线性发电机的制作方法

相关申请案

本申请主张2018年3月13日提交的美国临时专利申请号62/642,033的优先权，其内容通过引用整体并入本文。

技术领域和

背景技术：

在一些实施例中，本发明涉及一种线性发电机，并且更具体地但非排他地涉及使用这种发电机从动量产生电力。

载运工具(vehicle，从列车到电梯)在固定的路径上以相当大的动量运动，并且每当载运工具减速时，这种动量就会失去。目前有两种众所周知的系统可用于从动量中节省能量，目前已在载运工具中使用。一个是飞轮，另一个是电磁制动。

飞轮是一个大型轮体，其质量大部分围绕圆周，广泛用于频繁停车的公交车。飞轮在制动期间接合并将载运工具动量作为角动量存储在飞轮中。然后当公交车再次启动时，旋转的飞轮重新接合并归还能量以使载运工具加速。

电磁制动被用于电动列车和电动汽车中，并且涉及使电动机的操作反向，以作为发电机并抑制(damp)或制动载运工具的运动。电磁制动可用于为电池充电，并使电动运输具有更加高效。

但是，电磁制动有两个限制。首先，电动机使用反馈系统以便有效地工作，而电磁制动的使用可能会使反馈系统失衡。

一第二个限制是电磁制动需要对电磁马达进行更改。

一个更一般的限制是它不适用于能源不是电的地方，因为没有电源以将所产生的能量返回到所述电源。尽管非电动载运工具通常具有蓄电池并且具有车载电子设备，但是与电磁制动有关的能量和功率水平通常会使这种系统不堪重负。

技术实现要素：

本实施例提供一种具有一运动部件和一定子的发电机，其中所述运动部件是一载运工具(vehicle)，并且所述定子建构在所述行进路径中。然后所述定子可以在不参考所述载运工具的情况下连接到一电器系统。所述发电机可抑制所述载运工具的运动，并因此利用所述载运工具的运动来发电。

根据本发明的一些实施例的一方面，提供一种线性发电机，用于从一载运工具的动量产生电能，所述线性发电机包括一运动部件和一定子(stator)，其中所述运动部件是沿着一限定的路径运动的一动力载运工具，并且所述定子沿着所述限定的路径建构。

在一实施例中，所述运动部件包括一系列的多个磁体，并且所述定子包括多个缠绕的线圈。

在一实施例中，所述多个磁体是多个电磁体，并且所述动力载运工具是一电动载运工具。

在一实施例中，所述一系列的多个磁体被配置在所述载运工具上，以从所述多个缠绕的线圈以一预定的距离经过。

在一实施例中，所述一系列的多个磁体具有交替的极性。

在一实施例中，所述限定的路径包括多个制动区域和多个非制动区域，并且所述定子建构在所述多个制动区域中，而不建构在所述多个非制动区域中。

在一实施例中，所述载运工具包括一列车，并且所述限定的路径是一铁路轨道。

在一实施例中，所述载运工具是一电梯，具有一配重(counterweight)，并且所述限定的路径是一电梯井道。

在一实施例中，所述载运工具是一电梯配重，并且所述限定路径是一电梯井道。

在一实施例中，所述定子包括一ac至dc的转换器，以提供一dc输出。

在一实施例中，所述定子包括一变频器，以一期望的频率提供所述定子输出。

在一实施例中，由所述制动产生的所述能量被用于电解中以产生氢。

在一实施例中，所述运动部件包括一系列的多个电磁体，并且所述定子包括多个缠绕的线圈，并且所述载运工具被配置用以在制动时使所述多个电磁体通电。

根据本发明的一些实施例的一第二方面，提供一种列车，所述列车在相邻一轨道的一侧上包括一系列的多个电磁体，所述轨道具有多个缠绕的线圈，并且被配置用以在制动以抑制所述列车的运动时，使所述多个电磁体通电。

根据本发明的一些实施例的一第三方面，提供一种铁路轨道，所述铁路轨道具有多个制动区域和多个缠绕的线圈或多个永磁体或多个电磁体，所述多个缠绕的线圈或多个永磁体或多个电磁体位于所述制动区域中，以协助制动多个通过的列车。

