ES2223648T3 - Motor/generador con reluctancia de excitacion y bobina en el entrehierro. - Google Patents
Motor/generador con reluctancia de excitacion y bobina en el entrehierro.Info
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Abstract
Máquina eléctrica que forma motor o generador que comprende una parte fija y una parte móvil, en la cual una de las partes fija y móvil (4, 12, 8, 9; 34, 36, 41, 42; 50, 56, 58; 98, 99, 100) es pasiva y comprende dos piezas (8, 9; 41, 42; 53, 54; 98, 99) que definen entre ellas un intervalo regular (12; 40; 60; 101), estando dichas piezas unidas entre ellas por medio de una pieza de enlace (3; 43; 52; 100) y la otra de dichas partes fija y móvil comprende un bobinado de inducido (13; 36; 58; 102) polifásico que genera un campo magnético variable, así como un bobinado inductor centralizado (14; 38; 62; 114) alimentado por una corriente continua, estando dichos bobinados de inducido e inductor dispuestos en un entrehierro definido por el intervalo regular (12; 40; 60; 101), definiendo las dos piezas (8, 9; 41, 42; 53, 54; 98, 99) un intervalo regular y siendo la pieza de enlace (3; 43; 52; 100) de material ferromagnético, estando todas las piezas ferromagnéticas de la máquina situadas sobre aquella de las partes fija y móvil que comprende las dos piezas (8, 9; 41, 42; 53, 54; 98, 99) que definen dicho intervalo regular, y por lo menos una de dichas pieza de material ferromagnético (8, 9; 41, 42; 53, 54; 98, 99) que define dicho intervalo regular está provista de aberturas (10a; 41b, 42b; 41c, 42c; 53b, 54b; 53c, 54c; 100a).
Description
Motor/generador con reluctancia de excitación y
bobina en el entrehierro.
La presente invención se refiere a las máquinas
giratorias y más concretamente a las máquinas de reluctancia
excitadas.
En el marco del almacenamiento electromecánico de
energía, las máquinas eléctricas que realizan la función de motor y
de generador son generalmente estructuras clásicas (síncronas con
imanes permanentes o asíncronas).
La asociación de la función de almacenamiento
propiamente dicha, asegurada por un volante de inercia, con la
función motor/generador es efectuada de dos maneras:
- -
- "desacoplada" donde el motor/generador corresponde a un componente simplemente añadido de topología clásica;
- -
- "integrada" donde la máquina forma parte del volante de inercia. En este caso, las máquinas utilizadas también son de concepción relativamente clásica.
En relación a las topologías utilizadas, éstas
pueden ser las siguientes:
- -
- máquina síncrona de reluctancia variable pura, de campo magnético radial y bobinado en el entrehierro cuyo guiado es asegurado por rodamientos de bolas asistidos por cojinetes magnéticos (por ejemplo de sistema "Active Power");
- -
- máquina síncrona de imanes permanentes de campo radial o axial y de bobinado en el entrehierro o de bobinado en muescas (diversas arquitecturas);
- -
- máquina asíncrona de bobinado en muescas y de rotor masivo (por ejemplo de sistema "Japanese Flywheel").
Estas topologías no comprenden excitación
regulable y ciertas piezas ferromagnéticas son fijas. Por lo tanto,
estas topologías presentan tres inconvenientes mayores:
- -
- la existencia de pérdidas en funcionamiento en vacío (funcionamiento de almacenamiento) que tienen como consecuencia una autodescarga sensible (salvo para la máquina asíncrona y la máquina de reluctancia variable pura);
- -
- una baja flexibilidad de regulación de los intercambios de energía por medio de la regulación de la corriente inductora;
- -
- un mal rendimiento a baja carga.
La invención trata de crear un motor/generador
electromagnético para el almacenamiento electromecánico de la
energía eléctrica de muy alto rendimiento en particular con baja
autodescarga, que sea integrable en un volante de inercia.
A este efecto, la máquina debe responder
simultáneamente a los criterios siguientes:
- -
- pequeñas pérdidas en funcionamiento en vacío, es decir sin corriente, lo que debe traducirse en una ausencia de pérdidas magnéticas en el hierro y en el bobinado y muy pocas pérdidas mecánicas,
- -
- ninguna pérdida en el rotor a pesar de las altas velocidades de rotación (velocidad periférica próxima a la del volante de inercia),
- -
- ninguna perturbación de los cojinetes magnéticos por fuerzas parásitas,
- -
- regulación independiente del flujo inductor para un mejor control de los intercambios de energía y un mejor factor de potencia (potencia aparente mínima del convertidor electrónico asociado),
- -
- buena integración en un volante de inercia.
