ES2301125T3 - Rotor de una maquina electrica. - Google Patents
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Abstract
Una disposición en un rotor de máquina eléctrica (5), que rota en torno a su eje de rotación y comprende al menos una carcasa (13) y bobinas (15), que se proyectan como extremos de bobina (11), y barras sobresalientes (17, 18) se proyectan sustancialmente en la dirección del eje longitudinal, desde la carcasa (13), fuera de la superficie de anillo externo (12) formada por los extremos de bobina (11), caracterizada porque hay una banda de conexión (9) ajustada sobre las barras sobresalientes (17, 18), y puede insertarse una banda de conexión (9) sobre las barras sobresalientes (17, 18), durante la instalación de la banda de conexión (9).
Description
Rotor de una máquina eléctrica.
El objetivo de la presente invención es una
disposición en un rotor de una máquina eléctrica de acuerdo con la
parte de preámbulo de la reivindicación 1, y un método para la
fabricación del rotor de una máquina eléctrica de acuerdo con la
parte del preámbulo de la reivindicación 8.
En las máquinas eléctricas, los bobinados se
colocan usualmente en las ranuras localizadas en la superficie
interna del estator y en la superficie externa del rotor. El
devanado de ranura está fabricado con bobinas que son colocadas en
las ranuras del estator o del rotor. La bobina consiste en muchas
capas de cable conductor. Los lados de la bobina están conectados
entre sí mediante los extremos de bobina, localizados en los
extremos de las ranuras.
Los extremos de la bobina de los rotores de
máquinas eléctricas, requieren una estructura de refuerzo contra
las fuerzas radiales creadas cuando el rotor gira. El refuerzo se
fabrica usualmente enrollando fibra de vidrio, Kevlar, cinta de
fibra de carbono o alambre de acero, en los extremos de la bobina.
Cuando se enrolla, se hace girar al rotor en torno a su eje de
rotación, y se enrolla la fibra en torno a los extremos de la
bobina, desde la bobina de alimentación a través de la estación de
calentamiento y el rodillo guía. Hay un cilindro de soporte
instalado en los extremos de la bobina, para crear
pre-tensión en la conexión de refuerzo enrollada.
Una cinta del borde es instalada antes que el bobinado, de forma que
la cinta enrollada no se extienda. La cinta del borde está a menudo
fabricada mediante resinado de un anillo duro de fibra de vidrio. El
refuerzo por enrollamiento se presenta en la patente de EE.UU. 6
029 338.
El refuerzo por enrollamiento consume tiempo.
También se gasta tiempo de fabricación en el horneado, el
calentamiento o el revestimiento con estaño en el proceso de
refuerzo. Debido a su complejidad, el refuerzo por enrollamiento es
también sensible a variaciones de calidad.
La durabilidad del refuerzo de los extremos de
la bobina del rotor se comprueba fácilmente en situaciones en las
que las velocidades de rotación, la masa del extremo de la bobina
del rotor o el diámetro, son grandes. Por ejemplo considerando
generadores de potencia eólica, el rango requerido de velocidad de
rotación es grande. La velocidad del viento puede crecer
rápidamente en ráfagas de viento, en cuyo caso la fuerza dirigida a
la conexión se triplica rápidamente. Cuando la carga deja la red,
la velocidad de rotación del rotor puede aumentar rápidamente al
75-100% de la velocidad nominal.
La durabilidad a grandes velocidades, no es
buena en los refuerzos por enrollamiento. Las propiedades materiales
del bobinado son una razón para ello.
La patente GB 190 521 A describe un rotor, en el
que las conexiones finales de los bobinados están soportadas por
partes extendidas de calzos de ranura. Los extremos de las partes
extendidas están girados hacia arriba para formar un tubo
cilíndrico. Asegurado al rotor, hay un disco o una placa extrema, en
cuya superficie hay formado un rebaje anular o casquillo para
acoger el tubo cilíndrico.
En el documento US 2005/0 023 928 A1, se retiene
segmentos de la última vuelta de la bobina de un rotor excitador
del generador, utilizando una disposición de retención de última
vuelta, que incluye una banda interna y una banda externa. La banda
interna está localizada al menos en torno a una parte de cada uno de
los segmentos de última vuelta, y tiene dos extremos. La superficie
periférica externa de la banda interna es cónica, de modo que el
grosor de la banda interna varía entre sus extremos. La banda
externa está localizada en torno a la banda interna, y tiene
también dos extremos. La superficie periférica interna de la banda
externa es cónica, de modo que es inversa a la de la superficie
externa de la banda interna, y de tal forma que el grosor de la
banda externa varía entre sus extremos.
