CN102597498A - 能量转换系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种能量转换系统能够包括静止结构和被构造用来相对于静止结构转动的可转动结构，其中可转动结构限定转动轴线。该系统还能够包括：被安装至可转动结构并且从其径向向外延伸的至少一个叶片构件，所述至少一个叶片构件被构造用来和在基本上平行于所述转动轴线的方向上流动的流体流相互作用，以便使可转动结构绕着转动轴线转动；以及至少一个轴承机构，其被设置成在可转动结构绕着静止结构转动时在可转动结构和静止结构之间提供径向轴承和轴向轴承中的至少一个。该系统能够被构造用来将可转动结构的转动转换成电和氢生产中的至少一种。

Description

能量转换系统和方法

本申请要求了2009年10月29日提交的美国临时申请No.61/256009和2010年4月19日提交的美国临时申请No.61/325563的优先权，这些文献其全文被作为参考结合在此。

技术领域

本发明大体上涉及能量转换系统，该能量转换系统将来自诸如例如来自液流的流体流动的动态能量转换为诸如例如电和/或氢生产的另一种形式的能量。

背景技术

在这里所用的标题只是用于组织目的，而决不应被解释为对主题进行限制。

利用转换来自流体流(例如风或水流)的能量的系统进行发电是已知的。潮汐能利用了由潮汐流引起的水运动或者由于潮汐导致的海平面上升和下降。随着水上升然后下降，产生了流动，或者流。例如由水坝产生出的其他形式差压也会使得水流动，并且产生出足以使得能够将与水流相关的能量转换成其他有用形式的能量的水流速度。

依靠液体(例如水)本体中的流体流的自然运动的潮汐能归为可再生能源。但是与其他可再生能源例如风能和太阳能不同，潮汐能是能够可靠预测的。水流为干净、可靠并且每年可预测的可再生能源，由此便于与现有的电网整合。另外，由于水(包括例如海水)的基本物理特性，即其密度(可以为空气的832倍)和其不可压缩性，所以与其他可再生能源相比，对于产生可再生能量而言，该介质保持独特“超高能量密度”潜能。该潜能随着在计算在内的世界上许多沿海地方和/或可用地方中的体积和流量而被放大。

因此，潮汐能可以提供长期无污染电、氢生产和/或其他有用形式的能量，这能够帮助降低世界对石油、天然气和煤的依赖。减少化石燃料资源消耗还能够帮助降低排放到地球大气中的温室气体。

一些最新的潮汐能系统依靠利用运动水的动能来给涡轮机结构供能。这些系统可以如水下风轮机一样作用，并且成本相对较低且对生态环境的影响相对较小。在一些能量转换系统中，流体流与绕着轴线转动的叶片相互作用，并且利用该转动作为动力来产生电能或其他形式能量。虽然许多这些能连转换系统采用了安装在中央转动轴上的叶片或类似结构，但是其他系统也可以采用其中叶片由其他部件支撑的无轴结构。该无轴(或者开心式)的结构可以提供由采用了中央转动轴的设计所不能提供的各种理想特征。由无轴设计提供的这些特征例如包括在该设备上的整体要求降低，因此降低了在将该设备锚固在水流中方面的结构要求；流体流能够自由流经该设备的中央部分，因此允许鱼和其他海洋生命从中通过；叶片的结构支撑能够导致更轻且更坚固的叶片；能够放大或缩小该设备的尺寸，因此能够通过每台设备收集更多能量；以及能够采用模块化构件来构造该设备，因此使之更容易在需要维护时构造和改变那些部件。

由于流体流(运动水流)所带来的相对强的作用力的相互作用，能量转换系统会造成在这些系统的各个构件上的应力和/或应变相关的挑战。例如，在流体流(例如潮汐水流)与能量转换系统相互作用时，存在作用在各个构件上的推力，这使得一个或多个构件尤其是被构造用来相对于固定构件运动的构件移动。从这些能量转换系统依靠各个构件的相对转动运动来产生能量中也会出现其他挑战。例如，这些系统的转动运动所带来的摩擦和/或阻力会影响系统的效率。而且，这种相对运动例如会造成这些构件磨损，该磨损在将该能量转换系统安放在水下例如安放在海水或其他包含有相对苛刻腐蚀性物质(例如盐)的水中时会加剧。

因此，期望提供能够承受和与之相互作用的流体流相关联的作用力的能量转换系统和方法。还期望提供导致相对较低的摩擦和/或阻力作用由此提高整体能量转换效率的能量转换系统和方法。还期望提供能够降低运动构件磨损的能量转换系统和方法。另外，还期望提供能够在相对于彼此运动的构件之间提供还用作产生电的机构的支撑机构(例如轴承)的能量转换系统和方法。

发明概述

本发明可以解决上述问题中的一个或多个和/或实现上述所期望特征中的一个或多个。从下面的说明书中可以清楚了解其他特征和/或优点。

根据示例性实施例，本发明提出了一种能量转换系统，它可以包括静止结构和被构造用来相对于所述静止结构转动的可转动结构，其中所述可转动结构限定转动轴线。该系统还可以包括：被安装至所述可转动结构并且从所述可转动结构径向向外延伸的至少一个叶片构件，所述至少一个叶片构件被构造用来和在基本上平行于所述转动轴线的方向上流动的流体流相互作用，以便使得所述可转动结构绕着所述转动轴线转动；以及至少一个轴承机构，其被设置成在所述可转动结构绕着所述静止结构转动时在所述可转动结构和所述静止结构之间提供径向轴承和轴向轴承中的至少一个。该系统可以被构造用来将所述可转动结构的转动转换成电和氢生产中的至少一种。

根据另一个示例性实施例，本发明提出一种将流体流运动转换成另一种形式的能量的方法，该方法包括将能量转换系统放置在流体中，所述能量转换系统包括静止结构、可转动结构、以及至少一个磁性轴承机构，所述可转动结构被构造用来相对于所述静止结构转动，所述可转动结构具有转动轴线，所述至少一个磁性轴承机构被设置用来在所述可转动结构绕着所述静止结构转动时在所述可转动结构和所述静止结构之间提供径向轴承和轴向轴承中的至少一个。该方法还可以包括使得所述能量转换系统在所述流体中如此取向，从而流体中的流体流在基本上平行于所述转动轴线的方向上流动并且使得所述可转动结构转动，并且在所述可转动结构转动期间通过所述至少一个磁性轴承机构相对于导电元件运动来产生电和氢中的至少一种。

