专利名称：风喷射涡轮机ii的制作方法
技术领域：
本发明大致涉及发电装置/发电机，和更具体地涉及具有可转动叶片的发电装置。
背景技术：
风カ涡轮机常规地被设计成通过转动叶片捕获风，所述叶片转动位于叶片的中心或毂处的发电机単元。通过这种类型的发电机产生的电能是与风速、扫过面积和气体密度成比例的(电能=0.5X扫过面积X空气密度X速度3)。不幸地是，常规的风力涡轮机机是昂贵的、无效的并且占用相当大的空间。常规地，风カ发电装置已经利用多种不同的叶片、齿轮箱、和发电机技术，但是由于这个实事，即，所有的设计都是基本上相似的并且遵循相同的发电机原理，也就是，常规的三叶片推进器风カ发电机设计，所以仍然产生有限量的电力。几个公司制造三叶片式推进器风カ发电机或风カ涡轮机。三叶片式风力涡轮机被设计成经由三个转动叶片捕获风，所述转动叶片转动位于叶片的中心的发动机単元。因此，三叶片风カ涡轮机通过由叶片的表面面积形成的转矩产生电カ。叶片的最有效部分是行进通过最大体积的空气的部分。该部分位于叶片的末端。不幸地是，三叶片式涡轮机叶片末端表面面积计算起来小于总表面面积的10%。为了产生常规装置的两倍到五倍的电カ同时占据与常规的三叶片式风力涡轮机相同的空间，使用小占地面积的转动叶片产生电力同时增大叶片的有效部分是有用的。
发明内容
本叶片设计是独特的，其中叶片的总面积位于组件的外侧的50%上，同时消除了内侧的50%，这样减轻了叶片的总重量。通过消除叶片的内侧的50%，本发明引入了“端ロ式”空气动力学系统，其允许风的内侧的50%在不中断的情况下穿过风喷射涡轮机(windjet turbine)的第一叶片，并且外侧的50%被成角度地改变方向。叶片形状形成文氏管效应，其使得在穿过风喷射涡轮机的端ロ式中心部分时风速増大。増大的内风速与离开涡轮机的空气的改变方向后的外风速的组合可导致在风喷射涡轮的尾端处的不变的风速。Betz定律形成于1919年并且在1926年出版，并且用来通过进入和离开风力涡轮机或叶片的差别风速来计算风力涡轮机的电カ输出。Betz定律定义，从穿过转子或叶片的扫过直径的气团得到的电カ的量的极限是59 %。因此，当风速在进入和离开风喷射涡轮机之间没有显著变化时获得的电カ产生増加。此外，风喷射涡轮机消除常规地形成在风カ涡轮机上方的空气动力学的气泡(aerodynamic bubble)。这种方法也消除了将Betz定律应用到整个风喷射润轮机。相反，Betz定律仅仅应用到风喷射涡轮机中的各独立的叶片。风喷射涡轮机可设计有容纳在壳体内的叶片，该壳体将风捕获和有效的冲击面积最大化。发电机可被设计成减少损失和提高效率。可以用发电机，诸如交流同步发电机、感应发电机、永磁体(PM)发电机、直流发电机、多步式永磁体RPM扩大器发电机(MSG),和脉冲磁控发动机(PMCG)而获得电产生。
附图中的部件不必须是按比例的，相反，重点放在示出本发明的原理上。在附图 中，在不同的视图中，相同的附图标记表示相应的部件。图I示出了根据本发明的示例性的实施方式的风喷射涡轮机的实施方式的透视和不意视图。图2示出了根据本发明的示例性的实施方式的，在单个结构或杆上的图I的风喷射涡轮机的多个实施方式的透视和示意视图。图3示出了根据本发明的示例性的实施方式的，图I的风喷射涡轮机的转动叶片的实施方式的透视和示意视图。图4示出了根据本发明的示例性的实施方式的，由图I的风喷射涡轮中的弹簧偏压的主叶片的实施方式的透视和示意视图。图5示出了根据本发明的示例性的实施方式的，在图I的风喷射涡轮机中的各转动叶片的端部处的磁体的实施方式的透视和示意视图。图6示出了在根据本发明的示例性的实施方式的，在图I的风喷射涡轮机的各转动叶片的端部处的永磁体和弹簧的实施方式的透视和示意视图。图7示出了根据本发明的示例性的实施方式的，风喷射涡轮机的主发电机电カ芯和绕组的示意图。图8示出了根据本发明的示例性的实施方式的，由图I的风喷射涡轮机产生的可变宽度的磁体信号的波形的示意图。图9示出了根据本发明的示例性的实施方式的，用于从图I的风喷射涡轮机产生直流(DC)电的主发电机电カ芯和绕组的示意图。图10示出了根据本发明的另ー个示例性的实施方式的，用于从图I的风喷射涡轮机产生交流(AC)电的主发电机电カ芯和绕组的示例的示意图。图11示出了根据本发明的示例性的实施方式的，用于感应、报告和控制激发感应磁体线圈的晶体管的控制电路的方块图。图12示出了ー图表，该图表示出了根据本发明的示例性的实施方式的，在ー组件中的“ U”形转子和定子线圏。图13示出了根据本发明的示例性的实施方式的，由图I的风喷射涡轮机产生电流的流程图。
图14示出了根据本发明的实施方式的，第二风カ涡轮机实施方式的三个视图。图15示出了根据本发明的实施方式的，图14的第二风カ涡轮机实施方式的多组风扇叶片的三个视图。图16示出了根据本发明的实施方式的，安装在可转动的支架上的图14的风カ涡轮机。图17示出了根据本发明的实施方式的，在位于风カ涡轮机叶片的中心中的毂处的能发电的风力涡轮机的内和外叶片的图表。图18示出了根据本发明的实施方式的，在自然环境中安装在图16的可转动支架上的第二风カ涡轮机。图19示出了根据本发明的实施方式的，在单个可转动支架上成对安装的ー对图14的第二风カ涡轮机的视图。图20示出了根据本发明的实施方式的，图17的内风扇叶片的视图，其中各叶片具有可变的俯仰角控制。图21示出了根据本发明的实施方式的，由碳纤维制成的图17的内叶片和外叶片。图22示出了根据本发明的实施方式的，图14的第二风カ涡轮机的剖切图，可确定多步式发电机线圈和绕组。图23示出了根据本发明的实施方式的，图22的多步式发电机线圈和绕组的特写剖切视图。图24示出了根据本发明的实施方式的，由图22的多步式发电机产生的60Hz的波形。
