BR112014018161B1

BR112014018161B1 - Dispositivo de armazenamento de energia e conversão de força

Info

Publication number: BR112014018161B1
Application number: BR112014018161-6A
Authority: BR
Inventors: Paul W. Roos
Original assignee: American Hydro Jet Corporation
Priority date: 2012-01-23
Filing date: 2013-01-23
Publication date: 2021-10-13
Also published as: IN2014DN07066A; BR112014018161A2; CA2862347A1; WO2013112573A2; BR112014018161A8; US8963356B2; WO2013112573A3; EP2817508A2; US20120169054A1; EP2817508A4; CA2862347C

Abstract

dispositivo de armazenamento de energia e conversão de força. a presente invenção se refere a um dispositivo de conversão de força (20) incluindo: um primeiro conduto de fluido (21); um difusor (22) preso a ele com pelo menos uma pá sustentando um cubo do difusor (25); um rotor (23) suportado pelo cubo do difusor e tendo uma lâmina do rotor (23a), cubo e capuz (28) na sua periferia com pelo menos um ímã (29) sobre ele; um alojamento (32) circundando o capuz e preso no difusor e tendo um estator (36) incluindo laminações (31) formando polos (3 ip) e pelo menos uma bobina (33) nesse local, o estator encapsulado em um composto não metálico (35) para impedir o contato do fluido com as laminações e bobina(s); um controle de comutação (44) conectado na bobina(s) e tendo condutores externos (45) e um segundo conduto de fluido (24) preso no alojamento, de modo que o fluxo do fluido causa uma carga de torque nas lâminas, girando o rotor e induzindo um campo magnético nos polos para gerar a corrente na bobina, convertendo a força hidráulica para força elétrica. o dispositivo opera como uma turbina/gerador e como um motor/bomba.

Description

CAMPO DA TÉCNICA

[001]Essa invenção refere-se à conversão em baixo custo de força hidráulica para força elétrica e de força elétrica para força hidráulica.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[002]A geração de força a partir de cursos de água é bem conhecida e geralmente praticada em águas costeiras e rios. Uma aplicação bem conhecida é em represas com turbinas incorporadas acionando geradores para a produção de força elétrica. A maior parte dos cursos de água navegáveis tem um nível de água controlado para facilitar a navegação mantendo profundidades mínimas através da colocação de represas no curso de água. A navegação fica possível através da localização de eclusas adjacentes às represas.

[003]O rio Mississipi é um exemplo de tal curso de água com um nível de água controlado e um sistema de represas com eclusas. A queda do nível de água na maior parte das represas do rio Mississipi é de 6 m (20 pés) ou menos. Uma tal represa e eclusa têm uma queda de 11,5 m (38 pés) e têm uma casa de força hidrelétrica tirando força do curso de água. Os 11,5 m (38 pés) da altura de carga estática proporcionam uma oportunidade para produzir força eficientemente desde que a altura de carga é substancialmente maior do que as outras represas nesse curso de água. A altura de carga estática na maior parte das outras represas tipicamente não é suficiente para proporcionar um retorno de investimento satisfatório para uma casa de força hidrelétrica convencional em conjunto com essas represas.

[004]A colocação de represas também aumenta o projeto do curso de água para navegação e reduz e nivela a velocidade do fluxo da água, um benefício para a indústria de navegação em curso de água. Sistemas de pouca altura de carga estática tradicionalmente não têm atraído interesse porque o custo da construção do equipamento convencional para gerar essa força tem sido muito alto em relação ao benefício da força produzida. A presente invenção reduz o custo do equipamento de geração de força a tal baixo nível que a força poderá agora ser produzida de maneira eficiente e com custo efetivo usando represas existentes com pouca altura de carga estática.

[005]Sistemas de geração tradicionais consistem de uma turbina colocada em uma base e a turbina é conectada em um gerador através de um eixo e um acoplamento colocado nessa mesma base. O presente sistema inventivo proporciona uma instalação que é muito simplificada e reduz custo. Essa invenção permite a geração eficiente de força em baixo custo para aplicações de pouca altura de carga estática que não são possíveis com os sistemas convencionais.

[006]A redução do custo é realizada pela integração da turbina e do gerador de força elétrica em uma unidade compacta incluindo compostos não metálicos para manter baixos, ambos, o custo e o peso. Ela é modular no projeto, permitindo combinações de componentes para casar com os requisitos de força de dadas aplicações sem exigir projetos personalizados. O dispositivo inventivo se ajusta em linha com os dutos de água para instalação e manutenção fáceis. Ele é submersível e pode ficar suspenso sob a água em maneiras que não são possíveis ou práticas com uma turbina e gerador separados.

[007]A maior parte dos sistemas convencionais de geração de força hidrelétricos não tem a capacidade de inverter a operação e transformar o sistema de geração de força em um sistema de bombeamento pela aplicação de uma corrente elétrica no gerador. A presente invenção permite que o gerador elétrico se torne um motor elétrico, invertendo a sua função fornecendo força para ele. A turbina de fluxo axial funciona igualmente bem como uma bomba, de modo que o sistema inventivo pode ser usado para armazenar energia pela aplicação de força elétrica na unidade e bombeamento de água de um primeiro reservatório para um segundo reservatório de elevação mais alta, efetivamente armazenando a energia elétrica pelo aumento da elevação da água armazenada. Quando a comutação eletrônica é invertida novamente, ela transforma o sistema de força de volta para um gerador e, assim, pode recuperar a energia armazenada. Portanto, ao contrário da maior parte dos geradores de força hidrelétricos convencionais, a presente invenção pode ser usada como um sistema de armazenamento e recuperação de energia. Por causa da alta eficiência do projeto de fluxo axial, ambas as funções de turbina e bombeamento proporcionam o método mais eficiente de armazenamento e recuperação de energia com um alto MWh (megawatt-hora).

[008]A aparelhagem idêntica que é o assunto dessa invenção constitui uma bomba eletricamente energizada para múltiplas aplicações industriais e marinhas, tais como bombas de água industriais, bombas de encanamentos e sistemas de propulsão marinhos. Sistemas de bombeamento convencionais consistem de uma bomba e motor separados, exigindo instalação mais complicada do que a bomba e o motor integrados inventivos. A configuração integrada de motor/bomba permite a instalação em linha em um encanamento para transporte de fluido de todos os tipos, tais como gás natural, óleo, água e qualquer fluido produzido na indústria que precise ser transferido. A alta densidade de força, não corrosividade e baixo peso das unidades integradas permitem a instalação em linha com ambos as dimensões externas e o peso total cinco vezes menores do que a combinação equivalente convencional de bomba e motor, tudo enquanto tornando um alojamento da bomba desnecessário.

[009]Na técnica anterior, uma turbina/bomba combinadas chamada de turbina “Straflo” (1) exige uma estrutura de fundação para suporte, (2) é produzida inteiramente de componentes de metal, (3) conta com vedações mecânicas para separar a água dos componentes elétricos e (4) usa portões de comporta para controlar o fluxo. Todas essas quatro considerações problemáticas são eliminadas pela presente invenção. A turbina Straflo não tem densidade de força obtida pela invenção em questão. Adicionalmente, o seu custo é mais alto ao invés de menor do que um sistema separado convencional de turbina e gerador.

[010]JOutro sistema da técnica anterior é chamado o “Turbinador” que é uma configuração toda de metal que tem a separação metálica entre a água e o estator, o que aumenta o peso e diminui a eficiência de geração de força. O sistema também exige um banho de óleo com um sistema de esfriamento separado para esfriar o estator. Portanto, a sua eficiência é substancialmente reduzida e o seu peso é significativamente maior.

OBJETIVOS DA INVENÇÃO

[011]É um objetivo da presente invenção apresentar um sistema de geração de força hidrelétrico de baixo custo que tira a força de uma represa de pouca altura de carga em um curso de água que pode produzir eficientemente eletricidade com benefício econômico.

[012]É um objetivo dessa invenção substituir uma bomba de fluxo axial convencional por um sistema de bombeamento em linha, leve, de baixo custo que pode bombear mais eficientemente os fluidos com benefício econômico.

[013]Outro objetivo dessa invenção é produzir um sistema de geração de força hidrelétrico de baixo custo que é rápido e fácil de instalar, consertar e substituir.

[014]Outro objetivo dessa invenção é produzir um sistema de bombeamento de força elétrica de baixo custo que é rápido e fácil para instalar, consertar e substituir.

[015]Um objetivo adicional dessa invenção é combinar as funções de gerador e turbina em um alojamento de modo a produzir uma unidade em linha de turbina/gerador.

[016]Outro objetivo dessa invenção é combinar as funções de motor e bomba em um alojamento de modo a produzir uma unidade em linha de motor/bomba.

[017]É um objetivo adicional dessa invenção produzir um sistema de geração de força hidrelétrico de baixo custo que permite aplicações que convencionalmente não são possíveis por causa de: •restrições físicas (sem espaço para localizar), •restrições ambientais (sistema convencional muito perturbador), •restrições econômicas (muito oneroso para proporcionar um retorno de investimento satisfatório), •restrições de configuração que não criam a opção para usar o sistema de geração de força como um dispositivo de armazenamento de energia e •combinações do acima.

[018]É um objetivo adicional dessa invenção produzir um sistema de bombeamento de baixo custo que permite aplicações que convencionalmente não são possíveis por causa de: •restrições físicas (sem espaço para localizar), •restrições ambientais (sistema convencional muito perturbador), •restrições econômicas (muito oneroso para proporcionar um retorno de investimento positivo), •considerações de corrosão do material e •combinações do acima.

[019]Outro objetivo dessa invenção é produzir um sistema de geração de força hidrelétrico de baixo custo que possa ser invertido para armazenar energia bombeando água para um nível mais alto e recuperar a energia armazenada quando necessária trocando de volta para geração de força.

[020]0utro objetivo dessa invenção é produzir um sistema de geração de força hidrelétrico de baixo custo que possa fazer uso eficientemente da altura de carga estática de uma represa existente para produzir eletricidade com benefício econômico sem perturbar a estrutura existente da represa.

[021]Outro objetivo dessa invenção é apresentar um dispositivo de conversão de força que tem alta eficiência de conversão através de uma ampla faixa de alturas de carga estáticas de entrada.

[022]Outro objetivo dessa invenção é manter a eficiência com alturas de carga de pressão estática mais elevadas pela colocação em cascata de duas ou mais unidades de turbina/gerador em série.

[023]Outro objetivo dessa invenção é combinar as funções de gerador e turbina em um alojamento, de modo que a unidade de turbina/gerador se torne um dispositivo em linha.

[024]Outro objetivo dessa invenção é produzir um sistema de geração de força hidrelétrico de baixo custo que possa eficientemente fazer uso de um dique sem o uso de uma estrutura de duto proveniente do reservatório de nível alto.

[025]Outro objetivo dessa invenção é apresentar um sistema de conversão de força que evita a necessidade de construir uma represa de modo a capturar a capacidade de geração de força de um curso de água.

[026]Outro objetivo da presente invenção é proporcionar a capacidade de usar o mesmo equipamento mecânico para proporcionar corrente AC ou DC pela seleção de eletrônica de força apropriada.

