专利名称：动能控制系统的制作方法
动能控制系统
相关申请的交叉参考
本申请涉及2010年8月11日提交的题目为“Kinetic Energy ManagementSystem”的美国临时专利申请序列号61/372766，并且要求了其优先权。在该在先申请中的所有公开内容在这里被引用作为参考。技术领域
本公开总体上涉及能够控制呈振动机械输入形式的动能的能量控制系统。具体地说，本公开涉及用于吸收由行驶交通工具所经受的横向冲击或振动的能量控制系统。发明内容
这里披露了一种动能控制系统，其用于控制由行驶的交通工具所经受的振动，其中振动沿着大体上横向于交通工具运动方向的方向发生。
一种示例性动能控制系统包括机电减震器装置，它包括可动地附接至第二主体以便在它们之间进行往复运动的第一主体，所述第一主体具有能与之一起运动的绕组或线圈，并且所述第二主体具有能与之一起运动的磁体。磁体可以通过所述第一主体和第二主体的往复相对运动而相对于所述绕组运动，以便在绕组中产生出电流。所述第一主体或第二主体中的一个适于与经受交通工具行驶所在的表面的不规则性的交通工具部件接合，这些主体中的另一个适于与交通工具的承载部分接合，该承载部分被期望与由于表面不规则性而导致的振动相隔离。磁体和绕组的相互作用可以用来在往复动能和电能之间转换，所述往复动能与交通工具在不规则表面上的运动相关，所述电能与流经线圈的电流相关。交通工具可以为小汽车或卡车，并且表面可以为道路。可选的是，交通工具可以为船，并且表面可以为水面。
另一种示例性动能控制系统包括电磁减震器，其具有至少两个嵌套的磁性部件(例如环形磁性部件)，一个用来产生磁场的主动部件和一个被动部件，通过在主动部件和被动部件之间的相对运动从中将磁场能转变为机械能，或者反之亦然。被动部件可以为磁性活塞，并且主动部件可以盘绕的电绕组。为了将动能转变为电能，在交通工具沿着前进方向行使时，来自表面不规则性的外力使得这些磁性部件之间产生相对运动，从而导致电流流经主动部件。
在另一种机电减震器中，绕组或线圈限定有纵向轴线。两个固定磁体(在纵向轴线的每个端部处设置有一个)作用在相对于绕组可动地设置并且可以沿着纵向轴线移动的磁性活塞上。活塞和绕组之间的相对运动可以是水平的或垂直的，或者呈任意角度。
在另一个示例性系统中，机电减震器具有:由径向磁性源限定的细长通道；与径向磁性源共轴设置的绕组；在位于细长通道的相对端部处的固定位置中相对地设置的两个轴向磁体；以及设置在所述两个轴向磁体之间的活塞。径向和轴向磁体可以为稀土磁体，例如钕磁体。
该能量控制系统可以用来被动地吸收由于表面不规则性而导致的一部分横向振动，以及通过将该动能被动地转变为电能而提供用于随后使用的电能。可选的是，该能量控制系统可以用来通过向绕组选择地施加电流来主动地控制由交通工具承载部分所经受的横向振动的幅度或频率。该能量控制系统因此可以包括电子控制系统，以便控制向绕组施加电流以及调节由于磁体运动而在绕组中产生出的电流的使用。
该电磁减震器的第一主体和第二主体可以形成用于磁体、绕组、电子控件、减震部件和弹簧的封罩或外壳。主体可以构成为具有与普通机械减震器类似的形状和安装功能，或者针对特定的用途可以具有可选的形状和特征。
磁体可以为盘状组合物复合/合成的径向磁性活塞，其制造或选择为在其相应的表面上有效地呈现出具有相反极性的轴向磁极，以及有效地呈现出具有单个极性的径向磁极。
在另一个示例性装置中，活塞可以为复合磁体，该复合磁体具有响应于相对地设置的轴向磁体的轴向磁性部件和响应于径向磁性源的径向磁性部件，以便将活塞大体上保持在由线圈或绕组限定的细长通道内的漂浮位置中。相对地设置的轴向磁体的相对磁场将漂浮活塞限定在通道内，并且增大了来回摆动的数量和速度。可以设置用来限定通道的缸体，并且该缸体可以紧密缠绕有限定出绕组的环形铜绕线。在活塞通过绕组时，其运动产生出运动的磁场，这转变成流经绕组的电流。