具体实施例方式与前面所讨论的已知方法不同，这里所披露的风喷射涡轮机克服了上述的限制。例如，这种风喷射涡轮机的其中一种实施方式可以是在风场中的风カ涡轮机。用于高压输电网应用的风喷射涡轮机的物理大小可以从几英尺到数百英尺。风喷射涡轮机的另ー示例性的应用可以是用于民用从而为建筑物产生1-2千瓦特到几兆瓦特范围内的电力。民用和商用风喷射涡轮机的物理尺寸可以从一英尺到若干英尺(诸如20英尺)。风喷射涡轮机的另ー应用可以是为车辆、轮船、飞机和/或任何移动交通工具提供千瓦范围内的电力。车辆风喷射涡轮机的物理大小可以从几英寸到几英尺。而且，使用风喷射涡轮机产生电力的方法不限于风，而是可以使用能产生カ以转动叶片的任何流体或物质(即，流体-其中流体包括风)，诸如水。风喷射涡轮机也可以用来为突发事件发电，诸如作为建筑物的备用电源。壳体和叶片设计可以通过转动标准发电机，诸如，具有如常规柴油发电机中的转子和定子，而产生电カ；或者可以通过使用直流(DC)发电方法发电；或基于利用磁体原理，多磁极RPM扩大器、与一个系统中的磁持续时间和电解除相结合的步进式发电的旋转电机的原理的新型发电机，而发电。这种类型的发电机的两个例子可包括多步式发电机(MSG)和磁脉冲控制发电机(MPCG)。转向图1，示出了根据本发明的示例性的实施方式的风喷射发电机100的实施方式的透视性的和示意的剖视图。风喷射发电机100可具有壳体102和与所述壳体102结合为一体的一个或多个金属绕组106、108、110、和112。在其它实施方式中，金属绕组106、108、110和112可以定位在所述壳体102内或者在所述壳体102上。壳体102也可具有帮助使所述风喷射发电机100进入风中的翼片104。所述壳体102或其它安装区域可以可转动地安装至杆112或其它支撑结构。一组或多组叶片，诸如阶段ー叶片114、阶段ニ叶片116、阶段三叶片118和阶段四叶片120可以可转动地固定在所述壳体内。所述多组叶片可以如同图I中所示的那样地固定到单个轴或者在其它实施方式中可以分别地固定到多个更小的轴。所述多组叶片，诸如114、116、118和120，可以分别固定到各自的毂(B卩，一组叶片114固定到毂122)，所述毂也可以围绕内部的金属绕组124转动。一组叶片中的各叶片可具有外叶片末端部分126，所述外叶片末端部分可以是磁的或电磁的。叶片可以具有如同在本示例性的实施方式中那样的，不从毂完全延伸到叶片末端的风扇部分，或者在其它实施方式中风扇叶片可以从毂完 全延伸到叶片末端。与常规的三叶片风カ涡轮机相比，使用风喷射涡轮机100可以获得占据相对小的面积且相对于风速的量的最大的电力。风喷射涡轮机100的壳体102可以被分成两个部分，部分A128和部分B130。在其它实施方式中，壳体可以由仅仅ー个部分或者多于两个部分制成。壳体102的部分A128捕获风并且将它引导到阶段ー叶片114和阶段ニ叶片116。在一些实施方式中，阶段ー叶片114可以在与阶段ニ叶片116相反的方向上转动。部分B130捕获经由部分A128而进入的风，以及通过形成在部分A128和部分B130之间的开ロ 132而导入的外侧风。部分B130捕获风并且将它引导到阶段三叶片118和阶段四叶片120。在一些实施方式中，阶段三叶片118可以在与阶段ー叶片114相同的方向上转动，并且阶段四叶片120可以在与阶段ニ叶片116相同的方向上转动。冲击叶片区域的风与反向转动的叶片结合增加捕获的风，同时提高了风喷射涡轮机内的稳定性。壳体102的形状提高了风速，并且増大了风喷射涡轮机内的空气密度，同时形成壳体102内的空气和外侧通过的风之间的密度差。根据公式(电力=O. 5X扫过面积X空气密度X速度3)，当冲击叶片时，空气密度提高壳体的内侧的风的电力。壳体102的内部部分可以被构造成或者形成为捕获通过大开ロ区域132的风并且引导风通过缩小直径的区域的内部(參见图I的B130)。内部部分的縮小的直径和面积导致风速和风密度增加，其转变成增大的电カ。图I的壳体102增加风围绕壳体102的外部行进的距离，并且在所述风喷射涡轮机的内部和外部之间形成风速差。这个差形成或导致壳体102的尾端处的真空并且提高行进通过内部部分的风的速度。与壳体102的外部上的低压相比，壳体102的内部中的增加的压カ和风速导致风喷射涡轮机的总体结构的更大的稳定性。与类似大小的常规风カ涡轮机相比，叶片末端的表面面积126可以增大，例如20至IJ100倍。外叶片末端的表面面积的增大经受巨大体积的风，并且形成非常高的转矩。图I的叶片设计是独特的，因为叶片的总面积位于在叶片组件的外侧的50%上，消除了内侧的50%，这样減少了叶片的总重量。通过消除叶片的内侧的50%，当前的方法引入端ロ空气动力学系统，其允许进入所述壳体102的风的内侧的50%在通过风喷射涡轮机而不中断，且使外侧的50%成角度地改变方向。