[027]Outro objetivo da presente invenção é apresentar um sistema de conversão de força que seja fácil de manter e substituir.

[028]Outro objetivo da presente invenção é apresentar um sistema de geração de força hidrelétrico de baixo custo com as seguintes características: •geração de força com uma turbina/gerador tendo somente uma parte móvel, •baixo peso unitário eliminando ou reduzindo a necessidade de uma fundação, •instalação em linha, •eletrônica simples acondicionada na unidade, •o uso de compostos não metálicos e •configuração de unidade submersível, não corrosiva.

[029]Outro objetivo da presente invenção é apresentar um sistema de bombeamento elétrico de baixo custo com as seguintes características: •bombeamento com uma bomba/motor tendo somente uma parte móvel, •baixo peso unitário eliminando ou reduzindo a necessidade de uma fundação, •instalação em linha, •eletrônica simples acondicionada na unidade, •o uso de compostos não metálicos e •configuração de unidade submersível, não corrosiva.

[030]0utro objetivo da presente invenção é apresentar um sistema de geração de força hidrelétrico de baixo custo que tira com sifão a água sobre uma represa sem alterar a estrutura da represa e que escorva o sifão com água bombeada ou pela aplicação de vácuo.

[031]Outro objetivo da presente invenção é apresentar um sistema de geração de força hidrelétrico de baixo custo que usa polos elétricos selecionáveis e segmentos de polo para proporcionar uma ampla faixa de níveis de força com a mesma aparelhagem hidráulica.

[032]Outro objetivo da presente invenção é apresentar um sistema de bombeamento elétrico integrado de baixo custo que usa polos elétricos selecionáveis e segmentos de polo para proporcionar uma ampla faixa de níveis de força com a mesma aparelhagem hidráulica.

[033]Outro objetivo da presente invenção é apresentar um sistema de conversão de força elétrica de baixo custo que usa um sistema de mancai lubrificado por água para suportar o rotor da turbina.

[034]Outro objetivo da presente invenção é apresentar um sistema de conversão de força elétrica de baixo custo que usa uma combinação de um componente do estator encapsulado em combinação com um mancai lubrificado por água, por meio do que os vãos entre os polos do estator formam canais para proporcionar o acesso da água lubrificante ao mancai.

[035]Outro objetivo da presente invenção é apresentar um sistema de conversão de força elétrica de baixo custo tendo alta eficiência enquanto entregando força de zero a total.

[036]Outro objetivo da presente invenção é apresentar um sistema de conversão de força elétrica de baixo custo que elimina golpes de torque externo como resultado de mudanças de carga.

[037]Esses e outros objetivos da invenção serão evidentes a partir das descrições seguintes e dos desenhos.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[038]A presente invenção é um dispositivo de conversão de força, incluindo: (1) um primeiro conduto de fluido, (2) um difusor preso no primeiro conduto de fluido e tendo pelo menos uma pá suportando um cubo do difusor, (3) um rotor suportado com rotação pelo cubo do difusor e tendo pelo menos uma lâmina do rotor, um cubo do rotor e um capuz na periferia do rotor, o capuz tendo pelo menos um ímã montado nele, (4) um alojamento circundando o capuz e preso no difusor, o alojamento tendo um estator incluindo laminações formando polos e pelo menos uma bobina elétrica ao redor dos polos, o estator sendo encapsulado em um composto não metálico, tal que o fluido é impedido de contatar as laminações e a pelo menos uma bobina elétrica, (5) pelo menos um dispositivo de controle de comutação conectado na pelo menos uma bobina elétrica e tendo condutores de força externos e (6) um segundo conduto de fluido preso no alojamento. O fluxo do fluido através do dispositivo de conversão de força causa uma carga de torque nas lâminas do rotor, girando o rotor e induzindo um campo magnético nos polos, gerando uma corrente elétrica na pelo menos uma bobina elétrica, convertendo força hidráulica para força elétrica.

[039]Em algumas modalidades do dispositivo de conversão de força inventivo, o difusor e o estator podem ser presos de modo removível no alojamento.

[040]Em algumas modalidades preferidas do dispositivo de conversão de força inventivo, o estator inclui pelo menos dois segmentos do estator, cada segmento tendo pelo menos um polo e pelo menos uma bobina elétrica. Em algumas tais modalidades, cada segmento do estator é preso de modo removível no alojamento e em algumas dessas modalidades, os segmentos do estator são isolados do fluido pela encapsulação com um composto não metálico. Algumas modalidades tendo segmentos do estator podem incluir um mancai lubrificado por fluido integral com os segmentos do estator e alguns dos mancais lubrificados por fluido podem ter fendas de lubrificação localizadas entre os polos.

[041]Algumas modalidades preferidas do dispositivo de conversão de força inventivo incluem uma faixa circunferencial mantendo o pelo menos um ímã no rotor.

[042]Em algumas modalidades preferidas do dispositivo de conversão de força inventivo, o pelo menos um ímã é encapsulado com um composto não metálico.

[043]Em algumas modalidades preferidas do dispositivo de conversão de força inventivo, o rotor inclui segmentos do rotor e cada segmento do rotor tem pelo menos uma lâmina do rotor e um segmento de capuz. Em algumas tais modalidades, os segmentos de capuz têm, cada um, pelo menos um ímã.

[044]Algumas modalidades preferidas do dispositivo de conversão de força inventivo incluem pelo menos um duto de esfriamento. Em algumas dessas modalidades, o fluido de esfriamento fluindo através do pelo menos um duto de esfriamento é pelo menos um do fluido fluindo através do dispositivo de conversão de força e um fluido alternado de uma fonte separada. Em algumas modalidades, o pelo menos um duto de esfriamento fica no alojamento e algumas modalidades têm uma inserção de esfriamento que inclui o pelo menos um duto de esfriamento e circunda o estator. Em algumas dessas modalidades, o estator e a pelo menos uma inserção de esfriamento são isolados do fluido fluindo através do dispositivo de conversão de força pela encapsulação com um composto não metálico. Além disso, em algumas dessas modalidades, (1) o estator inclui pelo menos dois segmentos do estator, (2) cada inserção de esfriamento inclui pelo menos um segmento da inserção de esfriamento preso em cada segmento do estator, (3) cada segmento do estator tem pelo menos um polo e pelo menos uma bobina elétrica e (4) cada segmento da inserção de esfriamento tem pelo menos um duto de esfriamento. E, em algumas tais modalidades, o pelo menos um segmento do estator e o pelo menos um segmento da inserção de esfriamento são isolados do fluido fluindo através do dispositivo de conversão de força pela encapsulação com um composto não metálico.

[045]Em outras modalidades preferidas, o pelo menos um dispositivo de controle de comutação é preso na inserção de esfriamento, e a inserção de esfriamento, o estator e o pelo menos um dispositivo de controle de comutação são isolados do fluido pela encapsulação com um composto não metálico.

[046]Em algumas modalidades preferidas, o pelo menos um dispositivo de controle de comutação é preso no pelo menos um segmento da inserção de esfriamento e cada segmento do estator e o pelo menos um dispositivo de controle de comutação são isolados do fluido pela encapsulação com um composto não metálico.

[047]Algumas modalidades muito preferidas do dispositivo de conversão de força inventivo inclui um mancai lubrificado com fluido sustentando o rotor, e em algumas tais modalidades, o mancai lubrificado com fluido é feito de um composto não metálico e tem fendas de lubrificação, e em algumas, o mancai lubrificado com fluido é integral com o estator. Tal mancai lubrificado com fluido integral pode ter fendas de lubrificação localizadas entre os polos.

[048]Em modalidades muito preferidas do dispositivo de conversão de força inventivo, o pelo menos um dispositivo de controle de comutação une as bobinas elétricas diretamente nos condutores de força externos, e em algumas modalidades muito preferidas do dispositivo de conversão de força inventivo, o pelo menos um dispositivo de controle de comutação controla o torque entre o rotor e o estator controlando a corrente elétrica através da pelo menos uma bobina elétrica.

[049]Em algumas modalidades, o pelo menos um dispositivo de controle de comutação pode ser configurado para controlar a velocidade rotacional do rotor.

[050]Em algumas modalidades, o pelo menos um dispositivo de controle de comutação pode ser configurado para maximizar substancialmente o produto do torque e da velocidade rotacional do rotor à medida que a taxa de fluxo do fluido varia.

[051]Em modalidades preferidas, o dispositivo de conversão de força inclui um banco de carga elétrica e o dispositivo de controle de comutação é configurado para controlar a corrente elétrica para os condutores de força externos e o banco de carga para manter a carga de torque no rotor substancialmente constante à medida que a carga nos condutores de força externos varia. Em algumas tais modalidades, o banco de carga fica localizado na pelo menos uma pá do estator.

[052]Em outras modalidades do dispositivo de conversão de força inventivo, o pelo menos um dispositivo de controle de comutação é esfriado por pelo menos um do alojamento e do difusor.

[053]Em modalidades muito preferidas do dispositivo de conversão de força inventivo, pelo menos um do primeiro conduto de fluido, difusor, alojamento, rotor e segundo conduto de fluido incluem um esqueleto sobremoldado com um composto não metálico. Em algumas modalidades muito preferidas, pelo menos um do primeiro conduto de fluido, difusor, alojamento, rotor e segundo conduto de fluido incluem um exoesqueleto formado sobre um núcleo. O exoesqueleto pode ser metálico.

[054]Outras modalidades preferidas do dispositivo de conversão de força inventivo incluem um mecanismo de transporte configurado para transportar o dispositivo de conversão de força entre uma posição de operação e uma posição de serviço. Em algumas tais modalidades, o mecanismo de transporte é configurado para girar o dispositivo de conversão de força ao redor de um eixo geométrico perpendicular ao eixo geométrico rotacional do rotor e o dispositivo de conversão de força pode incluir pelo menos um grampo de ligação de conduto de fluido de libertação rápida configurado para facilitar a transferência do dispositivo de conversão de força entre a posição de operação e a posição de serviço. O mecanismo de transporte pode ser também configurado para transportar múltiplos dispositivos de conversão de força das posições de operação para as posições de serviço.

[055]Algumas modalidades preferidas do dispositivo de conversão de força inventivo incluem uma comporta conectada no primeiro conduto de fluido para direcionar o fluido para o dispositivo de um reservatório de fluido a montante através do dispositivo de conversão de força e o segundo conduto de fluido para um reservatório de fluido a jusante. Algumas tais modalidades podem incluir uma fonte de corrente elétrica, e a fonte de corrente e o pelo menos um dispositivo de controle de comutação podem ser configurados para operar o dispositivo de conversão de força no modo de bomba e um modo de geração de força. Em tal modo de bomba, a corrente elétrica é aplicada nos condutores de força externos, fazendo um campo magnético acionar o rotor e bombear o fluido para cima da comporta para o reservatório de fluido a montante, por meio disso convertendo a energia elétrica para energia hidráulica armazenada que é mais tarde convertida de volta para energia elétrica quando o dispositivo de conversão de força opera no modo de geração de força. Em algumas modalidades, a comporta pode ser configurada para operar como um sifão para conectar o reservatório superior no primeiro conduto de fluido. Em algumas dessas modalidades, o dispositivo de conversão de força inventivo é configurado para também operar no modo de bomba e o modo de bomba é usado para escorvar o sifão.

