利用流体引起的振荡的发电机的制作方法

专利名称：利用流体引起的振荡的发电机的制作方法
利用流体引起的振荡的发电机
公开领域
本申请一般涉及从流动的流体获得能量，且更具体地，涉及通过流动 的流体引起振荡并利用该振荡发电的能量转换器和发电机的独特设计。
背景与概述
例如风或水的流动的流体中存在的动能已成功地应用于生产性的人 类目的，例如碾磨谷物或抽水。开发出了风动发电机以利用这些流体流
(fluid flow)用于发电。现今，风动发电机具有涡轮或旋转翼的广泛存在 的形式。尽管这些基于涡轮的风力发电机在某些风速一直很高的开放空间 中一般是有用的，但缺点仍然存在，例如高昂的初始投资成本、除了窄的 风速范围外完全低效、在较低的功率输出水平(〈lkW)是成本效率不足，等等。
为了避免基于涡轮的装置的缺点，设计各种可选的发电机来利用其他 的自然流动现象。然而，由于设计的复杂性、增加的成本、对复杂安装结 构的需要、能量生产的低效、发电的不足、产生振动的效率低、限制于高 流动速度等，这些提议不是令人满意的。
本公开描述了有效地促进由流动的流体引起的振荡，并利用该振荡产 生电或其他类型的能量的独特的发电机的各种实施方式。在一方面，示例 性的发电机以沿着固定在两个或更多个点的张紧的膜或"带"引起的摆动 或涡旋脱落(vortices shedding )的组合的方式，来利用流体流的能量。膜 可具有拉长的(elongated)形状或促进利用流动的流体振动的已知的其他 类型的形状。示例性的发电机包括至少一个磁场发生器、至少一个电导体，和具有 至少两个固定端的至少一个柔性膜。膜在遭受流体流时振动。电导体和磁 场发生器中的一个连接到膜并配置成与膜一起运动。由流体流引起的膜的 4展动造成电导体和所施加的》兹场之间的相对运动。该相对运动造成施加到 电导体的磁场的强度的变化，且施加到电导体的磁场的强度的变化引起在
导体中流动的电流。发电机的一个或所有部分可实现为MEMS (微机电系 统)装置。在一方面，当膜不振动时，磁场的方向可基本上垂直于由电导 体围绕的区域。
示例性的发电机可进一步包括连接到膜的至少一个块状物(mass)， 以在膜遭受流体流时促进膜的运动或振动。在一个实施方式中，可提供功 率调节电路以调节引起的电流。功率调节电路可包括配置成对电流进行整 流的整流电路。在另一个实施方式中，磁场发生器包括至少一个永磁体。 在又一个实施方式中，示例性的发电机包括多组电导体，例如线圈。由多 组导体产生的电流可以串联方式组合。可提供可再充电的电功率存储装 置，例如电池或电容器，以由电流或充电。
在一个实施方式中，示例性的发电机进一步包括支持结构。膜的固定 端被固定到所述支持结构。电导体连接到膜。磁场发生器布置在支持结构 上。在另一个实施方式中，磁场发生器连接到膜，且电导体布置在支持结 构上。在另一个实施方式中，磁场发生器被定向为使得垂直于膜的平面射 出磁场(即，极间轴线(pole to pole axis ))。在又一个实施方式中，磁 场发生器被定向为使得平行于膜的平面射出磁场。当然，在每个相应的实 施方式中重新排列电导体以作为磁场方向的变化原因。
根据另一个实施方式，示例性的发电机包括可调张力提供器，例如发 动机，配置成根据流体流的速度在膜的固定端之间施加可调张力。可提供 传感器以产生指示流体流的作用的信号。在一方面，可基于电流调节张力。
根据另一个实施方式，示例性的发电机可包括多个柔性膜。在一方面， 膜可固定到相同的支持结构。
根据下面详细的描述，对于本领域技术人员来说，本公开的附加的方 面和优点将变得很明显，其中只是简单通过用于为实现本公开而设想的最
