Circuito de conmutación de bobina para generador eléctrico lineal.

Un generador eléctrico lineal (LEG) que comprende:

un ensamble (20) de bobina que comprende secciones N de bobinas de inducción (L1-L8) dispuestas linealmente a lo largo de una distancia d1,

las bobinas exhiben inductancia y resistencia a lo largo de su longitud;

un ensamble (30) magnético de longitud d2, donde d2 es más pequeño que d1;

medios (3, 5) para pasar el ensamble magnético a lo largo y sobre las bobinas de inducción dispuestas linealmente mientras se mantiene un espacio pequeño entre el ensamble magnético y las bobinas, el pasaje del ensamble magnético sobre una sección de bobina particular provoca que la sección de bobina particular se excite por lo que produce un voltaje a través de las bobinas en esa sección particular;

primeros y segundos puntos de salida para producir entre estos un voltaje que corresponde al voltaje generado a través de las bobinas debido al ensamble magnético de pasaje; caracterizado porque:

las secciones N de bobinas de inducción se conectan serialmente extremo a extremo, y los medios de conmutación (S1-S8) se acoplan entre las bobinas y los primeros y segundos puntos de salida para acoplar selectivamente solo las secciones de bobinas en proximidad cercana al ensamble magnético de pasaje entre los primeros y segundos puntos de salida, por lo que las secciones de bobinas, que no están en proximidad cercana al ensamble magnético están en cortocircuito o se desconectan eléctricamente de los primeros y segundos puntos de salida por lo que se reducen las pérdidas de potencia y se aumenta la eficiencia de producción de potencia del LEG.

Circuito de conmutación de bobina para generador eléctrico lineal Referencias cruzadas a solicitudes relacionadas

Esta solicitud reivindica la prioridad de la solicitud de patente provisional Número de Serie 60/553,666 titulada Convertidores de Energía de Ondas (WEC por sus siglas en inglés) con Generadores Eléctricos Lineales (LEG por sus siglas en inglés) presentada en 03/16/2004, cuyas enseñanzas se incorporan aquí mediante referencia.

Antecedentes de la invención

Esta invención se relaciona con generadores eléctricos lineales (LEG) y con circuitos para mejorar su eficiencia. Un problema con los LEG conocidos se puede explicar con referencia a las Figuras 1 y 2 de la técnica anterior. Se puede construir un LEG, como se muestra en las Figuras 1 y 2, con el propósito de que tenga un estator largo (por ejemplo, un ensamble 24 de bobina de inducción de longitud d1) y un ensamble 22 de imán permanente relativamente corto, de longitud d2. Cuando el ensamble 22 de imán permanente se mueve con relación al ensamble 24 de bobina de inducción se induce un voltaje (y una corriente si una carga se conecta a través del ensamble de bobina) en el ensamble de bobina. Una ventaja de los sistemas en los que la bobina se hace mucho más grande que el imán, cuando se compara con aquellos con ensambles de imán permanente largos y ensambles de bobina de inducción cortos (estator), incluyen la capacidad de mantener estacionario el cableado del ensamble de bobina de inducción (es decir, cables que no se flexionan ni mueven continuamente). Otra ventaja de dichos sistemas es que las bobinas largas y el imán permanente corto permiten el uso de amortiguadores/frenos de ¡manes permanentes pasivos relativamente simples (por ejemplo, se pueden formar amortiguadores pasivos al poner placas conductoras en los extremos del viaje de los ¡manes permanentes para formar un freno o amortiguador pasivo). Todavía otra ventaja de tener el imán permanente relativamente corto es que los ¡manes grandes y largos presentan un peligro porque tienden a atraer una gran cantidad de residuos.

