專利名稱：多磁變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的背景本發(fā)明的領(lǐng)域本發(fā)明涉及動(dòng)態(tài)磁系統(tǒng)，更具體地說(shuō)，涉及在其中應(yīng)用磁體的線性運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電能的系統(tǒng)。
相關(guān)技術(shù)的敘述穿過(guò)一個(gè)導(dǎo)電線圈移動(dòng)一個(gè)磁體將在線圈中感應(yīng)出電流。如果磁體來(lái)回作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，則對(duì)于每一次相繼的往復(fù)，線圈中的電流方向?qū)l(fā)生倒轉(zhuǎn)，于是就產(chǎn)生了AC電流。
已經(jīng)發(fā)明了幾種利用穿過(guò)一個(gè)或多個(gè)線圈的往復(fù)的磁體運(yùn)動(dòng)的發(fā)電系統(tǒng)。例如，在專利5347185號(hào)的各個(gè)實(shí)施例中，定位一個(gè)，兩個(gè)或三個(gè)稀土磁體相對(duì)于一個(gè)或多個(gè)線圈作線性來(lái)回運(yùn)動(dòng)。磁體可以固定而線圈如由于波浪作用相對(duì)于磁體上下運(yùn)動(dòng)，線圈可以固定而磁體如由于氣體壓力相對(duì)于線圈運(yùn)動(dòng)，或線圈外殼可由于由一個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的攜帶而被搖動(dòng)或振動(dòng)，所有這一切都引起了在線圈中運(yùn)動(dòng)的磁體的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在一個(gè)實(shí)施例中，四個(gè)磁體被設(shè)置成相繼在兩極方向上位置相對(duì)，兩個(gè)端磁體被固定而中間兩個(gè)磁體活動(dòng)以沿一個(gè)管的各個(gè)部分來(lái)回運(yùn)動(dòng)。兩個(gè)中間磁體由一個(gè)中間線圈的載體互相分離，該載體大約有任何一個(gè)中間磁體的兩倍的寬度。
在專利5818132號(hào)中，一個(gè)實(shí)施例揭示了三個(gè)以兩極互相面對(duì)的方向懸掛在一個(gè)垂直管中的運(yùn)動(dòng)的磁體和一對(duì)端磁體，沿管的外側(cè)相隔多個(gè)線圈。為了最大程度地減小運(yùn)動(dòng)的磁體和管之間的摩擦，管的取向?yàn)榇怪钡奈恢貌⑸舷逻\(yùn)動(dòng)以使磁體相對(duì)于線圈運(yùn)動(dòng)，因此在線圈中產(chǎn)生電流。但是，垂直的取向和磁體的運(yùn)動(dòng)發(fā)生干擾，磁體必須克服重力相對(duì)于管運(yùn)動(dòng)。管運(yùn)動(dòng)到磁體運(yùn)動(dòng)的耦合以及相應(yīng)的電能的輸出因此而減小。
本發(fā)明的概述本發(fā)明提供了一種動(dòng)態(tài)多磁體系統(tǒng)，該系統(tǒng)能提高磁體的支撐結(jié)構(gòu)和給予磁體本身的運(yùn)動(dòng)之間的耦合。這使支撐結(jié)構(gòu)的取向符合磁體在主要為水平方向上的運(yùn)動(dòng)，因此大大提高了裝置對(duì)所施加的運(yùn)動(dòng)的靈敏性。
這些改進(jìn)通過(guò)在多個(gè)磁體和一個(gè)支撐結(jié)構(gòu)之間設(shè)置額外的低摩擦支承而實(shí)現(xiàn)，這些磁體被設(shè)置成在兩極方向上互相面對(duì)。磁體從水平靜止位置位移的臨界角小于1度，并可以做到小于10分。該支承最好是一種鐵磁流體，該鐵磁流體建立了磁體和封裝外殼之間小于約0.02的靜摩擦系數(shù)。鐵磁流體最好有小于10厘泊的粘度，并且在一個(gè)實(shí)施例中還包括一種混合異鏈烷烴酸的輕礦物油介質(zhì)。
多磁體具有使其能主動(dòng)響應(yīng)所施加的支撐結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的眾多不同類型的多振蕩模式，而不是和單磁體系統(tǒng)相關(guān)的單振蕩模式。這樣，能響應(yīng)隨機(jī)和或半隨機(jī)的運(yùn)動(dòng)發(fā)電，即使該運(yùn)動(dòng)很平緩?？梢允褂门紨?shù)的沿公共軸線運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)磁體，相繼的磁體僅由其相對(duì)的磁極性而保持分離。
動(dòng)態(tài)的磁系統(tǒng)可以用來(lái)通過(guò)向設(shè)備實(shí)時(shí)供電或向設(shè)備的相關(guān)電池充電而驅(qū)動(dòng)多個(gè)操作系統(tǒng)，諸如閃光燈，蜂窩電話，環(huán)境傳感器和警急發(fā)射機(jī)。
本發(fā)明進(jìn)一步致力于相對(duì)于具有圓形軸線的支撐結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的一個(gè)或多個(gè)磁體的應(yīng)用。這些磁體響應(yīng)支撐結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)以兩極相對(duì)的取向沿該軸線運(yùn)動(dòng)。當(dāng)處在一個(gè)浮在水面上的波浪供電的設(shè)備或懸掛在空中的風(fēng)力供電的設(shè)備中時(shí)，主要為水平的取向可得到高靈敏度。
通過(guò)下文參考附圖進(jìn)行的詳盡敘述，在本技術(shù)領(lǐng)域熟練的人員將能清楚地理解本發(fā)明的這些及其他的特征和優(yōu)點(diǎn)。
