FI126620B - Laitteisto ja menetelmä energian keräämiseksi taittopyörästön yhteydessä taittopyörästöllä varustetussa nostolaitteessa - Google Patents

Description

Laitteistoja menetelmä energian keräämiseksi taittopyörästön yhteydessä taittopyörästöllä varustetussa nostolaitteessa

Keksinnön ala

Keksintö liittyy tekniikoihin, joilla nostokoneisiin, kuten nostureihin ja vastaaviin voidaan asentaa sähköä tarvitsevia laitteita taittopyörän yhteyteen, erityisesti koukun tai muun taakankiinnitysvälineen mukana liikkuvan taittopyörän yhteyteen. Keksintö liittyy nosturiin tai nostimeen, jossa koukkua tms. nostetaan ja lasketaan ainakin yhden taittopyörän kautta kulkevalla köydellä tai ketjulla, jolloin taittopyörä muuttaa köyden lineaarisen liikkeen pyöriväksi liikkeeksi. Keksinnön käyttö ei kuitenkaan rajoitu koukun tms. mukana liikkuviin taittopyöriin vaan sitä voidaan käyttää muidenkin taittopyörien kanssa.

Keksinnön tausta

Seuraavassa selostuksessa termejä nosturi ja nostokone tai -laite käytetään synonyymeinä. Vastaavasti termiä koukku käytetään tarkoittamaan kaiken tyyppisiä taakankiinnitysvälineitä. Tässä selostuksessa ”alas” tarkoittaa normaalin käytännön mukaisesti suuntaa, johon painovoima pyrkii vetämään massaa ja ”ylös” on painovoimalle vastakkainen suunta. Nosturin elementtien yhteydessä ylös ja alas viittaavat nosturin normaalia toimintatilaa. Esimerkiksi tavanomaisen koukun sanotaan avautuvan ylöspäin ja olevan alapuolelta suljettu, vaikka koukku olisi jossakin tilanteessa normaalista poikkeavassa asennossa. Nosturissa, jossa on vaakasuoran palkin eli sillan varassa kulkeva vaunu, jonka varaan koukkua kannattava taittopyörä on ripustettu köyden tai ketjun kautta, sähkön tuominen koukun yhteyteen on hankalaa, koska koukku liikkuu pystysuunnassa suhteessa nosturin vaunuun ja vaakasuunnassa vaunun ja sillan liikkuessa sivusuunnissa. Mikäli sähkönsyöttöä tarvitaan koukkuun tai muuhun tarraimeen, käytettävä kaapeli on erikoisvalmisteista ja siten kallista. Kaapeli on myös herkkä kulumiselle ja rasitukselle. Myös rakenteeltaan tällainen ratkaisu on kallis ja vaikea toteuttaa, vaikkakin tällaisia ratkaisuja käytetään tarpeen mukaan, erityisesti suurissa nostureissa. Sähkön tuomisella koukun yhteyteen olisi monia sovelluksia, myös pienemmissä nostureissa, joissa sähkönsyötön järjestäminen koukun yhteyteen olisi kohtuuttoman kallista nosturin hintaan suhteutettuna.

Julkaisussa DE10001215A1 esitetään dynamo, joka syöttää virtaa teleskooppimaisen nosturipuomin päässä olevalle radiolähettimelle. Dynamo asennetaan polkupyöristä tunnettuun tapaan radiaalisesti jäykkään rakenteeseen, vaikkakin tämä rakenne laajenee ja supistuu teleskooppimaisesti.

Julkaisussa DE 102004027106A1 esitetään nosturin koukun yläpuoliseen vaihdelaatikkoon asennettava anturi kuorman punnitsemista varten. Myös julkaisuissa DE102009036480A1 ja US 5071184 esitetään erilaisia tekniikoita energian järjestämiseksi nosturin rakenteisiin.

Tunnettujen rakenteiden soveltamisessa nostureihin on kuitenkin joitakin erityisiä ongelmia. Yllä mainituissa viitejulkaisuissa esitetyissä tekniikoissa esiintyy tiettyjä ongelmia. Esimerkiksi silloin, kun nosturin koukku tukeutuu nosturin runkoon joustavan rakenteen kautta, kuten vaijerin tai ketjun kautta, niin energian johtaminen koukkuun nosturin kiinteistä rakenteista on huomattavan hankalaa.

Lisäksi esimerkiksi polkupyörien yhteydessä on yleisesti tunnettua kehittää sähköä paikallisesti, esimerkiksi käyttämällä dynamoa, joka kytkeytyy pyöränrenkaaseen kitkavoiman välityksellä. Mikäli energiaa kehitetään generaattorilla, joka kytkeytyy taittopyörään polkupyörän dynamon tavoin radiaalisesti, rakenne on arka likaantumiselle sekä kosteudelle ja jäätymiselle, jolloin vaarana on, että talvella dynamo ei pyöri eikä kehitä sähköä.

Lisäksi nosturin käyttö on luonteeltaan epäsäännöllistä, joten taitto-pyörätkään eivät pyöri jatkuvasti. Energiaa voidaan tarvita koukun tai yleisesti taittopyörien yhteydessä nosturin käyttöhetkien välilläkin. Mikäli energiaa haluttaisiin hyödyntää esimerkiksi koukun yhteyteen asennetussa työvalaisimessa, ei ole järkevää että työvalaisin toimisi vain koukun noustessa tai laskiessa. Vielä eräs erityinen ongelma on, että nosturin koukun pystysuora liike on erittäin hidasta verrattuna vaikkapa polkupyörän nopeuteen. Polkupyörä kulkee tyypillisesti n. 6 metriä sekunnissa (n. 20 km/h), kun taas nosturin koukun pystysuuntainen nopeus on tyypillisesti 6 metriä minuutissa. Siitä huolimatta polkupyörän dynamo sisältää välityksen, jolla dynamon pyörimisnopeutta nostetaan pyörän pyörimisnopeuteen verrattuna kehien säteiden suhteessa, eli n. 50-kertaisesti. Nosturin taittopyörän pyörimisnopeus yltää siis tuskin yhteen prosenttiin polkupyörän dynamon pyörimisnopeudesta. Käyttökelpoisen antotehon tuottaminen nosturin taittopyörän liikkeestä on siis vähintäänkin haasteellista. Kitkavoimaan perustuva välitys tarjoaisi sinänsä helpon tavan nostaa generaattorin kierrosnopeutta, mutta ongelmana on mm. jäätymisen aiheuttama kitkavoiman menetys ja siitä johtuva dynamon lukkiutuminen. Rakenteen jäätyessä dynamo ei siis pyöri eikä tuota energiaa. Toisaalta generaattorin jäykällä kytkennällä taittopyörään generaattorin pyörimisnopeus jää yhtä alhaiseksi kuin on taittopyörän kierrosnopeus, joka on tyypillisesti vain muutamia kierroksia minuutissa.

Keksinnön lyhyt selostus

Keksinnön tavoitteena on kehittää menetelmä ja menetelmän toteuttava laitteisto, joilla voidaan lieventää ainakin yhtä tunnettujen ratkaisujen ongelmaa. Keksinnön tavoite saavutetaan menetelmällä ja laitteistolla, joille on tunnusomaista se, mitä sanotaan itsenäisissä patenttivaatimuksissa.

Epäitsenäiset patenttivaatimukset ja tämä patenttiselitys ja kuviot liittyvät erityisiin suoritusmuotoihin, jotka tuottavat joitakin ylimääräisiä etuja ja/tai tarjoavat erityisen edullisia tapoja ongelmien ratkaisemiseksi.

Keksintö perustuu siihen ajatukseen, että muodostetaan laitteisto energian keräämiseksi taittopyörästön yhteydessä taittopyörästöllä varustetussa nostolaitteessa. Keksinnön mukaiseen laitteistoon kuuluu: - ainakin yksi generaattori, johon kuuluu roottori ja ainakin yksi staattori; - missä roottori on kytketty jäykästi taittopyörästön taittopyörään ja mainittu ainakin yksi staattori on kytketty jäykästi taittopyörästöön siten, että nostolaitteen taakan noustessa tai laskiessa mainittu ainakin yksi taittopyörä pyörii, jolloin samalla roottori pyörii, mutta staattori ei pyöri, jolloin staattoriin indusoituu jännite; - energiavarasto; - välineet staattoriin indusoituneen jännitteen avulla saatavan sähköenergian muokkaamiseksi ja varastoimiseksi energiavarastoon; ja - välineet energian johtamiseksi energiavarastosta ainakin yhteen kulutuslait-teeseen.

