динамическая система магнитов

Формула изобретения

1. Динамическая система магнитов, содержащая несущую конструкцию, несколько ориентированных одноименными полюсами навстречу друг другу подвижных магнитов, установленных с возможностью движения относительно несущей конструкции, и размещенные на концах каждого магнита опоры, обеспечивающие коэффициент трения покоя между ним и несущей конструкцией менее 0,02.

2. Динамическая система по п.1, характеризующаяся тем, что упомянутые опоры представляют собой опоры на основе магнитной жидкости.

3. Динамическая система магнитов по любому из пп.1 и 2, характеризующаяся тем, что она дополнительно содержит, по меньшей мере, один проводник, ориентированный относительно несущей конструкции и упомянутых магнитов таким образом, что при движении магнитов в нем индуцируется электрический сигнал.

4. Динамическая система магнитов по п.3, характеризующаяся тем, что она дополнительно содержит действующую систему, питающуюся упомянутым сигналом.

5. Динамическая система магнитов по любому из пп.1 и 2, характеризующаяся тем, что она дополнительно содержит пару концевых магнитов, ограничивающих перемещение упомянутых подвижных магнитов, причем концевые магниты ориентированы одноименными полюсами навстречу ближайшему соответствующему подвижному магниту.

6. Динамическая система магнитов по п.2, характеризующаяся тем, что она выполнена с возможностью обеспечения нескольких режимов колебаний упомянутых магнитов относительно несущей конструкции.

7. Динамическая система магнитов по п.2, характеризующаяся тем, что число подвижных магнитов является четным.

8. Динамическая система магнитов по любому из пп.2, 6 или 7, характеризующаяся тем, что по меньшей мере, некоторые из магнитов имеют взаимно различные свойства.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Изобретение относится к динамическим магнитным системам, а более конкретно - к системам с несколькими магнитами, используемым для выработки электрической энергии.

Предшествующий уровень техники

Движение магнита сквозь проводящую катушку индуцирует протекание тока в этой катушке. Если магнит движется взад и вперед в процессе возвратно-поступательного движения, направление протекания тока в катушке будет изменяться на противоположное в течение каждого последующего перемещения, вследствие чего возникает переменный ток.

Разработано несколько электрогенерирующих систем, которые делают возможным использование возвратно-поступательного движения магнитов сквозь одну или более катушек. Например, в различных конкретных вариантах осуществления технического решения согласно патенту США №5347185 один, два или три магнита, содержащих редкоземельные металлы, располагают с возможностью линейного движения взад и вперед относительно одной или более катушек. При этом либо магниты могут быть неподвижными, а катушка - движущейся вверх и вниз относительно магнита, как при волновом воздействии, либо катушка может быть неподвижной, а магнит - движущимся относительно катушки, например, за счет приложения давления со стороны пневмопривода, или корпус катушки может подвергаться тряске или вибрациям, как в случае, когда он установлен на вибросталкивателе, чтобы вызвать возвратно-поступательное или колебательное движение магнита, который движется внутри катушки. В одном варианте осуществления предусмотрены четыре магнита, последовательно расположенные одноименными полюсами навстречу друг к другу, при этом два крайних магнита неподвижны, а средние магниты могут свободно двигаться взад и вперед, занимая соответствующие положения вдоль трубки. Два средних магнита отделены друг от друга салазками для средней катушки, причем эти салазки приблизительно вдвое шире любого из средних магнитов.

В патенте США №5818132 один конкретный вариант осуществления раскрывает возможность подвески трех подвижных магнитов внутри вертикальной трубки одноименными полюсами навстречу друг другу и крайним магнитам, при этом имеется некоторое количество катушек, разнесенных вдоль внешней поверхности трубки. Чтобы минимизировать трение между подвижными магнитами и трубкой, трубка ориентирована вертикально и выполнена с возможностью перемещения вверх и вниз, чтобы обеспечить перемещение магнитов относительно нее и соответствующее генерирование токов в катушках. Однако вертикальная ориентация мешает движению магнитов, которые вынуждены противодействовать гравитационным силам с целью обеспечения движения относительно трубки. Таким образом, возможности сообщения движений трубки магнитам ограничены.