附圖的簡(jiǎn)短敘述

圖1，2和3是分別說(shuō)明本發(fā)明對(duì)環(huán)境傳感器，警急發(fā)射機(jī)和閃光燈應(yīng)用的示意圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明供電的蜂窩電話的局部剖視平面圖；圖5和6分別是相應(yīng)波浪和空氣運(yùn)動(dòng)的根據(jù)本發(fā)明的發(fā)電機(jī)的簡(jiǎn)化的透視圖；圖7a和7b分別為異相和同相激勵(lì)的單磁體系統(tǒng)中磁體速度相對(duì)時(shí)間的計(jì)算曲線圖；圖8a和8b分別為單磁體和雙磁體系統(tǒng)的作為時(shí)間的函數(shù)的磁體速度的計(jì)算曲線圖；和圖9a和9b分別為從單磁體和雙磁體系統(tǒng)產(chǎn)生的電壓輸出的測(cè)量曲線圖。
本發(fā)明的詳盡敘述本發(fā)明提供了比先有技術(shù)在振蕩磁體系統(tǒng)中可提供的技術(shù)更有效的和更靈活的發(fā)電技術(shù)。電能夠通過(guò)磁體支撐結(jié)構(gòu)離開水平平面的很輕微的運(yùn)動(dòng)和/或在水平平面中的運(yùn)動(dòng)有效地產(chǎn)生。例如，當(dāng)磁體的支撐結(jié)構(gòu)被握在使用者的手中或在上衣的口袋中時(shí)，行走的運(yùn)動(dòng)或其他諸如轉(zhuǎn)彎，輕跳，鞠躬，或甚至騎乘的正常運(yùn)動(dòng)都成為一種經(jīng)受振動(dòng)的載體，并能容易地發(fā)出有用的電量，而由波浪或風(fēng)的作用引起的輕微的離開水平的運(yùn)動(dòng)也能被用來(lái)發(fā)電?？梢韵胂髱缀跏菬o(wú)限數(shù)量的促動(dòng)源，包括安裝在汽車上或機(jī)器上。
本發(fā)明利用了相對(duì)于一個(gè)公共支撐結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的多個(gè)磁體。并不限于5818132號(hào)專利的多磁體系統(tǒng)要求的三磁體，而可以利用幾乎是任何數(shù)量的磁體，包括偶數(shù)。實(shí)際上，雙磁體系統(tǒng)比三磁體系統(tǒng)更有效，因?yàn)樵陔p磁體系統(tǒng)中為磁體運(yùn)動(dòng)留下更多的空間。5818132號(hào)專利的多磁體系統(tǒng)垂直取向的要求也取消了，允許磁體對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)要靈敏得多的水平運(yùn)動(dòng)。
圖1說(shuō)明了本發(fā)明對(duì)環(huán)境傳感器的應(yīng)用。在該實(shí)施例中，兩個(gè)運(yùn)動(dòng)磁體2和4沿采取管形非磁封裝外殼6形式的支撐結(jié)構(gòu)的軸線運(yùn)動(dòng)。磁體互相兩極相對(duì)，其面對(duì)端為相同的磁極性。這樣，當(dāng)磁體互相接近時(shí)，磁體互相排斥。另外的固定磁體8和10定位于封裝外殼的相對(duì)兩端，和其各自最近的運(yùn)動(dòng)磁體2和4磁極相對(duì)?；ハ嗝鎸?duì)的運(yùn)動(dòng)磁體和端面磁體的兩端也是相同的磁極性。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于和封裝外殼的輕微碰撞或輕微離開水平的封裝外殼的運(yùn)動(dòng)，如果磁體和封裝外殼之間的摩擦系數(shù)小于0.02，磁體2和4都能沿封裝外殼6滑動(dòng)，但更高的摩擦系數(shù)將不發(fā)生磁體的運(yùn)動(dòng)。為了得到該低水平的摩擦，最好將鐵磁流體支承用作磁體和封裝外殼之間的界面。鐵磁流體是精細(xì)分裂的通常具有約30埃到150埃尺寸范圍的磁體或有磁性微粒的分散體并被分散在液體載體中。磁性微粒通常被覆蓋表面活劑或分散劑。表面活劑保證磁性微粒間的固定不變的距離，克服由范德瓦爾斯l力以及磁相互作用引起的吸引力，同時(shí)也在被覆蓋微粒的外層提供和液體載體以及周圍環(huán)境的化學(xué)品相協(xié)調(diào)的化學(xué)組成。被用作磁性微粒的鐵氧體和三價(jià)氧化鐵向鐵磁流體提供了若干物理和化學(xué)性能，包括飽和磁化強(qiáng)度，粘度，磁穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。
Ferrotec(USA)Corporation of Nashua，New Hampshire提供幾種類型的鐵磁流體。涉及鐵磁流體的制備的專利概述是，而鐵磁流體在滑動(dòng)磁發(fā)電機(jī)中的應(yīng)用在題為“Electrical Generator with Ferrofluid Bearings(具有鐵磁流體的發(fā)電機(jī))”，由申請(qǐng)人Jeffray T.Cheung和Hao Xin在和本發(fā)明同一天申請(qǐng)的共同待批的專利申請(qǐng)10/078724號(hào)中討論，該專利申請(qǐng)也被轉(zhuǎn)讓予本發(fā)明的受讓人Innovative Technology Licensing，LLC。該共同待批的申請(qǐng)的內(nèi)容通過(guò)引用而結(jié)合在本文中。
鐵磁流體和磁體的特征互相相關(guān)。如果磁體有相對(duì)低的磁場(chǎng)，就應(yīng)使用相對(duì)高磁化強(qiáng)度的鐵磁流體。磁體磁場(chǎng)通常取500-4000高斯的范圍，鐵磁流體的磁化強(qiáng)度范圍為50-400高斯。
