JP5855090B2 - A device that harvests power from mechanical energy - Google Patents

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Description

本発明は、国立海洋大気庁によって与えられた米国許可番号WC133R10CN0220の下で政府の支援により行われた。政府は本発明に一定の権利を有する。   This invention was made with government support under US license number WC133R10CN0220 awarded by the National Oceanic and Atmospheric Administration. The government has certain rights in the invention.

関連発明の相互参照
本出願は、2010年4月27日に「Mechanical Energy Harvester Method and Device」の名称で出願された、米国仮特許出願第61/328,396号の利益を主張するものであり、この仮特許出願は参照することによりその全部がここに組み込まれる。本出願は、2011年1月28日に「Apparatus for Harvesting Electrical Power from Mechanical Energy」の名称で出願された、米国特許出願第13/016、895号の優先権の利益も主張するものである。本出願は、2011年1月28日に「Wave Energy Harvester with Improved Performance」の名称で出願された、米国特許出願第13/016、828号の優先権の利益も主張するものである。
This application claims the benefit of US Provisional Patent Application No. 61 / 328,396, filed April 27, 2010 under the name “Mechanical Energy Harvester Method and Device”. This provisional patent application is hereby incorporated by reference in its entirety. This application also claims the benefit of the priority of US Patent Application No. 13 / 016,895, filed January 28, 2011 under the name “Apparatus for Harvesting Electrical Power from Mechanical Energy”. This application also claims the benefit of the priority of US Patent Application No. 13 / 016,828, filed January 28, 2011 under the name “Wave Energy Harvester with Improved Performance”.

商業的に実行可能であるとともに環境にも良い再生可能なエネルギー源の広範な開発が今日の世界規模の大きな課題の一つとして位置付けられている。このような技術は経済成長に拍車をかけるとともに世界規模の環境維持に貢献することができ、数十年以内に枯渇し得る化石燃料への私達の依存を低減することもできる。海洋エネルギー及び他の再生可能なエネルギー源は極めて高いポテンシャルを持っているが、これらの目的を達成するクリーンエネルギー源として十分に利用されていない。   The extensive development of renewable energy sources that are commercially viable and environmentally friendly is one of today's major global challenges. Such technologies can spur economic growth and contribute to the maintenance of a global environment and reduce our dependence on fossil fuels that can be depleted within decades. Ocean energy and other renewable energy sources have very high potential but are not fully utilized as clean energy sources to achieve these objectives.

エネルギー情報局は、世界的な電気消費量は2006年から2030年の間に18兆から32兆kWhに増加し、年間成長率は2.4%になると推定している。この世界的な増加のうちの42%が石炭発電で、24%が再生可能エネルギーで、23%が天然ガス発電で、残りが原子力発電で供給されることが予想される。米国の電気消費量はもっと低い率で増加し、この期間に亘って4.1兆から5.2兆kWhに増加する。この国内増加のうちの39%が石炭発電で、32%が再生可能エネルギーで、18%が天然ガスで供給されることが予想される。再生可能エネルギーによる貢献の大部分は環境を損なわない再生エネルギーよりも新しい水力発電によってもたらされると予想される。   The Energy Information Bureau estimates that global electricity consumption will increase from 18 trillion to 32 trillion kWh between 2006 and 2030, with an annual growth rate of 2.4%. Of this global increase, 42% is expected to be supplied by coal, 24% by renewable energy, 23% by natural gas, and the rest by nuclear power. US electricity consumption will increase at a much lower rate, increasing from 4.1 trillion to 5.2 trillion kWh over this period. Of this domestic increase, 39% is expected to be supplied by coal, 32% by renewable energy and 18% by natural gas. Most of the contributions from renewable energy are expected to come from hydropower that is newer than renewables that do not harm the environment.

費用効率及びエネルギー効率がよく環境に優しい新しい発電技術の選別及び開発は米国及び世界中の人々に経済上、健康上及び安全上の恩恵をもたらす。クリーンエネルギー発生技術は一般に地域資源に基づくため、これらの技術は雇用創出による沿岸地域の地域経済の活性化及び安価なエネルギーの活用による地域工業の活性化に役立つ。   The selection and development of new power generation technologies that are cost effective and energy efficient and environmentally friendly will bring economic, health and safety benefits to people in the United States and around the world. Since clean energy generation technologies are generally based on local resources, these technologies are useful for revitalizing local economies in coastal areas through job creation and revitalizing local industries through the use of inexpensive energy.

次の20年間を急速に見積もると、クリーンエネルギー部門の市場シェアの増加は、高い資本効率、費用有効性及び資源利用性を有するエネルギー源が大きな割合を占め得る。例えば、海洋エネルギーを収穫する従来のアプローチはこれらの3つの基準を満足せず、これらの技術は大きな資本を必要としすぎ、エネルギーコストに競争力がなく、極めて特殊の海洋環境を要求し、多数の可能な場所及び影響の規模を制限する。従って、通常の海洋エネルギーシステムは風力発電、太陽電池、太陽熱発電及び地熱発電を同級であるとみなせない。   Estimating the next 20 years rapidly, the increase in market share in the clean energy sector may be dominated by energy sources with high capital efficiency, cost effectiveness and resource availability. For example, traditional approaches to harvesting ocean energy do not meet these three criteria, these technologies require too much capital, are not competitive in energy costs, require very specific marine environments, and many Limit the possible locations and impact scale. Therefore, a normal ocean energy system cannot regard wind power generation, solar cells, solar power generation and geothermal power generation as equivalent.

従来の装置による発電コストは石炭発電の3−5倍であると推定される。今日まで試みられた従来のアプローチから根本的に離れなければ、海洋エネルギーは決してグローバルエネルギーの重要部分にならないであろうことはもっともだと思われる。   The power generation cost of the conventional device is estimated to be 3-5 times that of coal power generation. It seems reasonable that marine energy will never become an important part of global energy without fundamental departure from traditional approaches attempted to date.

装置の実施形態を記載する。一実施形態においては、本装置は機械的エネルギーから電力を収穫する装置である。本エネルギー収穫装置は磁路を含む。この磁路は、自身に加えられるストレスの関数である磁気特性を有する磁性材料、該磁性材料に近接する第1の導磁性材料、前記磁路内に位置し自身の起磁力で磁束を生じる磁石、及び外部源により生じる負荷の変化を前記磁性材料に伝達するように構成された構成要素を備える。   Embodiments of the apparatus are described. In one embodiment, the device is a device that harvests power from mechanical energy. The energy harvesting device includes a magnetic path. The magnetic path includes a magnetic material having a magnetic property that is a function of stress applied to itself, a first magnetic conducting material adjacent to the magnetic material, and a magnet that is located in the magnetic path and generates a magnetic flux by its magnetomotive force. And a component configured to transmit a load change caused by an external source to the magnetic material.

前記装置の別の実施形態を記載する。一実施形態においては、本装置は機械的エネルギーから電力を収穫する装置である。本装置は、一つのほぼ閉じた磁路を含む。この磁路は、ストレス応じて変化する磁気特性を有する磁性材料、導磁性材料、及び前記磁路内に位置する永久磁石を含む。本装置は、更に、外部源により生じる負荷の変化を前記磁性材料に伝達するように構成された構成要素及び前記磁性材料にプレストレスを加えるのに使用される少なくとも一つの他の構成要素を含む。本装置の他の実施形態も記載する。   Another embodiment of the device is described. In one embodiment, the device is a device that harvests power from mechanical energy. The apparatus includes one substantially closed magnetic path. The magnetic path includes a magnetic material having a magnetic characteristic that changes according to stress, a magnetic conductive material, and a permanent magnet located in the magnetic path. The apparatus further includes a component configured to transmit a load change caused by an external source to the magnetic material and at least one other component used to prestress the magnetic material. . Other embodiments of the device are also described.

