IT202100027095A1

IT202100027095A1 - PERMANENT MAGNET LINEAR GENERATOR FOR THE PRODUCTION OF WAVE ENERGY

Info

Publication number: IT202100027095A1
Application number: IT102021000027095A
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 PER LA PRODUZIONE DI ENERGIA DA MOTO ONDOSO PERMANENT MAGNET LINEAR GENERATOR FOR THE PRODUCTION OF WAVE ENERGY

Descrizione Description

Campo di applicazione Field of application

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. The present invention finds application in the field of systems for the production or transformation of energy and in particular its object is a permanent magnet linear generator for energy production through the direct conversion of mechanical energy in the form of bidirectional alternating motion with variable amplitude into energy electric. The generator can can also be used not only as an electricity generator, but also as an actuator/motor.

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. The generator will be suitable for use mainly in systems for the exploitation of energy deriving from wave motion and in drive control systems that require powers of the order of 1 kW.

Stato della tecnica State of the art

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. As ? known, the energy deriving from wave motion represents one of the possible sources of renewable energy which has not yet found a full modality? of exploitation. AND? common opinion that in the near future the recovery of energy from wave motion could have a key role for the production of electricity, due to its enormous energy potential.

? inoltre evidente come questa fonte potr? sfruttare aree oggi non utilizzate, creando importanti filiere e opportunit? di lavoro locali. ? It is also clear how this source could? exploit areas that are currently unused, creating important supply chains and opportunities? local jobs.

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. Recent international reports underline that the total theoretical energy potential of waves? of around 30 PWh/year, not evenly distributed around the world. Unfortunately, areas suitable for the application of wave energy recovery systems are generally affected by extreme weather conditions, due to the high level of energy potential, making the use of this renewable energy source complicated.

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. The well-known systems for the recovery of energy from wave motion and the production of electricity or other useful energy, commonly defined as Wave Energy Converter (WEC), are usually classified according to different criteria, such as the position with respect to the coastline, the size typical, the orientation with respect to the direction of wave propagation or the operating principle.

Considerando il principio di funzionamento, si individuano le seguenti categorie: Considering the operating principle, the following categories are identified:

- 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. - Oscillating water column systems, in which the sea wave enters a chamber open to the external atmosphere. Inside this chamber, the sea wave produces a vertical oscillation of the water. The air inside the chamber is pressurized and depressurized by the oscillation of the water, producing a bidirectional airflow that can be used to operate special wind turbines. The system can be installed on the coast or integrated into a floating device.

- 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. - Wave-activated body systems, in which the sea wave produces relative motions of the various parts, activating the energy converters. This type of system can be assembled in different configurations to produce rotation or translation.

- 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. - Transfer devices, in which sea water is conveyed into a tank, using a ramp to convert the kinetic energy of the wave into potential energy. The water is then poured from the tank and used to produce electricity, using a low head hydraulic turbine.

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). To exploit the energy of wave motion, the systems favor hydraulic systems characterized by limited efficiency, due to the long energy transformation chain (from mechanical to hydraulic and from hydraulic to electrical).

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. An alternative solution? represented by the adoption of linear generators, which have the advantage of limiting the number of components necessary for the energy conversion chain.

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. Similarly to rotary electric machines, linear ones also include a stator which defines the fixed part and a mobile part, defined here by a translator subject to a bidirectional linear movement through the interaction of permanent magnets with the electromagnetic field generated by the stator.

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). A first limitation of electric machines with permanent magnets and steel stator? represented by the phenomenon of the ?cogging force? or jamming force that is established at low speeds and that in such systems? linked to the presence of a discontinuity? geometric (air/steel).

Questa forza ? responsabile della creazione di forti vibrazioni che possono portare a una rapida usura dei materiali. This strength? responsible for creating strong vibrations that can lead to rapid wear of materials.

Inoltre, questa forza impulsiva con valore medio nullo crea problemi nel movimento della parte in movimento. Furthermore, this impulsive force with zero average value creates problems in the movement of the moving part.

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. The only valid alternative technology consists in the construction of machines without a steel stator, heavily penalizing the level of power that the machine could exchange.

Presentazione dell?invenzione Presentation of the invention

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. Purpose of the present invention? is to overcome the disadvantages illustrated above by making available a permanent magnet linear generator for wave energy production characterized by relatively high power and stability? increased.

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. A particular purpose? that of making available a linear generator with permanent magnets for the production of energy from wave motion which allows to obtain the direct conversion of energy from mechanical to electrical, increasing the efficiency of the system.

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. Other particular purpose? that of making available a permanent magnet linear generator for the production of energy from wave motion which minimizes the cogging force, allowing the exploitation of even small sea waves.