鐵磁流體的摩擦系數(shù)粗略地相關(guān)于其粘度(用厘泊測(cè)量(cp))，但不是直接相關(guān)。例如，粘度為300cp的鐵磁流體已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)具有約0.015的靜摩擦系數(shù)，來(lái)自Ferrotec(USA)Corporation的EFH1鐵磁流體有6cp數(shù)量級(jí)的粘度和約0.002的靜摩擦系數(shù)，但有5cp粘度的水基鐵磁流體已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)具有約0.01的靜摩擦系數(shù)。對(duì)于某些低粘度組成的更高的摩擦系數(shù)已經(jīng)被歸因于和水基溶劑相關(guān)的表面張力。
用于本發(fā)明的優(yōu)選鐵磁流體具有基本小于5cp的粘度，實(shí)際上小于2cp，并達(dá)到0.0008-0.0012范圍的超低靜摩擦系數(shù)。當(dāng)裝置軸線離開水平傾斜僅約0.07度時(shí)，這樣的摩擦系數(shù)對(duì)于裝置中開始滑動(dòng)的磁體已經(jīng)足夠靈敏。這種以及其他適當(dāng)?shù)蔫F磁流體組成在題為“Mechanical Translator with Ultra Low FrictionFerrofluid Bearings(具有超低摩擦鐵磁流體支承的機(jī)械平移器)”，由申請(qǐng)人Jeffray T.Cheung在和本發(fā)明同一天申請(qǐng)的共同待批的專利申請(qǐng)10/078132系列號(hào)中討論，該共同待批的專利申請(qǐng)也被轉(zhuǎn)讓予本發(fā)明的受讓人InnovativeTechnology Licensing，LLC，該申請(qǐng)的內(nèi)容特此通過(guò)引用而結(jié)合在本文中。該組成包括一份Ferrotec(USA)Corporation的EFH1輕礦物油鐵磁流體混合兩到四份異鏈烷烴酸，攪動(dòng)24小時(shí)的混合物。異鏈烷烴酸的適當(dāng)?shù)膩?lái)源為來(lái)自Exxon MobilChemical Corp.的Isopar G和Isopar M。
也可以使用未稀釋的EFH1鐵磁流體。未稀釋的EFH1組成有比稀釋的組成更大的重量支承能力，但對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用而言，稀釋該組成仍保持充分的重量支承能力。也可以使用靜摩擦系數(shù)達(dá)約0.02的其他鐵磁流體，諸如Ferrotec(USA)Corporat ion的EMG805型，一種靜摩擦系數(shù)約0.01以及粘度約5cp的水基鐵磁流體，因?yàn)橛?.01的靜摩擦系數(shù)可得到的功率輸出仍能達(dá)到零摩擦系統(tǒng)的75％。當(dāng)前，EMG805組成比EFH1組成貴得多，但負(fù)荷支承能力卻稍低?？傊?，適當(dāng)?shù)蔫F磁流體將產(chǎn)生從水平靜態(tài)位置位移的小于1度的臨界角以開始磁體運(yùn)動(dòng)，用上述混合物，該臨界角可以小于10分。
轉(zhuǎn)回到圖1，在封裝外殼6中的鐵磁流體被自然地吸往磁體2和4的磁極以分別形成圍繞磁體2和4的端磁極的珠12，14和16，18。這提供了超低摩擦的潤(rùn)滑，使磁體相對(duì)于封裝外殼自由地滑動(dòng)。磁體將響應(yīng)封裝外殼離開水平的傾斜、封裝外殼的水平移動(dòng)或更復(fù)雜的合成運(yùn)動(dòng)而滑動(dòng)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)磁體接近其各自的端磁體時(shí)，運(yùn)動(dòng)磁體的動(dòng)能將轉(zhuǎn)化為勢(shì)能，而當(dāng)其被排斥離開端磁體時(shí)，又轉(zhuǎn)化回動(dòng)能。
通常為銅的導(dǎo)電線圈20圍繞封裝外殼的磁體2和4在其端磁體8和10之間的滑動(dòng)路徑中橫越的那部分卷繞。引起磁體滑動(dòng)的封裝外殼的運(yùn)動(dòng)在線圈20中因?yàn)榇帕€切割線圈而產(chǎn)生電流。端磁體8和10的排斥效應(yīng)限制了滑動(dòng)磁體2和4的運(yùn)動(dòng)，但帶有緩沖效應(yīng)，防止運(yùn)動(dòng)磁體撞擊堅(jiān)硬的端磁體。因?yàn)榇排懦饬σ?/d4變化，此處d是兩個(gè)磁體之間的距離，當(dāng)滑動(dòng)磁體接近端磁體時(shí)，排斥力增加得非常迅速。
磁體2和4以及封裝外殼6中的每一個(gè)都最好有大致圓形的截面。各元件的尺寸經(jīng)選擇最好在鐵磁流體珠12，14，16，18和封裝外殼的上壁之間留下間隙，從而防止空氣堆積在滑動(dòng)磁體的一側(cè)而在另一側(cè)形成部分真空，否則這將促進(jìn)或阻礙磁體的運(yùn)動(dòng)。或者，如果希望磁體(及其鐵磁流體珠)占據(jù)封裝外殼的全部?jī)?nèi)截面區(qū)域，則可以在磁體上穿孔以使空氣在其相對(duì)的兩側(cè)之間流動(dòng)。
給予封裝外殼6的運(yùn)動(dòng)使磁體2和4來(lái)回往復(fù)移動(dòng)或振動(dòng)。根據(jù)特定的應(yīng)用，封裝外殼的運(yùn)動(dòng)可以是單軸向的運(yùn)動(dòng)、沿縱軸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)、繞中心軸的樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)或其他更復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)形式。如下文的詳盡敘述，磁體有多種振蕩的模式，使其比單磁體系統(tǒng)的情況更能接受將封裝外殼的不同類型的運(yùn)動(dòng)耦合進(jìn)磁體。這使該系統(tǒng)對(duì)于周期性的封裝外殼的運(yùn)動(dòng)能更有用，對(duì)于封裝外殼的隨機(jī)的或準(zhǔn)隨機(jī)的運(yùn)動(dòng)也一樣。
