IT202100001292A1

IT202100001292A1 - Linear generator with permanent magnets

Info

Publication number: IT202100001292A1
Application number: IT102021000001292A
Authority: IT
Inventors: Vincenzo Franzitta; Domenico Curto
Original assignee: Vincenzo Franzitta; Domenico Curto
Priority date: 2021-10-21
Filing date: 2021-10-21
Publication date: 2023-04-21

Description

GENERATORE LINEARE A MAGNETI PERMANENTI

Descrizione

Campo di applicazione

La presente invenzione trova applicazione nel campo dei sistemi per la produzione o trasformazione di energia ed in particolare ha per oggetto un generatore lineare a magneti permanenti per produzione di energia mediante la conversione diretta di energia meccanica sotto forma di moto alternato bidirezionale ad ampiezza variabile in energia elettrica. Il generatore pu? essere utilizzato anche non solo come generatore di energia elettrica, ma anche come attuatore/motore.

Il generatore sar? atto ad essere utilizzato principalmente in impianti per lo sfruttamento dell?energia derivante dal moto ondoso e in impianti di controllo di azionamento che richiedono potenze dell?ordine di 1 kW.

Stato della tecnica

Come ? noto, l?energia derivante dal moto ondoso rappresenta una delle possibili fonti di energia rinnovabile che non ha trovato ancora una piena modalit? di sfruttamento. E? opinione comune che in un prossimo futuro il recupero di energia dal moto ondoso possa avere un ruolo chiave per la produzione di energia elettrica, a causa del suo enorme potenziale energetico.

? inoltre evidente come questa fonte potr? sfruttare aree oggi non utilizzate, creando importanti filiere e opportunit? di lavoro locali.

Recenti rapporti internazionali sottolineano che il potenziale energetico teorico totale delle onde ? di circa 30 PWh/anno, non distribuito uniformemente nel mondo. Sfortunatamente, le aree adatte all?applicazione dei sistemi di recupero di energia dal moto ondoso sono generalmente interessate da condizioni meteorologiche estreme, a causa dell?alto livello di potenziale energetico, rendendo complicato l?utilizzo di questa fonte di energia rinnovabile.

I noti sistemi per il recupero di energia dal moto ondoso e la produzione di energia elettrica o altra energia utile, comunemente definiti come Wave Energy Converter (WEC), sono solitamente classificati secondo criteri diversi, quali la posizione rispetto alla linea di costa, la dimensione tipica, l?orientamento rispetto alla direzione di propagazione delle onde o il principio di funzionamento.

Considerando il principio di funzionamento, si individuano le seguenti categorie:

- Sistemi a colonna d?acqua oscillante, in cui l?onda marina entra in una camera aperta rispetto all?atmosfera esterna. All?interno di tale camera, l?onda del mare produce un?oscillazione verticale dell?acqua. L?aria all?interno della camera viene pressurizzata e depressurizzata dall?oscillazione dell?acqua, producendo un flusso d?aria bidirezionale utilizzabile per far funzionare speciali turbine eoliche. Il sistema pu? essere installato sulla costa o integrato in un dispositivo galleggiante.

- Sistemi a corpi attivati dall?onda, in cui l?onda del mare produce moti relativi delle varie parti, azionando i convertitori di energia. Questo tipo di sistema pu? essere assemblato in diverse configurazioni per produrre una rotazione o una traslazione.

- Dispositivi di travaso, in cui l?acqua marina viene convogliata in un serbatoio, utilizzando una rampa per convertire l?energia cinetica dell?onda in energia potenziale. L?acqua viene quindi sversata dal serbatoio e utilizzata per produrre energia elettrica, utilizzando una turbina idraulica a bassa prevalenza.

Per sfruttare l'energia del moto ondoso, gli impianti privilegiano sistemi idraulici caratterizzati da un rendimento limitato, a causa della lunga catena di trasformazione dell?energia (da meccanica ad idraulica e da idraulica ad elettrica).

Una soluzione alternativa ? rappresentata dall?adozione di generatori lineari, che presentano il vantaggio di limitare il numero di componenti necessari per la catena di conversione dell?energia.

Analogamente alle macchine elettriche rotative, anche quelle lineari prevedono uno statore che ne definisce la parte fissa ed una parte mobile, definita qui da un traslatore soggetto ad un movimento lineare bidirezionale mediante l?interazione di magneti permanenti con il campo elettromagnetico generato dallo statore.

