磁轴承以及相关系统和方法

磁轴承以及相关系统和方法
【专利摘要】一种能量回收系统可以包括静止不动结构和可转动结构，该可转动结构被构造成用以相对于静止不动结构绕转动轴线转动。能量回收系统也可以包括至少一个叶片构件，所述至少一个叶片构件安装到可转动结构并且从可转动结构向外径向延伸，所述至少一个叶片构件被构造成用以与沿大致平行于转动轴线的方向流动的流体流相互作用以引起可转动结构绕转动轴线转动。能量回收系统还可包括磁悬浮系统，所述磁悬浮系统包括多个磁体和多个线圈，其中多个磁体和多个线圈提供磁力，该磁力在可转动结构绕静止不动结构转动时基本上维持可转动结构和静止不动结构的轴向和径向位置。
【专利说明】磁轴承以及相关系统和方法
[0001]本申请要求2011年8月15日提交的美国临时申请价).61/523，594的权益，该美国临时申请的全部内容通过引用并入本文中。
【技术领域】
[0002]本发明总体上涉及磁轴承，该磁轴承可用于提供相对彼此运动的两个结构之间的支撑。特别地，本发明涉及用于能量回收系统的磁轴承，该能量回收系统将来自流体流(例如，来自液体流)的动能转化为另一形式的能量(例如，电和/或氢生产
【背景技术】
[0003]这里使用的区段标题仅用于组织目的并且不被解释为以任何方式限制描述的主题。
[0004]已知利用转化来自流体流(例如，风或水流)的能量的系统进行发电。潮汐能利用潮汐流或海平面随潮汐升高和降低而引起的水运动。水在升高和随后下落时产生流动或流。另外形式的压差——例如由堤坝产生的压差——也可以引起水的流动，并所产生水速度足以实现将与水的流动相关联的能量转换到其它有用形式的能量。
[0005]依赖于液体本体(例如水体)中的流的自然运动的潮汐能被分类为可再生能源。然而，与其它可再生能源(诸如风和太阳能)不同，潮汐能能够可靠地预测。水流是清洁的、可靠的、并且提前数年可预测到的可再生能量源，因此有助于与现有能量网整合。另外，借助水(例如包括海水)的基本物理特性，即其密度(它可以是空气密度的832倍)和其不可压缩性，这种介质与其它可再生能源相比保持有独特的“超高能量密度”潜能用以产生可再生能量。这种潜能还在将世界上许多沿海区域和/或可用区域的体积和流率计算在内时被放大。
[0006]因此，潮汐能可以提供对电、氢生产和/或其它有用形式的能量的高效、长期且无污染的源，其可以帮助减小世界目前对石油、天然气和煤的依赖。化石燃料资源的消耗降低可以进一步有助于减小到全球大气中的温室气体输出。
[0007]最近一些潮汐能方案使用运动中的水动能来为涡轮状结构提供动力。这种系统可以像水下风力发动机那样起作用，并具有相对低的成本和生态影响。在一些能量回收系统中，流体流与绕轴线转动的叶片相互作用，从这种转动中获取能量以产生电或其它形式的能量。虽然许多这种能量回收系统采用安装到中心转动轴的叶片或类似结构，但也有其它系统利用无轴式敞开中心构造，在该构造中，叶片由其它装置支撑。
[0008]能量回收系统会面临以下难题:与流体流(例如，运动的流)相关联的相对强作用力的相互作用所造成的对这种系统各种部件施加的应力和丨或应变。例如，在流体流(例如，潮汐流)与能量回收系统相互作用时，有一定量的推力作用在各种部件上，该推力会引起一个或更多个部件(特别是被构造成用以相对于静止不动的部件运动的部件)的位移。另外的难题可能来自于，这种能量回收系统依靠部件的相对转动运动来产生能量。例如，与这种系统的转动运动相关联的摩擦力和/或阻力可能阻碍该系统的效率。此外，这种相对运动例如可以引起这种部件的磨损，该磨损在能量回收系统置于水下时(例如在海中或在包含相对粗糙的恶化物质(例如盐)的其它水体中时)会进一步恶化。
[0009]因此会希望提供能够耐受住与其相互作用的流体流相关联的作用力(例如，轴向的和/或径向的)的能量回收系统和方法。也会希望提供导致相对低的摩擦力和/或阻力效果从而提高能量转换总体效率的能量回收系统和方法。还会希望提供例如通过设置磁悬浮系统而减小运动部件磨损的能量回收系统和方法。进一步会希望提供的是一种能量回收系统和方法，该能量回收系统和方法在相对彼此运动的部件之间设置磁支撑机构(例如磁轴承)，其也可用作发电机构。

【发明内容】

[0010]本发明可以解决一个或更多个上述问题和/或实现一个或更多个上述希望特征。其它特征和/或优点可以从下面的描述变得显然。
[0011]根据本发明的示例性实施例，能量回收系统可以包括静止不动结构和可转动结构，该可转动结构被构造成用以相对于静止不动结构围绕转动轴线转动。该能量回收系统也可以包括至少一个叶片构件，所述至少一个叶片构件安装到所述可转动结构并从所述可转动结构径向向外延伸，所述至少一个叶片构件被构造成用以与沿大致平行于所述转动轴线的方向流动的流体流相互作用，从而引起所述可转动结构围绕所述转动轴线转动。该能量回收系统还可包括磁悬浮系统，所述磁悬浮系统包括多个磁体和多个线圈，其中所述多个磁体和所述多个线圈提供磁力，所述磁力在所述可转动结构围绕所述静止不动结构转动时基本上维持所述可转动结构和所述静止不动结构的轴向和径向位置。
