NO324807B1

NO324807B1 - Frequency converter for wave power plants and similar applications

Info

Publication number: NO324807B1
Application number: NO20051505A
Authority: NO
Inventors: Jon Eirik Brennvall
Original assignee: Jon Eirik Brennvall
Priority date: 2005-03-22
Filing date: 2005-03-22
Publication date: 2007-12-10
Also published as: NO20051505D0; NO20051505L

Description

Bakgrunn Background

Hvis en flottør plasseres på sjøen vil bølgene få bevege flottørne opp og ned. En måte å konvertere flottørens bevegelse till elektrisk energi er å koble flottøren til en lineær elektromotor. (Elektromotor er her brukt som fellesbetegnelse for både elektromotor og generator.) Da må den lineære elektromotoren gi en stor kraft som balanserer flottørens vekt eller oppdrift når flottøren løftes langsomt opp og ned av bølgene. If a float is placed on the sea, the waves will move the float up and down. One way to convert the float's movement into electrical energy is to connect the float to a linear electric motor. (Electric motor is used here as a common term for both electric motor and generator.) Then the linear electric motor must provide a large force that balances the float's weight or buoyancy when the float is lifted slowly up and down by the waves.

Den elektriske (dynamiske eller statiske) kraften en lineær elektromotor kan gi er proporsjonal med motorens volum. Effekten er proporsjonal med motorens elektriske kraft og stempelets hastighet. Når den elektriske kraften er stor og stempelets hastighet liten vil den lineære elektormotoren bli stor og dyr sammenlignet med effekten den omsetter. Derfor vil et bølgekraftverk hvor det stempelet i den lineære elektromotoren er koblet direkte til flottøren vil bli for dyrt i forhold til den kraften bølgekraftverket vil produsere. The electrical (dynamic or static) power a linear electric motor can provide is proportional to the motor's volume. The effect is proportional to the electric power of the motor and the speed of the piston. When the electric power is large and the speed of the piston is small, the linear electric motor will be large and expensive compared to the power it converts. Therefore, a wave power plant where the piston in the linear electric motor is connected directly to the float will be too expensive in relation to the power the wave power plant will produce.

For å unngå at motoren blir for stor og dyr er det ønskelig å konvertere den store kraften og langsomme bevegelsen til flottøren til en mindre kraft og raskere bevegelse i stempelet. Flere gir løsninger er foreslått, men de introduserer enten for store tap eller går fort i stykker på grunn av de store kreftene. Løsningen presentert her kan sees på som en ny type gir. Ingen lignende gir eksisterer i litteraturen eller andre steder. Beslektet teknologi er beskrevet i patentsøknad PCT/NO05/00035. To avoid the motor becoming too large and expensive, it is desirable to convert the large force and slow movement of the float into a smaller force and faster movement in the piston. Several gear solutions have been proposed, but they either introduce excessive losses or quickly break due to the large forces. The solution presented here can be seen as a new type of gear. No similar gear exists in the literature or elsewhere. Related technology is described in patent application PCT/NO05/00035.

Målsetning Goal setting

Målsetningen med denne oppfinnelsen er å bremse eller akselerere et tungt, langsomt objekt, som for eksempel en flottør, ved hjelp av et lite stempel som beveger seg med stor hastighet og som kan manipuleres med en relativt liten elektrisk kraft. The aim of this invention is to slow down or accelerate a heavy, slow object, such as a float, by means of a small piston which moves at high speed and which can be manipulated with a relatively small electrical force.

Oppfinnelsen The invention

Oppfinnelsen er beskrevet i karakteristikk delen av patentkrav 1. Foretrekt utforming er beskrevet i krav 2-5. The invention is described in the characteristic part of patent claim 1. Preferred design is described in claims 2-5.

Beregninger viser at maskinen beskrevet i patentkrav 1 kan bremse eller akselerere en stor masse, eller yte en stor kraft ved hjelp av et elektrisk eksitert stempel og to gassfjærer. Calculations show that the machine described in patent claim 1 can brake or accelerate a large mass, or exert a large force by means of an electrically excited piston and two gas springs.

Eksempel Example

Oppfinnelsen vil bli beskrevet med referanse til figurene. The invention will be described with reference to the figures.

Figur 1 viser et tverrsnitt av oppfinnelsen. Figure 1 shows a cross section of the invention.

Figur 2 viser et forstørret utsnitt av figur 1. Figure 2 shows an enlarged section of Figure 1.

