ES2225309T3 - Sistema de propulsion a reaccion con motor electrico. - Google Patents

Sistema de propulsion a reaccion con motor electrico.

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ES2225309T3 ES01100769T ES01100769T ES2225309T3 ES 2225309 T3 ES2225309 T3 ES 2225309T3 ES 01100769 T ES01100769 T ES 01100769T ES 01100769 T ES01100769 T ES 01100769T ES 2225309 T3 ES2225309 T3 ES 2225309T3
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Abstract

Sistema de propulsión a reacción (3) de un vehículo acuático (1) con un tubo de propulsión a reacción que comprende una hélice de agua (7), estando previsto como tubo de propulsión a reacción el rotor hueco (5) de forma anular de un motor eléctrico con estator hueco (9) circundante del rotor y estando fijada la hélice de agua a la superficie interior (6) del rotor, estando distribuido el devanado (11) del estator sobre una pluralidad de polos de estator (22) en el sentido de una reducción de la sección transversal del estator medida perpendicularmente al eje (13) del motor, caracterizado porque el motor eléctrico está construido como un motor síncrono trifásico con rotor en cortocircuito y porque la relación de los espesores radialmente medidos de los paquetes (12, 14) del rotor y del estator es del orden de magnitud de 1:1, 5 a 2, 0, preferiblemente 1:1, 7 a 1, 8.