方法の実施形態も記載する。一実施形態においては、本方法は機械的エネルギーから電力を収穫する方法である。本方法は、外部源による負荷の変化を磁性材料に伝達するように構成された構成要素によって前記磁性材料に加えられるストレスの関数である前記磁性材料の磁気特性を変化させるステップ、空隙のないほぼ閉じた磁路内に位置する少なくとも一つの永久磁石により供給される磁力によって磁束を変化させるステップ、及び前記磁性材料内の前記磁束の変化に応答して前記磁路と相対的に配置された導電コイルに電圧を誘起するステップを含む。   A method embodiment is also described. In one embodiment, the method is a method of harvesting power from mechanical energy. The method includes changing a magnetic property of the magnetic material as a function of stress applied to the magnetic material by a component configured to transmit a change in load from an external source to the magnetic material, substantially free of voids. Changing the magnetic flux by a magnetic force supplied by at least one permanent magnet located in a closed magnetic path, and conducting disposed relative to the magnetic path in response to the change in the magnetic flux in the magnetic material. Inducing a voltage in the coil.

本発明の実施形態の他の態様及び利点は本発明の原理の一例として示される添付図面と関連する以下の詳細な説明から明らかになる。   Other aspects and advantages of embodiments of the present invention will become apparent from the following detailed description, taken in conjunction with the accompanying drawings, illustrated by way of example of the principles of the invention.

磁気歪み鉄−アルミニウム合金材料の電力密度と該材料に印加される負荷及びこの機械的負荷の印加及び開放周波数との関係の一例のグラフ図を示す。The graph figure of an example of the relationship between the electric power density of magnetostriction iron-aluminum alloy material, the load applied to this material, the application of this mechanical load, and an open frequency is shown. エネルギー収穫装置の一実施形態の概略図を示す。1 shows a schematic diagram of one embodiment of an energy harvesting device. 負荷印加装置内の磁性材料の磁路の一例のコンピュータモデル化された概略図を示す。FIG. 2 shows a computer modeled schematic diagram of an example of a magnetic path of a magnetic material in a load application device. 負荷印加装置内の磁性材料の磁路の一例のコンピュータモデル化された概略図を示す。FIG. 2 shows a computer modeled schematic diagram of an example of a magnetic path of a magnetic material in a load application device. 図3の磁路の磁束密度の大きさを示すグラフ図である。It is a graph which shows the magnitude | size of the magnetic flux density of the magnetic path of FIG. 図4の磁路の磁束密度の大きさを示すグラフ図である。It is a graph which shows the magnitude | size of the magnetic flux density of the magnetic path of FIG. エネルギー収穫装置の一実施形態の概略図を示す。1 shows a schematic diagram of one embodiment of an energy harvesting device. エネルギー収穫装置の一実施形態の概略図を示す。1 shows a schematic diagram of one embodiment of an energy harvesting device. エネルギー収穫装置の一実施形態の概略図を示す。1 shows a schematic diagram of one embodiment of an energy harvesting device. 機械的エネルギーから電力を収穫する一実施形態のフローチャート図を示す。FIG. 4 shows a flowchart diagram of one embodiment of harvesting power from mechanical energy.

一般的に説明され且つ添付図面に示される実施形態の構成要素は様々な異なる構成に配置及び設計することができることは容易に理解されよう。従って、図に示される種々の実施形態の以下の詳細な説明は本発明の範囲を限定する意図はなく、種々の実施形態を例示しているにすぎない。種々の実施形態の様々な態様が図示されるが、図面は特に断らない限り必ずしも一定の寸法比で描かれていない。 It will be readily appreciated that the components of the embodiments generally described and shown in the accompanying drawings can be arranged and designed in a variety of different configurations. Accordingly, the following detailed description of the various embodiments shown in the figures is not intended to limit the scope of the invention, but merely illustrates various embodiments. While various aspects of various embodiments are illustrated, the drawings are not necessarily drawn to scale except if specifically noted.

本発明は、本発明の精神又は本質的な特性から逸脱することなく他の特定の形態に具体化することができる。開示の実施形態はあらゆる点で例示のためであり、限定のためではないものと見なされたい。よって、本発明の範囲は詳細な説明によってよりも添付の特許請求の範囲によって特定される。特許請求の範囲の意義及び同等範囲に入るすべての変更は本発明の範囲に包含される。   The present invention may be embodied in other specific forms without departing from the spirit or essential characteristics of the invention. The disclosed embodiments are to be considered in all respects only as illustrative and not restrictive. Accordingly, the scope of the invention will be determined by the appended claims rather than by the detailed description. All changes that come within the meaning and range of equivalency of the claims are to be embraced within the scope of the invention.

本明細書全体を通して、特徴、利点又は類似の文言への言及は、本発明で実現できる特徴及び利点のすべては本発明の任意の一つの実施形態に存在することを暗示するものではない。むしろ、特徴及び利点に関する文言は、ある実施形態と関連して説明される特定の特徴、利点又は特性は本発明の少なくとも一つの実施形態に含まれることを意味するものと理解されたい。従って、本明細書全体に亘る特徴及び利点又は類似の言葉の考察は、必ずしもそうではないが、同じ実施形態に関連する。   Throughout this specification, references to features, advantages, or similar language do not imply that all of the features and advantages that can be realized with the present invention are present in any one embodiment of the present invention. Rather, reference to features and advantages should be understood to mean that a particular feature, advantage, or characteristic described in connection with an embodiment is included in at least one embodiment of the invention. Accordingly, discussion of features and advantages or similar terms throughout this specification are not necessarily so, but relate to the same embodiment.

更に、本発明の開示の特徴、利点及び特性は一つ以上の実施形態に任意の適切な態様に組み合わせることができる。当業者は、本明細書の記載に照らせば、特定の実施形態の一つ以上の特定の特徴又は利点を用いることなく本発明を実施することができることを認識されよう。他の場合には、所定の実施形態において、本発明のすべての実施形態に存在し得ない追加の特徴及び利点を認識することができる。   Furthermore, the disclosed features, advantages, and characteristics of the invention may be combined in any suitable manner in one or more embodiments. Those skilled in the art will appreciate that the invention can be practiced without one or more of the specific features or advantages of a particular embodiment in light of the description herein. In other cases, certain features and advantages may be recognized in certain embodiments that may not be present in all embodiments of the invention.

本明細書全体を通して、「一実施形態」、「ある実施形態」又は類似の文言への言及は、指定の実施形態と関連して記載される特定の特徴、構造又は特性は本発明の少なくとも一つの実施形態に含まれることを意味する。従って、本明細書全体を通して「一実施形態において」、「ある実施形態」又は類似の文言は、必ずしもそうではないが、すべて同じ実施形態に関連する。   Throughout this specification, references to “one embodiment,” “an embodiment,” or similar language refer to particular features, structures, or characteristics described in connection with a given embodiment. It is meant to be included in one embodiment. Thus, throughout this specification, “in one embodiment”, “an embodiment” or similar language, although not necessarily, all relate to the same embodiment.

多くの実施形態がここに記載されるが、記載される実施形態のうちの少なくともいくつかは機械的エネルギーから電力を収穫する方法及び装置を提示する。特に、いくつかの実施形態は、自身に加えられるストレスの関数である磁気特性を有する磁性材料を備え、その磁気特性は外部源により生じる負荷の変化をこの磁性材料に伝達する構成要素を用いて操作することができる。このとき、この磁気特性の変化を利用して電流又は電圧を発生させることができる。いくつかの実施形態においては、この磁性材料の磁気特性を変化させるために、磁石をこの磁性材料又は負荷伝達構成要素に近接して配置する。   Although many embodiments are described herein, at least some of the described embodiments present a method and apparatus for harvesting power from mechanical energy. In particular, some embodiments comprise a magnetic material having a magnetic property that is a function of the stress applied to it, using a component that transmits load changes caused by an external source to the magnetic material. Can be operated. At this time, current or voltage can be generated by utilizing the change in the magnetic characteristics. In some embodiments, a magnet is placed proximate to the magnetic material or load transfer component to change the magnetic properties of the magnetic material.