[0012]根据本发明的另一示例性实施例，一种支撑转动结构的方法可以包括使转动结构相对于静止不动结构围绕转动轴线转动，其中所述转动引起磁场源和电传导性元件的相对运动。该方法还可包括产生由磁场源和电传导性元件的相对运动所引起的磁力，其中，所述磁力在所述转动期间足以基本上维持所述可转动结构相对于所述静止不动结构的位置。
[0013]另外目标和优点将部分地在以下描述中被阐述，并且部分地将从该描述显而易见，或者可以通过本发明的实践被了解到。通过所附权利要求中特别指出的元件和组合，可以实现和获得至少一些本发明的目标和优点。
[0014]应当理解，以上总体描述和以下详细描述仅仅是示例性和说明性的，并且不限制所要求保护的本发明。应当理解，本发明在其最宽的意义上可以被实施成没有这些示例性方面和实施例的一个或更多个特征。
【专利附图】

【附图说明】
[0015]被并入并且构成本说明书一部分的附图示出了本发明的一些示例性实施例，并且与描述部分一起用于说明某些原理。在附图中，
[0016]图1是根据本发明的能量回收系统的示例性实施例的平面图；
[0017]图2是通过图1中线2-2获得的图1的能量回收系统的部分剖视图；
[0018]图3是使用根据本发明的磁轴承机构的磁悬浮系统的示例性实施例的部分透视图；
[0019]图4是图3的磁悬浮系统的区段的放大视图；[0020]图5是具有如图3所示构造的示例性磁悬浮系统的磁化场图；
[0021]图6是根据本发明的线圈的示例性实施例的平面图；
[0022]图7是根据本发明的背板的示例性实施例的部分透视图；
[0023]图8是根据本发明的能量回收系统的另一示例性实施例的部分剖视图；
[0024]图9是使用根据本发明的磁轴承机构的磁悬浮系统的另一示例性实施例的部分透视图；并且
[0025]图10是图9的磁悬浮系统的平面图。
【具体实施方式】
[0026]现在将详细参考本发明的各种示例性实施例，该示例性实施例的示例在附图中被示出。在可能的情况下，相同的附图标记将所有附图中用于引用相同或相似部分。
[0027]虽然下面的描述关注于诸如用于液体环境中的能量回收系统，但本文所公开的原理和磁轴承机构不限于这种应用场合，其可以应用于多种应用场合，在该应用场合中，相互作用的力会成为支撑一个结构相对于另一个结构运动(例如包括风力涡轮机、钻轴、精密车床和其它类似结构)的问题。
[0028]本发明的各种示例性实施例设想一种能量回收系统，该能量回收系统被构造成用以与流体流(例如，潮汐流)相互作用，该能量回收系统利用中心敞开式构造和该系统部件的相对运动而将来自流体流的动能转化为其它有用形式的能量，例如电和/或氢生产。在各种示例性实施例中，本发明设想一个或更多个叶片构件，该叶片构件由可转动结构支撑，并从可转动结构沿径向向外和/或向内地延伸，该可转动结构安装成相对于静止不动结构转动。流过该系统的流体可以与叶片相互作用以引起一个或更多个叶片相对于静止不动结构转动。在如图中所示的各种示例性实施例中，可转动结构和静止不动结构可以是闭环结构(例如，具有环或椭圆构造)。此外，本发明的可转动的闭环结构或静止不动的闭环结构中的任一个可以具有整体式闭环结构的形式或者可以包括多个模块化节段(例如，大致弓形的部分),该多个模块化节段连接在一起以形成成一体式闭环结构。然而，如本领域技术人员将理解地，所示实施例仅仅是示例性的，并不意图限制本发明和权利要求。因此，可转动结构和静止不动结构可以包括各种形状和/或构造。
[0029]虽然在本文所示和所描述的各种示例性实施例中，多个叶片由可转动结构支撑，但任何数量(包括一个)的叶片可以由可转动结构支撑。此外，叶片可以沿径向向外延伸、沿径向向内延伸、或者沿径向向外且沿径向向内地朝着中心敞开式能量回收系统的中心延伸。
[0030]诸如根据本发明的那些中心敞开式能量回收系统可以提供放大或缩小该系统总尺寸的能力，这是由于静止不动结构的规格、长度、和路径构造可以变化很大。同样，叶片的强度、尺寸和形状也可以显著地变化。这与中心轴式系统形成对比，在中心轴式系统中，叶片的尺寸会因与被中心转动轴支撑的较长叶片相关联的应力而稍受限制。在本发明的示例性实施例中，叶片的长度和尺寸可以变化很大，这是因为安装有叶片的可转动结构置于距装置转动中心一定距离处，这提供与中心轴相比增加的稳定性。因此，整个装置可以被放大或缩小以适应变化的现场特性和其它要求，并且/或者实现所希望的结果。