[056]Algumas modalidades que incluem um sifão de comporta podem incluir uma válvula de interrupção colocada entre o primeiro conduto de fluido e a comporta e uma válvula de abastecimento de fluido colocada na comporta, tal que quando a válvula de interrupção é fechada e o fluido é abastecido através da válvula de abastecimento de fluido, a comporta enche com fluido até que o sifão é escorvado e quando a válvula de interrupção abre, o dispositivo de conversão de força opera no modo de geração de força. Outras modalidades que incluem um sifão de comporta podem incluir uma bomba de vácuo para escorvar o sifão extraindo o vácuo substancialmente no ponto mais alto da comporta.

[057]Em algumas modalidades preferidas do dispositivo de conversão de força inventivo, o dispositivo é colocado sobre uma abertura em um dique.

[058]Algumas modalidades preferidas do dispositivo de conversão de força inventivo incluem pelo menos uma turbina auxiliar em pelo menos uma das posições a montante e a jusante em relação ao dispositivo de conversão de força. Tais dispositivos têm pelo menos um eixo de transmissão conectando com rotação o rotor do dispositivo de conversão de força em pelo menos um rotor da pelo menos uma turbina auxiliar, por meio disso a pelo menos uma turbina auxiliar aciona o rotor do dispositivo de conversão de força.

[059]Algumas modalidades preferidas do dispositivo de conversão de força inventivo incluem uma fonte de corrente elétrica, e a fonte de corrente, e o pelo menos um dispositivo de controle de comutação são configurados para operar o dispositivo de conversão de força no modo de bomba e um modo de geração de força. No modo de bomba, a corrente elétrica é aplicada nos condutores de força externos, fazendo um campo magnético acionar o rotor e bombear o fluido do segundo conduto de fluido, através do alojamento, difusor e primeiro conduto de fluido, por meio disso convertendo força elétrica para força hidráulica enquanto operando no modo de bomba.

[060]O sistema de conversão de força inventivo para fornecer força elétrica para pelo menos uma carga externa pode ter uma pluralidade de dispositivos de conversão de força em série de fluido e um controlador do sistema. Cada dispositivo de conversão de força inclui: (1) um primeiro conduto de fluido, (2) um difusor preso no primeiro conduto de fluido e tendo pelo menos uma pá suportando um cubo do difusor, (3) um rotor suportado com rotação pelo cubo do difusor e tendo pelo menos uma lâmina do rotor, um cubo do rotor e um capuz na periferia do rotor, o capuz tendo pelo menos um ímã montado nele, (4) um alojamento circundando o capuz e preso no difusor, o alojamento tendo um estator incluindo laminações formando polos e pelo menos uma bobina elétrica ao redor dos polos, o estator sendo encapsulado em um composto não metálico, tal que o fluido é impedido de contatar as laminações e a pelo menos uma bobina elétrica, (5) pelo menos um dispositivo de controle de comutação conectado na pelo menos uma bobina elétrica e tendo condutores de força externos conectados em pelo menos uma carga externa e (6) um segundo conduto de fluido preso no alojamento. O controlador do sistema é configurado para repartir a força elétrica para a pelo menos uma carga externa entre os vários dispositivos de conversão de força. Em algumas tais modalidades, os rotores são conectados por pelo menos um eixo de transmissão, acoplando os rotores com rotação.

[061]Algumas modalidades do dispositivo de conversão de força inventivo compreendem: (1) um primeiro conduto de fluido, (2) um difusor preso no primeiro conduto de fluido e tendo pelo menos uma pá suportando um cubo do difusor, (3) um rotor suportado com rotação pelo cubo do difusor e tendo pelo menos uma lâmina do rotor, um cubo do rotor e um capuz na periferia do rotor, o capuz tendo pelo menos um ímã montado nele, (4) um alojamento circundando o capuz e preso no difusor, o alojamento tendo um estator incluindo laminações formando polos e pelo menos uma bobina elétrica ao redor dos polos, o estator sendo encapsulado em um composto não metálico, tal que o fluido é impedido de contatar as laminações e a pelo menos uma bobina elétrica, (5) pelo menos um dispositivo de controle de comutação conectado na pelo menos uma bobina elétrica e tendo condutores de força externos, (6) um segundo conduto de fluido preso no alojamento e (7) uma fonte de força elétrica. A aplicação da corrente elétrica da fonte de força elétrica nos condutores de força externos faz com que um campo magnético acione o rotor e bombeie o fluido do segundo conduto de fluido, através do alojamento, difusor e primeiro conduto de fluido, por meio disso convertendo força elétrica para força hidráulica.

[062]Algumas modalidades do dispositivo de geração de força hidrelétrico inventivo compreendem: (1) uma entrada de fluido, (2) um difusor com (a) pelo menos uma pá sustentando um cubo do difusor e (b) um rotor suportado com rotação pelo cubo do difusor e tendo (i) lâminas do rotor, (ii) um cubo do rotor e (iii) um capuz na periferia do rotor, o capuz incluindo pelo menos um ímã montado nele, (3) um alojamento circundando o capuz e tendo um estator rigidamente preso incluindo laminações e pelo menos uma bobina elétrica e (4) uma fonte de corrente elétrica conectada na pelo menos uma bobina elétrica. A corrente elétrica gera um campo magnético produzindo um torque no pelo menos um ímã, girando o rotor e fazendo com que as lâminas do rotor bombeiem o fluido através do alojamento, do difusor e da entrada de fluido, dessa forma convertendo força elétrica para força hidráulica.

[063]O termo “corrente” se refere à corrente elétrica produzida por um diferencial (tensão) de potencial elétrico sem o qual a corrente elétrica não pode fluir.

[064]O termo “força” se refere à força elétrica ou à força hidráulica. Força elétrica é o produto da corrente elétrica e tensão. A força hidráulica é o produto do fluxo do fluido e altura de carga de pressão hidráulica.

[065]O termo “energia” se refere à energia elétrica ou energia hidráulica. A energia elétrica é o produto da força elétrica e do tempo. A energia hidráulica é o produto da força hidráulica e do tempo.

[066]O termo “carga externa” se refere à força entregue para um consumidor da corrente elétrica, tal como a grade de força ou um consumidor industrial ou doméstico.

[067]O termo “composto não metálico” se refere a qualquer plástico ou polímero que seja termorrígido, moldado à pressão ou curado com luz, tais como neoprene, borracha natural, nitrilo, epóxi, poliéster ou resina de viniléster. O composto pode ser reforçado e melhorado na resistência, condutividade térmica, maior resistência elétrica e menor atrito mecânico pelos aditivos particulados não metálicos, tais como, mas não limitado a óxido de alumínio, fibra de carbono, fibra de vidro, negro-de-fumo, Teflon, corantes e outros compostos.

[068]O termo “comporta” como usado aqui se refere a um tubo de alimentação de água que fornece a conexão entre o lado a montante de uma represa, dique ou reservatório e um dispositivo de conversão de força hidrelétrico colocado no lado a jusante de uma represa, dique ou reservatório a jusante.

[069]O termo “laminados” ou “laminações” se refere às estampagens de folha de metal finas, magneticamente condutivas de forma idêntica que, quando empilhadas juntas com isolamento elétrico entre elas, formam um conduto de fluxo eletromagnético em um plano paralelo ao plano das estampagens.

[070]O termo “altura de carga estática” como usado aqui se refere à diferença na elevação do nível de água entre os níveis de água a montante e a jusante de uma represa, dique ou reservatório.

[071 ]O termo “dispositivo de controle de comutação” como usado aqui se refere a um dispositivo de comutação elétrica que une a grade de força via condutores de força externos com as bobinas elétricas do dispositivo de conversão de força. A conexão pode ser direta, por meio disso a comutação acontece na frequência da grade de força ou via o conjunto de circuitos eletrônicos que substitui a função de comutação convencional da escova do gerador/motor com comutação eletrônica com o benefício adicionado de corrente elétrica e controle de frequência. Quando a corrente é gerada nas bobinas elétricas, o dispositivo de controle de comutação converte a corrente gerada para uma corrente utilizável para entrega da grade de força via os condutores de força externos. Em alguns dispositivos de controle de comutação, quando a força é abastecida para os condutores de força externos, ele converterá e controlará a frequência e a acorrente para as bobinas elétricas, controlando a velocidade rotacional e o torque. O conjunto de circuitos utiliza transistores bipolares de portão isolado (IGBTs). IGBTs são dispositivos de comutação eletrônica de força capazes de converter AC para DC, bem como DC para AC enquanto controlando a corrente e a frequência da AC. Uma formação de IGBTs forma um inversor/retificador de corrente e é controlada por um circuito de controle eletrônico. O IGBTs e o circuito de controle eletrônico são acondicionados no dispositivo de controle de comutação.

[072]O termo “reservatório” identifica qualquer massa de água criada por uma represa, dique ou recinto artificial ou natural.

[073]O termo “esqueleto” se refere à estrutura feita de metal ou outro material rígido que é então encapsulada com um composto não metálico. O termo “exoesqueleto” se refere a um esqueleto preso em uma superfície externa de um núcleo. Um núcleo consiste de material rígido leve, de baixa resistência, tal que ele mantém a forma de uma estrutura geral final enquanto um material de exoesqueleto de alta resistência está sendo aplicado.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[074]A figura 1 (técnica anterior) mostra uma turbina e gerador convencionais ou disposição de bomba e motor.

[075]A figura 1A (técnica anterior) mostra uma configuração de turbina e gerador hidrelétricos de eixo vertical convencionais.

[076]A figura 2 ilustra a turbina/gerador inventivos em uma posição do eixo vertical na mesma escala que a turbina convencional da figura 1A.

[077]A figura 2A ilustra o motor/bomba inventivos em uma aplicação de encanamento.

[078]A figura 3 é um corte em projeção do dispositivo de conversão de força integrado em linha com o eixo geométrico de rotação.

[079]As figuras 3A e 3B são cortes em projeção do dispositivo de conversão de força integrado da figura 3 perpendicular ao eixo geométrico de rotação, mostrando os cortes BB e CC da figura 3.

[080]A figura 4 é um diagrama de blocos esquemático dos componentes eletrônicos de força e eletrônicos.

[081]A figura 4A é um diagrama de blocos esquemático como na figura 4 com o banco de carga adicionado.

[082]A figura 5 é um corte em projeção em linha com o eixo geométrico de rotação de duas iterações alternadas XX e YY da modalidade preferida.

[083]A figura 5A é um corte em projeção perpendicular ao eixo geométrico de rotação, mostrando o corte BB da figura 5 em ambas as iterações XX e YY.

[084]A figura 5B é um detalhe C da figura 5.

[085]As figuras 6, 6A e 6B são formas de laminação esboçadas.

[086]A figura 7 é uma vista da extremidade em projeção e corte parcial perpendicular ao eixo geométrico de rotação.

[087]A figura 7A é um corte em projeção BB da figura 7, rotor excluído por clareza.

[088]A figura 7B é um corte do detalhe do corte parcial da figura 7.

[089]As figuras 8A, 8B, 8C e 8D são representações de bloco de combinações de estator e rotor em disposições com força reduzida.