Un primo limite delle macchine elettriche con magneti permanenti e statore in acciaio ? rappresentato dal fenomeno della ?cogging force? o forza di impuntamento che si instaura ai bassi regimi e che in tali sistemi ? legata alla presenza di una discontinuit? geometrica (aria/acciaio).

Questa forza ? responsabile della creazione di forti vibrazioni che possono portare a una rapida usura dei materiali.

Inoltre, questa forza impulsiva con valore medio nullo crea problemi nel movimento della parte in movimento.

L?unica valida tecnologia alternativa consiste nella costruzione di macchine prive di statore in acciaio, penalizzando pesantemente il livello di potenza che la macchina potrebbe scambiare.

Presentazione dell?invenzione

Scopo della presente invenzione ? quello di superare gli svantaggi sopra illustrati mettendo a disposizione un generatore lineare a magneti permanenti per produzione di energia da moto ondoso caratterizzato da potenze relativamente elevate e stabilit? incrementata.

Uno scopo particolare ? quello di mettere a disposizione un generatore lineare a magneti permanenti per produzione di energia da moto ondoso che permetta di ottenere la conversione diretta dell?energia da meccanica ad elettrica, aumentando l'efficienza del sistema.

Altro scopo particolare ? quello di mettere a disposizione un generatore lineare a magneti permanenti per produzione di energia da moto ondoso che minimizzi la cogging force, permettendo lo sfruttamento anche di piccole onde del mare.

Tali scopi, nonch? altri che appariranno pi? chiari in seguito, sono ottenuti mediante un generatore elettrico che, in accordi alla rivendicazione 1, comprende uno statore provvisto di una pluralit? di bobine atte a generare un campo elettromagnetico ed avente un alloggiamento longitudinale ed un traslatore inserito scorrevolmente in detto alloggiamento e provvisto di una o pi? file di magneti permanenti per traslare lungo una direzione longitudinalmente in seguito all?interazione di detti magneti permanenti con il campo elettromagnetico generato da dette bobine, in cui detti statori definiscono con le rispettive bobine rispettive macchine elettrica distanziate tra loro lungo una direzione trasversale e longitudinalmente sfalsate di una quantit? tale da risultare elettricamente sfasate di un angolo pari a ?/2.

La peculiare disposizione degli statori permetter? di avere due macchine elettriche contrapposte in posizione tale che le rispettive cogging force andranno ad annullarsi a vicenda, eliminando gli svantaggi legati all?utilizzo delle macchine lineari.

Forme vantaggiose di esecuzione dell?invenzione sono ottenute in accordo alle rivendicazioni dipendenti.

Breve descrizione dei disegni

Ulteriori caratteristiche e vantaggi del trovato risulteranno maggiormente evidenti alla luce della descrizione dettagliata di una forma di realizzazione preferita ma non esclusiva di un generatore lineare a magneti permanenti secondo l?invenzione, illustrata a titolo di esempio non limitativo con l?aiuto delle unite tavole di disegno in cui:

FIG. 1 ? una vista schematica di un dettaglio del generatore in cui ? visibile il traslatore posto tra i due statori;

FIG. 2 ? una vista laterale del generatore;

FIG. 3 ? una vista frontale di un dettaglio di uno dei blocchi dello statore;

FIG. 4 ? una vista prospettica dei blocchi dello statore in posizione operativa;

FIG. 5 ? una vista dall?alto dello statore

FIG. 6 ? una vista in sezione dello statore di Fig.4 secondo il piano di traccia A-A FIG. 7 ? una vista in sezione dello statore di Fig.4 secondo il piano di traccia B-B; FIG. 8 ? una vista prospettica frontale del generatore privo del traslatore;

FIG. 9 ? una vista prospettica laterale del generatore privo del traslatore;

FIG. 10 ? una vista prospettica del traslatore provvisto dei magneti permanenti; FIG. 11 ? una vista frontale del traslatore;

FIG. 12 ? una vista dall?alto del traslatore;

FIG. 13 ? un diagramma relativo alle armoniche ottenute con i dati riportati nella Tabella 2.

Descrizione dettagliata di un esempio di realizzazione Nella sua configurazione pi? generale, schematizzata in Fig.1, un generatore elettrico lineare a magneti permanenti per la produzione di energia da moto ondoso, indicato globalmente con 1, comprende uno statore 2 provvisto di una pluralit? di bobine 3 atte a generare un campo elettromagnetico, il quale statore 2 presenta un alloggiamento longitudinale centrale 4 ed un traslatore 5 inserito scorrevolmente nell?alloggiamento longitudinale 4 e provvisto di una o pi? file di magneti permanenti 6 per traslare lungo la direzione longitudinale L definita dall?alloggiamento 4 in seguito all?interazione dei magneti permanenti 6 con il campo elettromagnetico generato dalle bobine 3.