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. These purposes, as well as? others that will appear more? clear below, are obtained by means of an electric generator which, in accordance with claim 1, comprises a stator provided with a plurality of of coils designed to generate an electromagnetic field and having a longitudinal housing and a translator slidably inserted into said housing and provided with one or more? rows of permanent magnets to translate along a longitudinal direction following the interaction of said permanent magnets with the electromagnetic field generated by said coils, in which said stators define with their respective coils respective electrical machines spaced from each other along a transversal direction and longitudinally staggered of a quantity? such that they are electrically out of phase by an angle equal to ?/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. The peculiar arrangement of the stators will allow? to have two opposing electric machines in such a position that the respective cogging forces will cancel each other out, eliminating the disadvantages linked to the use of linear machines.

Forme vantaggiose di esecuzione dell?invenzione sono ottenute in accordo alle rivendicazioni dipendenti. Advantageous embodiments of the invention are obtained in accordance with the dependent claims.

Breve descrizione dei disegni Brief description of the drawings

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: Further characteristics and advantages of the invention will be more evident in the light of the detailed description of a preferred but not exclusive embodiment of a permanent magnet linear generator according to the invention, illustrated by way of non-limiting example with the help of the attached tables drawing in which:

FIG. 1 ? una vista schematica di un dettaglio del generatore in cui ? visibile il traslatore posto tra i due statori; FIG. 1 ? a schematic view of a detail of the generator in which ? the translator located between the two stators is visible;

FIG. 2 ? una vista laterale del generatore; FIG. 2 ? a side view of the generator;

FIG. 3 ? una vista frontale di un dettaglio di uno dei blocchi dello statore; FIG. 3 ? a front view of a detail of one of the stator blocks;

FIG. 4 ? una vista prospettica dei blocchi dello statore in posizione operativa; FIG. 4 ? a perspective view of the stator blocks in the operating position;

FIG. 5 ? una vista dall?alto dello statore FIG. 5 ? a top view of the stator

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. 6 ? a sectional view of the stator of Fig.4 according to the trace plane A-A FIG. 7 ? a sectional view of the stator of Fig.4 according to the trace plane B-B; FIG. 8 ? a front perspective view of the generator without the translator;

FIG. 9 ? una vista prospettica laterale del generatore privo del traslatore; FIG. 9 ? a side perspective view of the generator without the translator;

FIG. 10 ? una vista prospettica del traslatore provvisto dei magneti permanenti; FIG. 11 ? una vista frontale del traslatore; FIG. 10 ? a perspective view of the translator equipped with permanent magnets; FIG. 11 ? a front view of the translator;

FIG. 12 ? una vista dall?alto del traslatore; FIG. 12 ? a top view of the translator;

FIG. 13 ? un diagramma relativo alle armoniche ottenute con i dati riportati nella Tabella 2. FIG. 13 ? a diagram relating to the harmonics obtained with the data reported in Table 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. Detailed description of an example of implementation In its most configuration? general, schematized in Fig.1, a permanent magnet linear electric generator for the production of energy from wave motion, indicated globally with 1, includes a stator 2 provided with a plurality? of coils 3 designed to generate an electromagnetic field, which stator 2 has a central longitudinal housing 4 and a translator 5 slidably inserted into the longitudinal housing 4 and provided with one or more rows of permanent magnets 6 to translate along the longitudinal direction L defined by the housing 4 following the interaction of the permanent magnets 6 with the electromagnetic field generated by the coils 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. The stator 2 includes a pair of blocks 7, 8, made of steel or other ferromagnetic material, each associated with respective coils 3 so that each block 7, 8 with the respective coils 3 defines a respective electric machine spaced apart from the other electric machine along a transversal direction

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. Advantageously, the stator 2 will have? doubly symmetric structure, i.e. will the two blocks 7, 8 be arranged symmetrically with respect to a first plane of symmetry? and a second plane of symmetry ?? mutually orthogonal and parallel to the longitudinal direction of translation 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 ?. Fig.3 shows some geometric details of one of the blocks 7 of the stator 2. Preferably, the stator 2 comprises a pair of blocks 7, 8 identical to each other and facing each other in a symmetrical position with respect to a first symmetry plane? .

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. Furthermore, the blocks 7, 8 are mutually spaced along the transverse direction X orthogonal to the first symmetry plane ? and parallel to the second plane of symmetry ?? to define the longitudinal slot 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. According to a preferred but not exclusive configuration, the two blocks 7, 8 will be made of steel, preferably of the rolled type, for example AISI 1008, each obtained by stacking laser-cut sheets to create the numerous holes necessary for the assembly of the stator 2 with bolts and threaded rods and install the coils, as described further? clearly below.

