用于存储能量的系统和方法.pdf

一种自动再充电电池(100)包括发电机(104)和能量存储设备(106，110)，这两者均被包含在电池盒(102)内。该发电机(104)包括磁结构(124)和线圈(122)，其中磁结构(124)被配置为产生压缩磁场，线圈(122)被配置为将该压缩磁场集中在线圈(122)的导电元件中。

1.  一种电池，包括：
盒；
包含在所述盒内并被配置为将所述电池接收的能量转换成电能的第一发电机；
包含在所述盒内的第一能量存储设备；
包含在所述盒内的第二能量存储设备；
控制模块，其被包含在所述盒内，耦合到所述第一和第二能量存储设备，并被配置为控制所述电能从所述第一能量存储设备到所述第二能量存储设备的传输；以及
多个接触端子。

2.  如权利要求1所述的电池，其特征在于，所述第一能量存储设备包括超级电容器，且所述第二能量存储设备包括锂电池。

3.  如权利要求1所述的电池，其特征在于，还包括：
第三能量存储设备。

4.  如权利要求3所述的电池，其特征在于，所述第三能量存储设备与所述第二能量存储设备以串联方式耦合。

5.  如权利要求3所述的电池，其特征在于，所述第三能量存储设备与所述第一能量存储设备以并联方式耦合。

6.  如权利要求1所述的电池，其特征在于，还包括：
容纳所述多个接触端子的连接器。

7.  如权利要求1所述的电池，其特征在于，所述盒和接触端子具有C-cell电池的配置。

8.  如权利要求1所述的电池，其特征在于，所述第一发电机包括：
线圈；以及
磁结构。

9.  如权利要求8所述的电池，其特征在于，所述磁结构被配置为产生压缩磁场。

10.  如权利要求8所述的电池，其特征在于，所述线圈包括：
导电元件；以及
导磁元件。

11.  如权利要求10所述的电池，其特征在于，所述磁结构被配置为产生压缩磁场。

12.  如权利要求1所述的电池，其特征在于，所述多个接触端子与所述控制模块电耦合。

13.  如权利要求1所述的电池，其特征在于，所述控制模块还被配置为控制所述第二能量存储设备与所述接触端子之间的能量传输。

14.  如权利要求13所述的电池，其特征在于，所述第一能量存储设备与所述接触端子之间的能量传输包括从所述接触端子到所述第二能量存储设备的能量传输。

15.  如权利要求13所述的电池，其特征在于，所述第一能量存储设备与所述接触端子之间的能量传输包括从所述接触端子到所述第一能量存储设备的能量传输。

16.  如权利要求1所述的电池，其特征在于，所述控制模块还被配置为控制所述第一能量存储设备与所述接触端子之间的能量传输。

17.  如权利要求1所述的电池，其特征在于，还包括：
与所述发电机耦合的悬挂系统。

18.  如权利要求17所述的电池，其特征在于，所述悬挂系统被调节以使预期模式的运动向电能的转换最优化。

19.  如权利要求1所述的电池，其特征在于，所述发电机被配置为转换通过所述电池的运动而接收的能量。

20.  如权利要求1所述的电池，其特征在于，所述发电机被配置为转换以寄生方式接收的能量。

21.  如权利要求1所述的电池，其特征在于，所述盒包括磁场。

22.  一种电池，包括：
盒；
包含在所述盒内的线圈；
包含在所述盒内并被配置为产生压缩磁场的磁结构；
包含在所述盒内的第一能量存储设备；
与所述盒耦合的多个接触端子；以及
包含在所述盒内并耦合到所述线圈和所述第一能量存储设备的控制模块。

23.  如权利要求22所述的电池，其特征在于，所述磁结构包括多个彼此分隔开的稀土磁体，其被配置为使得所述多个稀土磁体中相邻磁体的相同极性的极相互面对。

24.  如权利要求23所述的电池，其特征在于，所述多个磁体中的所述磁体被相互保持固定。

25.  如权利要求23所述的电池，其特征在于，所述多个磁体中的两个磁体之间的空间基本上用非磁性物质填充。

26.  如权利要求25所述的电池，其特征在于，所述非磁性物质包括空气。

27.  如权利要求25所述的电池，其特征在于，所述非磁性物质包括含氟聚合物树脂。

28.  如权利要求22所述的电池，其特征在于，所述盒被抽空并密封。

29.  如权利要求22所述的电池，其特征在于，还包括：
与所述磁结构耦合的悬挂系统。

30.  如权利要求29所述的电池，其特征在于，所述悬挂系统被调节为使预期模式的运动向电能的转换最优化。

31.  如权利要求29所述的电池，其特征在于，所述线圈包括：
导电元件；以及
导磁元件。

32.  如权利要求31所述的电池，其特征在于，所述导磁元件被配置为将磁通量集中在所述导电元件中。

33.  一种电池，包括：
盒；
包含在所述盒内并具有导电元件和导磁元件的线圈；
磁结构；
包含在所述盒内的第一能量存储设备；
与所述盒耦合的多个接触端子；以及
包含在所述盒内并耦合到所述线圈和所述第一能量存储设备的控制模块。

34.  如权利要求33所述的电池，其特征在于，所述导磁元件被配置为将磁通量集中在所述导电元件中。

35.  如权利要求33所述的电池，其特征在于，所述导电元件包括多线绕组中的导电线，且所述导磁元件包括多线绕组中的导磁线。

36.  如权利要求33所述的电池，其特征在于，所述导电元件包括导电绕组，且所述导磁元件包括导磁绕组。

37.  如权利要求33所述的电池，其特征在于，所述导电元件包括在第一绝缘衬底上形成的导电迹线。

38.  如权利要求37所述的电池，其特征在于，所述导磁元件包括在所述第一绝缘衬底上形成的导磁迹线。

39.  如权利要求38所述的电池，其特征在于，所述导电迹线在所述第一绝缘衬底的第一表面上形成，且所述导磁迹线在所述第一绝缘衬底的所述第一表面上形成。

40.  如权利要求33所述的电池，其特征在于，还包括：
多个绝缘衬底，其中
所述导电元件包括在所述多个衬底中的选定衬底上形成的多个导电迹线；以及
所述导磁元件包括在所述多个衬底中的选定衬底上形成的多个导磁迹线。

41.  如权利要求33所述的电池，其特征在于，所述磁结构被配置为产生压缩磁场。

42.  如权利要求33所述的电池，其特征在于，所述多个接触端子的一个接触端子与外部电池的一个接触端子电耦合。

43.  一种电池，包括：
盒；
用于将所述电池的运动转换成电流的装置；
包含在所述盒内的用于存储能量的第一装置；
包含在所述盒内的用于存储能量的第二装置；
用于控制能量传输的装置，所述能量传输是从用于转换运动的所述装置到包含在所述盒内的用于存储能量的所述第一装置；以及
用于取用能量的装置，所述能量存储在用于存储能量的所述第一装置中。

44.  如权利要求43所述的电池，其特征在于，还包括：
包含在所述盒内的用于存储能量的第三装置。

45.  如权利要求43所述的电池，其特征在于，用于转换运动的所述装置包括：
用于传导电流的装置；以及
用于产生磁场的装置。

46.  如权利要求45所述的电池，其特征在于，用于产生磁场的所述装置被配置为产生压缩磁场。

47.  如权利要求46所述的电池，其特征在于，还包括：
用于传导磁通量的装置。

48.  如权利要求45所述的电池，其特征在于，还包括：
用于传导磁通量的装置。

49.  如权利要求45所述的电池，其特征在于，还包括：
便于用于传导电流的所述装置相对于用于产生磁场的所述装置的相对运动的装置。

50.  一种操作电池的方法，所述方法包括：
使所述电池运动；
将通过所述电池的所述运动接收的能量转换成电流；以及
控制能量向包含在所述电池内的多个能量存储设备的传输。

51.  如权利要求50所述的方法，其特征在于，所述控制能量的传输包括将来自所述电流的能量存储在所述多个能量存储设备的第一能量存储设备中，并控制能量从所述第一能量存储设备向所述多个能量存储设备的第二能量存储设备的传输。

