ES2274607T3 - Maquina electrica de doble excitacion, y en particular alternador de vehiculo. - Google Patents

Abstract

Máquina eléctrica con conmutación de flujo, que consta de un estátor (1) y un rotor (2), constando el estátor de por lo menos un bobinado de inducido (14) alojado en por lo menos un par de muescas (13), constando el rotor de medios aptos para establecer selectivamente circuitos magnéticos cerrados que pasan alrededor de los hilos del o de los bobinados de inducido, constando estos medios de por lo menos un imán permanente de excitación (225) apto para establecer un flujo magnético en una dirección circunferencial del rotor, y de por lo menos un bobinado de excitación (215, 216) apto para establecer localmente un flujo magnético regulable en una dirección circunferencial inversa a la del flujo producido por el imán o cada uno de los imanes, estando el imán o cada uno de los imanes alojado en una primera parte de rotor (22) que define un primer par de polos del rotor, estando situado el bobinado o cada uno de los bobinados alrededor de una segunda parte del rotor (21) cuyas extremidades definen un segundo par de polos del rotor, caracterizada la máquina por el hecho de que el rotor posee entre la primera y segunda partes de rotor adyacentes unas terceras partes de rotor (23) que forman con dichas primeras y segundas partes un trayecto de conducción magnética apto para ser tomado por el flujo magnético establecido por el imán o cada uno de los imanes cerrándose sobre sí mismo en el interior del rotor.

Description

Máquina eléctrica de doble excitación, y en particular alternador de vehículo.

La presente invención se refiere de una manera general a las máquinas rotativas tales como los alternadores para vehículos automóviles.

El generador mono- o polifásico que constituye un alternador convencional de un vehículo automóvil consta en general de un estátor en cuyo interior gira un rotor provisto de un bobinado de excitación. Este bobinado es alimentado por unas escobillas de contacto con dos anillos colectores dispuestos sobre una parte en voladizo del árbol del rotor.

Particularmente ya se conocen, a través del documento EP-A-0 707 374, unas máquinas rotativas en las cuales, con vistas especialmente a incrementar su rendimiento, el campo de excitación del rotor se obtiene a la vez por medio de unos imanes permanentes y por medio de unas bobinas (en general se habla de excitación "mixta"), y en las cuales se controla la corriente entregada por el inducido con la ayuda de medios de conmutación en el nivel de los bobinados de excitación, permitiendo estos medios de conmutación invertir selectivamente el sentido de la excitación para reducir, e incluso casi anular, el flujo de los imanes.

Esta necesidad de invertir el sentido de la corriente de excitación obliga a utilizar un puente de conmutación de semiconductores denominado en "H", cuyos costes son elevados y que grava de este modo el precio de coste de la máquina.

Se conoce también, a través del documento WO-A-96 30992, una máquina rotativa según el preámbulo de la reivindicación 1. Sin embargo, esta máquina conocida no permite regular la corriente entregada al utilizar una excitación de las bobinas que se efectúa de forma unidireccional y en particular al hacer que varíe la excitación de las bobinas entre un valor esencialmente nulo y un valor máximo para entregar respectivamente una energía esencialmente nula y una energía máxima.

La presente invención pretende paliar estas limitaciones.

Otro objetivo de la invención, en una máquina de este tipo, consiste en poder reducir, para un número determinado de polos del rotor, el número de imanes necesarios al mismo tiempo que conservando un nivel de excitación para los imanes y un nivel de excitación para las bobinas que estén equilibrados uno con respecto al otro.

De este modo, la invención propone una máquina eléctrica tal como la que se define en la reivindicación 1.

En las reivindicaciones dependientes se definen aspectos preferidos, aunque no limitativos, de esta máquina según la invención.

La invención propone además una máquina tal como la definida anteriormente, la cual constituye un alternador para un vehículo automóvil.

Se pondrán más claramente de manifiesto otros aspectos, finalidades y ventajas de la presente invención al leer la siguiente descripción detallada de formas de realización preferidas de la misma, proporcionada a título de ejemplo y realizada en referencia a los dibujos adjuntos, en los cuales:

la figura 1a es una vista esquemática, en una forma desarrollada, de un conjunto de rotor y de estátor de una máquina rotativa según una primera forma de realización de la invención, en un estado de no excitación de los bobinados inductores,

la figura 1b es una vista similar a la figura 1, en un estado de excitación de los bobinados conductores,

la figura 2 es una vista esquemática en sección transversal de un conjunto de rotor y de estátor de una máquina polifásica según la invención,

la figura 3 es una vista esquemática, en una forma desarrollada, de un conjunto de rotor y de estátor de una máquina rotativa de acuerdo con una segunda forma de realización de la invención,

la figura 4 es una vista esquemática en sección transversal de una forma de realización posible de la carcasa del rotor de la figura 2, y

la figura 5 es una vista esquemática en sección transversal de una forma de realización posible de la carcasa del rotor de la figura 3.

