NO20100993A1

NO20100993A1 - Elektrisk maskin for undervannsanvendelser og system for energiomforming.

Info

Publication number: NO20100993A1
Application number: NO20100993A
Authority: NO
Inventors: Sigurd Ovrebo; Alexey Matveev; Stig Ove Stornes; Jorg Hoyland
Original assignee: Smartmotor As
Priority date: 2010-07-09
Filing date: 2010-07-09
Publication date: 2012-01-10
Also published as: BR112012032392A2; PT3355449T; WO2012005597A1; WO2012005597A8; EP3355449B1; US9553489B2; US20130106111A1; EP2591539A4; EP2591539A1; JP2013538540A; ES2841923T3; DK3355449T3; NO331710B1; EP3355449A1; CN102986119A

Description

Elektrisk maskin for undervannsanvendelser og system for energiomforming.

Oppfinnelsen gjelder en elektrisk maskin for undervannsanvendelser, i samsvar med innledningen til patentkrav 1.

Oppfinnelsen gjelder også et energiomformingssystem for å omforme mekanisk energi fra enveis eller vekse Ivirkende lineær bevegelse eller rotasjonsbevegelse til elektrisk energi og omvendt, i samsvar med innledningen til patentkrav 11. Den elektriske energien kan være i form AC-eller DC- strøm eller spenning. Systemet og den elektriske maskinen er spesielt relatert til undervannsanvendelser, det vil neddykket i ferskvann eller saltvann.

Bakgrunnen

Neddykkede energiomformingssystemer har anvendelser innen bølge-, tidevanns-og vannkraftsomformingsanlegg, neddykkede hjelpegenerator, neddykkede bladstigningssystemer, undervannsvinsjer, fremd rifts system er, posisjonspropeller, i-rør-generatorer, etc. Disse anvendelser kjennetegnes ved forskjellige typer primærbevegelse.

Basert på forskjellen i bevegelse og i allerede eksisterende løsninger gis nedenforen oversi kt over teknikkens stilling, inndelt i to trinn: Først diskuteres publikasjonerfortidevanns-og vannkraftanvendelser, og de rette r følger bølgee ne rgiomforming og undervannsvinsjer. Andre anvendelser kan tilskrives en av de allerede nevnte gruppene for anvende Ise.

Tidevanns- og vannkraftanvendelser kjennetegnes ved rotasjonsbevegelse. Vanligvis er det en turbin som roterer i en retning med en langsomt varierende hastighet. Rotasjonsretningen kan endres i tidevannsanvendelser, men dette vil da finne sted bare to ganger per døgn, slik at man kan anse at systemet har kontinuerlig rotasjon i en retning.

For tidevanns-og vannkraftanvendelser har det i senere tid blitt foreslått flere løsninger med elektriske maskiner integrert i turbinene og som drives med vann i gapet mellom separat innkapsletstatorogrotor. En oversiktoverdisse løsningerergittnedenfor.

En elektrisk maskin beskrevet som en del aven vannturbin og en væskepumpe er presentert i WO 2004/113717 (Røyrvik, 2004), hvor statoren bare bestårav viklinger og innkapslingsmateriale. Verken jerntenner eller bakjern er brukt.

En elektrisk maskin som er beskrevet i OpenHydro sin løsning i US 2010/0026002 (Spooner, 2010) drives også med vann i gapet meil om stator og rotor. Maskinen er spalteløs, men i motsetning til maskinen nevnt i WO 2004/113717 bruker den et element av en ferromagnetisk viklingforålede magnetiske fluks. Maskinen har også diodelikerettere for hver vikling, koblet sammenforå gi likespenningutfra maskinen.

To publikasjonerforCleanCurrent Power Systems-CA 2615808 Al og GB 2442622 B presentereraksiale fluksmaskiner. CA2615808 Al (Allison, 2003) foreslåren maskin med to kontraroterende rotorskiver med magneterved roten av bladene, samt innkapslete viklinger på stator uten noen jernkjerner.

GB 2442622 B (Platon, 2009) foreslåren statorsom bestårav en rekke E-formete jernsegmenter med én vikling i hvert segment. Segmentene er separat innkapslet. Detergap mellom nabosegmentene. Hver vi kling er utstyrt med sin separate elektronikkenhet, og enhetene er koblet sammen i et nettverkforå avgi felles likespenning.

For å øke den rotasjonshastighet som den mekaniske til elektriske energiomformingen utføres ved brukes av og til forskjellige mekaniskeoverføringssystemer. I foreksempel publikasjon US 7,530,224 B2 (Fraenkel, 2009) eren hydraulisk hastighetsøkende overføring benyttet for en tidevannsturbin.