El documento
FR-A-1 445 327 divulga un generador
de corriente alterna que comprende un cuerpo, un árbol montado
rotativo en dicho cuerpo, un núcleo de estator anular montado en el
cuerpo y destinado a sostener varios arrollamientos de estator a
partir de los cuales, en funcionamiento, se obtiene la corriente
alterna de salida del generador, dos piezas polares con forma de
discos montados sobre el árbol y espaciados axialmente a lo largo de
éste a fin de realizar, con los extremos del estator
respectivamente, un espacio de paso, estando dichas piezas polares
formadas para definir varias cabezas polares igualmente espaciadas
angularmente, y un bobinado de campo anular que rodea el árbol a una
cierta distancia de éste, estando dicho bobinado dispuesto para ser
alimentado, en funcionamiento, con una corriente alterna, siendo la
disposición del tipo que, cuando dicho bobinado de campo es excitado
y el árbol es arrastrado en rotación, dichos arrollamientos están
sometidos a un flujo magnético variable pero unidireccional
induciendo así con estos arrollamientos una corriente alterna.
Por lo tanto, la invención tiene por objeto una
máquina eléctrica que forma un motor o generador de acuerdo con la
reivindicación 1.
Otras características son indicadas en las
reivindicaciones dependientes.
La invención será comprendida mejor con la
lectura de la descripción siguiente, dada únicamente a título de
ejemplo y hecha en referencia a los dibujos anexos, en los
cuales:
- la figura 1 es una vista en alzado y en sección
de la máquina eléctrica asociada a su volante de inercia según la
invención;
- la figura 2 es una vista de planta, con un
arrancamiento parcial de la máquina de la figura 1;
- la figura 3 es una vista esquemática del
bobinado de inducido de la máquina según la invención;
- la figura 4 es una vista esquemática en
desarrollo lineal de una estructura elemental de la máquina según
la invención;
- la figura 5 es un diagrama que muestra la
variación del flujo inductor abrazado por dos espiras de la
estructura de la figura 4 en función de la posición del rotor de la
máquina según la invención;
- las figuras 6a y 6b son diagramas que
representan los ciclos de conversión de energía de la máquina según
la invención en dos casos de alimentación en corriente de un
inducido sinusoidal o cuadrada;
- la figura 7 es un diagrama que muestra las
permeancias P1 y P2 vistas respectivamente por las dos espiras de la
estructura de la figura 4 en función de la posición del rotor;
- la figura 8 es una vista en alzado y en sección
de una máquina según la invención de forma general cilíndrica;
- la figura 9 es una vista en sección transversal
de la máquina de la figura 8;
- la figura 10 es una semivista en alzado y en
sección de una variante de la máquina de la figura 8;
- la figura 11 es una vista esquemática en
desarrollo de la máquina de la figura 10;
- la figura 12 es una vista esquemática en
perspectiva de una máquina eléctrica lineal según la invención;
- la figura 13 es una vista esquemática que
muestra la circulación de la corriente en la máquina de la figura
12;
- la figura 14 es una vista esquemática en
sección transversal de una variante de la máquina eléctrica lineal
de la figura 12;
- la figura 15 es una vista esquemática en
perspectiva en despiece que muestra un modo de realización
particular de un bobinado plano utilizable en la máquina de la
figura 1;
- la figura 16 es una vista parcial de la figura
15 que muestra la estructura del bobinado plano de la figura 15;
- la figura 17 es una vista parcial en sección de
una máquina eléctrica análoga a la de la figura 1 pero con un
bobinado plano que emplea la disposición de la figura 15;
- la figura 18 es un gráfico que muestra la
determinación de la anchura de los conductores situados en la parte
activa de un bobinado como el de la figura 16;
y
y
- la figura 19 es un gráfico que muestra el
rendimiento de la fuerza magnetomotriz optimizada, y con la forma
más sinusoidal posible gracias a la determinación gráfica de la
anchura de los conductores de la figura 18.
La máquina representada en la figura 1 comprende
una caja 1 formada por un primer platillo 2 que soporta un cojinete
inferior 2a para la rotación de un árbol 3 y sobre el que se monta
un tubo 4 que define la pared lateral de la caja 1 y un segundo
platillo 5 que forma una cubierta y que soporta un cojinete superior
5a.
En el árbol 3 se montan dos discos dentados 8, 9,
cada uno de los cuales comprende cuatro dientes 10 (figura 2)
separados por dos escotaduras 10a.
El disco inferior 8 es solidario con un volante
de inercia 11 que en este ejemplo es de forma cilíndrica.
En el espacio 12 dispuesto entre los discos 8, 9
se dispone un bobinado de inducido plano repartido 13 que rodea un
bobinado inductor global 14 con forma de solenoide.
El bobinado inductor 14 está dispuesto entre los
dos discos dentados 8, 9, a fin de rodear el árbol 3, con un juego
mecánico 15.
El bobinado de inducido 13 está formado por
espirasdesplazadas angularmente y repartidas regularmente.
Tal como se observa en la figura 1, las tres
fases P1, P2 y P3 del bobinado de inducido 13 están dispuestas según
tres planos superpuestos los unos sobre los otros.
Igualmente éstas pueden estar dispuestas en un
mismo plano.
El bobinado de inducido está compuesto por un
bobinado polifásico fijo, trifásico en el presente ejemplo.
El bobinado dado a título de ejemplo en la figura
3 es un bobinado para motor/generador de cuatro pares de polos.