叶片设计形成文丘里效应，当通过风喷射润轮机100的壳体102的带端ロ的中心部分时，其使得风速增加。增加的内风速和离开涡轮机的改变方向后的外风速的结合导致在风喷射涡轮机的尾端(具有尾部104的端部)处的不变的风速。Betz定律在1926年发表并且定义从穿过转子的扫过直径的气团得到的电カ的量的限制是59%。Betz定律通过进入和离开涡轮机或叶片的不同的风速计算常规风カ涡轮机的电カ输出。风喷射涡轮机方法因此导致以相对不变的进入和离开风速产生非常大的电力。此外，目前的风喷射涡轮机方法通过使进入和离开风喷射涡轮机的风速大约相等而消除通常地形成在风カ润轮机上的空气动力学的气流分离区(aerodynamic bubble)。风喷射涡轮机方法也消除了将Betz定律应用到整个风喷射涡轮机。相反，Betz定律仅仅单独地 应用到风喷射涡轮机的各叶片。在将Betz定律単独地应用到风喷射涡轮机的各叶片而不是与整个涡轮机和叶片直径相关的情况下，获得风力涡轮机设计技术中的进步。通过使用标准公式LfXWp =Fp (杠杆英尺X翼磅=英尺磅)，涡轮机中的翼的数量乘以扭矩的英尺磅以得到风カ涡轮机的总电力，从而总电カ公式是总电力=(LfXffp) X翼的数量。通过具有在距离转动中心最远距离处(叶片末端126)的大数量的空气动力学叶片末端，风喷射涡轮机100能将施加在多组叶片(114、116、118、120)中的单独的翼上的风能转换成高转矩杠杆，导致比相似大小的传统风力涡轮机更高的电カ输出。与每个重达数千磅的传统的大三叶片式涡轮机相比，根据本发明的大风喷射涡轮机的各风カ喷射涡轮机叶片仅仅重数百磅。本发明采用更轻的叶片和结构，其能在不影响总组件的稳定性的情况下以更高的RPM转动，例如，是常规的风カ涡轮机的RPM的三到四倍。这种在高RPMs时的增加的稳定性消除了对传动装置/齿轮箱的需求并且同时利用RPM的増加产生额外的电力。而且，通过使用诸如铝或塑料等重量轻的材料，可以将较轻的叶片制造的更轻。例如，如果常规的风カ涡轮机具有25英尺的半径并且在20mph的风速时每个叶片捕获100磅的力，那么总转矩是25Lf X100X3ffp = 7，500f. lb.在本风喷射涡轮机方法中，用25英尺的半径(壳体102的前开ロ)，21个叶片和在20mph的风速时100磅的力，得到的转矩是25LfX100X21ffp = 52, 500f. lb.通过使用公式电カ(kff)=(转矩X2X3. 14XRpm)/60000，本发明采用具有小直径和高RPM的高转矩风喷射涡轮机。与类似大小的常规风カ涡轮机相比，风喷射涡轮机产生七倍的转矩和三到四倍的RPM，并且因此得到21-28倍的更多电力。在图2中，示出了根据本发明的示例性的实施方式的，具有连接到单个结构或杆210的多个风喷射涡轮机202、204、206和208的实施方式200的透视和示意视图。反向转动的叶片增加风喷射涡轮机202、204、206和208的稳定性，允许将它们彼此紧密接近地成组并且共用支撑结构，诸如杆210。更大数量的风喷射涡轮机也可以放置在与单个常规风カ涡轮机相同的空间覆盖区中。各风喷射涡轮机202、204、206和208可以具有尾部，其帮助保持风喷射涡轮机202、204、206和208面对风。在其它实施方式中，ー个或多个翼片可以定位在支撑结构上而不是定位在风喷射涡轮机上。转向图3，示出了根据本发明的示例性的实施方式的，风喷射涡轮机的转动叶片的实施方式的透视和示意视图。风喷射润轮机的叶片被设计成适于从ー mph到250mph的任何风速。风喷射涡轮机使用三种类型的空气动力学原理(I)用翼形叶片设计压缩，(2)用外侧的空气动力学本体设计形成真空；和(3)用可变的叶片俯仰角改变冲击角。其中叶片可以平行于风方向地以5-85度范围的可变俯仰角排列。可以用弹簧和轴，能改变叶片的俯仰角的液压联动装置或机械联动装置控制俯仰角。 阶段ー叶片114可类似于阶段三叶片118，但是其中叶片朝向相反的方向。阶段ニ叶片可类似于阶段四叶片，但是其中叶片也朝向相反的方向。风喷射涡轮机100通过利用多个叶片，例如20到1000个叶片，提高叶片的效率。多个叶片和減少的内叶片面积提高了所有阶段中的所有叶片的风冲击面积的效率，例如，通过消除所有阶段(114、116、118和120)中的叶片的内侧的50%或者消除阶段ー叶片114和阶段三叶片118的内侧的50%以及阶段ニ叶片116和阶段四叶片120的中部到外侧的50%。这允许大量空气穿过叶片的中心和侧部，因此空气动力学的气流分离区不形成在风喷射涡轮机100之上，并且消除将Betz定律应用到整个风喷射涡轮机。当前实施例中的风喷射涡轮机的各叶片具有59%的Betz限制。在图4中，示出了用于示例性的风喷射涡轮机100的叶片400和弹簧402组件的实施方式的透视和示意视图。一组叶片中的各叶片可以被设计有两个部分；两个部分都可以在相同方向上凹入，形成鸟的翼的类型的叶片。叶片的内表面面积增加捕获风的面积并且外表面减少叶片转动时的曳力。不同阶段的风扇叶片(114、116、118和120)的叶片也可以被设计有弹簧和轴。各风扇叶片，诸如叶片404，可在轴408旁边的杆或支撑件406上枢转。弹簧402或其它阻カ产生装置可以将风扇叶片404偏压在第一位置或静止位置处。弹簧402可以被形成为，使得当风速增加时叶片404打开或移动。例如，当风速从一英里每小时増加到二百五十英里每小时时，叶片可以从八十五度风向角移动到五度风向角。风喷射涡轮机的叶片可以通过发电机产生电力。电カ线圈和磁体可以被不同地绕线布置在同一壳体内以产生交流(AC)或直流(DC)电源。电发电机被设计成减少损失和提高效率。发电机部分中的电カ产生基于使用磁体原理与持续时间和被称作磁宽度调制(MWM)的电取消的组合在转动机器中产生电力的新原理。MWM原理可以应用到马达、发电或任何需要磁性变化的机器里。转向图5，示出了根据示例性的实施方式的，在风喷射涡轮机100的各转动叶片的端部处的感应磁体502的实施方式的透视和示意视图500。风喷射涡轮机100可使用位于叶片的末端处的主永磁体和/或感应磁体502。图I所示的主电カ线圈106，可定位在风喷射涡轮机的壳体102上或内。