7佳模式的阐述，来显示和描述了本公开的示例性的实施方式。如将被认识 到的，本公开能够有其他的和不同的实施方式，且其一些细节能够在不同 的显而易见的方面进行更改，完全不偏离本公开。因此，附图和描述应认 为本质上是例证性的，而不是限制性的。
附图筒述


图1是根据本公开的示例性的发电机的透视图。
图2是例证性的实施方式的示例性的振动模式的侧视图。
图3是永磁体及其产生的场的示例性的方向的图示。
图4是用于处理由示例性的发电机产生的电流的电路的原理图。
图5是示例性的发电机的另一个实施方式的透视图。
图6是利用由流动的流体引起的振荡的示例性的发电机的又一实施方 式的透视图。
图7是另 一种振动模式的透视图。
图8是示例性的发电才几的定向4展动(orientation variation)的截面透一见图。
例证性实施方式的详细描述
在下面的描述中，为了说明的目的，陈述了许多具体的细节以提供对 本公开的全面的理解。然而，对本领域技术人员来说明显的是本公开可以 在没有这些具体细节的情况下实施。在其他例子中，为避免无谓地使本公 开难于理解，以方块图形式显示了公知的结构和装置。
示例性的发电机包括磁场发生器和用于将流体流，例如气流、水流、 潮汐等中存在的能量转换成振动或振荡的柔性膜。柔性膜包括连接到它的 至少一个电导体并具有至少两个固定端。膜在遭受流体流时振动。如在此使用的，术语"柔性"指具有这种能力的膜，即响应于所施加的力的作用， 变形为许多种确定和不确定的形状而没有损伤。
至少一个电导体可实现为连接到膜并配置成与膜一起运动的铝或铜 线圈。例如， 一个或更多的线圈被集成到振荡的膜中或集成到振荡的膜上。 那些线圈悬于相应的磁场发生器之上。在一个实施方式中，线圈借助于新
近研发的用于RFID标签和贴片天线的技术而被直接印到膜上。
由流体流引起的膜的振动造成电导体和所施加的磁场之间的相对运 动。该相对运动造成施加到电导体的磁场的强度的变化，而施加到电导体 的磁场的强度的变化引起在导体中流动的电流。
当使用风或气流驱动示例性的发电机时，风垂直于膜(例如具有拉长 形状的膜)的长轴线流动。流动的流体引起张紧的膜自发的不稳定(通常 所说的摆动)。在适当设计的变化形式中，膜的摆动导致有规律的、减小 的扭矩的高能量振荡模式。此模式经常称为振荡的第一简正模式(normal mode)。另外，涡旋脱落可沿着膜的边缘和表面发生，在某些情况下增强 振荡。
由此膜的振荡造成线圈相对于磁体运动。变化的磁场穿过由线圈限定 的闭合区域，因而在所述线圈内产生EMF。由此电流产生，而不要求振动 的膜物理耦合到活塞或凸轮系统来发电。此发电机工作在多种风速下，包 括比大多数基于涡轮的风力发电机所需的速度低的速度。而且，本公开的 示例性的发电机的成本基本低于大多数其他的基于涡轮的发电机，且没有 物理上研磨的部分提供了长时间、无噪音、免维修操作的可能性。不需要 引导用的钝体(leading bluff body)，尽管如杲需要的话可以使用这样的钝 体。
另外，示例性的发电机，特别是在小规格情况下，达到了比涡轮或基 于涡轮的发电机(例如那些使用传统的压电方法的发电机)更好的效率。 没有对基于翼的旋转涡轮的贝兹极限(Betz limit)的限制，可为此改进的 风力发电机类型确定较不严格的效率限制。在此公开的概念解决了许多领域中对于能量的需要，这些领域从用于
小规格RF传感器阵列的能量获得到分散的农村电气化，到并网式 (grid-connected )大规模的电力供应。
在某些实施方式中，振荡处于有两个相对固定的节点的模式中，而在 其他实施方式种，可设立跨过膜的多个节点。此外，在某些实施方式中， 线圈置于膜上且相对于固定的一组〃磁体运动，而在其他实施方式中，线圈 静止在支撑物(mount)上，而磁体被固定到运动的膜。另外，可通过永 磁体或电磁感应产生磁场，将由发电机产生的一些电送入电磁体的配线中 以保持它们的场。线圈可呈现不同的形状、结构或形式。