En esta figura se observan las tres fases P1, P2
y P3 del bobinado repartidas uniformemente en su periferia.
El principio de funcionamiento de la máquina
según la invención se basa en la conmutación de flujos.
La alternancia de flujos de excitación vista por
una fase del bobinado de inducido fijo es obtenida a partir de una
excitación por corriente continua y por el desplazamiento del
circuito reluctante puro.
A fin de ilustrar este funcionamiento, se va a
considerar una estructura elemental representativa que se muestra en
la figura 4 compuesta por dientes magnéticos 20, por muescas 21 y
por espiras elementales 22, 23.
El entrehierro magnético 12 determinado por el
juego mecánico entre los dientes magnéticos 20 aumentado en la
altura de las espiras 22, 23, es magnetizado en vacío por un
bobinado de excitación que, en la figura 4, se representa en la
diferencia de potencial ddp magnético en los bornes de los dos
rotores dentados 8, 9 (figura 1).
La variación del flujo inductor en las espiras 22
y 23 se representa en la figura 5.
De este modo, el flujo inductor total visto por
las dos espiras en serie de la disposición de la figura 4, que
forman el bobinado de inducido correspondiente a la diferencia de
los flujos de las dos espiras,
FLUJO = FLUJO1
-
FLUJO2
Es alterno con componente medio nulo.
A partir de esta variación del flujo inductor
total, se pueden representar las características extremas del ciclo
de funcionamiento del dispositivo en el plano "flujo -
amperios-vueltas".
De este modo, se obtiene la forma de las figuras
6a y 6b, y la figura 6a representa la corriente de inducido de
alimentación de una fase (sinusoidal o cuadrada) sincronizada con la
fuerza electromotriz de esta misma fase, y la figura 6b muestra la
variación del flujo en función de los
amperios-vueltas. El área del ciclo así descrito es
igual a la energía convertida por período de alimentación.
En lo concerniente al efecto de reluctancia
variable, se puede mostrar que esta última es despreciable en esta
estructura.
En efecto, en la figura 7, se ha representado la
variación de las permeancias de cada espira elemental presentada
anteriormente, así como la permeancia total que representa la
permeancia de una fase del bobinado de inducido y es igual a la suma
de las permeancias elementales.
Para un reparto sinusoidal, en función de la
posición del rotor, de las permeancias elementales, la permeancia
total es constante.
Para un reparto diferente, es poco variable como
se ilustra en la figura 7 y como se ha podido constatar por cálculo
por elementos finitos y durante la experimentación.
Sin embargo, se observa que si la permeancia
total de una fase no es constante y por lo tanto dependiente de la
posición del rotor, existe un par suplementario llamado reluctante
resultante de un acoplamiento del campo magnético inducido con el
circuito magnético.
La estructura de motor/generador según la
invención combina cuatro aspectos fundamentales, a saber:
- -
- rotor pasivo que no comprende ni imán ni bobinado, y por lo tanto muy robusto mecánicamente, y que soporta altas velocidades de rotación,
- -
- ausencia de esfuerzos parásitos, haciendo así el sistema compatible con los cojinetes magnéticos,
- -
- regulación independiente del flujo inductor,
- -
- todas las piezas ferromagnéticas son giratorias y por lo tanto ven un campo magnético constante, como consecuencia de lo cual las pérdidas en el hierro son nulas.
Gracias a la invención, es posible alargar
sensiblemente la duración de almacenamiento de energía y obtener
como consecuencia un almacenamiento electromecánico de muy gran
autonomía.
El coste del dispositivo según la invención es
igualmente muy bajo por su gran simplicidad de construcción y la
utilización de materiales poco cos-
tosos.
tosos.
Por otra parte, el dispositivo según la invención
presenta las particularidades siguientes:
- -
- muy pocas pérdidas en vacío, por la ausencia de pérdidas magnéticas en vacío y únicamente pérdidas aerodinámicas (no obstante éstas son aquí muy reducidas si la presión es baja gracias a un vacío parcial),
- -
- facilidad de estanqueidad,
- -
- regulación independiente de la excitación, lo que da un grado de libertad suplementario en la regulación de la transferencia de energía,
- -
- esfuerzos parásitos axiales o radiales despreciables entre las partes móviles y las partes fijas,
- -
- las vibraciones son despreciables,
- -
- excelente compatibilidad con los cojinetes magnéticos,
- -
- integración sencilla de cojinetes magnéticos,
- -
- topología entera o parcialmente integrable en un volante de inercia.
Los campos de aplicación del dispositivo según la
invención se refieren al almacenamiento electromecánico de energía
eléctrica para:
- -
- consumidores no conectados a la red de distribución y alimentados por energías renovables como la energía fotovoltaica, eólica, u otra;
- -
- consumidores unidos a la red de distribución a fin de asegurar un alisado del consumo, asegurar una autonomía en caso de corte y una posibilidad de producción de electricidad por medio de fuentes de energía renovables.
