Гироскопический преобразователь энергии морских волн
GYROSCOPIC SEA WAVE ENERGY CONVERTER

Изобретение относится к электромеханическим устройствам и может быть использовано для преобразования энергии колебания морских волн в электроэнергию.
Из уровня техники известно гироскопическое устройство для средств передвижения (патент РФ №2390725 МПК G01С 19/06, опубликовано 27.05.2010 г.), содержащее основание с закрепленными на нем опорами для концов оси и размещенный на оси ротор, при вынужденном вращении основания вокруг оси, образующей угол с осью ротора, на опоры со стороны ротора действуют перпендикулярно к его оси гироскопические силы, направленные в противоположные стороны относительно друг друга. Последовательно размещенные на одной линии осей два независимых друг от друга одинаковых ротора с противоположными направлениями вращения, ось каждого ротора связана с боковой и центральной опорами, последняя из которых установлена между роторами на равном расстоянии от них и является общей для осей обоих роторов, каждый из роторов расположен на своей оси асимметрично относительно опор оси с меньшим расстоянием от каждого из роторов до центральной опоры по сравнению с расстоянием от каждого из роторов до боковой опоры оси, при этом на центральную опору гироскопические силы действуют совместно в одном направлении со стороны обоих роторов, а на каждую из боковых опор гироскопическая сила действует только со стороны одного из роторов.
Недостатком данного устройства являются его ограниченные функциональные возможности.
Известно гироскопическое устройство для преобразования его угловых перемещений в электроэнергию (патент РФ №2626312 MПK G01C 19/06, опубликовано 25.07.2017 г.) состоящее из плоского основания, на каждой из сторон которого соосно закреплены опоры в виде шарниров Гука, на которых установлены на одной линии осей два одинаковых гироскопа с противоположным направлением вращения роторов, причем на корпусах гироскопов выполнены опорные площадки, расположенные параллельно основанию устройства, а между опорными площадками и основанием закреплены на равных радиусах и через равные угловые промежутки как минимум по три механоэлектрических преобразователя.
Недостатками данного устройства являются большие вертикальные габариты вследствие соосного расположения гироскопов, отсутствие механизма самоустановки гироскопов в горизонтальной плоскости перед их раскруткой, отсутствие активной адаптации к изменяющейся интенсивности угловых перемещений объекта с гироскопическим устройством.
Задачей изобретения является создание надежного и удобного гироскопического преобразователя энергии морских волн в электроэнергию.
Технический результат изобретения заключается расширении функциональных возможностей гироскопического преобразователя за счет обеспечения самоустановки гироскопов перед раскруткой и возможности активной адаптации к изменяющейся интенсивности волнения водной поверхности.
Задача решается и технический результат достигается гироскопическим преобразователем энергии морских волн, содержащим плоское горизонтальное основание, к нижней поверхности которого симметрично от его центральной вертикальной оси, через равные угловые промежутки закреплены попарно идентичные гироскопические модули в количестве не менее одной пары, имеющие гироскопы с противоположным направлением вращения роторов, при этом каждый гироскопический модуль преобразователя содержат платформу, к которой с нижней стороны соосно ее вертикальной оси прикреплен статор гироскопического модуля, изготовленный из ферромагнитного материала, и верхняя стойка шарнира равных угловых скоростей, к которому также соосно посредством нижней стойки прикреплен ротор гироскопического модуля, на нижнем торце которого также соосно закреплен корпус гироскопа с расположенным внутри него ротором гироскопа, причем центр шарнира равных угловых скоростей совпадает с центром сферы, образованной внутренней поверхностью статора гироскопического модуля, состоящей из полюсных наконечников с размещенными на них электрообмотками, а также с центром сферы, образованной внешней поверхностью ротора гироскопического модуля, которая представляет собой первое секторное кольцо из постоянных магнитов с заданной магнитной ориентацией, закрепленных на внешней радиальной поверхности ротора гироскопического модуля, а между внутренней поверхностью статора и внешней поверхностью ротора гироскопического модуля имеется заданный зазор, позволяющий осуществлять колебательные движения ротора и статора относительно друг друга, причем на одной из торцевых поверхностей ротора гироскопа закреплено второе секторное кольцо из постоянных магнитов, а на смежной торцевой поверхности корпуса гироскопа закреплены электрообмотки, образующие в совокупности со вторым секторным кольцом торцевой электродвигатель раскрутки и подкрутки ротора гироскопа.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид гироскопического преобразователя, на фиг. 2 представлен конструкция гироскопического модуля.
