ITMI20101331A1 - Apparato per convertire l'energia cinetica di magneti in caduta in energia cinetica rotazionale. - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE
dell'invenzione industriale avente per titolo:
“Apparato per convertire l’energia cinetica di magneti in caduta in energia cinetica rotazionale”
La presente invenzione concerne un apparato per convertire l’energia cinetica di magneti in caduta in energia cinetica rotazionale.
Sono note turbine azionate dal vento e dall'acqua, ed, in generale, dispositivi meccanici e elettromeccanici rotanti che convertono, mediante uno o più processi di trasformazione meccanica l'energia intrinseca del mezzo di alimentazione e propulsione utilizzato in energia cinetica rotazionale dei dispositivi stessi. Tipicamente detti dispositivi rotanti producono una coppia motrice che fa ruotare, tramite una connessione assiale o un sistema di cinghie e pulegge, un generatore di corrente diretta o alternata oppure altri dispositivi meccanici e elettromeccanici atti a produrre lavoro. Detti dispositivi sono dei sistemi di tipo aperto, sistemi cioè che scambiano costantemente forze e energie con il mondo esterno. L'interazione con il mondo esterno avviene, nel caso specifico, perché essi devono essere continuamente alimentati per poter funzionare con l’azione per esempio dell’acqua e del vento. In tutti questi casi il flusso del mezzo di alimentazione urta contro le pale del dispositivo facendolo ruotare e producendo energia cinetica rotazionale che genera una coppia motrice sull'asse di rotazione del dispositivo stesso.
Ponendosi il proposito di utilizzare energia cosiddetta pulita, sorge il problema di trovarla sempre disponibile quale mezzo di alimentazione e propulsione di un apparato rotante e di conseguenza risolvere anche il problema tecnico della continuità dell'alimentazione, che nei suddetti dispositivi rotanti utilizzati per lo scopo non è garantita. I mezzi di alimentazione e propulsione nei suddetti sistemi rotanti (vento, acqua) possono, in particolare stagionalmente, venire a mancare o essere intermittenti con il conseguente arresto dei rotori. Ad esempio se il flusso del vento cessa, le turbine eoliche per la produzione di energia elettrica si fermano. Lo stesso dicasi dell’acqua di un rivo la cui portata risente della stagionalità, e tuttavia occorre produrre lavoro e/o energia elettrica con una certa continuità.
E’ necessario quindi con queste fonti di energia un’analisi preventiva della disponibilità nel tempo delle energie rinnovabili, ma questo, come è ben noto agli esperti del ramo, vincola la collocazione dell’impianto di produzione di lavoro/energia elettrica a quelle zone che possono garantire continuità in tal senso.
Può nascere l’esigenza di ottenere lavoro e/o energia elettrica in modo continuativo in luoghi che sono privi di detta continuità nella fornitura di portata d’acqua o regime di venti regolari.
In considerazione dello stato della tecnica lo scopo della presente invenzione è quindi quello di ovviare agli inconvenienti anzidetti, proponendo un apparato per convertire l’energia cinetica di magneti in caduta che non risenta delle suddette limitazioni.
In accordo con l’invenzione tale scopo è raggiunto con un apparato per convertire l'energia cinetica di magneti mobili in caduta in energia cinetica rotazionale, caratterizzato dal fatto di prevedere
almeno un elemento rotante a giacitura verticale calettato ad un albero rotante orizzontale rotabilmente sostenuto da supporti,
almeno un corpo rigido tubolare comprendente una porzione magnetica esterna fissa in prossimità dell’elemento rotante, fissato a detti supporti ed alloggiante rotabilmente detto albero mediante cuscinetti,
almeno una coppia di guide solidali all’elemento rotante che corrono verso la porzione magnetica del corpo rigido posizionato centralmente rispetto all'elemento rotante e quindi tra le guide in modo che i magneti in caduta libera lungo dette guide possano interagire magneticamente con la porzione magnetica del corpo rigido, detti magneti mobili e detta porzione magnetica prevedendo magneti permanenti, i magneti permanenti dei magneti mobili essendo atti ad affacciarsi ai magneti permanenti della porzione magnetica del corpo rigido con lo stesso polo magnetico in modo da generare una forza repulsiva tra di essi.