実施形態の少なくともいくつかは、機械的エネルギーから電力を収穫する方法及び装置を提示し、該方法及び装置は磁路を含み、その磁路は、自身に加えられる加重の関数である磁気特性を有する磁性材料、少なくとも一つの磁性材料に近接する少なくとも一つの導磁性材料、磁路内に位置し自身の起磁力で前記少なくとも一つの導磁性材料を通る磁束を前記磁性材料内に生じる磁石、及び外部源により生じる負荷の変化を前記磁性材料に伝達するように構成された少なくとも一つの構成要素を含む。   At least some of the embodiments present a method and apparatus for harvesting power from mechanical energy, the method and apparatus including a magnetic path that has a magnetic property that is a function of the weight applied to it. A magnetic material having at least one magnetic material proximate to the at least one magnetic material, a magnet located in a magnetic path and generating a magnetic flux in the magnetic material through the at least one magnetic material with its magnetomotive force; and Including at least one component configured to transmit a change in load caused by an external source to the magnetic material.

ここで使用される「磁性材料」とは、磁歪材料、ピエゾ磁気材料などの特定の磁気特性を有することが一般に知られている材料を含むものと広く理解されるが、永久磁石材料は含まない。   As used herein, “magnetic material” is widely understood to include materials generally known to have specific magnetic properties, such as magnetostrictive materials, piezomagnetic materials, etc., but does not include permanent magnet materials. .

エネルギー収穫装置の一つの実施形態は、100より大きい相対透磁率を有する少なくとも一つの導磁性材料、少なくとも一つの磁石、加えられるストレスの関数である少なくとも一つの磁気特性を有する少なくとも一つの磁性材料からなる少なくとも一つ磁路を含み、磁性材料に機械的負荷又は振動を非零周波数で伝達し得るように設計される。磁石は永久磁石又は電磁石とすることができ、磁性材料にバイアス磁界を与えることができる。磁石は磁束の一部分を導磁性材料に通すことができる。   One embodiment of the energy harvesting device comprises at least one magnetically conductive material having a relative permeability greater than 100, at least one magnet, and at least one magnetic material having at least one magnetic property that is a function of applied stress. The magnetic material is designed to transmit a mechanical load or vibration at a non-zero frequency. The magnet can be a permanent magnet or an electromagnet and can provide a bias magnetic field to the magnetic material. The magnet can pass a portion of the magnetic flux through the conductive material.

本装置のいくつかの実施形態においては、磁性材料内のストレスとともに変化する一つの特定の特性は透磁率である。別の実施形態においては、ストレスとともに変化する特定の特性は飽和磁化である。本装置の一実施形態においては、磁路に空隙は存在しない。本装置の別の実施形態においては、磁性材料は磁歪材料である。本装置の別の実施形態においては、磁性材料は外部の力が磁性材料に何も作用していないときプレストレス状態にされ、外部の力が作用するとき、この力がプレストレスを部分的に打ち勝つ又はそれに加わるようにする。本装置の別の実施形態においては、磁性材料は高い圧縮ストレス状態、典型的には1000psiを上まわる状態にされ、いくつかの実施形態では5000psiを上まわる状態にされる。   In some embodiments of the device, one particular property that changes with stress in the magnetic material is permeability. In another embodiment, the particular property that changes with stress is saturation magnetization. In one embodiment of the device, there are no air gaps in the magnetic path. In another embodiment of the apparatus, the magnetic material is a magnetostrictive material. In another embodiment of the apparatus, the magnetic material is prestressed when no external force is acting on the magnetic material, and this force partially prestresses when an external force is applied. Try to overcome or join it. In another embodiment of the device, the magnetic material is brought to a high compressive stress state, typically above 1000 psi, and in some embodiments, above 5000 psi.

本装置は、磁性材料を通る磁束の変化がコイルに電圧及び/又は電流を誘起するように構成された導電コイル、例えば銅コイルも含むことができる。コイルのタイプ及び特定の構成は本発明の範囲を制限しない。コイルは、電流が他の導電材料に流出するのを防止するために及び/又はコイルをエネルギー収穫装置が使用される環境から保護するために絶縁することができる。更に、本装置は直接又は間接的に機械的に結合された負荷を磁性材料に伝達又は運搬するように設計された種々の構成要素及び構造を含むことができる。いくつかの実施形態においては、特定の用途に対して収穫される電気エネルギーを増加させるために又は一つの用途において様々な異なる量のエネルギーを提供するために本装置の一つ以上を電気的に直列に又は並列に接続することができる。   The apparatus can also include a conductive coil, such as a copper coil, configured such that a change in magnetic flux through the magnetic material induces a voltage and / or current in the coil. The type of coil and the particular configuration do not limit the scope of the invention. The coil can be insulated to prevent current from flowing to other conductive materials and / or to protect the coil from the environment in which the energy harvesting device is used. In addition, the apparatus can include various components and structures designed to transmit or carry directly or indirectly mechanically coupled loads to the magnetic material. In some embodiments, one or more of the devices may be electrically connected to increase the electrical energy harvested for a particular application or to provide various different amounts of energy in one application. They can be connected in series or in parallel.

エネルギー収穫装置の一実施形態の潜在的な利点は、装置のどの構成要素にも有意の運動を必要とすることなく電力を収穫することができる点にある。   A potential advantage of one embodiment of the energy harvesting device is that it can harvest power without requiring significant movement of any component of the device.

本発明の実施形態はここに記載する装置を用いて電力を収穫及び/又は発生する方法もカバーする。このような装置の様々な使用例も説明され、このような装置の特定の使用例は本発明の範囲を少しも制限するものではない。本装置の特定の実施形態は海洋波、風、構造要素、機械要素及び/又は振動要素からのエネルギーの収穫に使用することができるものである。   Embodiments of the present invention also cover methods for harvesting and / or generating power using the devices described herein. Various uses of such devices are also described, and the specific use of such devices is not intended to limit the scope of the invention in any way. Certain embodiments of the device are those that can be used to harvest energy from ocean waves, wind, structural elements, mechanical elements and / or vibration elements.

様々な方法及び装置は、磁性材料にプレストレスを加え保持するここに記載の原理、例えば負荷装置及び機械的締め付けによる機械的負荷、熱膨張ベースの技術及び材料加工中のプレストレスの取り込みなどを実施することができるが、これに限定されない。   Various methods and devices include the principles described herein for prestressing and holding magnetic materials, such as mechanical loading by loading devices and mechanical clamping, thermal expansion based techniques, and prestressing during material processing. Although it can implement, it is not limited to this.

いくつかの実施形態においては、磁性材料は金属合金である。いくつかの実施形態においては、磁性材料は鉄ベースの合金である。いくつかの実施形態においては、鉄ベースの合金は他の元素を含有することができ、例えばアルミニウム、コバルト、クロム、ガリウム、珪素、モリブデン、タングステン及びベリリウムを含むことができるが、これに限定されない。いくつかの実施形態においては、磁性材料はテルビウムベース、ニッケルベース又はコバルトベースの材料とすることができる。   In some embodiments, the magnetic material is a metal alloy. In some embodiments, the magnetic material is an iron-based alloy. In some embodiments, the iron-based alloy can contain other elements, including but not limited to aluminum, cobalt, chromium, gallium, silicon, molybdenum, tungsten, and beryllium. . In some embodiments, the magnetic material can be a terbium-based, nickel-based or cobalt-based material.