[0031]如2010年10月27日提交的国际公开第冊2011/059708八2号中公开地，可转动结构相对于静止不动结构的支撑以及可转动结构沿静止不动结构的运动可以由一个或更多个轴承机构实现，该国际公开的全部内容通过引用并入本文中。还参考分别于2008年11月18日和2009年10月20日发行的美国专利N0.7453166和N0.7604454，这些美国专利的全部内容全都通过引用并入本文中，这些美国专利还公开了中心敞开式能量回收系统的各种其它构造和实施例。
[0032]在本发明的各种示例性实施例中，可以设置一个或更多个磁轴承机构以基本上维持可转动结构和静止不动结构沿轴向和径向的相对位置。因此，根据本发明的磁轴承机构可以提供无源的、稳定的轴向和径向悬浮，而不需要例如变换器或间隙控制。为了在转动结构和静止不动结构之间提供轴向恢复力(例如，用来抵消轴向流推力)和径向恢复力(例如，用来提供提升)，根据本发明的各种示例性实施例中的磁轴承机构可以包括多个磁体和多个线圈。在各种实施例中，例如多个磁体可以大致布置成Halbach式阵列(例如部分Halbach阵列)，并且多个线圈可以包括多个短路线圈。在本发明的各种其它示例性实施例中,磁轴承机构也可以用作发电机构,例如通过进一步包括长形发电机磁体和发电机线圈。
[0033]如这里使用地，术语“磁轴承机构”指的是用于磁悬浮以便例如借助磁漂浮来稳定和支撑载荷的各种部件，并且其例如可以包括具有与其关联的磁场的磁体以及具有感应磁性的线圈。因此，磁轴承机构可以相对于静止不动结构支撑运动结构(例如，转动结构)，而没有物理接触。换句话说，根据本发明的磁轴承机构可以漂浮，并相对于静止不动结构沿轴向支撑转动结构，还允许转动结构以很低的摩擦和零机械磨损相对地转动。
[0034]如本领域技术人员将理解地，本文使用的术语“Halbach式阵列”指的是永久磁体的转动模式，其在阵列的一侧上增大磁场而在阵列的另一侧上消除磁场，因此产生“单侧磁通”。非限制性的示例性Halbach式阵列可以包括例如部分Halbach阵列，其中永久磁体的磁化方向以离散跳跃的方式从一个磁体改变到其相邻的磁体，例如使用90度转动角度改变。因此，本发明的示例性实施例例如可以包括但不限于90度的部分Halbach阵列(它具有90度的转动模式)和45度的Halbach阵列(它具有45度的转动模式)。然而，本发明构想使用本领域技术人员已知的任何类型的Halbach阵列。
[0035]如本领域技术人员将进一步理解地，本文所使用术语“短路线圈”指的是当被变化的磁场感应时允许电流在封闭的路径中流动的线圈。换句话说，在各种示例性实施例中，短路线圈包括低电阻区域，该低电阻区域产生短路，电流可以通过该短路绕线圈连续地流动。在本发明的各种示例性实施例中，短路线圈例如可以包括由电传导性材料形成的线圈，例如被缠绕成多匝的铜线。在各种示例性实施例中，线圈可以通过例如将线的端部软焊在一起而被短路。然而，本领域技术人员将理解，根据本发明的短路线圈可以具有各种构造，由各种电传导性材料(例如，Litz线)形成，并且可以使用如本领域技术人员理解的各种技术和/或方法加以短路。
[0036]现在参考图1和图2，具有中心敞开式构造的能量回收系统100的示例性实施例的示意性平面图和剖视图(通过图1的能量回收系统的线2-2获得)被示出。能量回收系统100包括可转动结构110，一个或更多个叶片构件130 (在图1中示出为多个)安装到该可转动结构。可转动结构Π0 (例如,在图1的示例性实施例中在其周边内)相对于静止不动结构120以可转动的方式被安装。叶片构件130相对于可转动结构110被构造且布置成使得流体流可以与叶片构件130相互作用以引起可转动结构110与由其承载的叶片构件130一起以本领域技术人员熟悉的方式转动。例如，叶片构件130可以是水翼，该水翼被构造成用以与流体流(在图2中被指定为和相互作用，该流体流沿着大致垂直于叶片构件130和可转动结构110的转动平面(并且大致平行于叶片构件130和可转动结构110的转动轴线八)的方向运动。换句话说，在图1系统100的取向中，叶片构件130可以被构造成用以与流体流和丨或相互作用，该流体流具有沿大致垂直于图纸平面的方向运动的分量。
[0037]由流体流与叶片构件130的相互作用引起的转动运动可以被转化为另一形式的能量，诸如电和/或氢生产，该生产例如利用发电机磁体和发电机线圈，诸如例如定子绕组(例如参见图8中的发电机线圈182〉。这种从转动运动到另一形式的能量转化可以通过本领域技术人员会熟悉的许多技术进行。也参考美国专利价).7453166和美国专利^0.7604454，这些美国专利的全部内容通过弓|用并入本文中。
