(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械的エネルギーから電気エネルギーを収穫する装置であって、
前記装置は、磁路を備え、
前記磁路は、
自身に加えられるストレスの関数である磁気特性を有する磁性材料と、
前記磁性材料に近接する第１の導磁性材料と、
前記磁路内に位置し、自身の起磁力で磁束を生じる磁石と、
により形成され、
前記装置は、さらに、外部源により生じる負荷の変化を負荷通路に沿って前記磁性材料に伝達するように構成された構成要素を備え、前記磁石は、前記負荷通路に独立して位置し、かつ前記外部源による前記負荷の前記変化の影響を受けない、
ことを特徴とする装置。
【請求項２】
前記磁性材料にプレストレスを加えるために使用される少なくとも一つの他の構成要素を更に備え、前記磁性材料への前記プレストレスは、前記外部源により生じる前記負荷の前記変化からは分離された圧縮ストレスである、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記導磁性材料は前記磁石のＮ極とＳ極との間に実質的に空隙のない磁路を提供する、請求項１記載の装置。
【請求項４】
前記第１の導磁性材料は軟鋼を備える、請求項１記載の装置。
【請求項５】
前記第１の導磁性材料は電炉鋼を備える、請求項１記載の装置。
【請求項６】
前記磁石は、前記構成要素と前記磁石の第１の極が接するように位置する永久磁石を備え、前記磁石の前記第１の極は、前記磁性材料の軸の方を向き、前記磁石の第２の極は、前記磁性材料の前記軸の外方を向く、請求項１記載の装置。
【請求項７】
前記磁石は電磁石を備える、請求項１記載の装置。
【請求項８】
前記磁性材料は磁歪材料を備える、請求項１記載の装置。
【請求項９】
前記磁性材料はピエゾ磁気材料を備える、請求項１記載の装置。
【請求項１０】
前記磁気特性は、該磁性材料に加えられる機械的ストレスとともに変化する該磁性材料の透磁率を備える、請求項１記載の装置。
【請求項１１】
前記磁気特性は、該磁性材料に加えられる機械的ストレスとともに変化する該磁性材料の飽和磁化を備える、請求項１記載の装置。
【請求項１２】
前記磁路と相対的に配置された導電コイルを更に備え、前記導電コイルは前記磁性材料を通る磁束の変化に応答して誘起電圧及び／又は電流を発生するように構成されている、請求項１記載の装置。
【請求項１３】
機械的エネルギーから電気エネルギーを収穫する装置であって、
前記装置は、実質的に閉じた一つの磁路を備え、
前記磁路は、
ストレスとともに変化する磁気特性を有する磁性材料と、
導磁性材料と、
前記磁路内に位置する永久磁石と、
により形成され、前記永久磁石は、前記永久磁石の少なくとも１つの極が、前記磁性材料の方を向くように方向付けられ、
前記装置は、さらに、
外部源により生じる負荷の変化を負荷通路に沿って前記磁性材料に伝達するように構成された構成要素と、
前記磁性材料にプレストレスを加えるために使用される少なくとも一つの他の構成要素と、を備え、前記永久磁石は、前記負荷通路に独立して位置し、かつ前記外部源による前記負荷の前記変化の影響を受けない、
ことを特徴とする装置。
【請求項１４】
前記磁性材料は磁歪材料又はピエゾ磁気材料を備える、請求項１３記載の装置。
【請求項１５】
前記磁気特性は、該磁性材料に加えられる機械的ストレスとともに変化する該磁性材料の透磁率を備える、請求項１３記載の装置。
【請求項１６】
前記磁気特性は、該磁性材料に加えられる機械的ストレスとともに変化する該磁性材料の飽和磁化を備える、請求項１３記載の装置。
【請求項１７】
少なくとも一つの導磁性材料の断面積は少なくとも一つの永久磁石の断面積に実質的に等しい、請求項１３記載の装置。
【請求項１８】
前記磁路と相対的に配置された導電コイルを更に備え、前記導電コイルは前記磁性材料を通る磁束の変化に応答して誘起電圧及び／又は電流を発生するように構成されている、請求項１３記載の装置。
【請求項１９】
機械的エネルギーから電気エネルギーを収穫する方法であって、
外部源による負荷の変化を負荷通路に沿って磁性材料に伝達するように構成された構成要素によって前記磁性材料に加えられるストレスの関数である前記磁性材料の磁気特性を変化させるステップと、
