeugen, das dem ersten Magnetfeld entgegenwirkt, was wiederum eine elektromagnetische Kraft an dem Magnetrotor 110 erzeugt. Wenn die elektromagnetische Kraft auf den Magnetrotor 110 einwirkt, kann insbesondere ein Magnetblock, z.B. 204, der sich in der Nähe der leitfähigen Oberfläche 118 befindet und dieselbe Polarität wie diejenige der leitfähigen Oberfläche 118 aufweist, von der leitfähigen Oberfläche 118 abgestoßen werden, was wiederum den Magnetrotor 110 veranlasst, sich in eine Richtung, wie in 2 veranschaulicht, zu bewegen. Ferner kann ein benachbarter Magnetblock, z.B. 206, der sich in der Nähe der leitfähigen Oberfläche 118 befindet und eine entgegengesetzte Polarität als diejenige der leitfähigen Oberfläche 118 aufweist, zu der leitfähigen Oberfläche 118 hin angezogen werden, was wiederum den Magnetrotor 110 veranlasst, sich weiter in derselben Richtung zu bewegen, wie in 2 veranschaulicht. Diese abstoßende und anziehende Wirkung der Magnetblöcke 202 kann eine Drehbewegung des Magnetrotors 110 um den Stator 108 herum hervorrufen, und infolgedessen wird in den elektrischen Spulen 112 des Stators 108 eine Spannung induziert.
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Bezugnehmend auf 4 ist eine schematische Darstellung von elektrischen Spulen in einem Stator, der mit einer externen Einheit gekoppelt ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung dargestellt. Es sei darauf hingewiesen, dass zur Erleichterung des Verständnisses nur die elektrischen Spulen 112 und die Arme 114 des Stators 108 in 4 dargestellt sind. Die elektrischen Spulen 112 in jedem Arm 114 sind miteinander verbunden und ferner mit einer externen Einheit 402 verbunden. Es sei darauf hingewiesen, dass die elektrischen Spulen 112 in jedem Arm 114 in Reihen- oder in Parallelschaltung miteinander verbunden sein können.
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In der Ausführungsform nach 4 enthält die externe Einheit 402 eine Gleichrichteruntereinheit 404 und eine Batterieuntereinheit 406. Die elektrischen Spulen 114 sind mit der Gleichrichteruntereinheit 404 parallel verbunden, die wiederum mit der Batterieuntereinheit 406 parallel verbunden ist. In einem Beispiel enthält die Gleichrichteruntereinheit 404 Dioden, die in einer Vollbrückenschaltung angeordnet sind, um Wechsel(AC)-Strom von den elektrischen Spulen 114 in Gleich(DC)-Strom zu wandeln und um die Batterieuntereinheit 106 mit dem umgewandelten DC-Strom zu laden. In einem Beispiel kann die Batterieuntereinheit 406 eine oder mehrere bordeigene Batterien enthalten, die verwendet werden, um eine Systemelektronik für die Inspektionsvorrichtung 104 zu versorgen. Es sei darauf hingewiesen, dass die externe Einheit 402 eine beliebige Art einer Untereinheit enthalten kann, um den AC-Strom von den elektrischen Spulen 114 in DC-Strom zu wandeln, und nicht auf die Gleichrichteruntereinheit 404 beschränkt ist.
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Bezugnehmend auf 5 ist ein Flussdiagramm dargestellt, das ein Verfahren 500 zur Energieerzeugung in einer Inspektionsvorrichtung 104 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht. Zur Erleichterung des Verständnisses ist das Verfahren 500 unter Bezugnahme auf die Komponenten gemäß den 1–4 beschrieben. Das Verfahren 500 beginnt mit einem Schritt 502, in dem ein Magnetrotor 110 in der Nähe einer leitfähigen Oberfläche 118 eines leitenden Rohrs 102 angeordnet wird. Ferner kann der Magnetrotor 110 ein erstes Magnetfeld in der Nähe der leitfähigen Oberfläche 118 erzeugen.