Краткое изложение сущности изобретения

Настоящее изобретение направлено на создание динамической системы с несколькими магнитами, которая позволяет достичь лучшей связи между несущей конструкцией для магнитов и движением, вносимым самими магнитами. Это гарантирует увеличение вырабатываемой энергии при заданных типоразмере и массе устройства, а также позволяет ориентировать магниты для движения главным образом в горизонтальном направлении, что значительно повышает их чувствительность к сообщаемому движению.

Эти усовершенствования достигаются путем ориентации совокупности магнитов одноименными полюсами навстречу друг другу для индивидуального движения относительно несущей конструкции, при этом, по меньшей мере, некоторые из магнитов имеют взаимно различные свойства. Магниты могут иметь различные магнитные индукции, достигаемые с помощью разных средств, например, путем придания магнитам различных намагниченностей или размеров. Можно использовать магниты одинаковых размеров, имеющие различные степени намагниченности, магниты различных размеров, имеющие одинаковые удельные степени намагниченности, или использовать сочетания этих двух вариантов. Неожиданно обнаружилось, что реакции магнитов на сообщаемое перемещение из несущей конструкции оказались более значительными, чем при двух одинаковых магнитах, имеющих параметры, являющиеся средними арифметическими их размеров и индукций в диапазоне отношений удельных магнитных индукций.

Магниты предпочтительно снабжены обеспечивающими сверхнизкое трение опорами на основе магнитной жидкости, которые устанавливают коэффициенты трения покоя между магнитами и несущей конструкцией менее 0,02. Магнитная жидкость предпочтительно имеет вязкость менее 10 сантипуаз, а в конкретном варианте осуществления представляет собой вещество в виде светлого минерального масла, смешанное с изопарафиновой кислотой.

Наличие обеспечивающих сверхнизкое трение опор позволяет смещать магниты с приданием им в основном горизонтальной ориентации, при которой их чувствительность к силам, прикладываемым к несущей конструкции, значительно увеличивается. При этой ориентации магниты могут входить в многочисленные режимы колебаний, которые, по существу, связывают многие различные движения несущей конструкции в полезное движение магнитов. Располагая одну или более проводящих катушек таким образом, что их витки пересекаются подвижными магнитными полями, можно генерировать электрический сигнал, позволяющий подавать энергию на многочисленные разновидности действующих систем. Критический угол смещения из горизонтального статического положения для магнитов предпочтительно составляет менее 1 градуса и может составлять менее 10 минут при надлежащем выборе опор на основе магнитной жидкости.

Эти и другие варианты выполнения и преимущества изобретения подробно описаны в нижеследующем описании со ссылками на прилагаемые чертежи.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлена принципиальная схема, иллюстрирующая использование конкретного варианта осуществления изобретения с двумя магнитами для подачи энергии в действующую систему;

на фиг.2 представлена принципиальная схема конкретного варианта осуществления с двумя магнитами, в котором магниты одинаковых размеров имеют различную намагниченность;

на фиг.3 представлена принципиальная схема конкретного варианта осуществления изобретения с тремя магнитами;

на фиг.4 представлен расчетный график скорости магнита как функции времени для системы с двумя магнитами, которые являются магнитами одинаковых размеров; и

на фиг.5 и 6 представлены расчетные графики, связывающие относительную вырабатываемую энергию в зависимости от относительных дифференциалов масс и намагниченностей магнитов для систем с сильными и слабыми концевыми магнитами соответственно.

Подробное описание изобретения

Настоящее изобретение обеспечивает более эффективную и гибкую выработку энергии, чем было возможно ранее в системах магнитов, совершающих возвратно-поступательное или колебательное движение. Электричество можно эффективно вырабатывать в результате очень небольших перемещений опорной конструкции и магнитов из горизонтальной плоскости и/или перемещений в горизонтальной плоскости. Например, движение на прогулке или другие обычные движения, такие, как вращение, выколачивание, изгибание или даже езда на автомобиле, который подвергается воздействию вибрации, могут легко способствовать выработке электричества, когда несущая конструкция для магнитов удерживается в руке пользователя или в кармане рубашки, при этом для выработки электрической энергии также можно использовать незначительные перемещения из горизонтальной плоскости вследствие действия волны или ветра.