[0038]如通过引用并入本文的国际公开第冊2011/059708八2号中公开地，为了将可转动结构相对于静止不动结构以可转动的方式安装，能量回收系统可以包括一组或更多组轴承机构，诸如例如一组或更多组磁轴承机构。例如如图2中所示，根据本发明，为了将可转动结构110相对于静止不动结构120安装，图1的能量回收系统100可以包括一组或更多组无源磁轴承机构140和150。磁轴承机构140和150可以被构造成用以允许可转动结构110在基本上稳定的轴向位置和基本上稳定的径向位置中相对于静止不动结构120转动。这样一来，磁轴承机构140和150例如可以为结构110、120提供无源轴向恢复式支撑和无源径向稳定力。轴承机构140和150之间的磁场例如可足以基本上阻止可转动结构110和/或静止不动结构120因作用在其上的与流体流相关联的作用力(例如，流体流的推力)而引起的轴向相对运动。此外，轴承机构140和150之间的磁场也可以足以提供可转动结构110和静止不动结构120之间因与轴承机构140和150相关联的相排斥力而产生的径向提升，以便维持结构110和120之间的径向间隙135。
[0039]在各种示例性实施例中，如图2所示，磁轴承机构140和150分别包括多个磁体145和多个线圈155。在示例性实施例中，磁体145可以大致布置成他1“也式阵列，例如如图2所示的包括永久磁体的转动模式的90度部分阵列，其中箭头展示每一个磁体的磁场取向。在各种另外实施例中，线圈155可以是短路线圈，例如，短路铜线圈。在各种实施例中，线圈155可以例如由111:2线或绞合的多阻线构成以如本领域技术人员会理解地最小化线圈中感应电流的集肤效应和接近效应。
[0040]如本领域技术人员将理解地，在可转动结构110相对于静止不动结构120转动时，穿过线圈155的传导性材料的磁体145的磁场的变化运动引起线圈155中的电流，该电流与磁体145的磁场相反。换句话说，通过磁体145相对于线圈155的运动，将在静止不动的线圈155中引起电流。由此磁体145和线圈155可以各自提供磁动力(丽?)的源，其中磁体145和线圈155之间的耦合是正弦式的。因此，如图2中所示，当可转动结构110上的磁体145所形成的磁体阵列相对于静止不动结构120上的线圈155移动了位移0时，径向空气间隙场提供轴向恢复力。换句话说，在磁体试图使它们自身与线圈对齐时，磁体145相对于线圈155的位移产生了恢复力。因此，磁体145在线圈155中引起作用力，从而将磁体145上方的线圈再定中心到它们不链接净磁通的位置。而磁体145的这个对齐力又抵消流体的推力，该推力在能量回收系统100上产生沿流体流方向(即，FCA或FCB的轴向推力。[0041]为了进一步说明上面讨论的磁体和线圈之间的恢复力，参考图3和图4，其示出了根据本发明的使用磁轴承机构的磁悬浮系统200的示例性实施例的详细视图。如图3和图4中所示，磁悬浮系统200可以包括一组或更多组无源磁轴承机构240和250，其分别包括多个磁体245和多个线圈255。如可能在图4中最佳示出地，当磁体245相对于线圈255位移了位移D时(其中D是线圈255的顶部和磁体245的顶部之间的距离)，由磁体245相对于线圈255的转动而在线圈255中引起的电流将导致在磁体245和线圈255之间产生轴向恢复力，该恢复力倾向于使磁体245相对于线圈255再定中心。如本领域技术人员将理解地，在这种构造中，每一个线圈255的所有四个腿部256、257、258、259将经受使阵列再定中心的作用力。此外，如下面说明地，线圈255还具有用以推动线圈255离开磁体245的相排斥分力(即，漂浮力)。因此，上述示例性实施例的磁体145、245和线圈155、255分别用作悬浮磁体和悬浮线圈以提供轴向恢复力和径向稳定力。
[0042]例如图5示出了具有如图3和图4所示构造的示例性磁悬浮系统300的磁化场图。如本领域技术人员将理解地,例如图3和图4中示出的磁悬浮系统可以例如使用边界元和有限元编码加以分析，其中采用周期性(重复)边界条件来简化计算。例如，图5示出了包括磁体345和线圈355的示例性磁悬浮系统300的一个区段的磁场线。如本领域技术人员将理解地，由磁体345产生的所示磁场线可以用于计算磁体345和线圈355之间的磁链(或者由线圈355中的阻数与来自磁体345的穿过线圈355的磁通的乘积)。然后，磁链可以用于预测线圈355中引起的电流，以及磁体345和线圈355之间的恢复力和漂浮力。磁体345的转动速度将决定磁链随时间的变化速率，并因此决定在线圈355中引起的电流。已知线圈355的电阻和电感允许确定对线圈355的作用力。因此，使用图5中示出的磁化场图，假定用于48英寸直径完整组件(例如包括可转动结构110的能量回收系统100)的磁体重量为216磅，基于执行上述计算将得到磁悬浮系统300具有大约1530磅的轴向恢复力，其中当磁体345以大约60rpm转动时,轴向位移小于或等于大约5/8英寸(例如,在可转动结构110 上)。