图1描示了根据本公开的示例性的发电机100。发电机100包括拉长 的膜2、两个线圈4a、 4b和支持结构6。支持结构6包括底部8及其用于 容纳永磁体12a、 12b的两部分。提供了粘合剂14a、 14b以将膜2连结到 底部8。在底部/膜上或远离底部/膜提供功率调节电路以处理由线圈4a、 4b产生的电流。线圈4a、 4b粘附到膜2的表面或粘附到膜2中，并分别 悬在磁体12a、 12b的上方。两导线16a、 16b分别耦合到线圈4a、 4b。施 加到膜2的张力是膜2的弹性和底部8的物理特性(即杨氏模量等)连同 底部8的端部之间的特定距离的函数。
图1中所示的示例性的发电机100如下操作。流体的流动，可包括例 如水的液体流动，或空气的流动，例如在人工通风系统或自然风中存在的 空气的流动，这种流体的流动跨过拉长并张紧的膜2行进。此流体流在近 似垂直于膜的长轴(majoraxis)的方向上行进，这之后膜的自激振荡将会 开始。此振荡通常以膜2的轻微扭转起始。然而，这种初始状态将快速(约 < 1秒)稳定到扭矩减小的最低简正模式的振荡，例如图2中所描示的。 随着膜2的振动，线圈4a、 4b将在固定的永磁体12a、 12b之上，同样地 与膜2—起振荡。图2中示出了此振动的侧视图。
图3示出了在线圈4a、 4b下方的磁体12a、 12b的示例性的方向。磁 场定向为使得线圈4a、 4b的闭合区域被垂直的场线越过，如最初由迈克 尔-法拉第所描述的。应注意，磁体的几种定向将产生恰当定向的磁 。随 着线圈4a、 4b相对于固定的磁体12a、 12b移动，通过线圈4a、 4b的该场的强度变化。磁场的此变化产生电动势(EMF)。依赖于载荷状况、内阻、
阻抗以及一 系列的因素，EMF产生电流，即电子的流动。
在振荡的第一简正模式中，线圏4a、 4b近似彼此同相地振荡。流过各 导线16a、 16b的电流可以结合，而没有明显的相消干涉。依赖于馈入与发 电机IOO关联的功率调节电路的期望的电压和电流，导线16a、 16b可并联 或串联连接。
图1中显示的结构有效地将整个膜的振荡的能量集中在一个或更多的 离散区域。这以与杠杆将大的平移的运动"浓缩"成具有较大有势力 (potential force)的较小的运动的方式类似的方式起作用。该靠近膜的端 部的较大的力允许并入较重和较厚的线圈，而不减弱掉振荡。因此，需要 较小的磁场来填充线圈经过的较小的空间体积，这说明磁体成本较小。另 外，通过很大程度上将线圈放置在流动的流体的通路之外，膜的中心区域 的大部分可响应那些流动，而没有配线的妨碍。
图4显示了对于低风速使用串联连接来达到较高的电压的示例性的功 率调节电路40的方块图。电路40包括整流器41、平滑电容器42、步升 电源(step-up supply ) 43，和储能装置44，例如可再充电的电池或超级电 容器。整流器41和平滑电容器42将交流电形式的线圏4a、 4b的输出转换 成平滑的直流。如果期望有特定范围的电压用于终端应用，则将DC电流 馈入步升电源43或升压转换器。提供储能装置44以在该应用吸取的电流 和来自发电机100的线圈4a、 4b的供应之间进行緩冲。
如图1所示，底部8呈现弓形的形状。在短时间的偏移(deviation) 过程，弓形底部在膜2上提供近似恒定的张力。这样，在膜2随时间伸展 时，底部2的弹簧作用保证膜2保持在特定的张力下。应理解，其他形状 的底部可用于实现发电机100。也可使用平的不弯曲的底部，膜2本身的 自然弹性能够满足相同的效果。在另一个实施方式中，恒力弹簧(例如贝 勒维尔垫圈(Belleville washer))或柔顺机构(compliant mechanism )可 连接到膜的端部或并入底部本身的结构中，这使得在较长的时间段内，在 膜2上能够保持更可靠的恒定的张力。对于膜被垂直定向的实施方式，可 通过对膜2或底部8附加重量，由地球引力生成恒定的恢复力。在另一个实施方式中，反馈系统安装到发电机100中以在更高的风速