磁歪装置の磁性材料は、エネルギー収穫装置の効率を増加するように選択することができる。可能な基準は以下の通りとすることができる。
1.高いエネルギー効率のために、ストレスに対する磁化の微分係数が高いものを使用することができる。言い換えれば、ストレスの小さな変化が磁化強度の大きな変化を生じる。
2.磁性材料は歪み−磁化曲線のヒステリシスが低いものとすることができる。低いヒステリシスは低い磁気機械結合損をもたらし、改善されたエネルギー効率をもたらす。
3.磁性材料は高い内部抵抗を有するものとすることができる。合金の高い内部抵抗は磁歪構成要素内のエディー電流及びその結果の発熱によるエネルギー損失の最小化をもたらす。
4.磁性材料は極めて低コスト(セント/kWh)のものとすることができ、高価なエキゾチック/レア合金元素の使用を避けることができる。
5.磁性材料は設置コスト及び/又はメインテナンスコストを低減するために低重量(セント/kg)のものとすることができる。
The magnetic material of the magnetostrictive device can be selected to increase the efficiency of the energy harvesting device. Possible criteria may be as follows:
1. For high energy efficiency, a material having a high differential coefficient of magnetization with respect to stress can be used. In other words, a small change in stress causes a large change in magnetization intensity.
2. The magnetic material may have a low strain-magnetization curve hysteresis. Low hysteresis results in low magnetomechanical coupling loss and improved energy efficiency.
3. The magnetic material may have a high internal resistance. The high internal resistance of the alloy results in minimization of energy loss due to eddy currents in the magnetostrictive component and the resulting heat generation.
4). The magnetic material can be of very low cost (cent / kWh) and the use of expensive exotic / rare alloy elements can be avoided.
5). The magnetic material can be of low weight (cent / kg) to reduce installation costs and / or maintenance costs.

これらの及び可能な他の基準によって、より大きな効率用及び/又はより低いコスト用のエネルギー収穫装置を装置の個別の実装に従って構成することができる。ピエゾ磁気材料を用いる代替実施形態又は他の実施形態に対しては他の基準を使用することができる。   With these and other possible criteria, a larger efficiency and / or lower cost energy harvesting device can be configured according to the individual implementation of the device. Other criteria can be used for alternative or other embodiments using piezomagnetic materials.

本装置のいくつかの実施形態においては、磁性材料に加えられる負荷の変化によって0.05テスラより大きい磁束密度変化が発生される。本装置のいくつかの実施形態においては、0.3テスラより大きい磁束密度の変化を得ることができる。磁性材料の磁束密度の最大変化に加えて、他の重要なパラメータによって電力発生効率をシステムのサイズ及びコストの関数として決定することができる。   In some embodiments of the device, a change in load applied to the magnetic material produces a flux density change greater than 0.05 Tesla. In some embodiments of the device, changes in magnetic flux density greater than 0.3 Tesla can be obtained. In addition to the maximum change in magnetic material magnetic flux density, other important parameters can determine the power generation efficiency as a function of system size and cost.

図1は、ここに記載する装置構成における磁歪鉄−アルミニウム合金材料の電力密度(ワット/キログラム)と磁性材料に印加される負荷104及び機械的負荷を印加及び開放する周波数106との間の関係100の一例のグラフ図を示す。   FIG. 1 shows the relationship between the power density (watts / kilogram) of a magnetostrictive iron-aluminum alloy material and the load 104 applied to the magnetic material and the frequency 106 at which the mechanical load is applied and released in the device configuration described herein. An example graph diagram of 100 is shown.

ここに記載するエネルギー収穫装置の特定の実施形態を実証するために、バイアス磁界を備えるように構成された磁歪材料及び磁歪材料に印加される負荷104を変化させる機能を用いてエネルギーの発生を証明する実験を行った。しかしながら、他の実施形態においてはここに記載する実施形態から一つ以上の特徴を変えてもよい。本実施形態のエネルギー収穫装置の基本構成要素は、磁歪素子に圧縮力又は引張り力又は圧縮力と引張り力の組み合わせを磁歪素子に印加するための力発生器を含む。   To demonstrate certain embodiments of the energy harvesting device described herein, the generation of energy is demonstrated using a magnetostrictive material configured with a bias magnetic field and the ability to vary the load 104 applied to the magnetostrictive material. An experiment was conducted. However, in other embodiments, one or more features may be varied from the embodiments described herein. The basic components of the energy harvesting apparatus of this embodiment include a force generator for applying a compressive force, a tensile force, or a combination of a compressive force and a tensile force to the magnetostrictive element.

加えて、バイアス磁界を磁歪材料に加えることができる。これは、導磁性材料(即ち、軟鋼、鉄、電炉鋼など)と一緒に磁石を用いて、磁石のN極から導磁性材料及び磁歪素子を通って磁石のS極に戻る連続的な磁路を生成するように構成することによって生成される。   In addition, a bias magnetic field can be applied to the magnetostrictive material. This is a continuous magnetic path that uses a magnet together with a magnetically conductive material (ie, mild steel, iron, electric furnace steel, etc.) to return from the north pole of the magnet through the magnetically conductive material and the magnetostrictive element to the south pole of the magnet. Is generated by configuring.

エネルギー発生は、負荷104の状態の変化によって磁歪素子の磁気特性を変化させ、その結果として磁歪素子を通る磁束に変化を生じさせることによって達成される。一実施形態においては、時間に伴う磁束の変化は磁歪素子を取り囲む銅コイルの使用によって電力を発生する。   Energy generation is achieved by changing the magnetic properties of the magnetostrictive element by changing the state of the load 104, resulting in a change in the magnetic flux through the magnetostrictive element. In one embodiment, the change in magnetic flux over time generates power through the use of a copper coil surrounding the magnetostrictive element.

図2はエネルギー収穫装置200の一実施形態の概略図を示す。磁性材料205は図2の負荷印加装置210とともに示され、説明されるが、他の実施形態の磁性材料205又は負荷印加装置210はより小さい又はより大きい機能性を実現するためにもっと少数又は多数の構成要素を含むことができる。磁性材料205及び負荷印加装置210の両方を含む装置200は様々なエネルギー収穫構造又は装置に使用することができる。例えば、ここに記載するようなエネルギー収穫装置200は波エネルギー収穫装置とともに使用することができる。このようなエネルギー収穫構造は一つ又は多数のエネルギー収穫装置を直列又は並列に含むことができる。   FIG. 2 shows a schematic diagram of one embodiment of an energy harvesting device 200. Although the magnetic material 205 is shown and described with the load applicator 210 of FIG. 2, other embodiments of the magnetic material 205 or load applier 210 may have fewer or more to achieve smaller or greater functionality. The components can be included. Device 200, including both magnetic material 205 and load applicator 210, can be used in a variety of energy harvesting structures or devices. For example, an energy harvesting device 200 as described herein can be used with a wave energy harvesting device. Such energy harvesting structures can include one or multiple energy harvesting devices in series or in parallel.