空隙のない実質的に閉じた磁路内に位置する少なくとも一つの永久磁石により与えられる起磁力によって磁束を変化させるステップと、
前記磁性材料内の前記磁束の変化に応答して前記磁路と相対的に配置された導電コイルに電圧を誘起するステップと、を含み、
前記永久磁石は、前記負荷通路に独立して位置し、かつ前記外部源による前記負荷の前記変化の影響を受けない、
ことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、国立海洋大気庁によって与えられた米国許可番号ＷＣ１３３Ｒ１０ＣＮ０２２０の下で政府の支援により行われた。政府は本発明に一定の権利を有する。
【０００２】
関連発明の相互参照
本出願は、２０１０年４月２７日に「Mechanical Energy Harvester Method and Device」の名称で出願された、米国仮特許出願第６１／３２８，３９６号の利益を主張するものであり、この仮特許出願は参照することによりその全部がここに組み込まれる。本出願は、２０１１年１月２８日に「Apparatus for Harvesting Electrical Power from Mechanical Energy」の名称で出願された、米国特許出願第１３／０１６、８９５号の優先権の利益も主張するものである。本出願は、２０１１年１月２８日に「Wave Energy Harvester with Improved Performance」の名称で出願された、米国特許出願第１３／０１６、８２８号の優先権の利益も主張するものである。
【背景技術】
【０００３】
商業的に実行可能であるとともに環境にも良い再生可能なエネルギー源の広範な開発が今日の世界規模の大きな課題の一つとして位置付けられている。このような技術は経済成長に拍車をかけるとともに世界規模の環境維持に貢献することができ、数十年以内に枯渇し得る化石燃料への私達の依存を低減することもできる。海洋エネルギー及び他の再生可能なエネルギー源は極めて高いポテンシャルを持っているが、これらの目的を達成するクリーンエネルギー源として十分に利用されていない。
【０００４】
エネルギー情報局は、世界的な電気消費量は２００６年から２０３０年の間に１８兆から３２兆ｋＷｈに増加し、年間成長率は２．４％になると推定している。この世界的な増加のうちの４２％が石炭発電で、２４％が再生可能エネルギーで、２３％が天然ガス発電で、残りが原子力発電で供給されることが予想される。米国の電気消費量はもっと低い率で増加し、この期間に亘って４．１兆から５．２兆ｋＷｈに増加する。この国内増加のうちの３９％が石炭発電で、３２％が再生可能エネルギーで、１８％が天然ガスで供給されることが予想される。再生可能エネルギーによる貢献の大部分は環境を損なわない再生エネルギーよりも新しい水力発電によってもたらされると予想される。
【０００５】
費用効率及びエネルギー効率がよく環境に優しい新しい発電技術の選別及び開発は米国及び世界中の人々に経済上、健康上及び安全上の恩恵をもたらす。クリーンエネルギー発生技術は一般に地域資源に基づくため、これらの技術は雇用創出による沿岸地域の地域経済の活性化及び安価なエネルギーの活用による地域工業の活性化に役立つ。
【０００６】
次の２０年間を急速に見積もると、クリーンエネルギー部門の市場シェアの増加は、高い資本効率、費用有効性及び資源利用性を有するエネルギー源が大きな割合を占め得る。例えば、海洋エネルギーを収穫する従来のアプローチはこれらの３つの基準を満足せず、これらの技術は大きな資本を必要としすぎ、エネルギーコストに競争力がなく、極めて特殊の海洋環境を要求し、多数の可能な場所及び影響の規模を制限する。従って、通常の海洋エネルギーシステムは風力発電、太陽電池、太陽熱発電及び地熱発電を同級であるとみなせない。
【０００７】
従来の装置による発電コストは石炭発電の３−５倍であると推定される。今日まで試みられた従来のアプローチから根本的に離れなければ、海洋エネルギーは決してグローバルエネルギーの重要部分にならないであろうことはもっともだと思われる。
【発明の概要】
【０００８】
装置の実施形態を記載する。一実施形態においては、本装置は機械的エネルギーから電力を収穫する装置である。本エネルギー収穫装置は磁路を含む。この磁路は、自身に加えられるストレスの関数である磁気特性を有する磁性材料、該磁性材料に近接する第１の導磁性材料、前記磁路内に位置し自身の起磁力で磁束を生じる磁石、及び外部源により生じる負荷の変化を前記磁性材料に伝達するように構成された構成要素を備える。