在圖1顯示的實(shí)施例中，線圈20中由磁體運(yùn)動(dòng)感應(yīng)的電流由橋路22整流并用于為操作系統(tǒng)24供電，該操作系統(tǒng)包括一環(huán)境傳感器26，該傳感器由電池28供電，用于檢測(cè)諸如溫度、壓力、氣體、輻射等的一個(gè)或多個(gè)環(huán)境條件。為了在遠(yuǎn)程位置上建立傳感器，可設(shè)置一個(gè)發(fā)射器30發(fā)射有關(guān)被檢測(cè)條件的信息，該發(fā)射器同樣由電池28供電工作?；蛘?，傳感器26可實(shí)時(shí)工作，直接從線圈20或橋路22的輸出供電而取消電池28。
本發(fā)明有很多應(yīng)用，其中幾種在本文中說(shuō)明。圖2說(shuō)明本發(fā)明的警急發(fā)射器中的應(yīng)用，共有的元件將用與圖1相同的參考數(shù)字標(biāo)示。在該實(shí)施例中，一對(duì)分離的線圈32和34被繞在封裝外殼6的各自的一半上。這比圖1的單線圈的實(shí)施例更有效，因?yàn)閮蓚€(gè)磁體2，4將頻繁地在封裝外殼的相對(duì)的兩半出現(xiàn)并經(jīng)常以相反的方向運(yùn)動(dòng)。對(duì)于圖1的單線圈實(shí)施例，當(dāng)磁體以相反的方向運(yùn)動(dòng)時(shí)在線圈中感應(yīng)相反的電流，這樣將減小全部的電能輸出。另一方面在圖2的實(shí)施例中，兩個(gè)分離線圈的使用使每個(gè)線圈中的電流絕對(duì)值累積而不必考慮兩個(gè)磁體的運(yùn)動(dòng)方向。在圖2中這通過(guò)將線圈32和34連接到各自的全波橋式整流電路36和38實(shí)現(xiàn)，整流電路的輸出分別向電池40和42充電。電池可如圖所示串聯(lián)，如果需要可以并聯(lián)，以向包括警急發(fā)射器44的操作系統(tǒng)供電。
圖3說(shuō)明本發(fā)明被應(yīng)用到手持閃光燈的情況。如上所述的發(fā)電機(jī)46被設(shè)置在閃光燈外殼48內(nèi)，在一端燈泡被置于燈泡觸點(diǎn)52上并通過(guò)一塊透明板54發(fā)光，該透明板可用螺栓卸下以觸及燈泡。如上述的其他實(shí)施例，發(fā)電機(jī)46提供AC輸出，該輸出被橋路56整流，該橋路向在電路中和燈泡觸點(diǎn)52連接的一個(gè)或多個(gè)電池充電。還有，如果需要實(shí)時(shí)閃光燈操作，電池可以省去。
圖4說(shuō)明本發(fā)明在可以被放在使用者上衣口袋內(nèi)的蜂窩電話60中的應(yīng)用；為了簡(jiǎn)化的目的，繞在磁體封裝外殼6上的線圈不再顯示。
磁體封裝外殼6被支撐在蜂窩電話60內(nèi)，因此當(dāng)電話被直立地放在使用者上衣口袋內(nèi)或掛在帶扣上時(shí)，封裝外殼基本取水平的取向。應(yīng)用本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)靈敏度使0.4瓦數(shù)量級(jí)的功率輸出很容易通過(guò)伴隨正常行走的運(yùn)動(dòng)達(dá)到，其中當(dāng)前典型的蜂窩電話只消耗平均約0.2瓦的功率。因此，蜂窩電話等設(shè)備構(gòu)成了本發(fā)明的一個(gè)重要的應(yīng)用。
圖5說(shuō)明由波浪作用操作的一個(gè)發(fā)電機(jī)。對(duì)于警急發(fā)射機(jī)，水下電纜增音站的供電或需要用其他辦法得不到的電源的其他海事應(yīng)用是很有用的。在所說(shuō)明的實(shí)施例中，發(fā)電機(jī)以一種浮在水面62上的浮力圈61的形式設(shè)置。該圈是管狀的，并容納至少一個(gè)，最好多個(gè)運(yùn)動(dòng)磁體，這些磁體中磁體64和66以及部分磁體68可在所顯示的局部剖視圖上看到。如上所述，相鄰的運(yùn)動(dòng)磁體互相磁極相對(duì)，磁體上的鐵磁流體支承提供和管狀封裝外殼的超低摩擦的接觸。圈內(nèi)可設(shè)置相對(duì)大量的運(yùn)動(dòng)磁體并使其自由運(yùn)動(dòng)。利用正常的波浪作用，在很多時(shí)間內(nèi)，大多數(shù)或全部磁體可趨于以相同的方向運(yùn)動(dòng)，這樣可繞該圈設(shè)置一單個(gè)的連續(xù)線圈。但是，如果需要將每個(gè)運(yùn)動(dòng)磁體都主要和一個(gè)單拾取線圈聯(lián)系起來(lái)，使不同磁體相反的運(yùn)動(dòng)方向不從累積的功率輸出中減去，可通過(guò)固定在任何一側(cè)都和運(yùn)動(dòng)磁體磁極相對(duì)的諸如70和72的磁體而如圖5所示將圈的內(nèi)部分段。分離的線圈(未顯示)可圍繞在每個(gè)管段的各自一半上，使不同的磁體少有可能在同一個(gè)線圈中產(chǎn)生相反的電流。和整流電路相聯(lián)合，可設(shè)置電池和操作系統(tǒng)(未顯示)，相關(guān)的設(shè)備由響應(yīng)磁體運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的電信號(hào)操作。在所說(shuō)明的實(shí)施例中，圈被分成四段，每段兩個(gè)磁體。
圖6說(shuō)明了一種和圖5的圈形海事發(fā)電機(jī)相似的風(fēng)動(dòng)力設(shè)備，但是懸掛在空中并由風(fēng)驅(qū)動(dòng)來(lái)發(fā)電。支撐結(jié)構(gòu)74包括一個(gè)在空中懸掛該設(shè)備的懸掛系統(tǒng)76，該設(shè)備在懸掛中能被風(fēng)吹動(dòng)。還可添加風(fēng)向標(biāo)或其他裝飾品以增加發(fā)電機(jī)的迎風(fēng)面并使其對(duì)風(fēng)更靈敏。當(dāng)封裝外殼在風(fēng)的作用下?lián)u擺時(shí)，圈中容納的磁體通過(guò)圈的內(nèi)部運(yùn)動(dòng)以產(chǎn)生電的輸出。