[0043]本领域技术人员将理解，仅为了示例性目的对根据一个示例性实施例的上述磁悬浮系统加以分析，并且包括根据本发明的磁悬浮系统的能量回收系统可以具有各种尺寸、形状和/或构造，例如包括可转动结构和静止不动结构的各种尺寸、形状和/或构造，以及具有磁轴承机构的各种数量、尺寸、形状和/或构造。此外，利用根据本发明的磁轴承机构的磁悬浮系统可以具有各种类型、数量、尺寸、形状和/或构造的磁体和线圈。基于本发明的教导，本领域技术人员能够确定磁悬浮系统和轴承机构经设计成用以实现希望的轴向恢复力和径向稳定(例如漂浮)力，并且本发明不意图限于这里示出且描述的示例性实施例。
[0044]再参考图2，如本领域技术人员将理解地，单个线圈155和其最近磁体145之间的力是相排斥的。在可转动结构Iio绕静止不动结构120转动(例如,高于一定转动速度/频率)时,线圈155中的感应电流处于产生相排斥力的相位。因此,如所布置地,磁体145和线圈155被构造成用以相互排斥以基本上维持可转动结构110和静止不动结构120之间的间隔S。因此，由于与磁体145和线圈155相关联的相排斥力，轴承机构140和150之间的磁场也足以提供可转动结构110相对于静止不动结构120的沿径向方向的提升。换句话说，该磁场足以提供沿径向的漂浮力使得可转动结构110和静止不动结构120能够相对彼此转动，同时基本上维持这两个结构之间的间隔S。如本领域技术人员将理解地，预期有对于转动过短路线圈的所有磁体的径向相排斥力。这个相排斥力将随着磁体145和短路线圈155之间的间隙减小而变强，从而产生沿径向越过结构110、120的恢复力。
[0045]由于其构造和在能量回收系统100内的中心定位，磁轴承机构140和150是双向的，并因此可以适应沿任一方向的流动。换句话说，在图2中的系统的取向中，叶片构件130可以被构造成用以与流体流和/或流体流相互作用，每一个流体流具有沿基本上垂直于图纸平面的方向运动的分量。此外，如上所述，磁轴承机构140可以包括各种他11^也式阵列，并且磁轴承机构150可以包括各种类型和/或构造的线圈，并且本领域技术人员将理解如何将轴承机构140和150相对彼此修改和补偿，以便通过提供充分的轴向恢复力和径向提升力来允许可转动结构110在基本上稳定的轴向位置和基本上稳定的径向位置中相对于静止不动结构120转动。示出的结构140和150仅仅是原理性示意图。本领域技术人员将理解，轴承机构140和150的数量、形状、间隔、尺寸、磁场强度(例如，磁体145的磁场强度?、径向厚度(例如，线圈155的径向厚度?、位移以及其它性质可以基于各种因素加以修改和选择，所述各种因素诸如可转动结构110和静止不动结构120的尺寸和重量、所需的恢复和支承力以及基于希望的应用场合的其它因素。
[0046]仅通过示例的方式，在低的转动速度下和/或当可转动结构110静止、磁体145不相对于线圈155转动且因此线圈155中没有感应电的情况下，为了相对于静止不动结构120支撑可转动结构110，图1和图2的能量回收系统100还可以包括一组或更多组机械轴承。在本发明的各种实施例中，例如能量回收系统100还可以包括安全轴承“011(311(10界II
，例如用来以低和/或零转动速度支撑结构110和120的常规密封滚子轴承116(在图1和图2的示例性实施例中被描绘为多组在各种其它示例性实施例中，为了支持低摩擦(例如陶瓷、和/或各种热塑性聚合物)表面(未示出),可以不用轴承116 ；替代地，可以使用滚子轴承和低摩擦表面的组合。如本领域技术人员将理解地，为了提供适当的支撑，这种轴承可以布置成具有径向空气间隙，该径向空气间隙大于结构110和120的预期运行空气间隙。
[0047]本发明的各种其它实施例构想到提高线圈155的电感以在较低的转动速度下允许悬浮发生(在结构110和“(^之间)。如示出了线圈155的平面图的图6中所示，在各种实施例中，例如线圈155可以各包括多个匝157，其中至少一个匝157被铁磁套管170 (例如，铁氧体套管)包围以提高线圈155的电感。在各种实施例中，例如铁磁套管170可以布置在离结构110和120之间的空气间隙135最远的匝157 (最外侧的返回线圈157)上，如图6中所示。在这种构造中，如本领域技术人员将理解地，铁磁套管170不大可能会使得施加在该结构上的径向力不稳定。
[0048]本发明的各种其它示例性实施例构想到将不可磁化的背板(诸如例如由树脂填料或玻璃纤维形成的复合材料背板)用于每一个磁轴承机构(例如，磁轴承机构140和15(0。本领域技术人员将理解，例如，存在于结构110和120中的钢会因为磁体和线圈对钢的吸引而减小希望的径向稳定力。因此在各种实施例中，会希望使用相对薄的钢层来帮助磁体和线圈的组装。