Lo statore 2 comprende una coppia di blocchi 7, 8, in acciaio o altro materiale ferromagnetico, associati ognuno a rispettive bobine 3 in modo che ogni blocco 7, 8 con le rispettive bobine 3 definisca una rispettiva macchina elettrica distanziata rispetto all?altra macchina elettrica lungo una direzione trasversale X ortogonale alla suddetta direzione longitudinale di traslazione L e tale da definire macchine elettriche elettricamente sfasate tra loro di un angolo pari a ?/2.

Vantaggiosamente, lo statore 2 avr? struttura doppiamente simmetrica, ossia i due blocchi 7, 8 saranno disposti simmetricamente tra loro rispetto ad un primo piano di simmetria ? ed un secondo piano di simmetria ?? reciprocamente ortogonali e paralleli alla direzione longitudinale di traslazione L.

In Fig.3 sono riportati alcuni dettagli geometrici di uno dei blocchi 7 dello statore 2. In maniera preferita, lo statore 2 comprende una coppia di blocchi 7, 8 identici tra loro e reciprocamente affacciati in posizione simmetrica rispetto ad un primo piano di simmetria ?.

Inoltre, i blocchi 7, 8 sono reciprocamente distanziati lungo la direzione trasversale X ortogonale al primo piano di simmetria ? e parallela al secondo piano di simmetria ?? per definire l?alloggiamento longitudinale 4.

Secondo una configurazione preferita ma non esclusiva, i due blocchi 7, 8 saranno realizzati in acciaio, preferibilmente di tipo laminato, ad esempio AISI 1008, ognuno ottenuto per impilamento di lamierini tagliati al laser per realizzare i numerosi fori necessari per l?assemblaggio dello statore 2 con bulloni e barre filettate e installare le bobine, come descritto pi? chiaramente nel prosieguo.

Ogni blocco 7, 8 potr? avere una lunghezza di circa 1,5m, altezza di 6,5cm e profondit? di 69 mm, con 80 denti 23 e 78 cave 24, necessarie per l?installazione di 72 bobine 3 in ogni blocco 7, 8, come pi? chiaramente visibile da Fig.5.

Ciascuna delle 144 bobine sar? preferibilmente composta da 515 spire di forma sostanzialmente rettangolare 6,25 cm x 9,5 cm, realizzate in rame smaltato, con diametro di 0.5 mm.

Lo statore 2 comprender? anche due pannelli di copertura, ossia un pannello superiore 9 ed un pannello inferiore 10, aventi lo scopo di permettere l?assemblaggio dello statore 2, mediante barre filettate passanti 11.

A tal fine i due pannelli 9, 10 comprenderanno rispettive serie di fori passanti, ognuno dei quali ? allineato assialmente con il foro del pannello opposto per l?inserimento di rispettive barre di ancoraggio 11.

Ogni blocco 7, 8 sar? quindi provvisto di rispettivi passaggi trasversali allineati a corrispondenti coppie di fori allineati per il passaggio delle barre di ancoraggio 11. Secondo una configurazione preferita ma non esclusiva, ogni blocco 7, 8 dello statore 2 disporr? di 17 barre filettate e 5 punti di supporto.

I due pannelli 9, 10 fungono anche da guida per il traslatore 5, grazie all?installazione di due file di cuscinetti a sfera 12, 13, 14, 15 che definiranno due piste di scorrimento 16, 17, una per ciascun pannello 9, 10, tra loro contrapposte per lo scorrimento del traslatore 5.

Al fine di mantenere una regolarit? geometrica, ciascuna pista di scorrimento 16, 17 potr? essere realizzata da 2 file di cuscinetti a sfera, ciascuna composta da 17 elementi, come pi? chiaramente visibile dalla Fig. 9.

Il traslatore 5 potr? presentare una scanalatura lungo ciascuno dei bordi longitudinali 18, 19 per poter scorrere attraverso i cuscinetti 12-15 montati sui pannelli 9, 10. Il traslatore 5 sar? composto da un supporto rigido a forma di trave doppio T, in materiale non elettricamente conduttivo per evitare la creazione di correnti dissipative, con una piastra centrale 20 posizionata parallelamente al primo piano di simmetria ? ed avente una coppia di facce longitudinali opposte 21 affacciate a rispettivi blocchi 7, 8 e provviste ognuna di una pluralit? di sedi 22 per il posizionamento di un numero variabile di magneti permanenti 6.