Keksinnölle on tunnusomaista, että mainittu ainakin yksi generaattori käsittää aksiaalivuogeneraattorin, jossa roottorin magneettivuo suuntautuu taittopyörästön pyörimisakselin suuntaisesti.

Keksinnön mukainen laitteisto energian keräämiseksi voidaan asentaa nostolaitteeseen jo valmistuksen yhteydessä. Vaihtoehtoisesti laitteisto voidaan suunnitella jälkiasennusta varten olemassa oleviin nostolaitteisiin. Näin ollen keksinnön yksi näkökohta on energiankeräämislaitteisto sinänsä ja toinen on energiankeräämislaitteiston käsittävä nostolaite. Keksinnön kolmas näkökohta on menetelmä energian keräämiseksi nostolaitteen taittopyörästön yhteydessä.

Seuraavassa selostuksessa käytetään termiä nosturi esimerkkinä nostolaitteesta tai -koneesta, joihin keksinnön mukainen energiankeräin voidaan asentaa. Keksinnön kannalta nostokoneelta edellytetään, että siinä on ainakin yksi taittopyörä, jossa köyden lineaarinen liike aiheuttaa taittopyörän pyörimisen. Keksinnön erään suoritusmuodon mukaisesti energiankeräin asennetaan taakankiinnitysvälineen yhteydessä olevaan taittopyörään. Taa-kankiinnitysväline voi olla esimerkiksi koukku, koura, kahmari, konttitarrain, muu tarrain tai sähkömagneetti, jota kannattelee taittopyörä, joka pyörii kun koukkua nostetaan tai lasketaan. Alan ammattilaiset huomaavat, että tämän suoritusmuodon keskeinen piirre on taakan kiinnityspisteen nostaminen ja laskeminen taittopyörän välityksellä, ja termiä koukku käytetään yleisnimityksenä tarkoittamaan kaiken tyyppisiä taakankiinnitysvälineitä.

Erään edullisen toteutuksen mukaisesti energian kerääminen perustuu kestomagnetoituun aksiaalivuogeneraattoriin, jonka etuna radiaalivuoko-neeseen verrattuna on mm. suurempi tehotiheys. Suurempi tehotiheys tekee mahdolliseksi tuottaa annetun kokoisella generaattorilla enemmän energiaa tai käänteisesti saman energian pienemmällä generaattorilla kuin radiaalivuoko-neen tapauksessa. Toisena etuna radiaalivuokoneeseen verrattuna on litteä koko, mikä helpottaa keksinnön mukaisen energiankeräimen sijoittamista esimerkiksi taittopyörästöllä varustetun taittopyörästön yhteyteen.

Aksiaalivuogeneraattorin roottori muodostuu roottori levystä ja siihen kiinnitetyistä kestomagneeteista. Taittopyörän tapauksessa magneetit voidaan kiinnittää myös suoraan taittopyörään. Staattoripuolella on käämitys, johon taittopyörän ja siten magneettien pyöriessä indusoituu jännite saaden aikaan generaattorin tuottaman virran.

Nosturissa jo olemassa oleva taittopyörä voisi esimerkiksi jälkiasennuksessa toimia generaattorin roottorin runkona ja tarjota valmiit kiinnityspinnat ja laakeroinnit. Taittopyörän akseli voi tarjota generaattorille hyödynnettävän akselin generaattorin käyttövoiman tuottamiseksi tavalla, joka ei ole arka kos-tumisen, likaantumisen tai jäätymisen aiheuttamalle luistamiselle. Tällöin tilatarve pienenee ja itse taittopyörän tukirakenne saadaan toteutettua pienempään kokoon tinkimättä nostokyvystä. Pienemmästä koosta saadaan yleensä se etu, että myös koukkulohkon korkeus on pienempi, jolloin itse nostokorkeus voidaan maksimoida. Pienikokoinen koukkulohko muodostaa myös pienemmän näköesteen nostoissa, mikä parantaa turvallisuutta. Lisäksi yhteisten laakerointi- ja ohjauspintojen avulla mekaaniset häviöt pienenevät, jolloin itse sähköinen tuotto on suurempi.

Staattoripuolella energia muokataan esimerkiksi tasasuuntauksella ja suodatuksella, energiankeräimeen liitettyjen laitteiden ja akun latausjännit-teen edellyttämillä tavoilla.

Nosturin käyttö on epäsäännöllistä, joten taittopyörätkään eivät pyöri jatkuvasti, ja siten energian varastointi on tarpeen. Lisäksi energiaa voidaan tarvita koukussa tai yleisesti taittopyörissä nosturin käyttöhetkien välilläkin. Tätä varten energiankeräimeen liittyy energiavarasta, kuten akku, superkonden-saattori, tms. Edellä kuvatulla tavalla toteutettuna energiankeräin tuottaa merkittävästi energiaa. Esimerkiksi tyhjä koukku voi tuottaa jo useita watteja, kuormattuna vielä huomattavasti enemmän. Tämä mahdollistaa energian tarjoamisen koukusta muille laitteille niiden käyttöä tai akkujen lataamista varten. Generaattorilla voidaan tuottaa sähköä taittopyörän molemmissa pyörimissuunnissa, toisin sanoen sekä koukkua nostettaessa että laskettaessa.

Koukun kuormaus vaikuttaa energian tuotantoon sitä kautta, että tyhjän koukun paino muodostaa riittävän kitkan köyden ja taittopyörän väliin. Generaattori saa energiansa vastustamalla sähkömagneettisen voimansa kautta taittopyörän liikettä indusoimalla samalla jännitteen, ja jos generaattori mitoitetaan liian suureksi, köysi ei enää jaksa vetää taittopyörää liikkeelle. Erään suoritusmuodon mukaisesti kuormitus voi olla dynaamisesti adaptoituvaa, jolloin liikkeen aikana voidaan mitata koukkuun kytkettyä kuormaa ja lisätä tehonottoa sen perusteella, miten suurta kuormaa kannatetaan.

Energiavaraston energiaa voidaan käyttää useiden toimintojen toteuttamiseksi taittopyörän, erityisesti koukun yhteydessä. Koukkuun voidaan yhdistää esimerkiksi erilaisia antureita mittaamaan kuormaa ja/tai koukun tai kuorman etäisyyttä esteistä. Antureiden sijasta tai lisäksi voidaan asentaa laskentayksiköltä tietojen tallentamista ja prosessointia varten. Lisäksi tietoa ja mittauksia voidaan siirtää langattomasti koukusta nosturin automaatiojärjestelmään ja/tai suoraan laitoksen informaatiojärjestelmään, jolloin esimerkiksi kuorman mittaaminen voidaan toteuttaa helposti koukkuun liitettävällä anturilla. Kuorman mittaaminen voi myös ohjata energiankeräintä. Kuorman perusteella voidaan esimerkiksi määrätä kerätäänkö energiaa vai ei.

Energiankeräin täytyy mitoittaa jollekin tyypilliselle kuormalle, joka voi olla joko tyhjän koukun paino tai jokin tyypillinen nosturilla nostettavan kuorman paino. Mitä suurempi on kuorma, sitä suurempi on myös energian-tuotto. Laskuliikkeessä ensisijainen energian lähde on potentiaalienergia. Nos- toliikkeessä energian lähde on nostomoottori, jonka akselille kohdistuu energiankeräimen generaattorin pyörittämiseen tarvittava lisämomentti. Tämä lisämomentti on yleensä verrattain pieni suhteessa nostoon tarvittavaan momenttiin. Lisämomentin suuruus puolestaan riippuu generaattorin sähköisestä kuormituksesta ja pienistä mekaanisista häviöistä.

Jos keräin mitoitetaan tyhjän koukun kuormaa suuremmalle kuormalle, ei energiaa voida kerätä, jos koukkuun ei ole kiinnitetty riittävän suurta kuormaa. Luiston havaitsemiseksi voidaan käyttää kuorman punnitusanturin tietoa koukussa. Kun kuorman massa on tarpeeksi suuri, voidaan energian talteenotto aloittaa. Taittopyörän luistaminen voidaan havaita esimerkiksi siten, että nosturi kertoo langattomasti energiankeräimelle vallitsevan nostonopeu-den. Näin esimerkiksi energiankeräimen antaman jännitteen muotoa seuraamalla voidaan päätellä taittopyörän nopeus ja liikesuunta. Vertaamalla nosturin nostonopeutta mitattuun taittopyörän nopeuteen, voidaan havaita luisto. Tätä tietoa voidaan myös käyttää generaattorin ohjaukseen, eli kuinka paljon tehoa otetaan, jolloin voidaan toteuttaa dynaamisesti adaptoituva kuormitus.

