NO813798L - Elektrisk anordning for utvinning av effekt fra langsomt resiproserende mekanisk bevegelse - Google Patents

Description

Forelaggende oppfinnelse angår utnyttelse av mekanisk effekt som skriver seg fra langsom bevegelse fram og tilbake av bevegelige legemer.

Typisk eksempel på legemer av den art som det er henvist til ovenfor, er flottører som utsettes for bølgebevegélse og det vil særlig bli henvist til sådant utstyr,,uten at derfor mulige anvendelser av foreliggende oppfinnelse be-grenses til dette spesielle område.

Mekaniske, hudrauliske, oljedrevende eller pneumatiske anordninger er kjent i forbindelse med omvandling av bevegelse frem og tilbake av legemer som utsettes for væske-bølger, til rotasjonsbevegelse ved en passende hastighet for å drive en maskin. Denne maskin kan være en veksel-strøm -eller likestrømsgenerator, eller eventuelt en maskin som direkte kan utnytte effekt av denne art>f.eks. en pumpe.

Tidligere foreslåtte anordninger av denne art har i all-mindelighet den ulempe at deres komponenter er gjenstand for betraktelig slitasje samt at anordningene har lav effektvirkningsgrad.

Anordningen i henhold til fpréliggénde oppfinnelse består generelt av en komponent som utsettes for resiproserende bevegelse og i det følgende vil bli kalt "glider" samt en

komponent som meddeles rotasjonsbevegelse og i det følgende vil bli kalt "rotor".

Omvandling av gliderens resiproserende bevegelse til en rotasjonsbevegelse av rotoren finner sted ved hjelp av magnetiserte heliksformede skrugjenger som er forbundet med henholdsvis glideren og rotoren. Aktive overflater på henholdsvis glideren og rotoren er anordnet rett overfor hverandre, men med innbyrdes mellomrom mens glideren beveges. Magnetiske felt frembringes av elektriske spoler anordnet på skruegjengene, idet strømmer innstilt i av- hengighet av avstanden mellom de motstående aktive flater og størrelsen av den effekt som skal omvandles, bringes til å flyte gjennom spolene.

Oppfinnelsen vil nå bli nærmere beskrevet ved hjelp av utførelseseksempler og under henvisning til de vedføyde tegninger, hvopå:

Fig. 1 er et tverrsnitt langs anordningens akse.

Fig. 2 viser i detalj et utsnitt av tverrsnittet med flux-linjer og retningen av de virkende magnetiske felter. Fig. 3 viser utstrukket en gjengelengde langs ansøkningens omkrets.

Fig. 4 viser et tverrsnitt av føringsbanene , og

fig. 5. viser skrue/mutter -forholdet mellom glideren og rotoren.

Den tilgjengelige mekaniske effekt som skal omvandles er

en funksjon av en bevegelse med hastighet V av glideren 11, som utsettes for en kraft av størrelse F. Den tilgjengelige effekt er således lik produktet V F.

Glideren 11 beveges frem og tilbake i retning av sin senterlinje 12. Føringsbanene 13 og 10 tillater bevegelse av gliderrøret i retning av rørets senterlinje og hindrer dets rotasjonsbevegelse. Glideren 11 utgjøres hovedsakelig av et rør 111, som fortrinnsvis er utført i et ikke-magnetisk stål og er utstyrt med et antall gjenger 112 og 113 av ferromagnetisk material, slik som f.eks. silisumlegert jern. Gjengene 112 og 113 er anordnet i heliksbaner rundt et av-snitt av røret 111 og er utført i et stykke med dette. Utenpå glideren 11 er det anordnet en rotor 14, som hovedsakelig utgjøres av et rør 141, fortrinnsvis av ikke-ferro magnetisk material, samt et antall gjenger 142, 143 av ferromagnetisk material og forbundet til et stykke med røret 141. Røret 141 har sammenfallende senterlinje 12

med glideren. Gjengene 142 og 143 er anordnet i heliksbaner og på innsiden av røret 141, samt er ført på samme måte som gjengene 112 og 113 på glideren, men er anordnet i avstand fra disse ved hjelp av gap 15, 16 , 17 og 18.