【０００９】
前記装置の別の実施形態を記載する。一実施形態においては、本装置は機械的エネルギーから電力を収穫する装置である。本装置は、一つのほぼ閉じた磁路を含む。この磁路は、ストレス応じて変化する磁気特性を有する磁性材料、導磁性材料、及び前記磁路内に位置する永久磁石を含む。本装置は、更に、外部源により生じる負荷の変化を前記磁性材料に伝達するように構成された構成要素及び前記磁性材料にプレストレスを加えるのに使用される少なくとも一つの他の構成要素を含む。本装置の他の実施形態も記載する。
【００１０】
方法の実施形態も記載する。一実施形態においては、本方法は機械的エネルギーから電力を収穫する方法である。本方法は、外部源による負荷の変化を磁性材料に伝達するように構成された構成要素によって前記磁性材料に加えられるストレスの関数である前記磁性材料の磁気特性を変化させるステップ、空隙のないほぼ閉じた磁路内に位置する少なくとも一つの永久磁石により供給される磁力によって磁束を変化させるステップ、及び前記磁性材料内の前記磁束の変化に応答して前記磁路と相対的に配置された導電コイルに電圧を誘起するステップを含む。
【００１１】
本発明の実施形態の他の態様及び利点は本発明の原理の一例として示される添付図面と関連する以下の詳細な説明から明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】磁気歪み鉄−アルミニウム合金材料の電力密度と該材料に印加される負荷及びこの機械的負荷の印加及び開放周波数との関係の一例のグラフ図を示す。
【図２】エネルギー収穫装置の一実施形態の概略図を示す。
【図３】負荷印加装置内の磁性材料の磁路の一例のコンピュータモデル化された概略図を示す。
【図４】負荷印加装置内の磁性材料の磁路の一例のコンピュータモデル化された概略図を示す。
【図５】図３の磁路の磁束密度の大きさを示すグラフ図である。
【図６】図４の磁路の磁束密度の大きさを示すグラフ図である。
【図７】エネルギー収穫装置の一実施形態の概略図を示す。
【図８】エネルギー収穫装置の一実施形態の概略図を示す。
【図９】エネルギー収穫装置の一実施形態の概略図を示す。
【図１０】機械的エネルギーから電力を収穫する一実施形態のフローチャート図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
一般的に説明され且つ添付図面に示される実施形態の構成要素は様々な異なる構成に配置及び設計することができることは容易に理解されよう。従って、図に示される種々の実施形態の以下の詳細な説明は本発明の範囲を限定する意図はなく、種々の実施形態を例示しているにすぎない。種々の実施形態の様々な態様が図示されるが、図面は特に断らない限り必ずしも一定の寸法比で描かれていない。
【００１４】
本発明は、本発明の精神又は本質的な特性から逸脱することなく他の特定の形態に具体化することができる。開示の実施形態はあらゆる点で例示のためであり、限定のためではないものと見なされたい。よって、本発明の範囲は詳細な説明によってよりも添付の特許請求の範囲によって特定される。特許請求の範囲の意義及び同等範囲に入るすべての変更は本発明の範囲に包含される。
【００１５】
本明細書全体を通して、特徴、利点又は類似の文言への言及は、本発明で実現できる特徴及び利点のすべては本発明の任意の一つの実施形態に存在することを暗示するものではない。むしろ、特徴及び利点に関する文言は、ある実施形態と関連して説明される特定の特徴、利点又は特性は本発明の少なくとも一つの実施形態に含まれることを意味するものと理解されたい。従って、本明細書全体に亘る特徴及び利点又は類似の言葉の考察は、必ずしもそうではないが、同じ実施形態に関連する。
【００１６】
更に、本発明の開示の特徴、利点及び特性は一つ以上の実施形態に任意の適切な態様に組み合わせることができる。当業者は、本明細書の記載に照らせば、特定の実施形態の一つ以上の特定の特徴又は利点を用いることなく本発明を実施することができることを認識されよう。他の場合には、所定の実施形態において、本発明のすべての実施形態に存在し得ない追加の特徴及び利点を認識することができる。
【００１７】
