ÉMBOLO ELECTROMAGNÉTICO PARA MOLINOS DE VIENTO BOMBEADORES DE AGUA La presente invención está relacionada con un dispositivo para acumular energía eléctrica en baterías asociado a un Molino rural a viento, sin interrumpir su función de bombear agua, con un Molino rural que lo comprende y con la utilización de la energía eléctrica generada por dicho dispositivo. Más particularmente se trata de un émbolo que se acopla edirectamente a la salida de la máquina del Molino, y que se desliza con movimiento alternativo en el interior de un estator fijado a la torre de dicho Molino. Esta función generadora de electricidad se cumple al mismo tiempo que el Molino bombea agua con una cadencia proporcional al viento, acumulándola en un tanque, comúnmente llamadó tanque australiano Los molinos eólicos generadores de electricidad del arte, son máquinas de alto rendimiento y de alta velocidad, que se deben adaptar perfectamente a los generadores eléctricos, que a su vez requieren para su adecuado funcionamiento una elevada velocidad de rotación. Por tal motivo, el rotor de estos dispositivos tiene pwas aspas, las que generalmente son delgadas, y está directamente acoplado a un generador que se calcula para obtener un conjunto de máximo rendimiento a las velocidades de viento normales. Además no necesitan un gran torque para el arranque, por cuanto el generador tiene un piso mínimo que permite un embalamiento hasta que empiez generar la electricidad.

El Molino rural, sin embargo, necesita mucho torque para levanter una gran columna de <BR> <BR> <BR> agua y además es de movimiento lento, dado que acciona una máquina aspirante/impelente, Por tal motivo tiene muchas aspas ensanchadas en los extremos para poder girar entre 5 y 40 revoluciones por minuto (ru", valor incompatible para los generadores estándar.

Un multiplica dor mecánico 20 á 1 6 un generador calculado a tan baja frecuencia de <BR> <BR> <BR> rotaci#n, ser#an muy pesador y antieconómicos. Además no habría lugar en la torreta del moine o para colccar un dispositivo de tal magnitud, sin mencionar el hecho de que sería un conjunto muy poso confiable y de difícil mantenimiento.

Visto que los generadores rotativos estándar son inadecuados para acoplarlos a un Molino rural de extracciòn de agua, es que hemos desaaxollado la presente invención.

Mediante un sencillo acoplamiento y evitando engranajes, aceite, accionamientos mecánicos, colectores, carbones, etc., hemos tomado el movimiento oscilatorio axial del Molino, configurando un conjunto sumamente confiable.

El dispositivo de la invención comprende, en terminos generales, un émobolo magnético que se acopla a la salida del Molino. Por otro lado, un estator se fija a la torre de dicho

ascendente/descendente transmitido por la varilla del bombeador. Dicho estator tiene conformado al menos un toroide de hierro, con un alojamiento interior para al menos una bobina de campo. Dicha bobina posee preferentemente un arrollamiento de cobre con un número determinado de espiras. Dicho émbolo esta conformado por imanes, que pueden ser de tierras raras (Nd, Fe, B), cerámicos o cualquier otro material ferromagnético, de manera de crear campos magnéticos N-S-N cuyas lineas de campo se cierran en el estator en cuyo interior se encuentran las bobinas colectoras.

Durante el movimiento axial de dicho émbolo, se induce una tension eléctrica en dicha al menos una bobina, y de esta manera el Molino bombea electricidad que se acumula en baterías, preferentemente ubicadas en la base del mismo, del mismo modo que bombea agua para acumularla en el tanque.

Es entonces objeto de la presente invención, un dispositivo para acumular energía eléctrica en baterías asociado a un Molino rural a viento, sin interrumpir su función de bombear agua, en donde dicho dispositivo comprende un émbolo magnético vinculado por uno de sus extremos a la varilla del bombeador de dicho Molino y por el otro de sus extremos a la salida de máquina de dicho Molino, y un estator fijado a la torre de dicho Molino mediante medios de fijación, por cuyo interior se desplaza axialmente y en forma alternativa dicho émbolo magnético.

Aún otro objeto es el Molino rural a viento que incluye el dispositivo de la invención.

A los efectos de lograr una mayor comprensión del invento, se detallan a continuación las distintas figuras que lo ilustran.

La figura 1 es un corte de un primer ejemplo de realización del dispositivo de la invención.

La figura 2 es un corte de un segundo ejemplo de realización del dispositivo de la invención.

La. figura 3 es un esquema del desplazamiento alternativo del émbolo dentro deestator, para el caso de un solo campo.

La figura 1 muestra un primer ejemplo preferido de realización que incluye un émbolo magnético 1, que consiste en un núcleo portante constituído por un tubo de material diamagnético, dentro del cual se enhebran una pluralidad de imanes permanentes 1C y piezas polares de material magnético 1D, en una secuencia tal que generan un campo magnético de polaridad e intensidad determinadas. Los imanes permanentes pueden ser construídos a partir de elementos cerámicos, de tierras raras (Nd, Fe, B), o de cualquier tipo de material magnetizable que cumpla con las especificaciones deseadas. Un estator 2 se encuentra fijado a la torre del Molino, por cuyo interior se desplaza dicho émbolo

magnético 1. Dicho estator es, preferiblemente y a modo de ejemplo, una campana toroidal de material magnético, con un alojamiento interior para una bobina 3 compuesta de n espiras, preferentemente de alambre de cobre de diámetro determinado.