附加的磁体可以围绕着缸体构成，使得活塞自由漂浮，从而降低了在活塞和缸体的壁之间的摩擦。
该能量控制系统可以与机械能控制系统(例如机械减震器或机械弹簧)并联或串联使用。可选的是，机械能控制系统可以结合到在这里所披露的类型的减震装置中。
在所披露的一种示例性能量控制系统中，采用电磁减震器的交通工具为小汽车或卡车，并且表面为道路。该电磁减震器与普通机械减震器或弹簧并联安装。可选的是，该机电减震器结合有机械减震部件并且替代普通的机械减震器。可选的是，该机电减震器结合有弹簧，并且代替了普通的机械弹簧。
在另一个示例性实施方案中，交通工具为船，并且表面为水面。电磁减震器可以安装在船体和与船体相邻地漂浮在水面上的浮筒之间。与船每一侧上的一个或多个浮筒联接的船的每一侧附近设有多个机电减震器。波浪的动作将使得磁体相对于机电减震器的绕组移动，从而在绕组中感应出电流以产生出电能，或者对于船响应波浪而进行的运动提供减震作用。也可以选择地给机电减震器的绕组供电，以在需要时将浮筒提升到水面上。
下面将参照附图仅通过实施例并且在没有放弃其它结构的情况下对能量控制系统的一些结构进行说明。
图1为包括普通机械减震器的现有技术汽车减震系统的示意图。
图2为普通机械减震器的示意图，示出了其操作，并且其内部部件处于伸展操作结构中。
图3为图3的减震器的示意图，并且其内部部件处于压缩操作结构中。
图4为与示例性电磁减震器并联安装的普通减震器的示意性透视图。
图5为与可选的示例性电磁减震器并联安装的普通减震器的示意性透视图。
图6为另一个可选的示例性电磁减震器的示意性透视图，它可以代替普通的机械减震器。
图7为图4的电磁减震器沿着其7-7线剖开的电磁减震器的剖视图。
图8为图4和7的电磁减震器沿着图7的8-8线剖开的局部剖视图。
图9为图5-7和9的电磁减震器的一些内部部件的分解示意图。
图10为与图9类似的分解示意图，但是示出了可选的示例性电磁减震器。
图11为与图7类似的剖视图，但是示出了具有结合到其外壳中的控制部件的另一个可选示例性电磁减震器。
图12为与图7类似的剖视图，但是示出了具有结合到其外壳中的阻尼部件的另一个可选示例性电磁减震器。
图13为与图7类似的剖视图，但是示出了具有结合到其外壳中的阻尼部件和弹簧的另一个可选不例性电磁减震器。
图14为包括用于船的电磁减震器的示例性线性动能控制系统的透视图。
图15为包括用于船的多个电磁减震器的可选示例性动能控制系统的透视图。
图16为图15的动能控制系统的侧视图。
图17为图15和16的动能控制系统的顶部平面图。
图18为图15-17的动能控制系统的前视图，示出了安装至船侧面的动能控制系统。
图19为具有结合到浮体中的电磁减震器的另一个动能控制系统的剖视图。
具体实施方式
现在参照这些附图，这些附图详细示出了示例性动能控制系统。虽然这些附图给出了能量控制系统的可选结构，但是这些附图不必是按比例绘制，并且一些特征可以放大以便更好地显示以及说明结构。在这里所给出的结构并不打算穷举，或者以其它方式将该装置限制于在下面详细说明书中所披露的确切形式。
现在参照这些附图，图1示意性地示出了现有技术汽车能量控制系统12的实施例，它采用了普通机械减震器10以使得交通工具的承载部分(例如乘客舱室)与在交通工具在不平坦的路面上向前行驶时所受到的车轮和车轴系统的振动隔离。如图1所示，现有技术能量控制系统12可以包括弹簧14(例如盘簧或片簧)，以进一步控制在悬挂部件16和18之间的振动。
图2和3示意性地示出了其内部部件分别处于伸展结构和压缩结构中的普通机械减震器10。如所示那样，普通机械减震器10通常具有杆11，所述杆在其末端上具有可往复运动地安装在缸体15中的活塞15，从而活塞13密封地接合缸体15的内壁。在杆11的自由端和缸体15的接收杆11的端部25之间还设有密封件17。浮动活塞19将缸体15分成储油室21和空气腔室23，活塞13在该储油室21中沿着缸体15的纵向轴线自由地来回摆动，所述空气腔室23远离活塞13设置。通过比较图2和图3可以看出，储油室21中的油抵抗由于输入给减震器10的振动而引起的活塞15的运动，由此吸收了在振动中的一些动能。浮动活塞19在通过杆11使得活塞13运动时响应于油在储油室21中的压缩而自由地运动。