В изобретении применяются несколько магнитов, которые движутся относительно общей несущей конструкции. Вариант системы с тремя магнитами согласно патенту США №5181132 не является обязательным, в сущности, можно использовать любое количество магнитов, включая четные их количества. Требование вертикальной ориентации, предъявляемое к системе с тремя магнитами согласно патенту США №5181132, также исключается, что создает возможность горизонтального движения магнитов, которое гораздо чувствительнее к движениям несущей конструкции.

Фиг.1 иллюстрирует применение изобретения с целью подачи энергии для действующей системы. В этом конкретном варианте осуществления два подвижных магнита 2 и 4 движутся вдоль оси несущей конструкции, выполненной в форме трубчатого немагнитного корпуса 6. Магниты расположены одноименными полюсами навстречу друг другу, так что их обращенные друг к другу концы имеют одинаковую магнитную полярность. Таким образом, магниты взаимно отталкивают друг друга, когда сближаются. Неподвижные магниты 8 и 10 расположены на противоположных концах корпуса одноименными полюсами навстречу соответствующим им ближайшим подвижным магнитам 2 и 4. Концы подвижных и концевых магнитов, которые обращены друг к другу, также имеют одинаковую магнитную полярность, так что соседние магниты отталкивают друг друга.

Магнит 2 изображен как имеющий размер единица, тогда как магнит 4 изображен как имеющий размер две единицы. Поскольку все единицы магнитов в этом конкретном варианте осуществления предполагаются имеющими одинаковые магнитные индукции, общая магнитная индукция магнита 4 будет вдвое больше, чем у магнита 2. При небольших воздействиях на корпус или небольших смещениях корпуса из горизонтальной плоскости, магниты 2 и 4 будут скользить вдоль корпуса 6, если коэффициенты трения покоя между магнитами и корпусом меньше примерно 0,02. При более высоких коэффициентах трения, в общем случае не будет происходить движение магнитов в ответ на плавные движения корпуса, например, такие, которые получаются, когда корпус кладут в карман рубашки и гуляют с ним. Обнаружено, что использование двух магнитов, расположенных одноименными полюсами навстречу друг другу, вместе с обеспечивающими сверхнизкое трение опорами на основе магнитной жидкости значительно увеличивает оперативность реагирования движения магнитов на движения корпуса, которые происходят не на собственной частоте корпуса с одиночным магнитом и/или находятся в противофазе с исходным движением магнита. Неожиданно обнаружилось, что если два магнита имеют различные магнитные индукции, то оба магнита имеют больший отклик на движения корпуса, чем два одинаковых магнита с некоторой промежуточной магнитной индукцией. Иными словами, начиная со случая двух магнитов, имеющих одинаковую магнитную индукцию, увеличение индукции одного и уменьшение индукции другого вызовет более быстрые колебания обоих магнитов в ответ на движения корпуса в конкретных диапазонах отношений индукций. Эта повышенная оперативность реагирования непосредственно увеличивает количество энергии, которую можно выработать с помощью системы.

Чтобы достичь желаемого низкого уровня трения, в качестве поверхности раздела между магнитами и корпусом предпочтительно применяют опоры на основе магнитной жидкости. Магнитные жидкости представляют собой дисперсии мелких магнитных или намагничиваемых частиц, размеры которых обычно находятся в диапазоне примерно между 30 и 150 ангстрем и которые диспергированы в жидком носителе. Магнитные частицы, как правило, покрыты поверхностно-активными веществами или диспергирующим веществом. Поверхностно-активные вещества обуславливают постоянное расстояние между магнитными частицами для преодоления сил притяжения, вызываемых силами Ван-дер-Ваальса (Van der Waal) и магнитным взаимодействием, а также обеспечивают на внешнем слое покрытых частиц химический состав, который совместим с жидким носителем и химическими веществами в окружающей среде. Ферриты и оксиды ферритов, используемые в качестве магнитных частиц, придают магнитной жидкости некоторое количество физических и химических свойств, включая намагниченность насыщения, вязкость, магнитную стабилизацию. Некоторые типы магнитных жидкостей поставляет Ferrotec Corporation, Нэшуа, штат Нью-Гемпшир (США). Краткое обозрение патентов, связанных с приготовлением магнитных жидкостей, приведено в патенте США №6056889, а использование опор с магнитными жидкостями в электрическом генераторе с подвижными магнитами обсуждается в одновременно рассматриваемой патентной заявке №10/078724 под названием "Electrical Generator with Ferrofluid Bearings" ("Электрический генератор с опорами с магнитными жидкостями"), поданной заявителем данной заявки в тот же день, что и данная заявка, и тоже переуступленной фирме Innovative Technology Licensing, LLC, обладающей правами на настоящее изобретение.