本明細書全体を通して、「一実施形態」、「ある実施形態」又は類似の文言への言及は、指定の実施形態と関連して記載される特定の特徴、構造又は特性は本発明の少なくとも一つの実施形態に含まれることを意味する。従って、本明細書全体を通して「一実施形態において」、「ある実施形態」又は類似の文言は、必ずしもそうではないが、すべて同じ実施形態に関連する。
【００１８】
多くの実施形態がここに記載されるが、記載される実施形態のうちの少なくともいくつかは機械的エネルギーから電力を収穫する方法及び装置を提示する。特に、いくつかの実施形態は、自身に加えられるストレスの関数である磁気特性を有する磁性材料を備え、その磁気特性は外部源により生じる負荷の変化をこの磁性材料に伝達する構成要素を用いて操作することができる。このとき、この磁気特性の変化を利用して電流又は電圧を発生させることができる。いくつかの実施形態においては、この磁性材料の磁気特性を変化させるために、磁石をこの磁性材料又は負荷伝達構成要素に近接して配置する。
【００１９】
実施形態の少なくともいくつかは、機械的エネルギーから電力を収穫する方法及び装置を提示し、該方法及び装置は磁路を含み、その磁路は、自身に加えられる加重の関数である磁気特性を有する磁性材料、少なくとも一つの磁性材料に近接する少なくとも一つの導磁性材料、磁路内に位置し自身の起磁力で前記少なくとも一つの導磁性材料を通る磁束を前記磁性材料内に生じる磁石、及び外部源により生じる負荷の変化を前記磁性材料に伝達するように構成された少なくとも一つの構成要素を含む。
【００２０】
ここで使用される「磁性材料」とは、磁歪材料、ピエゾ磁気材料などの特定の磁気特性を有することが一般に知られている材料を含むものと広く理解されるが、永久磁石材料は含まない。
【００２１】
エネルギー収穫装置の一つの実施形態は、１００より大きい相対透磁率を有する少なくとも一つの導磁性材料、少なくとも一つの磁石、加えられるストレスの関数である少なくとも一つの磁気特性を有する少なくとも一つの磁性材料からなる少なくとも一つ磁路を含み、磁性材料に機械的負荷又は振動を非零周波数で伝達し得るように設計される。磁石は永久磁石又は電磁石とすることができ、磁性材料にバイアス磁界を与えることができる。磁石は磁束の一部分を導磁性材料に通すことができる。
【００２２】
本装置のいくつかの実施形態においては、磁性材料内のストレスとともに変化する一つの特定の特性は透磁率である。別の実施形態においては、ストレスとともに変化する特定の特性は飽和磁化である。本装置の一実施形態においては、磁路に空隙は存在しない。本装置の別の実施形態においては、磁性材料は磁歪材料である。本装置の別の実施形態においては、磁性材料は外部の力が磁性材料に何も作用していないときプレストレス状態にされ、外部の力が作用するとき、この力がプレストレスを部分的に打ち勝つ又はそれに加わるようにする。本装置の別の実施形態においては、磁性材料は高い圧縮ストレス状態、典型的には１０００ｐｓｉを上まわる状態にされ、いくつかの実施形態では５０００ｐｓｉを上まわる状態にされる。
【００２３】
本装置は、磁性材料を通る磁束の変化がコイルに電圧及び／又は電流を誘起するように構成された導電コイル、例えば銅コイルも含むことができる。コイルのタイプ及び特定の構成は本発明の範囲を制限しない。コイルは、電流が他の導電材料に流出するのを防止するために及び／又はコイルをエネルギー収穫装置が使用される環境から保護するために絶縁することができる。更に、本装置は直接又は間接的に機械的に結合された負荷を磁性材料に伝達又は運搬するように設計された種々の構成要素及び構造を含むことができる。いくつかの実施形態においては、特定の用途に対して収穫される電気エネルギーを増加させるために又は一つの用途において様々な異なる量のエネルギーを提供するために本装置の一つ以上を電気的に直列に又は並列に接続することができる。
【００２４】
エネルギー収穫装置の一実施形態の潜在的な利点は、装置のどの構成要素にも有意の運動を必要とすることなく電力を収穫することができる点にある。
【００２５】
本発明の実施形態はここに記載する装置を用いて電力を収穫及び／又は発生する方法もカバーする。このような装置の様々な使用例も説明され、このような装置の特定の使用例は本発明の範囲を少しも制限するものではない。本装置の特定の実施形態は海洋波、風、構造要素、機械要素及び／又は振動要素からのエネルギーの収穫に使用することができるものである。