其他目的和优点部分将在下面的说明书中给出，并且部分将从该说明书中看出，或者可以通过本发明的实践来认知。通过在技术方案所具体指出的元件和组合可以实现和获得本发明的这些目的和优点中的至少一些。

要理解的是，前面的发明概述和下面的详细说明只是示例性和说明性的，而不是对所要求保护的发明进行限制。应该理解的是，本发明在其最广义方面可以在不具有这些示例性方面和实施例中的一个或多个特征的情况下实施。

附图的简要说明

结合在该说明书中并且构成其一部分的附图显示出本发明的一些示例性实施例，并且与该说明书一起用来说明某些原理。在这些附图中：

图1为根据本发明的能量转换系统的示例性实施例的平面图；

图2为图1的能量转换系统沿着线2-2剖开的剖视图；

图3为用于与本发明示例性实施例一起使用的、带有感应线圈的磁体阵列的示例性实施例的局部透视图；

图4为根据本发明的能量转换系统的另一个示例性实施例的平面图；

图5为图4的能量转换系统沿着在图4中的线5-5剖开的局部剖视图；

图6为图5的磁性轴承机构的放大图；

图7为具有如在图6中的构造一样的构造的示例性磁性轴承机构的磁场图；

图8为比较磁性轴承机构的磁场图；

图9至图12为根据本发明的能量转换系统的其他示例性实施例的局部剖视图；

图13为图12的磁性轴承机构的放大图；

图14为具有如在图13中的构造一样的构造的示例性磁性轴承机构的磁场图；

图15为图13的磁性轴承机构的回复力对比垂直位移的图表；

图16为根据本发明的磁性轴承机构的构造的示例性实施例的局部透视图；

图17为具有所示磁化取向的图16的磁性轴承机构的放大图；并且

图18至图73为根据本发明的可转动结构、静止结构和轴承机构布置的各种示例性实施例的示意性局部剖视图。

具体实施方式

现在将详细参照本发明的各种示例性实施例，其示例在这些附图中示出。只要可能，在这些附图中将采用相同的附图标记来指代相同或类似的部件。

本发明的各种示例性实施例提出了被构造用来与流体流(诸如例如潮汐流之类)相互作用的能量转换系统，该系统利用了开心式(open-center)构造和该系统组成部件的相对运动，以便将来自流体流的动能转换成其他有用形式的能量(诸如例如电和/或氢生产之类)。在各种示例性实施例中，本发明提出了一个或多个叶片构件，该叶片构件由可转动结构支撑并从可转动结构径向向外地和/或向内地延伸，可转动结构相对于静止结构可转动地安装。流动经过系统的流体可以与叶片相互作用，以使得一个或多个叶片和支撑着叶片的可转动结构相对于静止结构转动。在各种示例性实施例中，如在这些附图中所示地，可转动结构和静止结构可以为闭环结构(例如，具有环形或椭圆形构造)。另外，本发明的可转动闭环结构或静止闭环结构中的任一个可以采用单一的闭环结构形式，或者可以包括多个模块段(例如，基本上弧形区段)，这些模块段被连接在一起以形成一体式闭环结构。但是，本领域普通技术人员将理解的是，所示的这些实施例仅仅是示例性的，而不是对本发明和权利要求进行限制。因此，可转动结构和静止结构可以包括各种形状和/或构造。

虽然在这里所示和所述的各种示例性实施例中，多个叶片由可转动结构支撑，但是任何数量的叶片(包括一片)都可以由可转动结构支撑。而且，叶片可以从开心式能量转换系统的中心径向向外地、朝着该中心径向向内地、或者从该中心径向向外且朝着该中心径向向内地延伸。

由于静止结构的规格、长度和通道结构能够变化很大，所以诸如根据本发明的那些开心式能量转换系统可以提供放大或缩小系统的整体尺寸的能力。同样，叶片的强度、尺寸和形状也可以显著地变化。这与中央轴系统相反，在中央轴系统中，叶片尺寸因为与由中央转动轴支撑的较长叶片相关联的应力而多少受到限制。在本发明的示例性实施例中，由于叶片安装在与设备的转动中心间隔一定距离放置的可转动结构上，这与中央轴系统相比提供了更高的稳定性，所以叶片的长度和尺寸会变化很大。因此，整个设备可以放大或缩小以适应变化的场地特征和其它要求和/或实现所期望的结果。

可转动结构相对于并且沿着静止结构的支撑和运动可以通过一个或多个轴承机构来完成。在本发明的各种示例性实施例中，可以设有一个或多个轴承机构来基本上保持可转动结构和静止结构的例如沿着轴向方向和/或径向方向的相对位置。根据本发明的轴承机构可以被构造用来在运动(例如，转动)结构和静止结构之间提供相对低的摩擦从而提高效率。而且，根据本发明的轴承机构可以被构造用来通过减少运动部件的数量和/或降低磨损来经受相对苛刻的环境，诸如例如水下环境之类。

在本发明的各个实施例中，例如可以设置一个或多个磁性轴承机构以基本上保持可转动结构和静止结构在轴向方向上的相对位置。为了在可转动结构和静止结构之间提供轴向回复力(即，为了抵消轴向流推力)，在根据本发明的各种示例性实施例中的磁性轴承机构可以包括布置在Halbach型阵列中的多个磁体。在本发明的各个其它示例性实施例中，磁性轴承机构可以用作例如与导电体机构结合来产生电的机构。

如在这里所使用的一样，如由本领域普通技术人员所理解的一样，术语“Halbach型阵列”指的是转动型式的永磁体，这种型式增强了在该阵列一侧上的磁场，同时消除了在该阵列另一侧上的磁场(即产生出“单侧磁通量”)。非限定性的示例性Halbach型阵列可以包括例如90度Halbach型阵列(即，具有90度转动型式的阵列)和45度Halbach型阵列(即具有45度转动型式的阵列)。但是，本发明考虑采用对于本领域普通技术人员而言公知的任意类型的Halbach型阵列。