在组件的中心处并且连接至叶片(例如，參见图I的124)的小磁化发电机或电源可以感应和磁化芯,其成为位于各叶片的末端上的感应磁体502和绕组504。芯502的感应或磁化可周期地并且相对于叶片的转动速度地发生。磁化发电机124或电源可定位在风喷射涡轮机100的中心中并且相对于风扇叶片的转动速度(和磁化发电机124)増加或减少输送到叶片的末端处的感应磁体线圈504的电流。这样，用风扇叶片的转动改变磁强度的增强或减弱，其将增强或减弱风喷射涡轮机的电カ输出。换言之，电流的增加和减少是可与风速或风流速和/或者转动叶片每分钟的旋度或圈数(RPM)相关的。转向图6 ，示出了根据示例性的实施方式的，在风喷射涡轮机100的各转动叶片606的端部处的永磁体602和弹簧604的实施方式的透视和不意视图600。在永磁体602在绕组(參见图I的106)内转动的情况下，通过增加或減少永磁体与主电カ线圈(有时被称作绕组)的距离可以机械地控制磁通量強度的变化。永磁体602可以装备有位于叶片端部606处的可变的或偏压机构，诸如弹簧604，其响应于叶片的离心カ而移动并且调节和/或改变永磁体602相对于图I的主电カ线圈106的距离。通过使引入到主电カ绕组线圈106的磁化强度与风速同步，这将使得风喷射涡轮机100的电カ输出在任何风速最大化。这种可变磁化方法使风喷射涡轮机100能比常规的风力涡轮机更有效地利用最少量的风。在图7中，示出了根据示例性的实施方式的，风喷射涡轮机100的主发电机电カ芯和绕组的示意的表示700。感应磁体(芯502和绕组504)可位于叶片606的末端上。通过放置在主轴上的壳体102的中心中(即，在毂处)的小磁化发电机702可以给感应磁体供电。来自磁化发电机702的电カ可以响应于风速而变化，并且将相对于所述响应而磁化叶片的末端上的绕组。磁化发电机702可以是具有电カ输出的永磁体发电机,将该电力输出引导通过由控制电路控制的多种硅控整流器(SCR)和/或晶体管。控制电路可以关闭和打开SCRs和/或晶体管并且改变激发时间以产生所期望的振幅和正确的频率序列。通过控制穿过静态绕组的磁场，可实现发电机输出的完全控制。该完全控制允许通过使风速与晶体管激发时间同步，而使得风喷射涡轮机100的电カ输出在任何速度时都最大化。这种控制方法导致磁化振幅，以将风喷射涡轮机100的电カ输出最大化。电カ线圈、永磁体和/或感应磁体可以被不同地线绕在同一壳体内以产生交流(AC)或直流(DC)电源。交流电可以被输送到载荷或变压器，并且产生用于任何输电线网、商业、汽车、海上交通工具、和任何其它应用的期望输出。转向图8，示出了可变宽度的磁体信号802的波形的示意图的表示800。电カ线圏、感应磁体和/或永磁体被实现为可变磁波的发电机。可变磁波发电机方法可以被称作磁宽度调制(MWM)。电子控制系统将监控发电机输出波形800(例如，波形的电压、电流和零交叉)以及磁体或感应磁体相对于绕组位置的位置。电子控制将相对于波形和感应磁体位置开启信号源。信号源被引导通过电子信号隔离器和激发电路，从而以可变格式打开和关闭电カ晶体管，进而将输出波形802的潜能和频率矫正和保持在所要求的程度。激发电路被连接到晶体管，所述晶体管以可变形式(相对于源信号)穿过电流到达感应磁体中的绕组。在图9中，示出了根据示例性的实施方式的，以风喷射涡轮机100产生直流电的主发电机电カ芯和绕组的例子的示意视图的表示900。直流电可被输送到载荷或者加法汇流线然后输送到DC-DC和/或DC-AC转换器(也就是，静态转换器、反相器或电-机转换器，诸如马达发电机)，并且产生用于任何输电线路、商业、车辆、海上交通工具或其它应用的所要求的交流或直流输入。通过使用在叶片末端中、横过多个电カ线圈904的磁体，诸如磁体902，可以获得直流电的产生。电カ线圈904可以布置成和/或设置成接收磁体的负和正磁通量并且改变所述磁通量的电流方向以在ー个方向上产生ー个电流。通过使用电カ线圈连接装置和/或通过使用整流器906，诸如ニ极管/SCRs，从而为正和负磁通量形成从初始波形910得到的正直流波形908，而实现前述目的。转向图10，示出了根据示例性的实施方式的，直接产生交流电的示例性的风喷射涡轮机100的主发电机电 カ芯和绕组1002示意图的表示1000。通过利用改变磁场的持续时间以及相关的引入到电カ线圈1002的磁通量的方法，可以实现由风喷射涡轮机100直接产生交流电。通过利用永磁体末端或感应磁体末端1004，可实现上述目的。磁通量的振幅和频率随着时间的变化导致MWM并且可以具有如图表1006中所示的波形。可电子地或机械地控制和改变引入到在叶片的末端上的磁绕组1002的磁通量的变化，以产生如同在图表1008中所示的波形。MWM的机械控制优选为被设计有可变/不同宽度的通量发射永久、感应磁体以及接收电カ的线圈和芯。MWM的电控制优选为应用到永磁体末端设计并且优选为被设计有电子控制电路，所述电子控制电路以预定顺序产生用于晶体管的打开/关闭信号，类似于脉冲宽度调制，从而控制流到感应磁体的电流。晶体管的这种控制响应于时间和转动而在叶片的末端处产生受控的磁通量振幅和持续时间。參考信号1010感应波形的振幅、频率和零交叉并且然后将參考信号发送回到控制器。控制器利用參考信号纠正到达晶体管的激发信号，其接着作为相电力1016进给到绕组1012和1014。这样，MWM方法能产生完全的交流波形。例如，在曲线图1008中示出了磁场持续期间随着时间以先增加然后減少的方式变化。磁通量在磁通量交換区域，诸如永磁体1004中改变它的持续时间，到主电カ线圈或感应磁体到主电カ线圈。