[0049]在各种实施例中，例如如图3中描绘地，用于磁体的不可磁化的背板可以包括复合材料壳筒260。在各种其它实施例中，如图7中所示，用于线圈的不可磁化的背板可以包括复合材料壳筒460。壳筒460也可以具有齿461和狭槽462以填充线圈与线圈中心之间的空隙空间，从而在将线圈安装到筒460时为线圈提供机械完整性。然而，本领域技术人员将理解的是，上述壳筒仅仅是示例性的，并且根据本发明的实施例可以构想到各种类型和/或构造的背板以帮助将磁体和线圈组装在可转动结构110和静止不动结构120上。仅通过示例的方式，可以为单个磁轴承结构(例如，每一个线圈和磁体)提供其自己的背衬，其中带有单独背衬的结构被安装至相应的转动结构和/或静止不动结构。
[0050]为了在磁轴承机构相对彼此的相对运动期间(例如，在可转动结构110绕静止不动结构120转动时)发电，在各种其它示例性实施例中，磁轴承机构中部中的磁体和线圈的长度可以增加，如图8-图10的示例性实施例所示。如图8所示，磁轴承机构180和190可以分别包括多个磁体和多个线圈，其中位于结构110、120上的磁轴承机构阵列中部的磁体和线圈长度长于朝结构110、120上的阵列的端部定位的磁体和线圈长度。在各种实施例中，例如,磁轴承机构180可以包括多个悬浮磁体181和至少一个发电机磁体，例如，如图8的示例性实施例所示的三个发电机磁体182，该三个发电机磁体位于磁体阵列中部的悬浮磁体181之间。在各种实施例中，如图8中所示，发电机磁体182长于悬浮磁体181。
[0051]以类似的方式，磁轴承机构190可以包括多个悬浮线圈191 (诸如例如上述的短路线圈)和至少一个发电机线圈192 (诸如例如定子绕组)，该至少一个发电机线圈位于线圈阵列中部的悬浮线圈191之间。在各种实施例中，该至少一个发电机线圈192长于悬浮线圈191，并基本上在相对应的长形发电机磁体182的整个长度上延伸，例如如图8中所示。
[0052]为了进一步说明悬浮线圈和发电机线圈相对于悬浮磁体和发电机磁体的位置，参考图9和图10，其示出了磁悬浮系统600的示例性实施例的视图，该磁悬浮系统使用根据本发明的被构造成用以发电的磁轴承机构。如图9和图10中所示，磁悬浮系统600可以包括一组或更多组无源磁轴承机构680和690,其分别包括悬浮磁体691和发电机磁体692以及悬浮线圈691和发电机线圈692。
[0053]也如图9和图10中所示，为了发电，发电机磁体682和发电机线圈692分别长于悬浮磁体681和悬浮线圈691。在各种示例性实施例中，如在图10中可能最佳地示出地,发电机磁体682也长于其对应的发电机线圈692。在这种构造中，当悬浮磁体681相对于悬浮线圈691位移(例如，借助通过能量回收系统的流体推力)时，发电机线圈692将继续遮蔽发电机磁体682并且因此发电。此外，当悬浮磁体681相对于悬浮线圈691位移时，发电机磁体682也会提供磁通。例如如图10中所示，悬浮线圈691a从悬浮磁体681a接收其一半的磁通,并从发电机磁体682接收其另一半的磁通。因此，发电机磁体682的一部分也可以为悬浮线圈691a提供磁通。
[0054]如本领域技术人员将理解地，本文使用的术语“悬浮磁体”和“悬浮线圈”指的是如上面参考图1-图5的实施例讨论的磁体和线圈，该磁体和线圈被构造和布置成用以提供轴向恢复和径向稳定力。其中，本文使用的术语“发电机磁体”和“发电机线圈”分别指磁体和线圈，该磁体和线圈被构造和布置成用以在磁轴承机构相对彼此运动时发电，并且该磁体和线圈提供小的(如果有的话)轴向恢复和径向稳定力。
[0055]对于本发明中所披露的水下发电应用场合，发电机线圈发出的电例如可以被供给到转换器，该转换器例如可以由整流器(未示出)和换流器(未示出)组成。如本领域技术人员将理解地，这种装置可以典型地具有大约0.95的功率因素，其可以基本上降到与发电机线圈的感应电流同相。相比之下，悬浮线圈中感应的电流与发电机线圈的电流近似90度异相。因此，发电机线圈的同相电流将具有小的(如果有的话)轴向恢复或相排斥力。此外，本发明的各种不例性实施例构想使发电机磁体的长度长于发电机线圈(见例如图9和图10),这也可以抑制发电机线圈的轴向力分量。
[0056]如上所述，磁轴承机构180和190可以包括各种类型和丨或构造的磁体和线圈，并且本领域技术人员将理解如何将轴承机构180和190相对彼此加以修改和补偿，从而通过提供充分的轴向恢复力和径向提升力来允许可转动结构110在基本上稳定的轴向位置和基本上稳定的径向位置中相对于静止不动结构120转动。本领域技术人员还将理解如何确定(例如，通过磁场分析)为希望的应用场合产生所要求功率输出而需要的发电机磁体和发电机线圈的数量和/或尺寸。
[0057]根据本发明的示例性实施例的用于回收流体流(例如水流)能量的示例性方法以参见图1、图2和图8的实施例的形式在下面的描述中加以阐述。能量回收系统100可以置于液体流体(例如水)中，其中能量回收系统100包括可转动结构110和静止不动结构120。如上所述，可转动结构110被构造成用以相对于静止不动结构120转动，并限定转动轴线八。能量回收系统100还可包括至少一个磁轴承机构140、150、180、190，其具有多个磁体145、181,182 和线圈 150、191、192。