La invención permite disponer de un dispositivo
de almacenamiento de gran número de ciclos de
carga-descarga de una autodescarga muy baja,
permitir un reciclado del producto sencillo al final de su vida y
finalmente un producto de construcción relativamente simple
compuesto por materiales poco costosos como el acero, el cobre u
otro.
La máquina representada en la figura 8 es una
variante de la máquina descrita en referencia a las figuras 1 a
4.
Ésta comprende un árbol hueco 30 montado en
rotación por medio de un rodamiento 32 en un platillo fijo 34 de
material no magnético provisto de un bobinado de inducido polifásico
36 cuyas tres fases P1, P2, P3 están realizadas según tres cilindros
coaxiales que rodean el árbol 30.
En el extremo del bobinado de inducido 36 opuesto
al platillo no magnético 34 está dispuesto un bobinado inductor
fijo 38.
Los bobinados de inducido e inductores 36, 38
están dispuestos en el entrehierro definido por un intervalo 40
dispuesto entre dos cilindros de material ferromagnético coaxiales,
dentados 41, 42 y móviles en rotación con el árbol 30, unidos por
medio de un platillo 43 de material ferromagnético.
El cilindro dentado 41 y el platillo 43 están
situados en el árbol 30. Según una variante, el cilindro interior 43
puede ser confundido con el árbol 30 que entonces es de material
magnético.
Los cilindros dentados 41 y 42 comprenden dientes
respectivos 41a, 42a que, como se representa en la figura 9 se
encuentran en el número de tres en el presente ejemplo y está
separados por muescas respectivas 41b, 42b.
El árbol 30, los cilindros 41, 42 y el platillo
43 forman el rotor de la máquina.
Los bobinados de inducido 36 e inductor 38
situados en el soporte no magnético 34 forman el estator de la
máquina.
La máquina representada en la figura 10 es
parecida a la descrita en referencia a las figuras 8 y 9 con la
excepción del hecho de que en lugar de comprender dientes y muescas,
sus cilindros 41, 42 comprenden orificios 41c, 42c repartidos
regularmente en su periferia. La función de los orificios 41c, 42c
es la misma que la de las muescas 41b, 42b en el modo de realización
de la figura 8.
Esta variante de la máquina según la invención
está adaptada para recibir un elemento cilíndrico hueco de
almacenamiento de energía 44 compuesto de material de alta
resistencia (ARM) del tipo metal de ARM o fibras de carbono o
incluso fibras de vidrio.
En la figura 11, se ha representado una vista en
desarrollo de la máquina de la figura 10.
En esta figura se observa la circulación de las
corrientes de inducido i1, i2, i3 en las tres fases P1, P2, P3 del
bobinado de inducido desplazas entre ellas a intervalos
regulares.
La figura 12 es una vista esquemática en
perspectiva de una máquina lineal según la invención.
Esta máquina comprende un raíl 50 de material
ferromagnético formado por ejemplo por una zapata horizontal 52 y
por dos placas laterales verticales 53, 54 provistas de dientes 53a,
54a separadas por muescas 53b, 54b.
Suponiendo para la necesidad de la descripción
que el raíl 50 es fijo, la máquina comprende además un soporte no
magnético móvil 56 horizontal provisto de un bobinado de inducido
vertical 58 que se extiende en un entrehierro 60 dispuesto en el
intervalo entre las placas laterales 53, 54 del raíl 50 y al que se
asocia un bobinado inducido 62.
El bobinado de inducido 58 es polifásico,
trifásico en el presente ejemplo y como se representa en la figura
13, rodeado por el bobinado inductor.
El conjunto formado por el soporte no magnético
56, el bobinado de inducido 58 y el bobinado inductor es móvil en
traslación con respecto al raíl 50.
Sin embargo, se puede plantear una máquina cuyo
bobinado de inducido, y el bobinado inductor solidarios con su
soporte serían fijos y cuyo raíl de material ferromagnético sería
móvil.
Tal como se observa en la figura 13, las
corrientes i1, i2, i3 de las tres fases P1, P2, P3 del inducido se
comportan en la máquina lineal de la figura 12 del mismo modo que en
la máquina giratoria de las figuras 8 ó 10.
La máquina representada esquemáticamente en la
figura 14 es en todos los puntos parecida a la máquina lineal
descrita en referencia a las figuras 12 y 13 con la excepción del
hecho de que en lugar de comprender dientes y muescas como la
máquina de la figura 12, comprende en las placas ferromagnéticas
laterales 53, 54 orificios 53b, 54b dispuestos a intervalos
regulares.
De este modo, la invención se aplica tanto a
máquinas de campo axial con topología disciforme como la utilizada
para el almacenamiento de energía, como a máquinas de campo
magnético radial, del tipo cilíndrico, o de campo transversal como
las máquinas de desplazamiento lineal.
En estas máquinas, todas las piezas
ferromagnéticas ven un campo magnético constante.
En las máquinas distintas de las de
desplazamiento lineal, los bobinados de inducido e inductor son
fijos.