[090]A figura 9 é uma vista da extremidade em projeção de um esqueleto do difusor.

[091]A figura 9A é um corte em projeção AA da figura 9.

[092]A figura 9B é uma vista de extremidade em projeção de um difusor.

[093]A figura 9C é um corte em projeção AA da figura 9B.

[094]As figuras 9D e 9E são respectivamente a seção transversal e a seção transversal detalhada de um difusor tendo um exoesqueleto sobre um núcleo.

[095]A figura 10 é um corte parcial em projeção do dispositivo de conversão de força em uma disposição de altura de carga estática em linha, usando uma represa.

[096]A figura 10A é um corte parcial em projeção do gerador de força hidrelétrico em uma disposição de altura de carga estática em linha, usando uma represa com dois dispositivos de conversão de força em série.

[097]A figura 11 é um corte parcial em projeção dos dois dispositivos de conversão de força em série.

[098]A figura 12 é um corte parcial em projeção de um dispositivo de conversão de força em série com uma turbina auxiliar.

[099]A figura 13 é um corte parcial em projeção do dispositivo de conversão de força em uma represa com sifão e trilho de serviço.

[0100]A figura 14 é um corte parcial em projeção de uma instalação sem represa usando um sifão.

[0101 ]A figura 15 é um corte parcial em projeção do dispositivo de conversão de força em uma disposição de altura de carga estática, usando um dique com uma turbina/gerador em uma posição de operação.

[0102]A figura 15A é um corte parcial em projeção do dispositivo de conversão de força em uma disposição de altura de carga estática, usando um dique com a turbina/gerador em uma posição elevada para manutenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS MODALIDADES PREFERIDAS

[0103]A descrição detalhada seguinte explica uma nova abordagem para a geração de força hidrelétrica começando com a integração da turbina e do gerador. Esse conceito inventivo, com seu aumento quíntuplo na densidade de força, permite a aplicação da geração de força hidrelétrica em situações previamente imaginadas impossíveis por diminuir drasticamente os custos de fabricação, instalação e manutenção, reduzindo o tamanho geral do equipamento e aumentando a eficiência do sistema.

[0104]Da mesma forma, o mesmo conceito pode ser aplicado com a aparelhagem idêntica, sem limitação, na operação inversa de uma turbina/gerador, a saber, como um motor/bomba. Pelo fornecimento de força de uma fonte de força elétrica para o dispositivo de conversão de força, o dispositivo inventivo funcionará como um motor e bomba. A densidade de força do dispositivo de conversão de força (cinco vezes maior do que a técnica anterior) é de vantagem igual como um motor/bomba e tem muitas aplicações para uso industrial, em encanamento e marinho. A troca das funções de turbina para bomba possível com essa invenção possibilita o armazenamento e a recuperação da energia, geralmente chamada como “armazenamento bombeado”, o método de menor custo de armazenamento de grandes quantidades de energia.

[0105]Turbinas da técnica anterior como nas figuras 1 e 1A (técnica anterior) ilustram a maneira convencional de geração de força hidrelétrica de altura de carga estática. A água flui na direção A acionando a turbina 101 e um gerador 102. A turbina 101 e o gerador 102 são montados em uma base comum 103 exigindo um acoplamento 104, um eixo 105 e uma vedação do eixo 106. Além disso, é necessário instalar e alinhar a turbina 101, o eixo 105 e o gerador 102 na base 103. Essa instalação convencional exige uma construção 107 e um guindaste suspenso 108. Uma base de concreto 109 suporta a base 103 e a construção 107 em uma localização não conveniente para manter curtos percursos de encanamento de descarga e abastecimento.

[0106]A figura 1A (técnica anterior) mostra uma turbina de água de eixo vertical convencional 111 e um gerador 112, no qual um eixo 115 conecta em uma transmissão 116 e um acoplamento 114 conecta a transmissão 116 no gerador 112. A transmissão 116 é colocada em uma base 113 e é suportada pela fundação 120. O afastamento ajustável de um rodízio 121 é definido pelo controle hidráulico 122. Portões de comporta ajustáveis 123 são ajustados pelo controle hidráulico 124 via um eixo de controle 125. Uma estrutura de base de concreto 126 inclui um portão de controle de fluxo 127 e um tubo de tiragem 128. A estrutura de base 126 ainda suporta a fundação 120, a turbina 111 e a construção 117. A construção 117 suporta o guindaste suspenso 118 que é necessário para mover o gerador 112, a transmissão 116, a base 113, os controles hidráulicos 122 e 124, os eixos 115 e 125 e a turbina 111.

[0107]A turbina da técnica anterior como representada na figura 1 também representa uma bomba de fluxo axial convencional. A água flui na direção B através da bomba de fluxo axial 101 acionada pelo motor 102 e montada na base 103. Os componentes 103 a 109 executam as mesmas funções como no caso da turbina e do gerador.

[0108]A presente invenção de turbina/gerador inventiva substitui os componentes convencionais da técnica anterior mostrados nas figuras 1 e 1A peia combinação da turbina e do gerador em um alojamento e a fabricação dos componentes usando materiais mais duráveis e mais leves, eliminando a necessidade de todos os componentes interligando a turbina com o gerador e substituindo esses componentes por uma configuração simples tendo somente um conjunto móvel (um rotor). A unidade inventiva pode ser colocada em linha com o fluxo de água para a geração de força eficiente, livre de corrosão, leve, de baixo custo. A unidade pode ficar localizada acima ou sob a água. A configuração é capaz de lidar com uma ampla faixa de força enquanto mantendo os custos baixos pela segmentação e modularização das porções de geração de força elétrica do dispositivo. Ela elimina os controles de fluxo mecânico e a hidráulica (122, 123, 124 e 125 na figura 1 A), a destruição das turbinas convencionais, os substituindo pelo controle de fluxo eletrônico.

[0109]A figura 2 tem a mesma escala como a figura 1A e mostra uma modalidade preferida do dispositivo de conversão de força inventivo 20 colocado na mesma estrutura de base de concreto 126 com o portão de controle de fluxo 127 e o tubo de tiragem 128, como mostrados na figura 1A. O dispositivo de conversão de força 20 é colocado na mesma posição que a turbina 111 da figura 1A. A água entra na turbina através da válvula de água 127 e descarrega no tubo de tiragem 128. O único conjunto móvel do dispositivo de conversão de força inventivo 20 é o rotor 23 (ver também figura 3). Um trilho de suspensão vertical 62 na figura 2 possibilita a suspensão do dispositivo de conversão de força 20 por um guincho 133 para uma posição de serviço 20A, nesse caso girada 90 graus para serviço e acesso de substituição. O dispositivo 20 é mostrado na figura 2 em ambas as posições por finalidades de ilustração somente. Um convés de serviço removível 132 proporciona o acesso de serviço depois que o dispositivo de conversão de força 20 é elevado para a posição 20A.

[0110]A configuração da figura 2 elimina os componentes seguintes nos sistemas convencionais mostrados nas figuras 1 e 1A. Esses são: as construções 107 e 117, os guindastes suspensos 108 e 118, os geradores 102 e 112, o motor 102A, os controles de fluxo hidráulico 122 e 124, os acoplamentos do eixo 104 e 124, a vedação de água 106, a transmissão 116, as bases 103 e 113, as fundações 109 e 120, os eixos 105, 115 e 125, os portões de comporta ajustáveis 123 e o rodízio de afastamento ajustável 121. A eliminação desses itens representa uma redução drástica nos componentes, no seu custo de aquisição, bem como manutenção e amortização. Adicionalmente, a fabricação dos componentes do dispositivo de conversão de força 20 usando materiais compostos reduz o peso para uma fração dos mesmos componentes metálicos e geralmente obtém uma redução de cinco vezes no peso sobre os sistemas convencionais, permitindo aplicações até agora impossíveis por causa do grande peso, grandes dimensões, alto custo e grande tamanho da área de cobertura e frequentemente exigindo uma casa de força (construção). O dispositivo de conversão de força inventivo 20 usa dispositivos de controle de comutação para possibilitar a operação constante ou de velocidade variável do dispositivo 20.

[0111]As figuras 2A e 2B ilustram uma aplicação somente de bombeamento do dispositivo de conversão de força 20 em um encanamento. O dispositivo de conversão de força 20 em uma modalidade de motor/bomba proporciona as mesmas vantagens básicas, mais importante ainda a densidade de força cinco vezes mais alta e permitindo a colocação em linha. A maior eficiência e a não corrosividade do dispositivo de geração de força 20 são igualmente benéficas quando usado como uma bomba - uma configuração compacta em linha, sem casa de bomba e menor manutenção quando comparado com o motor e bomba da figura 1.

[0112]Nas figuras 2 e 2A, o tubo de abastecimento 128P alimenta um fluido para a unidade de conversão de força 20 via uma válvula de interrupção 127P na direção B. O fluido pressurizado sai do dispositivo de conversão de força 20 via outra válvula 127P (porque tais válvulas são idênticas) em um tubo de descarga 126P. O dispositivo de conversão de força 20 tem somente uma parte móvel, isto é, o rotor 23. O dispositivo 20 pode ser removido para serviço ou substituição em menos do que um dia via um trilho 131 e um carro 133A. O trilho 131A permite o movimento do dispositivo de conversão de força 20 para fora do encanamento (128P e 126P) para serviço e substituição depois de fechar as válvulas 127P para isolar o dispositivo de conversão de força 20 da linha.

[0113]A figura 2B é uma vista seccional AA que ilustra o dispositivo de conversão de força 20 na posição de serviço 20A. Os tubos 128P, 126P e as válvulas 127P são suportados pelos suportes de válvula e de tubo 132P. O dispositivo de conversão de força 20 usa dispositivos de controle de comutação 44 para operar em uma velocidade constante ou para operar como um motor de velocidade variável/bomba.

[0114]A figura 3 mostra o dispositivo de conversão de força 20 na sua modalidade preferida básica em corte em projeção AA. A figura 3A mostra o dispositivo 20 em um corte em projeção perpendicular ao seu eixo geométrico de rotação RA, linhas de corte BB da figura 3. A figura 3B mostra um mancai lubrificado por água 48 como o corte da parte CC da figura 3. O dispositivo de conversão de força 20 inclui um primeiro conduto de fluido 21, conectado em um difusor 22 sustentando o rotor 23 suportado com rotação por um cubo 25 do difusor 22. O cubo 25 é fixado no difusor 22 pelas pás do estator 26. O rotor 23 tem lâminas do rotor 23A, um cubo do rotor 27 e um capuz 28 ao redor da periferia do rotor 23. O capuz 28 tem preso ímãs 29 e uma faixa circunferencial 30 para reter os ímãs 29 no rotor 23. Os ímãs 29 são encapsulados com um composto não metálico 35M para impedir o acesso da água aos ímãs 29. O composto 35M pode ser um material, tal como, mas não limitado a neoprene, borracha de nitrilo, um composto de epóxi ou semelhante.