図2の実施形態においては、磁性材料205を有する磁歪素子は長さが6インチで直径が1インチの円柱ロッドである。磁歪素子はここに記載するように磁性材料205を含む。導電コイル(図示せず)で円柱ロッドを取り囲むことができる。一実施形態においては、コイルは14AWGワイヤの180巻からなる。一実施形態においては、磁歪ロッドの各端に、縦横1.5インチ×0.75インチ及び長さ10インチの寸法を有する矩形の軟鋼バー212,214が配置される。矩形の軟鋼バー212,214の一端又は両端に一つ以上の磁石216が配置される。装置200は、上側バー212の磁石216の磁路を下側バー214の磁石216と接続するために、磁歪ロッドの各端に軟鋼のような導磁性材料を使用することもできる。これは、同様の寸法の別の矩形バー218を垂直面面内に配置して上側バー212の端の磁石216及び下側バー214の端の磁石216の両方と接触させることによって行うことができる。その結果得られる構造は、磁石216及び導磁性材料212,214,218とともに磁性材料205を通過する閉ループ磁路を生成する。他の形状及びタイプの導磁性材料を使用することもでき、ここに開示するものに限定されない。   In the embodiment of FIG. 2, the magnetostrictive element having the magnetic material 205 is a cylindrical rod that is 6 inches long and 1 inch in diameter. The magnetostrictive element includes a magnetic material 205 as described herein. A cylindrical rod can be surrounded by a conductive coil (not shown). In one embodiment, the coil consists of 180 turns of 14 AWG wire. In one embodiment, rectangular mild steel bars 212, 214 having dimensions of 1.5 inches long by 0.75 inches wide and 10 inches long are disposed at each end of the magnetostrictive rod. One or more magnets 216 are disposed at one or both ends of the rectangular mild steel bars 212, 214. The device 200 can also use a magnetically conductive material such as mild steel at each end of the magnetostrictive rod to connect the magnetic path of the magnet 216 of the upper bar 212 with the magnet 216 of the lower bar 214. This can be done by placing another rectangular bar 218 of similar dimensions in the vertical plane and in contact with both the magnet 216 at the end of the upper bar 212 and the magnet 216 at the end of the lower bar 214. . The resulting structure creates a closed loop magnetic path that passes through the magnetic material 205 along with the magnet 216 and the magnetically conductive materials 212, 214, 218. Other shapes and types of magnetically conductive materials can be used and are not limited to those disclosed herein.

図3及び図4はエネルギー収穫装置200内の磁性材料205の磁路305のコンピュータモデル画像300,400(Vizimagソフトウェア使用)である。磁性材料は磁歪材料を含むことができる。この実施形態では、エネルギー収穫装置200は磁歪ロッドの各端に2つの導磁性バー212,214を有する。更に、磁石216が導磁性バー212,214の各端に配置され、追加の導磁性バー218が磁歪ロッドと接触した上側及び下側バー212,214の両方の端の磁石216と接触するように配置される。従って、磁石216を有する上側及び下側バー212,214と左側バー218は磁束の約半分を通すことができる閉ループを形成し、磁石216を有する上側及び下側バー212,214と右側バー310は磁路305の約半分を通すことができる別の閉ループを形成する。   3 and 4 are computer model images 300 and 400 (using Vizimag software) of the magnetic path 305 of the magnetic material 205 in the energy harvesting apparatus 200. FIG. The magnetic material can include a magnetostrictive material. In this embodiment, the energy harvesting device 200 has two magnetic conducting bars 212, 214 at each end of the magnetostrictive rod. Further, a magnet 216 is disposed at each end of the magnetic conducting bars 212, 214 so that the additional magnetic conducting bar 218 contacts the magnets 216 at both ends of the upper and lower bars 212, 214 in contact with the magnetostrictive rod. Be placed. Thus, the upper and lower bars 212, 214 with magnet 216 and the left bar 218 form a closed loop through which about half of the magnetic flux can pass, and the upper and lower bars 212, 214 with magnet 216 and the right bar 310 have Another closed loop is formed that can pass about half of the magnetic path 305.

磁路305は図3及び図4の示す2つの機械的なストレス負荷状態において閉ループ磁路を通過すること示している。電力を発生させるために、磁性材料205に加えられるストレス状態又は機械的力の負荷を変化させることによって磁束305が変化する。図3には、磁歪ロッドに与えられるストレス状態が高い透磁率状態をもたらすときの磁束線305が示されている。磁性材料205がストレスのために高い透磁率を有するときは、磁束の大部分が磁性材料205を通過する。図4は、ロッド内の磁性材料205に与えられるストレス状態が低い透磁率状態を生じるときの磁束305のコンピュータモデル画像を示す。図3の高い透磁率状態とは反対に、材料205が低い透磁率状態のときは磁束線305の多くが材料の外側を通って磁石の他極に戻る。図5及び図6は、図3及び図4の対応する磁束状態における磁束の大きさ505のグラフ500,600をそれぞれ示す。   The magnetic path 305 passes through the closed loop magnetic path in the two mechanical stress load states shown in FIGS. 3 and 4. In order to generate electric power, the magnetic flux 305 is changed by changing a stress state or a load of mechanical force applied to the magnetic material 205. FIG. 3 shows magnetic flux lines 305 when the stress state applied to the magnetostrictive rod results in a high magnetic permeability state. When the magnetic material 205 has a high magnetic permeability due to stress, most of the magnetic flux passes through the magnetic material 205. FIG. 4 shows a computer model image of the magnetic flux 305 when the stress state applied to the magnetic material 205 in the rod produces a low permeability state. Contrary to the high permeability state of FIG. 3, when the material 205 is in a low permeability state, much of the flux lines 305 pass outside the material and return to the other pole of the magnet. 5 and 6 show graphs 500 and 600 of the magnetic flux magnitude 505 in the corresponding magnetic flux states of FIGS. 3 and 4, respectively.

磁歪ロッドを通る磁束の量が負荷伝達構成要素210によって磁性材料205に与えられるストレス状態と相対的に変化するため、ロッドに巻かれ電気回路に接続された導電コイルはコイルを通る磁束305の変化に伴い電流を流し始める。コイルに発生される電圧の量はコイルを通る磁束変化量とコイルの巻数の関数である。高い巻数は高い電圧を発生する。いくつかの実施形態においては、導電コイルは銅線コイルとすることができる。他の実施形態においては、導線コイルは一つ以上の導電材料、例えば銅や他の導電材料を含むことができる。   Because the amount of magnetic flux that passes through the magnetostrictive rod changes relative to the stress condition imparted to the magnetic material 205 by the load transfer component 210, the conductive coil wound around the rod and connected to the electrical circuit changes the magnetic flux 305 that passes through the coil. Along with this, current starts to flow. The amount of voltage generated in the coil is a function of the amount of magnetic flux change through the coil and the number of turns of the coil. A high number of turns generates a high voltage. In some embodiments, the conductive coil can be a copper wire coil. In other embodiments, the conductor coil can include one or more conductive materials, such as copper or other conductive materials.

図2のような寸法及び導電コイルを有する磁歪ロッドを備えるここに記載の装置200の一実施形態において、負荷実験を行い、16,000ポンドの圧縮負荷を磁歪ロッドに加え、次いで零圧縮負荷の状態に開放した。磁歪ロッドに加えられた負荷104の変化は磁歪ロッドを通過する磁束305に変化を生じ、エネルギー収穫装置200を通る磁路305も変化させた。その結果得られた磁束305の変化は0.48ボルトの電圧及び1.92アンペアの電流を発生し、0.92ワットの瞬時電力を発生した。最終的な発電はこのようなローディング及びアンローディングを1秒間に実行できる回数の関数である。   In one embodiment of the apparatus 200 described herein comprising a magnetostrictive rod having dimensions and conductive coils as in FIG. 2, a load experiment was performed, a 16,000 pound compression load was applied to the magnetostriction rod, and then a zero compression load. Released to the state. The change in the load 104 applied to the magnetostrictive rod caused a change in the magnetic flux 305 passing through the magnetostrictive rod, and the magnetic path 305 passing through the energy harvesting device 200 was also changed. The resulting change in magnetic flux 305 generated a voltage of 0.48 volts and a current of 1.92 amperes, and an instantaneous power of 0.92 watts. Final power generation is a function of the number of times such loading and unloading can be performed per second.