Гироскопический преобразователь (фиг. 1) содержит плоское горизонтальное основание 1, к нижней поверхности которого симметрично от его центральной вертикальной оси, через равные угловые промежутки закреплены попарно идентичные гироскопические модули 2 в количестве не менее одной пары, имеющие гироскопы с противоположным направлением вращения роторов. Основание 1 гироскопического преобразователя с закрепленными на нем гироскопическими модулями 2 размещено между верхней 3 и нижней 4 крышками герметичного поплавка, в котором также находятся приборные отсеки 5 и 6. На нижней крышке поплавка расположен узел крепления якоря 7 и герметичный электроразъем 8. Каждый гироскопический модуль (фиг 2) содержит платформу 9, к которой с нижней стороны прикреплен статор 10 гироскопического модуля и верхняя стойка 11 с шарниром равных угловых скоростей (ШРУС) 12. Причем вертикальные оси симметрии платформы, статора и верхней стойки совпадают. К ШРУС 12 также соосно посредством нижней стойки 13 закреплен качающийся ротор 14 гироскопического модуля, а на нижнем торце ротора, также соосно закреплен корпус гироскопа 15 с ротором гироскопа 16. Обязательным условием является совпадение центра качания ШРУС 12 (точка «О») с центром сферы, образованной внутренней поверхностью статора 10 гироскопического модуля, а также с центром сферы, образованной внешней поверхностью ротора 14 гироскопического модуля, причем между внутренней сферической поверхностью статора и наружной сферической поверхностью ротора имеется заданный зазор, позволяющий осуществлять колебательные движения ротора и статора относительно друг друга с центром в точке «о». Статор 10 гироскопического модуля изготовлен из ферромагнитного материала. Внутренняя сферическая поверхность статора гироскопического модуля состоит из полюсных наконечников 17 с размещенными на них электрообмотками 18. Внешняя сферическая кольцевая поверхность ротора 14 гироскопического модуля представляет из себя первое секторное кольцо 19, состоящее из постоянных магнитов с заданной магнитной ориентацией, закрепленных на внешней радиальной поверхности ротора 14 гироскопического модуля. Причем на одной из торцевых поверхностей ротора 16 гироскопа закреплено второе секторное кольцо 20 из постоянных магнитов, а на смежной торцевой поверхности корпуса 15 гироскопа закреплены электрообмотки 21, образующие в совокупности торцевой электродвигатель раскрутки и подкрутки ротора гироскопа. Платформа 9 с гироскопическими модулями закреплена на нижней поверхности основания 1 гироскопического преобразователя.
Гироскопический преобразователь энергии морских волн работает следующим образом. Поплавок с гироскопическим преобразователем находится на водной поверхности. Роторы 16 гироскопов не вращаются. Электрически статоры 14 гироскопических модулей 2 не подключены к внешним нагрузкам. В этом состоянии системы «ротор гироскопического модуля - гироскоп», подвешенные с помощью ШРУС к платформе 9 гироскопического модуля являются свободно качающимися маятниками. Таким образом обеспечивается самоустановка гироскопов. И независимо от состояния водной поверхности вертикальные оси систем «ротор гироскопического модуля - гироскоп» будут находиться в вертикальном положении относительно горизонта под действием сил гравитации. И соответственно горизонтальные плоскости роторов 14 гироскопических модулей будут параллельны плоскости горизонта. В этом случае при угловых перемещениях основания гироскопического преобразователя вследствие угловых перемещений поплавка под действием волн статоры гироскопических модулей будут совершать колебательные движения относительно неподвижных роторов гироскопических модулей. При подключении электрической нагрузки токи статоров и роторов гироскопических модулей возрастут, следовательно увеличатся силы взаимодействия качающихся статоров и неподвижных роторов гироскопических модулей. Это, в свою очередь, приведет к выводу из горизонтального положения роторов гироскопических модулей - их раскачиванию. Гравитационных сил будет недостаточно для удержания плоскости роторов гироскопических модулей в горизонтальном положении. Для удержания роторов 14 гироскопических модулей в принудительном горизонтальном положении необходимо придать вращательное движение роторам 16 гироскопов, соединенным с роторами гироскопических модулей, что обеспечит колебательные перемещения полюсных наконечников 17 статоров 10 гироскопических модулей относительно магнитных колец 19 на внешних поверхностях роторов 14 для стабилизации гироскопических модулей. Вращение роторов 16 гироскопов должно быть равным по угловым скоростям и противоположным по направлению вращения - это компенсирует реактивные моменты, приложенные к горизонтальному основанию 1 гироскопического преобразователя.
Для эффективной работы преобразователя осуществляют следующий порядок действий. Устройство находится в водной среде (роторы 14 гироскопических модулей горизонтальны). При отключенной электрической нагрузке осуществляют раскрутку роторов 16 гироскопов гироскопических модулей от встроенного резервного аккумулятора до номинальных скоростей вращения. После отключения резервного аккумулятора подключают электрическую нагрузку. При наличии волн корпус поплавка совершает колебательные угловые перемещения, и с ним эти движения будет совершать основание гироскопического преобразователя с закрепленными на нем гироскопическими модулями. Статоры 10 гироскопических модулей будут совершать колебательные движения относительно неподвижных роторов 14 гироскопических модулей, стабилизированных гироскопическими силами вращающихся роторов 16 гироскопов, При прохождении полюсных наконечников статоров гироскопических модулей с намотанными на них обмотками 18 мимо магнитных колец 19 роторов 14 в этих обмотках будут вырабатываться синусоидальные импульсы электрического тока. При включении электрической нагрузки значительно возрастет взаимодействие между статорами и роторами гироскопических модулей. В этом случае именно гироскопические силы будут удерживать роторы гироскопических модулей в заданном горизонтальном положении. Вырабатываемый электрический ток будет поступать потребителю, а также на двигатель раскрутки и подкрутки ротора гироскопа и на подзарядку резервного аккумулятора. При изменении интенсивности волнения водной поверхности изменяется по заданному алгоритму скорость вращения роторов гироскопов, и происходит активная адаптация к величине волнения.
Таким образом, изобретение позволяет расширить функциональные возможности гироскопического преобразователя за счет его конструктивного выполнения, обеспечивающего самоустановку гироскопов перед раскруткой и возможность активной адаптации к изменяющейся интенсивности морских волн.