專利名稱：渦輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
渦輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng) 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用 本發(fā)明主張臨時(shí)專利申請(qǐng)系列號(hào)為60/944， 189的權(quán)益，名稱為渦輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)，申請(qǐng)日為2007年6月15日，在此以引用方式整體并入本文中。
技術(shù)領(lǐng)域和
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及一種渦輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)，尤其涉及可以在相對(duì)低的壓力下運(yùn)轉(zhuǎn)而仍然產(chǎn)生大量電能的渦輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
據(jù)此，本發(fā)明提供一種渦輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)，其包括渦輪機(jī)和可選擇的發(fā)動(dòng)機(jī)，所述渦輪機(jī)需要低轉(zhuǎn)矩來運(yùn)轉(zhuǎn)該渦輪機(jī)，所述發(fā)動(dòng)機(jī)在較低壓力下運(yùn)轉(zhuǎn)而仍然產(chǎn)生足夠轉(zhuǎn)矩來運(yùn)轉(zhuǎn)該渦輪機(jī)。進(jìn)一步，該渦流機(jī)發(fā)電系統(tǒng)能夠使用相對(duì)簡單和便宜的部件裝配，進(jìn)一步，該系統(tǒng)能夠被制作成便攜式，并且能夠依靠蒸汽運(yùn)行，該蒸汽能夠由小規(guī)模蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生。
在本發(fā)明的一種形式中，渦輪機(jī)包括旋轉(zhuǎn)軸、多個(gè)磁體和導(dǎo)電線圈，所述旋轉(zhuǎn)軸帶有轉(zhuǎn)動(dòng)軸，所述磁體由旋轉(zhuǎn)軸支撐并且自旋轉(zhuǎn)軸向外間隔排列，所述線圈自磁體向外地放置，從而該線圈圍繞磁體和軸。 —方面，磁體通過臂裝配在軸上。另一方面，軸在橫向通道內(nèi)裝配在箱體中，該橫向通道延伸穿過箱體。另外，臂可以包括流向標(biāo)，以使渦輪機(jī)能夠由流入橫向通道的空氣驅(qū)動(dòng)。 根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，渦輪機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)相結(jié)合，該發(fā)動(dòng)機(jī)與軸相耦合，以轉(zhuǎn)動(dòng)該軸。發(fā)動(dòng)機(jī)可以用聯(lián)軸器與軸耦合。可選地，軸包括離合器，以使該軸能夠獨(dú)立于發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，例如，手動(dòng)或由空氣或水提供動(dòng)力。 在本發(fā)明的另一形式中，發(fā)動(dòng)機(jī)包括第一部件、可擴(kuò)展壁和隔板，該第一部件定義了室，而且具有入口和出口 ，入口和出口與室選擇性的流體連通，可擴(kuò)展壁從所述第一部件伸出的，隔板與和所述第一部件間隔放置的所述可擴(kuò)展壁相耦合。隔板相對(duì)于第一部件是可移動(dòng)的，作為對(duì)室中壓力的響應(yīng)。發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)一步包括力發(fā)生器，該力發(fā)生器產(chǎn)生力，以促使所述隔板向所述第一部件移動(dòng)，來增加所述第一室中的壓力。通過入口和出口進(jìn)出室的流體流由控制系統(tǒng)控制，該控制系統(tǒng)控制流體流進(jìn)出室，作為對(duì)隔板位置的響應(yīng)，由此控制隔板的運(yùn)動(dòng)。隔板的運(yùn)動(dòng)可以用作為輸入，例如，用于驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)軸。 —方面，力發(fā)生器包括第二部件和第二可擴(kuò)展壁。該第二部件和該第二可擴(kuò)展壁定義了第二室，隔板與所述第二可擴(kuò)展壁相耦合。控制系統(tǒng)控制流體流通過第二部件的入口和出口進(jìn)出第二室，作為對(duì)隔板移動(dòng)的響應(yīng)。 另一方面，可擴(kuò)展壁包括波紋管，該波紋管包括橡膠波紋管。可選地，每個(gè)橡膠波紋管在波紋管壁中加有螺旋彈簧，其產(chǎn)生隔板上的偏置力。 再一方面，控制系統(tǒng)包括一對(duì)傳感器，用于檢測隔板位置。例如，傳感器可以包括接近開關(guān)，其通過接觸隔板本身或凸緣或從隔板延伸出的凸起而動(dòng)作。候選地，隔板可以包括產(chǎn)生磁場的磁體，由檢測磁場的傳感器來檢測隔板位置。
根據(jù)再一方面，第二部件包括耦合器，用于與渦輪機(jī)相耦合，該耦合器與第二部件
一起在直線形路徑中移動(dòng)。例如，耦合器可以與渦輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸相耦合。 據(jù)此，本發(fā)明提供一種在低壓力下運(yùn)行的渦輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)。該渦輪機(jī)具有很低的
轉(zhuǎn)矩需求，使得該渦輪機(jī)可以手動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)或由空氣或水驅(qū)動(dòng)。進(jìn)一步，該系統(tǒng)可以組成容積式