Gjengene 142 og 143 på rotoren har en slik'tverrsnittsform at

de kan motta elektriske ledere 20, 21, 22 og 23, som er elektrisk isolert og festet til gjengene ved hjelp av passende isolerende heftemidler. Rotoren 14 hviler ved side ytterender i aksiallageret 144 og 146, som i sin tur er anordnét på bærere 145. Rotoren kan således dreies om aksen 12 men ikke forskyves i retning av aksen. I drift av anordningen vil den bevegelse av glideren som frembringes av kraften F forsøke å nedsette bredden av gapene 16 og 18 mellom glidegjengene og rotorgjengene, eller og-

så vil kraften forsøke å nedsette bredden av gapene 15 og 17, alt etter bevegelsesretningen.

Lederne 20, 21, 22, 23 fører et elektrisk strøm og frembringer magnetiske felt som motvirker reduksjonen av gapenes bredde mens kraften F utbalanseres, samt virker på rotoren med et drivende dreiemoment M. Når gjengene 112 og 113 forskyves oppover p.g.a. aksialkraften F og derved forsøker å utvide gapene 15 og 17, vil de magnetiske krefter som frembringes av magnetiseringstrømmene ved 20 og 22 frembringe en tiltrekningskraft mellom gjengene 142 og 112 samt mellom .gjengene 113 og 143, således at gapene mellom glidergjengene og rotoregjengene vil ha en tendens til å opprettholdes uforandret.

Idet -rotoren bare kan utføre en dreiebevegelse, omvandles denne magnetiske tiltrekning til rotasjon, som om glideren og rotoren var henholdsvis skrue og mutter. En arbeids-betingelse som er uomgjéngelig for tilfredstillende drift er instilling av magnetiseringspenningen og således til-trekningskreftene på sådan måte at gapene forblir innenfor det forutbestemte område. De ledere som har jevne referansenummer energiseres når bevegelsen finner sted i den ene retning, mens ledere med odde referansenummer ikke energiseres.

Når bevegelsesretningen vendes om, hvilket vil si ved død-enden, gjøres de odde ledere strømførende, mens de jevn-tallige ledere ikke tilføres strøm, o.s.v.

Når gliderbevegelsen søker å redusere gapene 16 og 18, vil nærmere bestemt en elektrisk',magnetiseringstrøm I flyte gjennom lederen 20 i en første retning og lederen 22 i motsatt retning. Disse strømmer i lederene 20 og 22 frembringer magnetiske felter som i fig. 2 er vist med stiplede linjer 30, 31,,32 med vedkommende piler som viser felt-retningene, med eller mot urviseren, slik som angitt på tegningen. De magnetiske felter som forløper gjennom gapene frembringer tiltrekning mellom de motstående flater på hver sin side av gapet. Størrelsen av denne tiltrekningskraft mellom nevnte flater er en funksjon av magnetiseringstrømmens styrke I og gapets bredde hvis gapet er lite sammenlignet med flateområdene. Den tiltrekningskraft F, som virker på hvert overflateelement er rettet vinkelrett på overflaten av vedkommende element, slik som angitt i fig. 3.

Hvert av disse overflateelementer er skråstilt i forhold

til senterlinjen 12 og ligger i avstand fra denne akse.

Den^kraft FA,: som virker på rotorens overf lateelementer kan dekomponeres i en kraft F som virker i retning av aksen 12 og en kraft F„NTvinkelrett på nevnte akse 12. De dreie-momenter som frembringes av de forskjellige krefter F^som virker på alle nevnte overflateelementer, kombineres til et drivmoment M som påvirker rotoren, som derved drives i dreiebevegelse med en vinkelhastighet-—^— . De for skjellige krefter F R på alle nevnte overflateelementer kombineres til en kraft som er lik aksialkraften F som virker på glideren. Den effekt VF som ligger i gliderbevegelsen omvandles til en effekt M. _Q_ i rotorens dreiebevegelse.Drivoverføringen fra glideren til rotoren finner sted ved hjelp av magnetiske felt.

Det vil fremgå av det som er angitt ovenfor at det ligger en åpenbar fordel i foreliggende apparat i henhold til oppfinnelsen, idet drivoverføringen finner sted mellom bevegelige deler som ikke kommer i kontakt med hverandre og ikke er adskilt av noe smørefluid, således at friksjons-tap og slitasje på disse delér praktisk talt ikke fore-kommer, således at høy virkningsgrad kan oppnås.