参照图4，可以将电磁减震器50与普通机械减震器10机械并联设置，以将由减震器10和50受到的振动动能的一部分转变为电能。如图4所示，电磁减震器50可以构成为具有与普通机械减震器10相同的长度和直径，并且可以在相邻的安装位置中在与普通机械减震器10相同的部件之间延伸。可选的是，如图5所示，电磁减震器50’可以与普通机械减震器10不同地构成，并且可以在悬挂系统的不同部件之间或者在受到与普通机械减震器10不同的位移量的安装位置处延伸。尤其对于一些用途而言，希望有意地使用杠杆作用系统，从而电磁减震器50’和普通机械减震器10响应于振动而受到不同的力的水平，以便优化其负载吸收或电能产生特性。
可选的是，如图6所示，如在这里随后所述的那样，电磁减震器50’’可以制造为与普通机械减震器尺寸相同，并且具有结合在其中的减震部件。电磁减震器50’’因此可以代替悬挂系统中的普通机械减震器，因为它提供了两种类型的减震器的功能。
现在参照图7-13，这些附图总体上示出了各种示例性电磁减震器50、50’、50’’和50a，并且将对能量控制系统100的机械、磁性和电磁部件的总体布置进行说明。
总体上参照图7-9，这些附图示出了总体的电磁减震器50，并且更具体的参照图7，该图示出了贯穿减震器50的截面，将对磁性和电磁部件的布置进行说明。具体地说，电磁减震器50包括具有上端壁54和下端壁56的缸体52。第一杆58固定至上端壁54，该第一杆可以与悬挂系统上的第一适当安装位置连接。可与悬挂系统的第二适当安装位置连接的第二杆60插入穿过下端壁56中的孔，并且相对于缸体52往复运动。
磁性活塞64安装至缸体52内的杆60，并且被约束成响应于悬挂系统的第一安装位置和第二安装位置之间的相对运动而在缸体52内来回摆动。磁性活塞64可以压配至杆60或者通过其它装置(例如夹子)固定在杆60上。如在上述并且在这里被引用作为参考的相关美国专利申请序列号61/171641和PCT专利申请序列号PCT/US10/32037中所示和所述的那样，磁性活塞64可以为具有轴向磁性部件和径向磁性部件的复合磁体。
在壁54和56附近的缸体52内可以设置一对可选的轴向磁体66和68。磁体66和68与磁性活塞64取向为彼此呈现具有相反极性的表面。磁体68和66可以用来帮助磁性活塞64取向，并且控制磁性活塞64的来回摆动运动。
在缸体52内设有绕组(例如环形绕组70)，该绕组由圆柱形壁72保护以避开磁性活塞64。磁性活塞64几乎延伸至壁72。对于一些用途而言，希望磁性活塞64与壁72形成滑动密封。要理解的是，磁性活塞64在缸体52内的来回摆动运动将使得电流在环形绕组70中流动，因此使得绕组能够将悬挂系统中的振动动能转变为可以供交通工具使用的电能。相反，驱动电流穿过环形绕组70将在磁性活塞64上施加力，从而造成在杆58和60之间的相对运动，这又可以给悬挂系统的各个部件传递力以控制在它们之间的来回摆动运动。
电磁减震器50可选地包括与轴向磁体66相邻设置的另一个环形绕组74。环形绕组74也可以选择地供电以在磁性活塞64上暂时施加力，从而启动或帮助磁性活塞64的来回摆动。分别与环形绕组70和74连接的导线80和82从缸体52延伸至外部负载84，以便利用在绕组70中产生出的电流并且将环形绕组72和74连接至外部电源86和控制器88以选择地给绕组供电。
缸体52可以设有孔85，以便通气来冷却内部部件并且调节气压在磁性活塞64的相对侧面上的累积。