Queste ed altre caratteristiche della presente invenzione saranno rese maggiormente evidenti dalla seguente descrizione dettagliata di un suo esempio di realizzazione pratica illustrato a titolo non limitativo negli uniti disegni, in cui:
la figura 1 mostra una vista prospettica dall’alto di un apparato secondo l’invenzione;
la figura 2 mostra una vista frontale dell’apparato in un istante di avvio;
la figura 3 mostra una vista frontale dell’ apparato in un istante successivo a quello di figura 2;
la figura 4 mostra una vista frontale dell’apparato in un istante successivo a quello di figura 3;
la figura 5 mostra una vista frontale dell’apparato in un istante successivo a quello di figura 4;
la figura 6 mostra una vista frontale dell’apparato in un istante successivo a quello di figura 5 il magnete;
la figura 7 mostra una vista frontale dell’apparato in un istante successivo a quello di figura 6;
la figura 8 mostra una vista prospettica laterale dell’apparato.
Con riferimento alle figure allegate, ed in particolare alla figura 1 si nota un apparato 1 per convertire l'energia cinetica di masse magnetiche o semplicemente magneti 7 in caduta in energia cinetica rotazionale, ulteriormente trasmessa ad apparati esterni.
L’apparato 1 comprende almeno un elemento rotante 2 a giacitura verticale calettato su un albero 10 con asse di rotazione 3 orizzontale; l’elemento ruotante o rotore 2 è ad esempio un disco o un anello. L’albero 10 è rotabilmente sostenuto da supporti 4 solidali al terreno mediante cuscinetti 40 e corpi rigidi a magneti 41 che sono solidali ai supporti 4 ed accoppiati all’albero 10 mediante detti cuscinetti 40. In figura 8 si nota che l’apparato prevede due corpi rigidi tubolari 41 tra i quali il rotore 2 è accoppiato all’albero 10. Ciascun corpo rigido 41 è cilindrico e comprende una porzione cilindrica 8 adiacente il disco 2 costituita da una serie di magneti periferici 81.
L’apparato 1 comprende anche almeno una e preferibilmente una pluralità di guide di scorrimento rettilinee 5 rigidamente vincolate all’elemento rotante 2 e posizionate da un bordo 6 dell’elemento rotante 2 verso il suo interno. Come mostrato nelle figure, le guide 5 scorrono sostanzialmente da un punto del bordo 6 del rotore 2 fino ad un punto adiacente la superficie esterna del corpo rigido 41 senza intersecarlo in modo che il magnete 7 in caduta possa avvicinare il più possibile il corpo rigido 41 ovvero i suoi magneti 80. La forma di realizzazione a quattro magneti 7 mostrata nelle figure, prevede coppie di guide parallele 5 che corrono da punti del bordo del rotore 2 sostanzialmente opposti per convergere verso il corpo rigido 41 da parti opposte. Le guide 5 di ciascuna coppia sono rettilinee ma non necessariamente parallele, viceversa è fondamentale che siano disegnate per consentire l’interazione magnetica tra i magneti mobili 7 ed i magneti fissi 80 del corpo rigido 41; per esempio potrebbero essere non parallele convergenti o divergenti tra loro per un diverso angolo di avvicinamento. In ogni caso le guide 5 sono a giacitura verticale, la stessa del rotore 2.
L’apparato comprende almeno un magnete 7 vincolato a scorrere liberamente sulla rispettiva guida 5 tramite un elemento di scorrimento 9, tipicamente un carrello 9. Le guide 5 comprendono un primo fermo 33 posto all'estremo esterno ed un secondo fermo 34 posto all’estremità interna che impediscono ai carrelli 9 di uscire dalle guide 5 durante la rotazione dell'elemento rotante 2. Vantaggiosamente è presente un dispositivo di aggancio e sgancio (non raffigurato) dei magneti 7 in corrispondenza di detto primo fermo 33.
L’apparato può vantaggiosamente comprendere una pluralità di magneti 7 vincolati nel modo descritto alla rispettiva guida 5.