对于感应磁体，通过增大或减小磁通量交換区域的电カ线圈和芯的大小/宽度，和/或通过在叶片末端上的感应磁体的磁化持续时间，可以实现磁通量持续时间的变化。对于永磁体，通过增大或减小磁通量交換区域的电カ线圈和芯的大小/宽度和/或通过减小或増大永磁体的大小和/或叶片末端上的表面面积可以获得磁通量持续时间的变化。磁通量随着时间的变化产生增大和减小的波形宽度，当以更高频率总计和组合吋，其将导致组合的交流电カ波形。在图11中，示出了根据本发明的示例性的实施方式的，用于激发感应磁体的晶体管的感应、报告和控制电路的控制电路1100的方框图。控制器1102与叶片位置传感器1104、滑步參考位置传感器(chasse reference position sensor) 1106、波形位置传感器1108以及电力传感器1110和1112连通。控制器1102监控传感器并且产生控制信号以输送至晶体管、SRCs或其它控制输出电力1114的电子开关。控制的类型可以取决于风喷射涡轮机100输出的电流的类型而变化。晶体管、SCRs或其它电子开关1114也可以与感应磁体绕组1116连通以调节感应磁体的磁通量。控制器1102也可以连接到报告装置和端ロ，诸如测量和通信块1118。測量和通信块1118可以包括用于与控制器通信并且与读取与存储一起的数据的网络连接或调制解调器，诸如用于将操作数据和量度存储在数据库中以在稍后进行处理和报告的磁盘驱动器和存储器。控制器可以应用为单个控制装置，诸如嵌入式控制器或数字信号处理器、微处理器或者由ー个或多个嵌入式控制器、数字信号处理器、微处理器、显示器和逻辑装置(离散和模拟的)组成的控制和感应面板。
叶片位置传感器1104可以感应相对于感应磁体或磁体位置的叶片/绕组位置，并且将信号发送到控制器1102。当它横过零位置(零位置是电压为零和/或电流为零的时候)并且将信号传送到控制器1102时，波形位置传感器1108可以感应电流和电压。电力传感器1110可以监控输出电压和电流的强度并且将信号发送到控制器1102。测量面板和通信块1118转换、传送和显示风喷射涡轮机100的所有电力信息和电操作。控制器1102可以转换和以其它方式处理来自叶片传感器、波形传感器和电力传感器面板的所有进入信号。控制器1102接着可将合适的信号(打开和关闭信号)发送到晶体管和/或SCR电子开关1114，其控制相对于磁体的位置和波形的感应磁体的电流量、频率和电压。转向图12，示出了根据本发明的示例性的实施方式的，一起在一个组件中的U形转子1202和定子线圈1204的示图。发电机的物理布置、转动的数量和线圈的大小取决于风力涡轮机发电机100的kW大小而改变。永磁体的定子部分和MWM脉冲发电机可以被设计有无芯线圈1206。线圈可以放置在固定到主组件的圆形框架1208中。发电机的转子可以具有永磁体或感应磁体1210(多个磁体)，所述永磁体或感应磁体1210形成或设置在U形组件中，彼此面对,其中一个永磁体或感应磁体的正极侧面对其它永磁体或感应磁体的 负极侧，在那里磁体具有磁场或磁通量。U形转子组件允许转子包括定子部分，其中线圈将穿过U形转子并且以最佳的角度横过磁场。多个U形转子组件可以围绕所述发电机放置。在图13中，示出了根据示例性的实施方式的，用图I的风喷射涡轮机产生电流的流程图1300。1302 :具有至少一组图I所示叶片114的壳体，响应于力，诸如在通过该组叶片上的风或水，而在第一方向上转动。1304 :通过改变所述磁体的位置,或者如果使用感应磁体，通过改变流经感应磁体的线圈的感应电流，从而控制或改变由位于第一组风扇叶片中的风扇叶片的末端处的磁体产生的磁通量。可以以一种方式控制所述感应磁体的感应电流的改变和线圈的绕组的方向以产生交变电流，诸如MWM。1306 :当由位于所述风扇叶片的末端处的磁体产生的磁通量穿过所述主线圈时，可以产生电流。磁体被描述为定位在风扇叶片的末端处。术语“在末端处”可以意味着在风扇叶片的非常末端处，在风扇叶片的处于接近风扇叶片的端部的区域处的侧部中，或者在接近风扇叶片的端部的区域处连接到叶片。转向图14，示出了根据本发明的另一实施方式的，风力涡轮机的三个视图1402、1404和1406的图表1400。第一视图1402示出了具有内转动叶片1408 (第一组风扇叶片)和外转动叶片1410(第二组风扇叶片)，并且后面被称作内外转动叶片风力发动机(IORBW)的风力涡轮机的侧和后视图。I0RBW1402的本体可以具有围绕所述内和外风扇叶片的外壳体1412，所述内和外风扇叶片可以形成在具有用于流体的出口端口 1414的圆柱体上，诸如风或水流出所述I0RBW1402。圆柱体可以具有支撑内组风扇叶片的内侧表面和对补充转动叶片的外组风扇叶片进行支撑的外表面。圆柱体的壁或端部可称作出口端口 1414并且具有Z字形样式。IORBff的出口端口 1414的尾端的Z字形和似波纹形状产生了提升动量和转动动量，从而提高I0RBW1402的稳定性。在本实施方式中，所示的叶片被放置在圆柱形结构的内部和外部上，该圆柱形结构具有以Z字形边缘结束的出口端口 1414。为了风通过所述I0RBW1402以冲击它们，内叶片1408和外叶片1410可以被设置成平行于圆柱体的纵长。在目前的实施方式中，所述内叶片1408和外叶片1410可以是可调的，具有从85_5度的可变俯仰角。叶片的物理面积在不中断穿过所述I0RBW1402的风速的情况下增大风对所有叶片的有效的冲击面积。允许风在不减小风速的情况下穿过所述I0RBW1402的开口中心和叶片。这也防止在风喷射之上形成空气动力学的气流分离区(aerodynamic bubble)并且消除将Betz定律应用到整个I0RBW1402。