Характеристики магнитной жидкости и магнитов взаимосвязаны. Если магниты имеют относительно слабое магнитное поле, то следует использовать магнитную жидкость с относительно сильным намагничиванием. Магнитные поля магнитов, как правило, будут находиться в диапазоне примерно от 500 до 4000 гаусс, а намагниченность магнитной жидкости - в диапазоне от примерно 50 до 400 гаусс.

Коэффициент трения магнитной жидкости, грубо говоря, связан с ее вязкостью (измеренной в сантипуазах (сП)), но не прямой зависимостью. Например, обнаружено, что магнитная жидкость с вязкостью 300 сП имеет коэффициент трения покоя примерно 0,015, магнитная жидкость EFH1, поставляемая Ferrotec Corporation (США), имеет вязкость порядка 6 сП и коэффициент трения покоя примерно 0,002, а магнитная жидкость на водной основе с вязкостью 5 сП имеет коэффициент трения покоя примерно 0,01. Повышенный коэффициент трения для несколько менее вязкой композиции следует отнести на счет поверхностного натяжения, связанного с растворителем на водной основе.

Композиция магнитной жидкости, предпочтительная для настоящего изобретения, имеет вязкость, которая значительно меньше 5 сП, а в действительности - меньше 2 сП, и достигает сверхнизкого коэффициента трения покоя в диапазоне 0,0008-0,0012. Такой чувствительности достаточно, чтобы магнит начал скользить по поперечине, когда эта поперечина отклоняется лишь примерно на 0,07 градуса от горизонтали. Эта и другие подходящие композиции магнитных жидкостей обсуждаются в одновременно рассматриваемой патентной заявке №10/078132 под названием "Mechanical Translator with Ultra Low Friction Ferrofluid Bearings" ("Механический преобразователь с обеспечивающими сверхнизкое трение опорами на основе магнитной жидкости"), поданной заявителем Jeffrey Т. Cheung в тот же день, что и заявка на данное изобретение, и тоже переуступленной фирме Innovative Technology Licensing, LLC, причем содержание цитируемой заявки упоминается в данном описании для справок. Композиция представляет собой смесь одной части магнитной жидкости EFH1 на основе светлого минерального масла, поставляемой Ferrotec Corporation (США), смешанной с двумя-четырьмя частями изопарафиновой кислоты, получаемую после перемешивания в течение 24 часов. Подходящими источниками изопарафиновой кислоты являются углеводородные текучие вещества Isopar G и Isopar M, поставляемые ExxonMobil Chemical Corp.

Можно также использовать неразбавленную магнитную жидкость EFH1. Неразбавленная композиция EFH1 имеет более высокую нагрузочную способность, чем ее разбавленный вариант, но разбавление композиции сохранит нагрузочную способность, достаточную для большинства приложений. Можно также использовать другие магнитные жидкости с коэффициентами трения покоя, достигающими примерно 0,02, такие, как магнитная жидкость типа EMG805, поставляемая Ferrotec Corporation (США) и представляющая собой магнитную жидкость на водной основе с коэффициентом трения покоя примерно 0,01 и вязкостью примерно 5 сП, поскольку вырабатываемая энергия, достигаемая при коэффициенте трения покоя, составляющем 0,02, все равно составит примерно 75% той вырабатываемой энергии, которая достижима с помощью системы с нулевым трением. В настоящее время композиция EMG805 стоит значительно больше, чем композиция EFH1, и имеет несколько меньшую нагрузочную способность. В общем случае подходящие магнитные жидкости будут давать критический угол смещения из горизонтального статического положения, составляющий менее 1 градуса, для инициирования движения магнитов, а описанная смесь будет давать критический угол менее 10 минут.

