NO20140276A1

NO20140276A1 - Method and apparatus for mechanical energy retrieval

Info

Publication number: NO20140276A1
Application number: NO20140276A
Authority: NO
Inventors: Balakrishnan Nair; Zachary Murphree; Andrew Joseph Gill; Jesse Alan Nachlas
Original assignee: Oscilla Power Inc
Priority date: 2011-08-23
Filing date: 2014-03-04
Publication date: 2014-03-18
Also published as: GB2507918A; GB201403405D0

Abstract

Et apparat for høsting av elektrisk effekt fra mekanisk energi er beskrevet. Apparatet innbefatter minst ett magnetostriktivt element, minst én elektrisk ledende spole eller krets, og en magnetkrets koblet til den elektrisk ledende spolen eller kretsen for å øke eller maksimere effektproduksjon. Det magnetostriktive elementet er innrettet for å påføres en tvunget mekanisk spenning og tøyning som reaksjon på ytre mekaniske eksitasjonen Den elektrisk ledende spolen eller kretsen er innrettet for å produsere elektrisk energi gjennom elektromagnetisk induksjon.An apparatus for harvesting electrical power from mechanical energy is described. The apparatus includes at least one magnetostrictive element, at least one electrically conductive coil or circuit, and a magnetic circuit connected to the electrically conductive coil or circuit to increase or maximize power output. The magnetostrictive element is arranged to apply a forced mechanical voltage and strain in response to the external mechanical excitation. The electrically conductive coil or circuit is adapted to produce electrical energy through electromagnetic induction.

Description

KRYSSREFERANSE TIL BESLEKTEDE SØKNADER CROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS

[0001] Denne søknaden tar prioritet fra den foreløpige US-søknaden 61/526,640, innlevert 23. august 2011 (docket nr. OSC-P012P). Denne søknaden er en CIP av US-søknaden 13/361,806, innlevert 30. januar 2012 (docket nr. OSC-P008). Denne søknaden er en CIP av US-søknaden 13/541,250, innlevert 3. juli 2012 (docket nr. OSC-P006C1). Alle disse søknadene inntas som referanse her i sin helhet. [0001] This application takes priority from US Provisional Application 61/526,640, filed Aug. 23, 2011 (Docket No. OSC-P012P). This application is a CIP of US application 13/361,806, filed Jan. 30, 2012 (docket no. OSC-P008). This application is a CIP of US application 13/541,250, filed Jul. 3, 2012 (Docket No. OSC-P006C1). All these applications are incorporated as a reference here in their entirety.

BAKGRUNN BACKGROUND

[0002] Mange typer mekaniske energihøstere er kjent i litteraturen. To av de vanligste typene inkluderer høstere som anvender magneter som beveger seg i forhold til elektrisk ledende spoler for å generere en indusert strøm og/eller spenning i spolene, og høstere som anvender piezoelektriske elementer som gjennomgår belastningsendringer som resulterer i elektrisk strøm og/eller spenning i disse elementene. [0002] Many types of mechanical energy harvesters are known in the literature. Two of the most common types include harvesters that use magnets that move relative to electrically conducting coils to generate an induced current and/or voltage in the coils, and harvesters that use piezoelectric elements that undergo load changes that result in electric current and/or voltage in these elements.

[0003] Selv om de er anvendelige for veldig småskala effektproduksjon har begge disse metodene spesifikke utfordringer ved oppskalering til effektnivåer på 0,1 W eller høyere, og mer spesifikt 1 W eller høyere, spesielt dersom denne effektproduksjonen skal opprettholdes på tvers av et bredt spekter av vibrasjonsfrekvenser. [0003] Although applicable to very small-scale power production, both of these methods have specific challenges when scaling up to power levels of 0.1 W or higher, and more specifically 1 W or higher, especially if this power production is to be maintained across a wide spectrum of vibrational frequencies.

[0004] Utførelser med bevegelige magneter er avhengig av betydelig relativbevegelse for å kunne produsere nevneverdig effekt. Ved høye frekvenser (omtrent 10-500 Hz), som representerer et vibrasjonsmiljø med moderate akselerasjoner (1-10 G) som er vanlig i mange typer maskinerier, er de store forflytningene nødvendig for å generere effekt i størrelsesorden watt (dvs. én watt eller mer) vanskelige å oppnå i utførelser med bevegelige magneter. Videre, dersom kraftigere magneter blir anvendt for å øke effekttettheten, blir krefter/dreiemomenter fra "cogging" vanskelige å overvinne og kravene til strukturell stivhet blir mye mer utfordrende. [0004] Designs with movable magnets are dependent on significant relative movement in order to produce significant effect. At high frequencies (approximately 10-500 Hz), which represent a vibrational environment with moderate accelerations (1-10 G) common in many types of machinery, the large displacements required to generate power on the order of watts (ie, one watt or more) difficult to achieve in designs with moving magnets. Furthermore, if more powerful magnets are used to increase the power density, forces/torques from "cogging" become difficult to overcome and the requirements for structural rigidity become much more challenging.

[0005] Piezoelektriske elementer, som er halvledende keramer, har vesentlige ulemper knyttet til høy indre motstand og/eller høy indre impedans og lav strukturell pålitelighet som gjør at de ikke engang kan oppskaleres på en effektiv måte til bredbåndet effektproduksjon i størrelsesorden watt (dvs. én watt eller mer), og har således stort sett vært begrenset til områdene mikrowatt til milliwatt. [0005] Piezoelectric elements, which are semi-conducting ceramics, have significant disadvantages related to high internal resistance and/or high internal impedance and low structural reliability which means that they cannot even be scaled up in an efficient way to broadband power production in the order of watts (i.e. one watt or more), and has thus largely been limited to the microwatt to milliwatt range.

[0006] Arbeid for å undersøke potensialet for effektgenerering med bruk av magnetostriktive materialer har vist energihøstingspotensialet til sterkt magnetostriktive materialer så som galfenol (en legering av jern og gallium) og Terfenol-D. Undersøkelser har validert modeller for magnetostriktiv effektgenerering ved å utføre eksperimenter på stenger av sterkt magnetostriktive materialer, så som Terfenol-D og galfenol, som fremviste en effektproduksjon i størrelsesorden flere hundre watt ved veldig høye frekvenser (omtrent 500-1000 Hz). De spesifikke utførelsene som ble undersøkt hadde dårlig effekttetthet og anvendte et betydelig volum av permanentmagneter i forhold til volumet av magnetostriktive legeringskonstruksjoner, som ikke er gunstig med hensyn til effekttetthet, kostnad og produksjonsvennlighet. [0006] Work to investigate the potential for power generation using magnetostrictive materials has shown the energy harvesting potential of highly magnetostrictive materials such as galphenol (an alloy of iron and gallium) and Terfenol-D. Research has validated models for magnetostrictive power generation by performing experiments on rods of highly magnetostrictive materials, such as Terfenol-D and galfenol, which demonstrated power production in the order of several hundred watts at very high frequencies (approximately 500-1000 Hz). The specific designs investigated had poor power density and used a significant volume of permanent magnets relative to the volume of magnetostrictive alloy structures, which is not favorable in terms of power density, cost and ease of manufacture.