Trekkene til løsningene gjennomgått ovenfor, hvilke kan føre til konkrete ulemper sammenliknet løsningen foreslått i den foreliggende oppfinnelsen, kan oppsummeres som følger: - maskinene harikke komplettejernkjerneri statoren ellerde harikke jernkjerneri dethele tatt, - det er anordnet elektronikkenheter som hørertil de enkelte segmenter, og enhetene er sammenkoblet! et nettverk som resulterer i avgitt I ikespennings fra maskinen når den ne arbeidersom en generator, - det brukes hastighetsøkende gir.

Løsningen med ufullstendige statorjernkjernerførertil høye stråfelt, siden det ikke er noen lukket jernledningsbanefor magnetisk fl uks, og som en konsekvens av dette lavere eff ekttetthet, lavere virkningsgrad og redusert effektfaktor. I tillegg vil det å ha ufullstendige jernkjerner (E-kjerner) føre til lavere konstruksjonsstivhet, hvilket er viktig for maskiner med stor diameter. Gitt de sterke tiltrekningskreftene mellom magneter og E-kjerneravjern vil detå opprettholdeet konstant gap mellom statorog rotor kreve en betydelig bærende struktur, som kan være meget kostbar.

Løsningen med elektronikkenheter ved hvert segment vil føre til et stort antall elektriske koblinger, hvilket kan føre til redusert pålitelighet. Videre vil AC-spenningslikeretting ved segmenteneføre til spenning og strøm i viklingene som ikke er sinusformet, hvilket resulterer i ytterligere tap og lavere virkningsgrad.

Således liderde elektriske maskinløsningenefortidevanns-ellervannkraftomformingsenheter fra kjent teknikk av enten dårlig virkningsgrad, høyere kostnader, eller begge disseulempe ne.

Undervannsvinsjer kan ha sykliskebelastningerogdrivesvedendrende rotasjonsretningen, både i motor- og generatormodus.

Bølgeenergiomforming kjennetegnes vanligvis veden veksel virkende lineær bevegelse. Det foreliggeretstørre antall konseptersombrukerlineæreelektriskemaskinerforenergiuttak. Den lineære bevegelse kan imidlertid omformes til rotasjonsbevegelse ved brukav vinsjliknende arrangementer (et system av troml er). Rotasjon i en retning som følge av heving av en flottør kan følges ved å la en line (streng) løpe utfra en trommel og rotere en aksling. Ved rotasjon i motsatt retning følger oppvikl ing av strengen tilbake på trommelen, hvilket kan fremtvinges gjennom en mekaniskfjær. Eksemplererbeskreveti publikasjonene US2006273594 Al (Gehring,2006) og US 4,208,877 (Davis, 1980). Denne type arrangement kan bare skape energiutvinningnårflottøren stiger, altså ved rotasjon i bare en retning.

I prinsippet kan energi utvinnes ved bevegelse (rotasjon) i begge retninger. Så tidlig som i 1978 ble dette vist av Budal og Falnes (GB 1522661) som patenterte et system med to kontraroterende flottører (bøyer), hvorenflyterved overflaten ogden andre er neddykket. Istedetfordenne neddykketeflottør kan det brukes en motvekt (tyngdestang), som i publikasjoneneGB 2062113 A (Ortega, 1981) og GB 2192671 A (Shim Hyun Jin, 1988).

Videre er det relativt vanligå prøve å omforme den toveis vekslevirkende rotasjonen til trommelen til en enveis rotasjon. Ofte er det en mekanisk innretning (gir) for omforming av den vekselvirkende bevegelsen til en enveis bevegelsefor å sikre kontinuerlig rotasjon aven elektrisk maskin i en retning. Eksemplererde allerede nevnte publikasjonene GB 1522661 og GB 2062113

A.

Energiproduksjon fra energi i bølger er ofte periodisk eller oscillerende, ogfølgeligmå tiltak gjøresforå stabilisereeffektuttak. Ideovenfornevnte publikasjoneneGB 1522661 og US 2006273594 Al, så vel som i GB 2408075 A (Stansby, 2005), brukes etsvinghjul foråjevne ut effektsvingningene,mens i publikasjonen GB 2192671 A er et bufferbatteri brukt for det samme formålet.

I samtlige omtalte anvendelser er den elektriske maskinen plassert enten overvannoverflaten (GB 2062113 A, GB 2408075 A) eller i et innkapslet kammerfor å hindre kontakt med sjøvann som i publikasjonene US2006273594 Al, WO 2007125349 A2 (Masters, 2007) og WO 2009105011 Al (Sidenmark,2009).

For å øke rotasjonshastigheten som den mekaniske til elektriske energi omformingen utføres ved, brukes forskjellige mekaniske overføringssystemer, så som girbokser, som i publikasjonene GB 2192671 A og AU 2007 202995 Al (Fraenkel, 2007).

Dersom merenn ett primærelement (flottører, tyngdestenger) brukes, kan rotasjonen i forskjellige retninger kjennetegnes ved forskjellig kraft og lineær hastighet. Eksemplererde ovenfornevnte publikasjonene GB 2408075 A og WO 2009105011 Al, der tromler med ulik diameterbrukesforoppvikling/uttrekkingavstrengersom beveger seg i motsatte retninger, således arbeider med forskjellig kraft og hastighet.