I fig..' 3 viser utfoldingen av skruegjengene 112, 113, 142, 143 i en plan flate at dette arrangement av skruegjenger tillater gjensidig glidebevegelse av gjengene i forhold til hverandre når glideren beveges i retning av sin senterlinje og rotoren dreies i et plan vinkelrett på denne linje. Anordning av gap mellom hver glidergjenge og hver rotorgjénge gjør det mulig å oppnå friksjonsløs bevegelse mellom de respektive gjengeflater på glider og på rotoren, og de fordeler som kjennetegner foreliggende oppfinnelse-gjénstand oppnås på dette grunnlag.

En foretrukket konstruksjonsutførelse av foreliggende oppfinnelse vil nå bli anskuerliggjort under henvisning til retningene av de magnetiske felter som virker mellom glider og rotor.

De magnetiske fletretninger omkring lederene 20 og 22 er innbyrdes motsatt rettet for å hindre at en vesentlig del av den magnetiske flux som frembringes av strømmen I skal kunneomslutte begge ledere 20 og 21 og derved passere gapene 16 og 18, således at det opprettes en uønsket tiltrekning mellom de flater som danner nevnte gap 16 og 18. Det er derfor åpenbart at det er en fordel å utføre anordningen i henhold til oppfinnelsen med to, eller et annet jevnt antall, gjenger for hvert delingstrinn av glideren, samt likeledes med to eller et annet jevnt antall gjenger for hvert delingstrinn på rotoren. Denne særlig f o.retrukkede utførelse gjør det mulig å gi ledere som er tilordnet tilstøtende gjenger på rotoren magneti-seringstrømmer i innbyrdes motsatt retning. Den magnetiske kraft mellom de flater som er adskilt av gapene 16 og 18 vil da være ubetydelig, idet enhver omhylning av magnetiske feltlinjer omkring ledere på to eller flere tilstøtende gjenger forhindres således at ikke uønskéde krefter opp-trer. Det er naturligvis også mulig innenfor oppfinnelsens ramme å utføre anordningen med en enkelt glidegjenge eller en enkelt skruegjenge på rotoren, eller eventuelt med et odde antall skruegjenger på glideren og tilsvarende for rotoren. En sådann utførelse tillater hensiktsmessig drift av anordningen, men gir ikke de iboende fordeler ved den foretrukkede utførelse.

For en nærmere bestemmelse bør man også ta i betraktning de uønskede krefter som skriver seg fra den magnetiske flux som passerer hver gap som reduseres ved virkningen av den resiproserende bevegelse som meddeles glideren.

Disse uønskede krefter kan reduseres ved hjelp av kjente midler, og nærmere bestemt ved hjelp av strømmer med passende retning og styrke gjennom de ledere som er anordnet i hulrommene ved de gap som har en tendens til å reduseres, og/eller ved å fastlegge gapenes bredde slik at et gap som har en tendens til å reduseres ved virkningen av den foreliggende bevegelse har en bredde som er vesentlig større enn et gap som har en tendens til å utvides, således at det oppstår vesentlig større reluktans for den uønskede magnetflux. Ved en hver utførelse avgis magneti-seringstrømmen til rotorlederne ved hjelp av vanlig ut-styr og innstilles som en funksjon av avstanden mellom vedkommende overflater og størrelsen av den effekt som skal omvandles. Denne innstilling må utføres slik at de krefter som frembringes av de magnetiske felter til en hver tid er istand til å utbalangsere den kraft F som virker på glideren, samtidig som rotoren drives til dreiebevegelse med et dreiemoment M og en vinkelhastighet således at effektligningen FV = M XI- tii frestilles, hvilket innebærer at det tilben hver tid foreligger likehet mellom den effekt som frembringer gliderens bevegelse og rotorens rotasj onseffekt.

Da forholdsvis høye vinklerhastigheter kan oppnås, kan rotorens rotasjonseffekt hensiktsmessig omformes til elektrisk effekt med hjelp av vanlige eletromaskiner som drives av rotoren. Det som er anført ovenfor under henvisning til den gliderbevegelse som søker å redusere gapene 16 og 18 og til lederne 20 og 22, kan uten videre gjentas som sådan under henvisning til gliderens bevegelse i motsatt, som vil søke å nedsette gapene 15 og 17, samt til lederene 21 og 23.