本發(fā)明還有很多其他的用途，包括手提的，便攜的或其他受運(yùn)動(dòng)支配的設(shè)備。例如，一個(gè)本文所述的發(fā)電機(jī)可以安裝在汽車或其他車輛的車軸上以從車輛運(yùn)動(dòng)中捕獲震動(dòng)并用于為埋設(shè)在車胎中的空氣壓力傳感器發(fā)電。壓力信息可被傳遞到駕駛員顯示器以提供低壓力或高壓力情況的警報(bào)。
圖7a和7b說(shuō)明了單磁體系統(tǒng)的一些局限，該圖顯示了單磁體系統(tǒng)對(duì)所施加的分別對(duì)于系統(tǒng)的初始磁體運(yùn)動(dòng)為異相(圖7a)和同相(圖7b)的轉(zhuǎn)化力的經(jīng)計(jì)算的響應(yīng)。該系統(tǒng)被假設(shè)具有1Hz的自然的或諧振的頻率，和封裝外殼內(nèi)的磁體響應(yīng)封裝外殼的單軸運(yùn)動(dòng)感應(yīng)的振蕩頻率相關(guān)。為了這些計(jì)算的目的，假設(shè)一個(gè)帶有無(wú)衰減磁體響應(yīng)的無(wú)摩擦系統(tǒng)。
在圖7a中，假設(shè)磁體處在封裝外殼的中心并沿施加到該封裝外殼的沖力相反的方向(異相)運(yùn)動(dòng)，而在圖7b中，假設(shè)磁體最初處在中心但沿和施加的沖力相同的方向(同相)運(yùn)動(dòng)。曲線顯示磁體響應(yīng)施加到封裝外殼的單平移運(yùn)動(dòng)而前后振蕩時(shí)的計(jì)算的速度。可以發(fā)現(xiàn)，同相試驗(yàn)的峰值速度大致兩倍于異相試驗(yàn)的，對(duì)于同相的情況將產(chǎn)生相應(yīng)更大的電輸出。這些計(jì)算說(shuō)明了一種表征一個(gè)單磁體系統(tǒng)的單模振蕩。該磁體將只有一個(gè)主要的單振蕩模式，帶有對(duì)于其他輸入的顯著減小的響應(yīng)。這樣，當(dāng)系統(tǒng)響應(yīng)諸如由行走運(yùn)動(dòng)或波浪/風(fēng)力作用產(chǎn)生的隨機(jī)的或準(zhǔn)隨機(jī)的輸入，或響應(yīng)對(duì)于最初的磁體運(yùn)動(dòng)為異相的周期性輸入工作時(shí)，其有效的發(fā)電能力受到嚴(yán)重局限。
圖8a和8b說(shuō)明本多磁體系統(tǒng)響應(yīng)自然頻率上非周期性的或?qū)τ谧畛醮朋w運(yùn)動(dòng)為異相的封裝外殼的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生有用的輸出的大得多的能力。圖8a說(shuō)明了帶有1Hz自然頻率的單磁體系統(tǒng)對(duì)于同相脈沖的響應(yīng)，再次假設(shè)磁體及其封裝外殼之間的零摩擦?？梢钥吹剑朋w僅以一個(gè)基本的自然頻率振蕩，以及所說(shuō)明的響應(yīng)是最佳的。減小的磁體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生于單自然頻率以外的頻率上的輸入，以及產(chǎn)生于異相的輸入。
圖8b描繪了諸如圖1或2中顯示的雙磁體系統(tǒng)中的兩個(gè)磁體中的一個(gè)磁體的經(jīng)計(jì)算的響應(yīng)。和單磁體系統(tǒng)相比，雙磁體系統(tǒng)中的每個(gè)磁體都有多種工作模式，如在每個(gè)二分之一周期內(nèi)的幾個(gè)峰值速度指出的那樣。這些振蕩的多模式向車輛提供了將施加的輸入耦合到磁體的運(yùn)動(dòng)中去的方式。對(duì)于變化中的輸入，比單磁體系統(tǒng)單振蕩模式顯著更有可能的是，在任何給定時(shí)間的輸入將處在多磁體系統(tǒng)的多種工作模式中的一種模式或接近于一種模式。這樣，在隨機(jī)的，準(zhǔn)隨機(jī)的或大范圍頻率的情況下，對(duì)于每一次匹配單磁體系統(tǒng)的振蕩模式，向多磁體系統(tǒng)的輸入將匹配一個(gè)或另一個(gè)振蕩模式幾次。結(jié)果是大大增強(qiáng)將輸入的力耦合到磁體的運(yùn)動(dòng)中去。
圖9a和9b比較了具有10Hz自然頻率的單磁體系統(tǒng)和多磁體系統(tǒng)的經(jīng)測(cè)量的電壓輸出。圖9a顯示了單磁體系統(tǒng)在其10Hz諧振頻率下來(lái)回振動(dòng)時(shí)的結(jié)果。一個(gè)總厚度約2.5cm直徑約0.95cm的四磁體組和一個(gè)2000圈的線圈一起使用。峰值電壓輸出稍大于4伏，帶有0.1秒的周期和0.291瓦的功率輸出。因?yàn)槭┘拥椒庋b外殼上的振動(dòng)和系統(tǒng)的自然頻率匹配，這是一個(gè)最好的條件。
圖9b顯示了雙磁體系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果，磁體和圖9a有相同的直徑，但厚度為其一半，還有一個(gè)繞封裝外殼的中心1600圈的單線圈。所產(chǎn)生的峰值電壓也稍大于4伏，但頻率更大，產(chǎn)生0.335瓦的功率輸出。如果圖9a的2000圈的線圈用于圖9b的系統(tǒng)，則產(chǎn)生的功率將更大，因?yàn)樗a(chǎn)生的功率基本和線圈圈數(shù)成比例。使用如圖2的兩個(gè)線圈可進(jìn)一步增加功率輸出，如果輸入對(duì)于最初的磁體運(yùn)動(dòng)不是同相的并且在單磁體的自然頻率上，將使超過(guò)單磁體系統(tǒng)輸出的增加量甚至達(dá)到更大。