现在参照图1和图2，这些附图显示出具有开心式构造的能量转换系统100的示例性实施例的示意性平面图和剖视图(经图1的能量转换系统的线2-2剖开)。该能量转换系统100包括可转动结构110，其上安装有一个或多个叶片构件130(在图1中显示出多个)。可转动结构110相对于静止结构120(例如，在图1的示例性实施例中围绕着该静止结构的外周边)可转动地安装。叶片构件130相对于可转动结构110被构造并且定位成使得流体流可以与叶片构件130相互作用，从而让可转动结构110与由它承载的叶片构件130一起以本领域普通技术人员所熟知的方式转动。例如，叶片构件130可以为水翼(hydrofoil)，其被构造用来与沿着与叶片构件130和可转动结构110的转动平面基本上垂直(并且与叶片构件130和可转动结构110的转动轴线A基本上平行)的方向运动的流体流(在图2中表示为FC)相互作用。换句话说，在图1中系统100的方位上，叶片构件130可以被构造用来与具有沿着与纸平面基本上垂直的方向运动的分量的流体流FC相互作用。

由流体流与叶片构件130的相互作用所引起的转动运动可以被转换成另一种形式的能量，诸如例如电和/或氢生产之类。这种从转动运动到另一种形式能量的转换可以通过本领域普通技术人员所熟知的许多技术来实现，下文会对其中一些作出进一步说明。还可以参照其全文被作为参考结合在此的美国专利No.7453166。

为了将可转动结构110相对于静止结构120可转动地安装，图1的能量转换系统可以包括一组或多组轴承机构115，125(在图1和2的示例性实施例中绘出了多组)。每一组可以包括分别与可转动结构110相关联的至少一个轴承机构115和与静止结构120相关联的至少一个轴承机构125。如将在下面作进一步说明地，轴承机构115和轴承机构125可以被构造用来彼此协同合作；同样地，轴承机构115和轴承机构125可以包括不同的结构，这些不同的结构被构造用来彼此协同合作，以便形成允许可转动结构110在基本上稳定的位置(例如径向和/或轴向位置)上相对于静止结构120转动的轴承。

在根据本发明的各种示例性实施例中，轴承机构115和125可以被构造为磁性轴承机构。也就是说，轴承机构115和125可以建立起足以使可转动结构110相对于静止结构120悬浮(例如漂浮)的磁场，从而可转动结构110能够相对于静止结构120转动。在这几组轴承机构115和125之间造出的磁场足以在可转动结构110和静止结构120之间保持一定间距(例如径向间距)。更具体地说，该磁场足以在结构110和120的相对表面(换句话说，界面)之间——例如在图1中在静止结构120的外表面122和可转动结构110的内表面111之间——保持间距(即，间隙)G。

如在下面更详细说明的一样，参照图11，包括轴承机构115和125的磁性轴承机构可以被进一步构造用来基本上保持可转动结构110和静止结构120的相对轴向定位。例如，在轴承机构115和125之间的磁场可以足以基本上防止可转动结构110和/或静止结构120在作用在其上的与流体流FC相关联的作用力(例如流体流的推力)下沿轴向方向的运动。也就是说，如上所述地，在能量转换系统100被相对于与轴线A基本上平行(例如，与图1的纸平面基本上垂直)运动的流体流FC定位时，在轴承机构115和125之间建立的磁场会产生作用力，该作用力足以基本上防止可转动结构110或静止结构120因流的作用力而产生的运动。

在根据本发明的各种示例性实施例中，轴承机构115和125可以包括永磁体，它们被构造用来彼此相互排斥，以便基本上保持在可转动结构110和静止结构120之间的间距G。在轴承机构115和125包括永磁体的情况下，即使在可转动结构110和静止结构120没有相对于彼此运动时也可以建立磁场(以及因此的排斥作用力)。

在各个其它示例性实施例中，轴承机构115和125可以是协同合作的结构，这些结构被构造用来建立动态磁场，并由此实现磁悬浮。也就是说，轴承机构115和125可以被构造用来借助于可转动结构110和静止结构120的相对运动在它们之间建立磁场。例如，轴承机构115和125中的一个可以包括磁体的阵列，而轴承机构115和125中的另一个可以包括一个或多个导体(例如导电线圈或线性导电构件)。在一个示例性实施例中，安装在可转动结构110上的轴承机构115可以包括磁体的阵列，而安装在静止结构120上的轴承机构125可以包括导电线圈。但是，在备选的实施例中，安装在可转动结构110上的轴承机构115可以包括导电线圈，而安装在静止结构120上的轴承机构125可以包括磁体阵列。在各种示例性实施例中，磁体的阵列可以为Halbach阵列。

轴承机构115和125可以包括被构造用来通过在磁悬浮技术领域中的普通技术人员所公知的任何机构来实现磁悬浮，并且上述那些轴承机构仅仅是示例性的。本领域普通技术人员知道如何改变轴承机构115和125的结构以实现可转动结构110相对于静止结构120的磁悬浮，并且将理解所示结构115和125只是示意性表示。可以根据各种因素(诸如可转动结构110和静止结构120的尺寸和重量、所需的悬浮和承载力之类)和基于所期望用途的其它因素来选择轴承机构115和125的数量、形状、间距、尺寸、磁场强度和其它性能。

在其中轴承机构115和125包括磁体和电导体的各种示例性实施例中，成组的轴承机构115和125中的一组或者多组还可以被构造用来以本领域普通技术人员所公知的方式靠轴承机构115和125的相对运动来发电。例如，如果轴承机构115被构造为磁体的阵列而轴承机构125被构造为导电线圈，则由于可转动结构110相对于静止结构120的转动而导致的那些轴承机构相对于彼此的运动会在导电回路中产生电压，可以通过使用电导线(未示出)将电压引出以进行发电。在导体被安装在可转动结构上的情况下，会需要用滑环、滑动连接器、或其它类型的转动电接口(未示出)来形成与导电线圈的电连接。本领域普通技术人员熟悉采用滑环和其它转动电接口装置来与转动电气部件建立电连接。