【００２６】
様々な方法及び装置は、磁性材料にプレストレスを加え保持するここに記載の原理、例えば負荷装置及び機械的締め付けによる機械的負荷、熱膨張ベースの技術及び材料加工中のプレストレスの取り込みなどを実施することができるが、これに限定されない。
【００２７】
いくつかの実施形態においては、磁性材料は金属合金である。いくつかの実施形態においては、磁性材料は鉄ベースの合金である。いくつかの実施形態においては、鉄ベースの合金は他の元素を含有することができ、例えばアルミニウム、コバルト、クロム、ガリウム、珪素、モリブデン、タングステン及びベリリウムを含むことができるが、これに限定されない。いくつかの実施形態においては、磁性材料はテルビウムベース、ニッケルベース又はコバルトベースの材料とすることができる。
【００２８】
磁歪装置の磁性材料は、エネルギー収穫装置の効率を増加するように選択することができる。可能な基準は以下の通りとすることができる。
１．高いエネルギー効率のために、ストレスに対する磁化の微分係数が高いものを使用することができる。言い換えれば、ストレスの小さな変化が磁化強度の大きな変化を生じる。
２．磁性材料は歪み−磁化曲線のヒステリシスが低いものとすることができる。低いヒステリシスは低い磁気機械結合損をもたらし、改善されたエネルギー効率をもたらす。
３．磁性材料は高い内部抵抗を有するものとすることができる。合金の高い内部抵抗は磁歪構成要素内のエディー電流及びその結果の発熱によるエネルギー損失の最小化をもたらす。
４．磁性材料は極めて低コスト（セント／ｋＷｈ）のものとすることができ、高価なエキゾチック／レア合金元素の使用を避けることができる。
５．磁性材料は設置コスト及び／又はメインテナンスコストを低減するために低重量（セント／ｋｇ）のものとすることができる。
【００２９】
これらの及び可能な他の基準によって、より大きな効率用及び／又はより低いコスト用のエネルギー収穫装置を装置の個別の実装に従って構成することができる。ピエゾ磁気材料を用いる代替実施形態又は他の実施形態に対しては他の基準を使用することができる。
【００３０】
本装置のいくつかの実施形態においては、磁性材料に加えられる負荷の変化によって０．０５テスラより大きい磁束密度変化が発生される。本装置のいくつかの実施形態においては、０．３テスラより大きい磁束密度の変化を得ることができる。磁性材料の磁束密度の最大変化に加えて、他の重要なパラメータによって電力発生効率をシステムのサイズ及びコストの関数として決定することができる。
【００３１】
図１は、ここに記載する装置構成における磁歪鉄−アルミニウム合金材料の電力密度（ワット／キログラム）と磁性材料に印加される負荷１０４及び機械的負荷を印加及び開放する周波数１０６との間の関係１００の一例のグラフ図を示す。
【００３２】
ここに記載するエネルギー収穫装置の特定の実施形態を実証するために、バイアス磁界を備えるように構成された磁歪材料及び磁歪材料に印加される負荷１０４を変化させる機能を用いてエネルギーの発生を証明する実験を行った。しかしながら、他の実施形態においてはここに記載する実施形態から一つ以上の特徴を変えてもよい。本実施形態のエネルギー収穫装置の基本構成要素は、磁歪素子に圧縮力又は引張り力又は圧縮力と引張り力の組み合わせを磁歪素子に印加するための力発生器を含む。
【００３３】
加えて、バイアス磁界を磁歪材料に加えることができる。これは、導磁性材料（即ち、軟鋼、鉄、電炉鋼など）と一緒に磁石を用いて、磁石のＮ極から導磁性材料及び磁歪素子を通って磁石のＳ極に戻る連続的な磁路を生成するように構成することによって生成される。
【００３４】
エネルギー発生は、負荷１０４の状態の変化によって磁歪素子の磁気特性を変化させ、その結果として磁歪素子を通る磁束に変化を生じさせることによって達成される。一実施形態においては、時間に伴う磁束の変化は磁歪素子を取り囲む銅コイルの使用によって電力を発生する。
【００３５】