52.  如权利要求50所述的方法，其特征在于，所述控制能量的传输包括对所述电流进行整流。

53.  如权利要求50所述的方法，其特征在于，还包括：
控制能量从所述电池向负载的传输。

54.  如权利要求50所述的方法，其特征在于，还包括：
向所述电池提供电流；以及
控制来自所提供电流的能量在所述电池中的存储。

55.  如权利要求50所述的方法，其特征在于，将通过所述电池的所述运动接收的能量转换成所述电流包括：
产生压缩磁场。

56.  如权利要求55所述的方法，其特征在于，将通过所述电池的所述运动接收的能量转换成所述电流还包括：
将所述压缩磁场集中在导电绕组中。

57.  如权利要求55所述的方法，其特征在于，产生所述压缩磁场包括保持两个磁体的同极相互面对并使其以比周围距离近的距离彼此分隔开。

58.  如权利要求50所述的方法，其特征在于，将通过所述电池的所述运动接收的能量转换成所述电流包括：
将磁场集中在导电元件中。

59.  如权利要求58所述的方法，其特征在于，将所述磁场集中在所述导电元件包括相对于所述导电元件安置导磁元件以便集中所述磁场。

60.  如权利要求50所述的方法，其特征在于，将通过所述电池的所述运动接收的所述能量转换成所述电流包括：
将所述能量转换成导电绕组与磁场之间的相对运动。

61.  如权利要求60所述的方法，其特征在于，所述相对运动是大致线性的。

62.  如权利要求60所述的方法，其特征在于，所述相对运动是大致旋转的。

用于存储能量的系统和方法
关于政府利益的声明
本发明是在美国政府的支持下完成的，美国能源部授予其合同NO.DE-AC07-05-ID14517。美国政府对本发明拥有特定权利。
发明背景
发明领域
本发明一般涉及用于存储能量的系统和方法，尤其涉及用于将能量便携式地转换成电流并存储该能量的系统和方法。
相关技术的描述
诸如常规电池和存储电容器之类的常规便携式能量存储设备是可用后即弃的或者可通过将该设备耦合到远程电能源而再充电。可用后即弃的设备固有地限制了用户可用的便携式储能的量。携带额外的可用后即弃的设备是昂贵的，且用户必须考虑相关的重量、存储空间以及处理弃置要求。它们还是环境不友好的。常规可再充电设备比不可再充电设备环境友好，但是需要远程能量源来给设备再充电并且到远程能量源的入口之间可用的能量受到限制。另外，再充电需要用户的介入。
常规摇动手电筒(shake-flashlight)和类似的摇动触发(shake-activated)设备可供存储有限量的能量之用，其足以对例如LED在一段短暂的时间内供电，但通常不能产生足够的能量来给常规手电筒电灯泡以及例如蜂窝式电话、相机、GPS系统或常规手电筒的其它大电流牵引设备供电。它们还体积大，且需要特意指向给设备充电的实际活动。另外，常规摇动触发设备不易用来给另一便携式设备供电。它们还产生有害级别的磁场，这些磁场能潜在地干扰电子设备的运行，诸如蜂窝式电话和保健相关设备，比如起搏器。
常规转动曲柄供电(crank-powered)设备的能量存储能力远大于常规摇动触发设备，但是类似的是体积大，需要特意指向给设备充电的实际活动，不易用来向另一便携式设备供电，并且可产生有害级别的磁场。
电磁与电机设备及应用，诸如，例如发动机、发电机和交流发电机，通常使用线圈和/或磁体。常规磁结构使用单个磁体来产生磁场，或者使用多个排列的磁体来产生磁场。这些磁体通常是永磁体或电磁体。许多应用的效率取决于磁结构产生的磁场的梯度。
当需要增大输出或增强性能时，通常将增加线圈的大小或数量，或者增加磁体的大小或强度。这些方法带来了重量、成本、大小和耐久性问题。这些方法还对许多应用不实用。因此，可以认识到，需要改进的线圈和磁体以用于电磁与电机设备及应用。
发明概述
在一个实施例中，线圈包括导电绕组和导磁绕组，其中导磁绕组被配置为将磁通量集中在导电绕组中。在一个实施例中，线圈还包括绕组架(form)。在一个实施例中，绕组架上的第一层包括一层导电绕组。在一个实施例中，第二层导电绕组与绕组架上的第一层相邻。在一个实施例中，一层导磁绕组与第二层导电绕组相邻。在一个实施例中，一层导磁绕组与绕组架上的第一层相邻。在一个实施例中，绕组架上的最后一层包括一层导电绕组。在一个实施例中，绕组架上的最后一层包括一层导电绕组。在一个实施例中，一层导磁绕组在两层导电绕组之间。在一个实施例中，多层导磁绕组在两层导电绕组之间。在一个实施例中，导磁绕组形成闭合环路。在一个实施例中，线圈具有梯形部分。在一个实施例中，线圈在核心周围缠绕。在一个实施例中，导电绕组和导磁绕组共同包括双导体绕组。在一个实施例中，导磁绕组包括银/镍合金。在一个实施例中，线圈还包括一层绝缘材料，其中导电绕组包括在绝缘材料层上形成的迹线。
在一个实施例中，绕组包括导电线和导磁线，其中导磁线与导电线绝缘并相对其固定，且导磁线被配置为将磁通量集中在导电线中。在一个实施例中，导磁线形成闭合环路。在一个实施例中，导磁线通过绝缘材料与导磁线保持固定。在一个实施例中，导磁线形成绕组的核心并由绝缘层包围，且导电线围绕该绝缘层。在一个实施例中，导电线包括绞合线。
在一个实施例中，系统包括磁结构和线圈，该线圈包括导电绕组和导磁绕组，其中该导磁绕组被配置为将磁通量集中在该导电绕组中。在一个实施例中，系统被配置为接收能量并响应于该能量的接收而产生电信号。在一个实施例中，系统还包括被配置为接收该能量的机械传输系统。在一个实施例中，机械传输系统被耦合到磁结构并被配置为响应于该能量的接收而相对于线圈移动磁结构。在一个实施例中，机械传输系统被配置为以线性方式移动磁结构。在一个实施例中，机械传输系统被配置为以旋转方式移动磁结构。在一个实施例中，机械传输系统被配置为以径向方式移动磁结构。在一个实施例中，机械传输系统被耦合到线圈并被配置为响应于该能量的接收而相对于磁结构移动线圈。在一个实施例中，线圈被配置为接收电信号且系统被配置为响应于该电信号的接收而产生机械力。在一个实施例中，系统还包括机械传输系统。
在一个实施例中，系统包括线圈和磁结构，其中线圈包括用于传导电信号的装置和用于将磁通量集中在用于传导电信号的装置中的装置。在一个实施例中，用于集中磁通量的装置包括绕组，其中绕组包括银/镍合金。在一个实施例中，用于传导电信号的装置包括绞合铜线。在一个实施例中，线圈还包括第一绝缘衬底，且用于传导电信号的装置包括在第一绝缘衬底上形成的导电迹线。在一个实施例中，用于集中磁通量的装置包括在第一绝缘衬底上形成的导磁迹线。在一个实施例中，导电迹线在第一绝缘衬底的第一表面上形成，而导磁迹线在第一绝缘衬底的第一表面上形成。在一个实施例中，线圈还包括多个绝缘衬底，且用于传导电信号的装置包括在多个衬底中的选定衬底上形成的多条导电迹线，用于集中磁通量的装置包括在多个衬底中的选定衬底上形成的多条导磁迹线。
在一个实施例中，一种用于产生电信号的方法包括引起磁结构和导电绕组之间的相对运动，并且使用导磁绕组将由磁结构产生的磁通量集中在导电绕组中。在一个实施例中，该方法还包括用导磁绕组形成闭合环路。
在一个实施例中，线圈包括多个绝缘衬底，在该多个衬底中的第一组选定衬底上形成的多个导电迹线，以及在该多个衬底中的第二组选定衬底上形成的多个导磁迹线。在一个实施例中，第一组选定衬底包括多个绝缘衬底中的每隔一个的绝缘衬底，且多个导电迹线由在第一组选定衬底中的多个绝缘衬底中的每一个上形成的导电迹线组成。在一个实施例中，多个导电迹线以串联方式电耦合。在一个实施例中，多个导磁迹线被电耦合在一起以形成闭合环路。
在一个实施例中，一种产生机械力的方法包括：产生磁场，将该磁场集中在导电元件中以及将电流传导通过该导电元件。在一个实施例中，该电流是交变电流。在一个实施例中，该方法还包括施加该机械力以在传输系统中产生线性运动。在一个实施例中，该方法还包括施加该机械力以在传输系统中产生旋转运动。在一个实施例中，该方法还包括施加该机械力以在传输系统中产生径向运动。在一个实施例中，该电流是直流电流。在一个实施例中，导电元件包括导电绕组的各层，且将磁场集中在导电绕组中包括在两层导电绕组之间插入导磁绕组。在一个实施例中，该导磁绕组形成闭合环路。
在一个实施例中，系统包括第一磁体外壳，固定在该第一磁体外壳内并具有第一极性的第一极与第二极性的第二极的第一磁体，以及具有第一极性的第一极与第二极性的第二极的第二磁体，该第二磁体固定在第一磁体外壳内以使得第二磁体的第一极与第一磁体的第一极以一定距离间隔开并通常与第一磁体的第一极面对，以便产生压缩磁场。在一个实施例中，第一磁体包括稀土磁体。在一个实施例中，系统还包括线圈。在一个实施例中，系统被配置为接收能量并响应于该能量的接收而产生电信号。在一个实施例中，系统被配置为接收电信号并响应于该电信号而产生机械力。在一个实施例中，系统还包括机械传输系统。在一个实施例中，机械传输系统被耦合到第一磁体外壳并被配置为响应于该能量的接收而相对于线圈移动第一磁体外壳。在一个实施例中，机械传输系统被配置为以线性方式移动第一磁体外壳。在一个实施例中，机械传输系统被配置为旋转第一磁体外壳。在一个实施例中，系统还包括具有第一极性的第一极与第二极性的第二极的第三磁体，该第三磁体固定在第一磁体外壳内以使得第三磁体的第二极与第一磁体的第二极以一定距离间隔开并通常与第一磁体的第二极面对，以便产生压缩磁场。在一个实施例中，线圈被配置为当旋转第一磁体外壳时在第一和第二磁体之间通过。在一个实施例中，机械传输系统被耦合到线圈并被配置为响应于能量的接收而使线圈相对于第一磁体外壳移动。在一个实施例中，机械传输系统包括排斥磁体。在一个实施例中，机械传输系统包括机械排斥系统。在一个实施例中，线圈被配置为接收电信号且系统被配置为响应于该电信号的接收而使第一磁体外壳相对于线圈移动。在一个实施例中，系统被配置为接收能量并响应于该能量的接收而使第一磁体外壳相对于线圈移动。在一个实施例中，系统还包括第二线圈。在一个实施例中，该线圈具有一轴线，该轴线至少大体上与第一磁体外壳被配置为相对于该线圈移动所沿的轴线对准。在一个实施例中，系统还包括第二磁体外壳，固定在该第二磁体外壳内并具有第一极性的第一极与第二极性的第二极的第三磁体，以及具有第一极性的第一极与第二极性的第二极的第四磁体，该第四磁体固定在第二磁体外壳内以使得第三磁体的第一极与第四磁体的第一极以一定距离间隔开并通常与第四磁体的第一极面对，以便产生压缩磁场。在一个实施例中，第二磁体外壳与第一磁体外壳基本上垂直。在一个实施例中，系统还包括第二线圈。在一个实施例中，第一磁体外壳是用万向架固定的。在一个实施例中，电信号包括DC电流。在一个实施例中，电信号包括AC电流且系统还包括整流电路，其中该整流电路被耦合到线圈且被配置为将AC电流转换成DC电流。在一个实施例中，系统还包括与整流电路耦合的功率存储系统以积累并存储由系统产生的功率。在一个实施例中，系统还包括与功率存储系统耦合并被配置为向配电系统提供交流电的反相器。在一个实施例中，系统被配置为将能量从波转换成电信号。
在一个实施例中，磁结构包括磁体外壳，固定在该磁体外壳内并具有第一极性的第一极与第二极性的第二极的第一磁体，以及具有第一极性的第一极与第二极性的第二极的第二磁体，该第二磁体固定在磁体外壳内以使得第二磁体的第一极与第一磁体的第一极以一定距离间隔开并通常与第一磁体的第一极面对，以便产生压缩磁场。在一个实施例中，第一磁体包括永磁体。在一个实施例中，第一磁体包括稀土磁体。在一个实施例中，第一磁体包括电磁体。在一个实施例中，第一和第二磁体之间的空间基本上用非磁体物质填充。在一个实施例中，非磁性物质包括空气。在一个实施例中，非磁性物质包括含氟聚合物树脂。在一个实施例中，磁结构还包括具有第一极性的第一极与第二极性的第二极的第三磁体，该第三磁体固定在磁体外壳内以使得第三磁体的第二极与第一磁体的第二极以一定距离间隔开并通常与第一磁体的第二极面对，以便产生压缩磁场。在一个实施例中，第一极性是北极性。在一个实施例中，第一磁体的第一极的表面至少大致平坦。在一个实施例中，第二磁体的第一极的表面至少大致平坦。在一个实施例中，第一磁体的第一极的表面至少是大致凸起的。在一个实施例中，第一磁体的第一极的表面至少是大致凹入的。在一个实施例中，第一磁体大致是矩形。在一个实施例中，第一磁体大致是球形。在一个实施例中，磁结构还包括悬挂系统。在一个实施例中，悬挂系统是用万向架固定的。在一个实施例中，重力用于将磁结构安置在悬挂系统内。在一个实施例中，悬挂系统被配置为使用回转原理安置磁结构。在一个实施例中，将磁体外壳抽空并密封。
在一个实施例中，磁结构包括多个磁体和用于保持各磁体相互分隔开并被配置为产生压缩磁场的装置。在一个实施例中，用于保持各磁体的装置包括磁体外壳，该磁体外壳具有带螺纹的内表面。在一个实施例中，用于保持各磁体的装置包括抽头(tab)，这些抽头被配置为将多个磁体保持在彼此固定的位置。在一个实施例中，磁结构还包括与用于保持各磁体的装置耦合的、用于传输机械能的装置。