図7及び図8は、エネルギー収穫装置200の代替実施形態を示す。磁路305は高い透磁率材料を用いて完全に閉じてもよいし、閉じなくてもよい。図7のエネルギー収穫装置200は、磁性材料205を有する磁歪ロッドの両端に導磁性バー212,214を備えるとともに、第1組の導磁性バー212,214の両端に第2組の導磁性バー218,310を備える。バイアス磁石216は、磁路305と直接一致して配置されるのではなく、磁性材料205及び導磁性バー212,214,218,310により形成される閉磁路ループ内に配置される。この構成のバイアス磁石216は、必ずしも磁路305内に位置しなくても磁束305の一部分が磁石216を通過することができ、磁性材料205により生成される磁束305を変化させることができる。   7 and 8 show an alternative embodiment of the energy harvesting device 200. The magnetic path 305 may be completely closed using a high magnetic permeability material, or may not be closed. The energy harvesting apparatus 200 of FIG. 7 includes the magnetic conducting bars 212 and 214 at both ends of the magnetostrictive rod having the magnetic material 205, and the second set of magnetic conducting bars 218 at both ends of the first set of magnetic conducting bars 212 and 214. , 310. The bias magnet 216 is not arranged in direct agreement with the magnetic path 305 but is arranged in a closed magnetic circuit loop formed by the magnetic material 205 and the magnetic conducting bars 212, 214, 218, 310. Even if the bias magnet 216 having this configuration is not necessarily located in the magnetic path 305, a part of the magnetic flux 305 can pass through the magnet 216, and the magnetic flux 305 generated by the magnetic material 205 can be changed.

図8のエネルギー収穫装置200は、磁歪ロッドの両端に導磁性バー212,214を備えるが、導磁性材料の閉ループを形成するために導磁性バー212,214を接続する他の導磁性材料を備えない。その結果、磁路305の少なくとも一部分は必然的に各磁路ループに対応する上側導磁性バー212と下側導磁性バー214との間の空隙を通過する。ここに記載するすべての構成は発電をもたらし、いくつかの変更は所与の設計及び用途に対して発電が最適になるように変化させることができることを実証するものである。   The energy harvesting apparatus 200 of FIG. 8 includes the magnetic conducting bars 212 and 214 at both ends of the magnetostrictive rod, but includes other magnetic conducting materials that connect the magnetic conducting bars 212 and 214 to form a closed loop of the magnetic conducting material. Absent. As a result, at least a part of the magnetic path 305 inevitably passes through the gap between the upper magnetic conducting bar 212 and the lower magnetic conducting bar 214 corresponding to each magnetic path loop. All of the configurations described herein provide power generation and demonstrate that some changes can be made to optimize power generation for a given design and application.

図9はエネルギー収穫装置200の別の実施形態を示す。この実施形態においては、バイアス磁石216又は磁石は磁性材料205の端に配置される。一実施形態においては、磁石216は、負荷印加装置210により磁性材料205にプレストレス引張り又は圧縮負荷を印加する時の負荷通路内に含められる。その結果、磁石216は負荷通路内にあり、よって圧縮又は引張り負荷104のいずれかの力を受けることができる。別の実施形態においては、プレストレス力は磁性材料に加えられ、その後磁石216が配置される。このような実施形態においては、磁石216は負荷通路と関係のない位置に維持され、圧縮又は引張り負荷104を受けない。いくつかの実施形態においては、磁石216が負荷通路の一部をなす場合、エネルギー収穫装置200は、磁石216がプレストレス又はプレストレス印加後に負荷印加装置210に加えられる外部負荷104のいずれかによって損傷又は破壊されないように、高強度磁石を使用するか低い負荷レンジで動作させることによって実装することができる。   FIG. 9 shows another embodiment of the energy harvesting device 200. In this embodiment, the bias magnet 216 or magnet is placed at the end of the magnetic material 205. In one embodiment, the magnet 216 is included in the load path when a prestress tension or compression load is applied to the magnetic material 205 by the load application device 210. As a result, the magnet 216 is in the load path and can therefore be subjected to either a compressive or tensile load 104 force. In another embodiment, a prestress force is applied to the magnetic material, after which the magnet 216 is placed. In such an embodiment, magnet 216 is maintained in a position unrelated to the load path and is not subjected to compressive or tensile load 104. In some embodiments, when the magnet 216 forms part of the load path, the energy harvesting device 200 is either pre-stressed or by an external load 104 applied to the load applicator 210 after applying pre-stress. It can be implemented by using high strength magnets or operating in a low load range so that it is not damaged or destroyed.

ここに記載する負荷印加装置210及び/又は磁性材料205の実施形態のいずれも、エネルギー収穫装置200に実装することができ、またこれらの実施形態の組み合わせを使用することもできる。エネルギー収穫装置200、負荷印加装置210及び/又は磁性材料205の他の構成もここに記載するエネルギー収穫原理のいずれかとともに使用することができる。   Any of the embodiments of the load applicator 210 and / or magnetic material 205 described herein can be implemented in the energy harvesting device 200, and combinations of these embodiments can also be used. Other configurations of energy harvesting device 200, load applicator 210, and / or magnetic material 205 may also be used with any of the energy harvesting principles described herein.

図10は、機械的エネルギーから電力を収穫する方法1000の一実施形態のフローチャートを示す。方法1000は図2のエネルギー収穫装置200と関連して記載するが、方法1000の実施形態は他のタイプのエネルギー収穫装置で実施することができる。   FIG. 10 shows a flowchart of an embodiment of a method 1000 for harvesting power from mechanical energy. Although the method 1000 is described in connection with the energy harvesting device 200 of FIG. 2, embodiments of the method 1000 can be implemented with other types of energy harvesting devices.

エネルギー収穫装置200は、負荷印加装置210を用いて磁性材料205の磁気特性を変化させる(1005)。磁気特性は磁性材料205に印加されるストレスの量の関数とすることができる。このような磁気特性の一つは、磁性材料205にストレスが加えられたとき透磁率が変化するような磁性材料205の透磁率を含むことができる。別の実施形態においては、磁気特性は磁性材料205の飽和磁化である。磁性材料205の飽和磁化を増加させると、いくつかの実施形態においてはエネルギー収穫装置200の有効性が増加する。ストレスと相対的に変化し得る他の特性は、印加ストレスに対する磁化の微分及び磁気ひずみを含むが、これに限定されない。   The energy harvesting device 200 changes the magnetic characteristics of the magnetic material 205 using the load application device 210 (1005). The magnetic properties can be a function of the amount of stress applied to the magnetic material 205. One such magnetic characteristic can include the magnetic permeability of the magnetic material 205 such that the magnetic permeability changes when a stress is applied to the magnetic material 205. In another embodiment, the magnetic property is the saturation magnetization of the magnetic material 205. Increasing the saturation magnetization of the magnetic material 205 increases the effectiveness of the energy harvesting device 200 in some embodiments. Other properties that can change relative to stress include, but are not limited to, magnetization differentiation and magnetostriction with respect to applied stress.