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. Each block 7, 8 could? have a length of approximately 1.5m, height of 6.5cm and depth? of 69 mm, with 80 teeth 23 and 78 slots 24, necessary for the installation of 72 coils 3 in each block 7, 8, as more? clearly visible from 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. Each of the 144 reels will be preferably composed of 515 spirals of substantially rectangular shape 6.25 cm x 9.5 cm, made of enamelled copper, with a diameter of 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. Stator 2 will include? also two covering panels, i.e. an upper panel 9 and a lower panel 10, with the purpose of allowing the assembly of the stator 2, using threaded passing rods 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. To this end, the two panels 9, 10 will include respective series of through holes, each of which? aligned axially with the hole in the opposite panel for the insertion of respective anchor bars 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. Each block 7, 8 will be? therefore provided with respective transverse passages aligned with corresponding pairs of aligned holes for the passage of the anchor bars 11. According to a preferred but not exclusive configuration, each block 7, 8 of the stator 2 will have of 17 threaded rods and 5 support points.

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. The two panels 9, 10 also act as a guide for the translator 5, thanks to the installation of two rows of ball bearings 12, 13, 14, 15 which will define two sliding tracks 16, 17, one for each panel 9, 10 , opposed to each other for the sliding of the translator 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. In order to maintain regularity? geometric, each sliding track 16, 17 could? be made from 2 rows of ball bearings, each composed of 17 elements, as more? clearly visible from 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. Will the translator 5 be able to? present a groove along each of the longitudinal edges 18, 19 to be able to slide through the bearings 12-15 mounted on the panels 9, 10. The translator 5 will be? composed of a rigid support in the shape of a double T beam, made of non-electrically conductive material to avoid the creation of dissipative currents, with a central plate 20 positioned parallel to the first symmetry plane ? and having a pair of opposite longitudinal faces 21 facing respective blocks 7, 8 and each provided with a plurality? of 22 seats for the positioning of a variable number of 6 permanent magnets.

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. The configuration of the figures allows the installation of up to 250 magnets 6, which preferably will be rare earth magnets in Nd-Fe-Bo with magnetic class N40 and having dimensions of 15x30x60 mm. The translator 5 will have? for example a length of 6.95m, sufficient to guarantee a useful stroke of up to a maximum of 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. Conveniently, the permanent magnets 6 can be applied to the translator 5 in an inclined position with respect to the longitudinal direction L, with an inclination angle ? preferably between 10? and 30?, for example of 17? clockwise, with respect to an axis parallel A to the first symmetry plane? and orthogonal to the second plane of symmetry ??, as illustrated more? clearly in Fig. 11, so? to introduce a skewing angle, aimed at containing the tooth-slot effect. This value? was obtained following a study on the minimization of the cogging force due to the interaction between teeth 23, slots 24 and magnets 6.

Per quanto riguarda i magneti 6, le principali propriet? sono riportate nella Tabella 1. Tabella 1 Regarding the 6 magnets, the main properties? are shown in Table 1. Table 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. In order to improve the electrical output of the generator, some changes to the shape of the stator 2 may be considered. The objective is the creation of a linear generator capable of producing up to 10 kW, exploiting the energy of sea waves in the Mediterranean Sea.

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. The linear generator analyzed above? characterized by a short stator: in fact only a part of the translator 5? equipped with magnets 6 to be able to oscillate within the stator region. Since? the linear generator must be designed to exploit sea waves characterized by a wave height of a few metres, the translator 5 must be modified by adopting a long translator configuration.

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. As a first solution? the same geometry of the prototype described above was simulated, considering the adoption of the translator equipped with 40 magnets instead of? 12. In this way the entire stator is simultaneously excited by the magnets, increasing the potential power delivered by the generator.

Si ottengono armoniche di ordine elevato, dovute a due aspetti geometrici: High order harmonics are obtained, due to two geometric aspects:

- Le bobine sono installate senza l?adozione di una simmetria planare; - The coils are installed without adopting planar symmetry;

- I primi e gli ultimi tre denti hanno una larghezza diversa rispetto agli altri denti interni. - The first and last three teeth have a different width than the other internal teeth.

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. For these reasons, the first improvement is? represented by a regularization of the shape of the stator 2, imposing a planar symmetry of the coils 3 and the same shape to all the teeth 23 of the stator 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. In order to improve the power supplied by the generator, a possible technique? the reduction of the pitch between the magnets 6 installed on the translator 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. Several simulations were performed, assuming a speed? constant of the translator 5 equal to 1 m/s and establishing that the distance ?m between two magnets 6 having the same pole is equal to six times the sum of the width wt of the tooth 23 and the width ws of the slot 24.