[0007] Utkragere av Metglas® har vært anvendt for høsting av vibrasjonsenergi. Lag av Metglas ble anbragt på en strukturell støtte og hele konstruksjonen ble pakket i en elektrisk ledende spole. Denne utførelsen er ikke ideell ettersom arealet inneholdt innenfor spolen er betydelig større enn tverrsnittsarealet til Metglas-legeringen, noe som resulterer i en indre spolemotstand som er betydelig høyere enn nødvendig. Videre tillater ikke denne utførelsen formagnetisering eller forbelastning av de magnetostriktive elementene, som begge er anerkjente måter å øke effekttettheten til magnetostriktive energihøstere. Ytterligere arbeid har resultert i fremgangsmåter og utførelser for forbedret effekttetthet og effektproduksjon som anvender billige magnetostriktive legeringer, særlig for bølgeenergianvendelser. [0007] Cantilevers of Metglas® have been used for harvesting vibration energy. Layers of Metglas were placed on a structural support and the entire structure was wrapped in an electrically conductive coil. This design is not ideal as the area contained within the coil is significantly greater than the cross-sectional area of the Metglas alloy, resulting in an internal coil resistance that is significantly higher than required. Furthermore, this embodiment does not allow premagnetization or preloading of the magnetostrictive elements, both of which are recognized ways of increasing the power density of magnetostrictive energy harvesters. Further work has resulted in methods and embodiments for improved power density and power generation using inexpensive magnetostrictive alloys, particularly for wave energy applications.

OPPSUMMERING SUMMARY

[0008] Utførelsesformer av et apparat for henting eller høsting av elektrisk effekt fra mekanisk energi er beskrevet. Apparatet innbefatter minst ett magnetostriktivt element, minst én elektrisk ledende spole eller krets og en magnetkrets koblet til den elektrisk ledende spolen eller kretsen for å øke eller maksimere effektproduksjon. Det magnetostriktive elementet er innrettet for å utsettes for en tvunget mekanisk spenning og tøyning som reaksjon på ytre mekaniske eksitasjonen Spolen eller kretsen er innrettet for å produsere elektrisk energi gjennom elektromagnetisk induksjon. [0008] Embodiments of an apparatus for obtaining or harvesting electrical power from mechanical energy are described. The apparatus includes at least one magnetostrictive element, at least one electrically conductive coil or circuit and a magnetic circuit connected to the electrically conductive coil or circuit to increase or maximize power output. The magnetostrictive element is adapted to be subjected to a forced mechanical stress and strain in response to external mechanical excitation. The coil or circuit is adapted to produce electrical energy through electromagnetic induction.

[0009] Andre aspekter og fordeler med utførelsesformer av den foreliggende oppfinnelse vil tydeliggjøres av den følgende detaljerte beskrivelsen, sett sammen med de vedlagte tegningene, illustrert som et eksempel på prinsippene ifølge oppfinnelsen. [0009] Other aspects and advantages of embodiments of the present invention will become clear from the following detailed description, taken together with the accompanying drawings, illustrated as an example of the principles of the invention.

KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGENE BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

[0010] Figur 1 viser en utførelsesform av et apparat for innhenting eller høsting av elektrisk effekt til bruk i en nedihulls borestreng. [0010] Figure 1 shows an embodiment of an apparatus for obtaining or harvesting electrical power for use in a downhole drill string.

[0011] Figur 2 viser den predikerte effektutgangen under endringer i trykkbelastning. [0011] Figure 2 shows the predicted power output under changes in pressure load.

[0012] Figur 3 viser én utførelsesform av et apparat for henting eller høsting av elektrisk effekt fra mekanisk energi. [0012] Figure 3 shows one embodiment of an apparatus for obtaining or harvesting electrical power from mechanical energy.

[0013] Figur 4 viser én utførelsesform av et apparat for høsting eller henting av elektrisk effekt fra mekanisk energi og dets anvendelse i en protese. [0013] Figure 4 shows one embodiment of an apparatus for harvesting or retrieving electrical power from mechanical energy and its application in a prosthesis.

[0014] Figur 5 viser spenningsutgangen for en modellinnmating. [0014] Figure 5 shows the voltage output for a model input.

[0015] I beskrivelsen kan like henvisningstall være anvendt for å identifisere like elementer. [0015] In the description, similar reference numbers can be used to identify similar elements.

DETALJERT BESKRIVELSE DETAILED DESCRIPTION

[0016] Det vil umiddelbart forstås at komponentene i utførelsesformene som beskrives generelt her og er illustrert i de vedlagte figurene kan anordnes og utføres på en rekke forskjellige måter. Den følgende mer detaljerte beskrivelsen av forskjellige utførelsesformer, som representert i figurene, er således ikke ment å begrense rammen til foreliggende oppfinnelse, men representerer kun forskjellige utførelsesformer. Selv om forskjellige aspekter ved utførelsesformene er vist i figurene, er ikke tegningene nødvendigvis tegnet målrett dersom dette ikke er spesifikt angitt. [0016] It will be immediately understood that the components in the embodiments described in general here and illustrated in the attached figures can be arranged and performed in a number of different ways. The following more detailed description of various embodiments, as represented in the figures, is thus not intended to limit the scope of the present invention, but only represents various embodiments. Although various aspects of the embodiments are shown in the figures, the drawings are not necessarily drawn straight unless this is specifically indicated.

[0017] Foreliggende oppfinnelse kan realiseres i andre spesifikke former uten å fjerne seg fra sin idé eller sine grunnleggende trekk. De beskrevne utførelsesformene er i alle henseende kun å anse som illustrerende og ikke begrensende. Oppfinnelsens ramme defineres derfor av de vedføyde kravene heller enn av denne detaljerte beskrivelsen. Alle endringer som faller innenfor kravenes betydning og ekvivalensramme skal være omfattet innenfor deres ramme. [0017] The present invention can be realized in other specific forms without departing from its idea or its basic features. The described embodiments are in all respects only to be regarded as illustrative and not limiting. The scope of the invention is therefore defined by the appended claims rather than by this detailed description. All changes that fall within the meaning and equivalence framework of the requirements must be included within their framework.

[0018] Henvisning i denne beskrivelsen til trekk, fordeler eller tilsvarende språk forutetter ikke at alle trekkene og fordelene som kan realiseres med foreliggende oppfinnelse må foreligge eller faktisk foreligger i enhver enkeltutførelse av oppfinnelsen. Snarere skal språk som henviser til trekkene og fordelene forstås å bety at gitte trekk, fordeler eller særegenheter beskrevet i forbindelse med en utførelsesform er innlemmet i minst én utførelsesform av foreliggende oppfinnelse. Omtaler av trekkene og fordelene, og tilsvarende språk, i denne spesifikasjonen kan således, men vil ikke nødvendigvis, henvise til samme utførelsesform. [0018] Reference in this description to features, advantages or similar language does not presuppose that all the features and advantages that can be realized with the present invention must exist or actually exist in every single embodiment of the invention. Rather, language referring to the features and advantages shall be understood to mean that given features, advantages or peculiarities described in connection with an embodiment are incorporated into at least one embodiment of the present invention. Thus, mentions of the features and benefits, and corresponding language, in this specification may, but will not necessarily, refer to the same embodiment.

[0019] Videre kan de beskrevne trekk, fordeler og særegenheter ved oppfinnelsen kombineres på en hvilken som helst passende måte i én eller flere utførelsesformer. Fagmannen vil se, på bakgrunn av beskrivelsen her, at oppfinnelsen kan praktiseres uten ett eller flere av de spesifikke trekkene eller fordelene til en konkret utførelsesform. I andre tilfeller kan ytterligere trekk og fordeler gjenkjennes i noen utførelsesformer som ikke nødvendigvis foreligger i alle utførelsesformer av oppfinnelsen. [0019] Furthermore, the described features, advantages and peculiarities of the invention can be combined in any suitable way in one or more embodiments. The person skilled in the art will see, based on the description here, that the invention can be practiced without one or more of the specific features or advantages of a concrete embodiment. In other cases, additional features and advantages can be recognized in some embodiments which are not necessarily present in all embodiments of the invention.

[0020] Henvisning i denne spesifikasjonen til "én utførelsesform", "en utførelsesform" eller tilsvarende språk betyr at gitte trekk, strukturer eller særegenheter beskrevet i forbindelse med den angitte utførelsesformen er innlemmet i minst én utførelsesform av foreliggende oppfinnelse. Frasene "i én utførelsesform", "i en utførelsesform" og tilsvarende språk i denne spesifikasjonen kan således, men vil ikke nødvendigvis, alle henvise til samme utførelsesform. [0020] Reference in this specification to "one embodiment", "an embodiment" or similar language means that given features, structures or peculiarities described in connection with the indicated embodiment are incorporated in at least one embodiment of the present invention. Thus, the phrases "in one embodiment", "in one embodiment" and similar language in this specification may, but will not necessarily, all refer to the same embodiment.