中提供或应用膜2更大程度的张紧。此反馈系统可以多种方式实现，例如 在安装结构的底部2内安装螺线管。随后螺线管的推力可与线圈4a、 4b 的电输出一致地变化。在另一个实施方式中，使用随着输入电压的变化而 改变形状的记忆合金或电介质材料，以响应于由传感器检测到的风速来改 变膜2的张力。
图5描示了使用本公开的概念的示例性的发电机500的另 一 个实施方 式，其中线圈52覆盖了膜表面54的较大区域。为了保持相似的电功率输 出，将需要更多的永磁体56来提供类似地放大的磁场。图5中描示的设 计对很小的发电机特别有用，例如MEMS装置或"片上发电机"，其中覆 盖膜的较大部分的线圈是可接受的，因为充满线圈的平移的体积所需的磁 场具有有限的量级。
图6示出了图1中显示的实施方式的变化形式。在膜2上提供了至少 一个块状物62。块状物62可包括具有对称或不对称的形状的一个或更多 的轮廓低的物体(low-profile object)。对于具有较大尺寸的(例如长度>0.5 米)膜，所附着的块状物62提供膜2的更剧烈的振荡。在某些情况下， 块状物62起作用以在振荡的开始提供不稳定性的来源，由此引起膜2的 轻微的最初的扭转。然而，块状物62的位置和几何形状以及膜2的张力、 宽度和长度可以制成使得此不稳定性快速地转变成扭矩减小的第一简正 模式的振荡。
图7描示了本公开的另一个实施方式。在此实施方式中，线圈和膜的 布置类似于图1中显示的发电机。然而，使图7中的膜以振动的其他简正 模式振荡，例如图7中所示的第二模式。在功率调节电路中，可能需要一 些简单的改变以适应多个线圈的异相振荡，而对于较大的发电机，这些替 换的模式可在效率上提供显著的增益。
尽管图1和图5-7中所示的实例包括关于一组固定的永磁体移动的一 个或更多的线圈，但应理解，可以实现在膜上放置磁体并因此使磁体相对 于固定的线圈移动的其他的实施方式。这样布置的优点在于来自线圈的引线不经受任何弯曲应力，所述弯曲应力如在移动的线圏实施方式下可能出 现的。
另外，尽管线圈可如图1所示基本上平行于拉长的膜2的表面放置，
但另一个选择是将线圈布置成连接在膜2之上或以下，基本上更加垂直于
膜。当然，永磁体的磁场的定向将需要被改变以适应这样的变化。类似地，
线圈相对于膜的这种再定向选择还应用于磁场发生器连接到膜2而线圈固 定到底部8的实施方式。图8示出了定向磁场发生器(例如磁体72)以便 平行于膜2的平面射出磁场(即，极间轴线)的实施例的截面图，其中相 应的线圈在所述磁场发生器的侧面。如图8所示，永磁体72连接到基本 上刚性的构件74，构件74本身以大致垂直的布置连接到柔性膜2。永磁 体72产生的场被引导通过线圈4a,线圈4a用支承件76支持靠近磁体72。 当膜2振荡时，永磁体72也将振荡。此振荡将使被引导通过线圈4a的磁 场的强度改变，由此产生EMF。此特定的实施方式有在宽范围的振荡速率 下避免磁体-线圈接触的优点，因为磁体72沿着线圈4a的面移动，而不是 朝向及远离所述线圈移动。附加的线圈可放置在》兹体72的相对的侧上以 受益于另外的极。根据一种变化形式，线圈4a和磁体72可用含铁材料支 持(back with),以便形成完整的磁路，如在此申请的其他部分中所描述 的。