La configurazione delle figure consente l?installazione fino a 250 magneti 6, che preferibilmente saranno alle terre rare in Nd-Fe-Bo con classe magnetica N40 ed aventi le dimensioni di 15x30x60 mm. Il traslatore 5 avr? ad esempio una lunghezza di 6,95m, sufficienti a garantire una corsa utile fino ad un massimo di 5 m.

Opportunamente, i magneti permanenti 6 potranno essere applicati sul traslatore 5 in posizione inclinata rispetto alla direzione longitudinale L, con un angolo di inclinazione ? preferibilmente compreso tra 10? e 30?, ad esempio di 17? in senso orario, rispetto ad un asse parallelo A al primo piano di simmetria ? ed ortogonale al secondo piano di simmetria ??, come illustrato pi? chiaramente in Fig. 11, cos? da introdurre un angolo di skewing, finalizzato al contenimento dell?effetto dente-cava. Questo valore ? stato ottenuto in seguito ad uno studio sulla minimizzazione della cogging force dovuta all'interazione tra denti 23, cave 24 e magneti 6.

Per quanto riguarda i magneti 6, le principali propriet? sono riportate nella Tabella 1. Tabella 1

Al fine di migliorare la resa elettrica del generatore, potranno essere considerate alcune modifiche alla forma dello statore 2. L?obiettivo ? la realizzazione di un generatore lineare in grado di produrre fino a 10 kW, sfruttando l?energia delle onde marine nel Mar Mediterraneo.

Il generatore lineare analizzato sopra ? caratterizzato da uno statore corto: infatti solo una parte del traslatore 5 ? dotata di magneti 6 per poter oscillare all?interno della regione statorica. Poich? il generatore lineare deve essere progettato per sfruttare onde marine caratterizzate da un?altezza d'onda di pochi metri, il traslatore 5 deve essere modificato adottando una configurazione di traslatore lungo.

Come prima soluzione ? stata simulata la stessa geometria del prototipo sopra descritto, considerando l?adozione del traslatore dotato di 40 magneti anzich? 12. In questo modo l?intero statore viene contemporaneamente eccitato dai magneti, aumentando la potenza potenziale erogata dal generatore.

Si ottengono armoniche di ordine elevato, dovute a due aspetti geometrici:

- Le bobine sono installate senza l?adozione di una simmetria planare;

- I primi e gli ultimi tre denti hanno una larghezza diversa rispetto agli altri denti interni.

Per questi motivi, il primo miglioramento ? rappresentato da una regolarizzazione della forma dello statore 2, imponendo una simmetria planare delle bobine 3 e la stessa forma a tutti i denti 23 dello statore 2.

Al fine di migliorare la potenza erogata dal generatore, una possibile tecnica ? la riduzione del passo tra i magneti 6 installati sul traslatore 5.

Sono state eseguite diverse simulazioni, assumendo una velocit? costante del traslatore 5 pari a 1 m/s e fissando che la distanza ?m tra due magneti 6 aventi lo stesso polo sia pari a sei volte la somma della larghezza wt del dente 23 e della larghezza ws della cava 24.

?m =6(wt+ws )

In questa fase ? stato considerato lo stesso traferro del prototipo. Lo statore 2 proposto ? caratterizzato da una regolare alternanza di denti 23 e cave 24. Poich? la larghezza della cava 24 ? correlata al numero di spire di ogni bobina 3, le simulazioni sono state realizzate modificando solo la larghezza del dente 23 considerando l?aggiunta di ferro. Tale valore ? espresso dal parametro dwt che va da -12 mm a 2 mm con passo di 2 mm. Viene considerato anche il caso estremo della rimozione completa dei denti (-13,5 mm).

wt=w(t,0)+dwt

Ogni simulazione ? stata analizzata valutando i coefficienti della serie di Fourier equivalente. I dati riportati nella Tabella 2 sono riferiti ai segnali medi prodotti dai blocchi A e B dello statore.

Tabella 2. Serie di coefficienti di Fourier per differenti larghezze dei denti dello statore

Gli andamenti della prima e della terza armonica sono mostrati in Fig.13.

? interessante osservare come la riduzione della larghezza dei denti 23 dello statore 2 aumenti il valore della prima armonica e diminuisca il valore della terza. Questo aspetto ? importante per aumentare e livellare la potenza erogata, poich? in un sistema trifase il primo termine ? responsabile di una potenza erogata costante, mentre il terzo produce una componente pulsante.