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Anschließend wird das erste Magnetfeld im Schritt 504 durch eine Linearbewegung einer Erzeugungseinheit 106 verändert. Insbesondere kann sich die Erzeugungseinheit 106 in der Inspektionsvorrichtung 104 aufgrund einer Druckdifferenz und/oder einer Flüssigkeitsströmung in dem leitenden Rohr 102 über der leitfähigen Oberfläche 118 linear bewegen. Diese Linearbewegung der Erzeugungseinheit 106 kann ferner die Amplitude und/oder die Richtung des durch den Magnetrotor 110 hervorgerufenen ersten Magnetfeldes verändern.
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Zusätzlich kann die Linearbewegung der Erzeugungseinheit 106 im Schritt 506 in eine Drehbewegung des Magnetrotors 110 umgesetzt werden, wenn das erste Magnetfeld verändert wird. Wenn die Amplitude und/oder die Richtung des ersten Magnetfeldes durch die Linearbewegung der Erzeugungseinheit 106 verändert wird/werden, wird insbesondere ein Wirbelstrom in der leitfähigen Oberfläche 118 induziert. Dieser Wirbelstrom in der leitfähigen Oberfläche 118 kann ferner ein zweites Magnetfeld hervorrufen, das dem ersten Magnetfeld entgegenwirkt. Aufgrund dieser beiden entgegengesetzten Magnetfelder kann eine verkoppelte Bewegung oder eine elektromagnetische Kraft auf den Magnetrotor 110 einwirken, was wiederum den Magnetrotor 110 veranlasst, sich um den Stator 108 herum zu drehen oder um diesen herum zu rotieren.
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Außerdem kann die Drehbewegung des Magnetrotors 110 im Schritt 508 eine Spannung in den elektrischen Spulen 112 des Stators 108 induzieren. Wenn der Magnetrotor 110 um den Stator 108 rotiert, wird insbesondere ein oszillierendes Magnetfeld in dem Stator 108 erzeugt, und infolgedessen wird in den elektrischen Spulen 112 des Stators 108 eine Spannung induziert. Diese Spannung kann weiter zu der externen Einheit 402 übertragen werden, um die bordeigenen Batterien 406 der Inspektionsvorrichtung 104 aufzuladen. Wenn elektrischer Strom von den elektrischen Spulen 112 zu der externen Einheit 402 fließt, um Leistung zu der externen Einheit 402 zu übertragen, wird zusätzlich ein drittes Magnetfeld erzeugt, das dem zweiten Magnetfeld entgegenwirkt. Dieses wiederum induziert eine Bremskraft an dem Magnetrotor 110, um dem Magnetrotor 110 kinetische Energie zu entziehen und um mit der entzogenen kinetischen Energie verbundene Leistung zu der externen Einheit 402 zu übertragen. Ferner wiederholt sich der Zyklus (die Schritte 502–508), wenn sich die Erzeugungseinheit 106 wieder über der leitenden Oberfläche 118 bewegt, um eine Spannung zu induzieren und die bordeigenen Batterien wiederaufzuladen.
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Die verschiedenen Ausführungsformen des Systems und des Verfahrens können zum Aufladen der bordeigenen Batterien der Inspektionsvorrichtung verwendet werden. Ferner werden die bordeigenen Batterien aufgeladen, während die Inspektionsvorrichtung entlang der Rohrleitung verfährt. Somit besteht keine Notwendigkeit, die bordeigenen Batterien zum Wiederaufladen oder Austausch durch neue bordeigene Batterien zu entfernen. Ferner kann eine geringere Anzahl von bordeigenen Batterien verwendet werden, weil sie beim Verfahren entlang der Rohrleitung leicht aufgeladen werden können. Dies wiederum reduziert die Größe und das Gewicht der Inspektionsvorrichtung.
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Während lediglich bestimmte Merkmale der Erfindung hierin veranschaulicht und beschrieben sind, werden sich Fachleuten auf dem Gebiet viele Modifikationen und Veränderungen erschließen. Es ist deshalb zu verstehen, dass die beigefügten Ansprüche all derartige Modifikationen und Veränderungen umfassen sollen, die in den wahren Rahmen der Erfindung fallen.