發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)能夠以很低的摩擦力運(yùn)轉(zhuǎn)，并因此能夠以比常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)更低的壓力運(yùn)轉(zhuǎn)。
進(jìn)一步，該發(fā)動(dòng)機(jī)可以與渦輪機(jī)結(jié)合使用，使得所得到的發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪機(jī)的組合成為渦輪
機(jī)發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠比目前已知的發(fā)電系統(tǒng)遠(yuǎn)為高效地發(fā)電。進(jìn)一步，渦輪機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)
可以配置為便攜式。而且，不需要發(fā)動(dòng)機(jī)，通過手動(dòng)的或者使用風(fēng)力或水力，渦輪機(jī)也能夠
被驅(qū)動(dòng)。 通過研究以下結(jié)合附圖進(jìn)行的描述，本發(fā)明的對(duì)象、優(yōu)點(diǎn)、目的和特征將變得更加明顯。 附圖簡要說明

圖1為本發(fā)明的渦輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的示意 圖2為本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)的放大示意圖； 圖2A為本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)的透視圖，示出了支撐在支架上的發(fā)動(dòng)機(jī)；
圖2B為圖2A的發(fā)動(dòng)機(jī)的頂視 圖2C為圖2A的發(fā)動(dòng)機(jī)的側(cè)視圖； 圖2D為圖2A的發(fā)動(dòng)機(jī)的放大橫截面圖，示出了在第一位置上的發(fā)動(dòng)機(jī)的隔板； 圖2E為圖2D的類似圖，示出了切換到第二位置上的發(fā)動(dòng)機(jī)的隔板； 圖3為本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)的第二實(shí)施例的示意圖； 圖4為本發(fā)明的渦輪機(jī)的另一實(shí)施例的透視圖； 圖5為本發(fā)明的渦輪機(jī)的再一實(shí)施例的前視圖； 圖6為圖5的渦輪機(jī)的側(cè)視圖； 圖7為圖5的渦輪機(jī)的定子線圈組件的示意圖； 圖8A-8C示出了構(gòu)成線圈的銅線的繞組布置和繞組順序； 圖9為本發(fā)明的定子線圈組件的另一實(shí)施例；禾口 圖10A和10B示出了構(gòu)成圖9的定子線圈組件的線圈的銅線繞組。
具體實(shí)施例方式
參考圖l，標(biāo)記IO—般表示渦輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)，其能夠在低壓力下運(yùn)轉(zhuǎn)，例如在15psi或更低。渦輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)10包括渦輪機(jī)12和發(fā)動(dòng)機(jī)14，發(fā)動(dòng)機(jī)14可選擇地為渦輪機(jī)提供動(dòng)力。配置渦輪機(jī)IO以使其轉(zhuǎn)矩需求顯著低于具可比較輸出的常規(guī)渦輪機(jī)。類似地，發(fā)動(dòng)機(jī)14是容積式發(fā)動(dòng)機(jī)，其在最小摩擦力下運(yùn)轉(zhuǎn)，并因此能夠在很低的壓力下運(yùn)轉(zhuǎn)而仍然供應(yīng)足夠運(yùn)轉(zhuǎn)渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)矩，所述很低壓力包括低于15psi的壓力和低至lpsi的壓力。從而，系統(tǒng)10能夠用減小了的能量需求進(jìn)行發(fā)電?？蛇x地，如下面將更加全面的描述的那樣，渦輪機(jī)可以配置為手動(dòng)驅(qū)動(dòng)或由流體(例如風(fēng)或水)提供動(dòng)力。
如圖1所見，渦輪機(jī)12包括箱體16、旋轉(zhuǎn)軸18和多個(gè)線圈20，旋轉(zhuǎn)軸18支撐在箱體16中。裝配在軸18上的是多個(gè)臂22，其支撐磁體24，磁體24可選地裝配在臂22的端部。盡管所示軸18只有三個(gè)臂，但應(yīng)當(dāng)理解，臂的數(shù)目可以增加，例如四個(gè)臂、六個(gè)臂或
5更多，或者可以減少到兩個(gè)臂。線圈20圍繞軸18且從軸18向外間隔布置，而且圍繞磁體 24配置，以使當(dāng)磁體24旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁體24在線圈中感應(yīng)電流。正如應(yīng)當(dāng)了解的那樣，然后，線 圈與電路相耦合，該電路將電能從渦輪機(jī)傳送到期望的應(yīng)用。 與線圈安裝在軸上的常規(guī)渦輪機(jī)不同，本發(fā)明提供一種具有圍繞在渦輪葉片或渦 輪臂端部的線圈的渦輪機(jī)，從而利用渦輪葉片頂端的角速度。因?yàn)楦袘?yīng)電流的強(qiáng)度是通過 線圈的磁場速度的函數(shù)，所以在給定的渦輪軸速下，本發(fā)明的渦輪機(jī)感應(yīng)電流的強(qiáng)度明顯 高于常規(guī)渦輪機(jī)的電流。因此，根據(jù)本布置，能夠使用比常規(guī)渦輪機(jī)更低的軸速(rpm)，并 且，進(jìn)一步，更低的轉(zhuǎn)矩獲得同樣水平的感應(yīng)電流。 