Idéenefra publikasjonene nevnt ovenfor for bølgeenergiomforming somerrelevanteforden foreliggende applikasjonen kan oppsummeres i følgende sett av konsepter:

- Bruk av en mekaniskfjærforreturbevegelse.

- Generatorrotasjonen har konstant retning (enveis) på grunn av bruken av en spesialgir.

- Utjevning av utgangseffekt ved bruk av enten etsvinghjul eller et energilagringsbatteri. Siden den primære bevegelse i mange av anvendelsene er kjennetegnet ved lav hastighet, brukes girbokserforå øke hastigheten. -Tilpasning av elektriske maskiner i isolerte kamre (trykksatte, luft-eller oljefylte). Konsekvent bruk av roterende pakninger der aksl ingen går ut fra det isolerte kammeret. - Massene til flottører, og dersom brukt, motvekter, kan være justerbare for å oppnå resonans med frekvensen til bølgene.

Hovedkravene til i praksis enhver fornybar energi omformer er høy pålitelighet, lang levetid og lave material-, produksjons- og driftskostnader. Vanskeligheter med å møte kravene forklarer den relativt beskjedne kommersielle bruken avbølge-ogtidevannskraftanleggi dag.

De ovenfor nevnte systemkomponentene påvirker kostnadene og pål iteligheten på følgende måte:

(a) Systemkostnader er høy grunnet bruken av:

- isolert trykkammer,

- energilagringsenhet,

- girforomformingavvekselvirkendebevegelsetil enveis bevegelse,

- gir for hastighetsøkning.

(b) Systempåliteligheten er lav og levetiden er kort grunnet bruken av:

- roterende pakninger, hvilke er hovedslitedelene i enhver undervannsenhet som bruker denne type arrangement,

- girforomformingavvekselvirkendebevegelsetil enveis bevegelse,

- gir for hastighetsøkning,

- isolert trykkammer,

- energilagringsenhet.

(c) Systemeffektiviteten er redusert grunnet bruken av:

- mekanisktap (friksjonstap) i roterende pakninger,

- mekaniske tap i girfor omforming av vekselvirkende bevegelse til enveis bevegelse,

- mekaniske tap i girfor hastighetsøkning.

Det fremgår av dette at det er de samme komponentene som negativt påvirker samtlige viktige ytelsesparametere (kostnader, pålitelighet, virkningsgrad, levetid) fordettotale systemet.

Formål

Hovedformålet med oppfinnelsen er å tilveiebringe en elektrisk maskin for energiomformingssystemer og et system for energi omform ing som helt el ler del vis løser de ovenfornevnte problemene med kjent teknikk, dvs. tilveiebringer høyere virkningsgrad, lavere material- og produksjonskostnader, samt lengre levetid.

Ett formål med oppfinnelsen er å bli kvitt:

- gir for omforming av veksel virkende bevegelse til enveis bevegelse,

- gir for hastighetsøkning,

- isolert trykkammer,

- energilagringsenheter,

- roterende pakninger, hvilke er hovedslitedelene i enhver undervannsenhet som bruker denne typen arrangementer.

Det er også et formål å tilveiebringeen elektrisk maskin som vil ha høyre effekttetthet, høyere virkningsgrad og høyere konstruksjonsstivhet enn eksisterende direktedriftsløsningerfor tidevanns- og vannkraftanvendelser.

Det erogså et formål med oppfinnelsen erå tilveiebringeen elektrisk maskin som kan integreres med en mekanisk del av et energiomformingssystem for omforming av lineær bevegelse til rotasjonsbevegelse, og med elektronikkforå tilveiebringe likespenningellerveksel-spenning med konstant frekvens ved systemets utgang.

Oppfinnelsen

En elektrisk maskin i samsvar med oppfinnelsen er angitt i patentkrav 1. Detaljer og foretrukne trekk ved den elektriske maskinen erangitt i patentkravene 2-10.

Et system for bølgeenergiomforming i samsvar med oppfinnelsen erangitt i patentkrav 11. Detaljerogforetruknetrekkved systemet erangitt i patentkravene 12-19.

De ovenfor diskuterte anvendelsene kjennetegnes generelt ved lav rotasjonshastighet (vanligvis under 200 omdreininger per minutt). Det er av denne grunn at det brukes girbokser i mange av dem, for å bringe hastigheten el lerturtallet opptil et nivå der standard elektriske maskiner kan anvendes forenergiomforming. I den foreliggende oppfinnelsen foreslås det å bruke en lavhastighets- og høymomentmaskin, så som en flerpolet synkronmaskin med permanentmagneter. Dette tillaterå kvitte seg med girboksene.

