BR112013000449B1

BR112013000449B1 - Dispositivo para gerar energia elétrica de uma fonte de ar ou outro gás ou fluido sob pressão

Info

Publication number: BR112013000449B1
Application number: BR112013000449-5A
Authority: BR
Inventors: Michele Focchi; Emanuele Guglielmino; Gianluca Pane; Stefano Cordasco; Carlo Tacchino; Darwin G. Caldwell
Original assignee: Fondazione Istituto Italiano Di Tecnologia
Priority date: 2010-07-06
Filing date: 2011-07-05
Publication date: 2020-12-15
Also published as: US20130099501A1; RU2013104542A; CN103004061A; BR112013000449A2; CN103004061B; EP2591541B1; WO2012004738A1; IT1400875B1; KR101847666B1; ITTO20100578A1; US8957540B2; KR20130127419A; RU2567376C2; JP2013531964A; EP2591541A1

Abstract

dispositivo para gerar energia elétrica de uma fonte de ar ou outro gás ou fluido sob pressão o dispositivo (10) compreende uma turbina (22, 34) tendo um impulsor (22), e um gerador elétrico (12, 24) tendo um estator (12) dotado de enrolamentos de estator distribuídos em torno de uma superfície cilíndrica (x) coaxial ao impulsor (22), e um imã permanente (24) que é giratório em relação ao estator (12) e é conectado acionadamente para rotação com o impulsor (22). o impulsor (22) é alojado dentro do imã permanente (24) e o conjunto formado pelo impulsor (22) e pelo imã permanente (24) é alojado dentro do estator (12). o imã permanente (24) é feito como um corpo cilíndrico oco único de material de densidade magnética elevada com magnetização diametral.

Description

A presente invenção refere-se a um dispositivo para gerar energia elétrica de uma fonte de ar ou outro gás ou fluido sob pressão.

Dispositivos para gerar energia elétrica de baixa voltagem (tipicamente, em 24V) utilizando a energia fornecida por uma fonte de ar sob pressão são atualmente disponíveis no mercado. Tais dispositivos compreendem basicamente um gerador elétrico, uma micro- turbina radial acoplada para rotação ao rotor do gerador elétrico e um bocal através do qual o ar sob pressão fornecido por uma fonte de ar sob pressão é dirigido contra as pás da mi- cro-turbina de modo a acionar a micro-turbina em rotação, juntamente com o rotor do gerador elétrico, desse modo produzindo energia elétrica a partir da pressão e energia cinética do fluxo de ar sob pressão. Tais dispositivos compreendem ainda uma unidade de controle eletrônico disposta para assegurar uma voltagem de saída constante independentemente de alterações na carga elétrica conectada ao dispositivo e na pressão do ar sob pressão fornecido ao dispositivo. O arranjo da micro-turbina em série com o gerador elétrico torna o dispositivo bem volumoso, em particular na direção axial (isto é, na direção do eixo geométrico de rotação da micro-turbina e do rotor do gerador elétrico).

Um gerador elétrico para uma ferramenta de ar é conhecido da US2005/0258694 e compreende um rotor dotado de pás e um estator anular axialmente disposto entre o rotor e um mancai para suporte do rotor, em que o rotor tem, em sua face extrema axialmente vol-tada em direção ao estator, uma pluralidade de cavidades cilíndricas que estendem paralelas ao eixo geométrico do rotor e acomodam cada, um corpo magnético permanente respectivo (feito, por exemplo, de neodímio-ferro-boro) de formato cilíndrico inserido em um corpo não magnético respectivo (feito, por exemplo, de zinco, alumínio ou latão) de formato semelhante a copo. Essa solução conhecida é, entretanto, também afetada pela desvantagem do tamanho axial grande, uma vez que o estator é disposto axialmente no lado do rotor. Além disso, esse gerador elétrico conhecido tem um número elevado de componentes.