根据本发明的一些实施例的一第四方面，提供一种在一电梯井道中的电梯和配重系统，所述电梯或所述配重包括多个电磁体，并且所述电梯井道具有多个线圈，并且其中所述电梯在制动时可控制以使所述多个电磁体通电，从而对所述电梯和配重系统提供电磁制动。

根据本发明的一些实施例的一第五方面，提供一种同时产生电力和制动一载运工具的方法，所述方法包括以下步骤：

对一移动的载运工具施加制动；

至少作为所述施加制动的步骤的一部份，通电在所述载运工具上的多个电磁体，所述多个电磁体靠近一轨道上的多个线圈；以及

从所述多个线圈中提取电力。

根据本发明的一些实施例的一第六方面，提供一种在一轨道上行驶的一载运工具的制造方法，所述方法包括：

提供所述载运工具，用以在一轨道上行驶；

在所述载运工具上靠近所述轨道的一侧上提供一系列的多个电磁体；以及

在所述载运工具上施加制动时，连接要被通电的所述多个电磁体。

根据本发明的一些实施例的一第七方面，提供一种在一轨道上行驶的一载运工具的制造方法，所述方法包括以下步骤：

识别在所述轨道上可能需要制动的多个制动区域；

将多个缠绕的线圈放置在所述多个制动区域上；以及

连接所述多个线圈以输出其中所产生的电力。

在此方面，所述制造方法进一步包括以下步骤：将所述多个线圈设置在一高度处，所述高度与多个相应磁体相距一预定距离，所述多个相应磁体放置在用于所述轨道上行驶的一载运工具上，并且在所述多个线圈和所述输出之间连接一ac至dc的转换器。所述方法可进一步包括以下步骤：在所述ac至dc的转换器和所述输出之间连接一dc至ac的转换器。

除非另有定义，否则本文中使用的所有技术和/或科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的相同含义。尽管与本文描述的那些类似或等同的方法和材料可以用于本发明的实施例的实践或测试中，但是下文是描述示例性的方法和/或材料。在有冲突的情况下，以专利说明书及其定义为准。另外、材料、方法和实施例仅是说明性的，并不意图必然是限制性的。

附图说明

这里仅通过示例的方式，参考附图描述本发明的一些实施例。现在具体地具体参考附图，要强调的是，所显示的细节是作为示例并且出于对本发明的实施例的说明性讨论的目的。就这一点而言，结合附图进行的描述对于本领域技术人员而言显而易见的是可以如何实践本发明的实施例。

在图示中：

图1是一概念性示意图，显示根据本发明实施例的中沿着轨道运动的载运工具所制成的线性发电机，其中一定子建构在所述轨道中；

图2是一示意图，显示本实施例的轨道上的载运工具的下侧的一侧面立体图。

图3是一简化示意图，显示图2的载运工具的下侧的前视立体图。

图4是一简化示意图，显示图2和图3的定子，而没有轨道。

图5是一示意图，显示根据本发明的实施例中，具有可识别的制动区域的轨道，所述制动区域用于放置定子绕组(statorwindings)。

图6是一种用于制动的电梯和配重的简化图，其使用本实施例的线性发电机原理。

图7是图6的电梯和配重的变型。

图8是图6的电梯和配重的另一种变型。

图9a是一示意图，显示电梯的配重如何由线圈建构成，并被多个磁体包围，而提供本实施例的线性发电机。

图9b是一示意图，显示根据本实施例的示例性电梯的另一视图。

图10是一简化流程图，显示根据本发明实施例中制动载运工具的方法。

图11是一简化流程图，显示使用本发明的实施例的载运工具的制造。

图12是一简化流程图，显示使用本发明的实施例的轨道的制造或转换。

图13至图21是多个曲线图，显示本实施例的制动过程的模拟并进行以建模，以及给出所获得的结果。

图22是一简化示意图，显示本实施例中载运工具内部的制动系统的一部分的电器配置。

图23是一示意图，显示电磁体和线圈以及作用力的方向。

具体实施方式

在一些实施例中，本发明涉及一种线性发电机，并且更具体地但非排他地涉及这种发电机使用动量来产生电力。

一种线性发电机，用于从一载运工具(vehicle)的动量产生电能，所述线性发电机包括一运动部件和一定子(stator)，其中所述运动部件是沿着一限定的路径运动的一动力载运工具，并且所述定子沿着所述限定的路径建构。