再次參考圖l，軸18連接至發(fā)動(dòng)機(jī)14，該發(fā)動(dòng)機(jī)14產(chǎn)生引起軸18旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的線 性運(yùn)動(dòng)。如圖2和圖2A-2E所見，發(fā)動(dòng)機(jī)14包括箱體26，該箱體26由端部件28、30和兩個(gè) 可擴(kuò)展壁32、34構(gòu)成。連接至兩個(gè)可擴(kuò)展壁的是中間組件或隔板36，其定義了兩個(gè)室38、 40，室38定義在端部件28、可擴(kuò)展壁32和隔板36之間，室40定義在端部件30、可擴(kuò)展壁 34和隔板36之間。 再次參考圖2、2D和2E，每個(gè)端部件28、30包括入口 28a、28b和出口 30a、30b。進(jìn) 一步，每個(gè)端部件28、30包括端部壁28c、30c和凸緣28d、30d。凸緣28d、30d形成圓柱形腔 并連接至可擴(kuò)展壁32、34，例如通過螺紋連接。類似的，如圖2C、2D所示，隔板36包括中壁 36a和一對(duì)凸緣，其形成圓柱形腔，并且通過螺紋連接在可擴(kuò)展壁32、34。入口 28a、30a延 伸穿過端部壁28c、30c，與室38、40流體連通且與能量供應(yīng)可選地流體連通，所述能量供應(yīng) 例如蒸汽或其它氣體，包括可燃?xì)怏w。為便于說明，下面的說明將參考流體；盡管應(yīng)當(dāng)了解 流體包括蒸汽、氣體、或其它流體，氣體包括可燃?xì)怏w。 經(jīng)過入口 28a、30a的流體的流動(dòng)由控制系統(tǒng)40通過閥42、44控制，閥例如電磁 閥。類似地，經(jīng)過出口 28b、30b的流體的流動(dòng)由控制系統(tǒng)40通過閥46、48控制。另外，控 制系統(tǒng)40包括多個(gè)傳感器50a、50b，其檢測隔板36的位置，并提供反饋至控制系統(tǒng)40的控 制器52。例如，控制器52可以包括繼電器開關(guān)或中央處理器。 在運(yùn)轉(zhuǎn)中，控制系統(tǒng)40打開閥42以允許流體流入室38，打開閥48以允許室40中 的流體流出。當(dāng)室38加壓時(shí)，壓力施加力在隔板36上，致使隔板36向右移動(dòng)(如圖2D所 示)，其致使室40中的流體加壓且通過出口 30b與通過打開用于卸載的閥48流出。 一旦 傳感器50b檢測到隔板36到達(dá)箱體28的中心橫向軸26a右側(cè)的預(yù)定位置，傳感器50b將 產(chǎn)生信號(hào)給控制器52，其將依次關(guān)閉閥42、48，和打開閥44、46。結(jié)果，流體將改向室40，其 將增加室40的壓力，并因此施加壓力到隔板36，以移動(dòng)隔板36到圖2C所示的左側(cè)。當(dāng)隔 板36移動(dòng)到左側(cè)，室38的壓力增加致使室38中流體通過出口 28b和閥46流動(dòng)。然后，當(dāng) 傳感器50a檢測隔板36已經(jīng)移動(dòng)到軸26a左側(cè)的預(yù)定位置時(shí)，傳感器50a將再次發(fā)送信號(hào) 給控制器52，其觸發(fā)控制器52再次打開閥42、48并關(guān)閉閥44、46。這一過程隨著控制系統(tǒng) 40向發(fā)動(dòng)機(jī)14提供開關(guān)功能而重復(fù)。 開關(guān)功能引起隔板36在箱體26的兩個(gè)端部件28、30之間的往復(fù)線性運(yùn)動(dòng)。如圖 2B-2E所見，隔板36通過可移動(dòng)的外部圓柱形壁29支撐在兩個(gè)端部件之間，外部圓柱形壁 29依次支撐在法蘭凸緣29a、29上，法蘭凸緣29a、29安裝在端部件28、30上。隔板36緊接 外部圓柱形壁，如通過在壁29和隔板的中心壁36a之間延伸的緊固件。外部圓柱形壁29 和法蘭凸緣29a、29中至少一個(gè)具有低摩擦系數(shù)，以減小壁29隨隔板36移動(dòng)時(shí)壁20和凸緣29a、29之間的摩擦。像后面將要全面說明的那樣，中間組件36的線性運(yùn)動(dòng)用于引起軸 18的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并由此產(chǎn)生電能。 再參考圖1，中間組件36具有耦合器54，其依次與鏈或臂58相耦合。鏈或臂58 通過軸18端部的銷連接62與軸18相耦合，其偏離軸18的轉(zhuǎn)動(dòng)軸。鏈或臂58也銷接耦合 器54 (耦合器54可以是鏈或臂58的軸頸)，從而鏈或臂58可以以耦合器54為樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)并 由此充當(dāng)軸18的曲柄，正如本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的那樣。 當(dāng)中間組件36沿軸26b移動(dòng)時(shí)，臂58移到左側(cè)(如圖1中所示)并繞軸18a旋
轉(zhuǎn)軸18。 一旦軸18開始旋轉(zhuǎn)，臂22和磁體24的重量就會(huì)完成軸的旋轉(zhuǎn)，直到連接62重新
定位在軸18a下面某點(diǎn)，在該點(diǎn)，傳感器50a將檢測到中間組件36已經(jīng)移到軸26a左側(cè)的
預(yù)定位置(如圖2和圖2E中所示)，且臂58將返回右側(cè)(如圖1和圖2D中所示)，并導(dǎo)致
控制器52使中間組件36開始相對(duì)于軸26a向最右側(cè)位置返回，從而拉動(dòng)臂58。這一過程
重復(fù)發(fā)生。如上面所見到的那樣，當(dāng)軸18繞軸18a旋轉(zhuǎn)，磁體24產(chǎn)生磁通，其在線圈22中
感應(yīng)出電流并由此發(fā)電，其可以用來為設(shè)備提供動(dòng)力或者存儲(chǔ)起來供以后使用。 部件28、30、36、壁29，凸緣29a、29b可以用各種不同材料制成，包括金屬(如鋁、
鐵之類)或復(fù)合材料(包括尼龍、增強(qiáng)復(fù)合材料)或其組合物?？蓴U(kuò)展壁32、34構(gòu)成波紋