在一个实施例中，一种发电方法包括使用多个间隔开的磁体产生压缩磁场并使导电绕组和压缩磁场相对运动。在一个实施例中，产生压缩磁场包括将多个间隔开的磁体保持在彼此固定的位置上，使得这些磁体的同极相互面对来产生压缩磁场。在一个实施例中，多个磁体由两个磁体组成且这两个磁体之间的距离小于周围距离(ambient distance)。在一个实施例中，该方法还包括对导电绕组中产生的电流进行整流。在一个实施例中，该方法还包括将整流电流存储在能量存储系统中。在一个实施例中，造成相对运动包括相对于多个磁体移动导电绕组。在一个实施例中，造成相对运动包括相对于导电绕组移动多个磁体。在一个实施例中，相对于导电绕组移动多个磁体包括沿着大致线性的路径移动该多个磁体。在一个实施例中，相对于导电绕组移动多个磁体包括沿着大致径向的路径移动该多个磁体。在一个实施例中，相对于导电绕组移动多个磁体包括旋转该多个磁体。在一个实施例中，该方法还包括优化压缩磁场的梯度。
在一个实施例中，一种产生机械力的方法包括产生压缩磁场并使电流传导通过压缩磁场中的导电绕组。在一个实施例中，产生压缩磁场包括将多个间隔开的磁体保持在彼此固定的位置上，以使得这些磁体的同极相互面对来产生压缩磁场。在一个实施例中，多个磁体由两个磁体组成且这两个磁体之间的距离小于周围距离。在一个实施例中，电流是交变电流。在一个实施例中，电流是直流电流。在一个实施例中，该方法还包括施加机械力以引起传输系统中的大致线性运动。在一个实施例中，该方法还包括施加机械力以引起传输系统中的大致旋转运动。
在一个实施例中，系统包括具有导电绕组的线圈和被配置为将磁通量集中在该导电绕组中的导磁绕组，以及被配置为产生压缩磁场的磁结构。在一个实施例中，磁结构包括第一磁体外壳，固定在该第一磁体外壳内并具有第一极性的第一极与第二极性的第二极的第一磁体，以及具有第一极性的第一极与第二极性的第二极的第二磁体，该第二磁体固定在第一磁体外壳内以使得第二磁体的第一极与第一磁体的第一极以一定距离间隔开并通常与第一磁体的第一极面对，以便产生压缩磁场。在一个实施例中，系统被配置为接收能量并响应于该能量的接收而产生电信号。在一个实施例中，电信号包括AC电流且系统还包括整流电路，该整流电路与线圈耦合并被配置为将AC电流转换成DC电流。在一个实施例中，电信号包括DC电流。在一个实施例中，系统被配置为接收电信号并响应于该电信号而产生机械力。在一个实施例中，系统还包括机械传输系统。在一个实施例中，机械传输系统与磁结构相耦合并被配置为响应于能量的接收而使该磁结构相对于线圈移动。在一个实施例中，机械传输系统被配置为以线性方式移动该磁结构。在一个实施例中，机械传输系统被配置为旋转该磁结构。在一个实施例中，机械传输系统被配置为沿着径向路径移动该磁结构。在一个实施例中，机械传输系统与线圈相耦合并被配置为响应于能量的接收而使该线圈相对于磁结构移动。在一个实施例中，线圈被配置为接收电信号，且系统被配置为响应于该电信号的接收而使磁结构相对于线圈移动。在一个实施例中，系统被配置为接收能量并响应于该能量的接收而使磁结构相对于线圈移动。在一个实施例中，系统被配置为接收能量并响应于该能量的接收而使线圈相对于磁结构移动。在一个实施例中，线圈具有一轴线，该轴线与磁结构被配置为相对于该线圈移动所沿的轴线至少大体上对准。在一个实施例中，系统还包括用万向架固定的悬挂系统。在一个实施例中，系统被配置为将能量从波转换成电信号。在一个实施例中，导磁绕组被配置为闭合环路。在一个实施例中，系统还包括衣服制品(an article of clothing)，其被配置为用于将该系统与人相耦合。在一个实施例中，系统还包括耦合器，其被配置为将线圈耦合到电传输网(grid)。
在一个实施例中，一种发电方法包括使用多个间隔开的磁体产生压缩磁场，相对于该压缩磁场移动导电绕组，以及使用导磁绕组将磁通量集中在该导电绕组中。在一个实施例中，产生压缩磁场包括将多个间隔开的磁体保持在彼此固定的位置上，以使得这些磁体的同极相互面对来产生压缩磁场。在一个实施例中，该多个磁体由两个磁体组成且这两个磁体之间的距离小于周围距离。在一个实施例中，该方法还包括对导电绕组中产生的电流进行整流。在一个实施例中，该方法还包括将该整流电流存储在能量存储系统。在一个实施例中，相对于压缩磁场移动导电绕组包括相对于多个磁体移动该导电绕组。在一个实施例中，相对于压缩磁场移动导电绕组包括相对于该导电绕组移动多个磁体。在一个实施例中，相对于导电绕组移动多个磁体包括沿大致线性的路径移动该多个磁体。在一个实施例中，相对于导电绕组移动多个磁体包括旋转该多个磁体。在一个实施例中，该方法还包括优化压缩磁场的梯度。在一个实施例中，导磁绕组形成闭合环路。在一个实施例中，该方法还包括将导电绕组耦合到电传输网。在一个实施例中，该方法还包括在导电绕组中产生交流电。在一个实施例中，该方法还包括在导电绕组中产生直流电。
在一个实施例中，一种产生机械力的方法包括产生压缩磁场，使用导磁绕组将磁通量集中在导电绕组中，以及使电流传导通过压缩磁场中的导电绕组。在一个实施例中，产生压缩磁场包括将多个间隔开的磁体保持在彼此固定的位置上，以使得这些磁体的同极相互面对来产生压缩磁场。在一个实施例中，该多个磁体由两个磁体组成且这两个磁体之间的距离小于周围距离。在一个实施例中，电流是交变电流。在一个实施例中，电流是直流电流。在一个实施例中，该方法还包括施加机械力以引起传输系统中的大致线性运动。在一个实施例中，该方法还包括施加机械力以引起传输系统中的大致旋转运动。在一个实施例中，导磁绕组形成闭合环路。
在一个实施例中，衣服制品包括具有导电绕组和被配置为将磁通量集中在该导电绕组中的导磁绕组的线圈，以及被配置为产生压缩磁场的磁结构。在一个实施例中，磁结构包括第一磁体外壳，固定在该第一磁体外壳内并具有第一极性的第一极与第二极性的第二极的第一磁体，以及具有第一极性的第一极与第二极性的第二极的第二磁体，该第二磁体固定在第一磁体外壳内以使得第二磁体的第一极与第一磁体的第一极以一定距离间隔开并通常与第一磁体的第一极面对，以便产生压缩磁场。在一个实施例中，导磁绕组形成闭合环路。在一个实施例中，磁结构和线圈被包含在电池盒内。
在一个实施例中，系统包括线圈，该线圈包括用于响应于磁通量的变化而传导电流的装置和将磁通量集中在用于传导电流的装置内的装置，以及用于产生压缩磁场的装置。在一个实施例中，用于传导电流的装置包括导电绕组，而用于集中磁通量的装置包括导磁绕组。在一个实施例中，导磁绕组形成闭合环路。在一个实施例中，用于产生压缩磁场的装置包括第一磁体外壳，固定在该第一磁体外壳内并具有第一极性的第一极与第二极性的第二极的第一磁体，以及具有第一极性的第一极与第二极性的第二极的第二磁体，该第二磁体固定在第一磁体外壳内以使得第二磁体的第一极与第一磁体的第一极以一定距离间隔开并通常与第一磁体的第一极面对，以便产生压缩磁场。
在一个实施例中，电池包括盒，包含在该盒内并被配置为将该电池接收到的能量转换成电能的第一发电机，包含在该盒内的第一能量存储设备，包含在该盒内的第二能量存储设备，包含在该盒内、耦合到第一和第二能量存储设备并被配置为控制电能从第一能量存储设备到第二能量存储设备的传输的控制模块，以及多个接触端子。在一个实施例中，第一能量存储设备包括超级电容器(ultracapacitor)，且第二能量存储设备包括锂电池。在一个实施例中，该电池还包括第三能量存储设备。在一个实施例中，第三能量存储设备与第二能量存储设备串联耦合。在一个实施例中，第三能量存储设备与第一能量存储设备并联耦合。在一个实施例中，该电池还包括用于容纳多个接触端子的连接器。在一个实施例中，盒和接触端子具有C-cell电池的配置。在一个实施例中，第一发电机包括线圈和磁结构。在一个实施例中，磁结构被配置为产生压缩磁场。在一个实施例中，线圈包括导电元件和导磁元件。在一个实施例中，磁结构被配置为产生压缩磁场。在一个实施例中，多个接触端子电耦合到控制模块。在一个实施例中，该电池还包括包含在该盒内的第二发电机，其中第一发电机被定向在第一方向上而第二发电机被定向在与第一方向不同的第二方向上。在一个实施例中，控制模块还被配置为控制能量在第二能量存储设备和接触端子之间的传输。在一个实施例中，第一能量存储设备和接触端子之间的能量传输包括从接触端子到第二能量存储设备的能量传输。在一个实施例中，第一能量存储设备和接触端子之间的能量传输包括从接触端子到第一能量存储设备的能量传输。在一个实施例中，控制模块还被配置为控制第一能量存储设备和接触端子之间的能量传输。在一个实施例中，该电池还包括与发电机相耦合的悬挂系统。在一个实施例中，调整悬挂系统以优化期望模式的运动到电能的转换。在一个实施例中，悬挂系统是用万向架固定的。在一个实施例中，悬挂系统包括回转系统。在一个实施例中，发电机被配置为转换通过电池的运动接收到的能量。在一个实施例中，发电机被配置为转换以寄生方式接收到的能量。在一个实施例中，盒包括磁场。
在一个实施例中，电池包括盒，包含在该盒内的线圈，包含在该盒内并被配置为产生压缩磁场的磁结构，包含在该盒内的第一能量存储设备，耦合到该盒的多个接触端子，包含在该盒内并耦合到该线圈和第一能量存储设备的控制模块。在一个实施例中，磁结构包括多个间隔开的稀土磁体，其被配置成该多个稀土磁体的相邻磁体中的相同极性的极相互面对。在一个实施例中，该多个磁体中的磁体相对于彼此被保持在适当的位置上。在一个实施例中，该多个磁体中的两个磁体之间的空间基本上用非磁物质填充。在一个实施例中，非磁性物质包括空气。在一个实施例中，非磁性物质包括含氟聚合物树脂。在一个实施例中，盒被抽空并密封。在一个实施例中，该电池还包括耦合到磁结构的悬挂系统。在一个实施例中，调整悬挂系统以优化期望模式的运动到电能的转换。在一个实施例中，线圈包括导电元件和导磁元件。在一个实施例中，导磁元件被配置为将磁通量集中在该导电元件中。
在一个实施例中，电池包括盒，包含在该盒内并具有导电元件和导磁元件的线圈，磁结构，包含在该盒内的第一能量存储设备，耦合到该盒的多个接触端子，以及包含在该盒内并耦合到线圈和第一能量存储设备的控制模块。在一个实施例中，导磁元件被配置为将磁通量集中在导电元件中。在一个实施例中，导电元件包括多线绕组中的导电线，且导磁元件包括多线绕组中的导磁线。在一个实施例中，导电元件包括导电绕组且导磁元件包括导磁绕组。在一个实施例中，导电元件包括在第一绝缘衬底上形成的导电迹线。在一个实施例中，导磁元件包括在第一绝缘衬底上形成的导磁迹线。在一个实施例中，导电迹线在第一绝缘衬底的第一表面上形成，且导磁迹线在第一绝缘衬底的第一表面上形成。在一个实施例中，该电池还包括多个绝缘衬底，其中导电元件包括在该多个衬底中的选定衬底上形成的多条导电迹线，且导磁元件包括在该多个衬底中的选定衬底上形成的多条导磁迹线。在一个实施例中，磁结构被配置为产生压缩磁场。在一个实施例中，该多个接触端子的一个接触端子电耦合到外部电池的一个接触端子。在一个实施例中，该电池具有第一物理定向，而该外部电池具有与第一物理定向不同的第二物理定向。
在一个实施例中，电池包括盒，用于将电池的运动转换成电流的装置，包含在该盒内用于存储能量的第一装置，包含在该盒内用于存储能量的第二装置，包含在该盒内、用于控制能量从转换运动的装置到存储能量的第一装置的传输的装置，以及用于取用(access)存储在用于存储能量的第一装置内的能量的装置。在一个实施例中，该电池还包括包含在该盒内的用于存储能量的第三装置。在一个实施例中，用于转换运动的装置包括用于传导电流的装置和用于产生磁场的装置。在一个实施例中，用于产生磁场的装置被配置为产生压缩磁场。在一个实施例中，该电池还包括传导磁通量的装置。在一个实施例中，该电池还包括便于用于传导电流的装置相对于用于产生磁场的装置相对运动的装置。
在一个实施例中，一种操作电池的方法包括移动该电池，将通过该电池的移动接收到的能量转换成电流，以及控制能量向包含在该电池内的多个能量存储设备的传输。在一个实施例中，控制能量传输包括将来自电流的能量存储在多个能量存储设备中的第一能量存储设备中，并控制从该第一能量存储设备到多个能量存储设备中的第二能量存储设备的能量传输。在一个实施例中，控制能量传输包括对电流进行整流。在一个实施例中，该方法还包括控制从电池到负载的能量传输。在一个实施例中，该方法还包括向电池提供电流并控制来自所提供电流的能量在该电池中的存储。在一个实施例中，将通过电池的移动接收到的能量转换成电流包括产生压缩磁场。在一个实施例中，将通过电池的移动接收到的能量转换成电流还包括将该压缩磁场集中在导电绕组中。在一个实施例中，产生压缩磁场包括保持两个磁体的同极相互面对且以比周围距离近的距离间隔开。在一个实施例中，将通过电池的移动接收到的能量转换成电流包括将磁场集中在导电元件中。在一个实施例中，将磁场集中在导电元件中包括相对于导电元件定位导磁元件以便集中磁场。在一个实施例中，将通过电池的移动接收到的能量转换成电流包括对包含在该电池中的发电机定向。在一个实施例中，将通过电池的移动接收到的能量转换成电流包括将该能量转换成导电绕组和磁场之间的相对运动。在一个实施例中，相对运动是大致线性的。在一个实施例中，相对运动是大致旋转的。
在一个实施例中，系统包括具有第一取向的第一电池和电耦合到该第一电池并具有第二取向的第二电池，其中第一电池包括将能量转换成第一电信号的装置，第二电池包括将能量转换成第二电信号的第二装置。在一个实施例中，第二取向与第一取向基本上垂直。在一个实施例中，将能量转换成第一电信号的装置包括控制模块，该控制模块被配置为控制电能从第一能量存储设备到第二能量存储设备的传输。在一个实施例中，将能量转换成第一电信号的装置包括产生压缩磁场的装置。在一个实施例中，将能量转换成第一电信号的装置包括导电绕组和导磁绕组，其中导磁绕组被配置为将磁通量集中在该导电绕组中。

