ES2900521T3 - Motor-generador de energía eléctrica excitado por transferencia magnética - Google Patents

Abstract

La invención plantea un motor-generador de potencia eléctrica que tiene excitación mediante transferencia magnética contando además de un estator (1) y de un rotor (2) con un núcleo externo (3), inmóvil respecto al estator y al rotor, donde dicho núcleo externo (3) comprende: una parte exterior axial, o carcasa axial (6) que se une al estator (1), una parte interior que se comunica mediante un entrehierro (4) con el rotor (2), una tercera parte que une ambas partes, denominada platillo (8), donde el rotor carece de bobina de excitación alguna, por lo que no tiene ni anillos colectores ni escobillas. El núcleo externo (3) presenta en la parte exterior axial (6) un imán permanente axial (12), y en las otras dos partes, o platillo (8) se dispone unos imanes permanentes (10) y electroimanes (11). El rotor no cuenta con escobillas para crear un campo magnético,creándose en los imanes y bobinas del núcleo externo (3) transmitiendo el flujo magnético a través de un entrehierro el flujo inductor al rotor giratorio, evitando así de esta manera la necesidad de anillos y escobillas colectoras.

Description

DESCRIPCIÓN

Motor-generador de energía eléctrica excitado por transferencia magnética

[0001] El motor/generador que se reivindica se refiere al campo de las máquinas eléctricas de campo giratorio magnético. Es una máquina capaz de transformar la energía mecánica, es decir, una fuerza mecánica en movimiento, en energía eléctrica y viceversa. Es una máquina en la que el flujo de flujo magnético ingresa al rotor por transferencia a través de un entrehierro pasivo desde una fuente estática de flujo magnético.

Estado de la técnica:

[0002] Hay alternadores automotrices en los que la excitación electromagnética o campo es estático, pero cuyo flujo magnético pasa a través de cuatro espacios de aire, lo que los hacen completamente diferentes del que se reivindica.

[0003] El modelo de utilidad U 200402396, propiedad de uno de los solicitantes de esta patente de invención, tiene excitación electromagnética estática, con una única bobina axial central y solo dos espacios de aire por polo, como el reivindicado en esta patente de invención.

[0004] También se conoce a partir del documento de patente US2003/178909A1 una máquina eléctrica rotativa que se compone de un marcador, un devanado de armazón, un núcleo de rotor dispuesto opuesto a dicho marcador a una fuente de flujo magnético rotatorio para el suministro de primer flujo magnético al núcleo del rotor, un marco para soportar el sujetador y el núcleo del rotor y una fuente de flujo magnético estacionaria, fijada al marco, para suministrar un segundo flujo magnético al núcleo del rotor en una dirección para complementar el primer flujo magnético.

[0005] También se conoce por el documento de patente WO2007/139557 un motor de rotor de campo único que comprende un rotor montado para girar con respecto a un estator. El estator tiene una pluralidad de polos de estator, cada uno de los cuales tiene una bobina para crear una fuerza de polo magnético. El rotor tiene una pluralidad de polos de rotor salientes espaciados circunferencialmente formados sobre el mismo, en donde el flujo dentro del rotor mantiene una polaridad constante. Se proporcionan medios magnéticos para crear un par de campos de flujo magnético, en los que la interacción del par de campos de flujo magnético hace que los campos de flujo magnético se proyecten radialmente hacia afuera con respecto al rotor, creando así una polaridad magnética uniforme en los polos del rotor. Se proporcionan medios de circuito para cargar alternativamente dichas bobinas de estator para alternar la polaridad de un polo de estator dado para atraer y repeler alternativamente dichos polos de rotor para producir la rotación de dicho rotor.

[0006] También se conoce a partir del documento de patente US4972112A un motor CC sin escobillas que incluye un conjunto de rotor y un estator de montaje. El conjunto de rotor incluye una pluralidad de imanes permanentes de rotor de una primera polaridad. El conjunto de estator incluye una pluralidad de conjuntos de campo magnético del estator que se orientan hacia el conjunto de rotor. Cada conjunto de campo magnético del estator incluye un núcleo magnético en forma de caja que tiene una abertura que mira hacia el conjunto del rotor. Un núcleo magnético permanente está dispuesto dentro del núcleo magnético en forma de caja que tiene una superficie que mira al conjunto de rotor y que posee una segunda polaridad en esta superficie. Una bobina de campo se enrolla cerca del núcleo magnético en forma de caja para energizar el conjunto de campo magnético del estator. Se proporciona un imán permanente de refuerzo a lo largo de una superficie exterior del núcleo magnético en forma de caja.

