ES2303614T3 - Magnetogenerador permanente. - Google Patents
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Abstract
Un magnetogenerador (10) para aparatos autoalimentados, que comprende: un estator (11) que tiene un primer circuito magnético y un devanado eléctrico (21) que definen un primer sistema (17) de polos; un rotor (12) dispuesto coaxialmente con el estator (11), teniendo el rotor (12), a su vez, un segundo circuito magnético que comprende un segundo sistema (16) de polos, definiendo dichos sistemas (16, 17) de polos primero y segundo un sistema electromagnético multifase, teniendo los polos (17) del estator (11) y de los polos (16) del rotor (12) superficies polares opuestas que se extienden cada una de ellas sobre un eje longitudinal respectivo; y en el que el devanado eléctrico (21) del estator (11) está conectado a un puente (D) de diodos para rectificar la corriente eléctrica que fluye desde el generador (10); cada superficie polar (16) del sistema (16) de polos del rotor tiene bordes de polo y un eje longitudinal (A) que está inclinado angularmente en una misma dirección, con respecto a una línea de referencia (R) paralela a los ejes longitudinales de las superficies polares del estator (11); y caracterizado porque dicho sistemas multifase consiste en un sistema electromagnético de seis fases que comprende un primer devanado (22) en triángulo conectado entre un primer conjunto de diodos (D1-D3; D''1-D''3) del puente (D) rectificador, y un segundo devanado (23) en estrella conectado entre un segundo conjunto de diodos (D4-D6; D''4-D''6) del puente (D) rectificador.
Description
Magnetogenerador permanente.
Esta invención se refiere a generadores
magnetoeléctricos permanentes, de aquí en adelante
magnetogeneradores, y, en particular, a magnetogeneradores
diseñados para uso en aparatos autoalimentados.
Según se conoce, los magnetogeneradores se usan
frecuentemente en combinación con motores de combustión interna,
como generadores de corriente para alimentar las cargas eléctricas
de un vehículo, y para cargar su batería. Los campos de aplicación
usuales de estos magnetogeneradores son en general vehículos de dos
ruedas, motonieves, vehículos pequeños de tres o cuatro ruedas y
aplicaciones similares.
Ejemplos de magnetogeneradores se encuentran en
los documentos US-A-3.821.570,
US-A-3.911.889,
US-A-4.636.671 y
US-A-5.635.801.
En general, un magnetogenerador comprende: un
estator que tiene un circuito magnético y un devanado eléctrico que
definen un primer sistema de polos; un rotor de imán permanente
soportado para girar coaxialmente con el estator, en el que el
rotor tiene, a su vez, un circuito magnético que define un segundo
sistema de polos unido magnéticamente al sistema de polo del
estator. Los dos sistemas de polos tienen superficies polares
opuestas, que se extienden en paralelo hasta el eje del rotor.
Respecto de los magnetogeneradores usados en las
aplicaciones antes mencionadas, además de eficiencia, es importante
proporcionar robustez y capacidad de trabajar a altas
temperaturas.
Un campo de aplicación adicional para
magnetogeneradores es el de los aparatos autoalimentados; por
ejemplo, los aparatos profesionales usados normalmente en
gimnasios, centros médicos o por usuarios privados para realizar
ejercicios físicos, tales como bicicletas y similares. En estos
aparatos es necesario tener disponible una fuente de alimentación
independiente para hacer funcionar un freno electromagnético que
estabiliza el nivel de esfuerzo físico, y para suministrar
alimentación a un ordenador que procesa y muestra todos los datos
pertenecientes al esfuerzo físico, tales como por ejemplos las
calorías quemadas, el ritmo cardíaco y otros datos o
información.
En este campo particular, obtener la
alimentación de una red eléctrica ordinaria para suministrarla a
todos los equipos de los aparatos, implica el uso de cables de
conexión que pueden resultar inconvenientes cuando se mueve el
aparato por el entorno, involucrando además problemas de seguridad y
la necesidad consecuente de adoptar medidas adecuadas para impedir
cualquier lesión al usuario.
Para estas razones, existen aparatos
autoalimentados a la venta, que hacen uso de un magnetogenerador que
explota la energía de la persona que realiza el ejercicio físico,
para generar la corriente necesaria para alimentar los diversos
equipos.
En particular, el magnetogenerador puede usarse
para producir la energía eléctrica necesaria para alimentar a las
diversas partes del aparato, incluyendo el freno electromagnético, o
puede realizar tanto las funciones de suministrar energía a los
aparatos como las del freno electromagnético.
El uso y la ruidosidad de los magnetogeneradores
en general no entrañan problemas particulares en la gran mayoría de
los campos de aplicación; sin embargo, en el campo de los aparatos
autoalimentados, del tipo previamente mencionado, el ruido y las
vibraciones provocadas por el generador constituyen un problema
serio y engorroso.