这样，在不影响转动的转每分钟(RPM)的情况下，I0RBW1402增加叶片1408和1410的转矩输出，同时减少转动曳力。第二视图示出了 I0RB1404的面向前的示图。导风板1403可以是I0RBW1402的外壳体的组成部分并且将风(或者如果在流体环境中是流体)引导到外叶片1410/引导横过外叶片1410。在I0RBW1404的中心形成允许风或其它流体直接横过内风扇叶片1408穿过的孔。因为风或其它流体行进通过开口，可以减小所述孔的大小。通过使所述圆柱形的内侧表面在到达所述孔的入口处更宽并且在所述多组叶片之前较窄(孔贯穿所述圆柱体不具有一致的大小)以提高行进通过所述圆柱体的风或流体的速度，可以实现这种减小。第三视图是I0RBW1406的切剖的前和侧视图。外叶片1410可具有弯曲的凹入形状 并且被形成在与所述内叶片1408相反的方向上。出口端口 1416的Z字形端部在I0RBW1406中也是看得到的。I0RBWsl402、1404和1406利用行进通过壳体1412的风速转动叶片(内叶片1408和外叶片1410)同时维持所述风速。通过允许更多体积的风穿过所述叶片可以增加作用在叶片面积上的风冲击力，并且增大I0RBWsl402、1404和1406的电力输出。I0RBWsl402、1404和1406的内部部分可以通过开口捕获风并且引导风通过所述I0RBWsl402、1404和1406的内部。与外直径相比，内部可以具有减小的直径面积。所述内部部分的减小的直径和面积导致风速的增加，其产生更多电力。在图15中，示出了根据本发明的实施方式的，图14的IORBWs的多组风扇叶片的三个视图1502、1504和1506的图表1500。示出了壳体内风扇叶片1408和外风扇叶片1410。在图表1504和1506中，内风扇叶片1408和外风扇叶片1410被示为可转动地安装在可以具有Z字形端或边缘1414的圆柱形结构的内部和外部。当风在叶片之上穿过时，内和外叶片可以在相同的方向上转动。在其它实施方式中，内和外叶片可以在相反的方向上转动以抵消转动叶片所产生的扭力。叶片可以被应用为形成鸟的翼的外形的两个部分。当叶片转动时，这个形状增加风捕获面积同时减小外表面的拖拽力。这种方法导致用叶片可以增加由叶片产生的转矩并且减少转动的曳力。转向图16，在图表1600中示出了根据本发明的实施方式的，安装在可转动的支架或支撑件1602、1604、和1606上的图14的IORBffs 1402,1404 1406。可转动的支架1602、1604和1606被示为一直延伸到地面的单个杆。在其它实施方式中，不转动的支架也可以被用在可位于车辆或建筑物上的IORBWs上。I0RBW1602被示为具有尾部或舵1608。尾部或舵1608可以用来帮助转动I0RBW1602。当风或流体改变方向时，力被施加到所述尾部或舵1608并且I0RBW1602响应于该力而改变所面向的方向。在其它实施方式中，可以通过机械装置，诸如齿轮、杆、电缆和/或带、液压装置或电子装置，诸如电子马达和螺线管来转动I0RBWsl602、1604和1606。在图17中，示出了根据本发明的实施方式的，风力涡轮机1706的内叶片1702和外叶片1704的图表1700，该风力涡轮机1706发电机1708具有定位在位于风力涡轮机叶片1702和1704的中心中的毂处的发电机1708。内叶片1702可以沿着圆柱形本体1710的内部均匀地间隔开，并且被可转动地连接到圆柱体本体，使得转动叶片导致转动的能量被传递到位于圆柱形本体1710的毂或中心处的发电机1708。轮辐1712可以结合或连接具有圆柱形本体1710的发电机1708。外组叶片1704也可以与内组叶片1702 —起转动，并且用轮辐1712传递转动能量。风力涡轮机1706的支撑件1714可以将发电机1708支撑在圆柱形本体1710的毂或中心处或其附近。舵1716可以连接到风力涡轮机1706并且位于可转动的支撑件1714的一部分上。在其它实施方式中，舵1716可以位于IROBW的本体上或者连接到IROBW的本体。
转向图18，示出了根据本发明的实施方式的，在自然环境中安装在可转动的支撑件1602、1604和1606上的IR0BWsl402、1404和1406的视图。为了产生与常规的三叶片风力发电机相等的电力或能量，IROBWs需要更小的空间。当被放置在自然环境中时，这允许IROBffs是更少地突出。在图19中，示出了根据本发明的实施方式的，安装为单个可转动支撑件1902上的一对的图14的IR0BWsl402和1404的图表1900。通过将两个或多个IROBWs安装在单个支架上，可以进一步减少配置IROBWs所需要的空间。当与常规的三叶片风力发电机相比时，通过与常规的三叶片风力发电机所需要的相同量的面积可以产生明显更多的能量。转向图20，示出了根据本发明的实施方式的，图17所示的内风扇叶片1702的图表2000，其中各叶片2002具有可变的俯仰角控制2004。各风扇叶片，诸如风扇叶片2002可被可枢转地固定在枢转点2006，诸如铰链处。可变俯仰角控制2004可以用弹簧2008固定到风扇叶片2002。在其它实施方式中，可以使用杆或类似固定装置。可变俯仰角控制2004可以是电子螺线管，其响应于电子信号调节叶片，所述电子信号被响应于风速和RPM而发送。可变俯仰角控制2004也可以是固定所述弹簧并且可调节的块，使得风扇叶片2002在休息时处于第一位置，并且在风扇叶片2002转动时处于第二位置。使用与内组风扇叶片相类似的结构，也可以使得外组风扇叶片具有可变俯仰角。