[0058]根据本发明的各种实施例，该至少一个磁轴承机构140、150、180、190被布置成用以在可转动结构110绕静止不动结构转动时提供可转动结构110和静止不动结构120之间的径向和轴向支承(悬浮在各种实施例中，该至少一个磁轴承机构140、150、180、190被布置成用以在可转动结构110绕静止不动结构120转动时提供可转动结构110和静止不动结构120之间的轴向恢复力。在各种另外实施例中，该至少一个轴承机构140、150、180、190被布置成用以在可转动结构110绕静止不动结构120转动时提供可转动结构110和静止不动结构120之间的径向稳定力。
[0059]能量回收系统100可以在流体中取向成使得流体中的流体流仏和％可以沿着具有大致平行于可转动结构110的转动轴线八的分量的方向流动，从而引起可转动结构110的转动。在各种实施例中，能量回收系统100例如还可以包括至少一个叶片构件130，该至少一个叶片构件安装到可转动结构110并从该可转动结构110向外径向延伸，从而流体流
和与该至少一个叶片构件130相互作用以引起可转动结构110的转动。
[0060]然后，在可转动结构110的转动期间，电和氢中的至少一种可以通过至少一个磁场源相对于电传导性元件的运动而产生。在本发明的各种示例性实施例中，例如如图8中所示，用于磁轴承机构180的多个磁体181、182可以包括磁场源(例如，经由发电机磁体182〉。在各种其它示例性实施例中，用于磁轴承机构190的多个线圈191、192可以包括电传导性元件(例如，经由发电机线圈192〉。
[0061]图1-图10的示例性实施例是非限制性的并且本领域技术人员将理解，可以对描绘的布置和构造作出修改而不偏离本发明的范围。本领域技术人员还将理解，虽然本发明依据包括转动和静止不动结构的能量回收系统(例如，图1、图2和图8中所示)被讨论，但包括本发明的磁轴承机构的磁悬浮系统如本领域技术人员将理解的可以并入到各种转动结构中，并且不限于这里公开的能量回收系统。
[0062]此外，各种机构也可以用于将根据本发明的各种示例性实施例的可转动结构相对于静止不动结构的转动运动转化为电或其它有用形式的能量。这种机构可以包括但不限于液压泵、转动驱动轴等等的使用。至于可以用于将结构的转动运动转化为其它有用形式的能量的各种技术的示例，参考通过引用并入这里的美国专利N0.7453166和N0.7604454。本领域技术人员将理解如何修改美国专利N0.7453166和N0.7604454中公开的各种技术使那些技术适合用于根据本发明的能量回收系统。
[0063]在各种示例性实施例中，本发明的能量回收系统包括叶片构件，该叶片构件分别离开可转动结构的中心从可转动结构径向向外地以及朝着可转动结构的中心径向向内地延伸。然而，能量回收系统可以包括叶片构件，该叶片构件仅径向向外地或仅径向向内地延伸。在叶片构件径向向外且径向向内地延伸的实施例中，叶片构件可以包括整合的结构或安装到可转动结构的分离结构。在各种示例性实施例中，径向向外延伸的叶片构件和径向向内延伸的叶片构件可以不关于转动结构对称。例如，径向向外延伸的叶片构件的长度可以长于径向向内延伸的叶片构件的长度；或者，径向向外和径向向内延伸的叶片构件可以关于转动结构对称。可以选择径向向内延伸的叶片构件的长度使得那些叶片构件将流体与流过能量转换系统的中心的干涉最小化。
[0064]在各种示例性实施例中，叶片构件可以是固定的，或者相对于可转动结构可调节。例如，对于可调节的叶片构件，叶片构件可以绕它们的纵向轴线转动以便调节叶片构件表面相对于流体流的角度。关于可调节的叶片构件的另外细节，参考通过引用并入这里的美国专利 N0.7453166。
[0065]本领域技术人员将认识到，可以对这里公开的示例性实施例的构造和方法作出各种修改而不偏离本发明的范围。仅通过示例的方式，可转动结构和静止不动结构的横截面形状和相对尺寸可以被修改并且可以使用多种横截面构造，包括例如圆形或卵形横截面形状。
[0066]此外，虽然这里描述的各种示例性实施例中的能量转换系统的取向通常处于大致竖直的平面内，但本领域技术人员将理解，可以做出修改从而以任何取向操作根据本发明的能量转换系统。
[0067]本领域技术人员也将理解，关于这里的一个示例性实施例公开的各种特征可以通过适当修改组合地用于其它示例性实施例，即使这种组合在这里没有被明确公开。