[0115]Um alojamento 32 circunda o rotor 23 que inclui um estator 36 e um mancai lubrificado por água 48. O estator 36 é removível e mantido no lugar por um flange do difusor 38 que é mantido no alojamento 32 com prendedores 38B. O estator 36, o mancai 48, o alojamento 32 e o difusor 22 são mantidos em alinhamento por registros 41 e 42. O estator 36 consiste de uma pilha de laminações 31 que formam um conjunto de polos 31P tendo bobinas elétricas 33 enroladas ao redor. O estator 36 é encapsulado com um composto não metálico 35 (tal como similar ao composto 35M) para impedir acesso de água nas laminações 31 e bobinas 33. O composto não metálico 35 e a faixa 30 mantêm um vão 34 entre o rotor 23 e o estator 36 para evitar a interferência mecânica entre a faixa rotativa 30 e o composto não metálico não rotativo 35 na superfície interna do estator 36. O alojamento 32 é conectado em um segundo conduto de fluido 24.

[0116]O rotor 23 suspenso no cubo 25 representa uma carga mecânica pendente no cubo 25. De modo a estabilizar o rotor 23 como um resultado dos desequilíbrios transitórios e velocidades de ressonância e para impedir a interferência mecânica no vão 34, o mancai lubrificado por água 48 é colocado vantajosamente na extremidade oposta do difusor 22, distante do cubo do mancai 25. O mancai lubrificado com água 48 é colocado ao redor da faixa 30 e tem uma superfície interna de composto não metálico 49 e fendas 50 para proporcionar o acesso da água ao mancai 48.

[0117]Condutores de força internos 39 conectam as bobinas elétricas 33 com dispositivos de controle de comutação 44, passando através de uma gaxeta 37 vedando os condutores 39. Condutores de força externos 45 conectam os dispositivos de controie de comutação 44 em uma grade de força (carga externa, não mostrada). Os dispositivos de controle de comutação 44 convertem a corrente elétrica através dos condutores 39 para uma corrente elétrica que é adaptada na grade de força conectada por condutores de força externos 45. Na figura 3, três condutores individuais 45 são mostrados para acomodar a entrega da força AC trifásica para a grade de força. Os dispositivos de controle de comutação 44 podem ser configurados alternativamente para entregar a força DC para uma carga externa usando dois dos condutores 45. Mais do que um dispositivo de controle de comunicação 44 pode ser usado e múltiplos conjuntos de condutores 45 podem ser conectados em paralelo para entregar a capacidade total do dispositivo de conversão de força 20.

[0118]Os dispositivos de controle de comutação 44 precisam ser esfriados desde que a engrenagem de comutação eletrônica, tal como transistores bipolares de portão isolado (IGBT’s) e outros conjuntos de circuitos eletrônicos, geram calor como resultado da corrente elétrica fluindo através deles. Portanto, os dispositivos de controle de comutação 44 são presos no alojamento 32 ou flange do difusor 38 com um ou mais prendedores 44B para fornecer o esfriamento para os dispositivos 44. Requisitos de esfriamento adicionais resultam da resistência interna das bobinas 33 e das mudanças do fluxo magnético nas laminações 31 e ímãs 29. O esfriamento dos ímãs 29 no rotor 23 ocorre pelo fluxo da água através do vão 34. A faixa 30 é feita de metal e proporciona condutividade térmica adequada. O alojamento 32 inclui aletas de esfriamento 32R para esfriar o alojamento 32. Alternativamente, um ou mais dutos 32D, se estendendo através do flange 38 e alojamento 32, um tubo de distribuição de esfriamento 32M e uma passagem de água 32C proporcionam o esfriamento para o estator 36, usando uma porção da água fluindo através do dispositivo 20. (Quer o dispositivo 20 seja usado no modo de geração de força ou modo de bomba, a pressão hidráulica no difusor 22 é sempre mais alta do que a pressão no conduto de fluido 24.) Além disso, essas passagens proporcionam o fluxo para a lubrificação do mancai 48 via as fendas 50 e um canal 48C.

[0119]Quando o dispositivo de conversão de força 20 opera como uma turbina/gerador, o primeiro conduto de fluido 21 alimenta a água para dentro do difusor 22 além das pás do estator 26 e através do rotor 23, passando das lâminas do rotor 23A e saindo através do segundo conduto de fluido 24. O fluxo da água além das lâminas do rotor 23A faz o rotor 23 girar, dessa maneira fazendo os ímãs 29 criarem um fluxo magnético nas laminações 31, induzindo uma corrente alternada nas bobinas elétricas 33. Os condutores internos 39 conduzem a corrente elétrica das bobinas elétricas 33 para os dispositivos de controle de comutação 44 que trocam ou convertem a corrente elétrica como descrito acima.

[0120]Os dispositivos de controle de comutação 44 podem consistir de dispositivos de interligação mecânicos ou eletrônicos conectando os condutores 45 com condutores internos 39, a frequência da comutação sendo igual à frequência nos condutores 45 e consequentemente o rotor 23 opera em uma velocidade constante. Uma forma alternada de controle é mostrada na figura 4, na qual a corrente elétrica alternada gerada nas bobinas 33 como resultado da rotação do rotor 23 pode ter uma frequência variada que é dependente da velocidade rotacional do rotor 23. Tal força é então transportada via os condutores 39 para o dispositivo de controle de comutação 44 contendo um retificador/inversor 80 e convertida para DC e por sua vez transportada via os condutores 87 para um retificador/inversor 81. Nesse ponto, a força é convertida para uma corrente alternada utilizável a ser distribuída via os condutores externos 45 para uma carga externa. O retificador/inversores 80 e 81 são controlados por um circuito eletrônico 82 via os condutores 83 e 84 que têm sinais de entrada 85 pelos quais ajustar a frequência e a corrente. Alternadamente, o circuito de controle eletrônico 82 pode ser programado para controlar automaticamente a frequência e a corrente. Essas funções permitem que a taxa de fluxo da água através do dispositivo 20 e a sua saída de força sejam controladas sem a necessidade de controles de fluxo mecânico (eliminando da figura 1A o controle de afastamento 122, a lâmina do rotor de afastamento ajustável 111, o controle de portão de comporta 124 e os portões de comporta 123).

[0121]Em algumas aplicações, com o dispositivo 20 na forma portátil, quando uma carga elétrica é colocada instantaneamente no dispositivo 20, um golpe de torque pode ser experimentado no estator 36 e no alojamento 32. Como mostrado na figura 4A, um banco de carga 44L é usado para impedir um golpe de torque no estator 36 e no alojamento 32 absorvendo e liberando a força elétrica gerada quando tal carga é conectada ou desconectada, respectivamente. O banco de carga 44L pode ser colocado nas pás do estator 26 para evitar colocar o banco de carga 44L externamente. A figura 4A mostra, em forma de diagrama de blocos, o banco de carga 44L controlado pelo circuito eletrônico 82A via os condutores 84A que controlam o retificador/inversor 81A e, por sua vez, a corrente para o banco de carga 44L. O circuito de controle 82A fornece o sinal de controle nos condutores 84A para o retificador/inversor 81A e o banco de carga 44L mantém uma carga constante nos condutores 39, a despeito do nível de carga nos condutores 45, assim eliminando os golpes de torque no estator 36 e no alojamento 32. O retificador/inversores 81A e 81, juntos, entregam força para uma carga externa nos condutores 45 ou para um banco de carga 44L para manter uma carga de torque constante no dispositivo 20. Um ou mais dispositivos de controle de comutação 44 podem ser usados dentro de um único dispositivo 20 e múltiplos conjuntos de condutores de força externos 45 podem ser conectados em paralelo, somando a saída na carga externa.

[0122]Com referência às figuras 3 e 4, quando o dispositivo de conversão de força 20 opera como um motor/bomba, com a força elétrica aplicada nos condutores 45, os dispositivos de controle de comutação 44 recebem corrente via os condutores 45 e entregam força elétrica AC para os condutores 39. Tal força fluindo através das bobinas 33 cria um campo magnético nas laminações 31 e polos 31P, exercendo um torque nos ímãs 29 no capuz do rotor 28, assim girando o rotor 23. As lâminas do rotor 23A acionam a água através do segundo conduto 24 para o difusor 22 e além das lâminas do estator 26 para o primeiro conduto de fluido 21. Os dispositivos de controle de comutação 44 podem consistir de dispositivos de interligação mecânicos ou eletrônicos, conectando os condutores externos 45 diretamente nos condutores 39. Em tal caso, a frequência de comutação é igual à frequência da fonte de força e consequentemente, o rotor 23 é acionado em uma velocidade constante. Usando uma forma alternada de controle como mostrado na figura 4 para acionar o dispositivo 20 em velocidades variáveis, a corrente elétrica alternada de uma fonte de força elétrica é aplicada nos condutores de força externos 45 e dispositivo de controle de comutação 44. O retificador/inversor 81 converte a corrente elétrica para DC. Via os condutores 87, a corrente contínua é entregue para o retificador/inversor 80 que converte DC para AC de frequência variável. Essa força elétrica então energiza as bobinas elétricas 33 via os condutores 39, girando o rotor 23 em uma velocidade correspondendo com a frequência produzida pelo retificador/inversor 80.

[0123]No modo de bomba, o retificador/inversores 80 e 81 são controlados pelo circuito eletrônico 82 via condutores 83 e 84 tendo sinais de entrada 85 para ajustar a frequência e a corrente. Alternadamente, o circuito de controle eletrônico 82 pode ser programado para controlar automaticamente a frequência e a corrente. Um ou mais dispositivos de controle de comutação 44 dentro do dispositivo 20 podem ser conectados em paralelo na fonte de força via os condutores 45 para acionar o dispositivo 20 como uma bomba em velocidade variável.

[0124]A partida do dispositivo de conversão de força 20 como uma turbina/gerador exige estabelecer um fluxo de água do primeiro conduto de fluido 21 para o segundo conduto de fluido 24, dessa forma girando o rotor 23. Condutores externos 45 são conectados em uma carga externa. Iniciar o dispositivo de conversão de força 20 como um motor/bomba exige conectar os condutores 45 em uma fonte de força enquanto o rotor 23 não está girando. A capacidade do dispositivo de conversão de força 20 de reverter a função sem alterar o dispositivo 20 de qualquer maneira permite que o dispositivo 20 funcione como um dispositivo de armazenamento de energia bombeando água para um nível de elevação mais alto em um reservatório e recuperando a força armazenada mais tarde pelo funcionamento do dispositivo 20 como uma turbina/gerador.

[0125]As figuras 5 e 5A mostram as seções transversais de duas modalidades do dispositivo de conversão de força 20, identificadas como seções transversais XX e YY. A modalidade XX ilustra as laminações 31 usando um complemento completo das bobinas elétricas 33 (ver também a figura 6). A modalidade YY ilustra uma configuração de laminação, na qual as laminações são segmentadas em segmentos 31A (ver também a figura 6A). As figuras 6, 6A e 6B (segmentos maiores de múltiplos polos) mostram configurações de laminação que, quando empilhadas, produzem o conduto de fluxo para um estator 36 circular ou segmentado.