管，且可以用金屬或彈性材料(包括橡膠)或二者的組合物構(gòu)成。進(jìn)一步，部件28、30、36、
凸緣29a、29b和壁29、32、34 —般是圓柱形的，盡管他們可以有其它形狀。 如上面所見到的那樣，渦輪機(jī)12需更較低轉(zhuǎn)矩，并因此可以由在較低壓力下運(yùn)轉(zhuǎn)
的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，該較低壓力包括低于15psi的壓力，最理想地為包括lpsi或更低的壓力。這
取決于渦輪機(jī)的幾何構(gòu)型。進(jìn)一步，渦輪機(jī)12可以是手動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)的或者是由風(fēng)力或水力驅(qū)動(dòng)
的，下面將更加全面的描述。 進(jìn)一步，如上面所見到的那樣，傳感器50a、50b檢測隔板36相對(duì)于箱體26的軸 26a的位置。在所說明的實(shí)施例中，中間組件36包括磁體，其產(chǎn)生通過傳感器50a、50b檢測 的磁場。應(yīng)當(dāng)了解，可以使用其它傳感設(shè)備，包括與隔板或凸起或其它從例如中間壁36a延 伸的突出結(jié)構(gòu)直接接觸的接近傳感器。使用條形碼，可以得到隔板36位置的增強(qiáng)控制，且 可以調(diào)整該位置以增大或減小運(yùn)動(dòng)以及沖程的范圍。 在所說明的實(shí)施例中，磁體被布置以使其N極和S極朝向平行于軸的轉(zhuǎn)動(dòng)軸(18a) 的方向，從而N極和S極在平行平面內(nèi)以半徑相同的路徑旋轉(zhuǎn)。可選地，為更進(jìn)一步增加渦 輪機(jī)12的電流輸出，可以布置線圈22，使得磁體兩邊的磁通都能得到利用。例如，除圍繞磁 體端部以利用渦輪臂或渦輪葉片的頂端速度之外，可以布置線圈22以形成磁體24附近的 通道型軌道，從而線圈22形成跨越并朝向磁體兩邊(N極和S極)的兩條腿。為使電流可 迭加，線圈扭轉(zhuǎn)180。以使流經(jīng)每條腿的電流可迭加到相反腿的電流中。該扭轉(zhuǎn)應(yīng)當(dāng)定位在 通道的底部或頭部(在磁體的頂端)，以便不干擾感應(yīng)電流。 參考圖3，在候選實(shí)施例中，發(fā)電機(jī)114可以包括單個(gè)室，其形成于端部件128和隔 板136之間。類似地，類似于先前實(shí)施例的入口 28a和出口 28b，端部件128包括入口 128a 和出口 128b，其允許室132中的流體進(jìn)出室132。為代替由室40中的壓力所提供的反向力， 發(fā)電機(jī)114包括力發(fā)生組件，如彈簧140，其提供向下的力給隔板136，如圖3所示。
類似地，發(fā)動(dòng)機(jī)114包括一對(duì)傳感器150a和150b，其檢測隔板136的位置，且類似 地與控制器152相耦合，控制器152控制流體流通過閥142從入口 128流入室132和通過閥142從出口流出室132。例如，閥142可以包括三通閥，其傳送流體到室132，例如氣體、 例如來自蒸汽供應(yīng)S的蒸汽，然后從室132通過用于卸載的閥142重新傳送流體。
另外，渦輪機(jī)12可以加上流向標(biāo)250(在圖1中以虛線顯示)，以使渦輪機(jī)12能 夠由風(fēng)力或水力或如下所述的蒸汽所驅(qū)動(dòng)。流向標(biāo)250是廣為人知的，且一般由薄片材料 (例如金屬或者塑料)制成，并且可以可移除的裝配在臂22上，例如通過緊固件裝配?？蛇x 地，流向標(biāo)250 —端逐漸變細(xì)，以使其最大寬度出現(xiàn)在其離軸18最遠(yuǎn)的末梢。進(jìn)一步，流向 標(biāo)相對(duì)于臂22是呈角度的或傾斜的，以使當(dāng)流體，例如空氣、水或蒸汽，流入箱體時(shí)，流向 標(biāo)會(huì)在軸18產(chǎn)生足夠的轉(zhuǎn)矩以引起轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖1所見，箱體16包括通過通道16a的中心 橫斷面，軸18和臂及磁體24安置在通道16a中。以這種方式，當(dāng)定位渦輪機(jī)12以使通道 對(duì)準(zhǔn)風(fēng)或水時(shí)，風(fēng)或水會(huì)在流向標(biāo)上產(chǎn)生力，進(jìn)而其會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸18。在渦輪機(jī)12與發(fā)動(dòng)機(jī)14 相耦合時(shí)，可選地，軸18包括離合器，以便當(dāng)風(fēng)力或水存在時(shí)，渦輪機(jī)能夠從聯(lián)軸器解耦。
可選地，可以在渦輪機(jī)的軸18上裝配手柄，以便渦輪機(jī)可以手動(dòng)驅(qū)動(dòng)。再一次地， 軸18可以包括離合器，以便發(fā)動(dòng)機(jī)可以從軸上解耦。可選擇地，聯(lián)軸器可以提供快速斷開 機(jī)制，以便發(fā)動(dòng)機(jī)可以手工分離。 進(jìn)一步，正如上面所提到的那樣，渦輪流向標(biāo)250可以由蒸汽提供動(dòng)力。再次參考 圖1 ，系統(tǒng)10可以加上第二蒸汽發(fā)生器70，其由末端開口的容器72構(gòu)成，但容器72包括蓋 子74，蓋子74至少部分地關(guān)閉開口末端。例如，蓋子74可以緊緊地裝在開口端但僅由容器 72的頂部支撐。 容器72裝著水，其通過燃燒各種氣體、液體和/或固體燃料加熱。為引導(dǎo)流出容 器72的蒸汽，容器72包括一個(gè)或更多管狀物76，該管狀物與容器的室有流體交流，以便引 導(dǎo)蒸汽，在室中產(chǎn)生的蒸汽通過該管狀物末梢的開口端流出容器。例如，該管狀物可以有 0. 125英寸或更大范圍內(nèi)的外部直徑。如果水沸騰，高流蒸汽噴射從管狀物(76)的開口端 或節(jié)流孔發(fā)出。然后，管狀物76可以導(dǎo)向渦輪發(fā)電機(jī)的流向標(biāo)250。