図２はエネルギー収穫装置２００の一実施形態の概略図を示す。磁性材料２０５は図２の負荷印加装置２１０とともに示され、説明されるが、他の実施形態の磁性材料２０５又は負荷印加装置２１０はより小さい又はより大きい機能性を実現するためにもっと少数又は多数の構成要素を含むことができる。磁性材料２０５及び負荷印加装置２１０の両方を含む装置２００は様々なエネルギー収穫構造又は装置に使用することができる。例えば、ここに記載するようなエネルギー収穫装置２００は波エネルギー収穫装置とともに使用することができる。このようなエネルギー収穫構造は一つ又は多数のエネルギー収穫装置を直列又は並列に含むことができる。
【００３６】
図２の実施形態においては、磁性材料２０５を有する磁歪素子は長さが６インチで直径が１インチの円柱ロッドである。磁歪素子はここに記載するように磁性材料２０５を含む。導電コイル（図示せず）で円柱ロッドを取り囲むことができる。一実施形態においては、コイルは１４ＡＷＧワイヤの１８０巻からなる。一実施形態においては、磁歪ロッドの各端に、縦横１．５インチ×０．７５インチ及び長さ１０インチの寸法を有する矩形の軟鋼バー２１２，２１４が配置される。矩形の軟鋼バー２１２，２１４の一端又は両端に一つ以上の磁石２１６が配置される。装置２００は、上側バー２１２の磁石２１６の磁路を下側バー２１４の磁石２１６と接続するために、磁歪ロッドの各端に軟鋼のような導磁性材料を使用することもできる。これは、同様の寸法の別の矩形バー２１８を垂直面面内に配置して上側バー２１２の端の磁石２１６及び下側バー２１４の端の磁石２１６の両方と接触させることによって行うことができる。その結果得られる構造は、磁石２１６及び導磁性材料２１２，２１４，２１８とともに磁性材料２０５を通過する閉ループ磁路を生成する。他の形状及びタイプの導磁性材料を使用することもでき、ここに開示するものに限定されない。
【００３７】
図３及び図４はエネルギー収穫装置２００内の磁性材料２０５の磁路３０５のコンピュータモデル画像３００，４００（Ｖｉｚｉｍａｇソフトウェア使用）である。磁性材料は磁歪材料を含むことができる。この実施形態では、エネルギー収穫装置２００は磁歪ロッドの各端に２つの導磁性バー２１２，２１４を有する。更に、磁石２１６が導磁性バー２１２，２１４の各端に配置され、追加の導磁性バー２１８が磁歪ロッドと接触した上側及び下側バー２１２，２１４の両方の端の磁石２１６と接触するように配置される。従って、磁石２１６を有する上側及び下側バー２１２，２１４と左側バー２１８は磁束の約半分を通すことができる閉ループを形成し、磁石２１６を有する上側及び下側バー２１２，２１４と右側バー３１０は磁路３０５の約半分を通すことができる別の閉ループを形成する。
【００３８】
磁路３０５は図３及び図４の示す２つの機械的なストレス負荷状態において閉ループ磁路を通過すること示している。電力を発生させるために、磁性材料２０５に加えられるストレス状態又は機械的力の負荷を変化させることによって磁束３０５が変化する。図３には、磁歪ロッドに与えられるストレス状態が高い透磁率状態をもたらすときの磁束線３０５が示されている。磁性材料２０５がストレスのために高い透磁率を有するときは、磁束の大部分が磁性材料２０５を通過する。図４は、ロッド内の磁性材料２０５に与えられるストレス状態が低い透磁率状態を生じるときの磁束３０５のコンピュータモデル画像を示す。図３の高い透磁率状態とは反対に、材料２０５が低い透磁率状態のときは磁束線３０５の多くが材料の外側を通って磁石の他極に戻る。図５及び図６は、図３及び図４の対応する磁束状態における磁束の大きさ５０５のグラフ５００，６００をそれぞれ示す。
【００３９】
磁歪ロッドを通る磁束の量が負荷伝達構成要素２１０によって磁性材料２０５に与えられるストレス状態と相対的に変化するため、ロッドに巻かれ電気回路に接続された導電コイルはコイルを通る磁束３０５の変化に伴い電流を流し始める。コイルに発生される電圧の量はコイルを通る磁束変化量とコイルの巻数の関数である。高い巻数は高い電圧を発生する。いくつかの実施形態においては、導電コイルは銅線コイルとすることができる。他の実施形態においては、導線コイルは一つ以上の導電材料、例えば銅や他の導電材料を含むことができる。
【００４０】