[0021] Gitt utfordringene beskrevet over er det fortsatt behov for mekaniske energihøstingsanordninger som er i stand til å generere betydelige mengder elektrisk effekt (større enn omtrent 0,1 Watt, og i noen utførelsesformer større enn omtrent 1 Watt) fra vibrasjonene som opptrer naturlig i forskjellige typer industrielt utstyr samtidig som de får plass i tilgjengelig rom for innlemmelse i eller bruk med slikt utstyr. Ett eksempel på et slikt miljø er nedihullsboring hvor den tilgjengelige energien i borestreng- eller vektrørvibrasjoner har en moderat frekvens (omtrent 0-500 Hz og mer typisk omtrent 0-50 Hz, eller også så lav som 0-5 Hz) og moderate akselerasjoner (omtrent 0-20 G, og mer typisk omtrent 0-5 G). Endringer i aksiallast (eller aksiale vibrasjoner) kan typisk opptre ved frekvenser svarende til borehastigheten, som typisk er 0-250 omdreininger per minutt (RPM), som svarer til omtrent 0-4 Hz. Harmoniske overtoner av disse frekvensene (f.eks. 6 Hz eller 9 Hz for en borehastighet på 180 RPM/3 Hz) kan også være tilgjengelig. Mekaniske energihøstingsanordninger i dette miljøet må tåle bruk ved høye temperaturer (så høye som omtrent 250°C, og mer typisk så høye som omtrent 175°C). Videre er noen anordninger i stand til å generere den nødvendige effekten på tvers av maskinens forskjellige driftsmodi (for eksempel forskjellige omdreiningshastigheter, borkronetrykk etc. for boreanvendelser) som kan inkludere en betydelig variasjon i området av frekvenser og mekaniske laster som opptrer. Lastene som opptrer er ofte trykklaster ettersom de styres delvis av borestrengens vekt over det spesifikke stedet av interesse. Andre aksiallastendringer opptrer som følge av "borkronehopping" i borkronen, som er en vibrasjonsmodus som forekommer under boreoperasjonen. "Borkronehopping" opptrer når borkronen blir gjenstand for akselerasjoner i aksial retning som følge av vibrasjoner. [0021] Given the challenges described above, there remains a need for mechanical energy harvesting devices capable of generating significant amounts of electrical power (greater than about 0.1 Watt, and in some embodiments greater than about 1 Watt) from the vibrations that occur naturally in different types of industrial equipment at the same time as they get space in available space for incorporation into or use with such equipment. One example of such an environment is downhole drilling where the available energy in drill string or casing vibrations has a moderate frequency (about 0-500 Hz and more typically about 0-50 Hz, or even as low as 0-5 Hz) and moderate accelerations ( about 0-20 G, and more typically about 0-5 G). Changes in axial load (or axial vibration) can typically occur at frequencies corresponding to the drilling speed, which is typically 0-250 revolutions per minute (RPM), which corresponds to approximately 0-4 Hz. Harmonics of these frequencies (eg 6 Hz or 9 Hz for a drill speed of 180 RPM/3 Hz) may also be available. Mechanical energy harvesting devices in this environment must withstand operation at high temperatures (as high as about 250°C, and more typically as high as about 175°C). Furthermore, some devices are capable of generating the required power across the different operating modes of the machine (eg different rotational speeds, bit pressure etc. for drilling applications) which can include a significant variation in the range of frequencies and mechanical loads that occur. The loads that occur are often compressive loads as they are controlled in part by the weight of the drill string over the specific location of interest. Other axial load changes occur as a result of "bit jump" in the bit, which is a mode of vibration that occurs during the drilling operation. "Drill bit jumping" occurs when the drill bit is subject to accelerations in the axial direction as a result of vibrations.

[0022] Noen utførelsesformer av forbedrede fremgangsmåter og utførelser for høsting eller (inn)henting av elektrisk effekt fra mekanisk last anvender billige magnetostriktive materialer. Spesielt produserer noen utførelsesformer over 0,1 watt elektrisk effekt fra mekaniske vibrasjoner. Andre utførelsesformer produserer over 1 watt elektrisk effekt fra mekaniske vibrasjoner. [0022] Some embodiments of improved methods and embodiments for harvesting or (acquiring) electrical power from mechanical loads use inexpensive magnetostrictive materials. In particular, some embodiments produce over 0.1 watts of electrical power from mechanical vibrations. Other embodiments produce over 1 watt of electrical power from mechanical vibrations.

[0023] Utførelsesformer som beskrives her inkluderer en mekanisk energihøster som er i stand til å omdanne mekaniske laster til elektrisk energi ved hjelp eller bruk av magnetostriktive elementer. Utførelsesformer inkluderer også en fremgangsmåte og en anordning for omdanning av mekaniske laster i bunnhullsenheten (BHA) og/eller borestrengen ved borerigger, som kan bli anvendt for boring av olje- og gassbrønner eller brønner for geotermiske energisystemer. [0023] Embodiments described herein include a mechanical energy harvester capable of converting mechanical loads into electrical energy by means or use of magnetostrictive elements. Embodiments also include a method and a device for converting mechanical loads in the downhole unit (BHA) and/or the drill string at drilling rigs, which can be used for drilling oil and gas wells or wells for geothermal energy systems.

[0024] Figur 1 viser en utførelsesform av et apparat for høsting eller henting av elektrisk effekt for bruk i en nedihulls borestreng 100. Utførelsesformer her letter høsting eller henting av energi fra vibrasjoner utenfor anordningen og produksjon av elektrisitet fra denne energien. I én utførelsesform innbefatter anordningen minst ett magnetostriktivt element 102 og én eller flere elektrisk ledende spoler eller kretser. Anordningen innbefatter også én eller flere magnetiske kretser som er koblet til én eller flere elektriske kretser for å øke eller maksimere effektproduksjon. De ytre mekaniske eksitasjonene forårsaker en tvunget mekanisk spenning og tøyning i de magnetostriktive elementene 102, som blir omdannet til elektrisk energi gjennom elektromagnetisk induksjon. [0024] Figure 1 shows an embodiment of an apparatus for harvesting or retrieving electrical power for use in a downhole drill string 100. Embodiments here facilitate harvesting or retrieving energy from vibrations outside the device and production of electricity from this energy. In one embodiment, the device includes at least one magnetostrictive element 102 and one or more electrically conductive coils or circuits. The device also includes one or more magnetic circuits which are connected to one or more electrical circuits to increase or maximize power output. The external mechanical excitations cause a forced mechanical stress and strain in the magnetostrictive elements 102, which are converted into electrical energy through electromagnetic induction.

[0025] Én utførelsesform av denne anordningen er en elektrisk kraftgenerator for bruk i et miljø hvor mekaniske lastendringer opptrer eller kan bevirkes. Utførelsesformen innbefatter en magnetostriktiv stangsammenstilling 120 med ett eller flere magnetostriktive elementer 102 som er orientert på en slik måte at de blir gjenstand for i det minste en del av de mekaniske lastendringene som opptrer i en borestreng 100 (ellerannet utstyr); en spoleenhet 104 nærved magnetostriktivt legeringsmateriale; en kilde 106 for magnetomotorisk kraft (MMF), innbefattende permanentmagnetmateriale og/eller elektromagneter. [0025] One embodiment of this device is an electric power generator for use in an environment where mechanical load changes occur or can be caused. The embodiment includes a magnetostrictive rod assembly 120 with one or more magnetostrictive elements 102 that are oriented in such a way that they are subject to at least part of the mechanical load changes that occur in a drill string 100 (or other equipment); a coil assembly 104 near magnetostrictive alloy material; a source 106 of magnetomotive force (MMF), including permanent magnet material and/or electromagnets.