Maskinene med permanentmagneterkanhaet relativt stort gap mellom statorog rotor. Dette tilveiebringer en mulighet for å innkapsle statorog rotor separat og at vann (eller et annet fluid) kan flyte mellom dem. Gapet kan være så stort som flere millimetere (sammenlignet med tradisjonelle maskiner hvor det vanligvis brukes en fraksjon avmillimetere) hvilket tilveiebringer plassen som trengs for innkapsling. For eksempel er 1/3 av gapet er vann, 1/3 av gapet er innkapsling av statoren og 1/3 av gapet er innkapsl ing av rotoren. Siden de aktive delene av den elektriske maskinen erinnkapsletvil detikkevære behov for etisolert trykkammer. Dette gir muligheterforbrukav den elektriske maskinen ienergiomformingssystemerved betydelige dybder nær hav-el lerelvebunner. Ved havbunnen ertemperaturen lavere enn nær overflaten, og derfor blir kjølingen bedre ogden elektriske maskinen kan ha en mer kompakt konstruksjon, hvil ket betyr mindre bruk av aktive materialer og lavere kostnader. Videre, siden det ikke er noe behovforet trykkammertrengs hellerikke noen roterende pakninger. Siden hastigheten i applikasjonen er lavvil også friksjonstapene i gapet bli relativt lave.

Jernkjernen i den foreslåtte maskinen er komplett og gir en lukket bane for magnetisk fluks og sikrer nødvendig mekanisk stivhet.

I samsvar med den foreliggende oppfinnelsen er det foreslått å koble den elektri ske maskinen til en kraftelektronikkomformer for AC-til-DC-omforming i generatormodus og DC-til-AC-omforming i motormodus. I generatormodus vil rotasjonen avden elektriske maskinens rotor, i begge retninger, likerettes av omformeren til en konstant likespenning med pulserende strøm/effekt ved utgangen til energiomformingssystemet. Likedan kan tilført DC-spenningomformes til toveis rotasjon av den elektriske maskinen i motormodus og, dersom nødvendig, forsykliskdrift. Når effekt genereres ved rotasjon i en retning er avgitt likespenning stabil.

Kraftelektronikkomformeren er fortrinnsvis anordnet nærden elektriske maskinen eller integrert med den elektriske maski nen. Derfor må denne også innkapsles.

Det er mulig å ha enellerflereenergilagringsenheterpålikespenningssiden av omformeren for å jevne ut utgangseffekten i energiomformingsanvendelsersom haren vekselvirkende bevegelse, men slike enheter er kostbare, slikatdetistedeterforeslåttådra fordeler av det fakta at genereringsenheter vanligvis ikke brukes alene, men i parker. Effektproduksjonssyklusene i enhetene i parken kan synkroniseres sl ikat den gjennomsnittlige produserte effekten er stabil. Likespenning på utgangen av en separat enhet er bedre ettersom likespenning er mer beleilig enn vekse I spe nn ing som intern parkspenningen og likespenning er bedre å overføre over lange avstandergrunnet lavere tap og billigere kabler.

En lavhastighets, høymoment, flerpoltpermanentmagnetmaskin har vanligvis en ringform, slik at den er velegnet for mekanisk integrasjon. Også en radial fluksmaskin kan være å foretrekke siden den er enklere å sammenstille og integrere med et mekanisk system, uansett type.

Det erflere måterå innkapsle aktive deler aven elektrisk maskin på, dvs. statorog rotor. Prosessen med innkapsling av statorog rotor ergjennomsprøytestøping eller en støpeprosess. Den kan også være et metalldeksel/skjerm på rotorog en polymer-eller komposittinnkapsling på stator.

Følgelig er oppfinnelsen basert på brukav en permanent magnet synkronmaskin (PMSM) med se parat i n n kapsl et rotor og stator.

Maskinen er koblet med en neddykket AC/AC eller AC/DC kraftelektronikkomformer. Maskinen kan være integrert med en ellerf I ere mekaniske deler i et energiomformingssystem. Maskinen kan bruke konvensjonelle lukkede lagre, magnetiske lagre ellervannsmurtelagre. Den elektriske maskin vil være egnet for neddykkete energiomformingssystemermed anvendelser innenfor bølge-, tidevanns-og generelle vannkraftenergiomformingsanlegg, neddykkede hjelpegeneratorer, neddykkede bladstigningssystemer, undervannsvinsjer, fremdriftssystemer, posisjonspropeller, i-rør-generatorer,etc.

Ytterligere detaljer ogforetru kne trekk ved oppfinnelsen vil fremgå av den etterfølgende eksempelbeskrivelsen.