次に、少なくとも一つの磁石216を磁性材料205に近接配置する(1010)。バイアス磁界を磁性材料205及びエネルギー収穫装置200に与えるために磁石216によって磁性材料205の磁路305の方向を変える(1015)。一実施形態においては、磁石216は磁性材料205の一端で磁性材料205と接触する。別の実施形態においては、磁石216は磁性材料205と接触しないで、磁束305を特定のバイアス磁界に対して変化させるために十分に近接させる。磁石216は磁性材料205の第1の端に位置する第1の導磁性材料と接触させて配置することができる。いくつかの実施形態においては、少なくとも一つの導磁性材料の断面積は少なくとも一つの永久磁石の断面積とほぼ同一にする。   Next, at least one magnet 216 is placed close to the magnetic material 205 (1010). In order to apply a bias magnetic field to the magnetic material 205 and the energy harvesting device 200, the direction of the magnetic path 305 of the magnetic material 205 is changed by the magnet 216 (1015). In one embodiment, the magnet 216 contacts the magnetic material 205 at one end of the magnetic material 205. In another embodiment, the magnet 216 is not in contact with the magnetic material 205 and is close enough to change the magnetic flux 305 to a particular bias field. The magnet 216 can be placed in contact with the first magnetic conducting material located at the first end of the magnetic material 205. In some embodiments, the cross-sectional area of the at least one magnetically conductive material is approximately the same as the cross-sectional area of the at least one permanent magnet.

導磁性材料は磁性材料205が通るボアを有するバー212とすることができ、そのボアに磁性材料205を添加することができる。いくつかの実施形態においては、磁石216は、磁石216が磁性材料205により生成される磁路305内に位置するように導磁性バー212の端に位置させる。装置をおおむね対称にするために、第2の導磁性バー214を磁性材料205の第2の端に位置させることができ、磁石216を第2の導磁性バー214の端に位置させることができる。他の実施形態においては、磁石216は磁性材料205の両端に位置させることもできる。磁石216は負荷印加装置210の負荷通路内に位置させることもできる。   The magnetic conducting material can be a bar 212 having a bore through which the magnetic material 205 passes, and the magnetic material 205 can be added to the bore. In some embodiments, the magnet 216 is located at the end of the magnetic bar 212 such that the magnet 216 is located in the magnetic path 305 generated by the magnetic material 205. In order to make the device generally symmetrical, the second magnetic bar 214 can be positioned at the second end of the magnetic material 205 and the magnet 216 can be positioned at the end of the second magnetic bar 214. . In other embodiments, the magnets 216 can be located at both ends of the magnetic material 205. The magnet 216 can also be positioned in the load path of the load application device 210.

いくつかの実施形態においては、磁性材料205のN極から導磁性材料を経て磁性材料205のS極に至るまで空隙が殆どない、ほぼ閉じた磁路305を生成するために、装置200はバー218のような追加の導磁性材料を含むことができる。他の実施形態においては、エネルギー収穫装置200は磁路305に一つ以上の空隙を有することができる。   In some embodiments, the device 200 is a bar to produce a substantially closed magnetic path 305 with little air gap from the N pole of the magnetic material 205 through the magnetic conducting material to the S pole of the magnetic material 205. Additional magnetically conductive materials such as 218 can be included. In other embodiments, the energy harvesting device 200 can have one or more gaps in the magnetic path 305.

いくつかの実施形態においては、磁石216は、磁路305内に直接位置させる代わりに、磁束305の大部分が磁石216を通らないが依然として磁束305を変更しバイアス磁界を磁性材料205に与えるように、磁路305のループ内に位置させることができる。磁石216の数及び磁力はエネルギー収穫装置200の特定の実装に応じて決定することができる。エネルギー収穫装置200の実施形態は磁歪材料、ピエゾ磁性材料又は他の種類の磁性材料205を用いて方法1000を実施することができる。   In some embodiments, instead of being positioned directly in the magnetic path 305, the magnet 216 does not pass most of the magnetic flux 305 but still alters the magnetic flux 305 to provide a bias magnetic field to the magnetic material 205. The magnetic path 305 can be positioned within the loop. The number of magnets 216 and the magnetic force can be determined depending on the particular implementation of the energy harvesting device 200. Embodiments of the energy harvesting device 200 can implement the method 1000 with a magnetostrictive material, piezomagnetic material, or other type of magnetic material 205.

一実施形態においては、導電コイルを磁束305の通路と相対的に配置して、磁性材料205を通る磁束が装置200に印加される外部負荷104によって変化するとき、導電コイルに電圧を誘起させる(1020)。電圧量はコイルのタイプ及び巻数と導電コイルを通過する磁束の時間的変化に関連する。ここに記載するエネルギー収穫装置200に対しては他の電圧誘起方法を実装することができる。   In one embodiment, the conductive coil is positioned relative to the path of the magnetic flux 305 to induce a voltage in the conductive coil when the magnetic flux through the magnetic material 205 is varied by an external load 104 applied to the device 200 ( 1020). The amount of voltage is related to the type and number of turns of the coil and the time variation of the magnetic flux passing through the conductive coil. Other voltage induction methods can be implemented for the energy harvesting device 200 described herein.

ここに記載する原理に従って、プレストレスをエネルギー収穫装置200内の磁性材料に加えることができる。プレストレスは、実施形態に応じて、磁性材料205の磁界をバイアスするためにエネルギー収穫装置200内に磁石216を配置する前に磁性材料205に加えられる圧縮又は引張り負荷104を含むことができる。   Prestress can be applied to the magnetic material in the energy harvesting device 200 in accordance with the principles described herein. Prestress may include a compressive or tensile load 104 applied to magnetic material 205 prior to placing magnet 216 in energy harvesting device 200 to bias the magnetic field of magnetic material 205, depending on the embodiment.

いくつかの実施形態においては、磁路中の磁石の起磁力は磁路の磁性材料及び第1の導磁性材料を含む部分に磁束を生じる。   In some embodiments, the magnetomotive force of the magnet in the magnetic path generates a magnetic flux in the portion of the magnetic path that includes the magnetic material and the first magnetic conducting material.

以上の記載において、様々な実施形態の具体的な詳細が与えられている。しかしながら、いくつかの実施形態はこれらの具体的な詳細のすべてによらずに実施することができる。他の場合には、所定の方法、手順、構成要素、構造及び/又は機能については簡単且つ明瞭のために本発明の様々な実施形態の実施を可能にする以上に詳細に記載されていない。   In the above description, specific details of various embodiments are given. However, some embodiments may be practiced without all of these specific details. In other instances, certain methods, procedures, components, structures and / or functions have not been described in detail beyond merely allowing implementation of various embodiments of the present invention for the sake of simplicity and clarity.

方法の操作は特定の順序で示され、説明されているが、各方法の操作の順序は、所定の操作が逆の順序で実行されるように、又は所定の操作が他の操作と少なくとも部分的に同時に実施されるように変更することができる。別の実施形態においては、別個の操作の命令又は部分操作を間欠的に及び/又は交互に実施することができる。   Although the operations of the methods are shown and described in a particular order, the order of operations of each method is such that a given operation is performed in the reverse order, or that a given operation is at least partly related to other operations. Can be modified to be performed simultaneously. In another embodiment, separate operation instructions or partial operations may be performed intermittently and / or alternately.

本発明の特定の実施形態を説明し例証したが、本発明は説明及び例証した特定の携帯又は部分の配置に限定されない。本発明の範囲は添付の請求項及びそれらの同等物により特定されることを意図する。   While particular embodiments of the present invention have been illustrated and illustrated, the present invention is not limited to the specific cell or part arrangements described and illustrated. It is intended that the scope of the invention be specified by the appended claims and their equivalents.