[0007] La invención se describe en las reivindicación 1. Las formas de realización independientes preferidas se describen en las reivindicaciones dependientes. El motor/generador propuesto en la solicitud de patente actual, incluye una fuente de campo por medio de un solo imán permanente central estático y axial 12 o por varios otros, 10, en el disco, 8, y en el armazón axial, 6. Los imanes permanentes de campo, 10, pueden ser sustituidos por bobinas de excitación 11. Todo ello lo hace sustancialmente diferente del mencionado modelo de utilidad en la estructura y en los efectos que produce. Razonamiento en relación con la innovación.

[0008] Los problemas técnicos de las máquinas convencionales y las soluciones motivadas de la invención propuesta se presentan a continuación.

a). En todos los motores/generadores, y especialmente en los destinados a la generación automotriz y eólica, la generación de energía, a bajas velocidades sin aumentar el tamaño de la máquina es un problema. A altas velocidades, la tensión es más que suficiente y, por tanto, debe estar limitada por el sistema de regulación elegido.

[0009] La figura 3 muestra cómo la variación de flujo por vuelta en el caso de la innovación es 3 x F, triple que la de los alternadores convencionales, en la bobina considerada, R, de un estator trifásico. Esto solo puede llevarse a cabo en la máquina actualmente reivindicada porque el flujo del flujo magnético es unidireccional.

[0010] Fig. 4, de un alternador convencional, muestra que el polo del rotor 33 produce sucesivas variaciones de flujo F en solo uno de los tres polos del estator englobados por la bobina de fase "R", mientras que, en el alternador innovador, Fig. 3, la variación se produce al mismo tiempo en los tres polos comprendidos por la fase "R", que deben tener igual flujo por polo, es decir, 3 x F.

[0011] Los cálculos de tensión, aplicando las fórmulas electrotécnicas pertinentes muestran esta afirmación.

[0012] La fórmula básica:

Voltaje = Variación del caudal / Tiempo que tarda en producirse la variación aplicada correctamente, la fórmula lo prueba y los experimentos lo confirman.

[0013] b). El enfriamiento a bajas velocidades también es un problema para los alternadores convencionales, porque limita la potencia que se puede obtener. La sección transversal del conductor eléctrico del devanado del estator determina el número de vueltas por bobina y esto determina el voltaje de la bobina. Cuanto mayor sea el voltaje por vuelta obtenido, menor será la pérdida óhmica porque se necesitan menos vueltas por bobina para el mismo voltaje de bobina.

[0014] Está claro que la innovación reduce el calor no deseado producido cuando el voltaje se incrementa considerablemente y se reduce la longitud del cable de la bobina, y por lo tanto la resistencia óhmica de los mismos.

[0015] c). Otro problema que tienen los alternadores de automóviles convencionales es la cantidad de cobre que requieren las bobinas de campo y el calor que generan.

[0016] Se puede ver en la figura 1, la cual muestra la disposición esquemática de un alternador de acuerdo con la innovación propuesta, que las bobinas de excitación 11 con sus núcleos, es decir, electroimanes, reemplazan completamente una corona circular del disco 8 del núcleo exterior con ventanas de ventilación 20 entre cada uno de ellos. Además, son bobinas con muy pocas capas debido a que las espiras totales del campo, de un alternador de automóvil convencional se dividen por el número de electroimanes y tienen una gran superficie en contacto con el núcleo exterior y con el aire, como resultado de lo cual el enfriamiento es directo y eficiente. Todo o parte de los electroimanes puede ser sustituido por los imanes permanentes 10, con los polos norte mirando al mismo lado de la trayectoria magnética, hacia la periferia del disco, Fig. 2, posición 30, o viceversa, como resultado de lo cual los flujos magnéticos fluyen en paralelo con el aumento del flujo total.