[0026] Ett eller flere magnetostriktive elementer kan være anordnet slik at de muliggjør magnetisk kobling mellom seg. De magnetostriktive elementene kan også være anordnet slik at de danner en hovedsakelig lukket magnetkrets, med minimale luftspalter. De magnetostriktive elementene kan være innlemmet i et nedihullsverktøy 110 spesiallaget primært for elektrisk effektgenerering, eller kan være laget for å innlemmes i andre nedihullsverktøy for å tilveiebringe i det minste en del av effekten som kreves av disse verktøyene eller for å lade oppladbare batterier for å forlenge tiden batteriene kan brukes før de må lades opp med andre metoder. [0026] One or more magnetostrictive elements can be arranged so that they enable magnetic coupling between them. The magnetostrictive elements can also be arranged so that they form an essentially closed magnetic circuit, with minimal air gaps. The magnetostrictive elements may be incorporated into a downhole tool 110 specially designed primarily for electrical power generation, or may be designed to be incorporated into other downhole tools to provide at least a portion of the power required by those tools or to charge rechargeable batteries to extend the time the batteries can be used before they have to be recharged by other methods.

[0027] Den mekaniske lasten endrer de magnetiske egenskapene til de magnetostriktive elementene, noe som resulterer i elektromagnetisk induksjon av en spenning i spoleenheten 104. [0027] The mechanical load changes the magnetic properties of the magnetostrictive elements, resulting in the electromagnetic induction of a voltage in the coil assembly 104.

[0028] Stangsammenstillingen (og separate magnetostriktive elementer) kan omfatte et eget nedihullsverktøy for effektproduksjon, eller kan innlemmes i nye eller eksisterende nedihullsverktøy i bunnhullsenheten eller borestrengen. Den spesifikke geometrien og plasseringen av bjelkestøttene som anvendes kan påvirke posisjonene, størrelsene og retningene for mekaniske stangspenninger og effektproduksjon, men begrenser på ingen måte den overordnede rammen til denne oppfinnelsen. [0028] The rod assembly (and separate magnetostrictive elements) may comprise a separate downhole tool for power production, or may be incorporated into new or existing downhole tools in the downhole assembly or drill string. The specific geometry and location of the beam supports used may affect the positions, magnitudes and directions of mechanical bar stresses and power production, but in no way limit the overall scope of this invention.

[0029] I noen utførelsesformer kan anordningen omfatte flere stenger og kan være utført slik at den fyller et ringrom som vist i figur 1B. Denne geometrien har den fordel at borefluidet (slam) kan strømme inne i den sylindriske boringen i anordningen, noe som er sterkt ønskelig for nedihullsverktøy. Som vist innlemmer anordningen flere fluksbaner som hver inkluderer to magnetostriktive stenger og minst én MMF-kilde, fortrinnsvis en permanentmagnet med sjeldne jordmetaller som tåler den høye temperaturen i driftsmiljøet nedihulls uten vesentlig redusert ytelse. [0029] In some embodiments, the device may comprise several rods and may be designed so that it fills an annular space as shown in Figure 1B. This geometry has the advantage that the drilling fluid (mud) can flow inside the cylindrical bore in the device, which is highly desirable for downhole tools. As shown, the device incorporates multiple flux paths each including two magnetostrictive rods and at least one MMF source, preferably a rare earth permanent magnet that can withstand the high temperature of the downhole operating environment without significantly reduced performance.

[0030] Videre inkluderer noen utførelsesformer et pålitelig hus eller en kapsling 116 som ikke bare vil beskytte de indre komponentene i anordningen mot varme, korrosive væsker og gasser, men også mot boreslam og eventuelle andre bestanddeler av driftsmiljøet. [0030] Furthermore, some embodiments include a reliable housing or enclosure 116 that will not only protect the internal components of the device from heat, corrosive liquids and gases, but also from drilling mud and any other constituents of the operating environment.

[0031] Figur 2 viser den predikerte effektutgangen under trykklastendringer. Detaljert elektromagnetisk ytelsesmodellering av denne anordningen indikerer at dette verktøyet som vist kan danne en gjennomsnittlig effekt på omtrent 7 Watt når det utsettes for sinusformede trykklastendringer på 2220 til 22200 N (500 til 5000 pund) ved 3 Hz ved 150°C. Den predikerte effektutgangen under disse forholdene er vist i figur 2. [0031] Figure 2 shows the predicted power output under pressure load changes. Detailed electromagnetic performance modeling of this device indicates that, as shown, this tool can generate an average power of approximately 7 Watts when subjected to sinusoidal pressure load changes of 2220 to 22200 N (500 to 5000 pounds) at 3 Hz at 150°C. The predicted power output under these conditions is shown in Figure 2.

[0032] Figur 3 viser én utførelsesform av et apparat 300 for høsting / henting av elektrisk effekt fra mekanisk energi. I noen utførelsesformer er de magnetostriktive elementene 302 i en spenningstilstand (betegnet "forspenning") i den statiske tilstanden som kan være opprettholdt av en kompresjonsbolt 304. Denne forspenningen kan øke eller optimalisere endringen i magnetiske egenskaper forårsaket av mekaniske lastendringer, spesielt dersom i det minste en del av lastendringene som opptrer er i strekk (tension). [0032] Figure 3 shows one embodiment of an apparatus 300 for harvesting/retrieving electrical power from mechanical energy. In some embodiments, the magnetostrictive elements 302 are in a state of tension (referred to as "bias") in the static state that may be maintained by a compression bolt 304. This bias may enhance or optimize the change in magnetic properties caused by mechanical load changes, especially if at least part of the load changes that occur are in tension.

[0033] I noen utførelsesformer danner anordningen av de magnetostriktive elementene 302, MMF-kilden 306 og masseenheten 308 en lukket magnetkrets. Denne lukkede magnetkretsen kan øke eller maksimere den innledende magnetfluksen og endringene i magnetiske egenskaper som følge av endringene i mekanisk last. [0033] In some embodiments, the arrangement of the magnetostrictive elements 302, the MMF source 306 and the ground unit 308 form a closed magnetic circuit. This closed magnetic circuit can increase or maximize the initial magnetic flux and the changes in magnetic properties resulting from the changes in mechanical load.

[0034] En konkret utførelsesform av denne anordningen innbefatter minst ett magnetostriktivt element i en stangbasert sammenstilling. De enkelte magnetostriktive elementer kan tenkes på som enkeltstenger (med lengdedimensjoner som er vesentlig større enn tverrsnittsdimensjoner). Det magnetostriktive elementet kan ha en hvilken som helst lengde eller tverrsnittsgeometri. I noen foretrukne utførelsesformer vil bjelken ha en hovedsakelig sylindrisk geometri. I en utførelsesform der tverrsnittet til de magnetostriktive elementene er rektangulært, er den lengste dimensjonen til det rektangulære prismet omtrent parallell med den dominerende lastendringsretningen. [0034] A concrete embodiment of this device includes at least one magnetostrictive element in a rod-based assembly. The individual magnetostrictive elements can be thought of as individual rods (with longitudinal dimensions that are significantly larger than cross-sectional dimensions). The magnetostrictive element may have any length or cross-sectional geometry. In some preferred embodiments, the beam will have a substantially cylindrical geometry. In an embodiment where the cross-section of the magnetostrictive elements is rectangular, the longest dimension of the rectangular prism is approximately parallel to the dominant direction of load change.