Koukun tai taittopyörän yhteydessä suoritettavat mittaukset ovat mahdollisia, kun sinne on saatu muodostettua sähköenergiaa ilman erillistä johdinta. Vastaavasti taittopyörän toimilaitteet voivat olla langattomasti yhteydessä nosturin muihin laitteisiin, jolloin mittaus ja tila-tietoja voidaan yhdistää nosturin eri osien kesken. Langaton yhteys esimerkiksi nosturin nostomoottori n ja koukun välillä voi siis palvella kaksisuuntaisesti ja kahdessa eri merkityksessä. Tällöin kuorma-anturointi voi ohjata keräinpiiriä ja estää energian keräämisen, jos kuormaehdot eivät täyty, eli taittopyörää käyttävä momentti ei ole riittävän suuri. Momentti on mahdollista mitata, ja mittaustulos on käytettävissä yhtenä vaihtoehtona energiankeräimen keräinpiirin aktivoimiseksi.

Energiankeräimessä voidaan hyödyntää myös helposti energiava-raston varaustilan mittausta ja estää esimerkiksi ylilataaminen varaston ollessa täysi, jolloin esimerkiksi energiankeräin ohjataan pois käytöstä tai sen tuottama energia kulutetaan valaisimessa tms., jolloin akun ylilatautuminen estyy.

Koska sopivasti mitoitettu energiankeräin voi tuottaa jo merkittävästi energiaa, koukkuun voidaan liittää jopa työvaloja, esimerkiksi LEDejä, jotka valaisevat koukun ympäristöä, erityisesti koukun alla olevaa aluetta. Näin voidaan helpottaa nosturilla työskentelyä ja/tai varoittaa ulkopuolisia kulkemasta ylös nostetun taakan alle.

Lisäksi nosturi voi lähettää koukkuun liitettävälle radiomoduulille viestejä käytön aikana, jolloin radiomoduuli voi ohjata esimerkiksi koukkuun liitettyjä varoitusvaloja. Myös äänimerkein varoittaminen on mahdollista. Valoilla voidaan viestiä esimerkiksi liian lähellä olevista esteistä, mikäli nosturi tietää esteiden paikat tai pystyy mittaamaan ne. Tämän sijasta tai lisäksi koukku voi valaista sen suunnan, johon nosturi liikkuu. Mikäli energiankeräin ja -varasto asennetaan taakankiinnitysvälineen yhteyteen, ne mahdollistavat nosturin käytön mittaamisen ja nosturin komponenttien kunnonvalvonnan mittausten tekemisen sopivilla antureilla ja mahdollisesti prosessointimahdollisuuden ja/tai radioyhteyden asentamisen näitä tarkoituksia varten. Tällaisen prosessointi-mahdollisuuden järjestämiseksi laitteistossa voi olla esimerkiksi ohjelmoitava mikroprosessori tai kiinteästi tai puolikiinteästi ohjelmoitu logiikkapiiri, ns. FPGA (”field programmable gate array”) tai muita vastaavia ratkaisuja.

Generaattorin virtapulssien perusteella voidaan mitata myös köyden kulkemaa matkaa, ja tätä tietoa voidaan hyödyntää esimerkiksi köyden kunnon valvonnassa. Mitattua matkaa voidaan verrata köysitelan syöttämään matkaan, jolloin voidaan mahdollisen pituusmuutoksen perusteella selvittää köyden ve-nymää, ja sen rinnalla köyden halkaisijan muutosta tai muuta köyden kuntoa mittaavaa suuretta. Köyden tilalla voidaan tietysti käyttää muutakin taipuisaa elementtiä, kuten ketjua tai hihnaa.

Koukkuun voidaan myös liittää kannettavia laitteita näiden akkujen lataamiseksi. Esimerkkeinä tällaisista laitteista käyvät nosturin radio-ohjain, taskulamppu ja kannettavat elektroniikkalaitteet, kuten matkapuhelin, PDA tai jokin langaton anturi tms. Lisäksi energiankeräin ja -varastointilaite voi tarjota rajapinnan muiden laitteiden liittämiseksi nosturin tietojärjestelmään. Laitteessa on jokin tai joitakin standardiliittimiä, kuten USB-liitin, jonka kautta esimerkiksi matkapuhelimen voi liittää laitteeseen. Tällöin laite voi lukea langattomasti nosturin tiedot automaatiojärjestelmästä ja välittää ne USB-liittimen kautta matkapuhelimeen, josta ne voi siirtää radioteitse (GPRS, 3G, 4G, WLAN, Bluetooth, tms.) esimerkiksi asiakkaan tietojärjestelmään tai nosturin huollosta vastaavan yrityksen tietojärjestelmiin. Välitettäviä tietoja voivat olla esimerkiksi nosturin käyttötiedot, kunnonvalvonnan mittaukset tai analyysin tulokset jne.

Koukkuun voidaan liittää myös käyttöliittymä nosturin operaattorille. Näytöllä voidaan esittää nosturin mittaustietoja (esimerkiksi kuorma ja/tai koukun paikka tai sen etäisyys johonkin kohdepisteeseen) ja käyttöliittymän kautta voi myös tehdä nosturin toimintaan vaikuttavia konfigurointeja.

Energiankeräin käsittää generaattorin, joka on sovitettu hyödyntä- mään nosturin koukun pystysuuntaisesta liikkeestä syntyvää mekaanista energiaa ja kehittämään sähköenergiaa. Generaattori käsittää aksiaali-vuogeneraattorin. Nosturin koukun liikettä hyödyntävän päägeneraattorin lisäksi tai sen sijasta energiankeräin voi myös käsittää yhden tai useamman apu-generaattorin, joka pitää energiavaraston latauksessa ja/tai syöttää tehoa korkeimman prioriteetin energiankulutuslaitteille silloinkin kun nosturi on pitkiä aikoja liikkumatta. Tällainen apugeneraattori voi käsittää esimerkiksi aurinkopaneelin ja/tai tuuligeneraattorin.

Energiavarasto käsittää edullisesti yhden tai useamman akun, joka varastoi energiaa sähkökemiallisina varaustilan muutoksina. Akku voi olla mitä tahansa yleisesti käytettyä tyyppiä, kuten litium-ioni, litium-polymeeri (LiPo), nikkeli-metallihybridi (NiMH), nikkelikadmium (NiCd), lyijyakku tms. Energian-kulutuslaitteina tulevat kysymykseen erilaiset anturit, mittalaitteet, kamerat, viestintälaitteet, valaisimet, äänimerkin antolaite, varoitusvalot, tms. Esimerkiksi äänimerkkiä lähettävä koukkulohko voi tuottaa sivullisille tarkemman ilmoituksen lähestyvästä vaarasta kuin tunnettua tekniikkaa edustava nosturin yläpuolisista rakenteista tuleva äänimerkki.

Ohjaimen yhtenä tehtävänä on energiavaraston varaustilan ohjaaminen, samalla tavoin kuin esimerkiksi älykkään akkulaturin tapauksessa. On edullista, mikäli ohjain on sovitettu energiavaraston varaustilan ohjaamisen lisäksi priorisoimaan energiankulutuslaitteita ja heikon varaustilan vallitessa estämään tai rajoittamaan tehonsyöttöä alempien prioriteettiluokkien energiankulutuslaitteille.