附图简述
附图中的元件的尺寸及其相对位置并不一定按比例绘制。例如，各种元件的形状和角度并不是按比例绘制，并且其中一些元件被任意地放大和安置以提高绘图清晰性。此外，所绘制的元件特定形状并不一定旨在传达关于特定元件实际形状的任何信息，其之所以被选择仅仅是为便于在附图中进行识别。
图1是常规线圈的直径横截面图。
图2是根据本发明的线圈的一个实施例的直径横截面图。
图3是根据本发明的线圈的另一个实施例的直径横截面图。
图4是适于在图3中示出的线圈的实施例中使用的双导体绕组的一个实施例的直径横截面图。
图5是根据本发明的线圈的另一个实施例的直径横截面图。
图6是根据本发明的线圈的另一个实施例的直径横截面图。
图7是根据本发明的线圈的另一个实施例的俯视图。
图8是图7中示出的线圈的实施例的仰视图。
图9是图7中示出的线圈的实施例的侧视图。
图10是根据本发明的线圈的另一个实施例的俯视图。
图11是根据本发明的线圈的另一个实施例的侧视图。
图12是由常规磁结构产生的磁通量的图解说明。
图13A和图13B是由同极相互面对且以周围距离隔开的两个永磁体产生的磁通量的图解说明。
图14A和图14B是由同极基本上相互接触的两个永磁体产生的磁通量的图解说明。
图15A和图15B是由两个永磁体产生的磁通量的图解说明，其中这两个永磁体的同极相互面对并在周围距离和基本上接触的位置之间结合在一起。
图16是根据本发明的磁结构的一个实施例的横截面图。
图17是根据本发明的磁结构的一个实施例的横截面图。
图18是根据本发明的磁结构的一个实施例的横截面图。
图19是根据本发明的磁结构的一个实施例的横截面图。
图20是根据本发明的磁结构的另一个实施例的侧面直径横截面图。
图21是根据本发明的磁结构的一个实施例的侧视图。
图22是发电机系统的一个实施例的概略正视图。
图23是图22的系统在不同时间点上的概略正视图。
图24是包括在图22的系统中的电枢的截面侧视图。
图25是根据发电机替换实施例的系统的概略正视图。
图26是包括在图25的系统中的转子的截面侧视图。
图27是根据本发明的系统的一个实施例的侧面横截面图。
图28是根据本发明的系统的另一个实施例的侧面横截面图。
图29是根据本发明的系统的俯视图。
图30是图29的系统沿线30-30取得的侧面直径横截面图。
图31是使用了图7到图9以及图17中示出的实施例的系统的一个实施例的侧面直径横截面图。
图32是使用了图11和图16中示出的实施例的系统的一个实施例的侧面直径横截面图。
图33是电池的一个实施例的直径横截面图。
图34是电池的另一个实施例的直径横截面图。
图35是电池的另一个实施例的侧截面图。
图36是适于在图33到图36中示出的实施例中使用的线性发电机的直径横截面图。
图37是一种对便携式能量存储设备再充电的方法的一个实施例的高级流程图。
图38是一种操作便携式能量存储设备的方法的一个实施例的高级流程图。
图39是示出发电机的一个实施例的实际应用的立体图。
图40是用于发电的系统的一个实施例的框图。
图41是自供电设备的一个实施例的框图。
图42示出根据本发明的系统的一个实施例。
图43示出根据本发明的系统的另一个实施例。
图44示出根据本发明的衣服制品的一个实施例。
图45是根据本发明的系统的一个实施例的侧视图。
图46是适于在图45中示出的系统的实施例中使用的转子的一个实施例的俯视图。
发明详述
在以下描述中，阐述了某些细节以便提供对设备、方法和制品的各种实施例的透彻理解。然而，本领域的技术人员将会理解其它实施例可以在没有这些细节的情况下实施。在其它实例中，未示出或详细描述与电池、线性发电机和控制系统相关联的公知结构和方法，以避免不必要地混淆对这些实施例的描述。
除非上下文有另外的要求，否则在整个说明书及权利要求书中，词语“包括”及其变型，比如“包含”和“含有”，均以开放、包容的意义解释，即如“包括，但不限于”。
整个说明书中对“一个实施例”或“一实施例”的引用是指结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在至少一个实施例中。因此，整个说明书中各处出现的短语“一个实施例”或“一实施例”并不一定指代同一实施例，或者指代所有实施例。此外，特定特征、结构或特性可按任意合适的方式结合到一个或多个实施例中以获得更多的实施例。
提供标题仅仅是为了方便，而并不说明本公开或所声明的发明的范围或意义。
图1是常规线圈100的直径横截面图。线圈100包括非磁性绕组架102和非磁性的、导电绕组104。绕组包括线圈中的导电材料的一个或多个完整的匝(turn)，并且可包括一个或多个层。如图所示，绕组104包括9匝和3层。如图所示，导电绕组104是连续的。在其它常规线圈中，可使用多个导电绕组，可以或者可以不将它们串联或并联地电连接。导电绕组104可包括任何合适的导电材料，例如金属材料，诸如铜，用银或锡覆盖的铜，铝，银，金和/或合金。导电绕组104例如可包括实心线(例如包括扁钢丝)、绞合线、扭绞合线或薄片。导电绕组104的大小可与所示出的有明显不同，并可显著比所示出的小或大。导电绕组104通常用绝缘材料120涂覆。导电绕组104耦合到线圈100的引线122和124。
图2是双金属线圈200的一个实施例的直径横截面图。线圈200包括非磁性绕组架202，非磁性的、导电绕组204，以及导磁绕组206。将诸如导电绕组204之类的导电绕组同诸如导磁绕组206之类的导磁绕组一起使用以便于将通过诸如线圈200的绕组204之类的线圈的导电绕组或由其产生的磁场集中。集中磁场可明显提高线圈200的效率。例如，当在发电机中使用线圈200时，因为磁体穿过线圈200导电绕组204产生电子流，同时导磁绕组206将磁通量集中在导电绕组204中并使线圈200的功率输出增大。
导电绕组204的第一层208和第二层210被缠绕到绕组架202上。在一个实施例中，导电绕组204是连续的。在其它实施例中，导电绕组204可包括多个绕组，它们可串联或并联地电连接。导磁绕组206的第一层212缠绕在导电绕组204的第二层210上。导电绕组204的第三层214和第四层216缠绕在导磁绕组206的第一层212上。导磁绕组206的第二层218缠绕在导电绕组204的第四层216上。导电绕组204的第五层219缠绕在导磁绕组206的第二层218上。
导电绕组204可包括任何合适的导电材料，例如金属材料，诸如铜，用银或锡涂覆的铜，铝，银，金和/或合金。导电绕组204例如可包括实心线、绞合线、扭绞合线或薄片。导电绕组204的大小可与所示出的有明显不同，并可显著比所示出的小或大。导电绕组204通常用绝缘材料220涂覆。导电绕组204耦合到线圈200的引线222、224。
导磁绕组206可包括任何合适的导磁材料，例如磁屏蔽材料，如镍、镍/铁合金、镍/锡合金、镍/银合金、塑料磁屏蔽和/或镍/铁/铜/钼合金。在市场上可购买到若干商标的磁屏蔽材料，包括MuMetal、Hipernom、HyMu 80以及Permalloy。导磁绕组206例如可包括实心线、绞合线、扭绞合线或薄片。导磁绕组206的大小可与所示出的有明显不同，并可显著比所示出的小或大。导磁绕组206通常用绝缘材料226涂覆。导磁绕组206形成闭合环路，如连接228所示，并且如图所示其被连接到接地230。
可使用导电绕组和导磁绕组的各层的其它配置。例如，m层导电绕组可与n层导磁绕组交替，其中m和n是正整数，而不是如所示出的两层导电绕组与一层导磁绕组交替。在另一示例中，m和n不需要保持恒定。例如，层数可增加或减少。一个示例层模式可以是2E、1M、3E、2M、4E，其中E指示导电层且M指示导磁层。
通常，第一层和最后一层包括导电绕组204层。在一个实验性实施例中，其中第一层和最后一层包括导电绕组204的配置与最后一层由导磁绕组206组成时相比在发电机应用中产生了更好的性能。在另一示例中，可使用多个导电绕组。
图3是双金属线圈300的另一个实施例的直径横截面图。线圈300包括绕组架302和双导体绕组，该绕组如图所示地采用双金属绕组304的形式。双导体绕组304包括线306形式的导电绕组，线308形式的导磁绕组，导电线306和导磁线308之间的绝缘材料内层310，以及绝缘材料外层312。可以使绝缘材料外层312和绝缘材料内层310一体化。双导体绕组304的大小可与所示出的有明显不同，并可显著比所示出的小或大。如图所示，导电线306和导磁线308的大小大致相同。在一些实施例中，导电线306和导磁线308的大小可以不同。
导电线306可包括任何合适的导电材料。例如，可使用以上关于图2的导电绕组204所讨论的材料和配置(例如，实心线或绞合线)。导电线306耦合到线圈300的引线314、316。导磁线308可包括任何合适的导磁材料。例如，可使用以上关于图2的导磁绕组206所讨论的材料和配置(例如，实心线或绞合线)。导磁线308形成闭合环路，如连接318所示，并且可连接到接地320。如图所示，缠绕绕组304以使得导电线306离绕组架302的内表面322最近且导磁线308离绕组架302的内表面322最远。如图所示，将导电线306和导磁线308分隔开的绝缘层310与内表面322大致平行。在一些实施例中，将导电线306和导磁线308分隔开的绝缘层310可以相对于内表面322有另一角度。例如，在一些实施例中，绝缘层310可与内表面322大致垂直。如图所示，双导体绕组304是包括三匝的单层。在一些实施例中，该绕组可包括多个层。在一些实施例中，可使用附加的绕组。
图4是适于在图3中示出的线圈300的实施例中使用的双导体绕组404的一个实施例的直径横截面图。双导体绕组404包括线406形式的导电绕组，线408形式的导磁绕组，导电线406和导磁线408之间的绝缘材料内层410，以及绝缘材料外层412。导电线406可包括任何合适的导电材料。例如，可使用以上关于图2的导电绕组204所讨论的材料和配置(例如，实心线或绞合线)。导电线406的大小可与所示出的有明显不同，并可显著比所示出的小或大。导磁线408可包括任何合适的导磁材料。例如，可使用以上关于图2的导磁绕组206所讨论的材料和配置(例如，实心线或绞合线)。导磁线408的大小可与所示出的有明显不同，并可显著比所示出的小或大。
图5是双金属线圈500的另一个实施例的直径横截面图。线圈500具有绕组架502。第一导电绕组504a分两层缠绕在绕组架502上。第一导磁绕组506a在两层第一导电绕组504a之外缠绕在绕组架502上。第一导电绕组504a耦合到第一导电绕组504a的引线508a、510a。第一导磁绕组506a形成闭合环路，如第一连接环路512a所示。第二导电绕组504b相邻于第一导电绕组504a分两层缠绕在绕组架502上。第二导磁绕组506b相邻于第一导磁绕组506a在两层第二导电绕组504b之外缠绕在绕组架502上。第二导电绕组504b耦合到第二导电绕组504b的引线508b、510b。第二导磁绕组506b形成闭合环路，如第二连接环路512b所示。附加的绕组可被添加到线圈500，如导电绕组504n所示，其耦合到引线508n、510n，且如导磁绕组506n所示，其形成如连接512n所指示的闭合环路。在一些实施例中，导电绕组(例如，绕组504a、504b……504n)可按并联或串联的方式或者按其各种组合电耦合在一起。
导电绕组504a、504b……504n可包括任何合适的导电材料。例如，可使用以上关于图2的导电绕组204所讨论的材料和配置(例如，实心线或绞合线)。导电绕组504a、504b……504n的大小可与所示出的有明显不同，并可显著比所示出的小或大。导磁绕组506a、506b……506n可包括任何合适的导磁材料。例如，可使用以上关于图2的导磁绕组206所讨论的材料和配置(例如，实心线或绞合线)。导磁绕组506a、506b……506n的大小可与所示出的有明显不同，并可显著比所示出的小或大。可使用双金属绕组，诸如图3中示出的双金属绕组304或图4中示出的双金属绕组404。通常，线圈500的每个绕组可具有附加层，其中外层包括一层导电绕组(例如，绕组504a)，但是为了便于说明省略了这些附加层。
图6是双金属线圈600的另一个实施例的直径横截面图。线圈600包括非磁性绕组架602，非磁性的、导电绕组604，以及导磁绕组606。导电绕组604的第一层608和第二层610缠绕到绕组架602上。导磁绕组606的一层612缠绕在导电绕组604的第二层610上。
导电绕组604可包括任何合适的导电材料和配置。例如，可使用以上关于图2的导电绕组204所讨论的材料和配置(例如，实心线或绞合线)。导电绕组604通常用绝缘材料614覆盖。导电绕组604耦合到线圈600的引线616、618。导磁绕组606可包括任何合适的导磁材料和配置。例如，可使用以上关于图2的导磁绕组206所讨论的材料和配置(例如，实心线或绞合线)。导磁绕组606通常用绝缘材料620覆盖。导磁绕组606形成闭合环路，如连接622所示，且可连接到接地(见图2中的接地230)。一些实施例可使用双金属或双导体绕组(见图3中示出的双导体绕组304)。
绕组架602具有内部长度624和外部长度626，它们是不同的。如图所示，内部长度624比外部长度626短。长度的不同便于将磁场集中在导电绕组604中。
图7到图9示出双金属线圈700的另一个实施例。为便于说明，图7到图9并不是按比例绘制的。图7是线圈700的俯视图。线圈700包括具有上表面704的一层绝缘材料702。例如，该层绝缘材料702可包括集成电路板、衬底或绝缘薄膜或薄片。市场上销售的绝缘材料是Mylar商标绝缘材料。迹线706形式的导电绕组在该层绝缘材料702的上表面704上形成。导电迹线706可包括任何合适的导电材料，如铜、铝、金和银以及合金。可使用以上关于图2的导电绕组204所讨论的材料。可使用在衬底上形成迹线的公知技术，诸如在RFID设备和天线方面使用的那些。绝缘材料层702具有开口708。