Il dispositivo di aggancio e sgancio (non raffigurato), può essere vantaggiosamente un dispositivo di freno elettromagnetico (non raffigurato) che frena il magnete 7 sulla guida 5, e lo rilascia per la caduta libera.
Questo dispositivo può anche essere usato per ottenere che i magneti 7 ed i relativi carrelli 9 a cui sono vincolate non possano scorrere nel verso opposto alla loro caduta per evitare eventuali rimbalzi dei magneti 7 lungo le guide di scorrimento 5 e quindi la perdita di energia cinetica. Il rimbalzo è impedito a titolo esemplificativo con il dispositivo frenante elettromagnetico usato per frenare i magneti sulle guide; il dispositivo elettromagnetico è comandato da un sensore di posizione (non raffigurato). Il sensore, quando il magnete raggiunge il punto di avvicinamento più vicino e quindi nell'istante in cui inizia la fase di repulsione con il corpo rigido 41, fa azionare l’elettromagnete del dispositivo di aggancio e sgancio che blocca per un istante il magnete 7 alla guida 5.
L’apparato 1 può vantaggiosamente comprendere almeno un sensore (non raffigurato, ma di tipo noto) di tipo meccanico, o elettronico, o elettromagnetico, o optoelettronico o laser, per il monitoraggio della posizione dei magneti 7 nello spazio, delle forze derivanti dalle repulsioni , della velocità di rotazione dell’elemento rotante 2, della velocità di scorrimento degli elementi di scorrimento 9 sulle guide 5 e della coppia motrice misurata su un asse di rotazione 3.
L’apparato 1 può vantaggiosamente comprendere un dispositivo di posizionamento (non raffigurato) di tipo meccanico, elettrico e elettromeccanico per lo spostamento dei magneti 7 sulle guide di scorrimento 5. Vantaggiosamente è possibile utilizzare, a titolo esemplificativo non limitativo, motori passo passo, noti.
Il corpo rigido 41 è posizionato in corrispondenza dell’asse 3 ed è atto ad intercettare i magneti 7 durante la loro caduta ed è formato da un elissoide in materiale amagnetico ricoperto in posizione adiacente il disco 2 dalla porzione cilindrica 8 a magneti permanenti 80 di arte nota con il medesimo verso della polarità magnetica; anche i magneti mobili 7 sono costituiti da un nucleo di materiale amagnetico e ricoperto da un magnete permanente con il verso della polarità magnetica contrario a quello dei magneti fissi 80 appartenenti al corpo rigido 4L
La repulsione magnetica tra il magnete 7 in caduta ed il corpo 41 dovuto a detta opposta polarità magnetica produce una forza rotazionale sull’elemento rotante 2. La reazione di repulsione magnetica sul magnete 7, in particolare sulla guida 5, risulta avere una componente perpendicolare al raggio dell’elemento rotante 2 che pone in rotazione l’elemento rotante 2 attorno all’asse 3.
Sullo stesso albero cilindrico 10 possono essere calettati più rotori 2.
L’apparato 1 può vantaggiosamente comprendere un dispositivo meccanico di posizionamento (non raffigurato) atto a calcolare la posizione dei corpi rigidi 41 e a spostarli. Vantaggiosamente detto dispositivo meccanico può comprendere sensori di posizione di tipo noto e motori passo passo, anch’essi noti.
L’apparato 1 può comprendere un dispositivo elettronico (anch’esso non raffigurato) di controllo e gestione per i dispositivi e sensori sopradetti.
L’apparato 1 comprende inoltre mezzi di trasmissione (non raffigurati) del moto dell’elemento rotante 2 ad apparati esterni (non raffigurati).
Detti mezzi di trasmissione del moto comprendono una cinghia di trasmissione e un sistema di pulegge di trasmissione dell'energia cinetica rotazionale generata dall’apparato verso un sistema di utilizzo di tale energia cinetica.
L’apparato 1 può comprendere almeno un dispositivo frenante (non raffigurato) dell’elemento rotante 2. Detto dispositivo frenante dell’elemento rotante 2 può essere un freno a disco od altro dispositivo frenante presente in arte nota. Il dispositivo elettronico di controllo e gestione invia i comandi al dispositivo frenante dell’elemento rotante 2 nei casi di rallentamento e arresto dell’elemento rotante 2.