Aunque la estructura mostrada en la Figura 1 tiene muchas ventajas, un problema con generadores eléctricos lineales conocidos que tiene un ensamble de bobina de inducción largo y el ensamble de imán permanente relativamente corto es que la corriente eléctrica generada en las bobinas tiene que pasar (fluye) a través del ensamble de bobina completo (es decir, todas las bobinas) en el estator, como se ¡lustra en la Figura 1. El voltaje útil derivado de las bobinas se obtiene de aquellas bobinas y secciones de bobina directamente opuestas y muy cercanas al ensamble de imán permanente. Este voltaje útil induce una corriente que fluye a través de toda la serie de bobinas conectadas. Las partes de las bobinas de estator que no son adyacentes (o directamente opuestas) al ensamble de imán permanente y aquellas que no interactúan con el ensamble de imán provocan una caída de voltaje en la bobina (es decir, debido a la resistencia e inductancia de la bobina) sin mejorar la generación de corriente adicional o voltaje. La caída de voltaje debido a la resistencia/impedancia de las bobinas no contribuye a la generación de voltaje (corriente) que resulta en pérdidas significativas en la energía generada por el LEG. El problema de tener pérdidas de potencia significativas que perjudican la generación de potencia útil se supera en circuitos y sistemas que incorporan la invención.

El documento US 5,347,186 describe un generador eléctrico lineal que comprende un ensamble de bobina con una pluralidad de bobinas de inducción que exhiben inductancia y resistencia a lo largo de su longitud, un ensamble magnético de longitud más corta que la longitud de las bobinas, el ensamble magnético y las bobinas se pueden mover relativamente de tal manera que el ensamble magnético pasa sobre una sección de bobina particular que produce un voltaje a través de las bobinas en esa sección.

Resumen de la invención

Un generador eléctrico lineal (LEG) que se incorpora en la invención se caracteriza como se establece en la Reivindicación

1.

En ciertas realizaciones de la invención, las secciones de bobina que no están en proximidad cercana al PMA están en cortocircuito por el circuito de conmutación. En otras realizaciones, las secciones de bobina que no están en proximidad cercana al PMA están en circuito abierto por medio del circuito de conmutación. Sin embargo, el circuito de conmutación se puede utilizar para provocar que las bobinas de inducción que están distantes del PMA (es decir, inactivas o no excitadas) y que no están contribuyendo a la generación de voltaje y corriente tiene que ser desviada por el circuito abierto (desconexión) o acortamiento de las secciones de bobina "inactivas". La desconexión o acortamiento de las bobinas inactivas reduce o elimina pérdida debido a su resistencia de bobina en serie e impedancia y por lo tanto aumenta la eficiencia del generador eléctrico lineal.

Un LEG que incorpora la invención incluye un ICA relativamente largo y un PMA relativamente corto. El ICA se subdlvlde en secciones N que se disponen en forma lineal a lo largo de una superficie (por ejemplo, un eje o un flotador de un convertidor de energía de ondas (VVEC-) sobre una distancia (por ejemplo, d1). La longitud del PMA puede variar sobre un amplio rango que es menor que la longitud de una sección de bobina que es mayor que varias secciones de bobina. En algunas realizaciones, se selecciona el PMA que tiene una longitud Igual a la longitud de "X" de la sección N de bobinas, en donde X y N son enteros y X es menor que N. Por ejemplo, el ensamble de bobina de Inducción puede consistir de 10, o más, secciones de bobina que se extienden serlalmente a lo largo de una distancia (por ejemplo, d1) y la longitud (por ejemplo, d2) del PMA puede ser igual a la longitud de las dos secciones de bobina.

En sistemas que incorporan la invención, se pueden emplear tres modos posibles para mover el ICA con relación al PMA: (a) el ICA se puede mantener estacionarlo y el PMA se mueve con relación al ensamble de bobina; (b) el PMA se mantiene estacionario y el ICA se mueve con relación al PMA; o (c) el ICA y el PMA se pueden mover con relación una al otro. En la descripción que sigue, para facilidad de Ilustración, se muestra que el ensamble de bobina es estacionario y el PMA se mueve a lo largo del ensamble de bobina mientras se separa de este mediante una distancia preselecclonada ("espacio"). Sin embargo, la invención se puede practicar utilizando cualquiera de los tres modos de operación observados anteriormente.