El propósito de la presente invención es crear
una disposición y un método para reforzar los extremos de bobina de
un rotor de una máquina eléctrica. Para conseguir esto, la invención
está caracterizada por las características específicas de
las secciones características de las reivindicaciones 1 y 8. Algunas
otras realizaciones preferidas de la invención tienen las
características específicas en las reivindicaciones
dependientes.
En la disposición inventada un rotor para
máquina eléctrica rota en torno a su eje de rotación, y consta de
al menos una carcasa y bobinas, que se proyectan como extremos de
bobina. Hay barras salientes que se proyectan sustancialmente en la
dirección del eje longitudinal, desde la carcasa, fuera de la
superficie de anillo externa formada por los extremos de bobina.
Una banda de conexión se ajusta a las barras salientes, mediante
deslizar el rotor dentro de la banda de conexión.
En el método inventado para la fabricación de un
rotor de una máquina eléctrica, en la carcasa del rotor son
instaladas bobinas que se proyectan como extremos de bobina. Barras
sobresalientes que se proyectan sustancialmente en la dirección del
eje longitudinal, desde la carcasa, son instaladas fuera la
superficie de anillo externo formada por los extremos de bobina.
Una banda de conexión es acoplada a las barras sobresalientes,
mediante insertar el rotor en el interior de la banda de
conexión.
De acuerdo con la realización preferida, las
barras salientes son calzos de ranura largos. Los calzos de ranura
se proyectan desde la carcasa, al menos a lo largo de la parte
aislada de los extremos de bobina, de forma que no se dañe los
aislamientos durante la instalación y la conexión permanezca en su
posición. En la solución preferida, los calzos de ranura casi
alcanzan los extremos de bobina. Los calzos de ranura funcionan como
superficies deslizantes, y protegen los aislamientos de extremo de
bobina durante la instalación de la conexión. Los calzos de ranura
pueden fabricarse por ejemplo de fibra de vidrio, que tiene la
necesaria durabilidad, la suficiente calidad como superficie de
deslizamiento y la necesaria resistencia la temperatura. Los calzos
de ranura funcionan además como elementos de aislamiento, si la
conexión está fábrica de material conductor.
La banda de conexión porta fuerzas radiales, por
ejemplo fuerzas centrífugas, creadas cuando el rotor gira a través
de la barra saliente.
De acuerdo con la realización preferida la banda
de conexión posee auto-agarre, es decir la conexión
no tiene que ser bloqueada por separado su posición, aunque la
estructura no excluye el uso de bloqueo axial.
De acuerdo con la realización preferida, la
banda de conexión es cónica sobre la superficie interior, de forma
que se aprieta durante la instalación. De acuerdo con la realización
preferida la conexión está medida, de modo que crea una
transformación controlada en la barra de cobre de los extremos de
bobina. A la vez, se dirige una fuerza radial a la banda de
conexión desde las barras de cobre. En otras palabras, las barras de
cobre pre-tensan la banda de conexión. En este
caso, el diámetro interno de la banda de conexión en la parte más
ancha del cono, es igual al diámetro de la superficie de anillo
externo original, de los calzos de ranura. En la parte estrecha del
cono, el diámetro interno de la conexión es menor que el diámetro de
la superficie de anillo externo de los calzos de ranura. La mayor
tensión está en el extremo de la banda de conexión, en el que está
localizada la parte más estrecha del cono. El mayor grosor de la
banda de conexión está en la parte más estrecha, y por tanto la
banda de conexión es más fuerte en el extremo de mayor importancia,
es decir en el punto más externo de los extremos de bobina. La
relación cónica preferida en la bobina es de 1:40 a 1:50.
La banda de conexión puede también ser
parcialmente cónica, de forma que hay una parte recta en la parte
más ancha del cono.
Una realización acorde con la invención, puede
reducir significativamente riesgos de calidad en relación al
refuerzo de los extremos de bobina. Una banda de conexión fabricada
de fibra metálica de carbono, por ejemplo, es prefabricada por
separado. La banda de conexión fabricada con precisión en función de
las dimensiones, permite un control de calidad de durabilidad -
uniones críticas, mejor que las soluciones fabricadas mediante
enrollar los extremos de bobina. La banda de conexión puede
examinarse de diferentes formas antes de la instalación con
ultrasonidos, por ejemplo.
La solución inventada permite que la banda de
conexión se fabrique de diversos materiales, en función de la
aplicación.
Una realización preferida de la invención es el
rotor de un generador de potencia eólica. Se dirige tensión al
rotor en una situación incontrolada, y la solución acorde con la
invención reduce significativamente los riesgos de daños sobre el
rotor, en situación de velocidad excesiva.