[0035] Noen utførelsesformer av anordningen inneholder flere enn ett magnetostriktivt element. I noen utførelsesformer kan to eller flere magnetostriktive elementer utgjøre en del av magnetkretsen og dele de mekaniske lastendringene som vist i figur 1C, noe som kan resultere i en større reluktansendring i magnetkretsen enn om hver av stengene var del av separate magnetkretser, med den netto effekt at endringene i flukstetthet som opptrer i hver stang (og derfor energiproduksjonen fra hver stang) er større for slike utførelsesformer. [0035] Some embodiments of the device contain more than one magnetostrictive element. In some embodiments, two or more magnetostrictive elements may form part of the magnetic circuit and share the mechanical load changes as shown in Figure 1C, which may result in a greater reluctance change in the magnetic circuit than if each of the bars were part of separate magnetic circuits, with the net effect that the changes in flux density occurring in each rod (and therefore the energy output from each rod) are greater for such embodiments.

[0036] I noen utførelsesformer kan spoler 312 være omspunnet rundt hvert magnetostriktive element 302 enkeltvis slik at spolene føres gjennom rommet mellom de magnetostriktive elementene. Som angitt over kan de magnetostriktive elementene være separate deler av en hovedsakelig lukket (dvs. uten betydelige luftspalter) magnetkrets, som kan være komplettert i begge ender av konstruksjonen av magnetisk permeable materialer og/eller magnetomotoriske kraft-(MMF)-kilder 306 (f.eks. permanentmagnetmateriale, elektromagneter etc). I noen utførelsesformer vil disse materialene være plassert i mellomrommet i begge ender av de magnetostriktive elementene slik at de danner en lukket fluksbane. [0036] In some embodiments, coils 312 may be wound around each magnetostrictive element 302 individually so that the coils are passed through the space between the magnetostrictive elements. As indicated above, the magnetostrictive elements may be separate parts of a substantially closed (ie, without significant air gaps) magnetic circuit, which may be completed at both ends of the structure by magnetically permeable materials and/or magnetomotive force (MMF) sources 306 (f .eg permanent magnet material, electromagnets etc). In some embodiments, these materials will be located in the space at both ends of the magnetostrictive elements so that they form a closed flux path.

[0037] I noen utførelsesformer kan de magnetostriktive elementene være magnetisk koblet til utvendige fluksbaneelementer 314 som har spoler 312 rundt seg. Endringene i mekanisk spenning/tøyning i de magnetostriktive elementene resulterer i endringer i fluks i de magnetostriktive elementene og i de utvendige fluksbaneelementene, og spoler 312 kan være plassert rundt de utvendige fluksbaneelementene og/eller de magnetostriktive elementene slik at endringene i magnetisk fluks kan resultere i en indusert elektrisk strøm/spenning i disse spolene. Denne løsningen gjør at fluksbanens lengde og/eller antallet spoleviklinger kan være betydelig større enn om spoler kun er omviklet rundt de magnetostriktive elementene. Videre kan gjennomsnittsdiameteren (eller de signifikante dimensjonene) til hver spolevinding være mindre i denne utførelsen enn om spolene omvikles rundt de magnetostriktive elementene alene. Dette kan resultere i en lavere indre motstand i anordningen for et gitt antall spoleviklinger, og således høyere effekttetthet. Denne utførelsesformen er illustrert i figur 3. [0037] In some embodiments, the magnetostrictive elements may be magnetically coupled to external flux path elements 314 having coils 312 around them. The changes in mechanical stress/strain in the magnetostrictive elements result in changes in flux in the magnetostrictive elements and in the outer flux path elements, and coils 312 may be positioned around the outer flux path elements and/or the magnetostrictive elements such that the changes in magnetic flux may result in an induced electric current/voltage in these coils. This solution means that the length of the flux path and/or the number of coil windings can be significantly greater than if coils are only wound around the magnetostrictive elements. Furthermore, the average diameter (or significant dimensions) of each coil turn may be smaller in this embodiment than if the coils are wound around the magnetostrictive elements alone. This can result in a lower internal resistance in the device for a given number of coil windings, and thus higher power density. This embodiment is illustrated in Figure 3.

[0038] Én mulig anvendelse av anordningen er for å tilveiebringe elektrisk effekt på fjerne steder. Noen utførelsesformer av anordningen kan være innrettet som en nedihulls kraftkilde for elektronisk utstyr ved boring eller dannelse/komplettering av brønner, eller for drypplading av batterier eller andre energilagringsanordninger. I noen utførelsesformer kan flere anordninger være anbragt inne i ett enkelt hus. Hver anordning kan være utført slik at dens mekaniske lastpåvirkning og kraftsignatur er litt forskjellig fra de andre anordningene i huset, noe som vil muliggjøre mer effektproduksjon over et område av vibrasjonsfrekvenser. Orienteringen av hver anordning kan også varieres for å fange opp energien fra lastendringer i mange retninger. I en annen utførelsesform kan én eller flere av stangsammenstillingene være orientert med en annen vinkel i forhold til rørets radius. For eksempel kan stangsammenstillingene i én utførelsesform være rotert 90 grader fra den illustrerte posisjonen slik at eventuelle lastendringer i radial retning kan fanges opp. I et annet eksempel kan noen av bjelkesammenstillingene være oppstilt i radial retning mens andre bjelkesammenstillinger er oppstilt i ringretning. Hver anordning kan være magnetisk isolert fra de andre anordningene og huset for å opprettholde magnetkretsens integritet. [0038] One possible use of the device is to provide electrical power in remote locations. Some embodiments of the device can be designed as a downhole power source for electronic equipment when drilling or forming/completing wells, or for trickle charging batteries or other energy storage devices. In some embodiments, several devices can be placed inside a single housing. Each device can be designed so that its mechanical load response and force signature is slightly different from the other devices in the housing, which will enable more power output over a range of vibration frequencies. The orientation of each device can also be varied to capture the energy from load changes in many directions. In another embodiment, one or more of the rod assemblies can be oriented at a different angle in relation to the tube's radius. For example, in one embodiment, the rod assemblies may be rotated 90 degrees from the illustrated position so that any load changes in the radial direction can be captured. In another example, some of the beam assemblies may be arranged in a radial direction while other beam assemblies are arranged in an annular direction. Each device may be magnetically isolated from the other devices and the housing to maintain the integrity of the magnetic circuit.

[0039] Noen utførelsesformer kan være spesielt nyttige for montering rundt borestrenger, vektrør etc. Noen utførelsesformer av anordningen kan bli anvendt i kombinasjon med og/eller integrert i andre anordninger/verktøy som anvendes nedihulls. Disse verktøyene/anordningene kan befinne seg på bunnhullsenheten (BHA). Disse verktøyene/anordningene kan inkludere, uten begrensning, måling-under-boring-(MWD)-verktøy, logging-under-boring-(LWD)-verktøy, kraftpakker, akustiske og/eller elektromagnetiske signalgeneratorer, akustiske og/eller elektromagnetiske signalforsterkere, akustiske og/eller elektromagnetiske signalsendere/-gjentakere osv. [0039] Some embodiments can be particularly useful for mounting around drill strings, weight tubes, etc. Some embodiments of the device can be used in combination with and/or integrated into other devices/tools that are used downhole. These tools/devices may be located on the bottom hole assembly (BHA). These tools/devices may include, without limitation, measurement-while-drilling (MWD) tools, logging-while-drilling (LWD) tools, power packs, acoustic and/or electromagnetic signal generators, acoustic and/or electromagnetic signal amplifiers, acoustic and/or electromagnetic signal transmitters/repeaters etc.

[0040] Anordningen kan også innbefatte eller bli anvendt i kombinasjon med kraftelektronikk for å omdanne den utmatede elektriske energien til en mer ønskelig form. Denne elektronikken kan inkludere, uten begrensning, kapasitiv-reaktiv effektkorrigering, én- og/eller flerfaselikeretting (aktiv og eller passiv), spenningsregulering, spenningsmultiplikatorer og/eller transformatorer for å øke eller redusere spenning, "buck"-omformere, "boost"-omformere eller buck-boost-omformere, spennings- og/eller strømmodulering og andre delkomponenter. [0040] The device can also include or be used in combination with power electronics to convert the exhausted electrical energy into a more desirable form. These electronics may include, without limitation, capacitive-reactive power correction, single- and/or multi-phase rectification (active and or passive), voltage regulation, voltage multipliers and/or transformers to increase or decrease voltage, "buck" converters, "boost"- converters or buck-boost converters, voltage and/or current modulation and other sub-components.