Un problema adicional consiste en el fenómeno de
"oscilación" del generador, causado por el hecho de que los
polos salientes del estator, con el cual está dotado normalmente el
generador, no tienen una resistencia magnética constante a lo largo
de toda la periferia del entrehierro magnético existente entre el
rotor y el mismo estator; con el resultado de que, cuando se
detiene el generador, esto hace que el rotor oscilar alrededor de
cualquier posición que tenga una resistencia magnética mínima.
En algunos aparatos, por ejemplo en bicicletas,
esta oscilación resulta ser molesta porque se refleja en los
pedales, y puede sentirse negativamente por el usuario que realiza
el ejercicio.
Los polos salientes del estator y la falta de
una resistencia magnética constante, además de generar el fenómeno
de oscilación, también provocan vibraciones que, además de ser una
causa adicional de ruido, también resultan ser molestas debido a
que, por medio del bastidor metálico del aparato, se transmiten al
usuario.
\newpage
El documento
JP-A-11069679 describe un motor
eléctrico de CA conectado a una fuente de alimentación de CC por un
excitador, en el que se dispone un rotor cilíndrico está provisto de
polos que tienen bordes inclinados para reducir fluctuaciones del
par; causas adicionales de ruido son vibraciones o fluctuaciones
generadas por las reacciones electromagnéticas de corrientes
eléctricas que fluyen en el devanado de estator del generador.
El objeto principal de esta invención es
proporcionar un magnetogenerador para uso en aparatos
autoalimentados, que presente un bajo grado de oscilación y un
ruido limitado.
Un objeto adicional de esta invención es
proporcionar un magnetogenerador, para el uso antes mencionado, en
el que las reacciones electrodinámicas generadas por las corrientes
que fluyen en el generador se reduzcan sustancialmente a un mínimo,
reduciendo así adicionalmente el ruido.
Aún otro objeto de la invención es proporcionar
un magnetogenerador que tenga una resistencia magnética a la
rotación de un valor sustancialmente constante, y en el que la
fluctuación de la corriente de salida rectificada del generador sea
reducida a un nivel extremadamente bajo, por ejemplo equivalente a
un 1% o inferior, con una reducción consiguiente adicional de
vibraciones y ruido del generador.
Con el fin de obviar estos inconvenientes se ha
proporcionado un magnetogenerador según la reivindicación 1 que
tiene unas características constructivas particulares capaces de
reducir el fenómeno de oscilación, las causas que generan
vibraciones y, en consecuencia, reducir el ruido del generador
mismo.
En particular, según la invención, se ha
proporciona un magnetogenerador para aparatos autoalimentados, que
comprende:
un estator que tiene un primer circuito
magnético y un devanado eléctrico que definen un primer sistema de
polos;
un rotor dispuesto coaxialmente al estator,
teniendo, a su vez, el rotor un segundo circuito magnético que
comprende un segundo sistema de polos, definiendo dichos sistemas de
polos primero y segundo un sistema electromagnético multifase
los polos del estator y los polos del rotor
tienen superficies polares opuestas que se extienden cada una de
ellas sobre un eje longitudinal respectivo; y
en el que el devanado eléctrico del estator está
conectado a un puente (D) de diodos para rectificar la corriente
eléctrica que fluye desde el generador, caracterizado porque
cada superficie polar del sistema de polos del
rotor tiene bordes de polo y un eje longitudinal (A) inclinado
angularmente en una misma dirección, con respecto a una línea de
referencia (R) paralela a los ejes longitudinales de las
superficies polares del estator; y porque dicho sistemas multifase
consta de un sistema electromagnético de seis fases que comprende
un primer devanado en triángulo conectado entre un primer conjunto
de diodos (D1-D3; D'1-D'3) del
puente (D) rectificador, y un segundo devanado en estrella conectado
entre un segundo conjunto de diodos (D4-D6;
D'4-D'6) del puente (D) rectificador.
El ángulo formado por el eje longitudinal de la
superficie polar de cada polo del rotor, con respecto a una línea
de referencia paralela al eje longitudinal de cada superficie polar
del estator, que en el ejemplo mostrado es, a su vez, paralelo al
eje de rotación del rotor, puede seleccionarse dentro de un amplio
rango de valores de entre 10º y 30º; preferiblemente, para rotores
que tienen una longitud que oscila de 15 a 25 centímetros, la
inclinación del eje longitudinal de la superficie polar de cada polo
del rotor puede oscilar desde 15º a 20º. De hecho, en las pruebas
realizadas se observó que, en este estrecho rango de valores, se
reducían en mayor grado el fenómeno de oscilación y el ruido del
generador.
Estas y otras características del
magnetogenerador para aparatos autoalimentados, según esta
invención, serán más claramente evidentes a partir de la siguiente
descripción con referencia al ejemplo de los dibujos anexos en los
que se hace referencia a un generador de seis fases, con un rotor de
16 polos y un estator de 24 polos; en los dibujos:
La figura 1 muestra una vista en sección
transversal longitudinal del generador;
La figura 2 muestra un vista en planta desde
arriba de la figura 1;
La figura 3 muestra una vista en perspectiva del
rotor;
La figura 4 muestra un detalle del rotor;
La figura 5 muestra una vista en perspectiva del
estator; y
La figura 6 muestra un diagrama del devanado
eléctrico del estator, con un puente rectificador de seis fases.