這樣，本發(fā)明提供了一種動(dòng)態(tài)的磁體系統(tǒng)，該系統(tǒng)對(duì)比先前的系統(tǒng)大得多的輸入范圍有強(qiáng)烈的響應(yīng)，并能在先前的系統(tǒng)不能適應(yīng)的應(yīng)用中產(chǎn)生有用數(shù)量的電能。雖然本發(fā)明的具體實(shí)施例得到顯示和說(shuō)明，但本技術(shù)領(lǐng)域的熟練的人員將可以實(shí)現(xiàn)多種變化以及做出其他的實(shí)施例。例如，可以比所說(shuō)明的系統(tǒng)應(yīng)用更大數(shù)量的磁體，或可使用不同的比所述的特定組成有更超低摩擦的潤(rùn)滑劑。還有，替代將磁體置于外殼內(nèi)和將線圈繞在外殼的外面，這些元件可以反過(guò)來(lái)，線圈在外殼的里面而環(huán)形的磁體在外面。相應(yīng)地，本發(fā)明將僅根據(jù)附后的權(quán)利要求受到限制。
權(quán)利要求
1.一種動(dòng)態(tài)磁體系統(tǒng)，包括一個(gè)支撐結(jié)構(gòu)，多個(gè)采取磁極相對(duì)的取向以相對(duì)于所述支撐結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的磁體，和所述磁體和所述支撐結(jié)構(gòu)之間提供低摩擦界面的鐵磁流體支承。
2.如權(quán)利要求1所述的動(dòng)態(tài)磁體系統(tǒng)，其特征在于，所述鐵磁流體支承在所述磁體和所述支撐結(jié)構(gòu)之間建立小于約0.02的靜摩擦系數(shù)。
3.如權(quán)利要求2所述的動(dòng)態(tài)磁體系統(tǒng)，其特征在于，所述鐵磁流體具有小于10厘泊的粘度。
4.如權(quán)利要求2所述的動(dòng)態(tài)磁體系統(tǒng)，其特征在于，所述鐵磁流體包括一種混合異鏈烷烴酸的輕礦物油介質(zhì)。
5.如權(quán)利要求1所述的動(dòng)態(tài)磁體系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一個(gè)相對(duì)于所述支撐結(jié)構(gòu)和磁體取向的導(dǎo)體，這樣所述磁體的運(yùn)動(dòng)在所述導(dǎo)體中感應(yīng)電流。
6.如權(quán)利要求5所述的動(dòng)態(tài)磁體系統(tǒng)，其特征在于，所述導(dǎo)體包括至少一個(gè)繞在所述支撐結(jié)構(gòu)上的線圈，所述支撐結(jié)構(gòu)為非導(dǎo)體。
7.如權(quán)利要求5所述的動(dòng)態(tài)磁體系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一個(gè)由所述電流供電的操作系統(tǒng)。
8.如權(quán)利要求1所述的動(dòng)態(tài)磁體系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一對(duì)限制所述運(yùn)動(dòng)磁體的運(yùn)動(dòng)的端磁體，所述端磁體采取和各自最接近的運(yùn)動(dòng)磁體磁極相對(duì)的取向。
9.如權(quán)利要求1所述的動(dòng)態(tài)磁體系統(tǒng)，其特征在于，所述磁體具有相對(duì)于所述支撐結(jié)構(gòu)的多種振蕩模式。
10.如權(quán)利要求1所述的動(dòng)態(tài)磁體系統(tǒng)，其特征在于，所述支撐結(jié)構(gòu)確定了所述磁體的取向，使其在主要為水平的方向上運(yùn)動(dòng)。
11.一種動(dòng)態(tài)磁體系統(tǒng)，包括一個(gè)支撐結(jié)構(gòu)，和多個(gè)采取磁極相對(duì)的取向以相對(duì)于所述支撐結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的磁體，其中所述系統(tǒng)具有所述磁體從水平靜止位置位移的小于1度的臨界角。
12.如權(quán)利要求11所述的動(dòng)態(tài)磁體系統(tǒng)，其特征在于，其中所述臨界角小于10分。
13.如權(quán)利要求11所述的動(dòng)態(tài)磁體系統(tǒng)，其特征在于，所述磁體具有相對(duì)于所述支撐結(jié)構(gòu)的多種振蕩模式。
14.一種能量獲取裝置，包括一個(gè)支撐結(jié)構(gòu)，多個(gè)采取磁極相對(duì)的取向以相對(duì)于所述支撐結(jié)構(gòu)以多種振蕩模式振蕩的磁體，在所述磁體和所述支撐結(jié)構(gòu)之間建立小于0.02的靜摩擦系數(shù)的各自的支承，和一個(gè)相對(duì)于所述支撐結(jié)構(gòu)和磁體取向的導(dǎo)體，這樣所述磁體的響應(yīng)所述支撐結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)的振蕩在所述導(dǎo)體中感應(yīng)電信號(hào)。
15.如權(quán)利要求14所述的能量獲取裝置，其特征在于，所述導(dǎo)體包括至少一個(gè)繞在所述支撐結(jié)構(gòu)上的線圈，所述支撐結(jié)構(gòu)為非導(dǎo)體。
16.如權(quán)利要求14所述的能量獲取裝置，其特征在于，所述支承包括一種鐵磁流體。
17.如權(quán)利要求16所述的能量獲取裝置，其特征在于，所述鐵磁流體具有小于10厘泊的粘度。
18.如權(quán)利要求16所述的能量獲取裝置，其特征在于，所述鐵磁流體包括一種混合異鏈烷烴酸的輕礦物油介質(zhì)。
19.如權(quán)利要求14所述的能量獲取裝置，進(jìn)一步包括一對(duì)限制所述振蕩磁體的運(yùn)動(dòng)的端磁體，所述端磁體采取和各自最接近的振蕩磁體磁極相對(duì)的取向。
20.如權(quán)利要求14所述的能量獲取裝置，其特征在于，所述支撐結(jié)構(gòu)確定了所述磁體的取向，使其在主要為水平的方向上運(yùn)動(dòng)。