[0126]Desde que a construção do alojamento 32 pode ser de materiais compostos com fraca condutividade de calor e desde que o estator 36 também pode exigir esfriamento, uma inserção de esfriamento de alta condutividade térmica 36C pode ser colocada ao redor do estator 36 para efetuar o esfriamento adequado. As figuras 5 e 5A ilustram a inserção de esfriamento 36C no lado X (superior) e lado Y (inferior) do dispositivo 20. Dutos 32D fornecem o fluxo de água através do flange do difusor 38, da inserção 36C e do alojamento 32. O diferencial de pressão entre o lado de alta pressão do rotor 23 (no difusor 22) e o lado de baixa pressão (no segundo conduto de fluido 24) garante o fluxo da água através dos dutos 32D.

[0127]Ambas as modalidades XX e YY como apresentadas nas figuras 5 e 5A utilizam a encapsulação 35 do estator 36 como descrito acima. Uma simplificação da encapsulação 35 integra o mancai lubrificado por água 48 que estabiliza o rotor 23 com o estator 36, assim eliminando a necessidade de um mancai separado 48. A configuração das figuras 5 e 5A ilustra fendas de lubrificação 50 colocadas entre os polos 31P para tirar vantagem da profundidade do composto não metálico 35 entre os polos 31P enquanto não afetando a camada fina de composto 35 circundando os polos 31P que também forma a superfície de mancai do mancai integrado 48.

[0128]Com referência novamente às figuras 5 e 5A, os dispositivos de controle de comutação 44 precisam ser esfriados pelas mesmas razões como descritas acima. O dispositivo de controle de comutação 44 pode ser fixado diretamente na inserção de esfriamento 36C com um ou mais prendedores 44B, como mostrado nas figuras 5 e 5A, corte XX. Para produzir uma configuração mais compacta, os componentes (retificador/inversores 80, 81 e o circuito de controle 82) do dispositivo de controle de comutação 44 são presos vantajosamente direto na inserção de esfriamento 36C (ver também a figura 5B). Esses componentes (80, 81, 82) do dispositivo de controle de comutação 44 são instalados diretamente na inserção de esfriamento 36C para garantir o esfriamento. Todos os componentes (36, 36C, 80, 81 e 82) são encapsulados com um composto não metálico 35 no alojamento 32.

[0129]No caso da água fluindo através do dispositivo de conversão de força 20 estar contaminada ou de outra forma inadequada, as passagens de esfriamento 32D podem ficar bloqueadas. Em tais circunstâncias, o esfriamento do estator 36 é realizado pelo uso de um agente de esfriamento separado passando através dos dutos de esfriamento 32D. (Um reservatório de agente de esfriamento separado e bomba não são mostrados, mas são conectados através de conexões 32F como mostrado na figura 5B.)

[0130] Uma disposição de libertação rápida é utilizada para reduzir o tempo exigido para mover o dispositivo de conversão de força 20 de uma posição de operação para uma posição de serviço 20A e para possibilitar a manutenção e a substituição de componentes ou do dispositivo completo 20 em um curto período de tempo. A figura 5 mostra um acoplamento de libertação rápida QDC entre o difusor 22 e o primeiro conduto de fluido 21. Flanges de acoplamento 22F e 21F são mantidos juntos por um grampo 21C. O acoplamento de libertação rápida QDC é vedado com um anel O 21S. O grampo 21C é removível soltando um ou mais prendedores (não mostrados) em uma maneira bem conhecida para aqueles versados na técnica da tecnologia hidráulica. Um nome de marca bem conhecido é “Victaulic” e outros dispositivos similares podem ser utilizados.

[0131]As figuras 7 e 7A ilustram que para instalações maiores, o estator 36 e as laminações 31 fabricadas em formas circulares são caros e volumosos. Nessas figuras, o estator 36 inclui uma pluralidade de segmentos do estator 40, as laminações 31 incluem uma pluralidade de segmentos de laminação 31B. (Como mostrado na figura 5B, corte YY, um conjunto de segmentos de laminação 31A é usado para criar um estator circular de 360 graus 36.) Os segmentos 31B, cada um contendo mais do que um polo 31P, são utilizados para produzir o estator circular de 360 graus 36.

[0132]Considerando essa abordagem de segmentação à frente, os segmentos de laminação 31B são dotados com bobinas elétricas 33 e um segmento 31B e seus polos relacionados 31P e bobinas 33 são encapsulados separadamente com um composto não metálico 35, formando os segmentos do estator 40 que, por sua vez, quando colocados em uma formação, formam um estator circular de 360 graus 36. Os segmentos do estator 40 são colocados no alojamento 32 e mantidos no lugar pelo flange do difusor 38. A inserção de esfriamento 36C é também segmentada nos segmentos da inserção de esfriamento 36S para casar com os segmentos do estator 40 que são presos nos segmentos da laminação 31B. Os componentes do dispositivo de controle de comutação 44, a saber, retificadores/inversores 80 e 81 e circuito de controle eletrônico 82, são presos no segmento da inserção de esfriamento 36S e encapsulados com o composto não metálico 35 para produzir um segmento do estator independente 40, como mostrado na figura 7B.

[0133]Algumas aplicações do dispositivo de conversão de força inventivo 20 podem operar em níveis de força significativamente menores do que a máxima força possível para um diâmetro específico do dispositivo de conversão de força 20. Uma maneira eficiente para realizar a redução da saída é limitar o número de bobinas elétricas 33 e a extensão e o número de segmentos da laminação 40 colocados no alojamento 32. Isso é realizado alternando os segmentos do estator 40 com segmentos do estator vazios 41, como mostrado nas figuras 7 e 7A. Os segmentos do estator 41 são afunilados para segmentos de cunha 40 no lugar com prendedores 47. A instalação modular dos segmentos do estator 40 e segmentos do estator vazios 41 possibilita que o mesmo dispositivo de conversão de força básico 20 seja adaptável a muitas configurações de força usando a mesma aparelhagem básica.

[0134]Ainda com referência à figura 7, ímãs 29 do rotor são colocados em intervalos ao redor do rotor 23 para diminuir a carga de torque no rotor 23 e consequentemente reduzir a força gerada. É importante manter uma carga de torque constante por toda uma única revolução para manter constante a velocidade rotacional do rotor 23. Como mostrado na figura 7, o rotor 23 é feito em segmentos de rotor 42 e 43, cada segmento do rotor 42, 43 inclui pelo menos uma lâmina 23A e segmento de capuz 28S. Cada segmento do rotor 42 inclui pelo menos um ímã permanente 29 enquanto cada segmento do rotor 43 não inclui um ímã 29. Um complemento dos segmentos do rotor 42 e 43 junto forma um rotor completo de 360 graus 23. A faixa 30 mantém os segmentos do rotor 42 e 43 no lugar. As figuras 8A a 8D mostram em forma esquemática quatro combinações de segmentos do estator 40 e segmentos do rotor 42 que são usados para atingir diferentes níveis de força de projeto. (Segmentos do estator vazios 41 e segmentos do rotor sem ímã 43 não são mostrados ou marcados por simplicidade.) Tais configurações segmentadas permitem uma ampla variedade de maneiras para distribuir o torque sobre uma única revolução e pode produzir níveis variados de saída como desejado.

[0135]As figuras 9, 9A, 9B e 9C ilustram uma maneira para construir o difusor 22. Todos os componentes, tais como o alojamento 32, o difusor 22, o rotor 23 e o primeiro e o segundo condutos 21 e 24 podem ser fabricados usando esse processo. A construção do difusor 22 é descrita desde que ele é o mais complexo de tais componentes.

[0136]O dispositivo de conversão de força 20 inclui componentes principais do dispositivo 20 que são feitos em parte de compostos não metálicos, reduzindo custo, peso e corrosão. O módulo de elasticidade dos compostos não metálicos é significativamente mais baixo do que esse do metal. É necessário se certificar que qualquer deflexão sob carga seja restrita ou compensada em uma maneira que não afetará o alinhamento axial do estator 36 e do rotor 23. Para manter a precisão dimensional sob carga, o rotor 23, o alojamento 32, o difusor 22 e o primeiro e o segundo condutos 21 e 24 são estruturas compostas, cada uma consistindo de um esqueleto rígido encapsulado com composto não metálico 35R para atingir a forma hidrodinâmica exigida e a não corrosividade, resistência à erosão e baixo peso desejados. A figura 9 mostra em projeção um esqueleto do difusor 22S feito de metal soldado. O corte AA na figura 9 é também mostrado na figura 9A, ilustrando um esqueleto do cubo 25S e esqueletos da pá do estator 26S. A figura 9B mostra o difusor 22 completo e encapsulado e o corte AA na figura 9C mostra ambos o esqueleto do difusor 22S e o composto não metálico 35R. O composto não metálico 35R pode ser, mas não é limitado a borracha de nitrilo, neoprene ou outro composto de polímero adequado.

[0137]Com referência às figuras 9D e 9E, outro método de fabricação de um componente leve (por exemplo, difusor 22) com grande dureza é produzir um núcleo 22C tendo a mesma forma que o componente final (difusor 22), mas que é menor por, por exemplo, 0,127 cm (0,050 de uma polegada), sobre toda a superfície do componente. O núcleo 22C é feito de um plástico rígido leve ou outro material adequado para manter a forma enquanto uma forte camada de material 22L é depositada sobre o núcleo 22C. A camada 22L é feita de um material metálico ou não metálico com uma espessura de, por exemplo, 0,127 cm (0,050 polegadas) para chegar no tamanho completo do componente (difusor 22). A camada 22L é chamada como um exoesqueleto.

[0138]As vantagens da borracha de nitrilo composta com Teflon e materiais de melhora da condutividade térmica, tal como óxido de alumínio, quando usado como compostos não metálicos 35, 35M e 35R são muitas, incluindo: (1) não corrosividade e capaz de manipular muitos fluidos corrosivos; (2) um valor de durômetro de superfície para reduzir a erosão e permitir o uso como uma superfície de mancai lubrificada por fluido; (3) resistência ao crescimento orgânico e baixo atrito de superfície; (4) boas propriedades de condução térmica para garantir a transferência do calor das bobinas, laminações e ímãs; (5) propriedades dielétricas para isolar eletricamente as bobinas elétricas; (6) propriedade de vedação com excelente adesão e (7) uma redução de 75% no peso do componente comparado com um componente todo de metal das mesmas dimensões. Tais propriedades do material podem ser adequadas ao uso como composto 35, 35M e 35R apropriadamente, desde que os requisitos desses materiais podem ser diferentes dependendo da função de um componente particular do dispositivo 20 a ser fabricado.

[0139]As figuras 10 a 15 ilustram várias aplicações do dispositivo de conversão de força 20. As turbinas de água de fluxo axial são geralmente capazes de lidar com alturas de cargas estáticas de uns poucos metros até 18 metros (60 pés) eficientemente. A figura 10 mostra uma instalação básica do dispositivo de conversão de força 20 em uma represa 56. A represa 56 retém água em um reservatório a montante em um nível 57. A altura de carga estática criada pela represa 56 é o diferencial de altura entre o nível a montante 57 e o nível a jusante 58. Uma comporta 51 alimenta água para o dispositivo 20 via admissão 53 que tem um conjunto de barras de grade 53G e uma válvula de interrupção 52. A comporta 51 é suportada por vários suportes de tubo 59. A válvula de interrupção 52 serve para interromper a operação do dispositivo de conversão de força 20 para permitir que o dispositivo 20 mude a operação do modo de geração de força para o modo de bomba e de volta.