电磁减震器50可以构成为提供交流电流或直流电流输出。电负载84可以为能够耗电的一个或多个用电器、用来储能以便随后使用的一个或多个储能装置或电能分配系统。用于电负载84的示例性储能装置可以包括交通工具主电池或供控制器88使用的局部电池，并且因此可以为与电源86相同的部件。
虽然电源86、控制器88和电负载84示意性地显示为与电磁减震器50是独立的，但是任一个或两者可以与图6和11的电磁减震器50a结合，如在图11中最清楚地示出以及在下面所描述的一样。具体地说，一个或两个可以任选地附连至安装在缸体52的一个端部上的盖子90上。
图10示意性地示出了可选的电磁减震器50b，其中磁性和电磁部件的布置与上述那些类似，除了活塞64a以及轴向磁体66a和68a为环形以外。在这种布置中，活塞64a设置在环形绕组70a的外面。磁性活塞64a根据与上述图7和8的电磁减震器50的用类似标号标出的部件相同的原理与轴向磁体68a和66a以及环形绕组70a相互作用。
也可以有其它结构。例如，图12示意性地示出了可选的电磁减震器50’，其中已经包括有机械减震系统。具体地说，由壁72’包围的流体腔室90弹性弯曲，并且响应于由活塞64’的运动引起的压力而吸收一些振动。图13示意性地示出了另一种可选的电磁减震器50’ ’，其中已经包括有机械减震系统和弹簧94。具体地说，浮动活塞92接合着壁12”，并且可以响应于由活塞64’ ’的运动引起的压力而移动，以便吸收杆58’ ’和60’ ’之间的一些振动。缠绕在缸体52’ ’的外部并连接至杆58’ ’和60’ ’的弹簧94以与减震器50’ ’机械并联布置的方式设置。
应该指出的是，可以设置多个环形绕组。可以设置一个或多个被动环形绕组来根据活塞64、64’或64a的运动产生出输出电流。也可以设置一个或多个主动环形绕组来产生出与活塞64、64’或64’’的磁场相反的磁场，以便在期望主动来回摆动控制时选择地驱动活塞。被动环形绕组可以明显大于主动环形绕组。如上所述，通过活塞64、64’或64a与被动环形绕组相互作用而产生出的能量可以传送并且存储到储电装置84 (例如电池或电容)中。主动环形绕组可以使用之前由运动的活塞磁体与被动环形绕组相互作用而产生出并且随后存储在储电装置84中的电能。环形绕组可以缠绕在壁72上并且由壁72支撑，或者缠绕在由适当的非导电材料(例如塑料)形成的管上并且由管支撑。
要理解的是，机电减震器50、50’和50’’可以用于其它用途中(例如非车辆用途)作为发电机、马达、泵、压缩机、发动机或电力变压器中。在用作变压器时，可以将电能输入给被动环形绕组，并且从主动环形绕组中输出电能。在用作发电机时，可以通过使得杆相对于彼此进行往复运动来输入机械能，并且可以从被动环形绕组输出电能。能量转换装置的输出可以构成为直流或交流电流。例如可以通过能够使得减震器沿着其纵向轴线来回摆动的任意源来提供机械运动。可选的是，可以通过向主动绕组施加电流来给机械活塞施加机械运动。机械运动可以用于驱动压缩机或泵。可选的是，可以将压缩机或泵结合到减震器中。例如，磁性活塞可以密封地接合圆柱形壁的侧面，并且外壳的两个端部可以具有开口，以便允许由活塞运动泵送的空气或流体运动。
电磁减震器可以构成为如上所述的具有单组轴向磁体、单组环形绕组和单个活塞的单级。可选的是，装置可以具有多级，每一级具有至少其自身的活塞，这些级可以串联、并联或单独操作。在构造成具有多级时，各个级可以共享部件(例如外部或内部壳体)。可选的是，多个能量转换装置可以并联或串联地电连接或机械连接。
对于主动实施方式而言，可以提供控制算法，该算法能够分析表面的振动特性并且向绕组施加电流以提供活塞加速和减速，以便调节减震器50对地形的响应。该系统可设计成对变化的路况进行自调节。
现在总体上参照图14-19，这些附图示出了与上述动能控制系统中的一个类似的动能控制系统100的各个用于船舶的示例性的变型，并且将对动能控制系统100的机械、磁性和电磁部件的总体布置进行说明。