理想地，管狀物被聚集 在一個(gè)或更多流向標(biāo)上；從而，當(dāng)風(fēng)不吹時(shí)，這樣的開水系統(tǒng)能夠有效地運(yùn)轉(zhuǎn)渦輪機(jī)從而發(fā) 電，這樣做也是為了保持系統(tǒng)的低成本，。然后，擊中流向標(biāo)的蒸汽會(huì)凝結(jié)，并作為可飲用水 收集在底部容器托盤(未示出)里。蒸汽壓力可以通過簡單的增加容器蓋子上的重量來提 高，從而提高蒸汽流速而仍然保持安全和低成本。 參考圖4，數(shù)字310通常表示本發(fā)明的渦輪機(jī)的另一實(shí)施例。在所述實(shí)施例中，渦 輪機(jī)310配置為風(fēng)力渦輪機(jī)，包括框架312，其裝配在基座314上，而且，可選地，可旋轉(zhuǎn)地通 過樞軸或桿316裝配在基座314上。框架312包括外部圓周部件318和支撐組件320，其由 圓周部件318支撐并為渦輪葉片組件322提供裝配平面。以與渦輪機(jī)12類似的方式，渦輪 機(jī)310包括多個(gè)磁體324，其裝配在渦輪葉片組件322的各個(gè)葉片326的遠(yuǎn)端。正如下面將 要更加全面地描述的那樣，磁體324安放在與定子線圈組件相對(duì)接近的位置，以使當(dāng)渦輪 葉片組件322繞其旋轉(zhuǎn)軸322a轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，磁體324將在定子線圈組件的線圈內(nèi)感應(yīng)電流。
正如上面所提到的，框架312可以可旋轉(zhuǎn)地裝配在基座314上，例如，繞其旋轉(zhuǎn)軸 316a?？蛇x地，風(fēng)向標(biāo)328裝配在框架312上，其可用于自動(dòng)地將框架312和渦輪葉片322 指向來風(fēng)的點(diǎn)，從而最大化對(duì)風(fēng)能的利用。 在所述實(shí)施例中，支撐組件320包括一對(duì)間隔布置的十字支撐組件330a和330b。 十字支撐組件330a和330b裝配在圓周框架部件318的兩面，進(jìn)一步的，每個(gè)包括中心部分332，其輻射狀臂334從該中心部分332伸出，且渦輪葉片322通過樞軸336裝配在兩個(gè)中 心部分332之間。樞軸336裝配在支撐組件320的各個(gè)中心部分332所提供的相應(yīng)的軸承 338上且從中伸出，并由此可旋轉(zhuǎn)地在框架312中裝配渦輪葉片組件322。
在所述實(shí)施例中，渦輪葉片組件包括六個(gè)葉片326，其繞中心軸322a均勻間隔安 置，且進(jìn)一步，如此前所提到的，具有裝配在其各個(gè)遠(yuǎn)端的磁體324。應(yīng)當(dāng)理解，葉片和磁體 的數(shù)目可以改變。進(jìn)一步，葉片可以設(shè)計(jì)為空氣動(dòng)力學(xué)外形，以便優(yōu)化從風(fēng)到旋轉(zhuǎn)渦輪葉片 系統(tǒng)的能量裝換。例如，該優(yōu)化的空氣動(dòng)力學(xué)葉片外形可以利用葉片終端的逐漸變細(xì)來減 小高速時(shí)風(fēng)的切變和葉片偏斜。雖然適用的葉片包括市場上可買到的葉片，其常用于常規(guī) 渦輪機(jī)，可選擇的，葉片是具有5。到10°之間的風(fēng)攻角的矩形條，其可以提供低速下更有 效率的運(yùn)轉(zhuǎn)，且進(jìn)一步，能夠以比常規(guī)葉片更低的價(jià)格制成。應(yīng)當(dāng)理解，葉片設(shè)計(jì)選擇及攻 角可以隨給定的渦輪機(jī)尺寸和風(fēng)速工況而改變。進(jìn)一步，依據(jù)風(fēng)況和重量考慮，可以設(shè)置 軸，以提供對(duì)風(fēng)的最小阻力，且能夠制成空氣動(dòng)力學(xué)截面外形，包括圓形橫截面。盡管作為 風(fēng)力渦輪機(jī)描述，渦輪機(jī)310可以包括水力渦輪機(jī)，從而運(yùn)動(dòng)的水可用于引起渦輪葉片組 件繞其旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)。 定位磁體324，以使其伸入到圓周框架部件318中，與定子線圈組件對(duì)齊，定子線 圈組件安裝在圓周框架部件318中，其將參考圖7-10B更加全面的描述。以這種方式，當(dāng)軸 繞其軸322a旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁體會(huì)相對(duì)于定子線圈組件傳輸，并因此在定子線圈組件的線圈里感 應(yīng)電流。 參考圖5和圖6，數(shù)字410通常表示本發(fā)明的渦輪機(jī)的又一實(shí)施例。類似地，渦輪 機(jī)410包括框架412和基座414，框架以及渦輪葉片組件422裝配在基座上，渦輪葉片組件 422可旋轉(zhuǎn)地繞中心旋轉(zhuǎn)軸422a裝配(圖6)。類似地，框架412包括圓周框架部件418和 支撐組件420，支撐組件420為渦輪葉片組件422提供裝配平面，類似于支撐組件320。
在所述實(shí)施例中，磁體424裝配在橫向桿425上，桿425由渦輪葉片組件422的中 心軸422a支撐。以這種方式，桿425獨(dú)立于渦輪葉片426，但與憑借軸422a旋轉(zhuǎn)的各個(gè)葉 片協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)動(dòng)。再次，盡管描述為六個(gè)葉片，但應(yīng)當(dāng)理解，渦輪葉片組件422可以包括3、4、5或 6個(gè)葉片或者更多個(gè)葉片。進(jìn)一步，多于一個(gè)的桿和磁體組可以用來使渦輪機(jī)中的磁體數(shù)目 加倍、成三倍或四倍。隨著磁體數(shù)目的增加，旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的重量增加。結(jié)果，隨著磁體數(shù)目的 增加，渦輪機(jī)能夠開始發(fā)電的風(fēng)速降低。