Haciendo referencia en primer lugar a las figuras 1a y 1b, se ha representado esquemáticamente, en una forma desarrollada, una parte de un estátor 1 y la parte homóloga de un rotor 2 que pueden equipar una máquina eléctrica, mono- o polifásica según la invención, tal como un alternador.

El estátor 1 posee una carcasa 12 que define una estructura anular continua en cuya periferia interior está dispuesta una pluralidad de muescas 13 que reciben unos hilos de bobinados de inducido 14, de una forma totalmente convencional en sí misma.

El número de estas muescas 13 es par y las mismas están distribuidas angularmente de forma regular, dejando entre ellas unos polos 15.

El rotor 2 queda definido por una sucesión de estructuras, separadas o preferentemente realizadas en una sola pieza de material ferromagnético. Estas estructuras, individualizadas en las figuras 1a y 1b para facilitar la explicación, comprenden una primera estructura 21, en "U", con dos brazos 211, 212 cuyas extremidades libres definen dos polos salientes exteriores, cuyo paso angular es igual al correspondiente a unos polos 15 del estátor en el caso de una máquina monofásica, y una base 213.

Alrededor de cada uno de los dos brazos 211, 212 se ha enrollado un bobinado de excitación, respectivamente 215, 216, estando conectados entre sí estos bobinados de forma que se generan dos flujos magnéticos de sentido inverso, tal como se verá de forma detallada posteriormente.

Preferentemente, se prevén varias de las estructuras en "U" antes citadas, separadas angularmente de forma regular.

Entre estas estructuras en "U" 21 se intercalan unas estructuras de imán permanente 22, en un número idéntico, que comprenden cada una de ellas un imán permanente 225 atrapado entre dos piezas ferromagnéticas 221, 222 cuyas caras dirigidas hacia el estátor constituyen unos polos, estando separados regularmente en la periferia exterior del rotor los polos de las estructuras en "U" 211 y los correspondientes a las piezas 221, 222. En el caso de una máquina trifásica, el número de muescas 13 del estátor es igual a tres por el número de polos del rotor según se ha definido anteriormente.

Las estructuras 21 y 22 están conectadas entre ellas por unas piezas intercalares 23 de material ferromagnético, que forman conexiones magnéticas, ocupando dichas piezas una dimensión radial del estátor (la cual se corresponde con la altura en las figuras 1a y 1b) sensiblemente inferior a la dimensión radial de las estructuras 21 y 22.

Preferentemente, y tal como se ilustra, estas piezas de conexión 23 se extienden esencialmente hasta la altura de las bases 213 de las piezas en "U" 21, dejando encima de ellas el espacio necesario para los hilos exteriores de los bobinados de excitación 215, 216.

Evidentemente, a partir de las explicaciones anteriores se entiende que los diferentes elementos del rotor se pueden prever en N ejemplares dispuestos en grupos sucesivos, según el número de polos deseado.

A continuación se va a describir, en referencia a las figuras 1a y 1b, el comportamiento de una máquina rotativa, en concreto un alternador, cuyo fundamento ha sido descrito más arriba.

En primer lugar se considera el caso en el que ninguna corriente de excitación atraviesa los bobinados de excitación 215, 216 (figura 1a).

En este caso, el flujo magnético generado por los imanes permanentes 225 puede seguir él mismo un circuito cerrado, el cual pasa por las piezas 221, 222, por las conexiones magnéticas 23 y por la parte de base 213 de las piezas en "U" 21.

De aquí se deduce que este flujo, ilustrado por las flechas F1 en la figura 1a, no se transmite hacia el estátor, salvo quizás de manera inapreciable en forma de un flujo disperso. De este modo, el alternador se encuentra en una situación de no excitación, y los bobinados del estátor no van a entregar prácticamente ninguna corriente.