Kuvioiden lyhyt selostus

Keksinnön erityisiä suoritusmuotoja selostetaan nyt lähemmin viitaten oheisiin piirroksiin, joissa samat viitenumerot tai -merkit viittaavat samoihin elementteihin. Kaksiosaisen viitenumeron, esimerkiksi 1-10, ensimmäinen numero osoittaa kuviota, jonka yhteydessä viitenumeron osoittama elementti ensimmäisen kerran selostetaan eikä elementin selostusta yleensä toisteta myöhempien kuvioiden yhteydessä. Piirrokset selityksineen on tarkoitettu havainnollistamaan mutta ei rajoittamaan keksintöä. Piirroksissa:

Kuvio 1 esittää nostokoneen pääosia;

Kuvio 2 esittää energiankeräimen osien sijoittamista taittopyörällä varustettuun taakankiinnitysvälineeseen keksinnön erään suoritusmuodon mukaisesti;

Kuvio 3 esittää keksinnön mukaisen energiankeräimen sähköisten osien lohkokaaviota;

Kuvio 4 esittää aksiaalivuogeneraattorin poikkileikkausta;

Kuvio 5 esittää aksiaalivuogeneraattorin roottorin joitakin mahdollisia konfiguraatioita;

Kuviot 6 ja 7 havainnollistavat aksiaalivuogeneraattorin mallintamista ja optimointia.

Kuvio 8A esittää tarkemmin mallinnuksen tuloksena valittua aksiaalivuogeneraattorin prototyyppiä ja erityisesti staattoriurien geometriaa;

Kuvio 8B esittää tarkemmin staattoriurien geometriaa;

Kuviot 9A - 9B esittävät erästä esimerkkiä koukun kiinnitystä ja anturien sijoittelua varten vastaavasti sivulta ja ylhäältä nähtynä;

Kuviot 9C esittää esimerkinomaisesti taittopyörän laakeroinnin yhteydessä olevaa magneettia, sitä vastaavaa staattoria ja niiden välillä olevaa pölytiivistettä, esimerkiksi kaksipuoleisia V-huulitiivistettä, poikkikeikkauksena sivulta nähtynä;

Kuvio 9D on muunnos kuvion 9C esittämästä suoritusmuodosta siten, että V-huulitiiviste on 1-puoleinen;

Kuvio 9E on muunnos kuvion 9D esittämästä suoritusmuodosta siten, että tiiviste on harjatiiviste;

Kuvio 9F esittää erästä esimerkkiä magneettien sijoittelemiseksi tait- topyörälle;

Kuvio 9G esittää erästä esimerkkiä staattorien sijoittelemiseksi puolikaaren muotoon;

Kuviot 9H ja 9I esittävät erästä esimerkkiä käämien sijoittelemiseksi U-muotoiseen magneettiin;

Kuviot 9J ja 9K esittävät esimerkkejä magneettien sijoittelua ja jakoa varten taittopyörässä sivulta nähtynä;

Kuvio 9L esittää erästä esimerkkiä suojauksen parantamista varten;

Kuvio 10 esittää aksiaalivuogeneraattorin prototyypin tuottamaa an-totehoa erilaisilla käämilangan paksuuksilla; ja

Kuvio 11 esittää antojännitteen riippuvuutta pyörimisnopeudesta kuvioiden 6 - 8 yhteydessä selostetun keksinnön prototyypin tapauksessa.

Erityisten suoritusmuotojen yksityiskohtainen selostus

Kuvio 1 esittää erään esimerkinomaisen nostokoneen pääosia. Nos- tokonetta osoitetaan yleisesti viitenumerolla 100. Tässä esimerkissä nostokoneen runkoon kuuluu palkki 1-10, jonka pituussuuntaisesti kulkee vaunu 1-20 moottorin 1-30 kuljettamana. Vaunun runko 1-50 kannattaa nostomoottoria 1-60, joka nostaa ja laskee köysistön 1-70 välityksellä yleisesti viitenumerolla 1-75 osoitettuja elementtejä, joihin kuuluu taittopyöräjärjestely 1-80 ja sen mukana nouseva ja laskeva taakankiinnitysväline 1-90, kuten koukku, kahmari, tai tarrain. Monia nostokoneen tavanomaisia elementtejä, kuten erilaisia köysitelo-ja ei ole lähemmin selostettu. Keksinnön kannalta mielenkiintoisin elementti on taittopyöräjärjestely 1-80, jota selostetaan lähemmin kuviossa 2. Viitenumero 1-85 osoittaa taittopyörästön akselia.

Kuvio 2 esittää energiankeräimen osien sijoittamista taittopyörällä varustettuun taakankiinnitysvälineeseen keksinnön erään suoritusmuodon mukaisesti. Kuviossa 2 taittopyöräjärjestelyä 1-80 tarkastellaan ylhäältä päin nähtynä. Taittopyöräjärjestelyyn kuuluu tässä esimerkissä kehikko 2-10 ja siihen tukeutuva akseli 1-85. Akseli 1-85 tukee kahta taittopyörää 2-21 ja 2-22. Tässä esimerkissä taittopyörän 2-22 kummallekin puolelle, akselin 1-85 suunnassa, on sijoitettu generaattorit, joita osoitetaan yleisesti viitenumeroilla 2-50. Energiantarpeesta ja generaattorien kapasiteetista riippuen generaattorit 2-50 voidaan sijoittaa yhden tai useamman taittopyörän toiselle tai molemmille puolille. Generaattorin 2-50 pääosat ovat roottori 2-60, staattori 2-80 ja niitä erottava ilmaväli 2-70. Tässä esimerkissä roottori 2-60 on kiinnitetty jäykästi taittopyö-rään 2-22. Staattori 2-80 on vastaavasti kiinnitetty jäykästi taittopyöräjärjeste-lyn kehikkoon 2-10. Jäykkä kiinnitys tarkoittaa, että roottorin pyöriminen taitto-pyörän 2-22 mukana ei perustu pelkkään kitkaan, kuten polkupyörän dynamoa mukailevissa ratkaisuissa. Jäykkä kiinnitys ei kuitenkaan sulje pois sitä, ettei generaattori 2-50 - siis roottori 2-60 ja staattori 2-80 - voisi olla jälkiasennetta-vissa ja irrotettavissa esimerkiksi huoltoa varten. Tässä esimerkissä generaattorit 2-50 ovat aksiaalivuogeneraat-toreita, mikä tarkoittaa että niiden päävuo kulkee roottorin pyörähdysakselin suuntaisesti. Tämän keksinnön kannalta aksiaalivuogeneraattoreiden pääetu-na ovat suurempi tehotiheys ja litteä koko verrattuna radiaalivuokoneeseen. Aksiaalivuogeneraattorin roottori 2-60 muodostuu roottorilevystä 2-61 ja siihen kiinnitetyistä kestomagneeteista, joita osoitetaan yleisesti viitenumerolla 2-65. Taittopyörän tapauksessa magneetit 2-65 voidaan vaihtoehtoisesti kiinnittää suoraan taittopyörään 2-22.

Staattorissa 2-80 on käämitys, johon taittopyörän 2-22 ja samalla magneettien 2-65 pyöriessä indusoituu jännite, joka puolestaan saa aikaan generaattorin 2-50 tuottaman virran. Generaattorin tuottamaa energiaa muokataan (tasasuuntaus) energiankeräimeen liitettyjen laitteiden ja/tai akun lataus-jännitteen vaatimilla tavoilla. Tällaiseen muokkaukseen voi kuulua mm. tasasuuntaus, suodatus ja latausvirran sääntely.

Viitenumero 2-95 osoittaa yleisesti koukun yhteyteen sijoitettavia energian kulutuslaitteita, kuten erilaisia antureita, tiedonkeruulaitteita, ohjaimia, valaisimia, merkinantolaitteita, viestintälaitteita, latauspistokkeita jne.