21.如權(quán)利要求14所述的能量獲取裝置，進(jìn)一步包括一個(gè)由所述電流供電的操作系統(tǒng)。
22.一種能量獲取裝置，包括一個(gè)支撐結(jié)構(gòu)，多個(gè)在所述封裝外殼中采取磁極相對(duì)的取向以相對(duì)于所述支撐結(jié)構(gòu)以多種振蕩模式振蕩的磁體，和一個(gè)相對(duì)于所述支撐結(jié)構(gòu)和磁體取向的導(dǎo)體，這樣所述磁體的響應(yīng)所述支撐結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)的振蕩在所述導(dǎo)體中感應(yīng)電信號(hào)，其中所述能量獲取裝置具有所述磁體從水平靜止位置位移的小于1度的臨界角。
23.如權(quán)利要求22所述的能量獲取裝置，其特征在于，其中所述臨界角小于10分。
24.一種動(dòng)態(tài)磁體系統(tǒng)，包括一個(gè)支撐結(jié)構(gòu)，和偶數(shù)個(gè)采取磁極相對(duì)的取向以相對(duì)于所述支撐結(jié)構(gòu)沿一個(gè)公共軸線個(gè)別運(yùn)動(dòng)的磁體。
25.如權(quán)利要求24所述的動(dòng)態(tài)磁體系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一對(duì)限制所述運(yùn)動(dòng)磁體的運(yùn)動(dòng)的沿所述軸線的端磁體，所述端磁體采取和各自最接近的運(yùn)動(dòng)磁體磁極相對(duì)的取向。
26.如權(quán)利要求24所述的動(dòng)態(tài)磁體系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一個(gè)相對(duì)于所述支撐結(jié)構(gòu)和磁體取向的導(dǎo)體，這樣所述磁體的運(yùn)動(dòng)在所述導(dǎo)體中感應(yīng)電信號(hào)。
27.如權(quán)利要求26所述的動(dòng)態(tài)磁體系統(tǒng)，其特征在于，所述導(dǎo)體包括至少一個(gè)繞在所述支撐結(jié)構(gòu)上的線圈，所述支撐結(jié)構(gòu)為非導(dǎo)體。
28.如權(quán)利要求26所述的動(dòng)態(tài)磁體系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一個(gè)由所述信號(hào)供電的操作系統(tǒng)。
29.如權(quán)利要求24所述的動(dòng)態(tài)磁體系統(tǒng)，其特征在于，所述支撐結(jié)構(gòu)確定了所述磁體的取向，使其在主要為水平的方向上運(yùn)動(dòng)。
30.如權(quán)利要求24所述的動(dòng)態(tài)磁體系統(tǒng)，進(jìn)一步包括在所述磁體和所述支撐結(jié)構(gòu)之間建立小于約0.02的靜摩擦系數(shù)的超低摩擦支承。
31.如權(quán)利要求30所述的動(dòng)態(tài)磁體系統(tǒng)，其特征在于，所述支承包括一種鐵磁流體。
32.如權(quán)利要求31所述的動(dòng)態(tài)磁體系統(tǒng)，其特征在于，所述鐵磁流體具有小于10厘泊的粘度。
33.如權(quán)利要求31所述的動(dòng)態(tài)磁體系統(tǒng)，其特征在于，所述鐵磁流體包括一種混合異鏈烷烴酸的輕礦物油介質(zhì)。
34.如權(quán)利要求24所述的動(dòng)態(tài)磁體系統(tǒng)，其特征在于，所述磁體具有相對(duì)于所述支撐結(jié)構(gòu)的多種振蕩模式。
35.如權(quán)利要求24所述的動(dòng)態(tài)磁體系統(tǒng)，其特征在于，其中所述系統(tǒng)具有所述磁體從水平靜止位置位移的小于1度的臨界角。
36.一種動(dòng)態(tài)磁體系統(tǒng)，包括一個(gè)支撐結(jié)構(gòu)，多個(gè)采取磁極相對(duì)的取向以相對(duì)于所述支撐結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的磁體，和在所述磁體和所述支撐結(jié)構(gòu)之間建立小于約0.02的超低靜摩擦系數(shù)的各個(gè)支承，所述支撐結(jié)構(gòu)確定了所述磁體的取向，使其在主要為水平的方向上運(yùn)動(dòng)。
37.如權(quán)利要求36所述的動(dòng)態(tài)磁體系統(tǒng)，其特征在于，所述磁體具有相對(duì)于所述支撐結(jié)構(gòu)的多種振蕩模式。
38.如權(quán)利要求36所述的動(dòng)態(tài)磁體系統(tǒng)，其特征在于，所述支承包括一種鐵磁流體。
39.如權(quán)利要求38所述的動(dòng)態(tài)磁體系統(tǒng)，其特征在于，所述鐵磁流體具有小于10厘泊的粘度。
40.如權(quán)利要求38所述的動(dòng)態(tài)磁體系統(tǒng)，其特征在于，所述鐵磁流體包括一種混合異鏈烷烴酸的輕礦物油介質(zhì)。
41.如權(quán)利要求36所述的動(dòng)態(tài)磁體系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一個(gè)相對(duì)于所述支撐結(jié)構(gòu)和磁體取向的導(dǎo)體，這樣所述磁體的運(yùn)動(dòng)在所述導(dǎo)體中感應(yīng)電信號(hào)。
42.如權(quán)利要求41所述的動(dòng)態(tài)磁體系統(tǒng)，其特征在于，所述導(dǎo)體包括至少一個(gè)繞在所述支撐結(jié)構(gòu)上的線圈，所述支撐結(jié)構(gòu)為非導(dǎo)體。
43.如權(quán)利要求41所述的動(dòng)態(tài)磁體系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一個(gè)由所述信號(hào)供電的操作系統(tǒng)。