图8是图7中示出的线圈700的实施例的仰视图。绝缘材料层702具有下表面716。迹线718形式的导磁绕组在绝缘材料层702的下表面716上形成。导磁迹线718可包括任何合适的导磁材料，如镍、镍/铁合金、镍/锡合金、镍/银合金。可使用以上关于图2的导磁绕组206所讨论的材料。可使用在衬底上形成迹线的公知技术，诸如在RFID设备和天线方面使用的那些。图9是图7中示出的线圈700的实施例的侧视图，其示出线圈700的可任选核心730。例如，核心730可包括铁核心。
图10是双金属线圈1000的另一个实施例的俯视图。线圈1000包括具有上表面1004的一层绝缘材料1002。例如，绝缘材料层1002可包括集成电路板、衬底或绝缘薄膜。迹线1006形式的导电绕组在绝缘材料层1002的上表面1004上形成。导电迹线1006可包括任何合适的导电材料，如铜、铝、金和银以及合金。例如，可使用以上关于图2的导电绕组204所讨论的材料。可使用在衬底上形成迹线的公知技术，诸如在RFID设备和天线方面使用的那些。绝缘材料层1002具有开口1008。迹线1018形式的导磁绕组在绝缘材料层1002的上表面1004上形成。导磁迹线1018可包括任何合适的导磁材料，如镍、镍/铁合金、镍/锡合金、镍/银合金。例如，可使用以上关于图2的导磁绕组206所讨论的材料。可使用在衬底上形成迹线的公知技术，诸如在RFID设备和天线方面使用的那些。
图11是双金属线圈1100的另一个实施例的侧视图。线圈1100包括多个绝缘层1102。导电材料迹线1106在该多个绝缘层1102的选定表面1130、1132、1134、1136上形成。导磁材料迹线1118在该多个绝缘层1102的选定表面1138、1140上形成。绝缘材料层1102具有开口1108。如图所示，线圈1100包括三层绝缘材料1102。可使用较少或附加的层1102。另外，在一些实施例中，导电材料迹线1106和导磁材料迹线1118可按不同的图案在绝缘材料层1102的选定表面上形成。例如，导电材料迹线1106和导磁材料迹线1118可在绝缘材料层的交替表面上形成。在另一示例中，导电材料迹线1106和导磁材料迹线1118可在绝缘材料层1102的同一表面或者在绝缘材料层的各个表面上形成。在各个绝缘材料层1102上的迹线可以相互耦合。
如上所述，在设备和应用中线圈经常与磁体一起使用。双金属线圈可有利地用于这种具有常规磁体的应用和环境中。图12是由常规磁结构1200产生的磁通量的图解说明。磁结构包括具有北极N和南极S的磁体1202。图12示出代表性的磁通量等势线1204以说明由磁结构1200的永磁体1202所产生的磁场。一区域中的等势线越靠近，该区域中的磁通量密度越大。
然而，可改进常规磁结构。在许多设备和应用中，增大区域中的磁通量密度可大大提高效率和性能。例如，增大区域中的磁通量密度可产生较大的梯度，这可导致例如发电机或发动机中的效率提高。
图13A和图13B是由具有两个永磁体的磁结构所产生的磁通量的图解说明，其中这两个永磁体的北极相互面对且分隔开周围距离。图13A是黑白表示，且图13B是灰影表示。代表性的磁通量等势线示出由该磁结构所产生的磁场。在该两北极之间区域中，磁通量的梯度比由单个磁体或由其中相反极性的极相互面对的磁结构在北极周围区域产生的磁通量要高。
图14A和图14B是由具有两个永磁体的磁结构所产生的磁通量的图解说明，其中这两个永磁体的北极基本上相互接触。代表性的磁通量等势线示出由该磁结构所产生的磁场。对于类似的磁体，由图14A和图14B中示出的安排在与基本上接触的两北极邻近的区域中产生的磁通量的梯度比由图13A和图13B中示出的安排所产生的磁通量的梯度要高，这由图14A和图14B中的较大密度的磁通线示出。较高的磁通量梯度还出现在与图14A和图14B中示出的上部磁体的南极邻近的区域中。
图15A和图15B是由具有两个永磁体的磁结构所产生的磁通量的图解说明，其中这两个永磁体的同极相互面对并在周围距离和基本上接触的位置之间的一距离处固定在一起。代表性的磁通量等势线示出由该磁结构所产生的磁场。对于类似的磁体，由图15A和图15B中示出的安排所产生的磁通量沿着与两北极邻近的较大区域产生较密集的一组磁通线，从而与由图13A、图13B、图14A和图14B中示出的安排所产生的磁通量相比允许较大区域中的较高磁通量梯度，这由沿着图15A和图15B中示出的永磁体侧面较大区域的较大密度的磁通线示出。
效率的明显提高，例如在发电方面，可通过定位永磁体使其同极在接触配置和周围距离之间的最佳距离上相互面对而得以实现。该最佳距离将根据其中要使用磁结构的配置而变化(例如，在发电机/发动机配置中使用磁结构时该磁结构相对于线圈的运动路径)。图16是产生多个压缩磁场的多极磁结构1604的一个实施例的横截面图。在一些应用中，产生多个压缩磁场可使效率进一步提高。当在例如发电机中使用磁结构1604时，压缩磁场可提高能量到电能的转换效率。这种发电机可被配置为转换以寄生方式接收的能量。典型的能量源包括动力源、热源、声源以及射频源。
磁结构1604使用抽头(tab)1694使永磁体1612、1614、1616相互保持固定。尽管示出的实施例使用三个永磁体1612、1614、1616，但是其它实施例可使用不同数量的永磁体，诸如两个永磁体或四个永磁体。其它实施例可用电磁体替代永磁体或者作为其附加。所示出的永磁体1612、1614、1616是盘状的，但是可使用其它的形状。例如，可使用矩形的(例如，正方形)、球形的或者椭圆形的磁体。类似地，磁体的面不需要是平坦的。例如，可使用凸起的、凹入的、放射状的、锥形的或者菱形的面。尽管示出的实施例使用抽头，但是可使用其它的定位机构，诸如螺纹、隔离件(spacer)、胶或定位机构的组合。磁体1612、1614、1616被安置并被保持相互分开，并且它们被安排为使得相邻永磁体中的相同极性的极相互面对。例如，第一永磁体1612的N极1628面对第二永磁体1614的N极1630，且第二永磁体1614的S极1632面对第三永磁体1616的S极1634。另外，保持磁体1612、1614、1616在一起足够近以形成压缩磁场(例如，比周围距离要近且被分隔开)。在一些实施例中，永磁体1612、1614、1616之间的空间1636、1638基本上用材料1637填充，该材料可包括诸如空气之类的气体。在一些实施例中，材料1637可包括其它实质上非磁性且实质上非传导的物质，诸如含氟聚合物树脂或塑料。在一些实施例中，磁体之间的空间1636、1638可被抽空并密封。
通过产生压缩磁场，诸如磁结构1604之类的磁结构中的永磁体的形状、位置和强度可提高使用磁结构1604的设备或应用(诸如发电机)的效率。可使用高斯计(未示出)确定永磁体1612、1614、1616的最佳强度和位置以及永磁体的数量。也可考虑其它设计因素，诸如重量和减小电磁场的外部影响以及控制多个发电机的磁相互作用。
图17示出被配置为产生压缩磁场的磁体结构202的一个实施例。磁体结构202包括盒204和容纳于盒204中的、同极相互面对的多个磁体。在示出的实施例中，盒204容纳第一磁体32和第二磁体36，其中第一磁体32的一端30具有第一极性，且第二磁体36的一端34具有与端30相同的极性且与端30面对。在示出的实施例中，端30是南极且端34是南极；在一个替换实施例中，两个北极相互面对。在示出的实施例中，盒204具有内部柱面205，且磁体32和36各自具有外部柱面。磁体32、36滑动地容纳于盒204中。在示出的实施例中，盒204具有开放的螺纹端，通过该螺纹端插入(或替换)磁体32和36，并且磁体装置202还包括螺帽206，其可选择性地封闭盒204的螺纹端。在示出的实施例中，螺帽206迫使磁体32、36与磁场所产生的排斥力通常能允许的周围距离相比靠得更近，从而产生压缩磁场。用于定位磁体的其它实施例也是可能的。例如，内部柱面205可具有凹部，磁体可嵌入该凹部。
图18示出被配置为产生多个压缩磁场的多极磁结构302的一个实施例。磁结构302的盒304具有抽头305，该抽头使多个磁体相互保持固定。磁体包括第一磁体308，其第一端318具有第一极性且第二端316具有相反极性。磁体还包括第二磁体310，其第一端320具有与第一极性相同的极性，且第二端322具有与第一极性相反的极性。第二磁体310的第一端320与第一磁体308的第一端318分隔开。第二磁体310的第一端320至少大致与第一磁体308的第一端318面对。磁体还包括第三磁体312，其第一端324具有与第一极性相反的极性，且第二端326具有与第一极性相同的极性。第三磁体312的第一端324与第二磁体310的第二端322分隔开。第三磁体312的第一端324至少大致与第二磁体310的第二端322面对。任何数量的附加磁体都是可以的。例如，在示出的实施例中，磁体还包括第四磁体314，其具有极性与第一极性相同的第一端328和第二端330。磁体组件302还包括螺帽306，其封闭盒304的开放螺纹端。
图19是被配置为产生多个压缩磁场的多极磁体结构1900的一个实施例的侧面直径横截面图。磁体结构1900包括具有凹形表面1908、1910、1912、1914的多个磁体1902、1904、1906，其中保持同极在选定的距离上分隔开并相互面对，以便产生高梯度或压缩的磁场。如图所示，凹形表面是锥形的。可使用其它大体为凹形的表面。
图20是被配置为产生多个压缩磁场的多极磁体结构2000的另一个实施例的侧面直径横截面图。磁体结构2000包括具有凸形表面2008、2010、2012、2014的多个磁体2002、2004、2006，其中保持同极在选定的距离上分隔开并相互面对，以便产生高梯度或压缩的磁场。如图所示，凸形表面是弧形的。可使用其它大体为凸形的表面。
图21是被配置为产生多个压缩磁场的另一多极磁体结构2100的一个实施例的侧视图。磁体结构包括矩形磁体外壳2102和包含在外壳2102内的多个矩形磁体2104、2106、2108。保持磁体2104、2106、2108的同极在选定的距离上分隔开并相互面对以便产生期望的压缩磁场。
双导体或双金属线圈的实施例和/或被配置为产生压缩磁场的磁体结构的实施例，诸如上述的那些，可有利地用于许多设备和应用中。例如，双导体或双金属线圈的实施例和/或被配置为产生压缩磁场的磁体结构的实施例可用于各种应用、声学系统和/或控制系统中所使用的各种类型的发电机/发动机。示例发电机包括可被配置为将以寄生方式接收的能量或特定地为转换而产生的能量转换成电能的发电机。典型的能量源包括动力源、热源、声源以及射频源。例如，一些实施例可将被配置为产生压缩磁场的磁结构与不同的金属一起使用以便利用Seebeck效应。
以下通过这些设备和应用的说明性示例实施例来讨论许多这样的示例应用。尽管一些实施例可使用双导体或双金属线圈和被配置为产生压缩磁场的磁体结构，但是其它实施例可使用双导体或双金属线圈和常规磁结构或不用磁结构。其它实施例可使用被配置为产生压缩磁场的磁结构和常规线圈或不用线圈。一些实施例可使用常规线圈和与本发明其它方面相结合的常规磁结构。
线性发电机和发动机在本领域内是已知的。线性发电机通常具有定子和转子，转子可相对于定子被线性驱动以产生电能。例如，在Sagov的美国专利NO.6759755和Cheung等人的美国专利NO.6798090中公开了线性发电机，此两者均通过引用结合于此。线性发动机通常具有定子和转子，可响应于电能的施加而使转子相对于定子被线性驱动，其中电能通常采用电信号的形式。
线性运动到电功率的转换是复杂的问题。发明家们近来使用平面电感器评测古典线性位移发电机的工作指示了较低的转换效率。例如，参见授权给Vetorino等人的美国专利NO.6220719。基本的问题是功率输出与磁场导数的平方是成比例的，且该导数的量值在常规设备中保持较小。类似的问题也出现在电功率到线性运动的转换中。
在线性发电机中，由线圈相对于磁结构的相对运动所产生的功率输出与磁场的导数的平方是成比例的。电压由线圈绕组中的匝数和磁场强度决定。磁结构中的永磁体的形状、相对位置和强度可通过产生压缩磁场来放大该导数的值。通过使用压缩磁场，即使对于相对低速的机械位移，也可从这类发电机获得明显提高的效率。通过说明性示例(参见以上对图13-16以及以下对图22-25的描述)提出了与产生压缩磁场有关的原理。
图22到图24示出使用被配置为产生压缩磁场的磁结构2202的一个实施例的线性发电机2200的一个实施例。发电机2200包括位于两个磁体12和14之间的线圈11。该线圈可以是常规线圈或者双导体或双金属线圈。更具体地，发电机2200包括第一磁体12和第二磁体14，其中第一磁体12的一端13具有第一极性，且第二磁体14的一端15具有与第一极性相同的极性。更具体地，在示出的实施例中，端13是北极且端15也是北极。第二磁体14的端15与第一磁体12的端13间隔开。在示出的实施例中，端15的表面22(图23)大致是平面的，且端13的表面18大致是平面的。第二磁体14的端面22至少大致与第一磁体12的端面18面对。
第一磁体12的端13与第二磁体14的端15相比离线圈11的静止位置更近。在示出的实施例中，磁体12和14是永磁体。其它实施例可使用电磁体。注意，穿过线圈11的静态磁通量是相当大的，如图22中通过线圈11的等势线16的密度所示。穿过磁体12的面18的表面区域的磁通量是非常大的。穿过在磁体12和14之间的大致中心20处的平面的磁通量较小。
在图22中的线圈11的几何位置和图23中的线圈所占据的位置之间存在非常大的负磁场梯度。因而，即使线圈11(或者，相反地，磁体)的缓慢物理运动也将产生大的导数。在中心20附近前后运动的线圈11引起了磁通量的巨大变化。即使对于磁体位置的低速物理位移(空间导数)这也仍然成立。因为输出与该导数的平方成比例，所以将导致发电量的明显增加。
如果线圈11在2Δt的时间内从磁体12的近端面18运动到磁体14的面22，则磁通量将从+Φ_最大变化到—Φ_最大。
因而，dΦ/dt近似地为：