因此，所述定子随后可以在不参考载运工具的情况下连接到一电器系统。所述发电机可抑制载运工具的运动，并因此使用载运工具的运动来产生电力。

可能的用途包括列车，包括客运和货运列车、公共汽车和电梯，并且线性发电机可用于帮助制动，同时防止载运工具动量浪费能量。

制动可以是自动的，因此无需驾驶员干预即可在车站自动停止列车。此外，使用本系统可以有效地减小制动距离。由于这两个原因，本实施例的系统可以用作为一安全系统。

制动系统可以在不同的方向上工作。

在详细解释本发明的至少一实施例之前，应当理解，本发明的应用并不一定限于在以下描述中阐述和/或附图中说明的结构细节和部件和/或方法的配置。本发明能够具有其他实施例，或者能够以各种例被实践或执行。

现在参考附图，图1显示一线性发电机10，用于从载运工具12的动量产生电力。线性发电机10具有作为载运工具12的运动部分，以及作为定子14的非运动部分。载运工具是一动力载运工具，并且通常载运工具由独立于线性发电机的一系统来提供动力。因此例如载运工具12可以是一电动列车，其从高架电缆16供电并由电动机18驱动。所述载运工具沿着一限定的路径例如铁路轨道20运动，并且所述定子沿着所述限定的路径建构。所述载运工具以一定的动量沿箭头22的方向运动，并且所述定子相互作用以吸收一些动量并产生电力，从而沿箭头24的方向提供一制动力。

所述载运工具在面对轨道的一侧包括一系列的多个磁体26，对于火车而言，所述序列将是下侧。所述磁体可以是电磁体，从而可以在需要时(例如在制动期间)通电，并且所述磁体可以提供一系列交替的磁极。

所述定子包括一系列的多个缠绕线圈28，建构在轨道中或从轨道升起。多个线圈和多个磁体之间的距离是电器工程师期望设置以实现最佳耦合的设计特征，并且在一示例中，所述多个线圈可以可选地放置在如图1所示的一抬起的第三轨道30上。

可以将所建构的系统的部分或全部合并到法拉第笼(faradaycage)中，以防止制动系统范围之外的磁通量泄漏和有害感应作用。

线圈可以是正方形或圆形，也可以是八个数字或任何其他合适的形状。如下图22所示，可以使用二极管来改变电流的方向。

图2和图3显示图1的载运工具的侧视图和前视立体图，显示列车底侧上的多个磁体的多个交替磁极，并且显示位于轨道中间的一定子上的多个线圈。所述多个线圈可以连接到输出端32，输出端32又可以连接到一电力供应器，从所述多个线圈所产生的电力可以提供至所述电力供应器。所述输出端可以包括各种电路，用于调节所产生的电力，以用于输出。因此，线性发电机所产生的频率很可能根据载运工具的瞬时速度而变化。但是电力供应器需要特定的频率。因此电路可以进行必要的调整。在一实施例中，ac至dc转换器将来自线圈的输入转换为dc，然后一dc-ac转换器产生期望频率的输出。在一替代实施例中，可以单独使用一变频器或与其他转换器组合使用。

具体来说，图2和图3显示列车的一部分，所述列车在与轨道相邻的一侧上具有一系列的多个电磁体，并且所述轨道以多个缠绕的线圈面对所述多个电磁体。制动时，载运工具会将电磁体通电，以抑制火车的运动，同时发电，从而不会耗损火车的动量。

图4是定子14的一简化示意图，所述定子可以被插入或建构在轨道中。定子包括多个缠绕的线圈26，其沿轨道的长度线性地布置。在图4中，线圈形成一准连续表面40(quasi-continuoussurface)，沿着所述行进方向上(箭头42)在载运工具下表面下方，与图1所示的实施例不同，在图1中，所述多个线圈被多个间隙隔开。所述多个线圈可以延伸大部分或是整个载运工具宽度，横跨整个轨道(箭头44)，并在高度方向(箭头46)上面对着载运工具变平坦。