[0017] Los cálculos muestran que para el mismo número de amperios-vueltas y el mismo diámetro de alambre de cobre, esta disposición requiere una fracción de la longitud de alambre de cobre de uno convencional y tiene una superficie mucho más grande exterior de enfriamiento y resistencia mucho menos óhmica de uno convencional porque una bobina central sobre un núcleo de gran diámetro se sustituye por varios en núcleos más pequeños. La cantidad de calor generada por la corriente de excitación es menor debido a la resistencia óhmica inferior. Además, y muy importante, la cantidad de cobre utilizado en la excitación, en el caso de los electroimanes, es mucho menor que en los convencionales.

[0018] En el caso de múltiples bobinas de la invención propuesta, es un tercio. Por lo tanto, generan mucho menos calor. Los cálculos muestran que, para la misma inducción en el entrehierro activo, la cantidad de cobre es de aproximadamente un tercio y el calor disipado es la mitad o menos. Además, el coste es más bajo, a pesar de que hay varias bobinas, porque son más pequeñas y tienen mucho menos cobre.

[0019] Los ventiladores de enfriamiento de aire 28 no necesitan necesariamente ser montados sólo en el rotor. Puede haber otro ventilador 21, con un diámetro mayor y más eficiente, montado en el exterior del protector magnético, pero dentro de la carcasa 27 de la máquina.

[0020] Esto permite que el calor generado sea expulsado rápidamente al exterior cuando se genera energía eléctrica. Esto es muy importante.

[0021] d). En los alternadores convencionales y de automoción, Fig. 4, la bobina o las bobinas de excitación 35, están en el rotor, que gira, lo que significa por lo tanto que se necesitan anillos y escobillas 36 para que les suministren la corriente de excitación eléctrica.

[0022] En la innovación no hay anillos, ni los cepillos ya que las bobinas de excitación son estáticas. Esto, también, reduce el coste.

[0023] e). El uso de imanes permanentes en lugar de bobinas de excitación es de gran valor, porque no hay cobre en la excitación, pero tiene el inconveniente de que los imanes permanentes en los motores tradicionales conocidos/generadores se colocan en el rotor. La regulación de voltaje se debe hacer a través del estator por medio complicado y costoso debido a que los imanes permanentes dan un flujo de inducción determinado y fijo y giran con el rotor.

[0024] f). Las turbinas de viento de imanes permanentes convencionales tienen una cierta puesta en marcha de par denominado "reluctancia", lo que les impide iniciar el funcionamiento a determinadas velocidades del viento, a pesar de que es suficiente para generar energía una vez iniciado en marcha.

[0025] La innovación propuesta resuelve estos dos problemas, e) y f), ya que el imán o los imanes de campo 10 no están en el rotor; son estáticos ya que están en el núcleo externo y el campo magnético que actúa sobre ellos se pueden ajustar a través de una bobina de alambre conductor de electricidad 13 envuelta alrededor de ellos o por medio de la combinación de imanes permanentes y electroimanes para regular y eliminar reluctancia. Esto se logra de la siguiente manera: véase la figura 2.

[0026] La polaridad magnética de los imanes permanentes 10 y los electroimanes 11 de trabajo en la misma dirección, por ejemplo, hacia la periferia del disco 8. Véase Fig. 2, la posición 30. Por lo tanto, se añade el flujo entre ellos y se va a través del núcleo externo 3 al estator y vuelve a través de los espacios de aire 5 y 4 a la parte central del núcleo externo, formado por un imán permanente 12 con la bobina 13 en ella, en el disco 8 y de éste a los electroimanes 11 con núcleos de hierro dulce y núcleos de imán permanente 10, completando así el circuito magnético. Sin embargo, si se elimina el suministro de los electroimanes de núcleo de hierro dulce 11, circula el flujo de los imanes a través de la corona circular del disco 8 y vuelve a través de la misma al polo opuesto del imán, y, por lo tanto, desaparecen la excitación y la reluctancia. Ver el circuito cerrado 31 en la figura 2.

[0027] Si sólo había imanes permanentes, 10 y 12, a medida que los arrollamientos 13 que se enrollan en ellos son excitados con una corriente inversa, que restan su propio flujo de la de los imanes hasta que se cancelan. Los arrollamientos 13 también se utilizan para restaurar el magnetismo de los imanes en el caso de que lo han perdido.