[0140]As figuras 10A e 11 mostram a colocação de dois dispositivos de conversão de força 20 em série para lidar com maiores alturas de cargas estáticas. Dois dispositivos de conversão de força 20 são colocados em linha e conectados na comporta 51. O método convencional para lidar com a altura de carga estática mais alta é usar uma única turbina de estilo diferente que é significativamente mais cara para fabricar e excede muito o custo de dois dos presentes dispositivos inventivos 20. Múltiplos dispositivos de conversão de força integrados 20 podem ser colocados em cascata dessa maneira para cobrir uma faixa mais ampla de pressões de altura de carga estática. Os dispositivos de conversão de força 20, dispostos em série, podem ter pelo menos um eixo de transmissão 27S conectando de modo rotativo os rotores 23 para garantir que os rotores 23 girem todos na mesma velocidade. Um controlador do sistema 88 serve para repartir a saída de força de cada dispositivo 20 via condutores de sinal de controle 85.

[0141]A figura 12 ilustra uma disposição de mestre e escravo no dispositivo de conversão de força 20 que inclui uma turbina auxiliar 20T (escrava) para dividir a pressão da altura de carga sobre múltiplas unidades em frente de ou atrás da porção mestre do dispositivo de conversão de força 20. (Na figura 12, a direção de fluxo da água A indica que a turbina auxiliar 20T está em frente da porção mestre do dispositivo 20.) Pelo menos uma turbina auxiliar 20T tendo um difusor 26T, com um cubo 25T sustentando um rotor 23T via lâminas do rotor 23AT e cubo do rotor 27T é colocada em linha com o dispositivo de conversão de força 20 e o rotor 23 é conectado de modo rotativo com um eixo de transmissão 27S em pelo menos um rotor 23T de pelo menos uma turbina auxiliar 20T.

[0142]A figura 13 ilustra um método de geração de força de represa existente 56 sem a necessidade de modificar a represa 56. A comporta 51 inclui um sifão 55 colocado sobre a represa 56 com uma extremidade conectada na comporta 51 e a outra extremidade submersa abaixo do nível de água a montante 57 abaixo da linha de água. A extremidade a montante do sifão 55 é dotada com a admissão 53 e barras de grade 53G para impedir que detritos entrem no sifão 55. A válvula de interrupção 52 é colocada na comporta 51 adjacente ao dispositivo 20 e uma válvula 60 é colocada em cima do sifão 55, mas sobre a comporta 51 para garantir que a água da válvula 60 flua para dentro da comporta 51. Para escorvar o sifão 55, a válvula de interrupção 52 é fechada e a válvula 60 é aberta, enchendo a comporta 51 com água. Depois que a comporta 51 está cheia, a válvula 60 é fechada e a válvula de interrupção 52 é aberta para começar o fluxo da água através do dispositivo 20.

[0143]A figura 13 também ilustra um segundo método para escorvar o sifão 55. Desde que as funções hidrodinâmicas e elétricas do dispositivo de conversão de força 20 são totalmente reversíveis, a aplicação de força no dispositivo 20 o transformará em uma bomba de fluxo axial. Uma bomba de fluxo axial precisa estar submersa pelo menos até a linha central do eixo para se escorvar. Além disso, para impedir que o dispositivo 20 no modo de bomba aspire o ar, um tubo de tiragem 63 é colocado no dispositivo 20. Quando o dispositivo 20 é energizado, ele bombeará a água para cima da comporta 51 e através do sifão 55. Tão logo a água saia através da admissão 53, a função do dispositivo 20 é trocada de volta para o modo de geração de força fechando e reabrindo a válvula de interrupção 52 para estabelecer o fluxo da água através do sifão 55 e do dispositivo de conversão de força 20.

[0144]Um terceiro método para escorvar o sifão 55 é também ilustrado na figura 13. Vácuo é aplicado no sifão 55 através da válvula 60 (bomba de vácuo não mostrada) no ponto alto do sifão 55, removendo o ar do sifão 55 de modo a puxar a água para dentro do sifão 55, enchendo a comporta 51 com água. A partida do sifão 55 prossegue como previamente descrito. Como antes, a válvula de interrupção 52 serve para parar o dispositivo de conversão de força 20 e permitir a reversão da operação entre as funções de turbina e bomba.

[0145]Desde que o dispositivo 20 está abaixo do nível de água a jusante 58, consertar o dispositivo 20 nessa posição pode ser difícil. A figura 13 também mostra a instalação de uma passarela 61 e trilho corrediço vertical 62 que possibilita que o dispositivo 20 seja elevado para acesso para inspeção e manutenção ou substituição. O dispositivo de conversão de força 20 é mostrado na posição de serviço 20A. O dispositivo 20 é mostrado na figura 13 em ambas as posições por finalidades de ilustração somente.

[0146]A figura 14 ilustra o dispositivo de conversão de força inventivo 20 em uma aplicação sem represa usando a inclinação natural e características (isto é, poças locais) de um leito de rio adequado. Barras de grade de admissão 53 na extremidade de admissão 53 da comporta 51 bloqueiam a entrada de escombros no dispositivo 20. A comporta 51 é montada em suportes adequadamente posicionados 59. A altura de carga estática do local do leito do rio se estende entre o nível a montante 57 e o nível a jusante 58, causando o fluxo da água através do dispositivo 20 depois de escorvar o sifão 55 nos métodos de enchimento de água e vácuo como descritos antes.

[0147]A figura 15 mostra a colocação do dispositivo de conversão de força 20 no fundo de um dique 70. Uma válvula de distribuição 71 é mostrada em uma posição aberta e pode ser fechada para parar o fluxo da água através do dispositivo 20. O dispositivo 20 pode ser elevado ao longo do trilho corrediço vertical 62 para a posição de serviço 20A. A figura 15A mostra a válvula de distribuição 71 em uma posição fechada e o dispositivo 20 fora da água na posição de serviço 20A. A passarela 61 proporciona o acesso para inspeção, manutenção e substituição.

[0148]Embora os princípios dessa invenção tenham sido descritos em conjunto com modalidades específicas, deve ser entendido claramente que essas descrições são feitas somente por meio de exemplo e não são planejadas para limitar o escopo da invenção. Especificamente, água é usada na descrição acima, mas deve ser entendido que qualquer fluido pode ser usado, particularmente nas aplicações de bombeamento.

Claims

1. Dispositivo de conversão de força, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: • um primeiro conduto de fluido, • um difusor preso no primeiro conduto de fluido e tendo pelo menos uma pá suportando um cubo do difusor, • um rotor suportado com rotação pelo cubo do difusor e tendo pelo menos uma lâmina do rotor, um cubo do rotor e um capuz na periferia do rotor, o capuz tendo pelo menos um ímã montado nele, • um alojamento circundando o capuz e preso no difusor, o alojamento tendo um estator incluindo laminações formando polos e pelo menos uma bobina elétrica ao redor dos polos, o estator sendo encapsulado em um composto não metálico, tal que o fluido é impedido de contatar as laminações e a pelo menos uma bobina elétrica, • pelo menos um dispositivo de controle de comutação conectado na pelo menos uma bobina elétrica e tendo condutores de força externos e • um segundo conduto de fluido preso no alojamento, por meio do que o fluxo do fluido através do dispositivo de conversão de força causa uma carga de torque nas lâminas do rotor, girando o rotor e induzindo um campo magnético nos polos, gerando uma corrente elétrica na pelo menos uma bobina elétrica, convertendo força hidráulica para força elétrica.

2. Dispositivo de conversão de força, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o difusor é preso de modo removível no alojamento.

3. Dispositivo de conversão de força, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o estator é preso de modo removível no alojamento.

4. Dispositivo de conversão de força, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o estator inclui pelo menos dois segmentos do estator, cada segmento tendo pelo menos um polo e pelo menos uma bobina elétrica.

5. Dispositivo de conversão de força, de acordo com a reivindicação 4, CARACTERIZADO pelo fato de que cada segmento do estator é preso de modo removível no alojamento.

6. Dispositivo de conversão de força, de acordo com a reivindicação 4, CARACTERIZADO pelo fato de que os segmentos do estator são isolados do fluido pela encapsulação com um composto não metálico.

7. Dispositivo de conversão de força, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que ainda inclui uma faixa circunferencial mantendo o pelo menos um ímã no rotor.

8. Dispositivo de conversão de força, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o pelo menos um ímã é encapsulado com um composto não metálico.

9. Dispositivo de conversão de força, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o rotor inclui segmentos do rotor e cada segmento do rotor tem pelo menos uma lâmina do rotor e um segmento de capuz.

10. Dispositivo de conversão de força, de acordo com a reivindicação 9, CARACTERIZADO pelo fato de que os segmentos de capuz têm, cada um, pelo menos um ímã.

11. Dispositivo de conversão de força, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que inclui pelo menos um duto de esfriamento.

12. Dispositivo de conversão de força, de acordo com a reivindicação 11, CARACTERIZADO pelo fato de que o fluido de esfriamento fluindo através do pelo menos um duto de esfriamento é pelo menos um do fluido fluindo através do dispositivo de conversão de força e um fluido alternado de uma fonte separada.

13. Dispositivo de conversão de força, de acordo com a reivindicação 11, CARACTERIZADO pelo fato de que o pelo menos um duto de esfriamento fica no alojamento.

14. Dispositivo de conversão de força, de acordo com a reivindicação 11, CARACTERIZADO pelo fato de que ainda inclui uma inserção de esfriamento que inclui o pelo menos um duto de esfriamento e circunda o estator.

15. Dispositivo de conversão de força, de acordo com a reivindicação 14, CARACTERIZADO pelo fato de que o estator e a pelo menos uma inserção de esfriamento são isolados do fluido fluindo através do dispositivo de conversão de força pela encapsulação com um composto não metálico.

16. Dispositivo de conversão de força, de acordo com a reivindicação 14, CARACTERIZADO pelo fato de que (1) o estator inclui pelo menos dois segmentos do estator, (2) cada inserção de esfriamento inclui pelo menos um segmento da inserção de esfriamento preso em cada segmento do estator, (3) cada segmento do estator tem pelo menos um polo e pelo menos uma bobina elétrica e (4) cada segmento da inserção de esfriamento tem pelo menos um duto de esfriamento.

17. Dispositivo de conversão de força, de acordo com a reivindicação 16, CARACTERIZADO pelo fato de que o pelo menos um segmento do estator e o pelo menos um segmento da inserção de esfriamento são isolados do fluido fluindo através do dispositivo de conversão de força pela encapsulação com um composto não metálico.

18. Dispositivo de conversão de força, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que ainda inclui um mancal lubrificado com fluido sustentando o rotor.

19. Dispositivo de conversão de força, de acordo com a reivindicação 18, CARACTERIZADO pelo fato de que o mancal lubrificado com fluido é feito de um composto não metálico e tem fendas de lubrificação.

20. Dispositivo de conversão de força, de acordo com a reivindicação 18, CARACTERIZADO pelo fato de que o mancal lubrificado com fluido é integral com o estator.

21. Dispositivo de conversão de força, de acordo com a reivindicação 20, CARACTERIZADO pelo fato de que o mancal lubrificado com fluido integral tem fendas de lubrificação localizadas entre os polos.