Um dispositivo para gerar energia elétrica de uma fonte de ar ou outro gás ou fluido sob pressão tendo as características expostas no preâmbulo da reivindicação independente 1, em anexo, é conhecido da US2009/0224544. De acordo com essa solução conhecida, o dispositivo compreende uma pluralidade de ímãs permanentes montados na superfície externa de uma estrutura de suporte cilíndrica dentro da qual o impulsor da turbina é inserido. Os ímãs permanentes são anisotrópicos e têm um eixo geométrico de magnetização fixo, pelo que podem somente gerar um campo magnético radial. Cada par de ímãs permanentes cria, portanto, dois pólos e, por conseguinte o dispositivo terá um número de pares de pólos proporcional ao número de ímãs permanentes. Uma vez que a freqüência da corrente elétrica produzida é proporcional à velocidade rotacional e ao número de pares de pólos e uma vez que uma freqüência elevada da corrente pode causar perdas elevadas de histerese e perdas elevadas nos díodos da ponte de retificador, tal dispositivo conhecido, portanto não é apropriado para trabalhar em alta velocidade.

Portanto, é um objetivo da presente invenção fornecer um dispositivo para gerar energia elétrica de uma fonte de ar ou outro gás ou fluido sob pressão que é pequeno, que tenha um número mínimo de componentes e que seja capaz de trabalhar com uma velocidade rotacional elevada do impulsor.

Esse e outros objetivos são totalmente obtidos de acordo com a presente invenção em virtude de um dispositivo para gerar energia elétrica de uma fonte de ar ou outro gás ou fluido sob pressão tendo as características expostas na porção de caracterização da reivindicação independente 1.

Modalidades preferidas de um dispositivo para gerar energia elétrica de uma fonte de ar ou outro gás ou fluido sob pressão de acordo com a presente invenção formam a matéria das reivindicações dependentes, cujo teor é pretendido como parte integral e integrante da presente descrição.

Em resumo, a invenção se baseia na idéia de fornecer um dispositivo para gerar energia elétrica de uma fonte de ar ou outro gás ou fluido sob pressão, compreendendo um estator e um toro, em que o estator compreende, por sua vez, um arranjo de enrolamento em torno de uma superfície cilíndrica e em que o rotor é montado dentro do estator coaxialmente ao mesmo e compreende, por sua vez, um impulsor feito como um impulsor de uma turbina axial e um ímã permanente feito como um corpo cilíndrico oco único de material de densidade magnética elevada com magnetização diametral, dentro do qual o impulsor é recebido. Uma vez que o impulsor é recebido dentro de um ímã permanente feito como um corpo cilíndrico oco e uma vez que o conjunto formado pelo impulsor e pelo ímã permanente é, por sua vez, recebido em um estator tendo uma cavidade cilíndrica interna, um dispositivo é fornecido o qual tem ao mesmo tempo um tamanho axial reduzido e um número mínimo de componentes. Além disso, uma vez que um ímã permanente único no formato de um corpo cilíndrico oco com magnetização diametral é utilizado, o número mínimo de pares de pólo (um par de pólos somente) é obtido e o conjunto formado pelo impulsor e pelo ímã permanente pode atingir, portanto, velocidades rotacionais elevadas sem incorrer nas perdas elevadas acima mencionadas.

Preferivelmente, o impulsor é feito como um impulsor de uma turbina de impulso axial embora outros tipos de turbinas poderiam ser previstas dependendo das aplicações específicas.

Preferivelmente, o dispositivo pode ser dotado de discos de formato adequado de modo a abrir ou fechar canais de entrada de ar e permitir ajustar a taxa de fluxo de ar, e consequentemente a energia gerada pelo dispositivo.

Um dispositivo para gerar energia elétrica de acordo com a presente invenção permite fornecer energia elétrica sem necessidade de cabos de fornecimento e é, portanto, apropriado para ser utilizado, por exemplo, para fornecer sensores ou outros dispositivos em áreas remotas ou áreas que são difíceis de serem atingidas, como áreas sob risco de explosão (por exemplo, refinarias), fornecer nodos de transmissão/recepção sem fio, fornecer controladores de lógica programáveis de unidades automáticas portáteis, ou novamente fornecer válvulas pneumáticas de energia baixa. Um campo de aplicação possível adicional é, por exemplo, iluminação de emergência: um reservatório de ar sob pressão com uma válvula de descarga normalmente aberta, que é mantida fechada por um solenoide fornecido, no caso de blecaute assegura fornecimento de ar sob pressão ao dispositivo gerador, que pode desse modo fornecer uma fonte de luz (por exemplo, LEDs de alta intensidade). Um dispositivo para gerar energia elétrica de acordo com a presente invenção também pode ser utilizado para ativar um display ou luzes auxiliares em ferramentas manuais ou pneumáticas pequenas ou novamente fornecer alarmes ópticos ou acústicos para dispositivos pneumáticos.