图3显示出一组轴承机构的示例性实施例，其中该组轴承机构中的一个轴承机构包括磁体的阵列515，并且该组轴承机构中的另一个包括导电线圈525。

根据各个其它示例性实施例，图1的轴承机构115和125可以被构造为流体轴承机构。也就是说，在可转动结构110绕着静止结构120转动时，一组或者多组轴承机构115和125可以在一层液体或气体上支撑着该可转动结构的载荷。在轴承机构115和125之间的这层液体或气体可以足以使可转动结构110相对于静止结构120悬浮(例如，漂浮)，从而可转动结构110可以相对于静止结构120转动，并且保持在可转动结构110和静止结构120的相对表面之间的间距。例如，在图1的实施例中，流体轴承机构115和125可以被构造用来保持在静止结构120的外表面122和可转动结构110的内表面111之间的间距G。

流体轴承机构的流体源可以为任何流体。但是，在各种示例性实施例中，可以用系统被浸没在其中的流体(例如，在河流、海洋、湖泊等中的水)作为流体源。通过采用系统被浸没在其中的流体，可以不需要将轴承机构密封，因为流体会离开轴承机构并且被再循环到系统被浸没在其中的流体本身中，而不会对水体造成有害影响。在各种示例性实施例中，如果系统被浸没在其中的流体本身含有会腐蚀流体轴承机构或以其它方式使流体轴承机构劣化的物质，则需要对供给流体轴承机构的流体进行过滤。在各种示例性实施例中，可以采用除了系统被浸没在其中的流体之外的流体源。在这些情况下，可以通过流体输送装置(例如泵、阀门、管道等)将流体输送给被浸没的系统，并且用于将流体再循环或以其它方式将它释放到适当的环境中的机构也可以是期望的。

在各种示例性实施例中，轴承机构115和125可以被构造为静压轴承，并且可以采用一个或多个泵(例如，在图1中的附图标记250处用虚线所示)来泵送被用在轴承中的流体。各轴承机构115和125可以与其自身的泵相关联，或者多个轴承机构115和125可以共享一个泵。在各种示例性实施例中，轴承机构可以与不止一个泵相关联，同时例如相关联的泵中的一个或多个泵被专用于特定的轴承机构或者被多个轴承机构共享。在不止一个泵与轴承机构相关联时，泵中的一个可以用作另一个泵出故障时的备用泵。总之，本领域普通技术人员将了解用来将流体泵送到轴承机构115/125中的各种泵布置和结构。

在各个其它示例性实施例中，轴承机构115和125可以被构造为动压轴承，并且可转动结构110的转动运动会使得流体被吸到轴承上并越过轴承表面。例如，流体的表面张力和粘度以及可转动结构和静止结构110和120的相对运动会产生流体薄膜，这保持了可转动结构110相对于静止结构120的轴向和径向定位(例如，在图1的实施例中，使可转动结构110相对于静止结构120悬置)。本领域普通技术人员熟悉可以用于轴承机构115和125的各种流体轴承机构的结构。

虽然图1和图2的示例性实施例包括多个分立的轴承机构115和125，这些轴承机构围绕着系统的转动轴线以基本上被规则间隔开的角间距定位，但是本领域普通技术人员将理解的是，轴承机构115和125中的一个或两个可以为沿着相应表面111和122基本上连续延伸的单个整体式环形元件。备选地，一连串轴承机构115或125可以被首尾相连地(end-to-end)定位，以便形成沿着相应表面111和122基本上连续延伸的连续环形元件。图1中所示轴承机构115和125的数量、尺寸和构造只是示例性的，并且本领域普通技术人员将知道在不脱离本发明的范围的情况下可以采用轴承机构115和125的许多其它结构和布置。

在还有其它示例性实施例中，可以将一个或多个轴承机构只放置在相对表面111或122中的一个上。例如，可以将一个或多个流体轴承机构只放置在相对表面111或122中的一个上。而且应该理解的是，根据本发明各种示例性实施例的轴承机构可以提供轴承，沿着相对表面111和122的界面以提供转动的轴承(如由在图2中的箭头x所示)，横过相对表面111和122的界面以提供径向轴承(如由在图2中的箭头y所示)，或者这两种轴承的组合。而且，虽然在图1和图2中只绘出了单个一组轴承元件115和125，但是每一组可以包括多个轴承元件，并且在每一组中的轴承元件可以选自不同类型的轴承，例如包括磁性轴承、流体轴承和/或滚子轴承。

根据各个其它实施例，例如，轴承机构可以被构造成被动式机械轴承，诸如例如在图4和5中示出的传统密封式滚子轴承机构。现在参照图4和5，示出了具有开心式构造的能量转换系统400的示例性实施例的示意性平面图和剖视图(沿着图4的能量转换系统的线5-5剖开)。该能量转换系统400包括其上安装有一个或多个叶片构件430(在图4中示出了多个)的可转动结构410。可转动结构410相对于静止结构420(例如，在图4的示例性实施例中为在其周边内)可转动地安装。叶片构件430相对于可转动结构410构造并定位成使得流体流可以与叶片构件430相互作用，以使得可转动结构410与其所承载的叶片构件430一起按照本领域普通技术人员所熟知的方式转动。例如，如上所述地，叶片构件430可以为水翼，其被构造用来与沿着与叶片构件430和可转动结构410的转动平面基本上垂直(并且与叶片构件430和可转动结构410的转动轴线A基本上平行)的方向运动的流体流(在图5中表示为FC)相互作用。换句话说，在图4中系统400的方位上，叶片构件430可以被构造用来与具有沿着与纸平面基本上垂直的方向运动的分量的流体流FC相互作用。

例如可以利用发电机磁体417和叠片/定子绕组418(图5)将由流体流与叶片构件430的相互作用所引起的转动运动转换成另一种形式的能量，诸如例如电和/或氢生产之类。可以借助本领域普通技术人员所熟知的许多技术来完成这种转动运动向另一种形式能量的转换。