Claims (19)

機械的エネルギーから電気エネルギーを収穫する装置であって、
前記装置は、磁路を備え、
前記磁路は、
自身に加えられるストレスの関数である磁気特性を有する磁性材料と、
前記磁性材料に近接する第1の導磁性材料と、
前記磁路内に位置し、自身の起磁力で磁束を生じる磁石と、
により形成され、
前記装置は、さらに、外部源により生じる負荷の変化を負荷通路に沿って前記磁性材料に伝達するように構成された構成要素を備え、前記磁石は、前記負荷通路に独立して位置し、かつ前記外部源による前記負荷の前記変化の影響を受けない、
ことを特徴とする装置。
A device that harvests electrical energy from mechanical energy,
The device comprises a magnetic path,
The magnetic path is
A magnetic material having magnetic properties that are a function of the stress applied to itself;
A first magnetic conducting material proximate to the magnetic material;
A magnet that is located in the magnetic path and generates magnetic flux by its magnetomotive force;
Formed by
The apparatus further comprises a component configured to transmit a load change caused by an external source along the load path to the magnetic material, the magnet being independently located in the load path; Unaffected by the change in the load by the external source;
A device characterized by that.
前記磁性材料にプレストレスを加えるために使用される少なくとも一つの他の構成要素を更に備え、前記磁性材料への前記プレストレスは、前記外部源により生じる前記負荷の前記変化からは分離された圧縮ストレスである、請求項1記載の装置。 And further comprising at least one other component used to prestress the magnetic material, wherein the prestress on the magnetic material is compressed from the change in the load caused by the external source. The apparatus of claim 1, wherein the apparatus is stress . 前記導磁性材料は前記磁石のN極とS極との間に実質的に空隙のない磁路を提供する、請求項1記載の装置。   The apparatus of claim 1, wherein the magnetically conductive material provides a magnetic path substantially free of air gap between the north and south poles of the magnet. 前記第1の導磁性材料は軟鋼を備える、請求項1記載の装置。   The apparatus of claim 1, wherein the first magnetically conductive material comprises mild steel. 前記第1の導磁性材料は電炉鋼を備える、請求項1記載の装置。   The apparatus of claim 1, wherein the first magnetically conductive material comprises electric furnace steel. 前記磁石は、前記構成要素と前記磁石の第1の極が接するように位置する永久磁石を備え、前記磁石の前記第1の極は、前記磁性材料の軸の方を向き、前記磁石の第2の極は、前記磁性材料の前記軸の外方を向く、請求項1記載の装置。 The magnet includes a permanent magnet positioned so that the component and the first pole of the magnet are in contact with each other , the first pole of the magnet facing toward the axis of the magnetic material, The apparatus of claim 1 , wherein two poles face outward of the axis of the magnetic material . 前記磁石は電磁石を備える、請求項1記載の装置。   The apparatus of claim 1, wherein the magnet comprises an electromagnet. 前記磁性材料は磁歪材料を備える、請求項1記載の装置。   The apparatus of claim 1, wherein the magnetic material comprises a magnetostrictive material. 前記磁性材料はピエゾ磁気材料を備える、請求項1記載の装置。   The apparatus of claim 1, wherein the magnetic material comprises a piezomagnetic material. 前記磁気特性は、該磁性材料に加えられる機械的ストレスとともに変化する該磁性材料の透磁率を備える、請求項1記載の装置。   The apparatus of claim 1, wherein the magnetic property comprises a permeability of the magnetic material that varies with mechanical stress applied to the magnetic material. 前記磁気特性は、該磁性材料に加えられる機械的ストレスとともに変化する該磁性材料の飽和磁化を備える、請求項1記載の装置。   The apparatus of claim 1, wherein the magnetic property comprises a saturation magnetization of the magnetic material that varies with mechanical stress applied to the magnetic material. 前記磁路と相対的に配置された導電コイルを更に備え、前記導電コイルは前記磁性材料を通る磁束の変化に応答して誘起電圧及び/又は電流を発生するように構成されている、請求項1記載の装置。   The conductive coil further disposed relative to the magnetic path, wherein the conductive coil is configured to generate an induced voltage and / or current in response to a change in magnetic flux through the magnetic material. The apparatus according to 1. 機械的エネルギーから電気エネルギーを収穫する装置であって、
前記装置は、実質的に閉じた一つの磁路を備え、
前記磁路は、
ストレスとともに変化する磁気特性を有する磁性材料と、
導磁性材料と、
前記磁路内に位置する永久磁石と、
により形成され、前記永久磁石は、前記永久磁石の少なくとも1つの極が、前記磁性材料の方を向くように方向付けられ、
前記装置は、さらに、
外部源により生じる負荷の変化を負荷通路に沿って前記磁性材料に伝達するように構成された構成要素と、
前記磁性材料にプレストレスを加えるために使用される少なくとも一つの他の構成要素と、を備え、前記永久磁石は、前記負荷通路に独立して位置し、かつ前記外部源による前記負荷の前記変化の影響を受けない、
ことを特徴とする装置。
A device that harvests electrical energy from mechanical energy,
The device comprises a substantially closed magnetic path,
The magnetic path is
A magnetic material having magnetic properties that change with stress;
A magnetic material,
A permanent magnet located in the magnetic path;
The permanent magnet is oriented such that at least one pole of the permanent magnet faces the magnetic material;
The apparatus further comprises:
A component configured to transmit a load change caused by an external source to the magnetic material along a load path ;
At least one other component used to prestress the magnetic material, wherein the permanent magnet is located independently in the load path and the change in the load by the external source Unaffected by
A device characterized by that.
前記磁性材料は磁歪材料又はピエゾ磁気材料を備える、請求項13記載の装置。   The apparatus of claim 13, wherein the magnetic material comprises a magnetostrictive material or a piezomagnetic material. 前記磁気特性は、該磁性材料に加えられる機械的ストレスとともに変化する該磁性材料の透磁率を備える、請求項13記載の装置。   The apparatus of claim 13, wherein the magnetic property comprises a magnetic material permeability that varies with mechanical stress applied to the magnetic material. 前記磁気特性は、該磁性材料に加えられる機械的ストレスとともに変化する該磁性材料の飽和磁化を備える、請求項13記載の装置。   The apparatus of claim 13, wherein the magnetic property comprises a saturation magnetization of the magnetic material that varies with mechanical stress applied to the magnetic material. 少なくとも一つの導磁性材料の断面積は少なくとも一つの永久磁石の断面積に実質的に等しい、請求項13記載の装置。   14. The apparatus of claim 13, wherein the cross-sectional area of the at least one magnetically conductive material is substantially equal to the cross-sectional area of the at least one permanent magnet. 前記磁路と相対的に配置された導電コイルを更に備え、前記導電コイルは前記磁性材料を通る磁束の変化に応答して誘起電圧及び/又は電流を発生するように構成されている、請求項13記載の装置。   The conductive coil further disposed relative to the magnetic path, wherein the conductive coil is configured to generate an induced voltage and / or current in response to a change in magnetic flux through the magnetic material. 13. The apparatus according to 13. 機械的エネルギーから電気エネルギーを収穫する方法であって、
外部源による負荷の変化を負荷通路に沿って磁性材料に伝達するように構成された構成要素によって前記磁性材料に加えられるストレスの関数である前記磁性材料の磁気特性を変化させるステップと、
空隙のない実質的に閉じた磁路内に位置する少なくとも一つの永久磁石により与えられる起磁力によって磁束を変化させるステップと、
前記磁性材料内の前記磁束の変化に応答して前記磁路と相対的に配置された導電コイルに電圧を誘起するステップと、を含み、
前記永久磁石は、前記負荷通路に独立して位置し、かつ前記外部源による前記負荷の前記変化の影響を受けない、
ことを特徴とする方法。
A method of harvesting electrical energy from mechanical energy,
Changing a magnetic property of the magnetic material that is a function of stress applied to the magnetic material by a component configured to transmit a change in load by an external source along the load path to the magnetic material;
Changing the magnetic flux by a magnetomotive force provided by at least one permanent magnet located in a substantially closed magnetic path free of air gaps;
Wherein the step of in response to a change in the magnetic flux in the magnetic material induces a voltage in a relatively arranged conductive coil and the magnetic path, only including,
The permanent magnet is independently located in the load path and is not affected by the change in the load by the external source;
A method characterized by that .
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