且其为正值。
这是一个近似值，因为对于线速度，该导数的值将由于磁场非线性而在周期Δt期间变化。
在图24中示出的实施例中，线圈11在具有一长度的核心24的周围缠绕，且其轴线26沿着该长度(与图23中的中心线一致)。在图19中示出的实施例中，轴线26与第一磁体12的端13和第二磁体14的端15之间限定的方向垂直。在图22的实施例中，第一磁体12的端面18的宽度为W，且核心24的沿轴线26的长度至少与第一磁体12的端面18的宽度W一样长。在示出的实施例中，第二磁体14的端面22的宽度与端面18的宽度一致。其它的实施例也是可能的。
在示出的实施例中，支承线圈11以使其沿着面18和22之间与轴线26大体垂直的路径在第一磁体12和第二磁体14之间被前后驱动。
在替换实施例中，如图25和图26所示，第一磁体32的端30是南极且第二磁体36的端34也是南极(且端30和34至少大体相互面对)。图25中示出两磁体之间的线圈38，但是其它的线圈安排在此处将要描述的发电机中也是可能的。
保持磁体分开并使其与来自磁体的排斥力通常所允许的周围距离相比靠得更近将产生高梯度或压缩的磁场。这通常导致发电机功率输出的增大。对于许多实施例，保持磁体靠得更近直至极限将导致功率输出的增大。例如，在替换实施例中，面18和面22之间的距离可等于图22中示出的距离“a”的两倍。
图27是使用被配置为产生高梯度的或压缩的磁场的磁体结构202的一个实施例的发电机200的直径横截面图。例如，图16到图21中示出的磁结构的各个实施例可用作图27中示出的磁结构202。发电机200包括外壳208，其中磁体结构202被支承以便滑动。在示出的实施例中，盒204具有外柱面且外壳208具有圆柱形内表面，后者的直径比盒204的外柱面的直径稍大。盒204的外部和外壳208的内部可由不同材料制成或涂覆以减小盒204与外壳208之间粘附的可能性。例如，盒204可用不粘附的涂层覆盖，而外壳208可由ABS塑料制成。可得到的示例不同材料可以分别是Teflon和Lexan商标材料。
发电机200还包括端210，例如可以是螺纹端帽，以用于封闭外壳208的开放端。发电机200还包括由端210支承的弹簧212，该弹簧被配置为由磁体装置202选择性地压缩并移动磁体装置202使其离开端210。发电机200还包括可以是螺纹端帽或仅仅是封闭端的端214，以及被配置为由磁体装置202选择性地压缩并移动磁体装置202使其离开端214的弹簧216。在一些实施例中，弹簧212、216可被配置为保持压缩状态。
发电机200还包括由外壳所支承的至少一个线圈218。尽管其它的线圈位置是可能的，但在示出的实施例中，外壳208具有外表面，该外表面在示出的实施例中是圆柱形的，且线圈缠绕在外壳208的外表面周围。线圈218在外壳208的表面上径向安置，且磁体组件202被安置在外壳208内部。线圈218可通过胶、凹槽、凹口或突起或者通过任何其它期望方法保持在外壳208中以免相对于外壳纵向运动，或者可被注塑到外壳中而在外壳的内部上得到支承，等等。安置线圈218以使磁结构202产生的压缩磁场作用于其上。
在一些实施例中，发电机200作为组件仅在会受到运动作用的位置上得到支承。在其它实施例中，提供机械链接以使作为组件的发电机200耦合到运动。例如，底端214可被耦合到运动源或移动源。在一些实施例中，可便于周期性维护。例如，如果需要，顶端210是可移除的以便清洁或维护或替换磁体。一些实施例是不需要维护的。例如，电池中使用的发电机200的实施例(见图33-35)可被设计为维持至该电池的使用期限而不需周期性维护。例如，在一些实施例中，发电机200可被抽空并密封。
在一些实施例中，在期望应用中提供加速度计并且确定运动的频率常数。随后定制弹簧的弹簧常数和磁体的质量，以使得当存在可用的能量时磁体组件202在外壳208中共振。
图28示出发电机300，除了使用多个线圈之外，该发电机类似于发电机200。发电机300具有被配置为产生一个或多个压缩磁场的磁结构或组件302。被配置为产生多个压缩磁场的多极磁结构，诸如图16和图18到图21中示出的磁结构的实施例，可被有利地用作发电机300的实施例中的磁结构302。磁体结构302包括盒304。
发电机300还包括外壳332，其中磁体结构302被支承以便线性运动。在示出的实施例中，盒304具有外柱面且外壳332具有圆柱形内表面，后者的直径比盒304的外柱面的直径稍大。发电机300还包括端334，例如该端可以是螺纹端帽，以用于封闭外壳332的开放端。发电机300还包括由端334支承的弹簧346。弹簧346被配置为由磁体装置302选择性地压缩并移动磁体装置302离开端334。发电机300还包括可以是螺纹端帽或仅仅是封闭端的端338，以及被安排为由磁体装置302选择性地压缩的弹簧340。弹簧340被安排为移动磁体装置302离开端338。
发电机300还包括第一线圈336，该第一线圈336相对于各磁体受到支承以使得各磁体的至少一对相对端的磁场选择性地作用于其上，但是各磁体的另外各对相对端的磁场也可能作用于其上，这取决于磁体组件302的运动。发电机300还包括第二线圈342，该第二线圈342相对于各磁体受到支承以使得各磁体的至少一对相对端的磁场选择性地作用于其上，但是各磁体的另外各对相对端的磁场也可能作用于其上，这取决于磁体组件302的运动。在示出的实施例中，发电机300还包括第三线圈344，该第三线圈344相对于各磁体受到支承以使得各磁体的至少一对相对端的磁场选择性地作用于其上，但是各磁体的另外各对相对端的磁场也可能作用于其上，这取决于磁体组件302的运动。可使用任何数量的线圈。可使用磁体的任意对相对端来作用于一个或多个线圈。
图29示出使用磁结构和双导体或双金属线圈的系统2900的一个实施例，其中磁结构被配置为产生压缩的或高梯度的磁场。图30是图29的系统2900沿线30-30取得的直径侧面横截面图。图30并不相对于图29按比例绘制，且图30省略了一些细节以便于说明。系统2900包括转子2902，该转子包括一个或多个双金属线圈2904。每个双金属线圈2904包括导电绕组2903和导磁绕组2905。图2-3和图5-11中示出的双金属线圈的实施例可有利地用于图29中示出的系统2900的实施例中。一些实施例可包括常规线圈和被配置为产生压缩磁场的磁结构。其它实施例可包括双金属线圈和常规磁结构。
系统2900还包括定子2906，该定子包括磁体支承件2908和多个永磁体2910、2912、2914。该多个磁体的第一磁体2910耦合到磁体支承件2908的中心部分2916。定向第一磁体2910使得它的两极2918、2920面对转子2902的内圆周2922的相对两侧。该多个磁体中的第二磁体2912耦合到磁体支承件2908的第一外部2924。定向第二磁体2912使其一极2926面对第一磁体2910的同极2918。如图所示，同极2918、2926分别是第一和第二永磁体2910、2912的南极。该多个磁体中的第三磁体2914耦合到磁体支承件2908的第二外部2928。定向第三磁体2914使其一极2930面对第一磁体2910的同极2920。如图所示，同极2920、2930分别是第一和第三永磁体2910、2914的北极。安置磁体2910、2912、2914使得产生多个压缩磁场。在示出的实施例中，转子2902耦合到机械传输系统2934。在一些实施例中，磁体支承件2908可以是转子的一部分，而双金属线圈2904可以是定子的一部分。
如所示，系统2900包括耦合器2950用于将线圈2904耦合到电力网2952。为清楚起见省略了线圈2904和耦合器2950之间的电连接2954的细节。例如，耦合到导电绕组2903的总线系统可用作线圈2904和耦合器2950之间的电连接2954。耦合器2950可包括控制和/或调节模块(未示出)。
在一些实施例中，系统2900可被配置为用作发电机。在这种实施例中，机械传输系统2934向转子2902施加的力可使转子2902相对于定子2906旋转。当转子2902相对于定子2906沿着由虚线B-B示出的轴线2932旋转时，系统2900可产生三相交流电。
在一些实施例中，系统2900可被配置为用作马达。在这种实施例中，施加到线圈2904的电信号可使转子2902相对于定子2906旋转。当转子2902相对于定子2906沿着由虚线B-B示出的轴线2932旋转时，转子2902向机械传输系统2934施加力。在一些实施例中，系统2900可被配置为选择性地用作马达或用作发电机。在一些实施例中，系统2900可被有利地配置为在期望的电压电平、期望的电压范围和/或期望频率下工作。例如，系统2900可被配置为产生50/60Hz110-120伏特AC、50/60Hz 220-240伏特AC、50/60Hz 10kV AC或50/60Hz 100kV。在一些实施例中，系统2900可被配置为产生交流电和/或直流电。
图31示出系统3100的一个实施例的侧面横截面图，其中该系统使用双导体或双金属线圈700和被配置为产生压缩的、高梯度的磁场的磁结构202。为了方便起见，将相对于图7到图9中示出的双金属线圈700以及图17中示出的磁结构202来描述系统3100。双金属线圈和被配置为产生压缩磁场的磁结构的其它实施例也可用于系统3100的实施例中。
为了便于说明，图31并不一定按比例绘制。双金属线圈700包括具有上表面704的绝缘材料层702。例如，绝缘材料层702可包括集成电路板、衬底或者绝缘薄膜或薄片。市场上可买到的绝缘材料是以Mylar商标销售的。导电迹线706在绝缘材料层702的上表面704上形成。导电迹线706可包括任何合适的导电材料，如铜、铝、金和银以及合金。可使用以上关于图2的导电绕组204所讨论的材料。可使用在衬底上形成迹线的公知技术，诸如在RFID设备和天线方面使用的那些。绝缘材料层702具有开口708，磁结构202可移动穿过该开口。悬挂系统714的上部712耦合到磁结构202且耦合到绝缘材料层702的上表面704。绝缘材料层702具有下表面716。导磁迹线718在绝缘材料层702的下表面716上形成。导磁迹线718可包括任何合适的导磁材料，如镍、镍/铁合金、镍/锡合金、镍/银合金。可使用以上关于图2的导磁绕组206所讨论的材料。可使用在衬底上形成迹线的公知技术，诸如在RFID设备和天线方面使用的那些。悬挂系统714的下部720耦合到磁结构202且耦合到绝缘材料层702的下表面716。悬挂系统714耦合到可任选的机械传输系统3102。
在一些实施例中，系统3100可被配置为用作发电机。在这种实施例中，机械传输系统3102向悬挂系统714施加的机械力可使磁结构202相对于双金属线圈700线性地运动，这可使该设备产生电流。在一些实施例中，系统3100可被配置为用作马达。在这种实施例中，施加到双金属线圈700的电信号可使磁结构202相对于双金属线圈700线性地运动，这可使悬挂系统714向机械传输系统3102施加机械力。在一些实施例中，系统3100可被配置为选择性地用作马达或用作发电机。
图32示出系统3200的一个实施例的侧面横截面图，其中该系统使用双导体或双金属线圈1100和被配置为产生压缩的、高梯度的磁场的磁结构1604。为了方便起见，将相对于图11中示出的双金属线圈1100和图16中示出的磁结构1604来描述系统3200。双金属线圈和被配置为产生压缩磁场的磁结构的其它实施例也可用于系统3200的实施例中。
为了便于说明，图32并不一定按比例绘制。双金属线圈1100包括多个绝缘层1102。导电材料迹线1106在该多个绝缘层1102的选定表面1130、1132、1134、1136上形成。导磁材料迹线1118在该多个绝缘层1102的选定表面1138、1140上形成。悬挂系统1114将磁结构1900可移动地悬挂于该多个绝缘材料层1102的开口1108中。如所示，双金属线圈1100包括三个绝缘材料层1102。可使用较少或附加的层1102。另外，在一些实施例中，导电材料迹线1106和导磁材料迹线1118可按不同的图案在绝缘材料层1102的选定表面上形成。例如，导电材料迹线1106和导磁材料迹线1118可在绝缘材料层的交替表面上形成。在另一示例中，导电材料迹线1106和导磁材料迹线1118可在绝缘材料层1102的同一表面上或在绝缘材料层的每个表面上形成。各个绝缘材料层1102上的迹线可相互耦合。悬挂系统1114耦合到可任选的机械传输系统3202。
在一些实施例中，系统3200可被配置为用作发电机。在这种实施例中，机械传输系统3202向悬挂系统1114施加的机械力可使磁结构1900相对于双金属线圈1100线性地运动，这可使该系统产生电流。在一些实施例中，系统3200可被配置为产生交流电和/或直流电。在一些实施例中，该设备系统可被配置为用作马达。在这种实施例中，施加到双金属线圈1100的电信号可使磁结构1900相对于双金属线圈1100线性地运动，这可使悬挂系统1114向机械传输系统3202施加机械力。在一些实施例中，系统3200可被配置为选择性地用作马达或用作发电机。
电池技术是一个示例应用，其中双金属线圈和/或被配置为产生压缩磁场的磁结构的实施例可被有利地使用，这将用有限数量的示例进行说明。
图33是电池100的一个实施例的直径横截面图，该电池100包括盒102、发电机104、第一能量存储设备106、控制模块108、第二能量存储设备110和接触端子112及114。如图所示，剖开盒102以便于说明电池100的其它组件。盒102包含发电机104、第一能量存储设备106、控制模块108和第二能量存储设备110。接触端子112、114被分别安装在电池100的盒102的顶部116和底部118。
盒102可包括外部盒屏蔽120，该屏蔽可以是磁屏蔽和/或电屏蔽。例如，盒屏蔽120可包括一层锡箔，一层磁屏蔽材料，如镍、镍/铁合金、镍/锡合金、镍/银合金、镍/铁/铜/钼合金，这些也可采用箔的形式。例如，这种箔层的厚度可在0.002-0.004英寸的范围内。市场上可买到的磁屏蔽材料有若干商标的磁屏蔽材料，包括MuMetal、Hipernom、HyMu80和Permalloy。
在一些实施例中，盒102和接触端子112、114可采用常规电池的那些盒与接触端子的外部配置，如AA-cell、AAA-cell、C-cell、D-cell、9-伏特电池、手表电池、起搏器电池、蜂窝式电话电池、计算机电池以及其它标准和非标准电池配置。电池100的实施例可被配置为提供期望的电压电平，包括例如1.5伏特、3.7、7.1、9-伏特以及其它标准和非标准电压。各实施例可被配置为提供直流电和/或交流电。
发电机104将动能转换成电能。如所示，发电机104是一个线性发电机，其包括双金属线圈122、磁结构124和悬挂系统126。如图所示，双金属线圈122包括导电绕组121和导磁绕组123。如图所示，悬挂系统126包括磁结构载具导轨(carrier guide)128、在其一端132耦合到磁结构124的第一弹簧130、耦合到第一弹簧130的另一端136的第一排斥磁体134、在其一端140耦合到磁结构124的第二弹簧138以及耦合到第二弹簧138的另一端144的第二排斥磁体142。悬挂系统126便于磁结构124响应于电池的运动而相对于线圈122沿着轴线A-A运动。磁结构124相对于线圈122的运动在线圈122中产生电流。例如，悬挂系统126可包括不锈钢弹簧，如304或316不锈钢弹簧。例如，磁结构124可包括诸如钕-铁-硼永磁体之类的一个或多个稀土磁体、一个或多个陶质磁体、一个或多个塑料磁体或者一个或多个其它的磁体。例如，排斥磁体132、142可包括一个或多个稀土磁体、一个或多个陶质磁体、一个或多个塑料磁体或者一个或多个其它的磁体。如图所示，载具导轨128包括绕组架146，该绕组架上缠绕有线圈122的一个或多个绕组。在一些实施例中，可使用独立的绕组架。悬挂系统126被配置为允许磁结构124通过并完全离开由线圈122的顶部150和底部152所限定的区域148。弹簧130、138通常被配置为处于负载状态。
第一能量存储设备106被配置为存储由发电机104产生的电能。在一个实施例中，第一能量存储设备106能够在很少的调节或不需调节的情况下存储由发电机104产生的电能。在其它实施例中，在将电能存储在第一能量存储设备106之前可对其进行调节，如以下通过示例所讨论的。例如，第一能量存储设备106可包括一个或多个超级电容器。为便于说明，第一能量存储设备106被示为功能块。