图4的能量转换系统400可以包括一组或多组被动式机械轴承，诸如例如传动密封式滚子轴承416(在图4和图5的示例性实施例中示出了多组)。这些轴承416可以被构造用来允许可转动结构410在基本上稳定的径向位置中相对于静止结构420转动(例如，为这些结构提供被动式径向回复支撑)。在各个其它示例性实施例中，轴承416可以被取消，为了如图9所示的低摩擦(例如陶瓷、特氟龙和/或各种热塑性聚合物)表面419；备选地，可以采用滚子轴承和低摩擦表面的组合。

如图5所示，在根据本发明的各种示例性实施例中，磁性轴承机构435和440可以被构造用来允许可转动结构410在基本上稳定的轴向位置中相对于静止结构420转动(例如为这些结构提供轴向回复支撑)。例如，在轴承机构435和440之间的磁场可以足以基本上阻止可转动结构410和/或静止结构420在作用在其上的与流体流FC相关联的作用力(例如流体流的推力)下沿轴向方向的运动。也就是说，如上所述地，在能量转换系统400被相对于与轴线A基本上平行(例如，与图4的纸平面基本上垂直)运动的流体流FC定位时，在轴承机构435和440之间建立的磁场会产生作用力，该作用力足以基本上阻止可转动结构410或静止结构420因流的作用力而产生的沿轴向方向的运动。

在根据本发明的各种示例性实施例中，如图6所示，磁性轴承机构435和440可以分别包括多个磁体436和441。如图6所示，这些磁体436和440可以被基本上布置在Halbach型阵列(即永磁体的转动型式，其中箭头表明了每个磁体的磁场的取向)中。如本领域普通技术人员所理解的一样，在布置好时，磁体436和441被构造成彼此相互排斥，以便基本上保持在可转动结构410和静止结构420之间的间距(即间隙)G。如本领域普通技术人员所进一步理解的一样，在磁性轴承机构435和440包括永磁体的情况下，即使在可转动结构410和静止结构420没有相对于彼此平移或转动时也可以建立磁场(以及因此排斥力)。

例如，图7显示出图6的磁性轴承(即永磁阵列)的示例性实施例的磁场图。如图7所示，具有所示尺寸的阵列(即，在内径以转动轴线A为起点是30英寸的磁体环中使用0.328英寸×0.328英寸磁体，并且阵列之间的间距G为0.125英寸)采用具有50MGO(使用对磁体能量强度的百万高斯-奥斯特(MEGA GAUSS OERSTED)测量法)的铌铁硼(DdFeB)磁铁可以提供大约9000磅的回复力(即，足够用于直径为5英尺的能量转换系统的回复力)。在图释中，以特斯拉来注释磁性轴承给出的磁场密度强度。

作为比较，图8显示出比较磁性轴承机构的磁场图，该磁性轴承机构通过将具有相反磁场的磁体直接对准来提供被动式排斥作用(即，箭头表明了每个磁体的磁场的取向)。如图8所示，当具有如图7所示类似尺寸和性能的磁体(即，0.328英寸×0.493英寸、50MGO DdFeB磁体)被布置在这种构造(即，相对的0.985英寸磁体阵列，在该阵列之间的间隔G为0.125尺寸)中时，轴承机构只是提供了大约7540磅的回复力。因此，与图8的磁性轴承机构相比，例如在图7中所示的本发明的磁性轴承机构显示出了增强的回复性能和支撑更大的能量转换设备的能力。

如本领域普通技术人员所知道的一样，也可以对图4的示例性能量转换设备进行修改以应对双向流流动。换句话说，在图10中系统的方位上，叶片构件430可以被构造用来与流体流FC_A和/或流体流FC_B相互作用，每个流体流都具有在与图纸平面基本上垂直的方向上运动的分量。如图10所示，为了抵消流体流FC_B的推力(即，为了提供轴向回复力，其足以基本上防止可转动结构410或静止结构420因FC_B的轴向分力而产生的运动)，可以将第二组磁性轴承435和440放置在能量转换系统的相对侧上(即，在可转动结构410和静止结构420的与叶片构件430对置的一侧上)。这样，无论流动方向如何，可以通过两组轴承435和440将静止结构420在间隙G内对中。

轴承机构435和440可以包括各种Halbach型阵列，它们被构造用来如本领域普通技术人员所理解的一样实现磁性排斥，并且上述那些仅仅是示例性的。本领域普通技术人员将知道如何改变结构435和440来允许可转动结构410在基本上稳定的轴向位置中相对于静止结构420转动(即，提供足够的轴向回复力)，并且将知道所示的结构435和440只是示意性表示。但是本领域普通技术人员将知道，由轴承机构435和440示范出的构造可以具有特殊的益处，即，没有与结构的转动相称的涡流损耗。可以根据各种因素(诸如可转动结构和静止结构410、420的尺寸和重量、所需的回复力和承载力)和基于所期望用途的其他因素来选择轴承机构435和440的数量、形状、间距、尺寸、磁场强度和其他性能。另外，在被放置在流体环境中时(例如，在被放置在水中时)，这些磁体可以被气密地密封以防止磁性材料氧化。

如图11所示，在根据本发明的各个其他示例性实施例中，磁性轴承机构445和450可以被构造用来允许可转动结构410在基本上稳定的轴向位置中相对于静止结构420转动(例如，为这些结构提供轴向回复支撑)。例如，在轴承机构445和450之间的磁场可以足以基本上阻止可转动结构410和/或静止结构420在作用在其上的与流体流相关联的作用力(例如流体流的推力)下沿轴向方向运动。

在各种示例性实施例中，如图11所示，磁性轴承机构445和450可以分别包括多个径向磁体446和451。如图11所示，这些磁体446和451可以被基本上布置在Halbach型阵列中。如本领域普通技术人员所知道的一样，当可转动结构410上的磁体阵列(即磁体446)相对于静止结构420上的磁体阵列(即磁体451)移动了一位移量D时，径向气隙场提供了轴向回复力。换句话说，磁体446相对于磁体451的位移在磁体试图自身对准时产生了回复力(即，对准力抵消了流体流的推力)。

