ES2225309T3 - Sistema de propulsion a reaccion con motor electrico. - Google Patents
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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.
14.
- 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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