控制模块108控制电池100内的能量传输。控制模块108通常包括整流器，其被示为全桥式整流器109。例如，控制模块108可被配置为控制电池100的各组件之间的能量传输，诸如发电机104、第一能量存储设备106、第二能量存储设备110以及接触端子112及114。在一个实施例中，控制模块108还可控制从发电机104到第一能量存储设备106的能量传输。在一个实施例中，控制模块108控制被存储在第一能量存储设备106中的能量向第二能量存储设备110的传输。例如，控制模块108可限制从第一能量存储设备106流向第二能量存储设备110的电流。在另一示例中，控制模块108可停止从第一能量存储设备106到第二能量存储设备110的能量传输，以避免过度充电第二能量存储设备110。在一个实施例中，控制模块108可被配置为停止能量向第一能量存储设备106的传输，以避免过度充电第一能量存储设备106。在一个实施例中，控制模块108可被配置为控制从第一能量存储设备106到接触端子112、114的能量传输。在一个实施例中，控制模块可被配置为控制从发电机到接触端子112、114的能量传输。在一个实施例中，控制模块108还可被配置为检测、控制、允许、接受、调整和/或便于从诸如常规电池充电器(未示出)或环境能量源之类的外部电能源对第一能量存储设备106和/或第二能量存储设备110的充电。在一个实施例中，控制模块108被配置为在传输期间调节能量。以下将在图37和图38的描述中更详细地讨论两个示例性实施例中控制模块108的操作。
控制模块108可按各种各样的方式实现，包括作为组合的控制系统或者作为独立子系统。控制模块108可被实现为分立电路、一个或多个微处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)等，或可被实现为被存储在存储器中并由控制器执行的一系列指令，或者以上的各种组合。在一些实施例中，第一能量存储设备106可被集成到控制模块108中。
第二能量存储设备110被配置为在控制模块108的控制下存储从第一能量存储设备106传输的电能。例如，第二能量存储设备110可包括一个或多个常规电池，诸如铅酸电池、镍镉电池、镍金属氢化物电池、锂聚合物电池或锂离子电池、钠/硫电池或任何合适的可再充电能量存储设备。
接触端子112、114提供用于传输电能到电池100和/或从电池100传输电能的通路。接触端子112、114可由任何导电材料制成，例如金属材料，诸如铜、用银或锡涂覆的铜、铝、金等。接触端子112、114耦合到控制模块108。在一些实施例中，接触端子112、114可被耦合到第二能量存储设备110，而不是直接耦合到控制模块108。如图所示，接触端子112、114的物理配置类似于常规C-cell电池的接触端子。如上所述，可使用其它的配置。接触端子112、114被配置为允许电池100可被容易地安装到外部设备中或从外部设备移除，如收音机、蜂窝式电话或定位系统。接触端子112、114可使用磁屏蔽。
作为电池100的运动的结果，能量可被存储在电池100中。例如，如果磁结构124相对于线圈122是在中间的且电池100向下运动，则磁结构124可响应于电池100的向下运动而相对于线圈122向上运动。当磁结构124通过线圈150顶部以上时，其相对向上的运动将在线圈122中产生电流。当磁结构124接近第一排斥磁体134时，第一弹簧130和第一排斥磁体134将向磁体结构124施加向下力。响应于该向下力，磁体结构124可相对于线圈122开始向下运动。它可通过中点151，即150和152之间大约中间的位置，并再次通过线圈122，从而当其通过线圈152的底部以下时产生额外的电流。当磁结构124接近第二排斥磁体142时，第二弹簧138和第二排斥磁体142将向磁结构124施加向上力。如果向上力足够大，磁结构124将再次通过线圈122，并产生额外的电流。该运动可按前后摆动的方式继续，直至悬挂系统126中没有足够的能量来继续使磁结构124相对于线圈122运动。
在一些实施例中，可调节悬挂系统126以增大从预期能量源产生的电能。例如，如果电池100将经常处于由已知速度或速率的个体走动或跑动提供能量的环境中，可将悬挂系统126调节到该速度或速率。因而，电池可被配置为充分地使预期会由慢跑者产生的能量到电能的转换最大化。在另一示例中，如果电池100将经常地遭受汽车中的停止和前进或者飞行或地面交通工具的不规则运动，则可调节悬挂系统126以使该环境的能量到电能的转换最大化。在另一示例中，如果电池将用于经常遭受流体波的环境中，诸如水波或海浪，或风，则可调节悬挂系统以使该环境的能量到电能的转换最大化。在另一示例中，如果电池将经常遭受振动，例如在运动的交通工具中，则可调节悬挂系统以使从这些振动接收到的能量到电能的转换最大化。例如，可通过更改任何排斥磁体的强度、调整诸如弹簧之类的任何排斥设备中的张力、使用多个机械排斥设备(见图36)、更改磁结构行进路径的长度或各种更改的组合来调节悬挂系统。可以使用其它的悬挂系统，例如将发电机定向在电池内不同方向上的悬挂系统。悬挂系统126可以是用万向架固定的和/或可使用回转原理来定向发电机以便于能量到电能的最佳转换。可使用电池内具有不同定向的多个发电机且可使用多个电池配置。
在一些实施例中，可使用其它的发电机配置，如径向、旋转、塞贝克(Seebeck)、声、热或射频发电机。在一些实施例中，可使用其它的悬挂系统，诸如其中发电机104可相对于盒102运动以最大程度地利用各种可用形式的能量的悬挂系统。例如，发电机104可被配置为在电池盒102中旋转，以使其自身与运动的轴线对准。在另一示例中，悬挂系统126可被配置为允许线圈122相对于磁结构124运动。
图34是电池200的另一个实施例的直径横截面图，其中该电池包括盒202、发电机204、第一能量存储设备206、控制模块208、第二能量存储设备210、第三能量存储设备211和接触端子212及214。如图所示，剖开盒202以便于说明电池200的其它组件。盒202包含发电机204、第一能量存储设备206、控制模块208、第二能量存储设备210和第三能量存储设备211。接触端子212、214被分别安装在电池200的盒202的顶部216和底部218。盒202可包括外部盒屏蔽220，该屏蔽可以是磁屏蔽和/或电屏蔽。在一些实施例中，盒202和接触端子212、214可采用常规电池的那些盒与接触端子的配置，如AA-cell、AAA-cell、C-cell、D-cell、9-伏特电池、手表电池、起搏器电池、蜂窝式电话电池、计算机电池以及其它标准和非标准电池配置。电池200的实施例可被配置为提供期望的电压电平，如以上关于图33中示出的实施例所讨论的。例如，可通过改变线圈122的绕组(例如，见图36中的线圈402的绕组410)中的匝数来更改电压电平。
发电机204将接收到的能量转换成电能。如图所示，发电机204是一个线性发电机，其包括线圈222、磁结构224和悬挂系统226。例如，发电机204可如以上关于图33中示出的发电机104所述的那样操作。
第一能量存储设备206被配置为存储由发电机204产生的电能。在一个实施例中，第一能量存储设备206能够在很少的调节或不需调节的情况下存储由发电机204产生的电能。例如，第一能量存储设备206可包括一个或多个超级电容器。
控制模块208控制电池200的各个组件之间的能量传输，诸如发电机204、第一能量存储设备206、第二能量存储设备210、第三能量存储设备211和接触端子212及214。例如，控制模块208可控制被存储在第一能量存储设备206中的能量到第二能量存储设备210以及到第三能量存储设备211的传输。在一个实施例中，控制模块208还可控制从发电机204到第一能量存储设备206的能量传输。例如，控制模块208可限制从第一能量存储设备206流向第二能量存储设备210以及流向第三能量存储设备211的电流。在另一示例中，控制模块208可停止从第一能量存储设备206到第二能量存储设备210以及到第三能量存储设备211的能量传输，以避免过度充电第二能量存储设备210和第三能量存储设备211。在一个实施例中，控制模块208可被配置为检测、控制、允许和/或便于从与接触端子212、214耦合的外部电能源(未示出)对第一能量存储设备206、第二能量存储设备210和/或第三能量存储设备211充电。
控制模块208可按各种各样的方式实现。例如，控制模块可如以上对图33的控制模块108的描述中所述的那样来实现。
第二能量存储设备210和第三能量存储设备211被配置为在控制模块208的控制下存储从第一能量存储设备206传输的电能。例如，第二能量存储设备210和第三能量存储设备211可包括常规可再充电电池，诸如镍镉电池、镍金属氢化物电池、锂聚合物电池或锂离子电池、其它能量存储设备或各种能量存储设备的组合。第二和第三能量存储设备可耦合到控制模块208，例如独立地、以串联方式或以并联方式。如图所示，第二能量存储设备210和第三能量存储设备211是洗衣机(washer)形状的，悬挂系统226延伸到第二能量存储设备210和第三能量存储设备211的空心209、213中。如所示，第二能量存储设备210和第三能量存储设备211在第一接触端子212和第二接触端子214之间以串联方式连接且以串联方式连接到控制模块208。一些实施例可使用不同的金属以利用Seebeck效应。
接触端子212、214提供用于传输电能到电池200以及从电池200传输电能的通路。接触端子212、214可由任何导电材料制成，例如金属材料，诸如铜、用银或锡涂覆的铜、铝、金等。接触端子212、214耦合到第二能量存储设备210和第三能量存储设备211。第二能量存储设备210和第三能量存储设备211可按并联或串联方式耦合到接触端子。在一些实施例中，接触端子212、214可耦合到控制模块208，而不是直接耦合到第二能量存储设备210和第三能量存储设备211。如所示，接触端子212、214具有常规C-cell电池的接触端子的物理配置。如上所述，可使用其它的配置。接触端子212、214通常被配置为允许电池200可被容易地安装到外部设备中或从外部设备移除，如收音机、蜂窝式电话或定位系统。接触端子212、214可使用磁屏蔽。
作为电池200的运动的结果，能量可被存储在电池200中。例如，可按与以上关于图33所讨论的示例类似的方式将能量转换成存储的能量。
如上所述，在一些实施例中，可调节悬挂系统226以使从预期的动能源产生的电能最大化。
在一些实施例中，可使用其它的发电机配置，例如旋转发电机。在一些实施例中，可使用其它的悬挂系统，例如其中发电机204可相对于盒202运动以最大程度地利用可用动能的悬挂系统。例如，发电机204可被配置为在电池盒202中旋转，以使其自身与运动的轴线对准。在另一示例中，悬挂系统226可被配置为允许线圈222相对于磁结构224运动。
图35是电池300的另一个实施例的侧面截面图，该电池包括盒302、发电机304、第一能量存储设备306、控制模块308、第二能量存储设备310和接触端子312及314。电池300的配置与图33中示出的电池100的配置不同，但是电池300的操作通常与图33中示出的电池100的操作类似。接触端子312、314可由任何导电材料制成，例如金属材料，诸如铜、用银或锡涂覆的铜、铝、金等。在一些实施例中，接触端子312、314可被包含于连接器内，诸如塑料连接器。
图36是适于在例如图33到图35中示出的实施例中使用的发电机400的直径横截面图。其它的发电机和/或设备可用于图33到图35中示出的实施例中，例如图22-32中示出的实施例。发电机包括线圈402、被配置为产生压缩磁场的磁结构404(例如，见图15到图21)和悬挂系统406。悬挂系统406被配置为允许磁结构404在两个方向上都能完全通过线圈402。如图所示，发电机400是线性发电机。
线圈402包括圆柱形绕组架408和一个或多个绕组410。如所示，绕组架408与悬挂系统406的载具导轨409结合。如图所示，线圈402包括单个绕组410。绕组410可包括任何导电且基本上不导磁的材料，例如铜、铝、金和银以及合金。绕组410通常用绝缘材料411覆盖。在一些实施例中，可使用包括导磁和/或不导磁材料的附加绕组(例如，见图2-11)。例如，绕组410可以是固体材料或可由绞合线组成。在一些实施例中可使用材料薄片。例如，可在绕组架408的周围缠绕包括铜层和层的薄片。
磁结构404包括多个被包含在圆柱形磁体外壳418内的永磁体412、414、416。尽管示出的实施例使用三个永磁体412、414、416，但是发电机400的其它实施例可使用不同数量的永磁体，诸如两个永磁体、四个永磁体或几百个永磁体。所示出的永磁体412、414、416是盘状的，但是可使用其它的形状。例如，可使用矩形的(例如，正方形)、球形的或者椭圆形的磁体。类似地，磁体的面不需要是平坦的。例如，可使用凸起的、凹入的、放射状的、锥形的或者菱形的面。可使用形状和面的各种组合。在一些实施例中，可使用电磁体。磁体外壳418的内部420和永磁体412、414、416的外部422、424、426是带螺纹的，使得永磁体412、414、416可在磁体外壳418内相对彼此固定。可使用其它的定位机构，诸如抽头、隔离件、胶或定位机构的组合。
安置磁体412、414、416并使其彼此分开，将这些磁体安排为使得相邻永磁体中的相同极性的极相互面对。例如，第一永磁体412的N极428面对第二永磁体414的N极430，且第二永磁体414的S极432面对第三永磁体416的S极434。另外，保持磁体412、414、416靠得足够近以形成压缩磁场(见图15和图16的讨论)。在一些实施例中，永磁体412、414、416之间的空间436、438基本上用材料437填充，该材料可包括诸如空气之类的气体。在一些实施例中，材料437可包括其它实质上非磁性且实质上非传导的物质，诸如含氟聚合物树脂或塑料。在一些实施例中，磁结构可被抽空并密封。
如上所述，诸如磁结构404之类的磁结构中的永磁体的形状、位置和强度可通过产生压缩磁场来提高发电机400的效率。从第一永磁体412的顶部442到第三永磁体416的底部444的长度440与绕组架408的内径448的长度446的比率也影响响应于磁结构404相对于线圈402的运动而产生的电流。可使用高斯计(未示出)确定永磁体412、414、416的最佳强度和位置以及永磁体的数量和长度440。
也可考虑其它设计因素，诸如重量和减小电磁场的外部影响以及来自外部电磁场的影响。在附加设计因素的另一个示例中，绕组架408的全长450和悬挂系统中的磁结构404的运动范围可影响发电机400的稳定性。在一个实验性实施例中，第一磁体412和第三磁体416的强度为450高斯，第二磁体的强度为900高斯，且永磁体412、414、416以2mm分隔开。确定期望间距的因素包括磁性B-场强度。排斥磁体460、462的强度均为600高斯。在另一实验性实施例中，第一磁体412、第二磁体414和第三磁体416的强度为12600高斯，且永磁体412、414、416以4-5mm分隔开。排斥磁体460、462的强度均为9906高斯。这产生强度约为16800高斯的高梯度磁场。
载具导轨409的内部452和磁体外壳418的外部454可由不同材料制成或覆盖以减小绕组架408与磁体外壳418之间粘附的可能性。例如，载具导轨409可用不粘附的涂层覆盖，而磁体外壳418可由ABS塑料制成。可得到的示例不同材料可以分别是Teflon和Lexan商标的材料。磁外壳418还包括第一螺纹端帽456和第二螺纹端帽458。
悬挂系统406包括第一排斥永磁体460和第二排斥永磁体462，它们相对于线圈402固定在磁结构404的运动轴线464上。安置第一排斥磁体460使得第一排斥磁体460的同极与磁结构404中最近的永磁体412的同极面对。如所示，第一排斥磁体460的S极466面对磁结构404的第一永磁体412的S极468。类似地，安置第二排斥磁体462使得第二排斥磁体462的同极与磁结构404中最近的永磁体416的同极面对。如所示，第二排斥磁体462的N极470面对磁结构404的第三永磁体416的N极472。这种安排提高了发电机将动能转换成电能的效率且减小了磁结构404在悬挂系统406中失速的可能性。