Vantaggiosamente può essere costruito un apparato multiplo composto da due o più apparati 1 secondo le rivendicazioni precedenti associati tra loro per mezzo di giunti meccanici o elettromeccanici (non raffigurati) e gestiti da un sistema di controllo generale (non raffigurato).
Il funzionamento dell'invenzione è basato fondamentalmente sulla conversione dell'energia cinetica dei magneti 7 in caduta in energia cinetica rotazionale dell’elemento rotante 2 tramite una serie di repulsioni magnetiche.
Secondo l'invenzione, la rotazione dell’elemento rotante 2 è la diretta conseguenza di repulsioni magnetiche consecutive tra i magneti 7 in caduta libera o frenata e i corpi rigidi 41, solidali al suolo nell'istante dell'interazione magnetica. Le repulsioni magnetiche tra i magneti 7 e i corpi rigidi 41 producono una forza impulsiva nel verso della rotazione dell’elemento rotante 2 che, ruotando, genera energia cinetica rotazionale attorno all'asse di rotazione 3.
Il funzionamento dell’invenzione è illustrato (figure 2-8) per semplicità per quattro magneti 71-74 scorrevoli lungo guide 51-54, vincolate ad un disco 2 da parti opposte rispetto all’albero 10 in modo che i magneti 71-74 in caduta si avvicinano al corpo rigido 41; il funzionamento con numero maggiore di magneti 7 associati a rispettive guide 5 è desumibile da questo caso.
Nella posizione di avvio (figura 2), il primo magnete 71 è agganciato alla guida 51 posta in verticale e gli altri magneti 72-74 sono a contatto con i fermi 33; il sistema di controllo sgancia il primo magnete 71 ed esso scorre per forza peso sulla guida 51 e si avvicina al corpo 41 interagendo magneticamente con esso (figura 3); una componente della reazione alla repulsione magnetica (le polarità dei magneti 71 ed 80 sono opposte) è in direzione perpendicolare al raggio, di conseguenza il disco 2 inizia a ruotare in senso orario (figura 4) trascinando con sé gli altri magneti 72-74, il magnete 72 iniziando a scendere, i magneti 73-74 iniziando a salire.
In seguito il disco 2 inizia a decelerare a causa degli attriti fino a quando il quarto magnete 74 trovandosi in posizione sopra-elevata rispetto al primo magnete 71 inizia a scendere (figura 5) per forza peso lungo la guida 54 fino ad avvicinare il corpo 41 generando una nuova spinta rotazionale oraria (figura 7). Il ciclo quindi si ripete nel tempo fino ad un istante in cui naturalmente il disco 2 si ferma sostanzialmente con le guide 51-54 in posizione analoga a quella di figura 2.
Nel caso ad esempio di otto magneti 7, il ciclo si ripete con frequenza doppia, ma il concetto è lo stesso: i magneti 7 in posizione alta tendono a scendere lungo le rispettive guide 5 fino ad interagire repulsivamente con il corpo 41 generando una rotazione, ovvero la conversione del moto rettilineo del magnete 7 in moto rotazionale del rotore 2.
I magneti 7 e il corpo 41 sono costituiti da un nucleo interno di materiale amagnetico quale acciaio inox, piombo, alluminio, titanio e materiali non ferrosi in genere, legno, cemento, roccia, vetro, ceramica, gomma, plastica, teflon, grafite, grafene, kevlar, policarbonato, polimeri etc., e ricoperti opportunamente da segmenti di magneti permanenti di arte nota quali i magneti al Neodimio-Ferro-Boro (NdFeB) e quelli al Samario-Cobalto (SmCo).
L’apparato 1 può essere connesso ad almeno un dispositivo (non raffigurato) meccanico, elettrico, elettronico, elettromeccanico e optoelettronico atto a variare il numero dei giri del sistema rotante, produrre corrente elettrica diretta e alternata, produrre lavoro meccanico, produrre calore tramite attrito, misurare il numero dei giri dell’elemento rotante 2.
II senso della rotazione dell’elemento rotante 2 può essere di tipo orario, oppure di tipo antiorario da destra verso sinistra.