Aspectos e vantagens adicionais da presente invenção se tornarão evidentes a partir da seguinte descrição detalhada, dada puramente como exemplo não limitador com referência aos desenhos apensos, nos quais:

A figura 1 é uma vista em seção axial de um dispositivo para gerar energia elétrica de uma fonte de ar sob pressão de acordo com uma modalidade preferida da presente invenção;

A figura 2 é uma vista em perspectiva do impulsor do rotor do dispositivo da figura 1;

A figura 3 é uma vista em perspectiva do distribuidor do dispositivo da figura 1; e

As figuras 4 e 5 são uma vista em elevação frontal e uma vista em seção axial, res-pectivamente, do disco de saída do dispositivo da figura 1.

Na descrição a seguir e nas reivindicações, os termos “axial” e “radial” são utilizados para indicar uma direção paralela e uma direção perpendicular ao eixo geométrico de rotação do rotor do dispositivo gerador de energia elétrica, respectivamente.

Com referência à figura 1, um dispositivo para gerar energia elétrica (a seguir men-cionado simplesmente como “dispositivo”) de acordo com uma modalidade preferida da pre-sente invenção é genericamente indicado em 10 e compreende basicamente:

Um estator 12 do tipo conhecido por si, consistindo em um arranjo de enrolamento de estator em torno de uma superfície cilíndrica oca do eixo geométrico X;

Um rotor 14 giratoriamente montado dentro do estator 12 coaxialmente ao mesmo;

Um corpo de entrada 16 que é disposto à montante do conjunto formado pelo estator 12 e pelo rotor 14 e é dotado de uma conexão de entrada 18 (somente parcialmente mostrada) para conexão a uma fonte de ar ou outro gás ou fluido sob pressão (não mostrado); e

Um corpo de saída 20 disposto à jusante do conjunto formado pelo estator 12 e pelo rotor 14.

O rotor 14 compreende, por sua vez, um impulsor 22, que na modalidade ilustrada é feito como um impulsor de uma turbina axial, e um ímã permanente 24, que é feito como um corpo cilíndrico oco único dentro do qual o impulsor 22 é recebido. O impulsor 22 e o ímã permanente 24 são rigidamente conectados entre si, vantajosamente por encaixe por interferência, de modo a girar como um corpo único. O impulsor 22 é feito, por exemplo, de material magnético, de metais não magnéticos ou ligas ou novamente de material plástico. O impulsor 22 pode ser observado melhor na vista em perspectiva da figura 2, a partir da qual em particular o formato das pás 26 e dos canais 28 definidos entre as mesmas pode ser percebido. O impulsor 22 também é dotado de um eixo 30 por meio do qual é giratoria- mente montado no estator 12 em torno do eixo geométrico X. O ímã permanente 24, que forma com o estator 12 um gerador elétrico, é vantajosamente feito de um material magnético com densidade magnética elevada, como neodímio-ferro-boro, samário-cobalto ou similar. O material do ímã permanente 24 será escolhido caso a caso dependendo também de outros parâmetros, como, por exemplo, a temperatura de uso e a resistência mecânica. O ímã permanente 24 é diametralmente magnetizado. Preferivelmente, o rotor 14 compreende ainda uma luva 32 de material compósito, em particular de fibra de carbono, que encerra o ímã permanente 24 e serve para aumentar a resistência mecânica desse último, que em uso é submetido tanto a tensões devido a forças centrífugas como a tensões devido à diferença entre a expansão térmica do material do impulsor 22 e aquela do material do ímã permanente 24.