Eksempel

Oppfinnelsen vil nedenfor bli beskrevet i detalj med henvisning til de vedlagte tegningene, hvor:

Figur 1A-C viseren energiomformingssystem-topologi og tre typiske lasttyper,

Fig. 2A viser et ytre riss av en elektrisk maskin med separat innkapslet statorog rotor,

Fig. 2B viser et tverrsnitt av en rotor med en beskyttende innkapsling over magnetene og med delerav en bærende struktur, Fig. 2C viser et tverrsnitt av en rotor med en beskyttelse av magneter gjennom et spesielt antikorrosjonslag og maling, og med deler av en bærende struktur, Fig. 2D viser et tverrsnitt av en rotor hvor aktive deler er holdt på plass avet innkapslings-materialesomtjenersomden bærende strukturen, Fig. 2E og 2F visertverrsnittav maskinen i Fig. 2Afra forskjellige vinklerforå vise ytterligere detaljer av den elektriske maskinens stator,

Fig. 3A-D viser detaljer i en støpeprosess,

Fig. 4A-B viserintegrasjon aven elektrisk maskin med en enkelttrommelvinsj (på denne og følgende figurer har maskinen intern stator og ekstern rotor), Fig. 5A viser et prinsipp for drift av et energiomformingssystem med to primære bevegelsesenheter,

Fig. 5B og 5C viserintegreringen av den elektriske maskinen med en dobbeltrommelvinsj,

Fig. 6 viser integrasjon av den elektriske maskinen med en trippeltrommelvinsj,

Fig. 7 viserenstatorkonstruksjon hvorenstøttestrukturerlagetavde samme polymer-eller komposittmaterialer som innkapslingen, og

Fig. 8 viser et eksempel på et energiomformingssystem i samsvar med oppfinnelsen.

Det henvises nåtil Fig. lA-Csom illustrererenergiomformingssystem-topologieroglasttyper, for hvilke oppfinnelsen erforeslått. Fig IA viser enveis bevegelse med konstant belastning, Fig IB visertoveis bevegelse(vekselvirkende)med en primærbevegelsesenhet, og Fig. lCvisertoveis bevegelse (vekselvirkende) med to primære bevegelsesenheter.

Et energiomformingssystem i samsvar med oppfinnelsen omfattersom hovedelementer en AC/DC-omformerll, en elektrisk maskin 20 (motor"M" ellergenerator"G" avhengig av drifts-modus),såvel somen mekaniskforbindelse 12(akslingellerdirekteintegrasjon)til et mekanisk system 13. Det mekaniske systemet 13 kan i segselvvære en primær bevegelsesenhet, f.eks. en turbin 14 som i Fig. IA, elleretsystemmedflere tromler 15a-bforomformingavlineærbevegelse til rotasjonsbevegelse. Det kan være en trommel 15a, som i Fig. IB, ellertoellerflere tromler 15a-b, som i Fig. 1C.

Henviser nå til Fig. 2A som illustrerer den foreliggende oppfinnelses grunnidé og dekker konstruksjon av den elektriske maskinen 20som muliggjør alle ytterligere modifikasjoner. Den elektriske maskinen 20 har en stator 21 og en rotor 22, hvilke er innkapslet separat, sl ik at et gap 23 mel lom dem er åpent mot omgivelsene, det vil si at det f.eks. er vann (eller et annet fluid) i gapet23 mellom dem. Deteren sokkel 24 integrert inn et innkapslingsmateriale25 for undervanns pl uggforbindelse til en elektrisk kabel. Fig. 2B viseren variant av rotorinnkapsl ingen. Magneter 26 for rotoren 22 erfestetpået bakjern 27 ogerfortrinnsvisdekketaven beskyttende innkapsling 28av f.eks. rustfritt stål. De aktive delene holdes av elementer av en bærende struktur 29 ved bruk av skruer 30. Den bærende strukturen 29 er fortrinnsvis festet til en rotorskive 31. Fig. 2C viseren alternativ variant for rotorinnkapsling. Magnetene har korrosjonssikker overflate og er i tillegg beskyttet av spesialmaling. Fig. 2D viser enda en variant. De aktive delene er her støpt inn i innkapslingsmaterialet25som tjenersom både den bærende strukturen og rotorskiven 31. Rotorskiven 31kan være massivforå redusere friksjonstapnården roterer, eller ha hull forå spare på materialet.

Det henvises nå til Fig. 2E som illustre rer et tverrsnitt avden elektriske maskinen 20i Fig. 2A. Den elektriske maskinen 20omfatterstatorlamineringer32 og viklinger 33, hvor både stator-lamineringene32og viklingene 33er dekket av et innkapslende polymer eller f iberforsterket plastmateriale25(FRP- fiber reinforced plastic). Den elektriske maskinen 20omfattervidere rotorbakjern 27 og permanentmagneter 26 hvilke også er dekket av et lag av innkapslende komposittmateriale 25. En av flere varianterav støttestruktur er bruk av gjengete tapper 34 og muttere 35 for å feste aktive deler til en statorstøttestruktur og en rotorstøttestruktur. Som det kan sees erdet et gap 23 mellom den separate innkapslete statoren 21og rotoren 22.