[0028] El uso de electroimanes combinados con imanes permanentes, con bobinas enrolladas en ellos, para producir el campo que se reivindica en esta patente, también pueden aplicarse a los motores/generadores en cuyo campo se instalan imanes permanentes en el rotor, Fig. 4, por lo que se propone asimismo como una reivindicación independiente.

[0029] En ambos casos, la forma descrita anteriormente permite la regulación muy simple y de bajo coste para llevarse a cabo, así como la eliminación de la dentadura o par de torsión de puesta en marcha causado por la presencia de los imanes permanentes. Esto es muy importante para las turbinas eólicas, especialmente aquellas con potencia de salida entre 3 y 8 kW.

[0030] g). Alternadores síncronos convencionales no pueden ser convertidos en motores asíncronos porque tienen el problema de que durante la puesta en marcha y, en menor medida, en funcionamiento normal, el campo de rotación del estator induce peligrosas corrientes en los bobinados del inductor, debido a que el circuito magnético se cierra a través de los polos del rotor donde se encuentran las bobinas inductoras. Ver Fig. 4.

[0031] Los motores/generadores con excitación por tecnología de transferencia magnética tienen un entrehierro secundario o pasivo 4, como se indica en la descripción, Fig. 1, en el que solamente hay flujo de la transmisión, sin variación de la misma. Esto significa que no hay corrientes inducidas, y un entrehierro activo 5, en el que la variación de flujo, así como la tensión inducida y la corriente, se produce cuando funciona como un motor/generador síncrono.

[0032] Cuando se opera como un motor hipo-asíncrono o motor/generador hiper-asíncrono, sólo el flujo de dispersión existente y el flujo de regulación pasan a través del entrehierro secundario 4. Se ha demostrado experimentalmente que este es muy pequeño.

[0033] Esto diferencia esencialmente la máquina reivindicada como un motor/generador síncrono y máquina asíncrona, a partir de alternadores síncronos tradicionales con jaula de ardilla o de puesta en marcha del rotor de la bobina, en donde los dos espacios de aire están activos. Esta diferencia es muy importante, como se explica a continuación:

El campo de rotación producido por el estator, suministrado por el voltaje polifásico apropiado y actual del sistema, produce una alta tensión inducida en las bobinas de excitación en alternadores síncronos convencionales, porque están en el rotor y se cruzan por este. Ver Fig. 4. Son peligrosos y se evitan mediante el uso de dispositivos conocidos y caros. En la disposición de la innovación para la excitación por transferencia magnética, las corrientes inducidas se cierran sobre el núcleo del rotor, sin afectar significativamente el devanado de excitación que no está en el rotor, pero en el núcleo externo. Ver Fig. 3, el circuito 32.

[0034] h). En el caso de los motores/generadores de imanes permanentes convencionales colocados en el rotor, la conversión a un motor asíncrono no es posible, ya que desimanta los imanes.

[0035] La innovación propuesta no tiene este problema porque los imanes no están en el rotor, pero en el núcleo externo donde no llega el flujo inducido por las bobinas del estator, enrollándose sobre el marcador del rotor como en una máquina asíncrona convencional. Ver Fig. 3, el circuito 32.

Dibujos

[0036]

Fig. 1 Sección transversal del alternador innovado, con las bobinas y los imanes permanentes en el disco, en el armazón axial externo y el núcleo axial central.

Fig. 2.- Disposición de imanes y electroimanes y bobinas de regulación y anti-desplazamiento en el disco. Fig. 3.- Flujo en el alternador innovado.

Fig. 4.- Flujo en el alternador convencional.

Descripción de una forma de realización

[0037] A continuación se muestra una descripción de una forma de realización de la tecnología contenida en la explicación y en las reivindicaciones, sin que ello implique ninguna restricción sobre el alcance de la patente.

[0038] La máquina tiene un escudo frontal de aluminio 22 que aloja el rodamiento frontal 23, para el eje 24 de la máquina, que gira a su otro extremo en otro rodamiento 25 cuyo apoyo 26 se mantiene en el disco 8 del núcleo magnético externo 3 para garantizar los espacios de aire 4 y 5. Una cubierta exterior de aluminio 27 cierra el armazón de protección, que contiene el ventilador principal 21. Hay otros dos ventiladores internos, 28.