如本领域普通技术人员所知道的一样，由于磁性轴承机构445和450在能量转换系统内的构造和中央位置，这些磁性轴承机构本质上是双向的，并因此适应在任一方向上的流动。换句话说，在图11中系统的方位上，叶片构件430可以被构造用来与流体流FC_A和/或流体流FC_B相互作用，每个流体流都具有在与图纸平面基本上垂直的方向上运动的分量。另外，如上文所述地，本领域普通技术人员也将知道，磁性轴承机构445和450可以包括各种Halbach型阵列，并且本领域普通技术人员将知道如何改变这些结构445和450，并将这些结构偏置(即，使得这些结构相对于彼此移动)，以便让可转动结构410能够在基本上稳定的轴向位置中相对于静止结构420转动(即，提供足够的轴向回复力)，本领域普通技术人员还将知道所示的这些结构445和450只是示意性表示。可以根据各种因素(诸如可转动结构和静止结构410、420的尺寸和重量、所需的回复力和承载力)和基于所期望用途的其他因素来选择轴承机构435和440的数量、形状、间距、尺寸、磁场强度和其他性能。另外，在被放置在流体环境中时(例如，在被放置在水中时)，这些磁体可以被气密地密封以防止磁性材料氧化。

如图12和13所示，在各个其他示例性实施例中，磁性轴承机构455和460可以分别包括C形芯部456(诸如例如钢的C形芯部、或钢轭之类)以及多个径向磁体461。如图13所示，磁体461可以被基本上布置在Halbach型阵列中。如上文所述地，当可转动结构410上的轴承机构455(即，C形芯部456)相对于静止结构420上的轴承机构460(即磁体461)移动一位移量D时，径向气隙场提供了轴向回复力。换句话说，钢的C形芯部456相对于磁体461的移动在磁体试图与钢的C形芯部对准时产生出了回复力(即，对准力AF抵消了流体流FC的推力)。

如上文一样，如本领域普通技术人员所理解的一样，在磁性轴承机构455和460包括永磁体461的情况下，可以即使在可转动结构410和静止结构420没有相对于彼此转动时也建立磁场(以及因此对准力)。例如图14显示出图13的磁性轴承的磁场图(即，永磁阵列和钢的C形芯部)。如图14和图15所示，在具有所示尺寸的阵列(即，在内径以转动轴线A为起点是30英寸的磁体环中采用了1.21英寸×1.21英寸磁体)相对于钢的C形芯部移动了大约0.605英寸的位移量D的情况下，用50MGO NdFeB磁体也可以提供大约9000磅的回复力。在图释中，以特斯拉来注释磁性轴承给出的磁场密度强度。

如上文一样，本领域普通技术人员还将知道的是，磁性轴承机构455和460可以包括各种C形芯部构造和Halbach型阵列，并且本领域普通技术人员将知道如何改变这些结构455和460，并将这些结构偏置(即，使得这些结构相对于彼此移动)，以便让可转动结构410能够在基本上稳定的轴向位置中相对于静止结构420转动(即，提供足够的轴向回复力)，本领域普通技术人员还将知道所示的这些结构445和450只是示意性表示。可以根据各种因素(诸如可转动结构和静止结构410、420的尺寸和重量、所需的回复力和承载力)和基于所期望用途的其他因素来选择轴承机构455和460的数量、形状、间距、尺寸、磁场强度和其他性能。另外，在被放置在流体环境中时(例如，在被放置在水中时)，这些磁体可以被气密地密封以防止磁性材料氧化。

在其中磁性轴承机构455和460包括诸如例如钢的C形芯部(即，钢轭)456和磁体461的导电体的各种示例性实施例中，成组的轴承机构455和460中的一组或多组也可以被构造用来以对于本领域普通技术人员所公知的方式根据轴承机构455和460的相对运动来发电。例如，如图16和图17所示，如果使钢轭456间断地突出，则以铜线圈457作为定子组件(例如铜线圈457被安装在静止结构上)的该结构将适用于机电能量转换。如本领域普通技术人员所理解的一样，在该结构中，磁性钢轭456由于图17所示磁化取向而在线圈457上提供交变的磁链。

各种示例性实施例还考虑了各种方法来削弱有时可以与间断的钢轭456相关联的相当的齿槽转矩。在各个实施例中，例如可以以90度偏置的方式使用复制的第二组(即磁体461和钢轭456)。同时在各个其他实施例中，钢轭456在气隙处(即在间断的钢轭之间)的磁极可以被展开以遮盖相邻磁极的部分(即相邻磁体)。换句话说，钢轭456的侧面可以被伸展，因此它们开始遮盖相邻磁体。

图1至图17的示例性实施例是非限定性的，并且本领域普通技术人员将理解的是，在不脱离本发明范围的情况下可以对所示的布置和构造作出各种改变。

现在参照为局部剖视图的图18至图73，这些图示出了可以用在根据本发明的各种示例性能量转换系统中的带有轴承机构的可转动结构和静止结构的各个其他示例性结构。在图18至图73的每一幅图中所示的局部剖视图为在以90度(90°)方位角贯穿这些结构的径向平面中获得的这些结构的横截面(即，与图2的横截面相同的横截面)，并且只显示出了该系统的上部。在图18至图73的每一幅图中，该系统的旋转轴线标为A，并且与该系统相互作用以产生转动的流体流(或流体流的分量)的方向表示为FC。虽然在图18至图73的每一幅图中箭头FC被示出只是沿着一个方向，但是流体流同样可以沿着相反的方向，并且仍然允许能量转换系统工作。因此，能量转换系统被构造用来沿着流体流的两个方向工作，并且可转动结构的转动方向根据流体流的方向改变。

为了便于显示和说明，在图18至图73所示实施例的每一个中的静止结构是与在这些附图中表示为F的固定安装件连接的结构，并且可转动结构是具有安装在其上的叶片30的结构。为了简化起见，协同合作的成组的轴承机构被共同地标为5。另外，在图18至图73中的每一个轴承机构组5被描绘成多个协同合作的轴承元件的阵列。这种构造只是示例性的而非限定性的，并且如上所述地，轴承机构可以具有各种布置、构造和数量。轴承机构组的数量也可以从一个变化到不止一个，视各种因素(包括例如结构的尺寸、结构的重量、轴承机构的形状)以及本领域普通技术人员所知的其他各种因素而定。轴承机构组的布置也可以基于这些因素而变化。