Den gjengete tappen 34 strekker seg fortrinnsvis direkte gjennom lamineringene 32 som vist i

Fig. 2E og2F. Ingen innkapslingerbrukt rundt statoren 21. Avstandselementer36ogskiver37 kan brukes sammen med den gjengete tappen 34for å bedre konstruksjonens pålitelighet og lette monteringen. Fig.2Fviserogsåen vikling 38(spolesider) i spor og sporkiler39.

Innkapslingen av aktive deler av stator21 og rotor 22 kan utføres med enten en åpen eller lukket støpeprosess. Fig. 3A viser ettverrsnitt av en stator 21 i en åpen støpeprosess. En støpe - form 40 kan være av et stivt ellerfl eksibelt materiale. Støpeformen 40 kan være laget som en enkeltdel eller være oppdelt i flere delersom monteres sammen. Harpiks 41 helles inn i støpe-formen 40 fra toppen 42 og fyller tomrommet mellom statoren 21 og støpeformen 40. Høyere støpekvalitet kan oppnås dersom harpiksen 41 og støpeformen 40settes i et vakuumkammer under støpeprosessen. Et høyt vakuumnivå til later at luft trekkes f ra harpiksen 41 og unngår luftbobler under støpingen, hvil ket resulterer i bedre elektriskeog mekaniske egenskaperfor den herdete harpiksen. Dersom det brukes et fleksibelt materialefor å lage støpeformen 40, kan støpeformen 40avstives ved bruk av en støtteramme 43 ved dens indre og ytre radius (Fig. 3B).

For å oppnå høye toleranser på samtlige overflater ved støping på statoren 21 eller rotoren 22, kan en lukket støpeprosess brukes. Støpeformen 40 på Fig. 3C er da deltito ellerfleredelerog

kan lages avetfleksibeltellerstivt materiale. Forå øke toleransene forden fleksible støpeformen, kan en støtteramme 43 brukes ved den ytre og indre radius. I en lukket støpeprosess erdet meget viktigå posisjonere harpiksinnløpet42 og utløpet44 korrektforå unngå ufylte rom i støpemassen. Harpiksinnløpet42børværeanordnetnærdet laveste punktet, mens harpiksutløpet 44 bør være anordnet ved det punkt der harpiksen forventes å ankomme sist. For økt mekaniske og el ektriske egenskaper kan den lukkete støping utføres i et vakuumkammer. Støtterammen 43 kan brukes for avstiving(Fig. 3D).

På basis av den ovenfor beskrevne elektriske maskinen 20og energiomformingssystem-topologiene, vil eksempler på integrasjon av den elektriske maskinen 20 med et mekanisk system 13 nå bli beskrevet.

Henvisningernå gjort til Fig. 4A-B som illustrerer integrasjon av den elektriske maskinen 20 med ytre rotor 22 og indre stator 21 medet vinsj-liknende arrangement 50, så somenenkelt-trommel vinsj. Om en trommel 15a har en stor diameter kan et arrangement som i Fig. 4A brukes og dersom en trommel 15b har liten diameter kan et arrangement som i Fig. 4B brukes. I begge disse arrangementene brukes en aksling51, lagre 52 og en beholder53for elektronikk anordnet inne i statoren 21.

Som nevnt tidligere er det mulig å ha et arrangement med to tromler 15a-b med forskjellig diameterforå omforme to lineære bevegelser til rotasjonsbevegelse med forskjellige påtrykte krefter og hastigheter, som illustrert i Fig. 5A-C. Dette arrangementet innebærer nye utfordringer for energiomformingssystemet, men gir også nye muligheter. Dersom den elektriske maskinen 20 er ringformet, noe som vil være tilfelle med en permanentmagnetmotor, kan den elektriske maskinen 20 integreres i et dobbeltrommelsystem, som vist i Fig. 5A-Cforå danne en vinsjmotor eller vinsjgenerator. Når vinsjen roterer kan tromlene 15a-b tilveiebringe oppvikl ing av en streng på en dem samtidig med utrulling av en annen strengfra den andre. Dette systemet kan videre utvikles til en trippeltrommelanordning som illustrert i Fig. 6.1 Fig. 6 erdet vist et vinsj-arrangement50meden trommel 15a medstordiameterogto tromler 15b med liten diameter.

En kostnadsgunstigløsningforen intern stator 21 er vist i Fig. 7, der innkapslingsmaterialet25 brukes som en støttestruktur. Innkapslingen 25 vil være utformet slik at den inneholder akslingen 51 og de aktive delene av statoren 21. Viklingen 38 (endevikling) på statoren 21 er tilkoblet gjennom en kabel 54 til beholderen 53for elektronikk inne i akslingen 51, hvilken kabel 54strekker seggjennom en åpning 55 inn i beholderen 53. Deretter injiseres innkapslingsmateriale 25for å dekke både de aktive deler og kabelen 54, samt for å danne den bærende strukturen for statoren 21 på aksl ingen 51. For å overføre høye momenter kan aksl ingen 51 ha fremstikkende metalldeler som trengergjennom innkapslingsmaterialet 25. Beholderen 53er også forsynt med en undervannskontakt56fortilkoblingtil en DC-kabel 57foravgitt effekt.