Si rivendica anche un metodo per convertire l'energia cinetica di magneti in caduta in energia cinetica rotazionale di un apparato secondo la descrizione che precede, comprendente le fasi di:
• porre una guida 5 in posizione verticale ruotando l’elemento rotante 2;
• alzare il magnete 7 associato alla guida verticale 5 ad una condizione di energia potenziale maggiore dovuta al peso più elevato;
• lasciare cadere detto magnete 7 verso un albero posto eccentrico sulla sua traiettoria di caduta in modo che la repulsione magnetica tra il magnete 7 in caduta ed il corpo 41 produca una reazione con componente perpendicolare al raggio dell’elemento rotante e quindi una rotazione dell’elemento rotante 2; • utilizzare la rotazione dell’elemento rotante 2 prodotta dalla repulsione magnetica, per produrre lavoro o energia elettrica.
Le guide 5 potrebbero non essere rettilinee e non appartenere ad un piano a giacitura verticale, ovvero potrebbero essere curve in qualsiasi direzione dello spazio restando comunque il vincolo all’elemento rotante 2 ed in particolare in corrispondenza del fermo interno 34 nelle vicinanze del quale avviene la repulsione magnetica con il corpo rigido 41.
Claims (5)
- RIVENDICAZIONI 1. Apparato (1) per convertire l'energia cinetica di magneti mobili in caduta (7, 71-74) in energia cinetica rotazionale, caratterizzato dal fatto di prevedere almeno un elemento rotante (2) a giacitura verticale calettato ad un albero rotante orizzontale (10) rotabilmente sostenuto da supporti (4), almeno un corpo rigido tubolare (41) comprendente una porzione magnetica esterna fissa (8, 80) in prossimità dell’elemento rotante (2), fissato a detti supporti (4) ed alloggiante rotabilmente detto albero (10) mediante cuscinetti (40), almeno una coppia di guide (5, 51-54) solidali all’elemento rotante (2) che corrono verso la porzione magnetica (8, 80) del corpo rigido (41) posizionato centralmente rispetto all'elemento rotante (2) e quindi tra le guide (5, 51-54) in modo che i magneti (7, 71-74) in caduta libera lungo dette guide (5, 51-54) possano interagire magneticamente con la porzione magnetica (8, 80) del corpo rigido (41), detti magneti mobili (7, 71-74) e detta porzione magnetica (8, 80) prevedendo magneti permanenti, i magneti permanenti dei magneti mobili (7, 71-74) essendo atti ad affacciarsi ai magneti permanenti della porzione magnetica (8, 80) del corpo rigido (41) con lo stesso polo magnetico in modo da generare una forza repulsiva tra di essi.
- 2. Apparato (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che dette guide (5, 51-54) prevedono una prima estremità esterna in corrispondenza od oltre la periferia (6) del rotore (2) ed una seconda estremità interna adiacente la porzione magnetica (8, 80) del corpo rigido (41) senza intersecarla.
- 3. Apparato (1) secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che ciascuna coppia di guide prevede guide rettilinee (5, 51-54) tra loro parallele e con estremità esterne opposte rispetto all’asse di rotazione (3) del rotore (2), dette guide (5, 51-54) appartenendo ad un piano a giacitura verticale.
- 4. Apparato (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di prevedere mezzi di trattenuta dei magneti (7, 71-74) alle estremità delle guide (5, 51-54), mezzi atti ad azionare detti mezzi di trattenuta, e mezzi di temporizzazione per il rilascio dei magneti (7, 71-74) in funzione della coppia richiesta all’albero (10).
- 5. Procedimento per convertire l'energia cinetica di magneti in caduta in energia cinetica rotazionale, caratterizzato dal fatto di prevedere l’interazione magnetica repulsiva di magneti (7, 71-74) in caduta libera lungo guide (5, 51-54) solidali ad un elemento rotante (2) a giacitura verticale, con un corpo rigido fisso (41) comprendente una porzione magnetica (8, 80) e rotabilmente alloggiante un albero rotante (10) su cui è calettato detto elemento rotante (2) con asse di rotazione orizzontale (3) perpendicolare a detta guida (5, 51-54) e non intersecante la guida stessa.
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