NO20140276A1 - Fremgangsmåte og anordning for mekanisk energihenting - Google Patents

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.

Description

KRYSSREFERANSE TIL BESLEKTEDE SØKNADER

[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.

BAKGRUNN

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

OPPSUMMERING

[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.

[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.

KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGENE

[0010] Figur 1 viser en utførelsesform av et apparat for innhenting eller høsting av elektrisk effekt til bruk i en nedihulls borestreng.

[0011] Figur 2 viser den predikerte effektutgangen under endringer i trykkbelastning.

[0012] Figur 3 viser én utførelsesform av et apparat for henting eller høsting av elektrisk effekt fra mekanisk energi.

[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.

[0014] Figur 5 viser spenningsutgangen for en modellinnmating.

[0015] I beskrivelsen kan like henvisningstall være anvendt for å identifisere like elementer.

DETALJERT BESKRIVELSE

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[0027] Den mekaniske lasten endrer de magnetiske egenskapene til de magnetostriktive elementene, noe som resulterer i elektromagnetisk induksjon av en spenning i spoleenheten 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.

[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.

[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.

[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.

[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).

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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%.

[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.

[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.

[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).

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

Claims (20)

1. Apparat for høsting eller henting av elektrisk effekt fra mekanisk energi, apparatet omfattende: minst ett magnetostriktivt element, hvor det magnetostriktive elementet er innrettet for å utsettes for en tvunget mekanisk spenning og tøyning som reaksjon på ytre mekaniske eksitasjonen minst én elektrisk ledende spole eller krets, hvor spolen eller kretsen er innrettet for å produsere elektrisk energi gjennom elektromagnetisk induksjon; og en magnetkrets koblet til den elektrisk ledende spolen eller kretsen for å øke eller maksimere effektproduksjon.

2. Apparat for høsting av elektrisk effekt fra mekanisk energi ifølge krav 1, hvor magnetkretsen omfatter det magnetostriktive elementet, en kilde for magnetomotorisk kraft og en masseenhet, og hvor magnetkretsen er lukket.

3. Apparat for høsting av elektrisk effekt fra mekanisk energi ifølge krav 1, apparatet videre omfattende et utvendig fluksbaneelement magnetisk koblet til det magnetostriktive elementet.

4. Apparat for høsting av elektrisk effekt fra mekanisk energi ifølge krav 3, hvor den elektrisk ledende spolen er plassert rundt det utvendige fluksbaneelementet.

5. Apparat for høsting av elektrisk effekt fra mekanisk energi ifølge krav 1, hvor den elektrisk ledende spolen er plassert rundt det magnetostriktive elementet.

6. Apparat for høsting av elektrisk effekt fra mekanisk energi ifølge krav 1, apparatet videre omfattende et korrosjonsbestandig, vanntett hus.

7. Apparat for høsting av elektrisk effekt fra mekanisk energi ifølge krav 1, hvor det magnetostriktive elementet er forspent i kompresjon.

8. Apparat for høsting av elektrisk effekt fra mekanisk energi ifølge krav 7, hvor det forspente magnetostriktive elementet er forspent ved hjelp eller bruk av andre mekaniske komponenter.

9. Apparat for høsting av elektrisk effekt fra mekanisk energi ifølge krav 7, hvor det forspente magnetostriktive elementet er forspent ved anvendelse av strukturelle plater som er strammet ned på det magnetostriktive elementet ved hjelp eller bruk av en kompresjonsbolt.

10. Apparat for høsting av elektrisk effekt fra mekanisk energi ifølge krav 1, apparatet videre omfattende en magnet plassert i en fluksbane.

11. Apparat for høsting av elektrisk effekt fra mekanisk energi ifølge krav 1, hvor apparatet er plassert i en nedihulls borestreng og det magnetostriktive elementet er orientert på en slik måte at det blir gjenstand for i det minste en del av mekaniske lastendringer som opptrer i borestrengen.

12. Apparat for høsting av elektrisk effekt fra mekanisk energi ifølge krav 11, hvor to eller flere magnetostriktive elementer er innrettet slik at de fyller et ringrom inne i borestrengen.

13. Apparat for høsting av elektrisk effekt fra mekanisk energi ifølge krav 12, hvor den elektrisk ledende spolen er plassert rundt hvert magnetostriktiv element enkeltvis, slik at spolen føres gjennom et rom mellom de magnetostriktive elementene.

14. Apparat for høsting av elektrisk effekt fra mekanisk energi ifølge krav 12, hvor de to eller flere magnetostriktive elementene er anordnet slik at de danner den lukkede magnetkretsen.

15. Fremgangsmåte for høsting eller henting av elektrisk effekt fra mekanisk energi, fremgangsmåten omfattende trinn med å: plassere et apparat i en nedihulls borestreng, hvor apparatet omfatter: minst ett magnetostriktivt element, hvor det magnetostriktive elementet er innrettet for å påføres en tvunget mekanisk spenning og tøyning som reaksjon på ytre mekaniske eksitasjoner, hvor de ytre mekaniske eksitasjonene forårsaker en endring i magnetisk fluks; minst én elektrisk ledende spole eller krets, hvor spolen eller kretsen er innrettet for å produsere elektrisk energi gjennom elektromagnetisk induksjon; og en magnetkrets koblet til den elektrisk ledende spolen eller kretsen for å øke eller maksimere effektproduksjon; og anvende endringen i magnetisk fluks for å generere elektrisk effekt i den elektrisk ledende kretsen.

16. Fremgangsmåten for høsting av elektrisk effekt fra mekanisk energi ifølge krav 15, hvor det magnetistriktive elementet forspennes i kompresjon.

17. Fremgangsmåte for høsting av elektrisk effekt fra mekanisk energi ifølge krav 16, hvor det forspente magnetostriktive elementet forspennes ved hjelp eller bruk av andre mekaniske strukturkomponenter.

18. Fremgangsmåte for høsting av elektrisk effekt fra mekanisk energi ifølge krav 17, hvor det magnetostriktive elementet påtrykkes et formagnitiseringsfelt gjennom bruk av én eller flere magneter.

19. Apparat for høsting eller henting av elektrisk effekt fra mekanisk energi, apparatet omfattende: en proteseanordning med et strukturelement som innlemmer et magnetostriktivt element innrettet for å påføres belastninger, hvor belastningene resulterer i en endring i magnetostriktive egenskaper; minst én elektrisk ledende spole eller krets koblet til det magnetostriktive elementet, hvor spolen eller kretsen er innrettet for å generere elektrisk effekt fra endringen i magnetostriktive egenskaper; og en magnetkrets koblet til den elektrisk ledende spolen eller kretsen for å øke eller maksimere effektproduksjon.

20. Apparat ifølge krav 19, apparatet videre omfattende innbygd elektronikk koblet til proteseanordningen, hvor endringen i magnetostriktive egenskaper genererer elektrisitet for å tilføre elektrisk effekt til den innbygde elektronikken.