Når den elektriske maskinen 20er konstruert for drift ved relativt høy hastighet kan hullene i rotorskiven dekkes av tynne plater for å redusere vannfriksjonstapene når skiven roterer.

Det henvises nå til Fig. 8 som illustrerer et eksempel på et energiomformingssystem i samsvar med oppfinnelsen foren bølgeomformingsanvendelse. Energiomformingssystemet strekker seg fra en sjøbunn 60 og til en vannoverflate 61 (bølger). Energiomformingssystemet omfatter videre et anker62 for å anordne systemet til sjøbunnen 60. Systemet omfatter videreen holderamme 63 anordnet til ankeret 62 ved hjel paven egnet konstruksjon 64. Holderammen 63 er tilpasset arrangementetforetvinsjliknendearrangementSOsom visti Fig.4A-B,5A-Cog6. I dette eksempel tilsvarer det vinsjliknende arrangementet 50 det som er illustrert i Fig. 6, med to små tromler 15b og en stor trommel 15a. Det vinsjliknende arrangementet 50er sikkert festet inne i holderammen63. Til de små tromlene 15b er det anordnet deler 65b av en hovedstreng65a som strekker seg i den vertikale retningen utavholderammen63, via gjennomgående hull 66 til et forbindelseselement67for samtidig bevegelse av de små tromlene 15b. Fraforbindelses-elementet67strekkeren hovedstreng65asegi vertikal retning til en hovedflottør68, så som en bøye, anordnetflytende ved vannoverflaten 61.

Til den store tromler 15a for det vinsjl iknende arrangementet 50 er det anordnet en andre streng 69 som strekker seg i vertikal retning til en neddykket flottør 70, hvilken streng 69 strekker seg ut av holderammen 63 via et gjennomgående hull 71 og vikles opp på den store trommelen 15a. Den neddykkedeflottøren70erfortrinnsvisforsynt med et gjennomgående hull 72, gjennom h vi I ket hovedstrengen 65a strekke r seg ti I ove rf I atefl ottøren 68.

Fra holderammen 63 strekker en elektrisk kabel 73 segfor avgitt effekt fra den elektriske maskinen 20 via en AC/DC-, AC/DC/AC- eller AC/AC-omformer.

På denne måte er det til veiebragt et energiomformingssystem som drives av bølgene. Idet flottørene 68og 70 beveger seg opp og ned i vertikal retning som følge avbølgebevegelsene, vikler den vinsjliknendearrangementetSOinn og ut strengene påtromlene 15a-b, hvil ket førertil at den elektriske maskin 20generererelektrisk effekt som kan overføres via den elektriske kabelen 73til land eller brukes av maritime/offshore applikasjoner, så som for drift av et fiskeoppdrettsanlegg (pumper, vinsjer, etc), anleggfortang for biodrivstoff (vinsjer) og liknende.

Et system av flottører kan være utformet sl ik at dets egenfrekvens ligger nær frekvens til sjøbevegelsene. Siden frekvensen til sjø bevegelse ne variererovertid, kan systemet styres (ved bruk av elektronikk) slik at mekanisk resonans oppnås, hvilket gir høyere energihøsting.

Modifikasjoner

Det kan benyttes ulike systemmodifikasjoner. Foreksempel kan en flottør være anordnettil flere enn én holderamme/vinsjarrangement, ellerf I ere flottører kan være anordnet til en enkelt holderamme/vinsjarrangement.

Selv om det her er beskrevet at den elektriske maskin en brukes i et omformingssystem for bølgeenergi, vil det være åpenbart at den også kan brukes i anvendelser som tidevanns- og vannkraftomformingsanlegg, neddykkede hjelpegeneratorer, neddykkede systemerfor bladstigning, undervannsvinsjer, fremdriftssystemer, posisjonspropeller, i-rør-generatorer, etc.

Claims

1. Elektrisk maskin (20) for undervannsanvendelser, hvil ken elektrisk maskin (20) omfatter en stator (21) hvilken omfatteren komplett laminert kjerne (32) og vikling (33) som skaperen flerfasetAC-utgangsspenning, og en rotor (22) bestående av et rotorbakjern (27) og permanentmagneter (26),karakterisert vedat statoren (21) er innkapslet i kompositt (25) eller en polymer, og at rotoren (22) er enten erinnkapslet i kompositt, et polymer el ler beskyttet på annen måte, og at et gap (23) mellom statoren (21) og rotoren (22) er åpent mot omgivende fluid.