[0041] Noen utførelsesformer av denne anordningen er spesielt egnet for bruk med bilige magnetostriktive legeringer, og krever ikke bruk av de dyrere, tilgangsbegrensede sterkt magnetostriktive materialene som har terbium eller gallium som del av sin sammensetning. Noen utførelsesformer av denne anordningen anvender metallegeringer hvor jern og aluminium er hovedbestanddelene som magnetostriktive elementer. Noen utførelsesformer av anordningen anvender metallegeringer som inneholder jern og aluminium hvor vektprosenten jernatomer er minst 75% og vektprosenten aluminiumatomer er minst 2%. Mer spesifikt anvender noen utførelsesformer av anordningen metallegeringer som inneholder jern og aluminium hvor vektprosenten jernatomer er minst 80% og vektprosenten aluminiumatomer er minst 12%. Mer spesifikt anvender noen utførelsesformer av anordningen metallegeringer som inneholder jern og aluminium hvor vektprosenten jernatomer er 81-83% og vektprosenten aluminiumatomer er 17-19%. [0041] Some embodiments of this device are particularly suitable for use with inexpensive magnetostrictive alloys, and do not require the use of the more expensive, access-limited highly magnetostrictive materials that have terbium or gallium as part of their composition. Some embodiments of this device use metal alloys where iron and aluminum are the main constituents as magnetostrictive elements. Some embodiments of the device use metal alloys containing iron and aluminum where the weight percentage of iron atoms is at least 75% and the weight percentage of aluminum atoms is at least 2%. More specifically, some embodiments of the device use metal alloys containing iron and aluminum where the weight percent of iron atoms is at least 80% and the weight percent of aluminum atoms is at least 12%. More specifically, some embodiments of the device use metal alloys containing iron and aluminum where the weight percent of iron atoms is 81-83% and the weight percent of aluminum atoms is 17-19%.

[0042] I noen utførelsesformer kan den elektrisk ledende spolen være omviklet direkte på de magnetostriktive elementene. I noen andre utførelsesformer kan spolen være utformet slik at det er en viss klaring mellom hvert magnetostriktive element og den tilhørende spolen, hvor tverrtøying (Poisson's strain) av det magnetostriktive elementet kan tas opp. I noen utførelsesformer kan spolen være mekanisk koblet til de magnetostriktive elementene eller den ytre kapslingen med bindematerialer eller fiksturer, som uten begrensning kan inkludere skruer, bolter, epoksy (f.eks. høytemperaturepoksy) eller andre vedheftingsmidler, eller andre metoder kjent for fagmannen. [0042] In some embodiments, the electrically conductive coil may be wound directly on the magnetostrictive elements. In some other embodiments, the coil can be designed so that there is a certain clearance between each magnetostrictive element and the associated coil, where Poisson's strain of the magnetostrictive element can be taken up. In some embodiments, the coil may be mechanically connected to the magnetostrictive elements or the outer enclosure with bonding materials or fixtures, which may include without limitation screws, bolts, epoxy (eg, high temperature epoxy) or other adhesives, or other methods known to those skilled in the art.

[0043] I noen utførelsesformer er magnetene permanentmagneter av sjeldne jordmetaller i stand til bruk ved høyere temperaturer. I noen utførelsesformer kan permanentmagneter med spesifikke kvaliteter av sjeldne jordmetaller som Nd-Fe-B, som kan anvendes opp til 200°C, bli anvendt (foreksempel "NEH"). I noen utførelsesformer kan samarium/kobolt-baserte permanentmagneter som kan anvendes opp til 300°C bli anvendt. [0043] In some embodiments, the magnets are rare earth permanent magnets capable of operating at higher temperatures. In some embodiments, permanent magnets with specific qualities of rare earth metals such as Nd-Fe-B, which can be used up to 200°C, can be used (example "NEH"). In some embodiments, samarium/cobalt-based permanent magnets that can be used up to 300°C can be used.

[0044] Siden tverrsnittetsarealet til de magnetostriktive elementene er lite sammenliknet med lengden må en passe på at den magnetomotoriske kraften MMF ikke er for høy eller at den magnetiske reluktansen langs fluksbanen er for lav slik at alle eller noen avfluksbanekomponentene mettes. Den magnetomotoriske kraften MMF kan reduseres med en hvilken som helst av en rekke mulige metoder, herunder, uten begrensning, bruk av magneter med redusert tykkelse (eller redusert volum) eller bruk av forskjellige magnetmaterialer med lavere koersivitet. Kretsreluktansen kan justeres med bruk av en hvilken som helst av en rekke mulige metoder, herunder, uten begrensning, bruk av materialer i fluksbanen med forholdsvis lav relativ magnetisk permeabilitet (f.eks. stål med relativ permeabilitet lavere enn 100), dannelse av veldig små luftspalter eller avstandsstykker med veldig liten tykkelse og ekstremt liten relativ permeabilitet (f.eks. aluminium). [0044] Since the cross-sectional area of the magnetostrictive elements is small compared to the length, care must be taken that the magnetomotive force MMF is not too high or that the magnetic reluctance along the flux path is too low so that all or some of the flux path components are saturated. The magnetomotive force MMF can be reduced by any of a number of possible methods, including, without limitation, the use of magnets of reduced thickness (or reduced volume) or the use of different magnet materials of lower coercivity. The circuit reluctance can be adjusted using any of a number of possible methods, including, without limitation, using materials in the flux path with relatively low relative magnetic permeability (eg, steel with a relative permeability lower than 100), forming very small air gaps or spacers of very small thickness and extremely low relative permeability (e.g. aluminium).

[0045] Siden magnetostriktive legeringsmaterialer i alminnelighet har mindre mekanisk styrke og bruddseighet i forhold til strukturelle legeringer, er noen utførelsesformer dannet ved anvendelse av produksjonsprosesser og konstruksjoner som kan resultere i bedre komponentpålitelighet under drift. Disse teknikkene kan inkludere, uten begrensning, varm-/kaldvalsing (eller annen mekanisk bearbeiding) av de magnetostriktive elementene under produksjonen eller forkomprimering av de magnetostriktive elementene til et lastnivå hvor spenningen aldri vil bli strekkspenning (eller overstige en dimensjonerende målbelastning) under drift. [0045] Since magnetostrictive alloy materials generally have less mechanical strength and fracture toughness compared to structural alloys, some embodiments have been formed using manufacturing processes and constructions that can result in better component reliability during operation. These techniques may include, without limitation, hot/cold rolling (or other mechanical processing) of the magnetostrictive elements during manufacture or precompression of the magnetostrictive elements to a load level where the stress will never become tensile (or exceed a design target load) during operation.

[0046] I tillegg å øke påliteligheten kan forspenning også resultere i bedret mekanisk-magnetisk ytelse og derfor i økte effekttettheter. Noen utførelsesformer av anordningen kan derfor innlemme en form for forkomprimering av legeringsmaterialene i bjelken. Dette kan gjøres med en hvilken som helst av en rekke mulige metoder. Som ett eksempel kan det oppnås gjennom mekanisk forspenning eller termisk forspenning. Mekanisk forspenning kan oppnås gjennom bruk av komprimende fiksturer eller en strukturell plate 326 der legeringen presses ned ved hjelp eller bruk av bolter 322. Termisk forspenning kan oppnås ved å innlemme stangen i en ytre belastningsfikstur ved en forhøyet temperatur over den forventede driftstemperaturen. Når fiksturen kjøles til den faktiske driftstemperaturen vil stangen derfor være undertrykk, og ved å tilpasse fiksturens geometri i forhold til stangen kan en dimensjonerende målspenning oppnås. [0046] In addition to increasing reliability, biasing can also result in improved mechanical-magnetic performance and therefore in increased power densities. Some embodiments of the device may therefore incorporate some form of precompression of the alloy materials in the beam. This can be done by any of a number of possible methods. As one example, it can be achieved through mechanical biasing or thermal biasing. Mechanical prestressing can be achieved through the use of compressive fixtures or a structural plate 326 where the alloy is pressed down using or using bolts 322. Thermal prestressing can be achieved by incorporating the bar into an external loading fixture at an elevated temperature above the expected operating temperature. When the fixture is cooled to the actual operating temperature, the rod will therefore be under pressure, and by adapting the geometry of the fixture in relation to the rod, a dimensioning target tension can be achieved.