Kuvio 3 esittää energiankeräimen sähköisten osien lohkokaaviota keksinnön erään suoritusmuodon mukaisesti. Energiankeräimeen kuuluu ohjain 3-10, joka käsittää ainakin lataussäätimen 3-30. Lataussäädin vastaanottaa sähköenergiaa yhdeltä tai useammalta generaattorilta 2-50 tasasuuntauk-sen 3-12 ja suodatuksen 3-14 kautta. Lataussäädin syöttää tehoa energiava-rastoon 3-16, joka tässä esimerkissä käsittää yhden tai useamman akun. Akun sijasta tai sen lisäksi energiavarastona voidaan käyttää esimerkiksi superkon-densaattoria. Akku 3-16 puolestaan syöttää tehoa ohjaimen 3-10 muille mahdollisille elementeille, joihin voi kuulua esimerkiksi priorisointilogiikka 3-40 ja/tai älykäs ohjain 3-80. Priorisointilogiikka 3-40 seuraa akun 3-16 varaustilaa. Akun varaustilan perusteella priorisointilogiikka 3-40 voi ohjata kytkimiä 3-51 ... 3-53 ja niiden kautta kytkeä tehonsyötön päälle yhteen tai useampaan oheislaite-väylään 3-61 ... 3-63. Oheislaiteväyliin 3-61 ... 3-63 voidaan kytkeä antureita, mittareita, tietoliikennelaitteita jne. Viitenumeroilla 3-71 ... 3-73 osoitetaan yleisesti prioriteettiluokkien 1 - 3 kulutuslaitteita. Oheislaiteväylien 3-6x, kytkimien 3-5x ja vastaavien prioriteettien lukumäärä - tässä esimerkissä kolme - on tietenkin vain mielivaltainen esimerkki. Akun 3-16 hyvän varaustilan vallitessa priorisointilogiikka 3-40 ohjaa kytkimiä 3-51 ... 3-53 syöttämään tehoa kaikkiin oheislaiteväyliin 3-61 ... 3-63. Akun varaustilan laskiessa oheislaiteväylien 3-61 ... 3-63 tehonsyöttö voidaan katkaista tai sitä voidaan rajoittaa esimerkiksi ajoittaisesti. Eräänä esimerkkinä mainittakoon koukun 1-90 yhteyteen asennettava kamera ja lähetin (ei näytetty erikseen), jotka hyvän varaustilan vallitessa kuvaavat ja lähettävät eteenpäin koukun 1-90 alapuolista näkymää jatkuvasti. Varaustilan heikentyessä kuvaaminen ja kuvan lähettäminen voidaan muuttaa tapahtumaan ajoittain, ja varaustilan edelleen heikentyessä ne voidaan lopettaa kokonaan. Toisena esimerkkinä mainittakoon koukun 1-90 yhteyteen asennettava työvalo, jonka energiansyöttö voidaan lopettaa akun va-raustilanteen heikentyessä.

Kolmantena esimerkkinä mainittakoon koukun 1-90 taittopyöräjär-jestelyn 1-80 yhteydessä oleva kuorman punnitusanturi. Punnitusanturin käyttäminen koukussa antaa tarkemman punnitustuloksen kuin mittaus nosturin yläpuolisten ja sähköistettyjen rakenteiden kautta, koska punnitusanturin sijoittaminen koukun yhteyteen sulkee pois useita virhelähteitä, kuten kuorman heilunta, muuttuvat köysikulmat, vapaa köysien pituus jne.

Neljäntenä esimerkkinä voidaan mainita kiihtyvyysanturi, joka kykenee mittaamaan kiihtyvyyksiä useampaan suuntaan. Kiihtyvyysanturin tuottamat mittaustiedot voidaan lähettää langattomasti nosturin ohjausjärjestelmään (ei näytetty kuvioissa), joka ohjaa nosturin liikkeitä pituus- ja poikkisuunnissa. Järjestelyn avulla mahdollista toteuttaa taakan heilunnanesto, ns. anti-sway. Lisäksi kiihtyvyysanturilla voidaan mitata koukkuun kohdistuneet törmäykset, ja tiedot voidaan rekisteröidä itse koukun rakenteeseen integroituun tiedon-keräimeen tai vaihtoehtoisesti lähettää nosturin ohjausjärjestelmään ja/tai etä-valvontaan.

Vielä eräänä esimerkkinä mainittakoon tilantarkkailija, joka seuraa langatonta tiedonsiirtoa nosturin ohjausjärjestelmään. Koska sähköenergiaa on saatavissa energiavarastosta, tilantarkkailija voi tehdä hälytyksen silloin, kun yhteys nosturin ohjausjärjestelmään katkeaa siinä tapauksessa, että sähkön-syöttö on katkennut itse nosturin ohjausjärjestelmään. Näin ollen sähkömies voidaan hälyttää nopeasti, jolloin kallis tuotannon seisokkiaika jää lyhyeksi.

Kuvio 4 esittää aksiaalivuogeneraattorin poikkileikkausta. Aksiaali-vuogeneraattorit poikkeavat perinteisempää tyyppiä edustavista radiaali-vuogeneraattoreista siten, että niiden magneettivuo on koneen akselin suuntainen. Etuna on, että aksiaalivuogeneraattori voidaan saada mahtumaan pieneen tilaan. Kuviossa 4 on esitetty aksiaalivuogeneraattorin toteutus kaksipuolisena, jolloin yksi roottorilevy 2-80 magnetoi kahta staattoria 2-70. On selvää, että aksiaalivuogeneraattori voidaan toteuttaa myös yksipuoleisena, jolloin toinen staattoreista 2-70 jätetään pois. Staattorikäämitys 4-10 on tässä esimerkissä perinteinen uriin tehty käämitys. Viitenumerot 4-20 esittävät käämityksen ”hampaita”, joiden ympärille käämitys muodostetaan. Roottorin erilaisia toteutuksia näytetään kuviossa 5.

Kuvio 5, joka koostuu osakuvioista 5(a), 5(b) ja 5(c) esittää aksiaalivuogeneraattorin 2-80 roottorin joitakin mahdollisia konfiguraatioita. N ja S tarkoittavat magneetteja 5-11, 5-12, joista katsojaan päin suuntautuu vastaavasti magneetin pohjois- tai etelänapa. Kuviossa 5(a) magneetit ovat muo doltaan ympyränrenkaan sektoreita (”puolisuunnikkaita”), kuviossa 5(b) ympyränmuotoisia ja kuviossa 5(c) puoliympyröitä. Magneetit 5-11, 5-12 voidaan upottaa roottori levyyn tai asentaa sen pinnalle.

Kuviot 6 ja 7 havainnollistavat aksiaalivuogeneraattorin mallintamista ja optimointia. Kuvio 6 havainnollistaa kolmiulotteista ja kuvio 7 kaksiulotteista mallintamista. Sähkökoneista, kuten tässä aksiaalivuogeneraattoreista, voidaan mallintaa useita parametreja, kuten esimerkiksi magneettipiiriä, urien ha-javuota, vyyhdenpäiden hajavuota tms. Tämän keksinnön erään prototyypin toteutuksen yhteydessä mallinnettiin koneen tuottama vastasähkömotorinen voima (EMF). EMF voidaan mallintaa esimerkiksi pyörittämällä aksiaalivuogeneraattorin roottoria ja laskemalla tai mittaamalla staattorin käämeihin indusoituva EMF. Mallinnuksen tuloksena prototyyppiin valittiin 6-napainen kone, jossa käämilangan vahvuus oli n. 1 mm. Viitenumero 6-10 osoittaa staattorin uria, joihin staattorikäämitys 4-10 asennetaan.

Kuvio 8A esittää tarkemmin mallinnuksen tuloksena valittua aksiaalivuogeneraattorin prototyyppiä ja erityisesti staattoriurien 6-10 geometriaa. Tässä prototyypissä aksiaalivuogeneraattori on 6-napainen ja magneetit 5-11, 5-12, jotka asennettiin roottorin pinnalle, ovat ympyränrenkaan sektoreita (”puolisuunnikkaita”), kuten kuviossa 5(a) esitettiin. Staattorin urat 6-10 ovat muodoltaan soikeita.

Kuvio 8B esittää tarkemmin staattoriurien 6-10 geometriaa. Kuviossa 8B ”Air” tarkoittaa ilmaväliä ja ”PM” tarkoittaa kestomagneetteja (elementit 5-11 ja 5-12 kuvioissa 5 - 8). Prototyypissä napapariluku np = 6 ja muut keskeiset dimensiot ovat seuraavat:

Ulkohalkaisija Dout = 210 mm Sisähalkaisija Din = 145 mm

Staattorilanka Cu, φ = 1 mm, kierroksia 2300, R1 = 20Ω Kestomagneettien korkeus hm = 5 mm Roottorilevyn paksuus hr = 20 mm Staattorin korkeus hs = 74,4 mm

Uran dimensiot: h = 37,2 mm; h1 = 11,15 mm; h2 = 37,2 mm; b3 = 46,5 mm; b4 = 55,8 mm. Tässä prototyypissä staattorin runko oli terästä, tyyppiä M-27 ja roottorin runko oli teräslevyistä laminoitu paketti, teräksen ollessa tyyppiä US Steel S-2.