Sebbene la condizione migliore da un punto di vista elettrico sia dDe = -12 mm, nella successiva analisi si assume la condizione dDe = -8 mm per garantire una larghezza dei denti dello statore (5,5 mm) sufficiente a resistere alle sollecitazioni meccaniche sollecitazioni prodotte dalle bobine durante la generazione di energia elettrica.

La soluzione proposta consente il raggiungimento di elevate potenze specifiche, per quanto riguarda la famiglia dei generatori lineari, grazie all'adozione di magneti permanenti in terre rare Nd-Fe-Bo, senza introdurre cogging forces significative. Il sistema, infatti, ? in grado di compensare la genesi di tale forza, grazie alla peculiare geometria proposta, permettendo lo sfruttamento anche di piccole onde del mare ed essere utilizzato anche in attuatori industriali dove ? necessario produrre un movimento alternato di precisione, senza l'utilizzo di sistemi meccanici a cremagliera o pistoni idraulici.

Claims

Rivendicazioni

1. Un generatore lineare a magneti permanenti, comprendente:

- uno statore (2) avente un alloggiamento longitudinale (4) e provvisto di una pluralit? di bobine conduttrici (3) atte a generare un campo elettromagnetico;

- un traslatore (5) inserito scorrevolmente in detto alloggiamento (4) e provvisto di una o pi? file di magneti permanenti (6) per traslare lungo una direzione longitudinale (L) in seguito all?interazione di detti magneti permanenti (6) con il campo elettromagnetico generato da dette bobine (3);

in cui detto statore (2) comprende una coppia di blocchi (7, 8) provvisti di rispettive bobine conduttrici (3) e definenti rispettive macchine elettriche reciprocamente distanziate lungo una direzione trasversale (X) e posizionate per risultare elettricamente sfasate di un angolo pari a ?/2.

2. Generatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto statore (2) ha struttura doppiamente simmetrica, con un primo piano di simmetria (?) ed un secondo piano di simmetria (??) reciprocamente ortogonali e paralleli a detta direzione longitudinale di traslazione (L).

3. Generatore secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detti blocchi (7, 8) sono strutturalmente identici tra loro e reciprocamente affacciati in posizione simmetrica rispetto a detto primo piano di simmetria (?), detti blocchi (7, 8) essendo reciprocamente distanziati lungo detta direzione trasversale (X), ortogonale a detto primo piano di simmetria (?) per definire detto alloggiamento longitudinale (4).

4. Generatore secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che ognuno di detti blocchi (7, 8) comprende una pluralit? di denti (23) e cave (24) atte ad alloggiare corrispondenti di dette bobine (3).

5. Generatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti magneti permanenti (6) sono applicati su detto traslatore (5) in posizione inclinata rispetto a detta direzione longitudinale (L) per introdurre un angolo di skewing predeterminato.

6. Generatore secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che detto traslatore (5) comprende una trave a sezione a doppio T in materiale non elettricamente conduttivo con una piastra centrale (20) posizionata lungo detto primo piano di simmetria (?), parallelamente allo stesso, ed avente una coppia di facce longitudinali opposte (21) affacciate ognuna a rispettivi di detti blocchi (7, 8) e provviste ognuna di una pluralit? di sedi (22) per il posizionamento di un numero variabile di detti magneti permanenti (6).

7. Generatore secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detti magneti permanenti (6) sono inclinati rispetto a detta direzione longitudinale (L) con un angolo di inclinazione (?) compreso tra 10? e 30? e preferibilmente prossimo a 17?.

8. Generatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti magneti permanenti (6) sono magneti alle terre rare Nd-Fe-Bo.

9. Generatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto statore (2) comprende una struttura di supporto avente un pannello superiore (9) ed un pannello inferiore (10) provvisti di rispettivi mezzi a cuscinetto (12-15) definenti rispettive piste di scorrimento (16, 17) per corrispondenti bordi longitudinali (18, 19) di detto traslatore (5).

10. Generatore secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che detti pannelli (9, 10) comprendono rispettive serie di fori passanti, ognuno di detti fori essendo allineato assialmente con il foro del pannello (10, 9) opposto per l?inserimento di rispettive barre (11) per l?ancoraggio reciproco di detti pannelli (9, 10) e detti blocchi (7, 8), ognuno di detti blocchi (7, 8) essendo inoltre provvisto di rispettivi passaggi trasversali allineati a corrispondenti coppie di detti fori allineati per il passaggio di rispettive di dette barre di ancoraggio (11).