[0047] Permanentmagnetmaterialer av sjeldne jordmetaller, som er ikke-strukturelle keramer, er sprø og har lav bruddseighet. Noen utførelsesformer av anordningen innlemmer derfor konstruksjonstrekk som vil gjøre det mulig å pakke magnetmaterialet slik at det overlever mekaniske støt og vibrasjoner. Dette kan oppnås med en rekke mulige metoder, herunder, uten begrensning, metoder der magnetene kan bli presset sammen med bruk av myke og/eller duktile materialer. [0047] Rare earth permanent magnet materials, which are non-structural ceramics, are brittle and have low fracture toughness. Some embodiments of the device therefore incorporate construction features that will make it possible to package the magnetic material so that it survives mechanical shocks and vibrations. This can be achieved by a number of possible methods, including, without limitation, methods where the magnets can be pressed together using soft and/or ductile materials.

[0048] Det finnes andre måter å påføre laster på et magnetostriktivt materiale. For eksempel bruk av en utkrager som en belastningsmekanisme for en magnetostriktiv stang. I en slik anordning kan minst én magnetostriktiv stang være én av støttene til en utkragerbjelke med en masse, som kan oscillere når den utsettes for et vibrerende miljø, i en avstand vekk langs utkragerens lengde. En slik løsning kan gjøres mer effektiv ved å kombinere den med forskjellige konstruksjoner og fremgangsmåter for magnetostriktiv effektgenerering, innbefattende en hovedsakelig lukket fluksbane, forkomprimering av stengene og permanentmagneter innlemmet i fluksbanen, inkludert særlig fremgangsmåter og anordninger beskrevet i de foreløpige US-patentsøknadene 61/437,586, 61/328,396, og US-patentsøknadene 13/016,828 og 13/016,895 (som alle inntas som referanse her i sin helhet). En lukket fluksbane med to magnetostriktive stenger som deler lasten kan også være en løsning som er kompatibel med enkelte driftsforhold og miljøer. [0048] There are other ways of applying loads to a magnetostrictive material. For example, using a cantilever as a loading mechanism for a magnetostrictive rod. In such an arrangement, at least one magnetostrictive rod can be one of the supports of a cantilever beam having a mass, which can oscillate when exposed to a vibrating environment, at a distance along the length of the cantilever. Such a solution can be made more efficient by combining it with various constructions and methods for magnetostrictive power generation, including a substantially closed flux path, precompression of the rods and permanent magnets incorporated in the flux path, including in particular methods and devices described in the provisional US patent applications 61/437,586 , 61/328,396, and US Patent Applications 13/016,828 and 13/016,895 (all of which are incorporated herein by reference in their entirety). A closed flux path with two magnetostrictive bars that share the load can also be a solution that is compatible with certain operating conditions and environments.

[0049] Figur 4 viser én utførelsesform av et apparat for høsting eller henting av elektrisk effekt fra mekanisk energi 400 og dets anvendelse i en protese 420. Nyere generasjoner proteser innbefatter sensorer, aktuatorer etc. som forbruker elektrisk energi. Disse er i alminnelighet drevet av et innbygd batteri, men konseptet her vil enten erstatte batteriet eller forlenge dets brukslevetid ved å tilveiebringe en ekstra energikilde. Gåing og løping medfører betydelige laster på protesens strukturkomponenter, idet løping forårsaker en kraft på over 2000 N ved 3 Hz. Kraft/tid-kurven består av diskrete halvsinus-formede støt med varigheter på rundt 200 ms, og disse støtene opptrer med en frekvens som nærmer seg 4 Hz. Ved å dimensjonere en magnetostriktiv anordning 400 på passende måte og innlemme den som en strukturkomponent i protesen 420 kan en generere effekt fra hverdagslige aktiviteter av brukeren for å tilføre effekt til den innbygde elektronikken 412. [0049] Figure 4 shows one embodiment of an apparatus for harvesting or retrieving electrical power from mechanical energy 400 and its use in a prosthesis 420. Newer generations of prostheses include sensors, actuators, etc. that consume electrical energy. These are generally powered by a built-in battery, but the concept here will either replace the battery or extend its useful life by providing an additional energy source. Walking and running cause significant loads on the structural components of the prosthesis, as running causes a force of over 2000 N at 3 Hz. The force/time curve consists of discrete half-sinusoidal shocks with durations of around 200 ms, and these shocks occur at a frequency approaching 4 Hz. By appropriately sizing a magnetostrictive device 400 and incorporating it as a structural component in the prosthesis 420, one can generate power from everyday activities of the user to supply power to the built-in electronics 412.

[0050] Anordningen kan bestå av ett eller flere par av magnetostriktive stenger 302 som danner en komplett magnetkrets (innbefattende ytterligere fluksbanematerialer og én eller flere kilder for ett eller flere forspennende magnetfelter) som så innlemmes i lastbanen som er funksjonelt den samme som tibia og fibula. Reaksjonskraften fra bakken i hvert nedtråkk vil da bli overført gjennom anordningen, og en elektrisk spenning vil bli indusert i spolen som omgir hver stang. Denne elektriske energien kan så bli kondisjonert med kraftelektronikk for bruk umiddelbart av innbygd elektronikk eller lagret i elektriske energianordninger (f.eks. en batteribank, kondensator etc.) for senere bruk. [0050] The device may consist of one or more pairs of magnetostrictive rods 302 which form a complete magnetic circuit (including additional flux path materials and one or more sources for one or more biasing magnetic fields) which are then incorporated into the load path which is functionally the same as the tibia and fibula . The reaction force from the ground in each downstroke will then be transmitted through the device, and an electrical voltage will be induced in the coil surrounding each rod. This electrical energy can then be conditioned with power electronics for immediate use by embedded electronics or stored in electrical energy devices (eg a battery bank, capacitor etc.) for later use.

[0051] For å oppnå en belastning på 80 MPa i den magnetostriktive stangen vil stangens diameter måtte være i størrelsesorden 6,35 mm for en last på 2000 N. Dersom lasten fordeles mellom to stenger, vil diameteren være mindre enn denne. For å unngå utbøyning bør lengden til hver stang begrenses, men anordningens lengde (og derfor dens effektkapasitet) kan økes med flere enkeltmoduler mekanisk seriekoblet. [0051] To achieve a load of 80 MPa in the magnetostrictive rod, the diameter of the rod will have to be in the order of 6.35 mm for a load of 2000 N. If the load is distributed between two rods, the diameter will be smaller than this. To avoid deflection, the length of each rod should be limited, but the device's length (and therefore its power capacity) can be increased with several individual modules mechanically connected in series.

[0052] Innledende modellering av ytelsen til en slik anordning tyder på at nyttbare mengder effekt kan genereres. Dersom lastendringen på 2220 N deles mellom to magnetostriktive stenger som hver er 6,35 mm i diameter (som danner én enkelt anordning), og to av disse anordningene er mekanisk seriekoblet, er den predikerte effektutgangen omtrent 600 uW. [0052] Initial modeling of the performance of such a device suggests that useful amounts of power can be generated. If the load change of 2220 N is shared between two magnetostrictive rods each 6.35 mm in diameter (forming a single device), and two of these devices are mechanically connected in series, the predicted power output is approximately 600 uW.