La invención del Solicitante reside en parte en el reconocimiento de que cuando el PMA se mueve a lo largo de las bobinas se induce un voltaje opuesto significativo en las bobinas y muy cercana (es decir, cerca) al PMA y se induce poco voltaje, si lo hay, en las bobinas que no están cerca al PMA.

En una realización de la Invención las secciones de bobina se conectan en serie entre los primeros y segundos puntos de salida de potencia y los Interruptores se conectan a través de las secciones de bobina. Cuando el PMA pasa a lo largo de la longitud del ICA, los Interruptores que se conectan a través de las secciones del ensamble de bobina que están cerca al PMA se "abren" permitiendo que se Induzca un voltaje en aquellas secciones de bobina. Al mismo tiempo, los interruptores que se conectan a través de las bobinas que no están cerca al PMA se "cierran" para provocar cortocircuito en aquellas secciones y proporcionar simultáneamente una ruta de conducción de baja impedancia para conectar las bobinas activas a través de las primeras y segundas salidas de potencia del LEG al que se puede conectar una carga. Sin embargo, el voltaje desarrollado a través de las bobinas activas se aplica a las salidas de potencia con muy poca disipación de energía en las bobinas inactivas.

En otra realización de la invención, cada bobina tiene primeros y segundos terminales y cada terminal de bobina se conecta por medio de un interruptor habilitado selectivamente a un primer o a un segundo punto de salida de potencia. Las secciones del ensamble de bobina que están cerca al PMA se acoplan entre los primeros y segundos puntos de salida de potencia por medio de interruptores. Las secciones de bobina "inactivas" que no están cerca al PMA se desconectan de los puntos de salida de potencia y no disipan ninguna potencia.

El encendido (cierre) y apagado (apertura) del circuito de conmutación acopla las bobinas a las líneas de potencia del LEG que se pueden controlar por diferentes medios para detectar la posición y/o la dirección del PMA con relación al ICA. En algunas realizaciones, se detectan los voltajes de secciones de bobina... [Seguir leyendo]

1. Un generador eléctrico lineal (LEG) que comprende:

un ensamble (20) de bobina que comprende secciones N de bobinas de inducción (L1-L8) dispuestas linealmente a lo largo de una distancia d1, las bobinas exhiben inductanciay resistencia a lo largo de su longitud;

un ensamble (30) magnético de longitud d2, donde d2 es más pequeño que d1;

medios (3, 5) para pasar el ensamble magnético a lo largo y sobre las bobinas de Inducción dispuestas linealmente mientras se mantiene un espacio pequeño entre el ensamble magnético y las bobinas, el pasaje del ensamble magnético sobre una sección de bobina particular provoca que la sección de bobina particular se excite por lo que produce un voltaje a través de las bobinas en esa sección particular;

primeros y segundos puntos de salida para producir entre estos un voltaje que corresponde al voltaje generado a través de las bobinas debido al ensamble magnético de pasaje; caracterizado porque:

las secciones N de bobinas de Inducción se conectan serialmente extremo a extremo, y los medios de conmutación (S1-S8) se acoplan entre las bobinas y los primeros y segundos puntos de salida para acoplar selectivamente solo las secciones de bobinas en proximidad cercana al ensamble magnético de pasaje entre los primeros y segundos puntos de salida, por lo que las secciones de bobinas, que no están en proximidad cercana al ensamble magnético están en cortocircuito o se desconectan eléctricamente de los primeros y segundos puntos de salida por lo que se reducen las pérdidas de potencia y se aumenta la eficiencia de producción de potencia del LEG.