La invención que la fabricación del rotor sea
más rápida. No es necesaria la aplicación de resina durante la
instalación, y la banda de conexión no requiere horneado o
calentamiento separados después de la instalación. La instalación
puede llevarse a cabo a temperatura normal de fábrica, en las
instalaciones de producción. La banda de conexión puede instalarse
mediante elevar con una grúa el rotor en el extremo del eje, e
insertar el rotor en el interior de la banda de conexión utilizando
la masa del rotor. Las barras sobresalientes, por ejemplo calzos de
ranura, funcionan como superficies de inserción y protegen los
aislamientos del extremo de la bobina durante la instalación de la
banda de conexión, permitiendo un movimiento continuo, suave. Se
hace descender el rotor en el interior de la banda de conexión con
una grúa, hasta que la banda de conexión porta la masa del rotor.
En este tipo de instalación, la banda de conexión debe alcanzar el
final de los extremos de bobina o incluso rebasarlos un poco, de
tal forma que los extremos de bobina no sean dañados. Una banda de
conexión que tenga una superficie interna cónica, es tensada durante
la instalación.
La invención también hace más eficaz el
enfriamiento de los extremos de bobina, lo que es especialmente
importante para máquinas de alta potencia. La banda de conexión
está soportada en las barras sobresalientes, y no apoya
directamente sobre los extremos de bobina. Puede fluir aire de
enfriamiento bajo la banda de conexión, a través del canal de aire
formado por dos calzos de ranura, la conexión y los extremos de
bobina. Cuando una banda de conexión rota, los calzos de ranura
funcionan como aletas que hacen más eficiente el movimiento del
aire. La banda de conexión no tiene porque ser sólida; puede ser
una red con varios agujeros de aire.
A continuación se describirá la invención en
mayor detalle, con la ayuda de ciertas realizaciones, con referencia
a los dibujos incluidos, en los cuales:
- la figura 1 ilustra el generador de anillo
colector, con bandas de conexión,
- la figura 2 presenta una imagen parcial del
extremo del rotor, ilustrado desde el lateral,
- la figura 3 ilustra una sección transversal
axial, desde el extremo del rotor, y
- la figura 4 representa una imagen parcial del
extremo del rotor, ilustrado desde el lateral.
La figura 1 presenta una disposición para
reforzar los extremos de bobina de un rotor para máquinas
eléctricas. La máquina eléctrica se ilustra solo esquemáticamente,
sin ningún detalle. En la primera realización de la invención, la
máquina eléctrica es un generador de anillo colector. El generador
de anillo colector 1 incluye el estator 2, y los bobinados 3 están
situados en el interior del anillo interno del estator. El rotor 5
es instalado a cierta distancia del espacio de aire 4 dentro del
estator. El rotor 5 rota sobre el eje 7 soportado en los cojinetes
6. La unidad de anillo colector 8 está situada en una caja separada.
Las bandas de conexión 9, con las que se refuerza los extremos de
bobina, están localizadas en los extremos del rotor 5.
La figura 2 presenta la imagen parcial del
extremo del rotor, ilustrado desde el lateral. Las bobinas 15 se
proyectan desde la carcasa 13 como extremos de bobinas 11. Fuera de
la superficie de anillo externo 12 formada por los extremos de
bobina 11 está la barra sobresaliente, la longitud adicional 17 del
calzo de ranura 14 continuando en de la dirección del eje
longitudinal desde la carcasa 13. La banda de conexión cónica 9 está
ajustada sobre el calzo de ranura 17. El borde de la banda de
conexión 9 lleva y soporta la carcasa 13 del rotor. La banda de
conexión 9 está medida, de forma que presiona los calzos de ranura
17 y los extremos de bobina 11 de tal modo que se curvan
ligeramente hacia el interior del eje 7. El centrado se realiza
desde el interior de los extremos de bobina 11, con el anillo de
centrado 10. El anillo de centrado 10 centra los extremos de bobina
11 con el eje 7.
La figura 3 ilustra una sección transversal
axial, desde el extremo del rotor. La banda de conexión maciza 9
está soportada por la longitud adicional de calzos de ranura 17. La
separación entre dos calzos de ranura 17, la banda de conexión 9 y
los extremos de bobina 11, forma un canal de aire por el que puede
fluir aire bajo la banda de conexión 9. El anillo de centrado 10
está soportado por el eje 7. Solo un sector de los extremos de
bobina y los calzos de ranura está dibujado en la figura, si bien en
realidad rodean todo el anillo.