根据另一个实施方式，不是将线圈附着到膜，而是直线发电机可被耦 合到振荡膜2。尽管实现此耦合的最直接的方法是在直线发电机的磁体和 膜之间连接轴状物或线状物(thread)，但装到膜上的较小的磁体可用于 不接触而通过排斥或吸引在直线发电机的磁体中激励振荡。直线发电机的 磁体的振荡的固有频率优选匹配膜的驱动振荡的固有频率。此实施方式允 许大的发电机安装以提高效率。
可提供附加的变化形式以提高示例性的发电机的性能，以用于特定的 应用。例如，可期望用铁氧体粉末(ferrite powder)或层状含铁金属填充 发电机的线圈以增加通过线圈的磁通量。另外，如本领域所公知的，永磁 体产生的磁场可通过在磁芯周围适当地放置层状或粉末状的铁磁体或铁磁材料而制成"完整的回路"。此技术保证最大的磁场被引导到线圈的区域。
许多铁磁材料可被用作发电机中磁场的源。NdFeB稀土磁体、陶瓷磁 体、铝镍钴磁体和钐钴磁体是一些比较普遍的选择。
另外，在发电机应用也称为励磁线圈(field coil)的电磁体可用来代 替永磁体作为磁场的源。空芯或铁磁芯的一个或更多的线匝可以起励磁线 圈的作用。这些励磁线圈在芯中充满着小的残余磁场，以在移动的膜线圈 中引起最初的小EMF。此电流的一部分转回到励磁线圈中，仍导致较大的 场。此增大的场导致在振荡膜线圈中产生的增加的EMF，且此正反馈循环 继续直到达到一平衡，在该平衡点，励磁线圈产生类似于由永磁体产生的 场的强场。这些有时被称为自激发电机，通常被分类到"串励"发电机、
"并励，，发电机或"复励"发电机的子集中，它们的原理在本领域中是公 知的。另一个可能性是使用被分别激励的励磁线圈，电流对于由外部源提 供的场来说是必要的。这两种非永磁体的选择对于大的永磁体的成本高的 惊人的较大的安装特别有用。
一些其他的变化形式涉及到膜。膜的形状不必限于矩形。确切地说，
锥形的膜和各种几何形状的膜可在某些标准下提供很大的优势。另外，膜 不必限于薄膜或织物的平坦的网状结构，但也能够制成更接近于大致翼的
外形，以提高拉长的柔性膜的振荡特性。此外，网状结构不必是全部连续 的，而可以包括孔或凹陷处。在某些情况下，以安装膜的线圈为中心的孔 可允许底部安装的磁体部分地穿过所述线圈，由此防止在某些实施方式 中，在剧烈振荡过程中膜-磁体的碰撞。
现在为止所描述的大多数实施方式也可以被定向在任何方向上，例如 垂直地安装在极上，或水平地安装在两个塔(tower)之间，或任何组合或 组合的变化形式。本公开示例性的发电机可用任何数量的膜材料，例如 ripstock尼龙、超薄聚酯薄膜、涂覆聚酯薄膜的塔夫绸(mylar-coated taffeta )、 Kevlar带，或聚乙烯薄膜，以列出很多可能中的很少的几个。
也能在动力装置中使用多个发电机以提供不同的水平的电力用于给 定的区域或应用。经济有效的实施方式涉及使用具有嵌入的线圈的两个膜，每个膜放置在永磁体的相对侧上。此布置允许利用磁场的两极。此双 膜变化形式的每个膜的AC输出可以不同相，因而能够被分别地整流和调
节，并随后重新组合为附加的DC输出。明显地，许多的这些发电机可堆
叠到塔上或布置在框架中以获取大的截面积的风的能量，而不是只获取单 个发电机单独所见的小区域。
示例性的发电机的另 一 个变化形式包括在两个远距离的点之间伸展 的膜，例如，在两个建筑物之间或在两个塔之间伸展的膜。在此情况下， 延伸膜的全长的底部是不必要的。确切地说，在膜的端部的夹具能够为膜 和场的源(不管该源是一组永磁体还是励磁线圈)提供支持。弹簧或专门 设计的柔顺机构可并入夹具中，以使得对膜施加恒定的张力，甚至跨过大 的距离。
根据本公开的示例性的发电机的优点涉及对非常高的风速的反应。一