Overføringen av mekanisk drivkraft fra glideren til rotoren finner således sted uavhengig av gliderens bevegelseretning. Da magnetfeltene må være variable for at en utbalansering av kreftene skal kunne oppnås, er det en foretrukket konstruksjonsbetingelse at de komponenter av anordningen som er mest utsatt for sådanne variasjoner utføres i et material som ikke er elektrisk ledende. Hvis imidlertid et ledende material må anvendes, bør det foreligge i laminær form eller formet slik at det hindrer virvelstrømmer.

En åpenbar unntagelse er naturligvis de elektriske ledere som skal frembringe magnetfeltene

I beskrivelsen og på tegningen er det for enkelthets skyld henvist til skruegjenger med rektangulær profil samt til en enkelt ledningspole langs gjengebanen. Gjengeprofilen samt magnetiseringsledernes plassering og antall kan imidlertid i praksis varieres innenfor videre grenser uten at oppfinnelsens ramme overskrides.

Beskrivelsen ovenfor omhandler det tilfelle hvor glideren utgjøres av et indre skruelignende legeme anordnet for fri translasjonsbevegelse, men uten muligheter for dreiebevegelse, mens rotoren utgjøres av et ytre "mutter" -legeme som er anordnet for rotasjonsbevegelse, men ikke translasjonsbevegelse. Opfinnelsen kan imidlertid også utføres i det motsatte mønster, således at rotorfunskjonen tilordnes det skruelignende legeme som da er anordnet for fri rotasjon, men ikke tillates translasjonsbevegelse, mens glide-funksjonen er tilordnet "mutter" - legeme som istedet kan være anordnet for fri translasjonsbevegelse, men ikke har muligheter for dreiebevegelse.

Magnetiseringslederene kan innføres enten i skruegjengene eller i muttergjengen, alt etter de foreliggende mekaniske eller elektriske konstruksjonskriterier.

Ved utnyttelse av oppfinnelsens anordning for utvinning av effekt fra bølgebevegelser, kan glideren være forbundet med en flottør som bølgene meddeler en sinuslignende bevegelse i vertikal retning, idet minste i en første til-nærmelse. Rotorlagrenes bærere kan være forbundet med en fast forankret konstruksjon.

Den tilgjengelige effekt fra bølgebevegelsen varierer kontinuerlig med tiden. I den stigende bevegelsefase utøves trykkkraften på flottører ; av selve bølgen. Når det øvre dødpunkt nås, skifter bevegelsen og drivkraften retning og sammenstillingen av flottør og glider vil synke under innflydelse av tyngdekraften til bevegelsens nedre død-punkt.

Systemets dynamikk følger kjente lover for legemer som er utsatt for bølgebevegelse og som er festet til forankrings-legemer. Videre er den effekt som er tilgjengelig for omvandling,en funksjon av formen, dimensjonene, forankring-en og plasseringen av flottøren samt også en funksjon av forholdene på vannoverflaten, slik det vil være tidligere kjent. Den:_anordning som er beskrevet ovenfor tillater omforming av tilgjengelig mekanisk effekt til rotasjonseffekt med høy virkningsgrad.

De effekttap som foreligger skriver seg hovedsakelig fra gliderens friksjon i sine føringsbaner, rotorens rulle-friksjon i sine lagre samt magnetiseringstrømmens mot-standstap i spolelederne. Disse tap vil være mindre enn 10% av den overførte effekt, mens de tilsvarende omformings-tap i pneumatiske, oljedrevende eller hydrauliske systemer overskrider 20%. Ved samme effektnivå gir den ovenfor beskrevde anordning en betraktelig forbedring med hensyn til forholdet mellom utviklet effekt og total omkostning ." ved systemer, av flottører, og forankringsutstyr for utvinning av effekt fra bølgebevegelser.

Ved en kraft på 60N/cm 2 på gapenes adskilte overflater,

vil den høyeste overførte effekt være mer enn 200W.pr.kg av anordningens vekt, og en masknin foroverføring av 100 kW vil således ha en vekt på bare 500kg.