Возвращаясь к фиг.1, отмечаем, что магнитная жидкость внутри корпуса 6 естественным образом притягивается к полюсам магнитов 2 и 4, образуя шарики 12, 14 и 16, 18 вокруг концевых полюсов магнитов 2 и 4 соответственно. Это дает смазочное вещество, обеспечивающее сверхнизкое трение, что позволяет магнитам свободно скользить относительно корпуса. Магниты будут двигаться в ответ на наклон корпуса от горизонтали, горизонтальное движение корпуса или более сложные составные движения. Кинетическая энергия подвижных магнитов преобразуется в потенциальную энергию по мере их сближения с соответствующими им концевыми магнитами, а затем произойдет преобразование обратно в кинетическую энергию по мере их отталкивания от концевых магнитов.

На соответствующих половинах корпуса 6 намотана пара проводящих катушек 20 и 22. В альтернативном варианте можно было бы использовать единственную катушку, охватывающую всю длину движения магнитов, но, поскольку два магнита часто будут двигаться в противоположных направлениях, в единственной катушке на протяжении этих периодов будут индуцироваться противоположно направленные токи, которые могут снизить общий кпд системы.

Катушки 20 и 22 соединены с соответствующими двухполупериодными мостовыми выпрямительными схемами 24 и 26, выходы которых заряжают батареи 28 и 30 соответственно, заключенные в действующей системе 32 в целом. Эти батареи подают энергию для устройства 24 действующей системы, такого, как датчик состояния окружающей среды, передатчик, ручной электрический фонарь или сотовый телефон, причем это устройство можно заставить работать посредством механических входных воздействий, например, возникающих при движении на прогулке, движении волн или ветре. В альтернативном варианте выходы моста могут быть соединены непосредственно с устройством действующей системы, если желательна подача энергии в реальном масштабе времени.

На фиг.2 изображен альтернативный конкретный вариант осуществления изобретения, причем в целях упрощения показаны лишь магниты и их корпус без катушек или других схем. В этом конкретном варианте осуществления пара магнитов 36, 38 опять крепится внутри немагнитного корпуса 40 концевыми магнитами 42, 44 противоположных полярностей. В этом случае магниты имеют одинаковый размер, но магнит 38 имеет более высокую степень намагниченности и напряженность магнитного поля, что обозначено сдвоенными стрелками намагниченности, в противоположность одиночной стрелке намагниченности для магнита 36. Работа конкретного варианта осуществления, относящегося к этому типу, в основном эквивалентна работе того конкретного варианта осуществления, который показан на фиг.1, при этом каждая из секций магнитов имеет одинаковые удельные напряженности поля, причем один магнит имеет две секции, а другой - одну. В обоих случаях оба магнита будут двигаться быстрее в ответ на движения корпуса при конкретных диапазонах отношений размеров и напряженностей, чем было бы в случае с двумя магнитами, каждый из которых имел бы напряженность поля, равную напряженности, соответствующей более сильному магниту, показанному на фиг.2.

На фиг.3 изображен дополнительный конкретный вариант осуществления с тремя магнитами 46, 48 и 50 в корпусе 52. В этом примере все магниты имеют разные размеры/напряженности магнитного поля, причем каждый из них движется по обеспечивающим сверхнизкое трение опорам на основе магнитной жидкости. Самый большой магнит показан расположенным между двумя другими, но в рамках объема притязаний изобретения этот порядок можно изменить, как и отношения между размерами/напряженностями полей магнитов. Можно также сделать два магнита одинаковыми, а третий магнит - имеющим отличающуюся напряженность магнитного поля. Изобретение можно обобщить на любое другое количество магнитов, по меньшей мере, два из которых будут иметь различные магнитные индукции, хотя увеличение количества магнитов уменьшает эффективную длину корпуса, остающуюся для движения магнитов.