般地，在传统的水平轴涡轮或垂直轴发电机中，巻起机构(furling mechanism )必须被加入发电机的设计中。此巻起机构使发电机的叶片由 于风流而弯曲，以在高风速条件下避免灾难性损害。该附加物在传统的基 于风的发电机中是昂贵且复杂的部件。在某些情况下，尽管会防止巻起， 但是涡轮叶片的大量的动能仍是危险的。相比之下，根据本公开的示例性 的发电机在谨慎选定的张力条件下工作。因此，在可能危及发电机的高速 风中，可简单地减小膜的张力，或膜轻微地扭曲以大大减少发电机到风流 的耦合。当该情况发生时，膜将停止振荡直到其重新开始是安全的为止。 此外，如果膜确实出现灾难性的故障并从安装结构脱离，那么与传统的基 于涡轮的发电机相比，对于周围区域的危险也是小的。
根据本公开实现的发电机在各种不同的功率标准(power scale)下有 许多的应用。例如，可在建筑物的HVAC管道遍布数百个根据本公开的小 的发电机。这些发电机能够引流空气流遍及整个管道网以向附近的无线传 感器提供连续的电力供应。这些传感器的阵列在"智能建筑物"的结构中 是重要的。然而，结构中需要的传感器经常使用寿命三到五年的电池，这 在传感器十或二十年的寿命周期中，在很大程度上增加了它们的维修成 本。根据本公开实现的并遍布HVAC管道的发电机减少了对电池的依赖，
15并扩大了此分布式的、长寿命传感器阵列的领域的范围。根据另一个实施
例性的发电机自身可起风速传感器(wind sensor)和传输该传感器信息所 需的电源的作用。
根据本公开的发电机的另 一个重要应用是农村照明设备(rural lighting)，主要是新兴经济体中的农村照明设备。发展中国家中的多数家 庭花费他们百分之二十的年收入在煤油上以用于照明(一类冒烟的，基于 燃料的照明设备，有火灾危险和室内空气质量健康危害)。通过使数十瓦 标准的根据本公开的发电机与高效白光LED耦合可实现新的照明系统。新 系统可持续地在十年或更长时间提供清洁、廉价的照明设备并可用几个月 的煤油费用(USS10-S50)的价值支付。本公开示例性的发电机的相关应用 是为无线数据传输网(例如WiFi或网状网络)中的节点提供动力。
根据使用图1中示出的结构的一个实施方式，膜有具有两个固定端的 拉长的形状。膜由涂覆聚酯薄膜的塔夫綢制成，尺寸是440mm长，25 mm 宽及O.l-0.15mm厚。两个线圈在距每个固定端74mm处附着到膜。线圈 由38 awg的涂覆搪瓷的线制成，每个线圈有约150匝且电阻约25欧姆。 线圈内径约3/4",而外径7/8"。这些线圈串联配线以实现约50欧姆的总电 阻。底部由丙烯酸类(acrylic )制成。两个圆柱形NdFeB》兹体布置在线圈 之下。磁体厚1/2"，直径3/4",且产生5840高斯的表面场。膜的峰-峰垂 直振荡约20mm。此实施方式在匹配的负载上，在9-10mph的风速(4-4.5m/s) 下产生约15-20 mW，这足以为无线收发器提供动力来用于信息的连续RF 传输，例如温度和电压，并对无线收发器中的电容器充电。此实施方式的 较小的尺寸使其适合于工作在HVAC管道中以便收获气流的能量以为传 感器阵列提供动力。
在另一个实施方式中，根据图1中显示结构而构造的示例性的发电机 使用较大的膜，该膜由涂覆聚酯薄膜的塔夫绸或ripstock尼龙制成，且为 1.75米长，50mm宽，在钢和HDPE底部上。在一个实施方式中，尺寸约 1.5" x 1.5"的薄矩形钢片附着到膜的中间以起如在图6中示出的块状物的 作用。两个28 awg的线的矩形线圏靠近带的端部被附着并悬于相应的矩形NdFeB磁体之上。通过此示例性的发电机在匹配的负载上，在10mph的风 速下产生的这种功率约0.5- 1 W，适合于对手机充电或为农村地区的照明 设备提供功率。