Description

Sistema de propulsión a reacción con motor eléctrico.
La invención concierne a un sistema de propulsión a reacción de un vehículo acuático con un tubo de propulsión a reacción que comprende una hélice de agua, en donde está previsto como tubo de propulsión a reacción un rotor hueco de forma anular de un motor eléctrico con estator hueco rodeando al rotor y la hélice de agua está fijada a la superficie interior del rotor.
En el documento US 5 306 183 se describe un sistema de propulsión de un submarino. Pertenece a este sistema de propulsión al menos un mecanismo propulsor de mando con un estator y un rotor (hueco) sin árbol. El estator posee una pluralidad de polos magnetizables con espiras que están conectadas a una fuente de tensión controlada. El rotor comprende un anillo de hélice con una pluralidad de imanes permanentes sobre los cuales actúan los campos del estator.
En el documento EP 0 452 538 B1 se describe un sistema de propulsión a reacción con hélice de agua para un submarino. Este sistema de propulsión a chorro está construido el mismo como motor eléctrico con inducido (= rotor) hueco y hélice de propulsión fijada a su pared interior. La hélice de propulsión puede poseer la forma de un tornillo sinfín. El rotor está montado en un estator también tubular. El rotor deberá llevar un arrollamiento de armadura que ha de abastecerse de corriente a través de un colector. En el estator se aloja un devanado magnético (en una cámara embutida en el cuerpo del estator). El suministro de corriente del devanado del rotor previsto en el sistema conocido es muy difícil de materializar en la práctica. En efecto, el sistema de propulsión a chorro construido como motor eléctrico ha de hacerse funcionar enteramente en el agua, de modo que el colector tiene que alojarse en una carcasa aislada.
Otro inconveniente del sistema de propulsión a reacción según el documento EP 0 452 538 B1 antes citado consiste en que es necesario para el estator un devanado magnético extendido en dirección radial (radialmente con respecto a la forma tubular descrita). El espesor total del estator y el rotor, medido en la dirección radial, representa en la práctica casi el 50% del radio total del sistema de propulsión tubular. La superficie total de la sección transversal del estator y el rotor, medida perpendicularmente al eje del motor (eje del tubo), es entonces netamente mayor que la sección transversal de paso del rotor definida por la anchura interna y representa una resistencia del agua que consume nuevamente una gran parte de la mejora del rendimiento pretendida por el sistema de propulsión a reacción.
En el documento GB 718 857 se divulga un sistema de propulsión a reacción en el que un tornillo de forma helicoidal se encuentra sobre la superficie interior de un rotor construido como jaula en cortocircuito. El estator correspondiente comprende una multitud de polos de estator con espiras de alambre situadas en ranuras. El sistema de propulsión a reacción conocido no ha podido imponerse, entre otras razones, porque la superficie anular necesaria para el estator y el rotor -cortada perpendicularmente al eje del motor- es demasiado grande en proporción al diámetro interno del rotor. Asimismo, en el documento EP 0 903 835 se describe una hélice de barco construida como bomba axial que está unida con la superficie interior de un rotor construido como rotor en cortocircuito. El rotor es hecho girar bajo la acción de un campo magnético rotativo del estator. Como ejemplo de la estructura eléctrica del motor se dice que el estator y el rotor están construidos como un motor de corriente continua sin escobillas. Un motor de corriente continua requiere para su funcionamiento una corriente continua que puede ser puesta a disposición con el generador usual en un barco únicamente intercalando un rectificador con las correspondientemente grandes pérdidas.
La invención se basa en el problema de configurar un sistema de propulsión a reacción de modo que no se presenten problemas de aislamiento en partes giratorias y la sección transversal del estator y el rotor, medida perpendicularmente al eje del motor, comprenda menos del 50% de la sección transversal total del anillo del motor medida en el mismo plano.
La solución se indica en la reivindicación 1. La solución consiste preferiblemente en que está previsto como motor eléctrico un motor síncrono trifásico con rotor en cortocircuito, cuyo devanado de estator está distribuido sobre una multitud de polos de estator en el sentido de una reducción de la sección del estator medida perpendicularmente al eje del motor, y la relación de los espesores radialmente medidos del paquete del rotor y del paquete del estator es del orden de magnitud de 1:1,5 a 2,0, preferiblemente 1:1,7 a 1,8. En las demás reivindicaciones subordinadas se describen algunas mejoras y otras ejecuciones de la invención.
El rotor y el estator se construyen como un paquete de chapas uniformemente ranurado. El devanado de corriente trifásica (devanado primario) previsto en el estator se conecta preferiblemente en estrella o en triángulo. El rotor en cortocircuito contiene varillas de cobre introducidas en las ranuras de su paquete de chapas de rotor, las cuales deberán estar preferiblemente soldadas en su lado frontal con anillos. Sin embargo, las uniones de conductores o las uniones frontales pueden establecerse también de otra manera, por ejemplo en el procedimiento de fundición.
Mediante el empleo según la invención de un rotor en cortocircuito se consigue que se supriman en el rotor entradas giratorias de una línea de alimentación de corriente. Por tanto, en su utilización en agua no se usan carcasas de aislamiento para el rotor. Además, debido a la construcción del motor con muchos polos o con un número elevado de polos se reduce en grado extremo la sección transversal del anillo del estator y el rotor medida en el plano radial. El límite inferior de la sección transversal del anillo viene dado al menos teóricamente por la práctica. En efecto, el ranurado del estator y el rotor no puede elegirse tan alto como se quiera. Un motor síncrono trifásico de alto número de polos en el sentido de la invención puede poseer, por ejemplo, 36 a 96, especialmente más de 60, preferiblemente 72, ranuras de estator y un número correspondiente de ranuras de rotor.
Un sistema de propulsión a reacción o motor de forma anular en su conjunto según la invención, cuyo rotor deberá girar preferiblemente en un cojinete de bolas radial dentro del estator, se dimensiona en cuanto a las relaciones de tamaño, especialmente del tamaño de las ranuras del estator y el espesor del dorso del rotor, en cuanto a la relación cuantitativa de hierro a cobre y en cuanto al número de polos, en un primer paso de construcción, de modo que el propio motor esté óptimamente ajustado, por ejemplo en cuanto al par de arranque. Los paquetes del rotor y del estator pueden laminarse entonces a partir de dinamochapas ranuradas, de modo que ya durante el ensamble del paquete de chapas se produzcan las ranuras del rotor o las ranuras del estator.
En otro paso de construcción se puede adaptar la potencia del motor al respectivo caso de aplicación, por ejemplo al rendimiento de una hélice de agua óptimo para un número de revoluciones prefijado, mediante la elección de la longitud axial del rotor y del estator, es decir, del número de chapas contenidas en los paquetes del rotor y del estator. Se tiene en cuenta entonces que una hélice de agua puede entregar al agua únicamente una potencia específica de la geometría de dicha hélice.