La figura 4 presenta una imagen parcial del
extremo del rotor, ilustrado desde el lateral. Las bobinas 15 se
proyectan desde la carcasa 13 como extremos de bobina 11. Fuera de
la superficie de anillo externo 12 formada por los extremos de
bobina está la barra sobresaliente, estando una parte de soporte 18
instalada en la dirección del eje longitudinal desde la carcasa 13.
La banda de conexión cónica 9 está ajustada sobre la parte de
soporte 18. Las partes de soporte 18 funcionan como superficies
deslizantes, y protegen los aislamientos del extremo de la bobina
durante la instalación de la banda de conexión 9. El borde de la
banda de conexión 9 lleva y soporta la carcasa 13 del rotor. La
banda de conexión 9 está medida de modo que presiona las partes de
soporte 18 y los extremos de bobina, de modo que se curvan
ligeramente hacia dentro en dirección al eje 7. El centrado se
realiza desde el interior de los extremos de bobina 11, con el
anillo de centrado. El anillo de centrado centra los extremos de
bobina 11 con el eje 7.
Si bien se ha descrito arriba una máquina que
funciona como un generador, la invención funciona de forma similar
con motores. La invención funciona también en diferentes tipos de
máquinas eléctricas y soluciones de rotor, así como en máquinas de
corriente directa y en rotores con devanado de bobina.
En lo precedente se ha descrito la invención con
la ayuda ciertas realizaciones. Sin embargo, la descripción no debe
considerarse como limitativa del alcance de la protección de
patente; las realizaciones de la invención pueden variar dentro del
alcance de las reivindicaciones que siguen.
Lista de piezas: motor de anillo colector 1;
estator 2; bobinados 3; separación de aire 4; rotor 5; cojinetes 6;
eje 7; unidad de anillo colector 8; banda de conexión 9; anillo de
centrado 10; extremo de bobina 11; superficie de anillo externo 12;
carcasa 13; calzos de ranura 14; bobinas 15; canal de aire 16;
calzos de ranura 17; parte de soporte 18.
\vskip1.000000\baselineskip
La lista de referencias citadas por el
solicitante es solo para comodidad del lector. No forma parte del
documento de Patente Europea. Aunque se ha tomado especial cuidado
en recopilar las referencias, no puede descartarse errores u
omisiones y la EPO rechaza toda responsabilidad a este
respecto.
\bullet US 6 029 338 A [0003]
\bullet GB 190 521 A [0007]
\bullet US 2005 0 023 928 A1 [0008].
Claims (8)
1. Una disposición en un rotor de máquina
eléctrica (5), que rota en torno a su eje de rotación y comprende al
menos una carcasa (13) y bobinas (15), que se proyectan como
extremos de bobina (11), y barras sobresalientes (17, 18) se
proyectan sustancialmente en la dirección del eje longitudinal,
desde la carcasa (13), fuera de la superficie de anillo externo
(12) formada por los extremos de bobina (11), caracterizada
porque hay una banda de conexión (9) ajustada sobre las barras
sobresalientes (17, 18), y puede insertarse una banda de conexión
(9) sobre las barras sobresalientes (17, 18), durante la instalación
de la banda de conexión (9).
2. La disposición acorde con la reivindicación
1, caracterizada porque las barras sobresalientes (17, 18)
son calzos de ranura.
3. Una disposición acorde con la reivindicación
1, caracterizada porque la banda de conexión (9) es al menos
parcialmente cónica sobre la superficie interna.
4. Una disposición acorde con la reivindicación
3, caracterizada porque la tasa de conicidad de la banda de
conexión (9) es de 1:40 a 1:50.
5. Una disposición acorde con la reivindicación
3, caracterizada porque la banda de conexión (9) posee
auto-sujeción.
6. Una disposición acorde con la reivindicación
1, caracterizada porque la máquina eléctrica (1) es un
generador de anillo colector.
7. Una disposición acorde con la reivindicación
2, caracterizada porque el canal de aire está formado por el
espacio entre dos calzos de ranura (17, 18), la banda de conexión
(9) y los extremos de bobina (11).
8. Un procedimiento de fabricación de un rotor
de una máquina eléctrica, procedimiento en el cual se instala en la
carcasa (13) del rotor (5), bobinas (15) que se proyectan como
extremos de bobina (11), y se instala fuera de la superficie de
anillo externo (12) formado por los extremos de bobina (11), barras
sobresalientes (17, 18) que se proyectan sustancialmente en la
dirección del eje longitudinal desde la carcasa (13),
caracterizado porque se monta una banda de conexión (9)
sobre las barras sobresalientes (17, 18), mediante insertar el rotor
(5) en el interior de la banda de conexión (9).
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