尽管利用获取气流的能量的实例描述了以上实施方式，但应理解，也 可应用相同的设计以获取水流的能量。例如，具有更改的膜，具有较小的 粘性阻力特性的发电机，可放置在海底以获取海流的能量。另外，以类似 于在所讨论的HVAC系统中的能量收获的方式，基于本公开的原理的发电 机可并入水管线路中。可使用海流和风力发电机的组合以在开阔的水体上 形成遥感器阵列，尽管单独的海流或风力发电机也能够用于此用途。
应理解，在此描述的示例性的发电机的一个或更多的部分或模块可被 单独地销售以便组装到如本公开中描述的发电机中。例如，可提供能量转 换器以用于具有磁场的发电机中。转换器包括至少一个柔性膜。每个膜具 有至少两个固定端，并暴露在磁场中(当用于发电机中时)。另外，膜在 遭受流体流时振动或振荡。每个膜具有至少一个连接的电导体。由流体流 引起的每个膜的振动造成导体相对磁场的运动。导体的相对运动造成施加 到电导体的磁场强度的变化。施加到电导体的磁场强度的变化引起在导体 中流动的电流。还应理解，发电机可利用多组能量转换器来以较大规模产 生能量。
根据另 一个实施方式，提供示例性的能量转换器以用于包括至少 一个 磁场发生器和至少一个电导体中的一个的发电机中。转换器包括至少一个 柔性膜和连接到膜的至少一个磁场发生器和至少一个电导体中的另一个。 每个膜具有至少两个固定端。另外，每个膜在遭受流体流时振动。由流体 流引起的每个膜的振动造成了至少一个导体和由至少一个磁场发生器产 生的》兹场之间的相对运动。该相对运动造成施加到至少一个电导体的磁场 强度的变化。施加到至少一个电导体的磁场强度的变化引起在至少一个电 导体中流动的电流。
本公开已参考其具体的实施方式进行了描述。然而，明显的是可对发 明作出各种更改和改变而不偏离本公开广泛的精神和范围。本公开中描述的原理可应用到网络化的显示系统的不同操作中而不背离该原理。因此， 说明书和附图应认为是例证性的而非限制性的意思。
权利要求
1.一种发电机，包括柔性膜，其具有至少两个固定端，其中所述膜在遭受流体流时振动；电导体和配置成对所述电导体施加磁场的磁场发生器，其中所述电导体和所述磁场发生器中之一连接到所述膜并配置成与所述膜一起运动；其中由所述流体流引起的所述膜的振动造成所述电导体和所施加的所述磁场之间的相对运动；由此所述相对运动造成施加到所述电导体的所述磁场的强度的变化；以及施加到所述电导体的所述磁场的强度的变化引起在所述导体中流动的电流。
2. 如权利要求1所述的发电机进一步包括支持结构，其中 所述膜的所述固定端被固定到所述支持结构； 所述电导体连接到所述膜；以及 所述^P兹场发生器布置在所述支持结构上。
3. 如权利要求1所述的发电机进一步包括支持结构，其中 所述膜的所述固定端被固定到所述支持结构； 所述磁场发生器连接到所述膜；以及 所述电导体布置在所述支持结构上。
4. 一种MEMS装置，其包含如权利要求1所述的发电机。
5. 如权利要求1所述的发电机进一步包括连接到所述膜的块状物。
6. 如权利要求1所述的发电机进一步包括耦合到所述导体并配置成 调节电流的功率调节电路。
7. 如权利要求6所述的发电机，其中所述功率调节电路包括配置成 对电流进4于整流的整流电^各。
8. 如权利要求1所述的发电机，其中所述磁场发生器包括至少一个 永磁体。
9. 如权利要求1所述的发电机，其中所述导体包括多组线圏。
10. 如权利要求9所述的发电机，其中在所述多组线圈中产生的电流 被以串联方式组合。
11. 如权利要求1所述的发电机进一步包括配置成由所述电流充电的 可再充电的电池或电容器。
12. 如权利要求1所述的发电机，其中根据所述流体流的速度调节所 述膜的所述固定端之间的可调的张力。
13. 如权利要求12所述的发电机进一步包括配置成产生指示所述流 体流的作用的信号的传感器。
14. 如权利要求12所述的发电机，其中基于所产生的所述电流调节 所述张力。