En el dimensionamiento de la geometría de los paquetes de chapas, sobre todo del paquete del rotor, hay que cuidar el aspecto constructivo de que la energía suministrada por el estator pueda ser tomada también del rotor y transformada sustancialmente en energía de movimiento. Por este motivo, puede ser favorable (en un paquete de rotor o en un inducido con varillas conductoras insertas en las ranuras del rotor) hacer que la zona radialmente exterior del anillo parcial del paquete de chapas que contiene las ranuras del rotor sea -medido en dirección radial- aproximadamente la mitad de gruesa que todo el paquete de chapas del rotor. Deberán preverse relaciones de longitud radial correspondientes en el paquete del estator. Las ranuras de los polos del estator -visto radialmente hacia fuera desde el eje del motor- deberá llegar aquí aproximadamente hasta la mitad del espesor radial del paquete del estator. Eventualmente, en el caso de un motor síncrono trifásico de alto número de polos como se ha definido anteriormente, con rotor en cortocircuito, no sólo se alcanza un buen par de arranque, sino también una excelente potencia permanente como empuje de un sistema de propulsión de barco.
Según la invención, el rotor hueco en cuya superficie interior está fijada una hélice de agua deberá poder girar en un estator también hueco. El rotor deberá montarse y guiarse entonces en el estator. Preferiblemente, el rotor deberá instalarse en una disposición de cojinetes de bolas ranurados o cojinetes de bolas axiales, puesto que estos cojinetes y similares no sólo absorben fuerzas radiales, sino también fuerzas axiales. En efecto, en el sistema de propulsión a reacción las fuerzas axiales pueden llegar a ser relativamente grandes. Como alternativa, se pueden complementar también cojinetes radiales con cojinetes axiales, por ejemplo cojinetes lisos. Como bloqueo axial en este sentido se pueden prever también sendos cantos del estator sobresalientes radialmente por delante de los lados frontales axiales del rotor.
Haciendo referencia a las representaciones esquemáticas de ejemplos de ejecución de un sistema de propulsión a reacción se explican algunos detalles de la invención. Muestran:
La Figura 1, un sistema de propulsión a reacción fijado a un barco de vela con hélice de agua integrada en el rotor de un motor eléctrico;
la Figura 2, un sistema de propulsión a reacción según la Figura 1 representado a escala ampliada; y
la Figura 3, un segmento de las dinamochapas que pueden emplearse en el paquete de chapas o en el inducido según la Figura 2.
La Figura 1 muestra un barco de vela 1 con un sistema de propulsión a reacción 3 de forma anular montado debajo de la línea de flotación 2. El sistema de propulsión a reacción 3 según la invención necesita en general un suministro de corriente alterna. La tensión correspondiente puede ser generada con un generador 4 posicionado en algún sitio del barco 1. Cuando no está inmediatamente disponible la corriente alterna, se puede tomar corriente de baterías, pilas de combustible, etc. y se puede alimentar ésta al sistema de propulsión a reacción 3 a través de un inversor.
En el ejemplo de ejecución de un sistema de propulsión a reacción 3 según la Figura 2 el motor eléctrico correspondiente consta de un rotor 5 con un grupo de propulsión, por ejemplo como una hélice de agua 7, fijado a su superficie interior 6. El rotor 5 está montado en cojinetes de bolas radiales 8 dentro de un estator 9 de forma anular. En caso necesario, unos apéndices (anulares) 8a del estator 9 pueden proyectarse por delante de las superficies frontales 5a del rotor como seguro axial de dicho rotor 5. El estator 9 posee sobre un paquete de chapas 12 un devanado de estator 11 que puede conectarse a un suministro de corriente 4 a través de una línea 10. El rotor 5 -al igual que sustancialmente también el estator 9- se construye como un tubo hueco. El eje correspondiente es en ambos casos el eje 13 del rotor. El rotor 5 contiene un paquete de chapas 14 con devanado de rotor 15 integrado en éste y constituido por varillas en cortocircuito. La hélice de agua 7 simboliza en el ejemplo de ejecución descrito algún grupo de control del motor o propulsado por el motor dentro del rotor hueco 5.
Para mantener lo más baja posible la resistencia del agua del sistema de propulsión a reacción 3 en el ejemplo de ejecución, el espesor total de los anillos del estator y del rotor -medido radialmente con respecto al eje 13 del motor- deberá ser lo más pequeño posible. Por este motivo, se emplea según la invención un devanado de estator 11 de alto número de polos, especialmente 24 polos, con 72 ranuras, en conexión en estrella-triángulo.
En la Figura 3 se representa un fragmento de dos chapas individuales opuestas 16, 17 del estator y del rotor. La chapa 17 del rotor contiene ranuras de rotor 18 en las que se insertan varillas conductoras (no dibujadas), preferiblemente varillas de cobre. En una ejecución preferida de la chapa 17 del rotor se hace que la zona anular parcial radialmente exterior 19 de la chapa 17 del rotor que contiene las ranuras 18 del rotor sea -medido en la dirección radial 20 (respecto del eje 13 del motor)- aproximadamente la mitad de ancha que toda la chapa 17 en la dirección radial 20. La zona anular parcial 19 se denomina también dorso de la chapa 17 del rotor. Por tanto, en el presente sentido el espesor (radialmente medido) del dorso (= espesor del dorso) deberá ser aproximadamente igual a la profundidad con la que se han cortado las ranuras 18 en la chapa 17 del estator.
Las ranuras 21 del estator o los polos 22 del estator deberán conformarse con una optimización semejante en la chapa 16 del estator. Preferiblemente, las ranuras 21 del estator deberán llegar aproximadamente hasta la mitad del espesor de toda la chapa 16 del estator, medido en la dirección radial 20.
Otra regla de dimensionamiento ventajosa en el marco de la invención concierne a la relación de las anchuras totales de chapa de estator 16 y chapa de rotor 17 medidas en la dirección radial 20. Esta relación deberá ser del orden de magnitud de 1,5 a 2,0:1, preferiblemente 1,7 a 1,8:1. Cuando se observan las relaciones precedentes, se deberá obtener un motor que funciona, por ejemplo que arranca, de manera en sí óptima. Sin embargo, este motor puede entregar en la práctica solamente la potencia que es absorbida por su receptor. Según las apreciaciones actuales, una hélice de agua fijada en el rotor no puede (proporcionalmente) tomar más potencia y entregarla al agua en la medida en la que aumenta la potencia del motor al incrementarse su diámetro. Por este motivo, cuando se parta constructivamente de un motor optimizado, por ejemplo con hélice de agua, se pueden dejar inalterados, al aumentarse el diámetro del anillo, los espesores radialmente medidos del anillo y/o se puede reducir el número de chapas contenidas en los paquetes de chapas 12,
14.
Lista de símbolos de referencia
1
Barco de vela
2
Línea de flotación
3
Sistema de propulsión a reacción
4
Generador
5
Rotor
6
Superficie interior (5)
7
Hélice de agua
8
Cojinete de bolas
9
Estator
10
Línea eléctrica
11
Devanado de estator
12
Paquete de chapas de estator
13
Eje del motor
14
Paquete de chapas de rotor
15
Devanado del rotor
16
Chapa de estator
17
Chapa de rotor
18
Ranura de rotor
19
Zona anular parcial
20
Dirección radial
21
Ranura de estator
22
Polo de estator