参照图14，该图示出了用于附接至船的、采用单个电磁减震器50的示例性动能控制系统100。减震器50可以为上述示例性减震器中的任意一种。动能控制系统100包括框架结构，该框架结构包括具有用于与船(在图14中未示出)的侧面相滚动接合的两个或更多轮子104的轴102。框架构件106通过在轴102和框架构件106之间延伸的两个或更多个横梁构件108而与轴102平行地固定。框架构件106附接至浮体(例如浮筒110)的顶部上。电磁减震器50在一个端部处与框架构件106连接，并且从中向其延伸以便与船(在图14中未示出)的侧面相互连接。
参照图15-18，这些附图示出了用于附接至船112 (参见图17和18)的、采用了多个电磁减震器50的示例性动能控制系统100a。动能控制系统100可以按照与对于动能控制系统IOOa所述的类似的方式附接至船112。动能控制系统IOOa的组成部件包括轴102、轮子104、框架构件106、横梁构件108和浮筒110，它们在形式和功能上与上面针对动能控制系统100所述的那些类似，除了多个电磁减震器50每个均在一个端部处与框架构件106连接并且从其向上延伸以便与船112的侧面相互连接以外。
每个减震器50的上端可以通过如图18所示的球形杆接头116或等同的结构而与船110的侧面连接。轴102类似地可以通过球形杆接头或等同结构附接至船112的侧面。如图18所示，在每个减震器50的上端处可以设置弹性行程限制器或震动止动件114，并且设计成用来将力矩保持在限制范围内以避免部件弯曲。横梁构件108可以与框架构件106可枢转地附接，从而轴102和横梁构件108形成枢转控制臂，以便控制浮筒110相对于船112的侧面的布置。如果需要，可以提供以一角度设置在枢转控制臂上方的第三框架部分，以用于对船112的附加固定。横梁构件108在长度上可调节以适应不同形状的船。示例性动能控制系统IOOa可以如此安装，从而减震器50与水面大体上垂直，并且球形杆接头帮助前后调整。
船112可以在船的每一侧上设有一个或多个动能控制系统100或100a。要理解的是，在船的每一侧上的动能控制系统100或IOOa不论船112是在运动或是锚固或停靠在码头处都可以从波浪作用中产生出电能。动能控制系统100和IOOa由于浮筒110的形状还限制了船112的前后运动(前后颠簸)和左右运动(摇摆)以给船112提供稳定性。具体地说，适当设计的长型浮筒用作舷外支架同时使拖动最小。在减震器50中的一个或多个绕组可以选择地通电以收缩减震器，由此必要时使得浮筒110从水中升起。
图19示出了动能控制系统的另一种结构，其中减震器50b的缸体52b装配到浮体110中的空腔118中并且附连在其中。
上面的公开内容因此提供了动能控制系统，该动能控制系统具有可以沿着第一纵向轴线移动的磁性活塞和围绕着第一纵向轴线设置的绕组，所述绕组与磁性活塞周期性地相互作用从而在绕组中感应出电流和电压，由此产生出电能。该系统可以具有多个所述绕组和多个磁性活塞，每个所述磁性活塞在所述绕组中的一个上周期性地施加磁场以产生出电能。该动能控制系统可以具有所述磁体或所述绕组中的一个，所述磁体或所述绕组中的一个与适于漂浮在水面上的浮动部件相互连接，并且所述磁体或所述绕组中的另一个与船相互连接，由此所述动能控制系统可以用来当船在水面上运动时控制船的横向运动。浮动部件可以为浮筒。可以在船的侧面和浮筒之间安装多个减震器。在船的每一侧上可以安装包括有浮筒和多个减震器的一个或多个动能控制系统。这些浮筒可以根据情况选择地从水中升起。
结合一种结构描述或展示的特征可以加入到或选择性地用在另一种结构中，包括在上面交叉引用中被称为相关申请的临时专利申请和2013年7月10日 申请日期2011年8月11日 优先权日2010年8月11日
发明者D·J·霍克伯格, G·E·彼得森 申请人:动态能源技术有限责任公司