進(jìn)一步，通過將磁體放置在獨(dú)立的桿的一端，允許 渦輪葉片在高風(fēng)速下偏轉(zhuǎn)而不影響磁體在定子箱體中的準(zhǔn)確度和放置，這可以簡化操作且 擴(kuò)展發(fā)電性能的選擇。磁體也可以放在各個(gè)渦輪葉片的遠(yuǎn)端或尖端，正如前面所提到的那 樣。在較小的渦輪機(jī)中，磁體位置對(duì)渦輪機(jī)的性能有較小的影響；而在較大的渦輪機(jī)中，與 葉片無關(guān)的磁體位置可以提供如上所提到的附加好處。 參考圖5，葉片和磁棒通過中心片或中心盤裝配在軸上，中心片或中心盤可選地包 括可以用鋼制成的低質(zhì)量的盤，盡管也可以用塑料。從而，該盤通過焊接或類似手段剛性地 固連在旋轉(zhuǎn)軸上，可選地，其由密封軸承中各個(gè)支撐組件420支撐并裝配在其上，例如密封 的球軸承。 與前面的實(shí)施例類似，定子線圈組件450和定子線圈組件箱體440定位在圓周框 架組件418中，定子線圈組件箱體440包括一般為環(huán)形的通道型部件，其可以繞整個(gè)圓周框 架部件418(或318)的圓周或者只是繞圓周框架組件的部分延伸。參考圖7，定子線圈組件箱體440具有一般為通道型的橫截面440a，且形成具有開放邊440b的圍繞，磁體424 (或 324)在其中延伸。箱體440由無磁材料制成，例如塑料。相對(duì)的定子箱體邊壁440b和440c 之間的內(nèi)部間隔的尺寸被確定，以使間隙440d最小化，且在定子箱體的各個(gè)邊壁440b、 440c和各個(gè)磁體424(324)之間提供例如空氣間隙，以減小由旋轉(zhuǎn)磁體引起的磁通衰減。
定子線圈組件450裝配在定子線圈組件箱體440，其包括多個(gè)由導(dǎo)線(例如銅線 或鋁線)制成的線圈。例如，線圈可以由規(guī)格在大約十到二十六的范圍內(nèi)的雙回路銅線制 成，其附著在箱體440的外面。銅線規(guī)格能夠依據(jù)渦輪機(jī)的尺寸和功率輸出設(shè)計(jì)要求進(jìn)行 改變。 參考圖8A-圖8C，如前面所提到的那樣，線圈由導(dǎo)線制成，其以一種增加發(fā)電效率 的方式繞組，這將在下面更全面的描述?？梢岳斫猓?dāng)使用兩個(gè)磁體時(shí)，需要使用覆蓋稍大 于半個(gè)渦輪周期的定子線圈，以產(chǎn)生連續(xù)的電信號(hào)。如果所使用的磁體軸具有四個(gè)磁體，那 么需要使用大約覆蓋四分之一渦輪周期的定子線圈，以產(chǎn)生連續(xù)的電信號(hào)。因此，每個(gè)線圈 的整流器能夠用來從每個(gè)單獨(dú)的線圈局部地產(chǎn)生直流(DC)信號(hào)。如果沒有使用整流器，則 產(chǎn)生交流(AC)。如果需要，交流可以在以后進(jìn)行整流。之后，電輸出能夠轉(zhuǎn)換為用于為小 型12伏特DC汽車電池充電的標(biāo)準(zhǔn)12伏特DC，或用于直接使用的120伏特交流標(biāo)準(zhǔn)輸出 電壓。定子線圈可以分區(qū)裝配，以產(chǎn)生連續(xù)電信號(hào)輸出，和/或能夠?yàn)榱烁吣芰啃识?蓋整個(gè)渦輪?？梢允褂勉~或鋁或者其它更好的導(dǎo)電線圈線。與前面的實(shí)施例類似，渦輪機(jī) 410可以可旋轉(zhuǎn)地裝配在基座上或者可以裝配在固定空間內(nèi)，該可旋轉(zhuǎn)的裝配允許渦輪機(jī) 移動(dòng)，以將渦輪機(jī)向來風(fēng)定向。 如前面提到的，且如圖8A-圖8C所見，可以布置銅線460以形成第一回路462a， 該線在跨接點(diǎn)或跨接區(qū)464向回跨接以形成第二回路462b。然后，該線向回跨接以形成第 三回路462c，然后再向回形成第四回路462d，如箭頭所示。重復(fù)這一進(jìn)程以形成更多回路 (例如數(shù)百個(gè)回路)，并由此形成線圈。依照線的規(guī)格和所需發(fā)電量，這一進(jìn)程將重復(fù)直到 線的圈數(shù)或回路數(shù)足夠多，例如，數(shù)百個(gè)回路。進(jìn)一步，如前面提到的那樣，整流器466可以 包括在線圈電路中。例如，每組回路或線圈可以在整流器466處終止。單個(gè)線圈可以在每 個(gè)整流器的正向和反向輸出端連接其它線圈。從而，為了更高的發(fā)電效率，線圈能夠物理迭
加。 一旦形成不同的線圈462a、462b、462c、462d.......，其就在定子箱體上定位，以使一
組嵌套回路465a靠近箱體的一邊定位(例如靠近箱體邊壁440b)，而另一組嵌套回路465b 靠近箱體的另一邊定位(例如靠近箱體邊壁440c)。然后，跨接點(diǎn)或跨接區(qū)464定位在箱體 440的端壁440e。以這種方式，兩組嵌套回路通過箱體與磁體分離且橫跨磁體。 一些線圈 可以在定子箱體的給定區(qū)域分別連接，且進(jìn)一步，沒有整流器。進(jìn)一步，直流電壓可用于這 些線圈，以產(chǎn)生脈沖功率，用來輔助渦輪葉片初始運(yùn)動(dòng)，以克服靜摩擦，其可以自動(dòng)地或使 用手動(dòng)按鈕執(zhí)行。 參考圖9、圖IOA和圖10B，在可選實(shí)施例中，定子線圈組件550可以由兩個(gè)線圈 562、564形成。線圈562、564的每一個(gè)由導(dǎo)線560 (例如銅或鋁)形成，該導(dǎo)線560分別如 圖IOA和圖10B中所示的方式繞組。然后，線圈同相連接，例如，當(dāng)磁體經(jīng)過線圈附近時(shí)，感 應(yīng)電壓信號(hào)是最大化的，而不是最小化的或者相抵消的。進(jìn)一步，整流器566可以加到每個(gè) 雙線圈組件中。 以這種方式，當(dāng)磁體經(jīng)過各個(gè)定子線圈組件時(shí)，由運(yùn)動(dòng)磁體引起的磁通感應(yīng)流經(jīng)