Los valores del número de espiras n y del diámetro del alambre de cobre son valores que dependen de la tension nominal de la máquina, estando al alcance del técnico del oficio de nivel medio su determinación, conforme a los requerimientos de energía eléctrica deseados.

Uno de los extremos de dicho émbolo magnético 1, más específicamente el superior, está acoplado por medio de un acople superior 4 a la salida de máquina del Molino (no ilustrada), y el otro de los extremos de dicho émbolo 1, más especificamente el inferior, está acoplado por medio de un acople inferior 5 a la varilla del bombeador del Molino (no ilustrada). Dicho estator 2 está fijado a la torre de dicho Molino por medios de sujeción como por ejemplo, anillos de montaje superior 6 e inferior 7 que incluyen para un mejor ajuste, tensores 8. El émbolo magnético 1 reproduce el movimiento oscilatorio axial, que proviene del conjunto biela-manivela de la caja reductora o máquina del Molino (no ilustrada). Dicho movimiento es de naturaleza senoidal, con una carrera (c) entre 0.18 a 0. 20 metros y una velocidad V de aproximadamente 0.2 m/seg.. Al desplazarse dicho émbolo con respecto al estator 2, se genera una variación de flujo magnético y al variar la concatenación de líneas de campo que atraviesan a dicha bobina 3, se genera asf una fuer2a electromotriz. Dicha fuerza electromotriz es una tensión eléctrica zambien de naturaleza senoidal, que posteriormente se rectifia en un puente de diodos para ser acumulada en baterias, situadas en la base de la torre del molino (no ilustradas). La maxima transferencia de energía se producirá a la máxima velocidad, es decir cuando la bobina 3 concatena la mayor cantidad de líneas de campo magnético por segundo.

Un segundo ejemplo preferido de realización se ilustra en la figura 2. Allí, ell émbolo 1 está conformado por una pluralidad de imanes 1C y por piesaa polares de material magnético 1D en una secuencia determinada. Dicho émbolo 1 reproduce también un movimiento oscilatorio axial, que proviene del conjunto biela-manivela de la caja reductora o máquina del Molino (no ilustrada). Sin embargo, para el presente ejemplo de realización, el estator 2 es multipolar, es decir que posee una pluralidad de alojamientos internos para bobinas 3, preferiblemente del tipo toroidal y acopladas verticalmente. De esta manera se logra un mejor aprovechamiento del movimiento axial para acumular una mayor cantidad de energía eléctrica. Además, si se utilizan imanes permanentes 1C construidos a partir de tierras raras como por ejemplo Nd, Fe, B, también Mamados superimanes, permiten reducir la cantidad de espiras de alambre de cobre n que

conforman cada bobina 3 logrando reducir en volumen y en peso el dispositivo, a la vez que se optimiza la obtención de energía eléctrica.

Otra variante con respecto al dispositivo de la figura 1, la conforma la vinculación de los extremos del émbolo magnético 1 al molino.

Los acoples superior 4 e inferior 5 descriptos en la figura 1, comprenden para el presente ejemplo de realización respectivamente, soportes de transmisión mecánica superior e inferior 9, 9', asociados respectivamente y por una de sus caras a la salida de máquina del molino y a la varilla del bombeador, y por la otra de sus caras a elementos elásticos superior e inferior 10, 10', los cuales están asociados respectivamente a cada uno de los extremos de dicho émbolo 1.

Preferentemente dichos elementos elásticos superior e inferior 10, 10'son resortes. Dichos resortes 10, 10' tienen sus extremos apoyados en elementos portaresortes superior e inferior 14, 14'. Dichos soportes d etransmisión mecánica 9, 9'pueden incluir tubos de refuerzo superior e inferior 15, 15' en su interior. La varilla del bombeador está acoplada a dicho soporte de transmisión mecánica inferior 9'mediante un acople inferior 12' ; y el eje motriz de la máquina del Molino, está acoplada a dicho soporte de transmisión mecánica superior 9, por medio de un acople superior 12. Las barras de transmisión 11 vinculan dichos soporle$ de transmisión mecánica 9F9'entre sí. Dichas barras de transmisión 11 atraviesan una jaula J conformada por un conjunto de tapas guía superior e inferior 18,18'y ejes de compresión laterales 13 que vinculan a dichas tapas guía 18,18' entre sí. En el interior de dicha jaula J, se observa un estator 2. Dichas barras de transmisión 11 y dicho émbolo 1 atraviesan dicha tapa guía superior 18 a través de bujes antifricción 16 y 17 ; y dicha tapa guía inferior 18'a través de bujes antifricción inferiores 16il7'.

Finalmente el dispositivo incluye barras de fijación 6,7 que fijan dicha jaula a la torre del Molino (no ilustrada). Dichas barras de fijación 6,7 incluyen además tensores 8 para un mejor ajuste.