Los bobinados de inducido e inductor se
encuentran en el entrehierro definido en el espacio entre los
elementos ferromagnéticos formados por los discos ferromagnéticos
para la máquina disciforme, los cilindros ferromagnéticos para la
máquina cilíndrica y las placas ferromagnéticas para la máquina
lineal.
El flujo inductor de la máquina es regulable.
El bobinado de inducido es polifásico y genera un
campo giratorio en una máquina giratoria o un campo deslizante en
una máquina lineal.
El bobinado inductor está centralizado y
alimentado por una corriente continua.
El bobinado de inducido es una pieza maestra de
la máquina según la invención.
Éste condiciona el rendimiento de la fuerza
magnetomotriz creada por el inducido y el rendimiento de la fuerza
electromotriz inducida por el inductor.
Por lo tanto, las pérdidas dependen, en una gran
parte, del tipo y de la forma del bobinado escogido.
Un bobinado en el hierro presentaría un nivel de
pérdidas de origen magnético excesivo a las velocidades requeridas
para el almacenamiento electromecánico de energía.
La máquina, motor/generador según la invención
utiliza un bobinado de soporte no magnético.
La solución de bobinado alámbrico como el de la
máquina de la figura 1, plantea para la máquina considerada llamada
accionador, el problema del tamaño debido al solapamiento de las
cabezas de bobinas interiores.
Una solución de este tipo conduce a una
infrautilización del volumen del entrehierro.
A fin de evitar este problema de solapamiento, se
propone repartir los bobinados inductores y de inducido sobre una
misma placa de material aislante como epoxy que asegura también la
rigidez mecánica utilizando por ejemplo un procedimiento de
grabación de circuitos impresos.
El bobinado plano representado en la figura 15
comprende una placa con forma de disco 64 de material aislante como
el epoxy provista de un orificio central 66 para el paso de una
pieza de unión de dos discos dentados como los discos magnéticos 8,
9 de la máquina de la figura 1.
En una primera cara 68 de la placa 64 se realiza,
por ejemplo, por un procedimiento de grabación de circuitos
impresos, una primera parte 70 de un bobinado de inducido cuyos
diversos polos 72 están dispuestos en plano sobre la placa 64 y
repartidos a intervalos angulares regulares sobre dicha placa.
En una segunda cara 74 de la placa 64 se ha
realizado por el mismo procedimiento, una segunda parte 76 del
bobinado de inducido cuyos polos 78 están dispuestos generalmente en
plano sobre la placa 64 con la misma separación angular que la de
los polos 72 de la primera parte 70 del bobinado de inducido.
Cada uno de los polos 72, 78 de una cara del
conjunto o galleta así obtenido es bobinado en sentido inverso de
dos polos adyacentes, lo que crea una alternancia de polos
magnéticos.
Los polos 72, 78 creados por las dos caras de la
galleta se superponen. Por lo tanto, son bobinados en el mismo
sentido.
Además, las conexiones interiores de los polos 72
de una cara 68 que están materializadas por los bornes 79 están
unidas a las conexiones o bornes interiores 80 de los polos 78
correspondientes de la otra cara 74 a través de orificios pasantes
81 practicados en la placa 64 de material aislante y dispuestos en
la periferia de ésta frente a los bornes 79, 80 de los polos 72, 78
de las dos partes 70, 76 del bobinado de inducido.
El número de polos 72, 76 de una galleta es igual
al doble del número de dientes de un disco rotórico del tipo de los
discos 8, 9 de la máquina de la figura 1.
El bobinado de inducido constituido de ese modo
comprende dos bornes exteriores 82 unidos a dos polos 72 vecinos de
la primera parte 70. Cada una de las partes 70 y 76 del bobinado de
inducido tiene una configuración circular y comprende una zona
central en la cual es realizada por la misma técnica de grabación de
circuitos impresos, una parte 83, 84 de bobinado inductor.
Cada parte 83, 84 de bobinado inductor comprende
un borne exterior 86, 88 y un borne interior 90, 92. Los bornes
interiores 90, 92 están conectados entre ellos a través de un
orificio pasante 94 practicado a tal efecto en la placa aislante
64.
Como se representa en la vista parcial de la
figura 16, en la cual se ve un ejemplo de una cara de una galleta
como la de la figura 15, un polo como un polo 72 del bobinado de
inducido está formado por un conductor impreso arrollado en plano
que comprende porciones periféricas internas 93 y externas 94 de
sección constante y de porciones radiales 95 de sección variable que
se estrechan desde la periferia hacia el centro.
Además, las anchuras de las porciones 95 del
conductor impreso radiales o transversales al desplazamiento
relativo entre la parte fija y la parte móvil de la máquina,
disminuyen a partir del centro de un polo hacia sus bordes.
Un reparto optimizado de este tipo de los
conductores permite obtener una fuerza magnetomotriz lo más
sinusoidal posible.
Sin embargo, se pueden plantear otros criterios
de optimización.
La forma de la fuerza magnetomotriz que se desea
obtener condiciona la sección de cada uno de los conductores
situados en la parte activa, es decir, la parte situada bajo la zona
dentada de los discos rotóricos. La determinación de esta sección,
para un radio dado, puede ser efectuada a partir de un simple
análisis gráfico.