2. El LEG como se reivindica en la reivindicación 1, en donde dichos medios de conmutación incluyen interruptores N selectivamente habilitados (S1-S8), un Interruptor por bobina, cada Interruptor se conecta a través de su sección de bobina (L 1-L8) para hacer cortocircuito de forma selectiva en su sección de bobina correspondiente cuando no está en proximidad cercana al ensamble (30) magnético; dichos Interruptores exhiben una muy baja ¡mpedancla cuando se encienden o cierran y una alta ¡mpedancla cuando se apagan o abren; y en donde una carga se acopla a través de dichos primeros y segundos puntos de salida; y en donde las bobinas excitadas se acoplan entre dichos primeros y segundos puntos de salida y dicha carga por medio de una ruta de baja ¡mpedancia proporcionada por dichos medios de conmutación.

3. El LEG como se reivindica en la reivindicación 2, en donde los interruptores (S1-S8) que corresponden a la secciones de bobina (L1-L8) en proximidad cercana al ensamble (30) magnético se abren para permitir que se desarrolle un voltaje a través de la secciones de bobina en proximidad cercana al ensamble magnético; y en donde los interruptores asociados, con la bobina, las secciones que no están en proximidad cercana al ensamble magnético se cierran para hacer cortocircuito en su sección de bobina correspondiente y proporcionando al mismo tiempo una ruta para las bobinas excitadas seleccionadas que producen un voltaje.

4. El LEG como se reivindica en la reivindicación 2, en donde la sección N de las bobinas se conecta extremo a extremo entre dichos primeros y segundos puntos de salida, y en donde dichos medios de conmutación incluyen medios (503) para detectar por lo menos uno de la posición y dirección del ensamble (30) magnético con relación a las secciones de bobina para producir señales para controlar el encendido y apagado de los interruptores, para permitir que solo las bobinas seleccionadas en proximidad cercana al ensamble magnético se acoplen a través de los primeros y segundos puntos de salida.

5. El LEG como se reivindica en la reivindicación 4 en donde dichos medios de conmutación incluyen medios de detección de voltaje (VS1-VS8) acoplados a través de la secciones de bobina para detectar los voltajes inducidos a través de las bobinas como una función de su proximidad al ensamble magnético y para producir señales para controlar el encendido y apagado de los interruptores, para permitir que solo las bobinas seleccionadas en proximidad cercana al ensamble magnético se acoplen a través de los primeros y segundos puntos de salida; y en donde dichos medios de conmutación incluyen circuitos de control de interruptor (SC1-SC8) acoplados a dichos medios de detección de voltaje para aplicar señales de encendido a interruptores cortocircuitantes seleccionados conectados a través de la secciones de bobina; y en donde cada interruptor está controlado por un circuito de control de interruptor; y en donde cada circuito de control de interruptor es a su vez controlado por un circuito de detección de voltaje.

6. El LEG como se reivindica en la reivindicación 4, en donde existe un interruptor (S1-S8) que se conecta a través de cada sección de bobina (L 1-L8); y en donde cada interruptor está controlado por un circuito de control de interruptor (SC1-SC8); y en donde cada circuito de control de interruptor se acopla a un módulo (501) lógico de control para hacer girar selectivamente el Interruptor para que haga cortocircuito en su sección de bobina correspondiente o para mantener un

interruptor asociado con una sección de bobina apagada para permitir que se desarrolle un voltaje a través de la sección de bobina y se acople a través de los primeros y segundos puntos de salida; y en donde dichos medios de conmutación incluyen medios (503) de detección para suministrar señales a dicho módulo lógico de control que pertenecen a por lo menos uno de: (a) la posición del ensamble magnético con relación al ensamble de bobina; (b) la dirección del ensamble magnético con relación al ensamble de bobina; y (c) salidas de los circuitos de detección de voltaje de bobina; y en donde cada uno de dichos interruptores N selectivamente habilitados es uno de un rectificador controlado por silicio (SCR), un TRIAC, un contacto de relé, un interruptor de estado sólido activado, un interruptor de sujeción y un interruptor de no sujeción.