Viitaten kuvioihin 9A ja 9B, eräs esimerkinomainen kuorman mittaukseen soveltuva rakenne voidaan toteuttaa usealla punnitusanturilla, kuten esimerkiksi kolmella tai neljällä venymäliuska-anturilla, jotka sijoitetaan koukun varren 9-11 laakeroinnin yhteyteen. Vaikka koukun 9-10 kuormitus olisi epä-keskinen, on silti mahdollista saada luotettava mittaus usean anturin 9-20 avulla, jotka sijoitetaan sellaisen monikulmion nurkkiin, että koukun varsi 9-11 tai muun tyyppinen ripustus jää tämän monikulmion sisään. Tämä tarkoittaa, että epäkeskisen kuormituksenkin tapauksessa punnitusantureiden mittaustulosten summa vastaa taakan painoa. Tarkemmin sanottuna punnitusantureiden mittaustulosten summa vastaa taakan ja koukun yhteistä painoa, mutta koukun tai muun taakankiinnitysvälineen paino voidaan poistaa kalibroinnilla tai jälkipro-sessoinnilla.

Anturit 9-20 ovat edullisesti siten valittuja, että kaupalliset anturit ovat sovitettavissa niille muotoiltuihin koloihin 9-21 laakerirenkaassa 9-30. An-turityypit voidaan pääsääntöisesti vakioida, ja antureita kantava laakerirengas 9-30 antureille muotoiltuine koloineen 9-21 on koneistettu koukun 9-10 mittojen mukaisesti. Näin ollen asiakaskohtainen räätälöinti erilaisine työvaiheineen ja myös mitoituksen osalta voidaan minimoida. Lisäksi voidaan hyödyntää olemassa olevaa koukkua 9-10 ilman siihen tulevia muutoksia, kun koukku 9-10 on usein taottu osa ja siten arvokas osa. Tällä rakenteella ei tule olennaista muutosta hyödynnettävään nostokorkeuteen, koska taakankiinnitysvälineen ulkoiset mitat säilyvät käytännössä samoina. Laakerirenkaaseen 9-30 asetettujen antureiden 9-20 päälle on asennettu laakeri 9-31, ja sen päällä on lukitus-rengas 9-32. Näiden kaikkien lävitse on sovitettu koukun varsi 9-11, ja sen yläosassa oleva laippa 9-12 kuormittaa lukitusrengasta 9-32 ylhäältä päin, kun koukkua 9-10 kuormittaa taakan painovoima. Anturit 9-20 ovat lisäksi suojassa ulkoisilta kolhuilta. Koukun 9-10 pyöriessä anturien johdotus 9-22 säilyy paikoillaan riippumatta pyörimisliikkeestä.

Generaattorin 2-50 sijoituksessa koukkua kantavaan kehikkoon 2-10 on tilankäytön kannalta edullista se, että taittopyörien 2-21, 2-22 välinen tila käytetään hyväksi. Tämän välillä olevan tilan osalta on edullista käyttää hyväksi taittopyörien akselin 1-85 yläpuolista tilaa, jolloin kehikkoa 2-10 ei tarvitse olennaisesti suurentaa ulkomitoiltaan esimerkiksi ohi taittopyörien 2-21, 2-22 leveyden. Akselin 1-85 alapuolinen tila taittopyörien 2-21, 2-22 välillä on pääosin varattu koukulle 9-10 ja taakkaa kannattaville rakenteille.

Viitaten kuvioihin 9C - 9K, generaattorissa 2-50 voidaan käyttää esimerkinomaisesti seuraavia rakenteita. Roottorissa 2-60 magneetit 2-65 voivat olla sijoitetut koko roottorin 2-60 kehälle kattaen koko 360 asteen kaaren, huomioiden luonnollisesti magneettien väliin jäävä tyhjä tila. Kuten edellä on kerrottu koukkua 9-10 kantavan kehikon 2-10 tilan käytöstä, voidaan staattorit 4-10/4-20 sijoittaa taittopyörien akselin 1-85 yläpuoliseen tilaan, esimerkiksi noin 180 asteen tilaan puolikaaren muotoiseksi. Tällöin johdotusten 9-16 siirtomatka yläpuolisessa tilassa muodostuu lyhyeksi itse staattoreilta 2-80 ener-giavarastoon 3-16 ja kulutuslaitteisiin 2-95, kun myös ne on suurelta osin sijoitettu edellä mainittuun yläpuoliseen tilaan. Lyhyet johdotukset varmistavat osaltaan pienet jännitehäviöt.

Viitaten kuvioihin 9J ja 9K, generaattorin 2-50 pyörittämisestä aiheutuvan syklisen pyörintävastuksen tasaamiseksi voidaan myös sijoittaa roottorien magneetteja 2-65 ja staattorien napoja 4-10/4-20 useammalle kehälle, jotka ovat olennaisesti samankeskisiä. Esimerkiksi ulomman kehän magneetit 2-65A voivat sijaita siten sijoitettuina, että ne ovat sisemmän kehän magneettien 2-65B välien kohdalla. Näin ollen sykliset askeleet voidaan häivyttää vähäisemmiksi, ja generaattorin 2-50 käyttäminen (pyörittäminen) on tasaisempaa. Lisäksi kehälle on sijoitettavissa useampia magneetti-staattori -pareja, jolloin sähkötuottoa voidaan kasvattaa. Samalla lomittain asetetulla periaatteella magneetti-staattori -pareja voi olla useammalla kuin kahdella sisäkkäisellä kehällä.

Syklisyyttä voidaan pienentää myös siten että staattori-magneet-ti -pareja ei aseteta aivan täsmällisesti samanvaiheisiksi, jolloin ne eivät aiheuta pyörimisvastusta aivan yhtäaikaisesti. Asettelua useammalla kehälle voidaan hyödyntää myös aiemmin kerrotun mukaisesti. Syklisyyden häivyttäminen voidaan siis tehdä fyysisesti sijoitelemalla generaattorin energiaa tuottavia elementtejä keskinäisesti niin, että energiapulssit saadaan limitettyä ainakin osittain toistensa suhteen.

Viitaten kuvioon 9I, staattorien rakenteessa on esimerkinomaisesti mahdollista hyödyntää rakennetta, missä U-muotoisen magneetin 9-50 kahdelle haaralle on pujotettu oma käämitys 4-10. Magneetti 9-50 edustaa kuvion 4 yhteydessä selostetun staattorin navan tai hampaan 4-20 erästä mahdollista toteutusta, joiden ympärille käämitykset 4-10 on helppo sovittaa modulaarises-ti. Käämitys 4-10 on muotoiltu sopimaan U-muotoisen magneetin 9-50 haaran poikkileikkauksen ympärille. Käämitykset 4-10 ovat näin ollen valmiita moduu-leita, jotka kytketään sähköisesti energiavarastoon 3-16. U-muotoinen magneetti 9-50 voidaan puolestaan valmistaa teräslevystä. Magneetti-staattori -parien ollessa modulaarisia, voidaan tapauskohtaisesti valita moduulien lukumää- rällä haluttu sähköenergian tuottotaso.