Para una fuerza magnetomotriz (fmm) de forma
deseada, como la representada en trazo punteado en la figura 18 y
para un espesor de pista constante, la anchura de cada pista es
obtenida de la forma siguiente:
- i.
- la intersección de la curva que representa la fuerza magnetomotriz deseada con los niveles enteros de los amperios vueltas, determina el valor \Delta\theta_{k},
- ii.
- la anchura de la k^{ésima} pista, indicada como \Delta\theta_{pista \ k}, es obtenida restando de \Delta\theta_{k} el valor de la separación \Delta\theta_{i}, correspondiente a la separación necesaria para el aislamiento eléctrico entre dos pistas.
\Delta\theta_{pista \ k} =
\Delta\theta_{k} -
\Delta\theta_{i}
A título de ejemplo, la figura 18 muestra, en el
caso de las máquinas giratorias, como obtener la sección de los
conductores que forman un polo en el caso en que cada polo comprende
tres espiras y la fuerza magnetomotriz deseada es triangular. La
parte alta de la figura representa físicamente una cara del bobinado
visto en sección y para un radio dado.
En este ejemplo, los conductores 95 realizados
bajo la forma de pistas de cobre están dispuestos en la superficie
de una placa no magnética 64 de epoxy por ejemplo, con un paso
angular \Delta\theta_{i} constante, necesario para el
aislamiento eléctrico entre pistas.
En este ejemplo preciso, la anchura de pistas
obtenida es constante.
En el caso en el que la fuerza magnetomotriz es
no triangular, la anchura de las pistas variables es determinada a
partir del método descrito anteriormente. De este modo, el reparto
de los conductores del motor/generador considerado, del que una cara
de una galleta está representada en la figura 16, ha sido optimizado
para obtener, a partir de 13 espiras por polo y por fase, una fuerza
magnetomotriz representada en la figura 19 más sinusoidal
posible.
La figura 17 es una vista parcial en sección a
mayor escala de una máquina análoga a la de la figura 1.
En la figura 17 se observa el árbol 96 provisto
de dos discos dentados 98, 99 solidarios con un cubo 100 chaveteado
en el árbol y provistos de aberturas 100a.
En el espacio 101 practicado entre los discos
dentados 98 y 99 está dispuesto un bobinado de inducido trifásico
102 cada una de cuyas tres fases P_{1}, P_{2}, P_{3} está
formada por varias galletas 104a, 104b, 104c respectivas como la
descrita en referencia a la figura 15, apiladas unas sobre las otras
con la interposición entre las galletas 104a, 104b, 104c de una capa
106 de aislante eléctrico.
En la figura 17, sólo las galletas externas de
cada apilamiento de las fases P1, P2, P3 están representadas.
Por supuesto, el bobinado puede no comprender más
que una galleta por fase.
En el caso de una máquina monofásica, comprende
por lo menos una galleta del tipo citado.
Cada una de las galletas 104a, 104b, 104c de cada
fase P1, P2, P3 comprende un bobinado de inducido 70, 76 y un
bobinado inductor 83, 84, cada uno de ellos formado por dos partes
impresas sobre las dos caras de un disco 64 de material aislante
del modo descrito en referencia a la figura 15.
Las dos partes 70, 76 de cada bobinado de
inducido están conectadas entre ellas por medio de conductores
pasantes 108. Los bobinados de inducido de las galletas 104a que
forman una misma fase P1 están conectadas las unas a las otras en
serie por medio de conductores 110a.
Igualmente, los bobinados de inducido de las
galletas 104b y 104c que forman respectivamente las fases P2 y P3
están conectados los unos a los otros a través de conductores 110b y
110c.
Los bobinados inductores 83, 84 del conjunto de
galletas 104a a 104c que forman las tres fases, están conectados en
serie por medio de conductores 112 y constituyen un bobinado
inductor centralizado 114.
El número de galletas de circuito impreso
utilizadas para realizar las fases P1, P2, P3 es escogido a fin de
que el bobinado obtenido ocupe un volumen máximo entre los discos
dentados 98, 99.
Gracias a la utilización y al apilamiento de
varios circuitos impresos de doble cara del tipo descrito en
referencia a la figura 15, se evita el solapamiento de las cabezas
de bobinas.
En el caso de una máquina trifásica según el
desplazamiento, las fases P1, P2, P3 están desplazadas entreellas
por un valor correspondiente a dos tercios de polo del tipo de uno
de los polos 72 del bobinado de la figura 15.
El tipo de bobinado que acaba de ser descrito en
referencia a las figuras 15 a 17 es directamente aplicable por
simple desarrollo a las máquinas lineales como las descritas en
referencia a las figuras 11 a 14.
En el caso de una máquina lineal, el
desplazamiento entre polos se realiza según la dirección de
desplazamiento relativo de la parte fija y de la parte móvil.