[0039] La Figura 3 muestra la sección transversal de un motor/generador innovado síncrono provisto de una jaula de ardilla 18, con el canal de ventilación 19 para convertirlo en una máquina asíncrona.

[0040] El estator 1 está unido por contacto mecánico con el núcleo externo 3, que a su vez se enfrenta al rotor 2 a través del hueco secundario o pasivo de aire 4.

[0041] Las bobinas de campo 11 y los imanes permanentes 10 se insertan en el circuito magnético 29, con sus polaridades del mismo mirando en la misma dirección que el campo, 30, Fig. 2. El imán central permanente 12 es atravesado por el flujo total transmitido a través del entrehierro pasivo al rotor 2.

[0042] Los polos 16 del rotor 2 se orientan a los polos 14 del estator, a través del entrehierro activo 5. Véase Fig. 3.

[0043] En la figura 2, se representan los electroimanes 11 y los imanes de excitación permanentes 10 situados en el disco 8, no los montados en la parte axial exterior 6. El funcionamiento es el mismo.

[0044] El electroimán 12 está situado en la zona central rodeada por una bobina 13, de la misma forma en que están los otros imanes permanentes 10 situados en el disco 8.

[0045] La trayectoria de flujo magnético en la Fig. 1, marcada con una línea cerrada 29, que, a partir de los electroimanes o los imanes permanentes, continúa a través del disco 8, se dirige sobre el núcleo axial 6, axial y radialmente cruza el estator portero 1, pasa de este último a los polos de rotor 2, a través del entrehierro activo 5; desde el rotor 2 que pasa a través del entrehierros pasivo 4 al imán central permanente 12; desde allí, por el contacto mecánico, en el disco 8 y vuelve a los electroimanes o imanes permanentes 10 y 11.

[0046] Hay varias formas de operar como un motor/generador síncrono:

a) Con excitación por medio de electroimanes. Ventajas: menor contenido de Cu, menor calor óhmico en el rotor y el estator, regulación de voltaje convencional.

b) Con excitación simplemente por medio de imanes permanentes. Ventajas: coste de fabricación muy bajo. La regulación se reivindica y preservación del magnetismo: cada imán permanente tiene una bobina 13 envuelta alrededor de él, a través de cuya alimentación, con la corriente apropiada, el flujo de imán puede ser cancelado y el valor del mismo ajustado, o el magnetismo del mismo puede ser restaurado.

c) Con excitación mixta, por medio de electroimanes e imanes permanentes. Ventajas: menor contenido de cobre y menos calor en la excitación que a). Sin desplazamiento, regulación fácil y económica de la excitación. d) Con excitación por medio de sólo el imán permanente central. Solución de muy bajo coste, típica de los aerogeneradores de baja potencia.

[0047] Todos estos diseños tienen la ventaja de ser capaces de ser transformados en topologías de una máquina asíncrona mediante la adición de una jaula de ardilla 18 en el rotor.

[0048] Los electroimanes diseñados apropiadamente son equivalentes a un imán permanente, ambos con igual polaridad frente a, por ejemplo, hacia la periferia del disco 8, ver Fig. 2, la posición 30; crean el campo magnético total, y la inducción B en el entrehierro activo 5, donde se produce la variación de flujo que genera la tensión en los devanados del estator.

[0049] A medida que la excitación se elimina de los electroimanes, el flujo de los imanes permanentes se cierra sobre sí mismo, se elimina el desplazamiento y el voltaje es fácilmente regulado y a un bajo coste. Este juego de campos magnéticos se representa en la figura 2, en el disco 8, la posición 31.

[0050] Esto requiere que el número de electroimanes e imanes permanentes sea el mismo.

[0051] El coste de varias bobinas de excitación con los núcleos de las mismas es menor que el de la bobina central única utilizada por alternadores automotrices porque tiene mucho menos cobre, al ser el diámetro de los núcleos mucho menor. Un simple cálculo demuestra esto.

[0052] Con respecto a los polos o proyecciones de los guardianes de material magnético apropiado, por ejemplo, una hoja magnética delgada para reducir las pérdidas por histéresis, las figuras 3 y 4 muestran la diferencia entre un alternador convencional y el alternador innovado.