在其它实施方式中，单个可变俯仰角控制可以改变所有风扇叶片的俯仰角。在图21中，示出了根据本发明的实施方式的，可以由碳纤维制成的图17的内和外叶片组件2102、2104和2106。在其它实施方式中，风扇组件可以由铝或其它类型的金属、塑料、其它聚合物或者金属和塑料的组合制成。为了使低速的风能够转动风扇叶片，期望将结实的轻量材料用于内和外叶片组件。为了减少支撑或安装结构的大小，也期望使用结实的轻量的材料。转向图22，示出了根据本发明的实施方式的，识别多步式发电机线圈2202和绕组的图14的IR0BW1402的剖切视图的图表2200。线圈2202可以是固定的并且各风扇叶片可以具有将电流感应到线圈2202中的相关磁体。取决于实施方式，磁体可以是永磁体或电磁体(参见图5)。在图22中示出了多步式发电机，但是在其它实施方式中，可以使用磁脉冲控制发电机或常规的发电机。在图23中，示出了根据本发明的实施方式的，图22的多步式发电机线圈2202的特写剖切视图的图表2300。内叶片2302和外叶片2204可以经由支撑架2306连接到磁体。取决于实施方式，支撑架可支撑永磁体或用于感应磁体的线圈2308。风扇叶片(2302和2304)可以与支撑架2306和线圈2308 —起转动。当向线圈2308施加电压时，它具有横过电缆绕组或由多个电缆绕组组成的电缆堆2202的磁场或磁通量。简单地放置，磁体是独立的或者与电缆绕组或电缆堆2202间隔开，使得一个能在不接触另一个的情况下移动。可以由固定支撑轨道2310支撑电缆堆2202。可将盖放置在电缆堆2202和固定支撑轨道2310之上以保护不移动的电零件与元件。发电机可以被实现为直流发电机、感应发电机、同步发电机、多步式永磁体发电机(MSG)或脉冲磁控发电机。多步式永磁体发电机常规地具有多个绕组磁极和永磁体,它们的比率优选为是4 3或3 4。例如，三相模块可以具有六的倍数的定子绕组和八的倍数的转子永磁体(48个转子永磁体和36个绕组)。永磁体可以是U形的，其中两个磁体彼此面对(参见图12)。然后绕组可以穿过U形永磁体。一个多步式MSG可具有全部都在一个组件内的多个小发电机。例如，在多步式永磁体发电机中，具有带有36个绕组磁极的定子和48个永磁体磁极的转子的三相发电机有总共六个小发电机。各小发电机可具有三个相(A、B和C)。各相可以具有两个绕组，总共有六个绕组。多个小发电机可被暴露至转子的48个永磁体磁极。各小发电机将在一个完整转子转动的
12.5%的所有三个相中产生360度的完整波形。这可使得各小发电机在一个完整转子转动中被暴露到RPM八次。在转动机器时，电力公式是(单位为KW的电力=(转矩X 2X3. 14XRPM)/60，000)，因此，RPM越高，电力越高。IROBW内的所有小发电机的输出电力可以是同步的，并且可以选择性地连接在一起以产生小发电机的总电力输出。该输出常规地是同步的并且可与风的量和由叶片产生的扭矩相关。这样，MSG发电机可以以低风速和低转矩使用其中一个小发电机，并且当风速和转矩增加时将多个小发电机连接到输出总线。可以机械地(开关)、机电地(继电器/螺线管)或电子地(模拟/数字转换)实现增加至MSG主输出的各小发电机输出。多步式永磁体发电机内的各小发电机的输出可以连接在AC侧上，或者可以被矫正然后在矫正之后再连接。MSG方法可以独立于转子的转动速度地产生任何输出频率，诸如60Hz或50Hz。脉冲磁控发电机，可具有装备有永磁体或电磁体的转子，位于IR0BW1402的中心并且可以连接到转动叶片或叶片组件。固定的定子可以具有位于电力产生部分的外侧部分上的电力线圈和绕组，如同图14、16和23中所示的那样。磁化或励磁发电机可设置在IR0BW1402的中心中。励磁发电机可以被设计成将进给至控制/电力电路的恒定电力输送到转子绕组/电磁体，该控制/电力电路增加或减少输送到转子绕组/电磁体的电流。电流可以脉冲方式输送到所述电磁体，该脉冲方式以重复的形式增大或减小磁场的强度。可调节IR0BW1402的总输出电力的电压、功率和频率。优选为相对于风或流体速度，转矩和/或转动叶片的每分钟圈数(RPM)，通过脉冲电流的振幅和/或频率而调节电磁体的磁化。这种程度的调节使IROBW可利用少量的风，并且将它有效地转换成电力(参见图8和9)脉冲磁控发电机(PMCG)可由具有磁极绕组结构的转子组成。可以以4 3或3 4的比率布置电磁体和绕组磁极。例如，三相PMCG可以具有六的倍数的绕组和八的倍数的电磁体,诸如48个磁体和36个绕组。电磁体可以被设置为U形配置，其中两个电磁体彼此面对。绕组穿过所述U形电磁体。类似于MSG，所述PMCG发电机具有全部都在一个组件内的多个小发电机。使用上面的例子，定子具有36个绕组磁极和具有用于总共六个小发电机的48个电磁体磁极的转子。各小发电机可以分别具有三个相(A、B和C)，其中各相由两个绕组组成，总共有六个绕组。多个小发电机可暴露至转子的48个电磁体磁极并且在一个完整转子转动的12. 5%中在所有三个相中产生完整的360度的波形。PMCG发电机内的各小发电机的输出可以连接在AC侧上，或者能被矫正然后在校正之后再连接。PMGC电磁体可以由励磁机发电机供电。励磁机发电机可以是分离的发电机或者可被嵌入在PMGC内。励磁机发电机的输出可以进给到将交流电转换成直流电的电子电路(参见图11)。控制电路以诸如以脉冲宽度调制等的脉冲方式，将电流发送到电磁体中。控制电路可以由传感器、监控电路和控制器组成，诸如微处理器或数字信号处理器。控制电路产生的脉冲旨在控制电磁体的磁化以在PMGC的输出获得所要求的波形(参见图10)。控制电路或控制模块的另一功能可以是利用任何绕组或电磁体建立所要求的波形，诸如图24的波形。转向图24，示出了根据本发明的实施方式的，由图22的MSG2200产生的60Hz的波形2402的图2400。MSG2200中的各组绕组得到波形2402的一部分，诸如由2404表示的三 个部分。在PMCG的48个电磁体的例子中，控制电路通过使用一组绕组可以产生一个完整的60Hz波形2404以建立60Hz波形2402的第一个l/10th，通过使用另一组绕组以建立下一个1/10等等。为了示出和描述的目的，已经给出了实施方式的前述说明。它不是排它性的并且不将所要求保护的发明限定到所披露的精确形式。可根据本发明的说明或者通过实施发明而进行多种修改和变化。权利要求和它们的等同语限定本发明的范围。