La tecnología descrita en referencia a las
figuras 15 a 17 permite obtener las ventajas siguientes:
- -
- un bobinado inductor e inducido, dispuestos sobre una misma pieza no magnética y no conductora de la electricidad (epoxy por ejemplo) y que asegura la rigidez mecánica;
- -
- una fuerza magnetomotriz casi sinusoidal obtenida de forma muy simple por medio de la utilización de pistas de secciones variables favorable a la minimización de las pérdidas magnéticas en los discos de hierro;
- -
- una mejor utilización del espacio bobinable;
- -
- una posibilidad de aumentar las superficies de intercambio térmico con el exterior aumentando la sección de las cabezas de bobinas;
- -
- una disminución de las pérdidas Joule por medio del aumento de la sección de las cabezas de bobinas;
- -
- una simplicidad de realización aumentada favorable a la automatización y a la reducción del coste de realización.
Claims (24)
1. Máquina eléctrica que forma motor o generador
que comprende una parte fija y una parte móvil, en la cual una de
las partes fija y móvil (4, 12, 8, 9; 34, 36, 41, 42; 50, 56, 58;
98, 99, 100) es pasiva y comprende dos piezas (8, 9; 41, 42; 53, 54;
98, 99) que definen entre ellas un intervalo regular (12; 40; 60;
101), estando dichas piezas unidas entre ellas por medio de una
pieza de enlace (3; 43; 52; 100) y la otra de dichas partes fija y
móvil comprende un bobinado de inducido (13; 36; 58; 102) polifásico
que genera un campo magnético variable, así como un bobinado
inductor centralizado (14; 38; 62; 114) alimentado por una corriente
continua, estando dichos bobinados de inducido e inductor dispuestos
en un entrehierro definido por el intervalo regular (12; 40; 60;
101), definiendo las dos piezas (8, 9; 41, 42; 53, 54; 98, 99) un
intervalo regular y siendo la pieza de enlace (3; 43; 52; 100) de
material ferromagnético, estando todas las piezas ferromagnéticas de
la máquina situadas sobre aquella de las partes fija y móvil que
comprende las dos piezas (8, 9; 41, 42; 53, 54; 98, 99) que definen
dicho intervalo regular, y por lo menos una de dichas pieza de
material ferromagnético (8, 9; 41, 42; 53, 54; 98, 99) que define
dicho intervalo regular está provista de aberturas (10a; 41b, 42b;
41c, 42c; 53b, 54b; 53c, 54c; 100a).
2. Máquina giratoria según la reivindicación 1,
que comprende un estator y un rotor, caracterizada por el
hecho de que dicha parte pasiva (3, 8, 9; 30, 41, 42, 43) es un
rotor pasivo que comprende dos piezas de revolución coaxiales (8, 9;
41, 42) de material ferromagnético, una por lo menos de las cuales
está provista de aberturas (10a; 41b; 42b; 41c, 42c) y unidas entre
ellas por una pieza de enlace (3; 43) coaxial a las dos piezas de
revolución igualmente de material ferromagnético y la otra de dichas
partes es un estator que comprende, dispuestos en un entrehierro
definido por el intervalo regular practicado entre las dos piezas de
revolución, un bobinado de inducido fijo (13; 36) que genera un
campo giratorio así como un bobinado inductor (14; 36) igualmente
fijo.
3. Máquina giratoria según la reivindicación 2,
caracterizada por el hecho de que todas las piezas
ferromagnéticas (3, 6, 8, 9; 41, 42, 43) son giratorias.
4. Máquina giratoria según las reivindicaciones 2
y 3, caracterizada por el hecho de que el rotor está
compuesto por dos discos ferromagnéticos (8, 9), uno por lo menos de
los cuales es dentado.
5. Máquina giratoria según las reivindicaciones 2
a 4, caracterizada por el hecho de que los discos giratorios
(8, 9) están chaveteados al árbol (3) de material
ferromagnético.
6. Máquina giratoria según las reivindicaciones 2
a 5, caracterizada por el hecho de que los bobinados de
inducido (13) e inductor (14) fijos están dispuestos en el espacio
(12) entre los discos (8, 9).
7. Máquina giratoria según una de las
reivindicaciones 2 a 4, caracterizada por el hecho de que el
bobinado de inducido (13) es un bobinado polifásico cuyas fases (P1,
P2, P3) están dispuestas en un mismo plano o según planos
superpuestos en el entrehierro (12) practicado por los discos
dentados (8, 9) giratorios.
8. Máquina según una de las reivindicaciones 2 a
7, caracterizada por el hecho de que las fases (P1, P2, P3)
del bobinado de inducido (13) están formadas por espiras desplazadas
angular y regularmente repartidas según la periferia de la
máquina.
9. Máquina según una de las reivindicaciones 2 a
8, caracterizada por el hecho de que el bobinado inductor
(14) está dispuesto alrededor del árbol (3) y rodeado por el
bobinado de inducido (13).
10. Máquina según una de las reivindicaciones 2 a
9, caracterizada por el hecho de que el bobinado inductor
(14) es un bobinado global fijo en forma de solenoide.