Cuando se aplica una corriente en los bobinados de excitación 215, 216, en un sentido tal que se genere un flujo magnético dirigido hacia la parte inferior en el bobinado 215 situado antes con respecto al sentido del flujo F1, y tal que se genere un flujo magnético dirigido hacia la parte superior en el bobinado 216 situado después, se asiste entonces a la circulación, entre el rotor y el estátor, de tres flujos
principales:

- un primer flujo, designado por la flecha F2, circula en los brazos 211, 212 y la base 213 de la pieza en "U" 21 y entre dos polos adyacentes del estátor, en el sentido inverso al correspondiente a las agujas de un reloj en la figura 1b;

- un segundo flujo designado por la flecha F3 circula en el sentido de las agujas del reloj pasando por el brazo izquierdo 211 de la pieza 21, la pieza 23 que forma la conexión magnética, y la pieza 222 adyacente al imán 225, así como a través del estátor entre dos polos adyacentes del mismo;

- el flujo magnético producido por el imán permanente 225 que se encuentra, en el nivel de la conexión magnética 23, con un flujo de sentido contrario (flujo F3), circulando este flujo de imán por lo menos parcialmente, tal como se verá de forma detallada posteriormente, a través de las dos piezas 222, 221 adyacentes al imán y pasando por dos polos adyacentes del estátor (flujo F4, orientado en el sentido inverso al correspondiente a las agujas de un reloj);

- finalmente un flujo magnético complementario, denominado flujo homopolar y designado con la referencia F5, generado por el imán 225 y por los bobinados de excitación 215, 216.

De este modo, en el nivel del rotor 2 se crea una sucesión de polos norte y sur que permitirán que los bobinados del estátor entreguen una corriente.

Es importante observar en este caso que la amplitud de la corriente del rotor en el nivel de los bobinados de rotor 215, 216 determina directamente un nivel general de excitación de la máquina, el cual varía de forma monótona en función de dicha corriente.

De forma más precisa, cuando la corriente de rotor es nula (caso de la figura 1a), en ese caso tal como se ha visto anteriormente la excitación es nula.

En cambio, cuando la corriente de los bobinados 215, 216 es tal que el flujo que se extiende hacia la izquierda en las conexiones magnéticas 23 es igual en valor absoluto al correspondiente que creará el imán permanente adyacente en ausencia de corriente del rotor, en ese caso la totalidad del flujo generado por dicho imán se desvía hacia el estátor. En este momento la excitación de la máquina es máxima, y los medios previstos en el alternador para generar la corriente de rotor variable son tales que el valor de corriente correspondiente a esta última situación es un valor máximo de la corriente.

De este modo, se realiza una máquina en la cual, utilizando una corriente de excitación unidireccional que varía entre cero y un valor máximo predefinido, se obtiene una excitación que varía, de forma monótona en función de la corriente, entre una excitación nula y una excitación máxima.

De este modo es posible evitar el tener que recurrir a un puente de conmutación electrónica en "H" o similar destinado, en las máquinas con excitación mixta de la técnica anterior, a obtener una corriente bidireccional en función de la excitación deseada. Así se reducen sensiblemente los costes de los medios de conmutación, los cuales pueden comprender un elemento de conmutación de un solo semiconductor.

A continuación se describirán en referencia a las figuras 2 y 3 unos ejemplos de realización concreta del rotor de una máquina según la invención.

Llegado este momento se observará que, en los dos casos, el conjunto de las piezas ferromagnéticas descritas en referencia a las figuras 1a y 1b se unifican en una carcasa única, designada por la referencia 20 en dichas figuras.

La figura 2 muestra el caso de un rotor de ocho polos, con dos imanes permanentes 225 diametralmente opuestos, y dos pares de bobinados de excitación 215, 216.

Los elementos ferromagnéticos correspondientes a los de las figuras 1a y 1b se designan por medio de los mismos símbolos de referencia. Se observa esencialmente que la parte de la carcasa 20 que rodea un mandrinado central 20a de esta última, destinado a recibir el árbol del rotor, define a la vez las bases 213 de los elementos en "U" 21 y las conexiones magnéticas 23, las cuales presentan una dimensión radial reducida entre dicho mandrinado y el fondo de las muescas que reciben los hilos exteriores de los bobinados 215, 216.

En el caso de que el rotor de la figura 2 esté destinado a un alternador trifásico, entonces se prevé un estátor de 24 muescas, preferentemente distribuidas de forma regular, en las cuales se disponen los bobinados trifásicos del estátor.

La figura 3 ilustra el caso de un rotor de 12 polos, con tres imanes 225 equidistantes a 120º y tres pares de bobinados de excitación 215, 216. En este caso se prevé, para una máquina trifásica, un estátor de 36 muescas preferentemente distribuidas de forma regular.

A continuación se describirán, en referencia a las figuras 4 y 5, unas variantes de realización de las carcasas de los rotores ilustrados en las figuras 2 y 3.

Tal como se observa en la figura 4, la carcasa 20 del rotor está realizada en dos sectores 20a, 20b destinados a extenderse entre los dos imanes 225, y unidos a estos últimos durante el ensamblaje para formar una estructura cilíndrica continua.