[0053] En el alternador innovado, Fig. 3, la anchura de los polos del estator 14 y el rotor 16 son iguales, medidos en el entrehierros, mientras que las ranuras correspondientes, 15 del estator y 17 del rotor, pueden ser iguales a la anchura de los polos o hasta en un 25 por ciento más para modificar la forma de la forma de onda de voltaje. Son iguales en la figura 3.

[0054] La figura 3 muestra las líneas de flujo cuando la máquina innovada opera como un circuito asíncrono, 32. Las líneas de fuerza del campo magnético giratorio creado en el estator por una corriente polifásica, por ejemplo, trifásica, están cerradas en el núcleo del rotor debido a que la longitud del circuito magnético es más pequeña y tiene menos reticencia que el circuito de la figura 2, la posición 30 (parcial) y 29 en la figura 1.

[0055] El rotor de una máquina síncrona convencional con imanes permanentes, Fig. 4, tiene el imán o los imanes de campo 37 en los polos de los mismos. En la innovación propuesta, los imanes permanentes tienen una bobina enrollada alrededor de cada uno de ellos, a través de la que el campo magnético resultante puede variarse, para regular la tensión, evitar el desplazamiento y restaurar el magnetismo si se ha perdido.

[0056] El mismo efecto se logra mediante la combinación de imanes permanentes y electroimanes de una manera similar a la explicada anteriormente para la excitación montada en el disco 8 de la figura 2, posición 31.

Claims (4)

REIVINDICACIONES

1. Un motor/generador eléctrico excitado por transferencia magnética, que comprende un estator (1) con las proyecciones y un rotor (2), en el que los marcadores hechos de material conductor magnético de un estator (1) y el rotor (2), que gira dentro del estator (1), están comunicados por un núcleo externo (3) de material conductor magnético, que difiere de ambos y es estacionario con respecto a ellos, el núcleo externo (3) unido al marcador del estator (1) por contacto directo, y para el marcador del rotor (2) por medio de un entrehierros secundario (4); dicho rotor (2) se enfrenta al estator (1) a través del entrehierros activo (5),

el núcleo externo mencionado (3) tiene una parte axial exterior, que está unida directamente al marcador del estator (1), que se refiere como armazón axial (6), una parte interior, denominada núcleo central (7), que se comunica con el marcador del rotor (2) a través del entrehierros secundario (4) y una tercera parte, que se encuentra entre la parte axial exterior y la parte interior, y se une a ellas, lo que se conoce como disco (8); las partes del núcleo externo (3) se hacen de material conductor magnético con poca o ninguna remanencia magnética, tal como hierro dulce y hojas de laminación delgadas de acero magnético,

el rotor (2) no tiene ninguna bobina de excitación,

el marcador del estator (1) soporta un devanado polifásico (9) o bobinas individuales en cada proyección, caracterizado porque

el núcleo externo (3) tiene una sección transversal en forma de anillo completo del armazón axial (6) y una corona circular completa del disco (8), formada por imanes permanentes (10) y por electroimanes (11), y ventanas de ventilación (20), entre cada dos de ellos y una sección del núcleo central (7) sustituida o formada por un imán axial permanente (12), en el que los imanes permanentes (10) están rodeados por el electroimán (11) y el imán permanente axial (12) están cada uno rodeados por una bobina (13), de los que son el núcleo magnético correspondiente, ambos electroimanes forman con un núcleo de imán permanente.

2. El motor/generador eléctrico según la reivindicación 1, en el que la anchura de los polos del estator (14) y los polos del rotor (16) son iguales, mientras que las ranuras del estator (15) y las ranuras de rotor (17) son iguales o hasta 25 por ciento más grandes que la anchura de los polos (14, 16) y están distribuidos a distancias iguales los unos de los otros.

3. El motor/generador eléctrico excitado por transferencia magnética de acuerdo con las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque el rotor (2) está provisto de una bobina de jaula de ardilla.

4. El motor/generador eléctrico según la reivindicación 3, en el que las hojas de jaula de ardilla de un espacio libre o de conductos de ventilación (19) en cada ranura del rotor, el cual hace cruzar el marcador de un lado al otro.