10各個(gè)線圈的電流。進(jìn)一步，通過定位線圈在定子箱體的兩邊，并且以使其電流相加的方式連 接線圈，本發(fā)明的渦輪機(jī)可以提供比常規(guī)渦輪機(jī)的軸的給定轉(zhuǎn)動(dòng)提高了的電力輸出。而且， 與此前已知的，而不是磁體和線圈繞渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)軸裝配的常規(guī)渦輪機(jī)相比較，該渦輪機(jī)可 以在較低風(fēng)速或較小水流下發(fā)電。 雖然本發(fā)明的幾種形式已得到展示與說明，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，現(xiàn)在顯然有 其它形式。例如，隔板36或136可以用多個(gè)導(dǎo)向物支撐，例如導(dǎo)軌或?qū)U或類似物。應(yīng)當(dāng)理 解，附圖和上述說明中所示的實(shí)施例僅僅用于說明的目的，并沒有限制本發(fā)明范圍的意圖， 本發(fā)明的范圍由隨附的權(quán)利要求限定，隨附的權(quán)利要求將在包括等同原則的專利法的原則 下進(jìn)行解釋。
權(quán)利要求
本發(fā)明的實(shí)施例，所要求的專有財(cái)產(chǎn)權(quán)或特權(quán)包含于其中，限定如下1、一種容積式發(fā)動(dòng)機(jī)，包括第一部件，其定義一個(gè)室，且具有入口和出口，所述入口和出口與所述室選擇性地流體連通；可擴(kuò)展壁，其從所述第一部件伸出；隔板，其與和所述第一部件間隔放置的所述可擴(kuò)展壁相耦合，所述隔板可從所述第一部件移開，以作為對(duì)所述室中壓力的響應(yīng)；力發(fā)生器，其產(chǎn)生力，以促使所述隔板向所述第一部件移動(dòng)，來增加所述第一室中的壓力；和控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)控制流體流動(dòng)通過所述入口和出口進(jìn)出所述室，以作為對(duì)所述隔板位置的響應(yīng)，所述控制系統(tǒng)由此控制隔板的移動(dòng)。2、依照權(quán)利要求1的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述力發(fā)生器包括第二部件和第二可擴(kuò)展壁，所述第二部件和所述第二可擴(kuò)展壁定義第二室，所述隔板與所述第二可擴(kuò)展壁相耦合，所述第二部件具有入口和出口，且所述控制系統(tǒng)控制流體流動(dòng)通過所述第二部件的所述入口和出口進(jìn)出所述第二室，以作為對(duì)隔板移動(dòng)的響應(yīng)。3、依照權(quán)利要求2的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述可擴(kuò)展壁包括波紋管。4、依照權(quán)利要求3的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述波紋管包括橡膠波紋管。5、依照權(quán)利要求1的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述控制系統(tǒng)包括一對(duì)傳感器，用于檢測所述隔板的位置。6、依照權(quán)利要求5的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述隔板包括磁體，用于產(chǎn)生磁場，所述傳感器檢測所述磁場，以檢測所述隔板的位置。7、依照權(quán)利要求2的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述第二部件包括耦合器，用于與渦輪機(jī)相耦合，所述耦合器與所述隔板一起在直線形路徑中移動(dòng)。8、依照權(quán)利要求7的發(fā)動(dòng)機(jī)，還包括渦輪機(jī)，所述渦輪機(jī)具有轉(zhuǎn)動(dòng)軸，且所述耦合器與所述轉(zhuǎn)動(dòng)軸相耦合。9、一種發(fā)電渦輪機(jī)，包括轉(zhuǎn)動(dòng)軸，其具有旋轉(zhuǎn)軸；磁體，其由所述轉(zhuǎn)動(dòng)軸支撐且自所述轉(zhuǎn)動(dòng)軸向外間隔放置；和導(dǎo)電線圈，所述線圈位于自所述磁體向外的位置，其中所述線圈圍繞所述磁體與所述軸，且所述線圈充分接近所述磁體，以使所述磁體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)在所述線圈中感應(yīng)電流。10、依照權(quán)利要求9的渦輪機(jī)，其中所述磁體通過臂裝配在所述軸上。11、依照權(quán)利要求10的渦輪機(jī)，還包括風(fēng)向標(biāo)。12、依照權(quán)利要求10的渦輪機(jī)，與發(fā)動(dòng)機(jī)相結(jié)合，所述發(fā)動(dòng)機(jī)與所述軸相耦合，以轉(zhuǎn)動(dòng)所述軸。13、依照權(quán)利要求9的渦輪機(jī)，還包括多個(gè)裝配在所述軸上的渦輪葉片。14、依照權(quán)利要求13的渦輪機(jī)，其中所述磁體裝配在所述渦輪葉片的一片上。15、依照權(quán)利要求14的渦輪機(jī)，其中每個(gè)所述渦輪葉片具有遠(yuǎn)端，所述磁體裝配在所述渦輪葉片的所述一片的所述遠(yuǎn)端上。16、依照權(quán)利要求9的渦輪機(jī)，還包括多個(gè)磁體。17、依照權(quán)利要求13的渦輪機(jī)，還包括桿，所述桿裝配在所述軸上，并自所述軸向外延伸，所述磁體裝配在所述桿上。18、依照權(quán)利要求17的渦輪機(jī)，其中所述桿包括兩個(gè)末端，所述末端從所屬軸徑向向外地間隔放置，且所述磁體包括一對(duì)磁體，每個(gè)所述磁體裝配在所述桿的各個(gè)末端。19、一種發(fā)電方法，所述方法包括相對(duì)于可轉(zhuǎn)動(dòng)軸，離開其中心裝配磁體；以一個(gè)軸角速度轉(zhuǎn)動(dòng)該軸，其中該軸的旋轉(zhuǎn)包括磁體的旋轉(zhuǎn)，其在旋轉(zhuǎn)路徑中以比該軸角速度大的角速度旋轉(zhuǎn)；和圍繞旋轉(zhuǎn)著的磁體的路徑定位導(dǎo)線線圈，當(dāng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由此在線圈中感應(yīng)電流。20、依照權(quán)利要求19的方法，進(jìn)一步包括在軸上裝配渦輪葉片，且引導(dǎo)流體流穿過渦輪葉片，由此轉(zhuǎn)動(dòng)該軸。21、依照權(quán)利要求20的方法，其中所述離開中心裝配包括將磁體裝配在渦輪葉片上。22、依照權(quán)利要求20的方法，其中裝配磁體在渦輪葉片上包括將磁體裝配在渦輪葉片的末端。