?m =6(wt+ws ) ?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). In this sentence ? the same air gap as the prototype was considered. The proposed stator 2? characterized by a regular alternation of teeth 23 and slots 24. Since? the width of the slot 24 ? correlated to the number of turns of each coil 3, the simulations were carried out by modifying only the width of the tooth 23 considering the addition of iron. This value? expressed by the dwt parameter which goes from -12 mm to 2 mm with a step of 2 mm. The extreme case of complete tooth removal (-13.5 mm) is also considered.

wt=w(t,0)+dwt 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. Every simulation? was analyzed by evaluating the coefficients of the equivalent Fourier series. The data reported in Table 2 refer to the average signals produced by blocks A and B of the stator.

Tabella 2. Serie di coefficienti di Fourier per differenti larghezze dei denti dello statore Table 2. Series of Fourier coefficients for different stator tooth widths

Gli andamenti della prima e della terza armonica sono mostrati in Fig.13. The trends of the first and third harmonics are shown 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. ? It is interesting to observe how the reduction in the width of the teeth 23 of the stator 2 increases the value of the first harmonic and decreases the value of the third. This aspect ? important to increase and level the power delivered, since? in a three-phase system the first term ? responsible for a constant power output, while the third produces a pulsating component.

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. Although the best condition from an electrical point of view is dDe = -12 mm, in the subsequent analysis the condition dDe = -8 mm is assumed to guarantee a width of the stator teeth (5.5 mm) sufficient to resist mechanical stresses produced by the coils during the generation of electricity.

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. The proposed solution allows the achievement of high specific powers, as regards the family of linear generators, thanks to the adoption of Nd-Fe-Bo rare earth permanent magnets, without introducing significant cogging forces. The system, in fact, ? able to compensate for the genesis of this force, thanks to the peculiar geometry proposed, allowing the exploitation of even small sea waves and also being used in industrial actuators where? It is necessary to produce a precision reciprocating movement, without the use of mechanical rack systems or hydraulic pistons.

Claims

1. A permanent magnet linear generator for the production of wave energy, comprising:

- a stator (2) having a longitudinal housing (4) and provided with a plurality? of conductive coils (3) designed to generate an electromagnetic field;

- a translator (5) slidably inserted into said housing (4) and provided with one or more? rows of permanent magnets (6) to translate along a longitudinal direction (L) following the interaction of said permanent magnets (6) with the electromagnetic field generated by said coils (3);

wherein said stator (2) comprises a pair of blocks (7, 8) provided with respective conductive coils (3) and defining respective electrical machines mutually spaced along a transversal direction (X) and positioned to be electrically out of phase by an angle equal to ?/2.

2. Generator according to claim 1, characterized in that said stator (2) has a doubly symmetrical structure, with a first symmetry plane (?) and a second symmetry plane (??) mutually orthogonal and parallel to said longitudinal direction of translation (L).

3. Generator according to claim 2, characterized by the fact that said blocks (7, 8) are structurally identical to each other and mutually facing each other in a symmetrical position with respect to said first symmetry plane (?), said blocks (7, 8) being mutually spaced along said transversal direction (X), orthogonal to said first symmetry plane (?) to define said longitudinal housing (4).

4. Generator according to claim 3, characterized in that each of said blocks (7, 8) comprises a plurality? of teeth (23) and slots (24) suitable for housing corresponding coils (3).

5. Generator according to any of the previous claims, characterized in that said permanent magnets (6) are applied on said translator (5) in an inclined position with respect to said longitudinal direction (L) to introduce a predetermined skewing angle.

6. Generator according to claim 5, characterized in that said translator (5) comprises a double-T section beam made of non-electrically conductive material with a central plate (20) positioned along said first symmetry plane (?), parallel to the same, and having a pair of opposite longitudinal faces (21) each facing respective of said blocks (7, 8) and each provided with a plurality of of seats (22) for the positioning of a variable number of said permanent magnets (6).

7. Generator according to claim 6, characterized in that said permanent magnets (6) are inclined with respect to said longitudinal direction (L) with an inclination angle (?) between 10? and 30? and preferably close to 17?.

8. Generator according to any one of the previous claims, characterized in that said permanent magnets (6) are Nd-Fe-Bo rare earth magnets.

9. Generator according to any of the previous claims, characterized in that said stator (2) comprises a support structure having an upper panel (9) and a lower panel (10) provided with respective bearing means (12-15) defining respective sliding tracks (16, 17) for corresponding longitudinal edges (18, 19) of said translator (5).

10. Generator according to claim 9, characterized in that said panels (9, 10) include respective series of through holes, each of said holes being axially aligned with the hole of the opposite panel (10, 9) for the insertion of respective bars (11) for mutual anchoring of said panels (9, 10) and said blocks (7, 8), each of said blocks (7, 8) also being provided with respective transverse passages aligned with corresponding pairs of said aligned holes for the passage of respective anchor bars (11).