15. 如权利要求1所述的发电机，其中当所述膜不振动时，所述磁场 的方向基本上垂直于由所述电导体围绕的区域。
16. 如权利要求2所述的发电机进一步包括至少一个附加的柔性膜， 每一个所述附加的膜都包括固定到所述支持结构的至少两个端部和暴露 到由所述磁场发生器产生的所述磁场中的连接的电导体，其中每一个所述附加的膜在遭受流体流时振动；以及由所述流体流引起的每一个所述附加的膜的振动造成连接到每一个 所述附加的膜的所述电导体和所述磁场之间的相对运动；由此所述相对运动造成施加到连接到每一个所述附加的膜的所述电 导体的所述磁场的强度的变化；并且施加到连接到每一个所述附加的膜的 所述电导体的所述 磁场的强度的变化引起在所述导体中流动的电流。
17. —种发电才几，包括柔性的振动构件，其具有至少两个固定端，用于在遭受流体流时产生 振动；导体构件，其用于导电；磁场产生构件，其用于产生磁场施加到所述导体构件；其中所述导体构件和所述磁场产生构件中的一个连接到所述振动构件并 配置成与所述振动构件一起运动；以及由所述流体流引起的所述振动构件的振动造成所述导体构件和所述 磁场产生构件之间的相对运动；由此所述相对运动造成施加到所述导体构件的所述磁场的强度的变 化，以及施加到所述导体构件的所述磁场的强度的变化引起在所述导体构 件中流动的电信号。
18. 如权利要求17所述的发电机进一步包括用于支持所述振动构件 的支持构件，其中所述振动构件的所述固定端被固定到所述支持构件；所述导体构件连接到所述振动构件；以及所述磁场产生构件布置在所述支持构件上。
19. 如权利要求17所述的发电机进一步包括用于支持所述振动构件 的支持构件，其中所述振动构件的所述固定端被固定到所述支持构件；所述导体构件连接到所述支持构件；以及所述磁场产生构件布置在所述振动构件上。
20. 如权利要求17所述的发电机进一步包括可调张力提供构件，所 述可调张力提供构件用于根据所述流体流的速度或所述电信号的强度在 所述振动构件的所述固定端之间施加可调张力。
21. —种能量转换器，所述能量转换器用于在包括至少一个磁场发生 器和至少一个电导体中的一个的发电机中使用的，所述转换器包括至少一个柔性膜，每个膜具有至少两个固定端，其中每个膜在遭受流体流时振动；以及所述至少一个磁场发生器和所述至少一个电导体中的另一个连接到 所述膜；其中由所述流体流引起的每个膜的振动造成了所述至少一个导体和 由所述至少一个磁场发生器产生的磁场之间的相对运动；以及由此所述相对运动造成施加到所述至少一个电导体的所述磁场的强 度的变化；以及施加到所述至少一个电导体的所述磁场的强度的变化引起 在所述至少 一个电导体中流动的电流。
22. 如权利要求21所述的转换器进一步包括支持结构，且每个膜的 固定端被固定到所述支持结构。
23. 如权利要求21所述的转换器，其中每个膜包括连接到所述膜的 表面的块状物。
24. 如权利要求21所述的转换器，进一步包括可调张力提供器，所 述可调张力提供器配置成根据所述流体流的速度在每个膜的所述固定端 之间施加可调张力。
全文摘要
一种发电机，包括磁场发生器和用于将流体流中存在的能量转换成振动或振荡的至少一个能量转换器。所述转换器包括具有至少两个固定端的柔性膜。膜在遭受流体流时振动。电导体和磁场发生器中的一个连接到膜并配置成与膜一起运动。由流体流引起的膜的振动造成电导体和所施加的磁场之间的相对运动。该相对运动造成施加到电导体的磁场的强度的变化，而施加到电导体的磁场的强度的变化引起在导体中流动的电流。
文档编号H02K35/04GK101601180SQ200680056900
公开日2009年12月9日 申请日期2006年12月1日 优先权日2006年12月1日
发明者肖恩·M·弗拉纳 申请人:哈姆丁格风能有限责任公司