22. Dispositivo de conversão de força, de acordo com a reivindicação 4, CARACTERIZADO pelo fato de que ainda inclui um mancal lubrificado com fluido integral com os segmentos do estator.

23. Dispositivo de conversão de força, de acordo com a reivindicação 22, CARACTERIZADO pelo fato de que o mancal lubrificado com fluido tem fendas de lubrificação localizadas entre os polos.

24. Dispositivo de conversão de força, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o pelo menos um dispositivo de controle de comutação une as bobinas elétricas diretamente nos condutores de força externos.

25. Dispositivo de conversão de força, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o pelo menos um dispositivo de controle de comutação controla o torque entre o rotor e o estator controlando a corrente elétrica através da pelo menos uma bobina elétrica.

26. Dispositivo de conversão de força, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o pelo menos um dispositivo de controle de comutação é configurado para controlar a taxa de fluxo do fluido para controlar a velocidade rotacional do rotor.

27. Dispositivo de conversão de força, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o pelo menos um dispositivo de controle de comutação é configurado para maximizar substancialmente o produto do torque e da velocidade rotacional do rotor à medida que a taxa de fluxo do fluido varia.

28. Dispositivo de conversão de força, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que ainda inclui um banco de carga elétrica e o dispositivo de controle de comutação é configurado para controlar a corrente elétrica para os condutores de força externos e o banco de carga para manter a carga de torque no rotor substancialmente constante à medida que a carga nos condutores de força externos varia.

29. Dispositivo de conversão de força, de acordo com a reivindicação 28, CARACTERIZADO pelo fato de que o banco de carga fica localizado na pelo menos uma pá do estator.

30. Dispositivo de conversão de força, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o pelo menos um dispositivo de controle de comutação é esfriado por pelo menos um do alojamento e do difusor.

31. Dispositivo de conversão de força, de acordo com a reivindicação 14, CARACTERIZADO pelo fato de que o pelo menos um dispositivo de controle de comutação é preso na inserção de esfriamento, e a inserção de esfriamento, o estator e o pelo menos um dispositivo de controle de comutação são isolados do fluido pela encapsulação com um composto não metálico.

32. Dispositivo de conversão de força, de acordo com a reivindicação 16, CARACTERIZADO pelo fato de que o pelo menos um dispositivo de controle de comutação é preso no pelo menos um segmento da inserção de esfriamento e cada segmento do estator e o pelo menos um dispositivo de controle de comutação são isolados do fluido pela encapsulação com um composto não metálico.

33. Dispositivo de conversão de força, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que pelo menos um do primeiro conduto de fluido, difusor, alojamento, rotor e segundo conduto de fluido incluem um esqueleto sobremoldado com um composto não metálico.

34. Dispositivo de conversão de força, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que pelo menos um do primeiro conduto de fluido, difusor, alojamento, rotor e segundo conduto de fluido incluem um exoesqueleto formado sobre um núcleo.

35. Dispositivo de conversão de força, de acordo com a reivindicação 34, CARACTERIZADO pelo fato de que o exoesqueleto é metálico.

36. Dispositivo de conversão de força, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que inclui um mecanismo de transporte configurado para transportar o dispositivo de conversão de força entre uma posição de operação e uma posição de serviço.

37. Dispositivo de conversão de força, de acordo com a reivindicação 36, CARACTERIZADO pelo fato de que o mecanismo de transporte é configurado para girar o dispositivo de conversão de força ao redor de um eixo geométrico perpendicular ao eixo geométrico rotacional do rotor.

38. Dispositivo de conversão de força, de acordo com a reivindicação 36, CARACTERIZADO pelo fato de que ainda inclui pelo menos um grampo de ligação de conduto de fluido de libertação rápida configurado para facilitar a transferência do dispositivo de conversão de força entre a posição de operação e a posição de serviço.

39. Dispositivo de conversão de força, de acordo com a reivindicação 36, CARACTERIZADO pelo fato de que o mecanismo de transporte é configurado para transportar múltiplos dispositivos de conversão de força das posições de operação para as posições de serviço.

40. Dispositivo de conversão de força, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que ainda inclui uma comporta conectada no primeiro conduto de fluido para direcionar o fluido para o dispositivo de um reservatório de fluido a montante através do dispositivo de conversão de força e o segundo conduto de fluido para um reservatório de fluido a jusante.

41. Dispositivo de conversão de força, de acordo com a reivindicação 40, CARACTERIZADO pelo fato de que também inclui uma fonte de corrente elétrica, a fonte de corrente e o pelo menos um dispositivo de controle de comutação sendo configurados para operar o dispositivo de conversão de força no modo de bomba e um modo de geração de força, o modo de bomba incluindo a aplicação da corrente elétrica nos condutores de força externos, fazendo um campo magnético acionar o rotor e bombear o fluido para cima da comporta para o reservatório de fluido a montante, por meio disso convertendo a energia elétrica para energia hidráulica armazenada que é mais tarde convertida de volta para energia elétrica quando o dispositivo de conversão de força opera no modo de geração de força.

42. Dispositivo de conversão de força, de acordo com a reivindicação 40, CARACTERIZADO pelo fato de que a comporta é configurada para operar como um sifão para conectar o reservatório superior no primeiro conduto de fluido.

43. Dispositivo de conversão de força, de acordo com a reivindicação 42, CARACTERIZADO pelo fato de que também inclui uma fonte de corrente elétrica, a fonte de corrente e o pelo menos um dispositivo de controle de comutação sendo configurados para operar o dispositivo de conversão de força em um modo de bomba e um modo de geração de força, o modo de bomba incluindo a aplicação de corrente elétrica nos condutores de força externos, fazendo um campo magnético acionar o rotor e bombear o fluido para cima da comporta para escorvar o sifão.

44. Dispositivo de conversão de força, de acordo com a reivindicação 41, CARACTERIZADO pelo fato de que ainda inclui uma válvula de interrupção colocada entre o primeiro conduto de fluido e a comporta e uma válvula de abastecimento de fluido colocada na comporta, tal que quando a válvula de interrupção é fechada e o fluido é abastecido através da válvula de abastecimento de fluido, a comporta enche com fluido até que o sifão é escorvado e quando a válvula de interrupção abre, o dispositivo de conversão de força opera no modo de geração de força.

45. Dispositivo de conversão de força, de acordo com a reivindicação 42, CARACTERIZADO pelo fato de que ainda inclui uma bomba de vácuo para escorvar o sifão extraindo o vácuo substancialmente no ponto mais alto da comporta.

46. Dispositivo de conversão de força, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o dispositivo é colocado sobre uma abertura em um dique.

47. Dispositivo de conversão de força, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que ainda inclui pelo menos uma turbina auxiliar em pelo menos uma das posições a montante e a jusante em relação ao dispositivo de conversão de força e tendo pelo menos um eixo de transmissão conectando com rotação o rotor do dispositivo de conversão de força em pelo menos um rotor da pelo menos uma turbina auxiliar, por meio disso a pelo menos uma turbina auxiliar aciona o rotor do dispositivo de conversão de força.

48. Dispositivo de conversão de força, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que também inclui uma fonte de corrente elétrica, a fonte de corrente e o pelo menos um dispositivo de controle de comutação sendo configurados para operar o dispositivo de conversão de força no modo de bomba e um modo de geração de força, o modo de bomba incluindo a aplicação de corrente elétrica nos condutores de força externos, fazendo um campo magnético acionar o rotor e bombear o fluido do segundo conduto de fluido, através do alojamento, difusor e primeiro conduto de fluido, por meio disso convertendo força elétrica para força hidráulica enquanto operando no modo de bomba.

49. Sistema de conversão de força fornecendo força elétrica para pelo menos uma carga externa, o sistema tendo uma pluralidade de dispositivos de conversão de força em série de fluido e um controlador do sistema, cada dispositivo de conversão de força CARACTERIZADO pelo fato de compreender: • um primeiro conduto de fluido, • um difusor preso no primeiro conduto de fluido e tendo pelo menos uma pá suportando um cubo do difusor, • um rotor suportado com rotação pelo cubo do difusor e tendo pelo menos uma lâmina do rotor, um cubo do rotor e um capuz na periferia do rotor, o capuz tendo pelo menos um ímã montado nele, • um alojamento circundando o capuz e preso no difusor, o alojamento tendo um estator incluindo laminações formando polos e pelo menos uma bobina elétrica ao redor dos polos, o estator sendo encapsulado em um composto não metálico, tal que o fluido é impedido de contatar as laminações e a pelo menos uma bobina elétrica, • pelo menos um dispositivo de controle de comutação conectado na pelo menos uma bobina elétrica e tendo condutores de força externos conectados em pelo menos uma carga externa e • um segundo conduto de fluido preso no alojamento, e o controlador do sistema é configurado para repartir a força elétrica para a pelo menos uma carga externa entre os vários dispositivos de conversão de força.

50. Sistema de conversão de força, de acordo com a reivindicação 47, CARACTERIZADO pelo fato de que os rotores são conectados por pelo menos um eixo de transmissão, acoplando os rotores com rotação.

51. Dispositivo de conversão de força, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: • um primeiro conduto de fluido, • um difusor preso no primeiro conduto de fluido e tendo pelo menos uma pá suportando um cubo do difusor, • um rotor suportado com rotação pelo cubo do difusor e tendo pelo menos uma lâmina do rotor, um cubo do rotor e um capuz na periferia do rotor, o capuz tendo pelo menos um ímã montado nele, • um alojamento circundando o capuz e preso no difusor, o alojamento tendo um estator incluindo laminações formando polos e pelo menos uma bobina elétrica ao redor dos polos, o estator sendo encapsulado em um composto não metálico, tal que o fluido é impedido de contatar as laminações e a pelo menos uma bobina elétrica, • pelo menos um dispositivo de controle de comutação conectado na pelo menos uma bobina elétrica e tendo condutores de força externos, • um segundo conduto de fluido preso no alojamento e • uma fonte de força elétrica, por meio do que a aplicação da corrente elétrica da fonte de força elétrica nos condutores de força externos faz com que um campo magnético acione o rotor e bombeie o fluido do segundo conduto de fluido, através do alojamento, difusor e primeiro conduto de fluido, por meio disso convertendo força elétrica para força hidráulica.

52. Dispositivo de geração de força hidrelétrico, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: • uma primeira entrada de fluido, • um difusor com (a) pelo menos uma pá sustentando um cubo do difusor e (b) um rotor suportado com rotação pelo cubo do difusor e tendo (i) lâminas do rotor, (ii) um cubo do rotor e (iii) um capuz na periferia do rotor, o capuz incluindo pelo menos um ímã montado nele, • um alojamento circundando o capuz e tendo um estator rigidamente preso incluindo laminações e pelo menos uma bobina elétrica e • uma fonte de corrente elétrica conectada na pelo menos uma bobina elétrica, por meio do que a corrente elétrica gera um campo magnético produzindo um torque no pelo menos um ímã, girando o rotor e fazendo com que as lâminas do rotor bombeiem o fluido através do alojamento, do difusor e da entrada de fluido, dessa forma convertendo força elétrica para força hidráulica.