Um distribuidor 34 é recebido no corpo de entrada 16, na extremidade axialmente voltada em direção ao impulsor 22, e forma com o impulsor 22 uma turbina axial, preferivel-mente uma turbina de impulso axial. O distribuidor 34 pode ser observado melhor na vista em perspectiva da figura 3, a partir da qual em particular o formato das pás 36 e dos canais 38 definidos entre as mesmas pode ser percebido. Na face do distribuidor 34 axialmente voltada para o impulsor 22 uma cavidade cilíndrica 40 é fornecida, que recebe um mancai de rolamento 42 (feito, por exemplo, como um mancai esférico radial) que sustenta a extre-midade do lado de entrada do eixo 30 do impulsor 22. Alternativamente, no caso de condições específicas de uso, como velocidades rotacionais muito elevadas, tempos operacionais sem parada longos, etc., outros tipos de mancais, por exemplo, mancais de gás ou mancais magnéticos, podem ser utilizados. Uma câmara de equilíbrio de pressão 44 é definida pelo corpo de entrada 16 entre a conexão de entrada 18 e o distribuidor 34.

Um disco de saída 46 é recebido no corpo de saída 20 na extremidade voltada axi- almente em direção ao impulsor 22 e tem uma pluralidade de aberturas 48 através das quais o ar que vem do impulsor 22 é descarregado na atmosfera. O disco de saída 46 é ilustrado, tanto em seção axial como em elevação frontal, nas figuras 4 e 5. Uma cavidade cilíndrica 50 é fornecida na face do disco de saída 46 axialmente voltado em direção ao impulsor 22 e recebe um mancai de rolamento 52 (em particular, um mancai capaz de resistir a cargas tanto radial como axial, como por exemplo, um mancai esférico obliquo ou um dos outros tipos de mancais mencionados acima) que sustenta a extremidade do lado de saída do eixo 30 do impulsor 22. Discos de formato apropriadamente especiais (não mostrados) podem ser inseridos à montante do distribuidor 34 para ajustar a taxa de fluxo do ar de entrada (ou outro gás ou fluido).

Na modalidade ilustrada, o corpo de entrada 16 e o corpo de saída 20 são feitos como peças separadas que são dispostas em lados axialmente opostos do estator 12 e são fixados entre si (por exemplo, por parafusos).

A operação do dispositivo 10 será brevemente ilustrada abaixo. O ar sob pressão produzido pela fonte de ar sob pressão em uma pressão compreendida, por exemplo, entre 2 e 4 bar, entra na câmara de equilíbrio de pressão 44 do corpo de entrada 16 do dispositivo 10 através da conexão de entrada 18. A esse respeito, a câmara de equilíbrio de pressão 44 serve para assegurar uma pressão constante à montante da turbina axial. O ar é então acelerado através dos canais 38 do distribuidor 34 até atingir a velocidade do som na entrada dos canais 28 do impulsor 22, entrar então no impulsor 22 acelerando o mesmo até uma velocidade rotacional de 100.000 + 200.000 rpm, e é finalmente descarregado na atmosfera através das aberturas 48 do disco de saída 46. O ímã permanente 24, que é conectado acionadamente para rotação com o impulsor 22, é desse modo também colocado em rotação e gera um fluxo magnético giratório que induz forças eletromotrizes nos enrolamentos de estator do estator 12.

As forças eletromotrizes assim induzidas serão retificadas por uma ponte de diodo e adequadamente estabilizadas por meio de um conversor CC-CC independentemente de alterações na pressão de fornecimento e na carga. O conversor é alojado em um painel de circuito impresso, que pode fornecer preferivelmente funções auxiliares, como, por exemplo, proteção contra velocidade em excesso ou voltagem em excesso, entradas analógicas para leitura de sinais de sensor, armazenagem dos dados detectados, módulo sem fio integrado de baixo consumo para enviar os dados para uma unidade remota, etc. o conversor é ade-quadamente projetado para aceitar entrada de uma ampla gama de voltagens (por exemplo, de 0 a 30 V), à medida que a voltagem que é produzida muda dependendo da velocidade rotacional da turbina, que muda por sua vez dependendo da pressão de entrada e da carga. Esse conversor também serve para fornecer os componentes elétricos internos. Um segundo conversor CC-CC produz uma voltagem industrial de 24 V a partir da voltagem estabili-zada do primeiro conversor para fornecer a carga de usuário (por exemplo, um sensor).