Figur 3 and 4 viser eksempler på hvordan maskinen kan bli modifisert slik at den produserer en dra kraft i stedet for en trykk kraft. Figur 1 viser et tverrsnitt av en maskin som fungerer som beskrevet i patentkrav 1. oppfinnelsen. Maskinen og dens viktigste deler er bygd opp sylindersymmetrisk rundt aksen I-l. Dette betyr at maskinen er sylindrisk. I beskrivelsen ordene opp, under, over osv. refererer til maskinens plassering på figuren, men maskinen vil fungere uansett hvordan den er orientert. Figures 3 and 4 show examples of how the machine can be modified so that it produces a pulling force instead of a pushing force. Figure 1 shows a cross section of a machine which functions as described in patent claim 1. the invention. The machine and its most important parts are built up cylindrically symmetrically around the axis I-l. This means that the machine is cylindrical. In the description, the words up, under, over, etc. refer to the machine's position on the figure, but the machine will work regardless of its orientation.

I figur 1 and 2 stemplet 1 vill bli utsatt for en elektromagnetisk kraft når det går strøm i spolene 9. Retning og størrelse på kraften er avhengig spolenes utforming og strømstyrken og strømretningen i dem. Hvis kraften har samme retning som stempelets bevegelse vil stempelet tilføres energi og maskinen går som motor. Hvis kraften har motsatt retning som stempelets bevegelse vil stempelet avgi energi og maskinen går som generator. Over og under stempelet er det to gassfjærer 5,6. Stempelets energi vil oscillere mellom bevegelses energi i stempelet og trykk differanse energi i de to gassfjærene. En glide-/tetningsflate 4 og to stempelflater 10,13 forhidrer lekasje mellom de to gassfjærene og sikrer at det er lite friksjon mellom stempelet og stator huset 7. In figures 1 and 2, piston 1 will be exposed to an electromagnetic force when current flows in the coils 9. The direction and size of the force depends on the design of the coils and the current strength and direction of current in them. If the force has the same direction as the movement of the piston, the piston will be supplied with energy and the machine will run as a motor. If the force has the opposite direction to the movement of the piston, the piston will release energy and the machine will run as a generator. Above and below the piston there are two gas springs 5,6. The piston's energy will oscillate between the energy of movement in the piston and the pressure difference energy in the two gas springs. A sliding/sealing surface 4 and two piston surfaces 10,13 prevent leakage between the two gas springs and ensure that there is little friction between the piston and the stator housing 7.

Når stempelet er i ro vil trykket i gassfjærene balansere vekten av massen 2.1 dette tilfellet må maskinen ha samme orientering som på figuren, men det er lett å tenke seg at trykket er balansert av en annen kraft en vekt. Hvis gassfjærene ble byttet ut med vanlige lineære fjærer ville ikke stempelets 1 bevegelse forårsake en tilleggskraft på massen 2, men fordi gass fjærene er svært ulineære er bevegelsen til stempelet bedre beskrevet som kollisjoner mellom stempelet og topp og bunn av stator huset. "Kollisjonene" er gjort mykere av gassfjærene som dermed forhindrer at stempelet blir knust eller knuser statorhuset, men dette forhindrer ikke at kollisjonene skaper en betydelig kraft mellom stator huset 7 og massen 2. Denne kraften øker med økning i energien til stempel - gassfjær systemet og kan ble økt eller redusert ved å kjøre maskinen som motor eller generator. "Kollisjons" kraften kan bli mye større ene den elektriske kraften fra stator på stempelet. Når massen 2 beveger seg gjør "kollisjons" kraften et positivt eller negativt arbeid. Dette arbeidet gir økt eller redusert energi i stempel - gassfjær systemet. Hvis massen 2 er en flottør som beveger seg i bølgene vil det være mulig å utvinne mye mer netto bølgeenergi ved å kjøre maskinen beskrevet i figur 1 vekselvis som motor eller generator enn hvis (massen 2) var fysisk koblet til stempelet 1.1 praksis vil stempelet bevege seg hele tiden, men det et lettere å forstå prinsippet hvis man tenker seg følgende prosess beskrevet ved disse 4 punktene. When the piston is at rest, the pressure in the gas springs will balance the weight of the mass 2.1 in this case the machine must have the same orientation as in the figure, but it is easy to imagine that the pressure is balanced by a force other than weight. If the gas springs were replaced with ordinary linear springs, the movement of the piston 1 would not cause an additional force on the mass 2, but because the gas springs are highly non-linear, the movement of the piston is better described as collisions between the piston and the top and bottom of the stator housing. The "collisions" are made softer by the gas springs which thus prevent the piston from being crushed or crushing the stator housing, but this does not prevent the collisions from creating a significant force between the stator housing 7 and the mass 2. This force increases with an increase in the energy of the piston - gas spring system and could be increased or decreased by running the machine as a motor or generator. The "collision" force can be much greater than the electrical force from the stator on the piston. When mass 2 moves, the "collision" force does positive or negative work. This work gives increased or decreased energy in the piston - gas spring system. If the mass 2 is a float that moves in the waves, it will be possible to extract much more net wave energy by running the machine described in Figure 1 alternately as a motor or generator than if (the mass 2) were physically connected to the piston 1.1 practice, the piston will move yourself all the time, but it is easier to understand the principle if you imagine the following process described by these 4 points.