Viitaten kuvioihin 9C - 9E, generaattorissa 2-50 on roottorin magneettien 2-65 ja staattorien 2-80 välillä pieni ilmaväli 2-70, jotta roottori 2-80 voi pyöriä. Nuolet A ja B osoittavat vastaavasti ilmavälin roottorin ja staattorin puolella olevia elementtejä. Tämän ilmavälin 2-70 ja samalla energiavaraston 3-16 suojaamiseksi generaattoriin 2-50 on edullista asentaa pölysuojaus, joka voidaan toteuttaa esimerkiksi kehämuotoon. Pölysuojana voi olla esimerkiksi poikkileikkaukseltaan V-huulitiiviste 9-61. Kuvioissa 9C ja 9D on esitetty vastaavasti 2-puoleinen ja 1-puoleinen V-huulitiiviste 9-61. Kuviossa 9E on esitetty 1-puoleinen harjatiiviste 9-62, missä harjat ovat olennaisesti aksiaalisuuntaan ulottuvia. 1-puoleinen tiiviste riittää ulkoa tulevia epäpuhtauksia vastaan. 2-puoleinen tiiviste torjuu myös esimerkiksi laakerirasvaa, joka voi tunkeutua il-maväliin akselin 1-85 suunnalta eli rakenteessa sisäpuolelta päin, esimerkiksi viitenumerolla 9-65 osoitetusta laakerista. V-huulitiiviste on ensisijaisesti suojaamassa teollisuuspölyä ja nostolaitteen köysistä irtoavaa likaa, rasvaa, metallihilsettä vastaan, siis pääasiassa ulkopuolelta tulevaa epäpuhtautta vastaan, ettei epäpuhtaus pääse esimerkiksi ilmaväliin 2-70. Rakenteeseen voidaan lisätä myös toinen V-huulitiiviste tai harjatiiviste, joka on suunnattu estämään akselilta tai laakerilta mahdollisesti purkautuvaa rasvaa tms. vastaan. Suojaus sallii epäpuhtauksien kulun radi-aalisuunnassa ilmavälistä ulospäin tai aksiaalisuunnassa ilmavälistä poispäin, ja samalla se pyrkii estämään epäpuhtauksia pääsemästä muun muassa ilma-väliin. Huomattakoon, että taittopyörästön kehikkoon 2-10 kohdistuu normaalisti ulkoisia ja sisäisiä voimia, lämpötilan vaihtelua, iskuja tms., jotka kehikko on mitoitettu kestämään. On haastavaa asentaa tällaiseen ympäristöön tarkasti toimiva koneisto, joka ei vaadi erityisesti huoltoa, ja joka antaa luotettavan toiminnan rasituksista ja altistuksista huolimatta. Suojaus on esimerkiksi sijoitettu taittopyörään 2-21,2-22 sen uumalevyn yhdelle tai molemmille puolille. Suojaus on mahdollista asentaa taittopyörään 2-21, 2-22 valmisteltuna elementtinä, joka on helposti jälkiasennettavissa olemassa olevaan nosturiin. Suojauksen kiinnitys voi tapahtua esimerkiksi liimalla tai kaksipuolisella teipillä.

Viitaten kuvioon 9L, kehikon 2-10 ympärille, erityisesti ylätilan suojaksi voidaan sovittaa irrotettavat suojat 9-101. Suojat 9-101 voivat olla huoltoa, tarkistusta tai lisälaiteasennusta varten kokonaan irrotettavat tai siten saranoidut, että ne voidaan jättää avattuina esimerkiksi alas laskettuun asentoon. Suojiin on mahdollista tehdä etukäteen esimerkiksi perforoituja aukkoja myö- hemmin asennettavien lisälaitteiden kiinnittämiseksi.

Kuvio 10 esittää aksiaalivuogeneraattorin prototyypin tuottamaa an-totehoa erilaisilla käämilangan paksuuksilla, kierrosmäärän funktiona, muiden dimensioiden ollessa samat kuin kuviossa 8B. Erään erityisen suoritusmuodon mukaisesti generaattorin toiminta on adaptiivista, jolloin paikallisen ohjaimen logiikka voi perustua esimerkiksi saatavilla olevan energian määrään ja/tai energian tarpeeseen (käyttöön tai varastoon). Sopivalla rakenteella ja ohjauksella tuottoa voi säädellä minimin ja maksimin välillä sopivin portain. Rakenteessa voidaan tehdä myös kaksivaiheinen lataus siten että pienen tuoton antava generaattori antaa riittävän suuren virran ja tehon, jotta toimilaitteella voidaan tehdä valinta, milloin kytketään suurempi tuottoinen generaattori. Pieni-tuottoinen generaattori antaa vastaavasti vain pienen vastuksen taittopyöräs-tössä olevalle taittopyörälle. Energian tuotto perustuu siis kynnystehon tunnistamiseen, ja tunnistaminen älykkäällä toimilaitteella vastaavasti siihen, että energiaa on käytettävissä suoraan tai energiavarastosta. Generaattorien kytkeytyminen sähköenergian tuottamiseksi voidaan tehdä generaattorien väliin sijoitetuin vapaakytkimin, sähkömagneetein ja/tai solenoidein. Nämä kytkeytymiseen käytettävät laitteet voi puolestaan olla sähköisesti ja/tai magneettisesti eristettyjä, jotta generaattorien toiminta ei häiriinny ja vastaavasti generaattorit eivät häiritse kytkeytymiseen käytettäviä laitteita. Generaattorin tehon säätöön voidaan käyttää myös napapariluvun nostamista tai laskemista, esimerkiksi elektroniikan keinoin. Tällöin tehonsäätö on mahdollinen, vaikka käytössä olisi vain yksi generaattori. Luonnollisesti napapariluvun vaihtelu ja useamman generaattorin kytkemisen mahdollisuus voi tapahtua myös rinnakkain, eli ne eivät ole toisiaan poissulkevia tapoja. Tällöin tehoa voi säätää laajalla säätöalueella. Sähkötehon mitoittamiseen vaikuttavat mm. napapariluku ja staatto-rilangan valinta. Mitä paksumpi staattorilanka, sitä pienempi on staattorissa tapahtuva tehonhäviö. Toisaalta paksumpi staattorilanka vaatii suuremman staattoriuran. Myös kierrosmäärän lisääminen nostaa saatavaa antotehoa. An-toteho yksivaihekoneelle voidaan laskea seuraavasta kaavasta:

E, I ja R ovat vaihekohtaisia suureita ja n-vaihekoneen teho on n kertaa yhden vaiheen teho.

Kuvio 11 esittää indusoituvan, viitenumerolla 11-10 osoitetun jännit- teen riippuvuutta pyörimisnopeudesta kuvioiden 6 - 8B yhteydessä selostetun keksinnön prototyypin tapauksessa. Jännite on suoraan verrannollinen roottorin pyörimisnopeuteen. Mikäli roottori on jäykästi kiinnitetty taittopyörään, niin roottorin pyörimisnopeus on sama kuin taittopyörän pyörimisnopeus, joka puolestaan määräytyy kuorman nousu- tai laskunopeudesta 11-12, taittopyörän tehollisesta säteestä ja taljan välityksestä (1:2, 1:4 jne.)

Erään suoritusmuodon mukaisesti taittopyörän ja roottorin väliin voidaan sovittaa luistamaton välitys esimerkiksi hammaspyörillä tai hammashih-nalla toteutettuna. Tällainen luistamaton välitys voi nostaa roottorin pyörimisnopeutta ja siten lisätä sähköenergian tuottoa. Erityisesti ajatellen keksinnön mukaisen energiankeräimen asentamista jälkiasennuksena olemassa olevaan nosturiin on edullista toteuttaa generaattori siten, että generaattorin asentaminen ei merkittävästi muuta koukun painopistettä, jolloin koukkulohko saadaan tyhjänäkin roikkumaan pystysuorassa. Välitys voi olla rakennettu niin, että roottori pyörii samalla akselilla tai akselilinjan jatkeella taittopyörän kanssa, tai roottorin pyörintäkeskiö eroaa taittopyörän pyörintäkeskiöstä. Välitys voidaan tehdä edullisesti esimerkiksi muovisin hammaspyörin. Yhtenä toteutusmuotona on ratkaisu, jossa taittopyörän kehän rinnalla voi olla sisäpuolinen hammaskehä, joka on yhteydessä roottorin akseliin. Välityssuhde toteuttaa vaatimuksen pyörintänopeuden nostosta. Ratkaisulla saadaan myös aksiaalisuuntainen rakenne pidettyä kapeana. Tait-topyörää ympäröivä rakenne suojineen voidaan muotoilla edullisissa tapauksissa niin, että sisään asennetut generaattori(t), välitys, energiavarasto ja kulu-tuskohteet sijoitetaan kannattavien köysien suhteen tasapainoon, jolloin koukkulohko saadaan tyhjänäkin roikkumaan pystysuorassa. On huomattava, että itse varusteet eivät suuresti poikkeuta painopistettä, vaan niitä suojaava ulkopuolinen rakenne, ja sen muotoilulla on suurempi merkitys painopisteen sijoittamisessa.