2. Elektrisk maskin i samsvar med patentkrav 1,karakterisert vedat den elektriske maskinen (20) er en lavhastighets-høymomentmaskin, så som en f lerpolt synkronmaskin med permanentmagneter.

3. Elektrisk maskin i samsvar med patentkrav 1,karakterisert vedat statoren (21) er laget av bare lamineringer(32), vikling(33) ogen polymerellerkompositt(25).

4. Elektrisk maskin i samsvar med patentkrav 1,karakterisert vedat statoren (21) er støpt, massiv og fullstendig innkapslet, uten å inneholde luft eller fluid.

5. Elektrisk maskin i samsvar med patentkrav 1,karakterisert vedat innkapslingen av stator (21) og/ellerrotor(22) er utførtved bruk av en vakuumprosess.

6. Elektrisk maskin i samsvar med patentkrav 1,karakterisert vedat innkapslingen av stator (21) og/ellerrotor(22) er utførtved bruk av en kombinasjon av vakuum og trykk.

7. Elektrisk maskin i samsvar med patentkrav 1,karakterisert vedden omfatteren bærende struktur (29) for rotoren som i sin helhet er laget av kompositt eller en polymer, hvilken bærende struktur (29) for rotoren er innrettet for å holde bakjernet (27) og permanentmagnetene (26) anordnettil en aksling (51).

8. Elektrisk maskin i samsvar med patentkrav 1,karakterisert vedat statoren (21) er intern og rotoren (22) er ekstern, og at statoren (21) er forsynt med en beholder (53) for elektronikk, anordnet inne i statoren (21).

9. Elektrisk maskin i samsvar med patentkrav 8,karakterisert vedat den omfatter en bærende struktur (29) for statoren som i sin helhet er laget av kompositt (25) elleren polymer, innrettet for å holde den laminerte kjernen (32) og viklingen (33) anordnettil en aksling (51).

10. Elektrisk maskin i samsvar med patentkrav 1,karakterisert vedat rotoren (22) omfatteren rotorskive(31) med hull, hvilke hul I er dekket av tynne plater for å redusere vannfriksjonstap når rotorskiven (31) roterer.

11. Energiomformingssystem, hvilket system omfatter en elektrisk maskin (20), en elektronikkomformer (11), en mekanisk forbindelse (12), et mekanisk system (13), hvor den den elektriske maskinen (20) omfatteren stator (21), en rotor (22), lamineringer (32), en vikling (33), et rotorbakjern (27) og permanentmagneter (26),karakterisert vedat den elektriske maskinens (20) stator (21) er innkapslet i kompositt (25) eller en polymer og at den elektriske maskinens (20) rotor (22) enten er innkapslet i kompositt (25), et polymereller beskyttet på annen måte, og at etgap (23) mellom statoren (21) og rotoren (22) eråpentfor omgivende fluid.

12. Energiomformingssystem i samsvar med patentkrav 11,karakterisert vedat elektronikkomformeren (11), enten AC/DC/AC el ler AC/DC, er innkapslet og åpen mot det omgivende vann.

13. Energiomformingssystem i samsvar med patentkrav 11,karakterisert vedat den elektriske maskinen (20) har en indre stator(21) ogen ytre rotor (22).

14. Energiomformingssystem i samsvar med patentkrav 13,karakterisert vedat det mekaniske systemet (13) er et vinsjliknende arrangement (50) hvil ket omfatteren el lerflere tromler (15a-b) elleren turbin (14).

15. Energiomformingssystem i samsvar med patentkrav 14,karakterisert vedat tromlene (15a-b) har forskjelligdiameter.

16. Energiomformingssystem i samsvar med patentkrav 11-15,karakterisert vedat den elektriske maskinens (20) rotor (22) er integrert med en el ler flere troml er (15a-b) som danner det vinsjliknende arrangementet (50).

17. Energiomformingssystem i samsvar med patentkrav 11,karakterisert vedat elektronikken er anordnet i en beholder (53) innrettet inne i statoren (21).

18. Energiomformingssystem i samsvar med patentkrav 11-17,karakterisert vedat det omfatter en holderamme (63) for anordning av det vinsjliknende arrangementet (50) mellom en sjøbunn (60) og en ellerflere flottører(68,70), hvordet vinsjliknende arrangementet (50) eranordnettil deneneellerflereflottører(68,70) ved hjelp avstrenger(65a-b, 69).

19. Energiomformingssystem i samsvar med patentkrav 11,karakterisert vedat det mekaniske systemet (13) omfatter lagre (52) hvilke er forseglet mekanisk, magnetisk eller av vannsmurt type.

20. Energiomformingssystem i samsvar med patentkrav 11,karakterisert vedat det omfatter et styringssystem hvilket er anordnet for, ettersom sjøbevegelsenes frekvens varier, å drive den elektriske maskinen (20) og det mekaniske systemet (13) slik at mekanisk resonans er oppnådd, ti I vei eb ringer høye re e nergi høsting.