44.如權(quán)利要求36所述的動(dòng)態(tài)磁體系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一對(duì)限制所述運(yùn)動(dòng)磁體的運(yùn)動(dòng)的端磁體，所述端磁體采取和各自最接近的運(yùn)動(dòng)磁體磁極相對(duì)的取向。
45.一種動(dòng)態(tài)磁體系統(tǒng)，包括一個(gè)支撐結(jié)構(gòu)，多個(gè)采取磁極相對(duì)的取向以相對(duì)于所述支撐結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的磁體，所述支撐結(jié)構(gòu)確定了所述磁體的取向，使其在主要為水平的方向上運(yùn)動(dòng)其中所述系統(tǒng)具有所述磁體從水平靜止位置位移的小于1度的臨界角。
46.如權(quán)利要求45所述的動(dòng)態(tài)磁體系統(tǒng)，其特征在于，其中所述臨界角小于10分。
47.如權(quán)利要求45所述的動(dòng)態(tài)磁體系統(tǒng)，其特征在于，所述磁體具有相對(duì)于所述支撐結(jié)構(gòu)的多種振蕩模式。
48.如權(quán)利要求45所述的動(dòng)態(tài)磁體系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一個(gè)相對(duì)于所述支撐結(jié)構(gòu)和磁體取向的導(dǎo)體，這樣所述磁體的運(yùn)動(dòng)在所述導(dǎo)體中感應(yīng)電信號(hào)。
49.如權(quán)利要求48所述的動(dòng)態(tài)磁體系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一個(gè)由所述信號(hào)供電的操作系統(tǒng)。
50.一種動(dòng)態(tài)磁體系統(tǒng)，包括一個(gè)具有環(huán)形軸線的支撐結(jié)構(gòu)，和至少一個(gè)采取磁極相對(duì)取向以響應(yīng)所述支撐結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)沿所述軸線運(yùn)動(dòng)的磁體。
51.如權(quán)利要求50所述的動(dòng)態(tài)磁體系統(tǒng)，進(jìn)一步包括在所述磁體和所述支撐結(jié)構(gòu)之間建立小于約0.02的靜摩擦系數(shù)的各個(gè)支承。
52.如權(quán)利要求51所述的動(dòng)態(tài)磁體系統(tǒng)，其特征在于，所述支承包括一種鐵磁流體。
53.如權(quán)利要求52所述的動(dòng)態(tài)磁體系統(tǒng)，其特征在于，所述鐵磁流體具有小于10厘泊的粘度。
54.如權(quán)利要求52所述的動(dòng)態(tài)磁體系統(tǒng)，其特征在于，所述鐵磁流體包括一種混合異鏈烷烴酸的輕礦物油介質(zhì)。
55.如權(quán)利要求50所述的動(dòng)態(tài)磁體系統(tǒng)，其特征在于，所述支撐結(jié)構(gòu)確定了所述磁體的取向，使其在主要為水平的方向上運(yùn)動(dòng)。
56.如權(quán)利要求50所述的動(dòng)態(tài)磁體系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一個(gè)相對(duì)于所述支撐結(jié)構(gòu)和磁體取向的導(dǎo)體，這樣所述磁體的運(yùn)動(dòng)在所述導(dǎo)體中感應(yīng)電流。
57.如權(quán)利要求56所述的動(dòng)態(tài)磁體系統(tǒng)，其特征在于，所述導(dǎo)體包括至少一個(gè)繞在所述支撐結(jié)構(gòu)上的線圈，所述支撐結(jié)構(gòu)為非導(dǎo)體。
58.如權(quán)利要求56所述的動(dòng)態(tài)磁體系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一個(gè)由所述電流供電的操作系統(tǒng)。
59.如權(quán)利要求50所述的動(dòng)態(tài)磁體系統(tǒng)，其特征在于，其中所述系統(tǒng)具有所述磁體從水平靜止位置位移的小于1度的臨界角。
60.如權(quán)利要求59所述的動(dòng)態(tài)磁體系統(tǒng)，其特征在于，其中所述臨界角小于10分。
全文摘要
一種尤其在發(fā)電領(lǐng)域有用的動(dòng)態(tài)磁體系統(tǒng)應(yīng)用了互相之間采取磁極相對(duì)的取向并具有從水平靜止位置的位移小于1度的臨界角的多個(gè)磁體(2，4)以在一個(gè)或多個(gè)周圍線圈(20)中感應(yīng)電信號(hào)。該磁體互相作用以產(chǎn)生多種振蕩模式以及產(chǎn)生比用單磁體系統(tǒng)所能獲得的響應(yīng)所施加的輸入的更大的范圍。磁體的潤(rùn)滑劑最好是一種在磁體及其支撐結(jié)構(gòu)之間建立小于約0.02的靜摩擦系數(shù)的粘度小于10厘泊的鐵磁流體。該磁體的取向使其能在主要為水平的方向上運(yùn)動(dòng)，并且該磁體適合于包括環(huán)形的多種不同種類的支撐結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)H02K35/02GK1647352SQ03808759
公開日2005年7月27日 申請(qǐng)日期2003年2月18日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月19日
發(fā)明者張大建, 辛皓 申請(qǐng)人:洛克威爾科學(xué)許可有限公司