[0068]为了本说明书和所附权利要求的目的，除非另外指示，表达量、百分比或比例的所有数字以及用于本说明书和权利要求的其它数值要被理解为在所有情况下由术语“大约”修饰。因此，除非指示相反，书面描述和权利要求中阐述的数值参数是近似值，该近似值可以取决于本发明设法获得的希望性质而变化。至少，不试图限制权利要求的范围的等同内容的教义的应用，每一个数值参数应当至少按照所报告的有效位数值并且通过应用通常舍入技术被解释。
[0069]注意到，如本说明书和所附权利要求中使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数所指对象，除非明确地且不含糊地限于一个所指对象。本文使用的术语“包括”及其语法变体意图是非限制性的，使得清单中的项目列举不排除可以替代或添加到列出的项目的其它类似项目。
[0070]本领域技术人员将清楚，可以对本发明的系统和方法作出各种修改和改变而不偏离本发明和所附权利要求的范围。通过考虑本说明书和实践这里公开的内容，本发明的其它实施例对于本领域技术人员来说将是显然的。所意图的是，本说明书和示例被认为仅仅是示例性的。
【权利要求】
1.一种能量回收系统，所述能量回收系统包括: 静止不动结构； 可转动结构，所述可转动结构被构造成用以相对于所述静止不动结构绕转动轴线转动； 至少一个叶片构件，所述至少一个叶片构件被安装至所述可转动结构，并从所述可转动结构向外径向地延伸，所述至少一个叶片构件被构造成用以与沿着大致平行于所述转动轴线的方向流动的流体流相互作用，从而引起所述可转动结构绕所述转动轴线转动；和磁悬浮系统，所述磁悬浮系统包括多个磁体和多个线圈，其中所述多个磁体和所述多个线圈提供磁力，该磁力在所述可转动结构绕所述静止不动结构转动时基本上维持所述可转动结构和所述静止不动结构的轴向位置和径向位置。
2.如权利要求1所述的能量回收系统，其中，所述多个磁体和所述多个线圈提供所述可转动结构和所述静止不动结构之间的对齐力。
3.如权利要求1所述的能量回收系统，其中，所述多个磁体和所述多个线圈提供所述可转动结构和所述静止不动结构之间的相排斥力。
4.如权利要求1所述的能量回收系统，其中，所述多个磁体联接到所述可转动结构。
5.如权利要求4所述的能量回收系统，其中，所述多个线圈连接到所述静止不动结构。
6.如权利要求1 所述的能量回收系统，其中，所述多个磁体大致布置成他1“也式阵列。
7.如权利要求1所述的能量回收系统，其中，所述多个线圈是短路线圈。
8.如权利要求1所述的能量回收系统，其中，所述多个磁体包括多个悬浮磁体以及布置在所述悬浮磁体之间的至少一个发电机磁体，其中所述至少一个发电机磁体长于所述悬浮磁体。
9.如权利要求8所述的能量回收系统，其中，所述多个线圈包括多个短路线圈和布置在所述短路线圈之间的至少一个发电机线圈，其中所述至少一个发电机线圈长于所述短路线圈。
10.如权利要求1所述的能量回收系统，其中，每一个线圈包括多个匝，并且其中，所述多个匝中的至少一个匝被铁磁套管包围。
11.如权利要求1所述的能量回收系统，其中，所述能量回收系统被构造成用以将所述可转动结构的转动转化为电和氢生产中的至少一种。
12.一种支撑转动结构的方法，所述方法包括: 使转动结构相对于静止不动结构围绕一转动轴线转动，其中，所述转动引起磁场源和电传导性元件的相对运动；和 产生由所述磁场源和所述电传导性元件的相对运动而引起的磁力，其中，在所述转动的期间，所述磁力足以基本上维持所述可转动结构相对于所述静止不动结构的位置。
13.如权利要求12所述的方法，该方法还包括产生电和氢中的至少一种。
14.如权利要求13所述的方法，其中，产生电和氢中的至少一种包括:在所述可转动结构的转动期间，通过所述至少一个磁场源相对于所述电传导性元件的运动而产生电和氢中的至少一种。
15.如权利要求12所述的方法，其中，所述转动结构的转动通过流体流与所述转动结构相互作用而发生。
16.如权利要求12所述的方法，其中，产生所述磁力包括:产生轴向力和径向力以基本上维持所述转动结构相对于所述静止不动结构的位置。
17.如权利要求12所述的方法，该方法还包括:通过所述磁场源和所述电传导性元件的相对运动，在所述电传导性元件中感应产生磁力。
18.如权利要求17所述的方法，其中，感应产生所述磁力使得所述磁场源和所述电传导性元件对齐到没有净磁通链接在所述磁场源和所述电传导性元件之间的位置。
19.如权利要求12所述的方法，其中，产生所述磁力包括在所述磁场源和所述电传导性元件之间产生相排斥的磁力。
20.如权利要求19所述的方法，其中，产生所述相排斥的磁力产生出使得所述转动结构相对于所述静止不动结构漂浮的径向力。
【文档编号】F03D11/02GK103842648SQ201280048504
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2012年8月14日 优先权日:2011年8月15日
【发明者】K·戴维 申请人:海洋能源公司