Kun käytetään köyttä, joka voi luistaa taittopyörän urassa, generaattorin maksimaalista antotehoa rajoittaa köyden ja taittopyörän välinen kitka, joka puolestaan riippuu mm. nostokoneen kuormasta, siis taakan massasta. Kun generaattorin akselitehosta vähennetään resistiiviset häviöt ja muut hä-viökomponentit, saadaan generaattorin antama teho:

Kun oletetaan tietty kitkakerroin ja kuormamassa akselille, niin voi daan laskea akselilla oleva mekaaninen teho. Tämä on samalla generaattorin akseliteho:

Olemassa olevaan taittopyörään voidaan helposti asentaa keksinnön mahdollistama uusi piirre, esimerkiksi seuraavien ominaisuuksien avulla. Energiankeräimen, siis generaattorin, ohjaimen ja energiavaraston osat voivat olla modulaarisia. Magneetit voidaan toimittaa valmiina esimerkiksi siirrettävällä alustalla, kuten foliolla tms., sopivalla halkaisijalla, jolloin magneettien siirtäminen ja kiinnittäminen esimerkiksi liimalla tai kaksipuolisella teipillä on suhteellisen helppoa. Taittopyörien kokojen määrän minimoimiseksi voidaan käyttää rajallista määrää halkaisijoita, joissa on sisäpuoliset holkit erikokoisia tait-topyörän akseleita varten. Sisäpuoliset holkit ovat hinnaltaan edullisia. Lisäksi taittopyörä tai koukun tapauksessa koko koukkulohko (koukku taittopyörineen), voidaan vaihtaa kokonaan sellaiseen versioon, johon energiankeräin lisälaitteineen on integroitu. Asennusnopeuden kannalta vaihto on nopeasti tehtävissä, koska edullisessa tapauksessa koukkulohko vaihdetaan köydessä alhaalla roikkuvaan U-lenkkiin taittopyörän akseli irrottamalla. Vaihtoehtoisesti koukku-lohko nostetaan yläasentoon esimerkiksi siltanosturin päälle, köysi irrotetaan kiinteästä päästään, köysi pujotetaan vanhan koukkulohkon kautta pois ja vaihdetaan uusi koukkulohko vanhan tilalle. Köysi kiinnitetään uudestaan kiinteän pään kiinnitykseen. Koukkulohkon vaihto on luontevaa myös köyden vaihdon yhteydessä.

Alan ammattilaiselle on ilmeistä, että tekniikan kehittyessä keksinnön perusajatus voidaan toteuttaa monin eri tavoin. Keksintö ja sen suoritusmuodot eivät siten rajoitu yllä kuvattuihin esimerkkeihin vaan ne voivat vaihdella patenttivaatimusten puitteissa.

Claims (14)

1. Laitteisto energian keräämiseksi taittopyörästön (1-80) yhteydessä taittopyö-rästöllä varustetussa nostolaitteessa (1-20), johon laitteistoon kuuluu: - ainakin yksi generaattori (2-50), johon kuuluu roottori (2-60) ja ainakin yksi staattori (2-80); - missä roottori (2-60) on kytketty jäykästi taittopyörästön (1-80) taittopyörään (2-21, 2-22) ja mainittu ainakin yksi staattori on kytketty jäykästi taittopyö-rästöön siten, että nostolaitteen taakan noustessa tai laskiessa mainittu ainakin yksi taittopyörä (2-21, 2-22) pyörii, jolloin samalla roottori (2-60) pyörii, mutta staattori (2-80) ei pyöri, jolloin staattoriin indusoituu sähköenergiaa; - energiavarasto (2-16); - välineet (2-12, 3-14, 3-30) staattoriin indusoituneen sähköenergian muokkaamiseksi ja varastoimiseksi energiavarastoon (3-16); - välineet (2-61 ... 3-63) energian johtamiseksi energiavarastosta (3-16) ainakin yhteen kulutuslaitteeseen (2-95; 3-71 ... 3-73); - tunnettu siitä, että: - mainittu ainakin yksi generaattori (2-50) käsittää aksiaalivuogeneraattorin, jossa roottorin magneettivuo suuntautuu taittopyörästön pyörimisakselin suuntaisesti.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laitteisto, jossa mainittu ainakin yksi generaattori on kaksipuoleinen siten, että yksi roottori magnetoi kahta staattoria.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen laitteisto, missä mainittu ainakin yksi generaattori (2-50) käsittää roottorin magneetteja (2-65) sijoitettuna usealle samankeskiselle kehälle siten, että eri kehille sijoitetut magneetit indusoivat staattoriin sähköenergiaa taittopyörän (2-21, 2-22) pyörimisliikkeen eri vaiheissa.

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen laitteisto, jossa useasta tait-topyörästä (2-21,2-22) kuhunkin on kytketty erillinen generaattori (2-50).

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen laitteisto, jossa erilliset generaattorit ovat antavat erilaisen pyörimisvastuksen.

6. Patenttivaatimuksen 4 mukainen laitteisto, jossa erilliset generaattorit käsittävät ensimmäisen ja toisen generaattorin, joista toisen generaattorin tehontuotto ja pyörimisvastus ovat suuremmat kuin ensimmäisen generaattorin, ja laitteistoon lisäksi kuuluu ensimmäiseltä generaattorilta tehosyötön ottavat va-lintavälineet toisen generaattorin aktivoimiseksi mikäli taakan massasta riippuva kitka sen mahdollistaa.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen laitteisto, jossa toisen generaattorin aktivoimiseksi käytetään ainakin yhtä seuraavista tiedoista: köyden ja taittopyörän välillä ei ole luistoa, taittopyörän nopeus, taittopyörän momentti ja kuorman punnitustieto.

8. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen laitteisto, joka lisäksi käsittää aurinkopaneelin (3-20) ja/tai tuuligeneraattorin energiavaraston (3-16) lataamiseksi taittopyörästön liikkeestä riippumatta.

9. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen laitteisto, joka käsittää välineet (3-61 ... 3-63) energian johtamiseksi energiavarastosta (3-16) usealle kulutuslaitteelle (3-71 ... 3-73) ja joka lisäksi käsittää välineet (3-40; 3-51 ... 3-53) mainitun usean kulutuslaitteen jakamiseksi useaan prioriteettiluokkaan siten, että energiavaraston ehtyessä alempien prioriteettiluokkien virransyöttöä rajoitetaan tai estetään kokonaan.

10. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen laitteisto, joka käsittää ainakin yhden seuraavista energian kulutuslaitteista (2-95): äänimerkin antolaite, varoitusvalo, työvalo, kiihtyvyysanturi, punnitusanturi, matkapuhelin, kamera, tieto-liikennelaite, sähkölaitteen latauspistoke, näyttö, käyttöliittymä, datanke-räin.

11. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen laitteisto, joka käsittää ainakin kolme punnitusanturia (9-20) taakan painon määrittämiseksi, missä mainitut ainakin kolme punnitusanturia rajaavat monikulmion, jonka sisään taa-kankiinnitysvälineen (1-90) ripustuskohta (9-11, 9-12) jää.

12. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen laitteisto, joka lisäksi käsittää suojavälineet (9-61, 9-62, 9-101) estämään epäpuhtauksien kulkeutumista roottorin ja ainakin yhden staattorin väliseen ilmaväliin (2-70).

13. Patenttivaatimuksen 12 mukainen laitteisto, missä suojavälineet (9-61) on sovitettu estämään epäpuhtauksien kulkeutumista taittopyörästön pyörimisakselin laakereilta (9-65) roottorin ja ainakin yhden staattorin väliseen ilmaväliin.

14. Menetelmä energian keräämiseksi taittopyörästön (1-80) yhteydessä tait-topyörästöllä varustetussa nostolaitteessa (1-20), jossa menetelmässä: - taittopyörästön liikkeellä kehitetään sähköenergiaa ainakin yhdellä generaattorilla (2-50), johon kuuluu roottori (2-60) ja ainakin yksi staattori (2-80); - missä roottori (2-60) on kytketty jäykästi taittopyörästön (1-80) taittopyörään (2-21, 2-22) ja mainittu ainakin yksi staattori on kytketty jäykästi taittopyö-rästöön siten, että nostolaitteen taakan noustessa tai laskiessa mainittu ainakin yksi taittopyörä (2-21, 2-22) pyörii, jolloin samalla roottori (2-60) pyörii, mutta staattori (2-80) ei pyöri, jolloin staattoriin indusoituu sähköenergiaa; - staattoriin indusoitunutta sähköenergiaa muokataan ja varastoidaan ener-giavarastoon (3-16); ja - energiavarastoon varastoitua sähköenergiaa johdetaan ainakin yhteen ku-lutuslaitteeseen (2-95; 3-71 ... 3-73); tunnettu siitä, että: - mainittu ainakin yksi generaattori (2-50) käsittää aksiaalivuogeneraattorin, jossa roottorin magneettivuo suuntautuu taittopyörästön pyörimisakselin suuntaisesti. PATENTKRAV