En la figura 5, se observa que son tres sectores 20a, 20b y 20c los que se prevén, unidos en este caso a los tres imanes para formar el rotor.

Esta separación del rotor en N sectores (variando N según el número de polos deseado) es ventajosa por cuanto permitirá facilitar la realización de los bobinados, siendo los diferentes sectores más fáciles de bobinar por separado que una carcasa cilíndrica única.

Por otro lado en este caso se observará otra ventaja de la presente invención: debido a que el flujo magnético de los imanes se vuelve a cerrar sobre sí mismo en ausencia de corriente de excitación, no existe ningún riesgo de que, durante el ensamblaje de la máquina, el rotor se pegue contra piezas ferromagnéticas susceptibles de encontrarse sobre la línea de ensamblaje de la máquina.

Evidentemente, la presente invención no se limita en absoluto a las formas de realización descritas y representadas, sino que los expertos en la materia sabrán aportar a la misma cualquier variante o modificación ajustada a su ámbito.

En particular, se puede prever en el rotor cualquier combinación de estructuras de imán y de estructuras de bobinados, y por ejemplo dos estructuras de bobinados o más entre cada par de estructuras de imán, o por el contrario dos estructuras de imán o más entre cada par de estructuras de bobinados.

En este caso, los bobinados y los imanes se conciben de modo que el flujo máximo de los bobinados esté en condiciones de obstaculizar esencialmente el flujo circunferencial generado por los imanes en ausencia de corriente de excitación.

Se puede prever también que cada estructura de bobinado no conste más que de un solo bobinado dispuesto de forma razonable.

Finalmente se puede prever que cada estructura de imán posea dos imanes o más, cuyos flujos se combinan para obtener el efecto deseado de un flujo circunferencial en el rotor en ausencia de excitación en el nivel de los bobinados.

Claims (8)

1. Máquina eléctrica con conmutación de flujo, que consta de un estátor (1) y un rotor (2), constando el estátor de por lo menos un bobinado de inducido (14) alojado en por lo menos un par de muescas (13), constando el rotor de medios aptos para establecer selectivamente circuitos magnéticos cerrados que pasan alrededor de los hilos del o de los bobinados de inducido, constando estos medios de por lo menos un imán permanente de excitación (225) apto para establecer un flujo magnético en una dirección circunferencial del rotor, y de por lo menos un bobinado de excitación (215, 216) apto para establecer localmente un flujo magnético regulable en una dirección circunferencial inversa a la del flujo producido por el imán o cada uno de los imanes, estando el imán o cada uno de los imanes alojado en una primera parte de rotor (22) que define un primer par de polos del rotor, estando situado el bobinado o cada uno de los bobinados alrededor de una segunda parte del rotor (21) cuyas extremidades definen un segundo par de polos del rotor, caracterizada la máquina por el hecho de que el rotor posee entre la primera y segunda partes de rotor adyacentes unas terceras partes de rotor (23) que forman con dichas primeras y segundas partes un trayecto de conducción magnética apto para ser tomado por el flujo magnético establecido por el imán o cada uno de los imanes cerrándose sobre sí mismo en el interior del rotor.

2. Máquina eléctrica según la reivindicación 1, caracterizada por el hecho de que la segunda parte o cada una de las segundas partes (21) de rotor posee dos bobinados de excitación (215, 216) aptos para crear flujos magnéticos dirigidos uno hacia el interior y otro hacia el exterior del rotor (2).

3. Máquina eléctrica según la reivindicación 1 ó 2, caracterizada por el hecho de que el rotor (2) consta, a lo largo de su periferia, de una alternancia de primeras partes (22) y de segundas partes (21).

4. Máquina según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada por el hecho de que la segunda parte o cada una de las segundas partes (21) de rotor presenta la forma general de una "U" que recibe un bobinado de excitación (215, 216) sobre cada uno de sus dos brazos (211, 212).

5. Máquina según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada por el hecho de que dichas terceras partes (23) de rotor se extienden hasta una cierta distancia de los polos del rotor y durante una distancia radial sensiblemente inferior al radio del rotor.

6. Máquina según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada por el hecho de que las primeras, segundas y terceras partes (22, 21, 23) de rotor quedan definidas por una carcasa única (20).

7. Máquina según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada por el hecho de que el rotor está formado por al menos dos elementos de carcasa separados (20a, 20b; 20a, 20b, 20c) que se extienden entre pares de imanes (225) respectivos, y unidos entre ellos por dichos imanes.

8. Máquina según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada por el hecho de que consiste en un alternador de vehículo automóvil.