[0053] Figur 5 viser spenningsutgangen for en modellinnmating. Innmatingene er en 28 AWG-ledning, en utvendig stangdiameter på 6,35 mm, en stanglengde på 7,62 cm, en utvendig spolediameter på 12,7 mm, 4 stenger, en spolemotstand på 9,78Q, en lastmotstand på 48,93Q, en maksimallast per stang på 1110 N, en minimumslast på per stang på 0 N, en frekvens på 3 Hz, en kapsasitans på 5,579 mF, en legeringsvekt på 0,0695 kg, en kobbervekt på 0,1324 kg, en gjennomsnittseffekt per stang på 152 uF og en gjennomsnittlig effekt per anordning på 609 uF. Spenningsutmatingen er vist i figur 5. [0053] Figure 5 shows the voltage output for a model input. The inputs are a 28 AWG wire, an OD of 6.35mm, a rod length of 7.62cm, an OD of 12.7mm, 4 bars, a coil resistance of 9.78Q, a load resistance of 48.93Q , a maximum load per rod of 1110 N, a minimum load of per rod of 0 N, a frequency of 3 Hz, a capacitance of 5.579 mF, an alloy weight of 0.0695 kg, a copper weight of 0.1324 kg, an average power per rod of 152 uF and an average power per device of 609 uF. The voltage output is shown in figure 5.

[0054] I beskrivelsen over er spesifikke detaljer ved forskjellige utførelsesformer angitt. Imidlertid kan noen utførelsesformer praktiseres med færre enn alle disse spesifikke detaljene. I andre tilfeller er noen fremgangsmåter, prosedyrer, komponenter, strukturer og/eller funksjoner beskrevet uten mer detalj enn nødvendig for å muliggjøre de forskjellige utførelsesformer av oppfinnelsen, for å korte ned beskrivelsen og bedre oversikten. [0054] In the description above, specific details of different embodiments are indicated. However, some embodiments may be practiced with fewer than all of these specific details. In other cases, some methods, procedures, components, structures and/or functions are described without more detail than is necessary to enable the various embodiments of the invention, to shorten the description and improve the overview.

[0055] Selv om trinnene i fremgangsmåten(e) her er vist og beskrevet i en gitt rekkefølge, kan rekkefølgen til trinnene i hver fremgangsmåte endres slik at noen trinn kan bli utført i omvendt rekkefølge eller slik at noen trinn kan bli utført, i hvert fall delvis, samtidig med andre trinn. I en annen utførelsesform kan instruksjoner eller deltrinn innenfor distinkte trinn bli utført på en periodisk og/eller vekslende måte. [0055] Although the steps in the method(s) are shown and described herein in a given order, the order of the steps in each method can be changed so that some steps can be performed in reverse order or so that some steps can be performed, in each fall partially, simultaneously with other steps. In another embodiment, instructions or sub-steps within distinct steps may be performed in a periodic and/or alternating manner.

[0056] Selv om konkrete utførelsesformer av oppfinnelsen er beskrevet og illustrert, skal ikke oppfinnelsen begrenses til de spesifikke formene eller anordningene av deler som er beskrevet og illustrert. Oppfinnelsens ramme skal avgrenses av de vedføyde kravene og deres ekvivalenter. [0056] Although specific embodiments of the invention are described and illustrated, the invention shall not be limited to the specific forms or arrangements of parts that are described and illustrated. The scope of the invention shall be delimited by the appended claims and their equivalents.

Claims

1. Apparatus for harvesting or retrieving electrical power from mechanical energy, the apparatus comprising: at least one magnetostrictive element, where the magnetostrictive element is arranged to be subjected to a forced mechanical stress and strain in response to the external mechanical excitation at least one electrically conductive coil or circuit, where the coil or circuit is arranged to produce electrical energy through electromagnetic induction; and a magnetic circuit connected to the electrically conducting coil or circuit to increase or maximize power output.

2. Apparatus for harvesting electrical power from mechanical energy according to claim 1, wherein the magnetic circuit comprises the magnetostrictive element, a source of magnetomotive force and a mass unit, and wherein the magnetic circuit is closed.

3. Apparatus for harvesting electrical power from mechanical energy according to claim 1, the apparatus further comprising an external flux path element magnetically connected to the magnetostrictive element.

4. Apparatus for harvesting electrical power from mechanical energy according to claim 3, wherein the electrically conductive coil is placed around the external flux path element.

5. Apparatus for harvesting electrical power from mechanical energy according to claim 1, where the electrically conductive coil is placed around the magnetostrictive element.

6. Apparatus for harvesting electrical power from mechanical energy according to claim 1, the apparatus further comprising a corrosion-resistant, waterproof housing.

7. Apparatus for harvesting electrical power from mechanical energy according to claim 1, where the magnetostrictive element is prestressed in compression.

8. Apparatus for harvesting electrical power from mechanical energy according to claim 7, where the biased magnetostrictive element is biased with the help or use of other mechanical components.

9. Apparatus for harvesting electrical power from mechanical energy according to claim 7, where the prestressed magnetostrictive element is prestressed using structural plates which are tightened down on the magnetostrictive element with the help or use of a compression bolt.

10. Apparatus for harvesting electrical power from mechanical energy according to claim 1, the apparatus further comprising a magnet placed in a flux path.

11. Apparatus for harvesting electrical power from mechanical energy according to claim 1, where the apparatus is placed in a downhole drill string and the magnetostrictive element is oriented in such a way that it is subject to at least part of mechanical load changes that occur in the drill string .

12. Apparatus for harvesting electrical power from mechanical energy according to claim 11, where two or more magnetostrictive elements are arranged so that they fill an annular space inside the drill string.

13. Apparatus for harvesting electrical power from mechanical energy according to claim 12, where the electrically conductive coil is placed around each magnetostrictive element individually, so that the coil is guided through a space between the magnetostrictive elements.

14. Apparatus for harvesting electrical power from mechanical energy according to claim 12, where the two or more magnetostrictive elements are arranged so that they form the closed magnetic circuit.

15. Method for harvesting or retrieving electrical power from mechanical energy, the method comprising the steps of: placing an apparatus in a downhole drill string, wherein the apparatus comprises: at least one magnetostrictive element, wherein the magnetostrictive element is arranged to apply a forced mechanical stress and strain in response to external mechanical excitations, the external mechanical excitations causing a change in magnetic flux; at least one electrically conductive coil or circuit, the coil or circuit being arranged to produce electrical energy through electromagnetic induction; and a magnetic circuit connected to the electrically conducting coil or circuit to increase or maximize power output; and applying the change in magnetic flux to generate electrical power in the electrically conductive circuit.

16. The method for harvesting electrical power from mechanical energy according to claim 15, where the magnetostrictive element is biased in compression.

17. Method for harvesting electrical power from mechanical energy according to claim 16, where the prestressed magnetostrictive element is prestressed with the help or use of other mechanical structural components.

18. Method for harvesting electrical power from mechanical energy according to claim 17, where the magnetostrictive element is applied to a magnetizing field through the use of one or more magnets.

19. Apparatus for harvesting or retrieving electrical power from mechanical energy, the apparatus comprising: a prosthetic device having a structural element incorporating a magnetostrictive element adapted to apply loads, the loads resulting in a change in magnetostrictive properties; at least one electrically conductive coil or circuit coupled to the magnetostrictive element, the coil or circuit being arranged to generate electrical power from the change in magnetostrictive properties; and a magnetic circuit connected to the electrically conducting coil or circuit to increase or maximize power output.

20. Apparatus according to claim 19, the apparatus further comprising built-in electronics connected to the prosthetic device, where the change in magnetostrictive properties generates electricity to supply electrical power to the built-in electronics.