図２のような寸法及び導電コイルを有する磁歪ロッドを備えるここに記載の装置２００の一実施形態において、負荷実験を行い、１６，０００ポンドの圧縮負荷を磁歪ロッドに加え、次いで零圧縮負荷の状態に開放した。磁歪ロッドに加えられた負荷１０４の変化は磁歪ロッドを通過する磁束３０５に変化を生じ、エネルギー収穫装置２００を通る磁路３０５も変化させた。その結果得られた磁束３０５の変化は０．４８ボルトの電圧及び１．９２アンペアの電流を発生し、０．９２ワットの瞬時電力を発生した。最終的な発電はこのようなローディング及びアンローディングを１秒間に実行できる回数の関数である。
【００４１】
図７及び図８は、エネルギー収穫装置２００の代替実施形態を示す。磁路３０５は高い透磁率材料を用いて完全に閉じてもよいし、閉じなくてもよい。図７のエネルギー収穫装置２００は、磁性材料２０５を有する磁歪ロッドの両端に導磁性バー２１２，２１４を備えるとともに、第１組の導磁性バー２１２，２１４の両端に第２組の導磁性バー２１８，３１０を備える。バイアス磁石２１６は、磁路３０５と直接一致して配置されるのではなく、磁性材料２０５及び導磁性バー２１２，２１４，２１８，３１０により形成される閉磁路ループ内に配置される。この構成のバイアス磁石２１６は、必ずしも磁路３０５内に位置しなくても磁束３０５の一部分が磁石２１６を通過することができ、磁性材料２０５により生成される磁束３０５を変化させることができる。
【００４２】
図８のエネルギー収穫装置２００は、磁歪ロッドの両端に導磁性バー２１２，２１４を備えるが、導磁性材料の閉ループを形成するために導磁性バー２１２，２１４を接続する他の導磁性材料を備えない。その結果、磁路３０５の少なくとも一部分は必然的に各磁路ループに対応する上側導磁性バー２１２と下側導磁性バー２１４との間の空隙を通過する。ここに記載するすべての構成は発電をもたらし、いくつかの変更は所与の設計及び用途に対して発電が最適になるように変化させることができることを実証するものである。
【００４３】
図９はエネルギー収穫装置２００の別の実施形態を示す。この実施形態においては、バイアス磁石２１６又は磁石は磁性材料２０５の端に配置される。一実施形態においては、磁石２１６は、負荷印加装置２１０により磁性材料２０５にプレストレス引張り又は圧縮負荷を印加する時の負荷通路内に含められる。その結果、磁石２１６は負荷通路内にあり、よって圧縮又は引張り負荷１０４のいずれかの力を受けることができる。別の実施形態においては、プレストレス力は磁性材料に加えられ、その後磁石２１６が配置される。このような実施形態においては、磁石２１６は負荷通路と関係のない位置に維持され、圧縮又は引張り負荷１０４を受けない。いくつかの実施形態においては、磁石２１６が負荷通路の一部をなす場合、エネルギー収穫装置２００は、磁石２１６がプレストレス又はプレストレス印加後に負荷印加装置２１０に加えられる外部負荷１０４のいずれかによって損傷又は破壊されないように、高強度磁石を使用するか低い負荷レンジで動作させることによって実装することができる。
【００４４】
ここに記載する負荷印加装置２１０及び／又は磁性材料２０５の実施形態のいずれも、エネルギー収穫装置２００に実装することができ、またこれらの実施形態の組み合わせを使用することもできる。エネルギー収穫装置２００、負荷印加装置２１０及び／又は磁性材料２０５の他の構成もここに記載するエネルギー収穫原理のいずれかとともに使用することができる。
【００４５】
図１０は、機械的エネルギーから電力を収穫する方法１０００の一実施形態のフローチャートを示す。方法１０００は図２のエネルギー収穫装置２００と関連して記載するが、方法１０００の実施形態は他のタイプのエネルギー収穫装置で実施することができる。
【００４６】
エネルギー収穫装置２００は、負荷印加装置２１０を用いて磁性材料２０５の磁気特性を変化させる（１００５）。磁気特性は磁性材料２０５に印加されるストレスの量の関数とすることができる。このような磁気特性の一つは、磁性材料２０５にストレスが加えられたとき透磁率が変化するような磁性材料２０５の透磁率を含むことができる。別の実施形態においては、磁気特性は磁性材料２０５の飽和磁化である。磁性材料２０５の飽和磁化を増加させると、いくつかの実施形態においてはエネルギー収穫装置２００の有効性が増加する。ストレスと相対的に変化し得る他の特性は、印加ストレスに対する磁化の微分及び磁気ひずみを含むが、これに限定されない。
【００４７】