7. El LEG como se reivindica en la reivindicación 1, en donde una bobina de detección de posición para detectar la posición del ensamble magnético con relación al ensamble de bobina se dispone a lo largo de las secciones N de bobinas de inducción para proporcionar señales que pertenecen a la posición del ensamble magnético con relación al ensamble de bobina para controlar los medios de conmutación y permitir que solo los voltajes desarrollados a través de las bobinas en proximidad cercana al ensamble magnético se acoplen entre dichos primeros y segundos puntos.

8. El LEG como se reivindica en la reivindicación 1, en donde los elementos de emisión de luz se unen a uno del ensamble magnético y la secciones de bobina y los sensores de luz se conectan entre sí al ensamble magnético y la secciones de bobina para detectar la posición del ensamble magnético y para proporcionar señales para controlar los medios de conmutación y permitir solo los voltajes desarrollados a través de las bobinas en proximidad cercana al ensamble magnético que se acoplan entre dichos primero y segundo puntos.

9. El LEG como se reivindica en la reivindicación 1, en donde dichas secciones N de bobinas se conectan extremo a extremo a través de dichos primeros y segundos puntos de salida; y en donde dichos medios de conmutación incluyen un interruptor habilitado/deshabilitado selectivamente que se conecta a través de cada una de dichas secciones N de bobinas.

10. El LEG como se reivindica en la reivindicación 1, en donde cada sección (L1 en la Figura 9) de bobina tiene primeros y segundos terminales (xO, x1); y en donde dichos medios de conmutación incluyen: (a) un primer grupo de interruptores habilitados selectivamente (T0) que se conectan a los primeros terminales de cada una de dicha secciones de bobina; y (b) un segundo grupo de interruptores habilitados selectivamente (T1) conectados a los segundos terminales de cada una de dichas secciones de bobina.

11. El LEG como se reivindica en la reivindicación 10 en donde las bobinas seleccionadas en proximidad cercana al ensamble magnético se acoplan por medio de un interruptor habilitado selectivamente de dicho primer grupo a dicho primer punto de salida y por medio de un interruptor habilitado en forma selectiva correspondiente de dicho segundo grupo a dicho segundo punto de salida.

12. El LEG como se reivindica en la reivindicación 11, en donde las bobinas no seleccionadas que no están en proximidad cercana al ensamble magnético están en circuito abierto y en donde las bobinas seleccionadas en proximidad cercana al ensamble magnético se conectan en serie por medio de un interruptor de dicho primer grupo y un interruptor de dicho segundo grupo a través de dichos primeros y segundos puntos de salida.

13. El LEG como se reivindica en la reivindicación 1, en donde los medios para pasar el ensamble magnético sobre y a lo largo de las bobinas incluye disponer y extender las bobinas a lo largo de uno de un flotador (5) y columna (3) de un convertidor de energía de ondas (WEC) destinado para ser puesto en un cuerpo de agua y en donde el ensamble magnético se une al otro de uno de flotador y la columna; y en donde el flotador y la columna se pueden mover con relación uno al otro y hacen parte del convertidor de energía de ondas (WEC).

14. El LEG como se reivindica en la reivindicación 1, en donde los medios para pasar el ensamble magnético sobre y a lo largo de las bobinas incluye disponer y extender las bobinas a lo largo uno de un flotador (5) y columna (3) y en donde el ensamble magnético se une al flotador y la columna para permitir por lo menos uno de los siguientes: (a) las bobinas son estacionarias y el ensamble magnético se mueve arriba y abajo con relación a las bobinas; (b) el ensamble magnético es estacionario y las bobinas se mueven arriba y abajo con relación al ensamble magnético; y (c) el ensamble magnético y las bobinas se mueven con relación uno al otro.