11. Máquina según la reivindicación 2,
caracterizada por el hecho de que el rotor comprende un árbol
(30) rodeado por dos cilindros de material ferromagnético (41, 42)
coaxiales provistos de dientes (41a, 42a) y de muescas (41b, 42b)
repartidas regularmente en uno de sus extremos y un platillo de
unión (43) de material ferromagnético.
12. Máquina según la reivindicación 2,
caracterizada por el hecho de que el rotor comprende un árbol
(30) rodeado por dos cilindros de material ferromagnético (41, 42)
provistos de orificios (41c, 42c) repartidos regularmente en uno de
sus extremos y un platillo de unión (43) de material
ferromagnético.
13. Máquina según una de las reivindicaciones 11
y 12, caracterizada por el hecho de que el cilindro interior
(41) de material ferromagnético se confunde con el árbol (30) del
rotor.
14. Máquina eléctrica según la reivindicación 1,
del tipo de desplazamiento lineal, caracterizada por el hecho
de que la parte fija comprende un raíl (50) de material
ferromagnético que comprende paredes laterales (53, 54) provistas de
aberturas (53b, 54b; 53c, 54c) repartidas regularmente a lo largo de
su longitud y la parte móvil comprende un soporte (56) de material
no magnético, provisto de un bobinado de inducido (58) y un bobinado
inductor (62) dispuestos en un entrehierro definido por el intervalo
regular (60) entre las paredes laterales (53, 54).
15. Máquina eléctrica según la reivindicación 14,
caracterizada por el hecho de que las aberturas previstas en
las paredes laterales (53, 54) del raíl (50) son muescas (53b, 54b)
que separan dientes (53a, 54a) de dicho raíl.
16. Máquina eléctrica según la reivindicación 14,
caracterizada por el hecho de que las aberturas previstas en
las paredes laterales (53, 54) del raíl (50) son orificios (53c,
54c) practicados a intervalos regulares en dichas paredes
laterales.
17. Máquina eléctrica según una de las
reivindicaciones 1 a 10 y 14 a 16, caracterizada por el hecho
de que los bobinados de inducido e inductor (102, 114) son formados
por apilamiento e interconexión de galletas (104a, 104b, 104c) a
razón de por lo menos una galleta por fase, y cada una de las
galletas comprende dos partes (70, 76) de bobinado de inducido y dos
partes (83, 84) de bobinado inductor formadas por circuitos impresos
realizados sobre las dos caras de una placa de material aislante
(64).
18. Máquina eléctrica de tipo polifásico según la
reivindicación 17, caracterizada por el hecho de que cada
fase (P1, P2, P3) del bobinado de la máquina está formada por el
apilamiento y la interconexión de galletas (104a, 104b, 104c)
correspondientes y la separación según el desplazamiento de los
apilamientos de galletas de las diferentes fases (P1, P2, P3) entre
ellas.
19. Máquina eléctrica giratoria según una de las
reivindicaciones 17 y 18, caracterizada por el hecho de que
las partes de bobinado de inducido (70, 76) y las partes de bobinado
inductor (83, 84) de una galleta están unidas entre ellas por medio
de conductores pasantes encajados en orificios pasantes (82, 94)
practicados en la placa aislante (64).
20. Máquina eléctrica según una de las
reivindicaciones 17 a 19, caracterizada por el hecho de que
cada parte (70, 76) del bobinado de inducido de cada galleta
comprende polos (72, 78) repartidos a intervalos regulares sobre la
placa de material aislante (64), estando cada uno de los polos (72,
78) de una cara bobinado en el sentido inverso de los dos polos que
le son adyacentes, creando así una alternancia de polos
magnéticos.
21. Máquina eléctrica según la reivindicación 20,
caracterizada por el hecho de que los polos (72, 78) de las
dos caras de una galleta se superponen y son bobinados en el mismo
sentido dos a dos.
22. Máquina eléctrica según la reivindicación 21,
caracterizada por el hecho de que las anchuras de las
porciones (95) del conector impreso transversales al desplazamiento
disminuyen a partir del centro de cada polo hacia sus bordes.
23. Máquina eléctrica giratoria según una de las
reivindicaciones 17 a 22, caracterizada por el hecho de que
cada polo (72, 78) del bobinado de inducido de una galleta está
formado por un conductor impreso bobinado en plano que comprende
porciones radiales (95) de sección variable que se estrechan desde
la periferia hacia el centro de dicha galleta.
24. Máquina eléctrica según la reivindicación 22,
caracterizada por el hecho de que para una forma de la curva
de la fuerza magnetomotriz deseada y para un espesor constante de
los conductores (95), la anchura \Delta\theta_{pista \ k} de
dicha conductores viene dada por la relación
\Delta\theta_{pista \ k} = \Delta\theta_{k} -
\Delta\theta_{i} en la cual \Delta\theta_{k} es la
intersección de la curva de la fuerza magnetomotriz deseada con un
nivel entero de los amperios vueltas, y \Delta\theta_{i} es el
valor de la separación entre dos conductores vecinos necesario para
el aislamiento térmico entre dos pistas.
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