次に、少なくとも一つの磁石２１６を磁性材料２０５に近接配置する（１０１０）。バイアス磁界を磁性材料２０５及びエネルギー収穫装置２００に与えるために磁石２１６によって磁性材料２０５の磁路３０５の方向を変える（１０１５）。一実施形態においては、磁石２１６は磁性材料２０５の一端で磁性材料２０５と接触する。別の実施形態においては、磁石２１６は磁性材料２０５と接触しないで、磁束３０５を特定のバイアス磁界に対して変化させるために十分に近接させる。磁石２１６は磁性材料２０５の第１の端に位置する第１の導磁性材料と接触させて配置することができる。いくつかの実施形態においては、少なくとも一つの導磁性材料の断面積は少なくとも一つの永久磁石の断面積とほぼ同一にする。
【００４８】
導磁性材料は磁性材料２０５が通るボアを有するバー２１２とすることができ、そのボアに磁性材料２０５を添加することができる。いくつかの実施形態においては、磁石２１６は、磁石２１６が磁性材料２０５により生成される磁路３０５内に位置するように導磁性バー２１２の端に位置させる。装置をおおむね対称にするために、第２の導磁性バー２１４を磁性材料２０５の第２の端に位置させることができ、磁石２１６を第２の導磁性バー２１４の端に位置させることができる。他の実施形態においては、磁石２１６は磁性材料２０５の両端に位置させることもできる。磁石２１６は負荷印加装置２１０の負荷通路内に位置させることもできる。
【００４９】
いくつかの実施形態においては、磁性材料２０５のＮ極から導磁性材料を経て磁性材料２０５のＳ極に至るまで空隙が殆どない、ほぼ閉じた磁路３０５を生成するために、装置２００はバー２１８のような追加の導磁性材料を含むことができる。他の実施形態においては、エネルギー収穫装置２００は磁路３０５に一つ以上の空隙を有することができる。
【００５０】
いくつかの実施形態においては、磁石２１６は、磁路３０５内に直接位置させる代わりに、磁束３０５の大部分が磁石２１６を通らないが依然として磁束３０５を変更しバイアス磁界を磁性材料２０５に与えるように、磁路３０５のループ内に位置させることができる。磁石２１６の数及び磁力はエネルギー収穫装置２００の特定の実装に応じて決定することができる。エネルギー収穫装置２００の実施形態は磁歪材料、ピエゾ磁性材料又は他の種類の磁性材料２０５を用いて方法１０００を実施することができる。
【００５１】
一実施形態においては、導電コイルを磁束３０５の通路と相対的に配置して、磁性材料２０５を通る磁束が装置２００に印加される外部負荷１０４によって変化するとき、導電コイルに電圧を誘起させる（１０２０）。電圧量はコイルのタイプ及び巻数と導電コイルを通過する磁束の時間的変化に関連する。ここに記載するエネルギー収穫装置２００に対しては他の電圧誘起方法を実装することができる。
【００５２】
ここに記載する原理に従って、プレストレスをエネルギー収穫装置２００内の磁性材料に加えることができる。プレストレスは、実施形態に応じて、磁性材料２０５の磁界をバイアスするためにエネルギー収穫装置２００内に磁石２１６を配置する前に磁性材料２０５に加えられる圧縮又は引張り負荷１０４を含むことができる。
【００５３】
いくつかの実施形態においては、磁路中の磁石の起磁力は磁路の磁性材料及び第１の導磁性材料を含む部分に磁束を生じる。
【００５４】
以上の記載において、様々な実施形態の具体的な詳細が与えられている。しかしながら、いくつかの実施形態はこれらの具体的な詳細のすべてによらずに実施することができる。他の場合には、所定の方法、手順、構成要素、構造及び/又は機能については簡単且つ明瞭のために本発明の様々な実施形態の実施を可能にする以上に詳細に記載されていない。
【００５５】
方法の操作は特定の順序で示され、説明されているが、各方法の操作の順序は、所定の操作が逆の順序で実行されるように、又は所定の操作が他の操作と少なくとも部分的に同時に実施されるように変更することができる。別の実施形態においては、別個の操作の命令又は部分操作を間欠的に及び/又は交互に実施することができる。
【００５６】
本発明の特定の実施形態を説明し例証したが、本発明は説明及び例証した特定の携帯又は部分の配置に限定されない。本発明の範囲は添付の請求項及びそれらの同等物により特定されることを意図する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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