现在参考图5，图5是一简化图，显示铁路轨道的一部分以及如何对其进行修改以与本实施例一起使用。上轨道50和下轨道52具有由箭头54和56限定的行进方向。车站58位于轨道的一端，并且在需要火车制动的下轨道上限定一车站接近区域60。轨道中的弯曲部62还限定了需要制动的接近区域64和66。上轨道上的一下降斜面68还可限定需要制动的区域。

因此所述限定的路径，在这种情况下是铁路轨道，包括制动区域和非制动区域的混合，并且所述定子14可以具体地建构在多个制动区域中。在所述制动区域之外，可以较稀疏地设置定子线圈，或者根本不设置定子线圈。

因此显示铁路轨道，其中多个定子线圈被建构在轨道的制动区域中，以辅助列车制动并同时产生电力。电力可以提供给一般的供应器，也可以提供给铁路供应器，也可以用于特定目的，例如为线路旁的设备或附近的车站供电。

现在参考图6，其中载运工具是具有一配重(counterweight)72的一电梯70。所述电梯使用电动机73来升高和降低，并且在其设计需要停止的任何楼层处进行制动。所述限定的路径是一电梯井道。磁体74可以放置在配重72上和/或电梯70上，并且线圈76可以放置在井道的壁部78和80上。线圈可以沿整个壁部放置，或者可以限制在所限定的制动区域内(如果存在这样的区域)。

现在参考图7，其中载运工具是图6的具有配重72的电梯70的一变型。如前所述，电梯使用马达73升降，并且在其设计需要停止的任何楼层进行制动。所限定的路径是一电梯井道。磁体74可以放置在配重72上，而线圈76可以放置在井道的壁部78和80上。如前所述，线圈可以沿整个壁部放置，或者可以限制在所限定的制动区域内(如果存在这样的区域)。

现在参考图8，其中载运工具是图6的具有配重72的电梯70的一进一步变型。如前所述，电梯使用马达73升降，并且在其设计需要停止的任何楼层进行制动。所限定的路径是一电梯井道。磁体74可以放置在井道的壁部78和80上，而线圈76可以放置在配重72上。如前所述，磁体可以沿整个壁部放置，或者可以限制在所限定的制动区域内(如果存在这样的区域)。

现在参考图9a，其为一示意图，显示一配重80单独地或主要由多个缠绕的线圈82构成。所述配重在建构在井道壁中的多个磁体84之间滑动。磁场线横跨所述井道而延伸，并被配重截断，从而制动所述配重的运动。电流在线圈中产生，并且可以从端部布线86中抽出以用于建筑物中的一般用途。如前所述，输出可以由一ac至dc转换器处理，然后由斩波器处理以提供所需的频率，或者可以使用一直接频率转换器。根据线圈的位置，可以从定子或运动部件上抽取而输出。

与列车实施例一样，电梯可以在制动时使电磁体通电，而在其他时间不使电磁体通电，以使线性发电机在不需要制动时不起作用。

现在参考图9b，其显示根据本实施例的电梯的另一变型。为了简单起见，未显示配重。在图9b中，电梯70在多个电磁体76之间沿着升降井道下降并且需要制动。多个磁体76排列在井道上，并且多个线圈74存在于电梯中。如果需要，可以选择提供电池77供电于线圈。如果电梯发生故障，可以在井道的下部设置额外的磁体79，作为紧急停止。

现在参考图10，其为一简化图，显示同时产生电力和制动一载运工具的方法的。载运工具正在沿着轨道行驶，包括升降井道或铁路轨道，并且需要制动–90。施加制动–92，多个电磁体被通电94。电磁体沿着轨道并沿着定子的缠绕的线圈运行，而能量被定子吸收，使载运工具制动并同时发电。然后可以从线圈中提取电力，并根据需要使用。

注意，本实施例的线性发电机可以与建构在载运工具中的固有制动系统一起运作。在一种替代例中，当线性发电机在操作中时，载运工具固有制动系统可以被禁用。也可以使用不具有固有载运工具制动系统的线性发电机，但是在那种情况下，必须沿着轨道的整个长度设置线性发电机，因为可能会发生意外事故，并且可能随时需要在任何位置紧急制动。