El estator 2 posee preferiblements un revestimiento superficial resistente a la intemperie, en particular resistente a la acción del agua, en base a barnices adecuados como el epoxi.

Las bobinas 3 también son sometidas a un tratamiento similar al del estator 2, que las haga resistentes a la intemperie para evitar la condensación de humedad. Las demás piezas son preferiblemente de acero inoxidable, y las partes móviles son autolubricadas, generando así un conjunto apto para la intemperie.

El uso de imanes permanentes 1 C de tierras raras (Nd, Fe, B) de altísima fuerza coercitiva, superior a los 10. GOO Oersted, genera una fuerte atracción entre el embolo 1 y

el estator 2, lo que hace que inicialmente dicho émbolo 1 esé inmovilizado. Al desplazarse axialmente los soportes mecánicos superior 9 e inferior 9 prima debido a la acción de la varilla del bombeador, los elementos elásticos o resortes inferiors 10 y superiors 10 prima, se comprimen y se estiran respectivamente, acumulando energía potencial de desplazamiento, que se libera cuando la fuerza de la varilla del bombeador supera dicha fuerza coercitiva. En ese instante, el émbolo magnético 1 inicia un movimiento acelerado que, debido a su poca masa es de una velocidad promedio muy superior a la velocidad de la varilla del bombeador, que continua siendo independiente con su movimiento oscilatorio axial. Esto constituye un multiplicador de velocidad muy importante en la inducción de voltaje.

En su desplazamiento dentro de dicho estator 2 el émbolo 1 transforma su energía mecánica en eléctrica, y por tal motivo baja su velocidad hasta detenerse en la próxima bobina 3, pero con polaridad contraria, generando un pulso energético. La distancia entre dos polos se denomina paso polar"p". Dado que un paso polar"p"es aproximadamente la décima parte de la carrera del Molino, se tienen 10 pulsos energéticos para la subida y otros 10 pulsos energéticos para la bajada. De esta manera se aprovecha toda la energía de la rueda, la máquina se diseña para tomar aproximadamente el 25% de la energía en producción eléctrica y el resto para la extracción del agua, aparte de tas pérdidas del sistema.

La Figura 3 ilustra un esquema del movimiento del émbolo magnético 1. EI movimiento en cuestión es aplicable tanto para un estator que incluye una bobina 3, como en el caso de la Figura 1 ; como para aquel que incluye múltiples bobinas 3, como en el caso de la Figura 2. A efectos de ilustrar el movimiento del émbolo magnético 1, se muestra el corte de un estator 2 con alojamientos toroidales T, de los cuales solo uno de ellos incluye una bobina (B) (13) 3.

El inicio del movimiento comienza cuando los soportes de transmisión mecánica superior 9 e inferior 9Db se desplazan hacia arriba debido a la acción de la varilla del bombeador.

Dicha varilla se desplaza en forma ascendente un paso polar "p" ejerciendo una fuerza Fm. El resorte superior 10 se estira hasta un valor Fm/2, igual al valor que se comprime el resorte inferior 10'. Un instante después, cuando la fuerza de la varilla del bombeador supera la fuerza coercitiva Fc de los imanes permanentes 1C presentes en dicho émbolo 1, este último inicia su carrera. Dicho émbolo 1, al llegar a la mitad de su recorrido, pasa por un eje magnético neutro E, con un flujo mínimo. Inmediatamente después comienza a ser atraído por el siguiente campo. Al 75% de su carrera, la atracción del siguiente campo es Fc/2. Una vez que el émbolo 1 recorrió un paso polar"p", se invierte el sentido de

flujo respecto al inicio de movimiento, cambiando de polaridad. De esta manera, el siguiente paso polar"p"invierte el proceso arriba descripto y así sucesivamente.

De esta manera la velocidad de variación del flujo del campo magnético en las bobinas 3 dependerá de las constants de los resortes 10, 10', que deberán ser iguales, y no de la velocidad de la varilla de bombeo, que rige la frecuencia de oscilación, es decir la energía de carga. De esta manera, el dispositivo tiene un piso muy bajo, y siempre genera electricidad aún con bajas velocidades de viento. En consecuencia estamos en presencia de un circuito electromagnético amortiguado, cuya energía aprovechable estará dada por un tren de pulsos en el que cada uno de ellos tiene un valor Fc x p que finalmente se transformará en electricidad. El valor energético de cada pulso es constante, ya que proviene de los mismos resortes 10, 10'con iguales elongaciones y compresiones.

El dispositivo de la invención, tal como hemos mencionado anteriormente está pensado para acoplarse a un Molino rural a viento, y más específicamente puede estar conectado eléctricamente en paralelo a un dispositivo fotovoltáico montado sobre la torre de dicho Molino, para optimizar la acumulación de energía eléctrica la cual es acumulada en baterías a través de un puente rectificador de diodos. Dicha energía acumulada se la utiliza para alimentar dispositivos desalinizadores del agua que extrae dicho Molino, para alimentar electrificadores de alambrados rurales, iluminación o para cualquier otro dispositivo eléctrico de bajo consumo.