悬挂系统406还包括第一弹簧474、第二弹簧476、第三弹簧478和第四弹簧480。第一弹簧474耦合到第一排斥磁体460并耦合到磁结构404的第一帽456。第一弹簧474通常处于负载状态。第二弹簧476耦合到第二排斥磁体462并耦合到磁结构404的第二端帽458。第二弹簧476通常处于负载状态。第一弹簧474和第二弹簧476帮助将磁结构404固定为沿着轴线464的期望运动路径为中心，并在它们因磁结构404沿着运动轴线464的运动而被压缩或拉伸时将力传递到磁结构404。第三弹簧478耦合到第一排斥磁体460并响应于在磁结构404接近第一排斥磁体460时由磁结构404施加的压缩力而将排斥力传递到磁结构404上。第四弹簧480耦合到第二排斥磁体462并响应于在磁结构404接近第二排斥磁体462时由磁结构404施加的压缩力而将排斥力传递到磁结构404上。可调节弹簧474、476、478、480以提高特定应用和可能的环境中的发电机的效率，如以上在图33的描述中所更详细地讨论的那样。该调节可实验性地做出。一些实施例可不使用弹簧、使用较少的弹簧或使用较多的弹簧。例如，在一些实施例中，可省略弹簧478和480。
图37是示出响应于诸如图33到图35的实施例中示出的电池100、200、300之类的便携式能量存储设备的运动而给该设备充电的方法1500的一个实施例的高级流程图。为方便起见，将关于图33中示出的电池100来描述方法1500。
方法1500于1502开始并进行到1504。在1504，电池100接收作为电池100运动的结果的能量。方法1500进行到1506。在1506，电池100将该能量转换成磁结构相对于电池100内的线圈的运动。磁结构穿过线圈的前后运动产生交流电信号。磁结构可被配置为产生压缩磁场(例如，见图15到图21和图36)。线圈可包括导电绕组和导磁绕组(例如，见图2到图11)。方法1500从1506进行到1508。在1508，电池100对由磁结构相对于线圈的运动所产生的交流电信号进行整流。方法进行到1510。在1510，电池100将来自整流交流电信号的电能存储在电池100内的第一能量存储设备中。方法1500从1510进行到1512。在1512，电池100控制被存储在第一能量存储设备中的能量到电池100内的第二能量存储设备的传输。方法1500从1512进行到1514，方法1500在此停止。
给便携式能量存储设备充电的方法的实施例可执行图37中未示出的其它动作，可不执行图37中示出的所有动作，可组合图37中示出的动作，或者可按不同的顺序执行图37的动作。例如，可修改图37中示出的方法1500的实施例以在将能量从第一能量存储设备传输到第二能量存储设备之前检查条件是否适于给第二能量存储设备充电。
图38是示出响应于向诸如图33到图35的实施例中示出的电池100、200、300之类的便携式能量存储设备提供负载或充电信号而操作该设备的方法1600的一个实施例的高级流程图。为方便起见，将关于图33中示出的电池100来描述方法1600。
方法1600于1602开始并进行到1604。在1604，电池100确定是否正向电池100提供负载。例如，这可通过使用分立电路来完成。当在1604确定正在向电池100提供负载时，方法从1604进行到1606。当在1604确定没有正在向电池100提供负载时，方法1600从1604进行到1620。
在1606，电池100确定是否调节来自发电机的能量并将调节后的能量提供给负载。例如，可通过确定由发电机正在产生的能量是否足以驱动该负载来做出该确定。也可在该确定中考虑其它因素，例如负载历史、电池100中的能量存储设备的充电和放电周期。分立电路和/或查找表可用于确定将调节后的能量从发电机提供到负载。当在1606确定调节来自发电机的能量并将调节后的能量提供给负载时，方法1600从1606进行到1608。当在1606确定不将调节后的能量从发电机提供给负载时，方法1600从1606进行到1610。在1608，电池100将来自发电机的调节后的能量传输给负载。方法1600从1608进行到1604。
在1610，电池100确定是否将能量从第一能量存储设备传输到负载。例如，可通过确定第一能量存储设备中存储的能量是否足以驱动该负载来做出该确定。也可在该确定中考虑其它因素，例如负载历史、电池100中的能量存储设备的充电和放电周期。分立电路和/或查找表可用于确定是否将存储在第一能量存储设备中的能量提供到负载。当在1610确定将存储在第一能量存储设备中的能量提供到负载时，方法1600从1610进行到1612。当在1610确定不将存储在第一能量存储设备中的能量传输到负载时，方法1600从1610进行到1614。在1612，电池100将存储在第一能量存储设备中的能量传输到负载。方法1600从1612进行到1604。
在1614，电池100确定是否将能量从第二能量存储设备传输到负载。例如，可通过确定第二能量存储设备中存储的能量是否足以驱动该负载来做出该确定。也可在该确定中考虑其它因素，例如负载历史、电池100中的能量存储设备的充电和放电周期。分立电路和/或查找表可用于确定是否将存储在第二能量存储设备中的能量提供到负载。当在1614确定将存储在第二能量存储设备中的能量提供到负载时，方法1600从1614进行到1616。当在1614确定不将存储在第二能量存储设备中的能量传输到负载时，方法1600从1614进行到1618。在1616，电池100将存储在第二能量存储设备中的能量传输到负载。方法1600从1616进行到1604。
在1618，执行对负载状态的出错处理和/或安全处理。例如，电池100可禁止能量从该电池向外传输直至该电池已被再充电(通过来自发电机的能量或通过外部能量源)。方法1600从1618进行到1604。
在1620，电池100确定是否正在向电池100提供充电信号。例如，这可通过使用分立电路来完成。当在1620确定正在向电池100提供充电信号时，方法从1620进行到1622。当在1620确定没有正在向电池100提供充电信号时，方法1600从1620进行到1604。
在1622，电池100确定是否给第一能量存储设备充电。可基于各种因素做出该确定，例如充电信号的特性、存储在能量存储设备中的能量、电池100中的能量存储设备的充电和放电周期。分立电路和/或查找表可用于确定是否利用充电信号中的能量给第一能量存储设备充电。当在1622确定给第一能量存储设备充电时，方法1600从1622进行到1624。当在1622确定不给第一能量存储设备充电时，方法1600从1622进行到1626。在1624，电池100利用来自接收到的充电信号的能量给第一能量存储设备充电。方法1600从1624进行到1604。
在1626，电池100确定是否给第二能量存储设备充电。可基于各种因素做出该确定，例如充电信号的特性、存储在能量存储设备中的能量、电池100中的能量存储设备的充电和放电周期。分立电路和/或查找表可用于确定是否利用充电信号中的能量给第二能量存储设备充电。当在1626确定给第二能量存储设备充电时，方法1600从1626进行到1628。当在1626确定不给第二能量存储设备充电时，方法1600从1626进行到1630。在1628，电池100利用来自接收到的充电信号的能量给第二能量存储设备充电。方法1600从1628进行到1604。
在1630，执行负载出错处理。例如，电池100可临时禁止给能量存储设备充电。方法1600从1630进行到1604。
操作便携式能量存储设备的方法的实施例可执行图38中未示出的其它动作，可不执行图38中示出的所有动作，可组合图38中示出的动作，或者可按不同的顺序执行图38的动作。例如，可修改图38中示出的方法1600的实施例以从不止一个能量存储设备提供能量到负载。在另一示例中，可修改图38中示出的方法1600的实施例以给能量存储设备充电并同时向负载提供能量。
在另一示例应用中，使用双金属线圈的设备、被配置为产生压缩磁场的磁结构和/或本发明的其它方面可有利地用于将诸如水波或海水波之类的流体波转换成电能。这是一种潜在的环境友好的、可再生的能源。例如，诸如Kelly的美国专利No.6864592中公开的用于将海浪运动能量转换成电能的装置，该装置包括一个或多个浮子(float)驱动线性发电机，其中浮子的惯性质量以及到线性发电机的任何连接都被最小化，该装置可根据本发明来修改。发电机的运动部件按一定大小制作，使得其作用于浮子上的重力连同浮子自身和任何中间连接的重力基本上等于浮子总浮力的一半。在无风的情况下，浮子可以一半在水下，另一半在水上。在波浪上升期间在波浪的面前，大致等于由浮子排出的水的重量的一半的向上的推力被传递到发电机。在波浪落下时，归因于重力的等于装置总重量的向下的推力被传递到发电机。因而，在波浪通过期间线性发电机经历了大致连续的向上和向下的推力，并且在这两个阶段期间实现了连续的功率产生。可有利地修改Kelly的设备使其结合双金属线圈和/或被配置为产生压缩磁场的磁结构以提高其效率。
公开将海浪转换成电能的另一专利是Woodbridge的美国专利No.6791205，其通过引用结合于此。该专利公开了一种刚性地附着于海洋浮标底面的往复式发电机，其由海洋涌产生电能。发电机线圈保持在海洋表面之下的稳定位置上，而浮标响应于其与海洋涌及海洋表面上的波浪的相互作用而垂直地运动，磁场外壳则随着浮标的垂直运动而往复运动。附着于发电机线圈的阻尼片阻止发电机线圈的运动，从而使其保持在相对于磁外壳的运动的稳定位置。磁外壳集中磁场使其穿过发电机线圈，且磁外壳和发电机线圈之间的相对运动在线圈中产生电动势。在另一示例中，可根据本发明有利地修改Woodbridge的装置以提高其效率。
在一些实施例中，如图39所示，发电机200用于集装箱350中。集装箱的安全越来越受到关注。如果功率可用，则可执行爆炸物的伽马检测、载人(humancargo)的红外检测或其它监测。通过在集装箱350之中或之上支承发电机200或300，线性发电机可从归因于波浪作用的船360的运动产生能量，且该能量可用于向各种监测或检测系统供电。例如，发电机200或300可被安排为捕捉左右摇动或上下运动。
在另一示例中，图40示出水波到电能的发电设施400的仅仅一个示例，其包括多个上述类型的发电机402。设施400包括与发电机402耦合的桨或连接412。在一个实施例中，发电机402与上述的线性发电机相似，且桨412耦合到发电机200的底部214或发电机300的底部338。发电机402被安排为由水波推动，且使发电机402的线圈或磁体相对于该水波运动。在一些实施例中，支承发电机402在水面上漂浮，而不使用链接。
设施400还包括一个或多个与发电机402的绕组或线圈耦合的整流回路或电路404。整流电路404将发电机402的绕组或线圈中产生的AC电流转换成DC电流。发电机的绕组或线圈可包括双金属线圈。
在图40的实施例中，设施400还包括与整流电路404耦合的功率存储设备406，其用于积累并存储由绕组或线圈产生的功率。功率存储设备406可以是或包括一个或多个电池、电容器、电池和电容器的组合或者其它类型的功率存储设备。功率存储设备包括充电调节器以向电池、电容器或其它能量存储设备提供合适的电流和电压。
在图40的实施例中，设施400还包括与功率存储设备406耦合的反相器408，其被配置为向配电系统或网提供交流电。在示出的实施例中，反相器经由变压器410耦合到电力网。包括一个或多个用于将水波转换成电功率(AC或DC)的发电机的其它实施例是可能的。
其它应用是可能的，诸如生物活动系统、寄生功率采集、诸如自供电安全和智能收集设备之类的自供电设备。例如，在一个实施例中，此处所述的发电机被包括于鞋子中，以通过走动发电。该电力可用于供给任何种类的电子设备。
例如，安装在鞋子上的设备包括如上所述的发电机，该发电机被安装在鞋跟之中或之上，使得每次鞋跟碰撞地面时，该碰撞引起线圈相对于磁体的运动。安装在鞋子上的设备还包括与发电机的线圈耦合的整流电路(例如，全波整流器)，以及诸如与整流电路的输出端耦合的电容器或电池之类的功率存储设备。电压调节器可被包括在内以向存储设备提供合适的电流和电压。
例如，图41示出生物活动设备500的仅仅一个示例，其包括以上结合图22-32所述类型的发电机502。在一些实施例中，发电机502被安装在鞋跟中或人身上的其它地方，从而走路的动作使磁体相对于发电机502的线圈运动。
设备500还包括与发电机502的绕组或线圈耦合的整流回路或整流电路504。整流电路504将发电机502的绕组或线圈中产生的AC电流转换成DC电流。
在图41的实施例中，设备500还包括与整流电路504耦合的功率存储设备506，其用于积累并存储由绕组或线圈产生的功率。功率存储设备506可以是或包括一个或多个电池、电容器、电池和电容器的组合或者其它类型的功率存储设备。
在图41的实施例中，设备500还包括与功率存储设备506耦合的电压调节器508，其被配置为向人身上携带的电子设备提供稳定的输出电压。其它实施例是可能的。
图42示出系统100的一个实施例，其用万向架固定以便于将可用能量转换成电能。系统100包括发电机102，例如图22到图32中示出的一个或多个发电机，该发电机由支承结构104支承，支承结构104便于将发电机102定位在期望位置。在一些实施例中，支承结构104可使用回转技术。
图43示出包括与支承结构108耦合的多个发电机102、104、106的系统100。第一发电机102耦合到支承结构108以便沿X轴110定向。第二发电机104耦合到支承结构108以便沿Y轴112定向。第三发电机106耦合到支承结构108以便沿Z轴114定向。
图44示出衣服制品100，其包括：电池102的实施例，诸如图33到图35中示出的电池实施例之一；发电机104的实施例，诸如图22到图32中示出的发电机之一；太阳能收集器106；以及射频能量收集器108，包括天线系统110和整流器112。衣服制品100还包括将各种组件耦合在一起的总线系统114和将总线系统114耦合到电池102的耦合器116。耦合器116可被配置为调节或合并从发电机104、太阳能收集器106和/或射频能量收集器108接收的电能，或者将连接118切换到电池以连接到衣服制品的其它组件中的一个或多个，诸如发电机104。耦合器116还可被配置为允许到外部负载和/或能量源的连接。如所示，衣服制品100是衬衣，但是其它的实施例可包括其它的衣服制品。电池102、发电机104、太阳能收集器106、射频能量收集器108、总线系统114、耦合器116和连接118可集成到衣服制品中、可移除地与衣服制品耦合或者以上的各种组合。例如，天线系统110和总线系统114可被集成到衬衣的织物中，而电池102对于衬衣是可耦合的。在另一示例中，按钮122也可包括太阳能收集器106。一些实施例可以不包括示出的所有组件。例如，一个实施例可包括电池102和天线系统110。在一些实施例中，电池中的控制模块(见图34中的控制模块208)可以控制由电池102经由总线系统114接收到的能量在电池102中的存储。
图45是根据一个实施例的系统100的一个实施例的侧面截面图。系统100包括转子102和定子106，转子102包括被配置为产生压缩磁场的磁结构104，定子106包括一个或多个双金属线圈108，其中线圈108包括导电元件110和导磁元件112。图46是图45的转子102沿线46-46取得的俯视横截面图。磁结构104包括多个磁体114，这些磁体被保持以一定的距离间隔开且其同极相互面对，以便产生压缩磁场。
尽管在此描述线圈、磁结构、设备、发电机/马达、电池、控制模块、能量存储设备的具体实施例及示例和产生并存储能量的方法是为了说明的目的，但是可做出各种等效修改而不背离本发明的精神和范围，如相关领域的技术人员将认识到的。可组合上述各种实施例以提供更多的实施例。
可根据以上详细描述对本发明做出这些及其它的改变。通常，在所附权利要求书中，所用的术语不应被解释为将本发明限于说明书和权利要求书中公开的特定实施例。因此，本发明并不受本公开的限制，相反地，其范围应完全由所附权利要求确定。