现在参考图11，图11显示根据本实施例的一种用于在轨道上行驶并产生电力的载运工具的制造方法，或就此而言转换现有载运工具的方法。所需的是步骤100获得所述载运工具，步骤102选择靠近轨道的线圈的载运工具侧面，步骤104在所选择的侧面上放置一序列的多个电磁体，并且步骤106连接多个电磁体，使得在施加制动至所述载运工具时，可以将所述多个电磁体通电。也就是说，电磁体可以通过施加载运工具制动而连接到一电压源，并且在不施加制动时，可以与所述电压源断开。

如图12所示，可以构造用于本实施例的一轨道。步骤110，首先可以识别出多个制动区域，例如图5所示的多个区域。步骤112，然后将缠绕的线圈放置在多个制动区域中，例如在图4中以所述定子的形式。步骤114，所述线圈高度被设置，以提供与载运工具及其上的电磁体的所需接合。然后可将调节电路连接到输出端，这取决于打算如何使用所述输出端。因此如步骤118所示，一ac至dc转换器之后可以是一dc至ac转换器，以提供一期望频率的输出，而与输入无关。如技术人员将清楚的，可以采用其他解决方案。调节电路可以例如设置在管线侧柜中。

现在我们考虑一个正方形的线圈，所述线圈的边为a，面积为a²＝a

因此，磁通量

随着磁体的通过，线圈中的磁通量在时间δt中从0上升到最大值。

近似地，δt＝2a/v。

对于线圈中的电感l和电流i，

线圈中的电压v由下式给出：

因此，我们获得：

δi＝ab/l

忽略损失：

线圈中的能量可由下式给出：

线圈的方形环圈中的电感可由下式给出：

因此，对于a＝1m，l＝4.1710μh

对于b＝1t，

e＝1.210x10⁵j。

产生的电流可能达到71a。整个线圈的电压可以由下式给出：

e＝ndφ/dt

其中，

e＝瞬时电压

n＝线圈匝数

t＝时间(以秒为单位)

对于100公里/时的速度和1tesla的磁场，线圈立即产生56伏特。线圈的电阻为3毫欧，导致电压降仅为0.23v。

如上所述，使用一系列的多个磁体建构小型原型列车，以在带有内建定子的轨道上运行。测试所述配置，并从一线圈经过四个脉冲在5伏电压下获得了64ma的ac输出。没有试图使火车停下来。

在进一步的实验中，制造另一辆原型车，同样是微型的。将两个没有芯的铜线圈放在平坦的表面上，并在火车上放置四个永磁体。在实验过程中改变了线圈和磁体的位置和结构。列车以5至8公里/时的速度运行，并且磁体与线圈之间的距离为10毫米。

所述多个线圈并联连接，并且测量磁体经过时来自线圈的输出。在固定1欧姆电阻作为负载之前和之后均进行了测量。

在实验的一次叠代中，磁体的尺寸为25x50x15毫米，磁化强度为2013高斯。线圈的尺寸为20x90x60毫米，并包含225圈直径为0.08毫米的线圈。线圈的电阻为1.8欧姆，电压为5v。

当使用负载电阻器(loadresistor)时，横跨其两端出现一1.5v的电势。

显然，电压随着列车的速度增加，并且当线圈具有芯时，磁体与线圈之间的距离增加。

现在参考图13至图20，其显示多个模拟结果。所述模拟是基于1平方米，高度200毫米的磁体。铜线圈是1平方米，100圈，其截面为1平方毫米，围绕着芯。线圈的电阻为6.5欧姆。线圈到磁体的距离为200毫米。磁体以30米/秒的速度移动0.1秒。将线圈均匀地压缩到直径为40毫米的管道中。