在图18至图73中，可转动结构和静止结构在相对于彼此的位置中，使得如果这些结构是离散的、分立的结构而这些结构没有围绕相应回路形成连续的、环形的结构，与每个结构相关联的轴承机构被基本上对准。要理解的是，即使与每个结构相关联的轴承机构中的任何轴承结构在数量和/或布置上被构造成使得形成了连续的环形结构，在图18至图73的剖视图中轴承机构也总是被相互对准。

在图18至图73中所描绘的各种示例性实施例示出了根据本发明的能量转换系统的许多构造，其中在可转动结构和静止结构之间的轴承界面的数量、界面与流体流的对准、界面的构造等方面发生了变化。例如，在图18至图45的实施例示出的能量转换系统中，流体流FC的方向与各轴承界面基本上对准或者基本上垂直(每个轴承界面由每个轴承机构组5表示)，并且在图46至图73的实施例示出的能量转换系统中，流体流FC的方向和各个轴承界面不对准或不垂直，而是与之呈现出不垂直于流体流FC方向的角度。另外，图18至图21和图46至图49的能量转换系统实施例具有一个轴承界面，图22至图25、图34至图37、图50至图53以及图62至图65的实施例具有两个轴承界面，图26至图29、图38至图41、图54至图57以及图66至图69的实施例具有三个轴承界面，而图30至图33、图42至图45、图58至图61以及图70至图73的实施例具有四个轴承界面。

在其中一个结构的横截面包绕着另一个结构的横截面的至少一部分的各种示例性实施例中(诸如例如在具有两个或更多个轴承界面的实施例中)，轴承机构组5的布置可以提供不同的承载力方向(例如沿着径向方向和轴向方向两个方向)，这可以提供更大的稳定性以保持在这些结构之间的间距。

图18至图73的示例性实施例为非限定性的，并且本领域普通技术人员将理解的是，在不脱离本发明范围的情况下可以对所示的布置和结构作出各种改变。

在各种示例性实施例中，协同合作的轴承机构组中的一组或多组可以用磁体/导电线圈对来代替，该磁体/导电线圈对被构造用来通过可转动结构相对于静止结构的运动而发电。因此，例如在图18至图73的示例性实施例中，所示的轴承机构组5中的至少一组可以由磁体/导电线圈对形式的发电机构来代替；备选地或者另外地，在每个形成组5的阵列中的轴承机构的一个或多个可以为磁体/导电线圈对。这与所采用的其余轴承机构的类型无关(例如，不论那些组包括磁性轴承机构和/或流体轴承机构)。在一组或多组轴承机构被构造用来实现磁悬浮的情况下，这些成组的轴承机构可以被构造用来实现磁悬浮和发电。

另外，按照与上述方式类似的方式，在图1中所示的一组或多组轴承机构115和125可以用磁体/导电线圈对代替或者可以包括磁体/导电线圈对，该磁体/导电线圈对被构造用来通过其因可转动结构110和静止结构120的相对运动而导致的相对运动来发电。根据本发明的各种示例性实施例，也可以采用各种其他机构来将可转动结构相对于静止结构的相对运动转换成电能或其他有用形式的能量。这种机构可以包括但不限于采用液压泵、旋转驱动轴等。参见被作为参考结合在此的美国专利No.7453166，其中给出了可以用来将结构的转动运动转换成其他有用形式的能量的各种技术示例。本领域普通技术人员将知道如何改变在美国专利No.7453166中所披露的各种技术以将这些技术用于根据本发明的能量转换系统。

在各种示例性实施例中，除了被构造用来实现磁悬浮的轴承机构和/或流体轴承机构之外，本发明还考虑了采用其他轴承机构，包括但不限于例如滚子、低摩擦垫(例如Teflon垫)等。可以采用这些轴承机构来在能量转换系统的径向方向和轴向方向中的一个或两个方向上提供约束(或额外的约束)，以使得可转动结构和静止结构的相对位置和/或运动稳定。

如参照图4至图17所示一样，例如在至少一个示例性实施例中，可以用滚子轴承机构来为系统提供径向轴承，并且可以用磁性轴承机构(例如磁悬浮轴承机构)来为该系统提供轴向轴承。在各种其他示例性实施例中，可以用磁性轴承机构来为该系统提供径向轴承，并且可以用滚子轴承机构来为该系统提供轴向轴承。在各种其他实施例中，在采用动态磁性轴承机构和/或动压轴承机构时，也可以采用其他轴承机构(例如滚子轴承机构)，直到可转动结构所达到的速度对于动态磁性轴承机构和/或动压轴承机构而言足以起作用并且承载该系统的可施加载荷。当然，可以根据所期望的用途来采用和布置各种轴承机构类型的组合，并且本领域普通技术人员将知道如何选择该组合来实现所期望的作用。

在各种示例性实施例中，本发明的能量转换系统包括叶片构件，这些叶片构件分别离开和朝着可转动结构的中心从可转动结构既径向向外地又径向向内地延伸。但是，能量转换系统可以包括只径向向外地或只径向向内地延伸的叶片构件。在叶片构件既径向向外地又径向向内地延伸的实施例中，这些叶片构件可以包括被安装在可转动结构上的一体式结构或分离式结构。在各种示例性实施例中，径向向外延伸的叶片构件和径向向内延伸的叶片构件可以围绕着可转动结构不对称。例如，径向向外延伸的叶片构件的长度比径向向内延伸的叶片构件的长度更长；备选地，径向向外延伸的叶片构件和径向向内延伸的叶片构件可以围绕着可转动结构对称。径向向内延伸的叶片构件的长度可以如此选择，从而这些叶片构件使得与流经能量转换系统中心的流体的干扰最小化。

在各种示例性实施例中，这些叶片构件可以相对于可转动结构固定或者可调节。例如，对于可调节叶片构件而言，这些叶片构件可以绕着其纵向轴线转动以便调节叶片构件表面相对于流体流的角度。参见被作为参考结合在此的美国专利No.7453166，有关于可调节叶片构件的进一步细节。

本领域普通技术人员将知道，在不脱离本发明范围的情况下可以对在这里所披露的构造和方法作出各种变化。例如，可以改变可转动结构和静止结构的横截面形状和相对尺寸，并且可以采用多种横截面构造，包括例如圆形或椭圆形横截面形状。