Claims (6)

1. Sistema de propulsión a reacción (3) de un vehículo acuático (1) con un tubo de propulsión a reacción que comprende una hélice de agua (7), estando previsto como tubo de propulsión a reacción el rotor hueco (5) de forma anular de un motor eléctrico con estator hueco (9) circundante del rotor y estando fijada la hélice de agua a la superficie interior (6) del rotor, estando distribuido el devanado (11) del estator sobre una pluralidad de polos de estator (22) en el sentido de una reducción de la sección transversal del estator medida perpendicularmente al eje (13) del motor, caracterizado porque el motor eléctrico está construido como un motor síncrono trifásico con rotor en cortocircuito y porque la relación de los espesores radialmente medidos de los paquetes (12, 14) del rotor y del estator es del orden de magnitud de 1:1,5 a 2,0, preferiblemente 1:1,7 a 1,8.
2. Sistema de propulsión a reacción según la reivindicación 1, caracterizado porque el rotor (5) está montado en el estator (9) a través de cojinetes de bolas ranuradas radiales (8) o cojinetes de bolas axiales.
3. Sistema de propulsión a reacción según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el paquete (14) del rotor se lamina con dinamochapas y presenta ranuras de rotor (18) en las que se insertan varillas conductoras, y porque la zona parcial radialmente exterior (19) del paquete del rotor que contiene las ranuras del rotor es -medido en dirección radial (20)- aproximadamente la mitad de gruesa que el paquete completo (14) del rotor.
4. Sistema de propulsión a reacción según al menos una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el paquete (12) del estator se lamina con dinamochapas y presenta ranuras (21) en las que está previsto el devanado (primario), y porque los polos (22) del estator llegan -visto radialmente hacia fuera- aproximadamente hasta la mitad del espesor radial del paquete del estator.
5. Sistema de propulsión a reacción según al menos una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque está previsto un estator (9) de 72 polos.
6. Sistema de propulsión a reacción según al menos una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el motor como tal está optimizado para una anchura interna prefijada del rotor (5) mediante selección del número de polos del estator y de la relación cuantitativa de hierro a cobre, y porque se prefija la potencia del motor en el rendimiento óptimo del grupo propulsado, a un número de revoluciones prefijado, mediante la elección de la longitud axial del rotor y del estator o del número de chapas (16, 17) contenidas en los paquetes (12, 14) del rotor y del estator.
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