На фиг.4 представлен расчетный график, иллюстрирующий несколько режимов колебаний, которые являются результатом наличия системы с несколькими магнитами и обеспечивающими сверхнизкое трение опорами. Этот график построен в предположении, что магниты имеют одинаковые напряженности магнитного поля, и прослеживает скорость одного из магнитов как функцию времени. Предполагается, что корпус имеет длину, которая может обусловить собственную частоту 1 Гц для системы с одним магнитом. При двух магнитах появляются несколько режимов колебаний, соответствующих нескольким пикам скорости, которые возникают в течение каждого полупериода, для каждого магнита. Это делает систему с несколькими магнитами оперативнее реагирующей на движения корпуса, чем в случае рассогласования с собственной частотой системы и/или движения в противофазе с исходным движением магнита. Повышенная способность к реагированию, характерная для магнитных первичных преобразователей, имеющих несколько магнитов с обеспечивающими сверхнизкое трение опорами, подробно обсуждается в одновременно рассматриваемой патентной заявке №10/077945 под названием "Multiple Magnetic Transducer" ("Магнитный первичный преобразователь с несколькими магнитами"), поданной заявителем данной заявки в тот же день, что и заявка на данное изобретение, и тоже переуступленной фирме Innovative Technology Licensing, LLC, обладающей правами на настоящее изобретение, и упоминаемой в данном описании для справок. Аналогичным образом, с помощью нескольких магнитов, имеющих различные напряженности магнитных полей и являющихся предметом настоящего изобретения, создают несколько режимов колебаний.

На фиг.5 и 6 показаны расчетные вырабатываемые энергии для систем с двумя магнитами, приведенные к энергии, вырабатываемой в случае системы с одним магнитом, и представленные как функции отношений масс и намагниченностей магнитов. На фиг.5 результаты представлены в предположении, что неподвижные концевые магниты являются сильными (11400 гаусс), а на фиг.6 - в предположении, что концевые магниты являются слабыми (3800 гаусс). Результаты, полученные для магнитов из одинакового магнитного материала, но с различными массами, оказались эквивалентными результатам для магнитов одинаковой массы, но с разными магнитными индукциями. Были приняты следующие допущения:

размеры более сильного магнита: диаметр - 2,54 см, длина - 1,27 см;

индукция боле сильного магнита: 11400 гаусс;

длина трубки: 15,24 см;

размеры концевого магнита: диаметр - 0,95 см, длина - 0,635 см;

ускорение, сообщаемое трубке: 1 м/с/с, в чередующемся порядке - в течение 0,5 сек вперед и в течение 0,5 сек назад, для частоты 1 Гц (что моделирует взмах рукой);

система без трения.

Система с двумя магнитами давала вырабатываемую энергию, которая была больше, чем у системы с одним магнитом, в конкретных диапазонах отношения масс или намагниченностей, причем такой диапазон зависит от магнитной индукции концевого магнита. В случае сильных концевых магнитов, показанном на фиг.5, по расчетам получилась значительно повышенная вырабатываемая энергия для отношений примерно 0,075-0,2, тогда как в случае слабых концевых магнитов, показанном на фиг.6, значительно повышенная вырабатываемая энергия получилась для отношений примерно 0,35-0,6, при этом меньший пик находился на уровне примерно 0,04. Поскольку сообщаемое ускорение изменялось с частотой, близкой к резонансной частоте системы с одним магнитом, можно ожидать еще лучших результатов на частотах, более отдаленных от этой резонансной частоты, или при случайных входных воздействиях.

Важно также, что более высокие расчетные значения вырабатываемой энергии получились для системы с двумя магнитами, имеющими различные размеры или индукции магнитов, чем для системы с двумя магнитами, имеющими одинаковые размеры или индукции магнитов (что соответствует отношению, равному единице). При наличии системы, показанной на фиг.5, это обычно происходило в таком же диапазоне отношений, как и у системы с одним магнитом, тогда как при наличии системы, показанной на фиг.6, это происходило во всем диапазоне отношений.

Изобретение имеет много приложений, некоторые из которых включают в себя подачу энергии для сотовых телефонов, передатчиков сигналов о помощи и датчиков состояния окружающей среды, а также системы для выработки электроэнергии и зарядки батарей как таковые.

Хотя описаны и проиллюстрированы несколько конкретных вариантов осуществления, специалистам в данной области техники будут очевидны многочисленные изменения и альтернативные конкретные варианты осуществления. Например, возможно применение больших количеств магнитов, чем в изображенной системе, или иных смазочных веществ, обеспечивающих сверхнизкое трение, нежели конкретные композиции, упомянутые выше. Кроме того, вместо размещения магнитов внутри корпуса и намотки катушек вокруг наружной поверхности корпуса можно осуществить обращение элементов, в результате чего катушки окажутся внутри корпуса, а тороидальный магнит - снаружи. Поэтому предполагается, что изобретение не ограничивается лишь формулировками прилагаемой формулы изобретения.