另外，虽然上文所示并且所述的许多示例性实施例包括成组的协同合作的轴承机构，并且组中的一个元件被放置在静止结构上而另一个设置在可转动结构上，但是在备选的实施例中，一个或多个轴承元件可以仅与结构其中一个相关联。例如，磁性元件可以被安装在静止结构上，而可转动结构可以由铁质材料制成(或反之亦然)，从而在磁性元件和铁质材料之间的吸引力可以足以使得这些结构相对于彼此对中并且支撑。同样，对于静压或动压轴承机构而言，具有流化压力源的轴承元件可以只是设置在其中一个结构上，并足以在这些结构相对转动期间支撑并且对中另一个结构。本领域普通技术人员将知道如何对这些附图中所示示例性实施例进行改变，从而这些轴承结构仅与静止结构或可转动结构其中一个相关联。

而且，虽然在这里所述的各种示例性实施例中的能量转换系统的方位大体上在基本上竖直的平面内，但是本领域普通技术人员将理解的是，可以作出多种改变以使得根据本发明的能量转换系统在任一方位上操作。

本领域普通技术人员还将知道，即使在这些组合在这里没有详细披露的情况下，针对在这里的一个示例性实施例所披露的各种特征可以与具有适当变化的其他示例性实施例结合使用。

对于该说明书和所附权利要求书而言，除非另有指明，在该说明书和权利要求书中所用的表示数量、百分比或比例的所有数字以及其他数值将被理解为在一切情况下由术语“大约”进行改变。因此，除非相反地指明，在书面说明书和权利要求书中所给出的数字参数是大约值，其可以根据本发明所寻求获得的期望的性能而改变。决不是并且也不是试图限制等同原则对权利要求范围的适用，每个数字参数应该至少根据所报告的明显数字数量并且通过应用普通四舍五入技术来解释。

要指出的是，如在该说明书和所附权利要求书中所采用的一样，单数形式“一”或者“该”包括多个的含义，除非明确并且清楚限制于“一个”的含义。如在这里所用的一样，术语“包括”及其语法上的变型是非限定性的，从而在一列表中的项目的表述没有排除其他可以替代或加入到该列项目中的类似项目。

对于本领域普通技术人员显而易见的是，在不脱离本发明和所附权利要求的范围的情况下可以对本发明的系统和方法做出各种变型和变化。本领域普通技术人员可以从说明书的阅读和在这里所披露的教导的实施中了解本发明的其他实施例。该说明书和示例被认为仅是示例性的。

Claims (14)

1.一种能量转换系统，包括：

静止结构；

可转动结构，该可转动结构被构造用来相对于所述静止结构转动，所述可转动结构限定出转动轴线；

至少一个叶片构件，该至少一个叶片构件被安装至所述可转动结构并且从所述可转动结构径向向外地延伸，所述至少一个叶片构件被构造用来和在基本上平行于所述转动轴线的方向上流动的流体流相互作用，以便使所述可转动结构绕着所述转动轴线转动；以及

至少一个轴承机构，该至少一个轴承机构被设置用来在所述可转动结构绕着所述静止结构转动时在所述可转动结构和所述静止结构之间提供径向轴承和轴向轴承中的至少一个，

其中，所述系统被构造用来将所述可转动结构的转动转换成电和氢生产中的至少一种。

2.如权利要求1所述的能量转换系统，其中所述至少一个轴承机构选自磁性轴承机构、液压轴承机构和滚子轴承机构中的至少一种。

3.如权利要求1所述的能量转换系统，其中所述至少一个轴承机构包括磁性轴承机构，并且其中所述系统还包括至少一个导体，所述磁性轴承机构和所述导体被构造用来相对于彼此运动，以便在所述可转动结构的转动期间产生电。

4.如权利要求1所述的能量转换系统，其中所述至少一个轴承机构包括至少一个磁性轴承机构，所述至少一个磁性轴承机构包括被基本上布置在Halbach型阵列中的多个磁体。

5.如权利要求4所述的能量转换系统，其中所述至少一个磁性轴承机构被设置用来在所述可转动结构绕着所述静止结构转动时在所述可转动结构和所述静止结构之间提供轴向回复力。

6.如权利要求5所述的能量转换系统，其中所述多个磁体在所述可转动结构和所述静止结构之间提供排斥力。

7.如权利要求5所述的能量转换系统，其中所述多个磁体在所述可转动结构和所述静止结构之间提供轴向对准力。

8.一种将流体流运动转换成另一种形式的能量的方法，该方法包括：

将能量转换系统放在流体中，该能量转换系统包括：

静止结构；

可转动结构，该可转动结构被构造用来相对于所述静止结构转动，所述可转动结构限定出转动轴线；以及

至少一个磁性轴承机构，该至少一个磁性轴承机构被设置用来在所述可转动结构绕着所述静止结构转动时在所述可转动结构和所述静止结构之间提供径向轴承和轴向轴承中的至少一个；

让所述能量转换系统在所述流体中取向成所述流体中的流体流在基本上平行于所述转动轴线的方向上流动并且使所述可转动结构转动；

在所述可转动结构转动期间通过所述至少一个磁性轴承机构相对于导电元件运动来产生电和氢中的至少一种。

9.如权利要求8所述的方法，其中所述至少一个磁性轴承机构包括被基本上布置在Halbach型阵列中的多个磁体。

10.如权利要求9所述的方法，其中所述至少一个磁性轴承机构被设置用来在所述可转动结构绕着所述静止结构转动时在所述可转动结构和所述静止结构之间提供轴向回复力。

11.如权利要求10所述的方法，其中所述多个磁体在所述可转动结构和所述静止结构之间提供排斥力。

12.如权利要求10所述的方法，其中所述多个磁体在所述可转动结构和所述静止结构之间提供轴向对准力。

13.如权利要求9所述的方法，其中所述磁性轴承机构的所述多个磁体包括磁场源。

14.如权利要求8所述的方法，其中所述能量转换系统还包括至少一个叶片构件，该至少一个叶片构件被安装至所述可转动结构并且从所述可转动结构径向向外地延伸，并且其中所述流体流和所述至少一个叶片构件相互作用以使所述可转动结构运动。

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