Uma válvula de ajuste, preferivelmente uma válvula passiva, pode ser fornecida a montante do dispositivo para ajustar a pressão do ar de admissão no valor ótimo para o ren-dimento da turbina.

Como resultado da descrição anterior, o dispositivo de acordo com a invenção tem um número mínimo de componentes, tamanhos compactos e rendimento elevado. Com relação a esse último aspecto, a integração do impulsor da turbina e do rotor do gerador elétrico em um componente único permite eliminar as perdas devido ao acoplamento mecânico desses componentes.

Além disso, como já mencionado acima, o uso de discos de furo especial atuando como elementos de restrição permite ajustar a energia elétrica produzida pelo dispositivo. O dispositivo pode ser desse modo projetado para aplicações que exigem energia elevada por um curto tempo (por exemplo, alarmes, sinais de falha, etc.) ou para aplicações que exigem baixa energia por um tempo longo (por exemplo, sensores, dispositivos de monitoramento, etc.).

Naturalmente, o princípio da invenção permanecendo inalterado, as modalidades e os detalhes de construção podem variar amplamente a partir daqueles descritos e ilustrados puramente como exemplo não limitador, sem desse modo se afastar do escopo da invenção como definido nas reivindicações apensas.

Por exemplo, embora a invenção tenha sido descrita e ilustrada com referência a uma turbina feita como uma turbina de impulso axial, a turbina pode ser de tipo diferente dependendo das aplicações específicas.

Claims

1. Dispositivo (10) para gerar energia elétrica de uma fonte de ar ou outro gás ou fluido sob pressão, compreendendo Uma turbina (22, 34) tendo um impulsor (22), e Um gerador elétrico (12, 24) tendo um estator (12) dotado de enrolamentos de estator distribuídos em torno de uma superfície cilíndrica (X) coaxial com o impulsor (22), e um ímã permanente (24) que é giratório em relação ao estator (12) e é conectado de forma acionada para rotação com o impulsor (22), Em que o impulsor (22) é alojado dentro do ímã permanente (24) e em que o conjunto formado pelo impulsor (22) e pelo ímã permanente (24) é alojado dentro do estator (12), CARACTERIZADO pelo fato de que o ímã permanente (24) é feito como um corpo cilíndrico oco, único, de material de densidade magnética elevada com magnetização dia-metral.

2. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a turbina (22, 34) é uma turbina axial.

3. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1 ou reivindicação 2, CARACTERIZADO pelo fato de que o impulsor (22) e o ímã permanente (24) são conecta-dos entre si por encaixe por interferência.

4. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda uma luva (32) que encerra o ímã permanente (24).

5. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 4, CARACTERIZADO pelo fato de que a luva (32) é feita de um material compósito, como fibra de carbono.

6. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda um corpo de entrada (16) disposto à montante do impulsor (22) e dotado de uma conexão de entrada (18) para conexão com uma fonte de ar ou outro gás sob pressão, e um corpo de saída (20) disposto à jusante do impulsor (22), a turbina (22, 34) compreendendo ainda um distribuidor (34) recebido no corpo de entrada (16) e o dispositivo (10) compreendendo ainda um disco de saída (46) tendo pelo menos uma abertura (48) para descarregar ar ou gás na atmosfera.

7. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 6, CARACTERIZADO pelo fato de que o distribuidor (34) e o disco de saída (46) têm, em suas faces axialmente voltadas em direção ao impulsor (22), respectivas cavidades (40, 50) que acomodam mancais (42, 52) por meio dos quais o conjunto formado pelo impulsor (22) e pelo ímã permanente (24) é sustentado para rotação.

8. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 6 ou reivindicação 7, CARACTERIZADO pelo fato de que o corpo de entrada (16) e o corpo de saída (20) são feitos como peças separadas que são dispostas em lados axialmente opostos do estator (12) e são fixados entre si por meio de conexão liberável.