1: Stempelet 1 er i ro mens massen 2 løftes av f.eks. en bølge. "Kollisjons" kraften er 0 og utfører ikke noe arbeid. 1: The piston 1 is at rest while the mass 2 is lifted by e.g. a wave. The "collision" force is 0 and does no work.

2: Spolene brukes til å sette stempelet 1 i svingninger. Massen 2 holdes i ro. 2: The coils are used to set the piston 1 in oscillations. Mass 2 is kept at rest.

3: Massen 2 senkes. Nå gjør kollisjonskraften et arbeid. Dette arbeidet ender opp som økt energi i stempel - gassfjær systemet. (Hvor ellers?) Dette betyr at stempelets maks hastighet blir større når massen 2 senkes. 3: Mass 2 is lowered. Now the collision force does work. This work ends up as increased energy in the piston - gas spring system. (Where else?) This means that the piston's maximum speed becomes greater when mass 2 is lowered.

4: Massen 2 holdes i ro. Stempelet stoppes ved hjelp av spolene. Man for tilbake energien som ble tilført i punkt 2 pluss det arbeidet kollisjonskraften utførte da massen 2 ble senket. Prosessen kan startes på nytt ved å gå tilbake til punkt 1. 4: Mass 2 is kept at rest. The piston is stopped by means of the coils. One returns the energy that was supplied at point 2 plus the work done by the collision force when mass 2 was lowered. The process can be restarted by going back to point 1.

Det ville også være mulig å bruke maskinen i figur 1 til å løfte en stor masse 2 et lite stykke ved å bruke spolene til å sette stempelet i bevegelse når massen 2 er i nedre posisjon. Maskinen fungerer da som en heis. It would also be possible to use the machine in figure 1 to lift a large mass 2 a short distance by using the coils to set the piston in motion when the mass 2 is in the lower position. The machine then works as a lift.

I dette eksempelet består stempelet av magneter 12 og blikk 11. Jern 8 er plassert utenfor spolene 9. Dette er ett av mange mulig design av den lineære elektromotoren. Figur 1 and 2 viser hvordan en trykk kraft kan bli lagd. I bølge kraft vil det være ønskelig med en trekk kraft som kan overføres gjennom wire isteden. Dette oppnår mann i figur 3 med o bytte ut massen 2 med et nytt stempel som ar koblet til en stang som går gjennom et hull i stempelet 1 og den andre enden av statorhuset 7. Denne løsningen skaper flere ekstra glide-/tetningsflater Figur 4 viser en annen løsning for å få til en trekkraft. Denne løsningen unngår lager og tetningsproblemer, men krever mer plass. Figur 4 er forenklet. Flere wire etc kan brukes for å eliminere rotasjonsmomentet wirens forankringspunkt skaper. In this example, the piston consists of magnets 12 and tin 11. Iron 8 is placed outside the coils 9. This is one of many possible designs of the linear electric motor. Figures 1 and 2 show how a pressure force can be created. In wave power, it would be desirable to have a pulling power that can be transmitted through wire instead. This is achieved in Figure 3 by replacing the mass 2 with a new piston which is connected to a rod that passes through a hole in the piston 1 and the other end of the stator housing 7. This solution creates several additional sliding/sealing surfaces Figure 4 shows another solution to achieve traction. This solution avoids bearing and sealing problems, but requires more space. Figure 4 is simplified. More wire etc can be used to eliminate the rotational moment created by the wire's anchoring point.

Det er mulig å plassere flere maskiner sammen. Dette kan man gjøre for å blant annet redusere vibrasjoner. Det kan være 2 sekundære stempler (mass 2) forbundet til lasten. Denne maskinen er toppen av maskinen på figur 1 speilet gjennom en horisontal linje som går gjennom senter av huset. Formålet med dette kan være å sørge for at stempelet 1 alltid beveger seg på samme måte i forhold til stator. It is possible to place several machines together. This can be done to, among other things, reduce vibrations. There may be 2 secondary pistons (mass 2) connected to the load. This machine is the top of the machine in Figure 1 mirrored through a horizontal line that runs through the center of the housing. The purpose of this may be to ensure that the piston 1 always moves in the same way in relation to the stator.

Claims

1. Linear force converter machine consisting of a piston that can have any design, and that can be set into oscillations by means of electromagnetic forces, which oscillates between two gas springs at a high frequency, where the gas springs with the piston in the middle can be compressed by one or two secondary pistons which move slowly and which transmit the collision force to the load, characterized in that the primary electrically excited piston, one or two secondary pistons, the gas springs, their position relative to each other, and that the machine is capable of producing a collision force greater than the electric force between the stator and the piston.

2. A plurality of machines as described in claim 1, wherein the secondary piston of each machine is physically connected.

3. Machine as described in patent claim 1, modified to provide a pulling force.

4. Machine as described in patent claim 1, used as a generator in a wave power plant.

5. Machine as described in patent claim 1, used as an elevator.