2、 依照權(quán)利要求1的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述力發(fā)生器包括第二部件和第二可擴(kuò)展壁，所述第二部件和所述第二可擴(kuò)展壁定義第二室，所述隔板與所述第二可擴(kuò)展壁相耦合，所述第二部件具有入口和出口 ，且所述控制系統(tǒng)控制流體流動(dòng)通過所述第二部件的所述入口和出口進(jìn)出所述第二室，以作為對(duì)隔板移動(dòng)的響應(yīng)。
3、 依照權(quán)利要求2的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述可擴(kuò)展壁包括波紋管。
4、 依照權(quán)利要求3的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述波紋管包括橡膠波紋管。
5、 依照權(quán)利要求1的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述控制系統(tǒng)包括一對(duì)傳感器，用于檢測所述隔板的位置。
6、 依照權(quán)利要求5的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述隔板包括磁體，用于產(chǎn)生磁場，所述傳感器檢測所述磁場，以檢測所述隔板的位置。
7、 依照權(quán)利要求2的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述第二部件包括耦合器，用于與渦輪機(jī)相耦合，所述耦合器與所述隔板一起在直線形路徑中移動(dòng)。
8、 依照權(quán)利要求7的發(fā)動(dòng)機(jī)，還包括渦輪機(jī)，所述渦輪機(jī)具有轉(zhuǎn)動(dòng)軸，且所述耦合器與所述轉(zhuǎn)動(dòng)軸相耦合。
9、 一種發(fā)電渦輪機(jī)，包括轉(zhuǎn)動(dòng)軸，其具有旋轉(zhuǎn)軸；磁體，其由所述轉(zhuǎn)動(dòng)軸支撐且自所述轉(zhuǎn)動(dòng)軸向外間隔放置；禾口導(dǎo)電線圈，所述線圈位于自所述磁體向外的位置，其中所述線圈圍繞所述磁體與所述軸，且所述線圈充分接近所述磁體，以使所述磁體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)在所述線圈中感應(yīng)電流。
10、 依照權(quán)利要求9的渦輪機(jī)，其中所述磁體通過臂裝配在所述軸上。
11、 依照權(quán)利要求10的渦輪機(jī)，還包括風(fēng)向標(biāo)。
12、 依照權(quán)利要求10的渦輪機(jī)，與發(fā)動(dòng)機(jī)相結(jié)合，所述發(fā)動(dòng)機(jī)與所述軸相耦合，以轉(zhuǎn)動(dòng)所述軸。
13、 依照權(quán)利要求9的渦輪機(jī)，還包括多個(gè)裝配在所述軸上的渦輪葉片。
14、 依照權(quán)利要求13的渦輪機(jī)，其中所述磁體裝配在所述渦輪葉片的一片上。
15、 依照權(quán)利要求14的渦輪機(jī)，其中每個(gè)所述渦輪葉片具有遠(yuǎn)端，所述磁體裝配在所述渦輪葉片的所述一片的所述遠(yuǎn)端上。
16、 依照權(quán)利要求9的渦輪機(jī)，還包括多個(gè)磁體。
17、 依照權(quán)利要求13的渦輪機(jī)，還包括桿，所述桿裝配在所述軸上，并自所述軸向外延伸，所述磁體裝配在所述桿上。
18、 依照權(quán)利要求17的渦輪機(jī)，其中所述桿包括兩個(gè)末端，所述末端從所屬軸徑向向外地間隔放置，且所述磁體包括一對(duì)磁體，每個(gè)所述磁體裝配在所述桿的各個(gè)末端。
19、 一種發(fā)電方法，所述方法包括相對(duì)于可轉(zhuǎn)動(dòng)軸，離開其中心裝配磁體；以一個(gè)軸角速度轉(zhuǎn)動(dòng)該軸，其中該軸的旋轉(zhuǎn)包括磁體的旋轉(zhuǎn)，其在旋轉(zhuǎn)路徑中以比該軸角速度大的角速度旋轉(zhuǎn)；禾口圍繞旋轉(zhuǎn)著的磁體的路徑定位導(dǎo)線線圈，當(dāng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由此在線圈中感應(yīng)電流。
20、 依照權(quán)利要求19的方法，進(jìn)一步包括在軸上裝配渦輪葉片，且引導(dǎo)流體流穿過渦輪葉片，由此轉(zhuǎn)動(dòng)該軸。
21、 依照權(quán)利要求20的方法，其中所述離開中心裝配包括將磁體裝配在渦輪葉片上。
22、 依照權(quán)利要求20的方法，其中裝配磁體在渦輪葉片上包括將磁體裝配在渦輪葉片的末端。
全文摘要
一種發(fā)電渦輪機(jī)，包括旋轉(zhuǎn)軸、磁體和導(dǎo)電線圈，所述旋轉(zhuǎn)軸帶有轉(zhuǎn)動(dòng)軸，所述磁體由旋轉(zhuǎn)軸支撐并且自旋轉(zhuǎn)軸向外間隔排列。所述線圈自磁體向外放置并且圍繞磁體和軸，但是離磁體足夠近使得所述磁體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)引起該線圈中電流。
文檔編號(hào)F03D1/06GK101730795SQ200880020368
公開日2010年6月9日 申請(qǐng)日期2008年6月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月15日
發(fā)明者伊馬德·馬哈威利 申請(qǐng)人:易-奈特公司