Claims (14)

1. Elektrisk anordning for omvandling av den mekaniske effekt i en rettlinjet resiproserende bevegelse til mekanisk rotasjonseffekt, karakterisert ved at anordningen omfatter et sylinderformet legeme hvis ytre syliderflate bærer en eller flere parallelle gjenger langs en heliksformet gjengebane over en vesentlig del av syliderlegemets lengde, et legeme med et indre syliderformet hulrom som i sitt indre er forskynt med en skruegjenge som er komplementær med skruegjengen på det førstnevnte sylinderlegemet, idet de to legemer er anordnet koaksialt det ene inne i det andre på samme måte som skrue og mutter, men uten innbyrdes flatekontakt, da en viss avstand som utgjør'magnet-gap opprettholdes mellom de forskjellige gjenger, en eller flere ledere anordnet i hule spor utformet i flater som ikke er parallelle med sylinderlegemenes felles akse, på idet minste en av gjengene, idet nevnte hule spor følger en heliksbane i samsvar med gjengene hovedsakelig langs hele gjengelengden, og nevnte ledere er lagt ned inne i de hule spor og elektrisk isolert fra disse, mens lederne er anordnet for å motta magnetiseringstrøm for å opprette magnetiske felter.

2. Elektrisk anorsning som angitt i krav 1, karakterisert ved at det indre sylinderlegemet er anordnet i føringsbaner som tillater rettlinjet bevegelse av legemet langs sylinderaksen, samtidig som de hindrer legemets rotasjon om samme akse, således at sylinderlegemet utgjør en glider forbundet med et legeme som drives i nevnte resiproserende bevegelse og hvis energi skal omvandles, mens det hule sylinderlegemet er anordnet i lågere på sådan måte at det kan utføre rotasjonsbevegelse om sin midtakse, men ikke tillates å utføre translasjonsbevegelse langs denne akse, således at dette legeme utgjør en rotor som kan forbindes med en arbeidsmaskin med roterende bevegelse.

3. Elektrisk anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at.det indre sylinderlegemet er anordnet i lågere som tillater rotasjonsbevegelse av legemet om dets akse, men ikke translasjonsbevegelse langs denne akse, således at legemet utgjør en rotor som kan kobles til en arbeidsmaskin, men det hule sylinderlegemet er anordet i føringer som tillater legemets rettlinjede.bevegelse frem og tilbake langs sylinderaksen, men hindrer legemets dreiebevegelse om denne akse, således at det hule sylinderlegemet utgjør en glider for forbindelse med det legeme som utfører en rettlinjet reproserende bevegelse og hvis effekt skal omvandles.

4. Elektrisk anordning som angitt i krav 1-3, karakterisert ved at skrugjengene foreligger i et jevnt antall, både på glideren og på rotoren.

5. Elektrisk anordning som angitt i krav 1-4, karakterisert ved at lederene er lagt i hule spor utformet langs gliderens skruegjenger.

6. Elektrisk anordning som angitt i krav 1-5, karakterisert ved at lederene er lagt i hule spor utformet langs rotorens skruegjenger.

7. Elektrisk anordning som angitt i krav 1-6, karakterisert ved at magnetiseringstrømmer tilføres ledere som er lagt i de hule spor hvis åpning er rettet mot gap som har en tendens til å økes med gliderens forskyvning i forhold til rotoren og vise versa.

8. Elektrisk anordning som angitt i krav 1-7, karakterisert ve^d at innbyrdes nærliggende aktive ledere på skrugjenger med jevnt ordenstall fører megnetiseringstrøm i innbyrdes motsatt retning, såvel på glider som på rotor.

9. Elektrisk anordning som angitt i krav 1-8, karakterisert ved at tiltrekningsvirkning-en mellom innbyrdes inntilliggende skruegjenger innstilles ved å variere magnetiseringstrømmens styrke..

10. Elektrisk anordning som angitt 1-9, karakterisert ved at magnetiseringstrømmens styrke innstilles som en direkte funksjon av magnetiserings-skapéts bredde, som holdes hovedsakelig konstant.

11. Elektrisk' anordning som angitt i krav 1-8, karakterisert ved at magnetiseringstrømmens styrke innstilles som en direkte funksjon av den effekt som skal omvandles.

12. Elektrisk anordning som angitt i krav 1-11, karakterisert ved at skruegjengene er utført i et ferromagnetisk material.

13. Elektrisk anordning aom angitt i krav 1-12, karakterisert ved at de legemer som bærer skruegjengene er utført i et ikke-ferromagnetisk material.

14. Elektrisk anordning som angitt i krav 1 -13, karakterisert ved at de komponenter som er utført i elektrisk ledende material og i vesentlig grad er utsatt for de magnetiske felter som frembringes av magnetiseringstrømmene er, med unntak av de elektriske magnetiseringsledere, er utført med laminær struktur og/ eller lignende konstruktiv utførelse for å hindre virvel-strømmer .