图13显示磁场。磁体限定为1特斯拉，但实际上磁场约为0.7特斯拉，而中心磁场较小。

图14显示沿着磁体中心上的垂直线的磁场变化。

在仿真中，线圈中芯的存在差异很小。

图15显示线圈未连接任何东西时的电压。图16显示横跨负载连接线圈时的电流结果。

图17显示随时间施加到列车上的制动力。

图18显示整个距离上的制动力。

图19显示在施加制动的距离上以焦耳为单位的制动能量。

图20显示在制动时间内，包括在线圈中的芯的线圈电压。

图21显示相对于弧长的磁通量密度。

图22是一示意图，显示根据本实施例中，用于列车的制动系统的构造。如图所示，一系列的多个制动线圈200通过多个二极管连接，以提供由整流器202整流的电流，并提供给电池204使用或收集，所述电池可以是一电池或一电解池或任何其他能够存储能源的单元。

图23是一简化示意图，显表本实施例中使用的磁体在制动时通过线圈并产生电流的状态。电磁体210在线圈214上沿箭头212的方向移动。在箭头216所示的方向上产生磁场。在线圈中沿逆时针方向感应产生电流。

下面是用于不同类型的载运工具的制动功率和可回收能量的示例性计算。

1)旅客列车：

一辆以80公里/小时的速度行驶的57吨马车代表14.4兆焦耳。一40公斤的线圈每脉冲产生5千焦耳。对于15个脉冲和200个线圈，在200米范围内可能会产生15兆焦的制动能量。每个线圈75千伏乘以200线圈等于15兆伏和150千安培，持续时间约为15秒。

2)电车或城市轻轨火车：

火车长70米，重约160吨，需要40兆焦耳的制动力才能从80公里/小时的速度停止下来。当线圈距1顿磁体200毫米且实际效率为10％时，上述模型可从具有100个回路及1毫米横截面的一平方米线圈于单次脉冲提供500焦耳和50安培的电流。

因此在160米上提供每米40公斤铜线圈(横截面为1毫米的1000圈)，并使用50个脉冲可提供40mj的停止能量。需要6400公斤的铜。

3)公交车：

一辆重量为19吨，以80公里/小时的速度行驶的公交车需要4.8兆焦耳才能停止运转。因此需要配置重量为40公斤/米的线圈分布在120米上。超过8个脉冲，将产生4.8兆焦耳。

4)电梯/升降机：

一台重1.8吨的电梯从60米的高度下降(约十层楼高)要求升降井道底部的制动力为1兆焦耳。这样的制动力可以通过在最后25米处围绕井道放置铜线圈来实现。

预计专利从申请至成熟的期间，许多相关的载运工具和制动技术将被开发，并且相应术语的范围意旨事先包括所有这些新的技术。

术语“包括(comprises)”、“包括(comprising)”、“包括(includes)”、“包含(including)”、“具有(having)”及其词形变化是指“包括但不限于”。

术语“由...组成(consistingof)”意指“包括并且限于”。

术语“本质上由......组成”指的是组成或方法可包括额外的成分和/或步骤，但仅当额外的成分和/或步骤不实质上改变所要求保护的组成或方法的基本和新颖特性。

本文所使用的单数形式“一”、“一个”及“至少一”包括复数引用，除非上下文另有明确规定。例如，术语“一化合物”或“至少一种化合物”可以包括多个化合物，包括其混合物。

可以理解，本发明中的特定特征，为清楚起见，在分开的实施例的内文中描述，也可以在单一实施例的组合中提供。相反地，本发明中，为简洁起见，在单一实施例的内文中所描述的各种特征，也可以分开地、或者以任何合适的子组合、或者在适用于本发明的任何其他描述的实施例中提供。将如同在此明确地详细阐述这样的分开的实施例或子组合，而解释本文。

在各种实施例的内文中所描述的特定特征，并不被认为是那些实施方案的必要特征，除非所述实施例没有那些元素就不起作用。

虽然本发明结合其具体实施例而被描述，显而易见的是，许多替代、修改及变化对于那些本领域的技术人员将是显而易见的。因此，其意在包括落入所附权利要求书的范围内的所有替代、修改及变化。

在本说明书中提及的所有出版物、专利及专利申请以其整体在此通过引用开入本说明书中。其程度如同各单独的出版物、专利或专利申请被具体及单独地指明而通过引用开入本文中。此外，所引用的或指出的任何参考文献不应被解释为承认这些参考文献可作为本发明的现有技术。本申请中标题部分在本文中用于使本说明书容易理解，而不应被解释为必要的限制。