权利要求
1.一种风喷射涡轮机，包括 第一组风扇叶片； 分别具有磁场的多个磁体； 具有内侧表面和外侧表面的圆柱体，其将所述第一组风扇叶片支撑在所述内侧表面上，并且该圆柱体连接到所述多个磁体；和 与所述磁体间隔开的至少一个电缆绕组，使得所述圆柱体的转动导致所述磁场横过所述至少一个电缆绕组的移动。
2.如权利要求I所述的风喷射涡轮机，其中所述圆柱体的端部具有Z字形形状。
3.如权利要求I所述的风喷射涡轮机，其中所述第一组风扇叶片中的各风扇叶片具有可以从第一位置变化到第二位置的俯仰角。
4.如权利要求I所述的风喷射涡轮机，其中所述圆柱体的所述内侧表面限定一不一致大小的开口。
5.如权利要求I所述的风喷射涡轮机，其中所述第一组风扇叶片由金属制成。
6.如权利要求I所述的风喷射涡轮机，其中所述第一组风扇叶片由铝制成。
7.如权利要求I所述的风喷射涡轮机，其中所述第一组风扇叶片由碳纤维制成。
8.如权利要求I所述的风喷射涡轮机，进一步包括在所述圆柱体的支撑件的所述外侧表面上的第二组风扇叶片。
9.如权利要求9所述的风喷射涡轮机，其中所述第二组风扇叶片中的各风扇叶片具有可以从第一位置变化到第二位置的俯仰角。
10.如权利要求8所述的风喷射涡轮机，其中所述第二组风扇叶片在壳体内。
11.如权利要求10所述的风喷射涡轮机，其中所述壳体具有将进入流体引到所述第二组风扇叶片的导流片。
12.如权利要求8所述的风喷射涡轮机，其中所述第二组风扇叶片由金属制成。
13.如权利要求8所述的风喷射涡轮机，其中所述第二组风扇叶片由铝制成。
14.如权利要求8所述的风喷射涡轮机，其中所述第二组风扇叶片由碳纤维制成。
15.如权利要求I所述的风喷射涡轮机，其中所述风喷射涡轮机包括尾部。
16.如权利要求I所述的风喷射涡轮机，其中所述磁体是永磁体。
17.如权利要求I所述的风喷射涡轮机，其中所述磁体是感应磁体。
18.如权利要求17所述的风喷射涡轮机，其中控制器控制流至所述感应磁体的电流。
19.如权利要求17所述的风喷射涡轮机，还包括多个电缆绕组。
20.如权利要求19所述的风喷射涡轮机，其中所述控制器启动至所述感应磁体的电流并且产生来自所述多个电缆绕组的交变电流。
21.如权利要求17所述的风喷射涡轮机，其中所述控制器控制启动至所述感应磁体的电流并且产生来自所述至少一个电缆绕组的直流电流。
22.如权利要求I所述的风喷射涡轮机，包括所述圆柱体外侧的壳体。
23.—种用风喷射润轮机产生电力的方法,包括 响应于流体冲击第一组叶片而将能量传递至所述第一组风扇叶片； 在所述第一组风扇叶片处接收到能量的情况下，转动具有内侧表面和外侧表面的圆柱体，所述圆柱体将所述第一组风扇叶片支撑在所述内侧表面上并且连接到多个磁体；和当所述圆柱体的所述转动导致与各所述磁体相关联的磁场的横过至少一个电缆绕组的移动时，在与所述磁体间隔开的所述至少一个电缆绕组中感应电流。
24.如权利要求23所述的方法，其中所述圆柱体的端部具有Z字形形状。
25.如权利要求23所述的方法，还包括将所述第一组风扇叶片中的各风扇叶片的俯仰角从第一位置变化到第二位置。
26.如权利要求23所述的方法，还包括当流体通过所述圆柱体时减小所述流体流经的面积。
27.如权利要求23所述的方法，包括将能量传递至位于所述圆柱体的支撑件的所述外侧表面上的第二组风扇叶片。
28.如权利要求27所述的方法，还包括将所述第二组风扇叶片中的各所述风扇叶片的俯仰角从第一位置变化到第二位置。
29.如权利要求27所述的方法，包括将所述第二组风扇叶片容纳在壳体内。
30.如权利要求29所述的方法，还包括用导流片将流体引至所述第二组风扇叶片。
31.如权利要求29所述的方法，包括转动所述壳体以使尾部面对所述流体。
32.如权利要求23所述的方法，其中所述磁体是永磁体。
33.如权利要求23所述的方法，包括用通过线圈的电流形成所述磁体。
34.如权利要求33所述的方法，包括以控制器控制通过所述线圈的电流。
35.如权利要求34所述的方法，包括响应于所述控制器而从所述电缆绕组产生交变电流。
全文摘要
在第一实施方式中一种风喷射涡轮机具有定位在圆柱体的内表面和外表面上的风扇叶片，允许风或流体穿过所述内叶片和外叶片并且导致增加的电产生效率，披露了一种风喷射涡轮机，包括第一组风扇叶片、多个分别具有磁场的磁体、具有内侧表面和外侧表面的圆柱体，所述圆柱体将所述第一组风扇叶片支撑在内侧表面上并且连接到所述多个磁体，和与所述磁体间隔开的至少一个电缆绕组，使得所述圆柱体的转动导致磁场的横过所述至少一个电缆绕组的移动。
文档编号F03D9/00GK102844564SQ201080029211
公开日2012年12月26日 申请日期2010年4月29日 优先权日2009年4月29日
发明者S.A.伯西克 申请人:S.A.伯西克