\vskip1.000000\baselineskip
Según se muestra en la figura 1, el
magnetogenerador 10 comprende un estator 11 ilustrado más claramente
en la vista en perspectiva de la figura 5, y un rotor 12 ilustrado
más claramente en la vista en perspectiva de la figura 3.
El rotor 12 comprende una pared inferior
provista de un buje 13 para sujetar el rotor 12 a un eje de
accionamiento conectado directa o indirectamente, por ejemplo, a
los pedales de una bicicleta. El rotor 12 también comprende una
pared periférica 14 sobre cuyo interior se fija un anillo 15 de
material magnético; las paredes inferior y periférica del rotor
tienen un grosor considerable con el fin de constituir una especie
de volante.
El anillo magnético 15 del rotor está imantado
radialmente para formar un primer sistema de polos magnéticos con
polaridades N y S alternadamente opuestas, que están dispuestas en
sucesión alrededor de toda la circunferencia de la superficie
interior del miembro de anillo 15.
El uso de un solo anillo magnético 15 para el
rotor resulta ser extremadamente ventajoso, en comparación con el
uso de imanes individuales, porque hace posible obtener una
estructura simétrica más uniformemente equilibrada, impidiendo así
oscilación y vibraciones.
Según se muestra más claramente en la figura 3,
y en el detalle ampliado de la figura 4, cada polo del rotor 12, en
el lado interior orientado hacia el estator 11, tiene una superficie
polar 16 que se extiende a lo largo de toda la altura de la pared
periférica 14, en la dirección del eje longitudinal de rotación del
rotor 12.
El detalle de la figura 4 muestra con mayor
claridad una de las características del magnetogenerador según esta
invención; en esta figura se puede ver que los polos N, S del rotor
12, diseñados para situarse frente a los polos 17 del estator 11,
tienen una disposición inclinada de sus lados en comparación con una
disposición usual paralela al eje del rotor de los
magnetogeneradores convencionalmente conocidos.
Más precisamente, según se muestra en la figura
4, cada cara de polo N, S del rotor tiene una superficie polar 16
que tiene un eje longitudinal A que se extiende en paralelo a los
bordes laterales definidos por los planos de separación ideales
entre los polos magnéticos adyacentes del anillo 15.
En particular, el eje longitudinal A de cada
polo forma un ángulo \alpha con una línea recta de referencia R
paralela a la línea generatriz de la superficie cilíndrica del
anillo magnético 15, o paralela al eje de rotación del rotor
12.
El ángulo \alpha de inclinación de los polos N
y S del rotor deben determinarse mediante pruebas experimentales,
tomando también en consideración la longitud axial del rotor. En
general, el ángulo \alpha puede seleccionarse dentro del rango de
10º a 30º, para rotores que tienen una longitud que oscila de 15 a
25 milímetros; el ángulo \alpha puede oscilar preferiblemente de
15º a 20º porque se ha averiguado que dentro de este intervalo de
valores se obtienen los mejores rendimientos en términos de
reducción del fenómeno de oscilación del rotor y del ruido del
generador, pero sin excluir rendimientos aceptables también para
valores inferiores o superiores al rango de valores indicado
anteriormente.
Se eligió el uso de un circuito magnético para
el rotor, consistente en un solo miembro de anillo magnético, con
el fin de eliminar cualquier diferencia dimensional entre los polos;
de hecho, al construir el rotor de una manera convencional, es
decir, usando imanes individuales sujetos a un anillo de soporte
ferromagnético, sería absolutamente imposible garantizar una
perfecta simetría mecánica y magnética y unas condiciones
equilibradas, debido a diferencias inevitables existentes entre los
diversos imanes, con las inconveniencias consiguientes de que una
conformación de esta clase implicaría vibraciones y ruido.
El anillo magnético 15 está imantado radialmente
en consecuencia con los polos inclinados adecuadamente con el fin
de hacer constante la resistencia magnética entre rotor y estator a
lo largo de todo el entehierro.
Las diferencias de comportamiento entre un rotor
usual que tiene polos no inclinados y un rotor con polos inclinados
según la invención, pueden verificarse inmediatamente también a mano
moviendo el rotor y observando la falta de clics en el movimiento
giratorio, así como la falta de puntos muertos o posiciones de
detención preferentes.
El estator 11, según se muestra en las figuras
1, 2 y 5, comprende, a su vez, un circuito magnético que define un
segundo sistema de polos salientes 17 dispuestos radialmente. Cada
polo 17 del estator 11 se obtienen cortándolo de una chapa metálica
magnética; se empaquetan las chapas adecuadamente conformadas y se
las moldea conjuntamente a continuación con un material plástico
aislante, sobre el cual se enrollarán seguidamente las espiras
individuales del devanado. Cada polo 17 del estator 11 tiene una
superficie polar periférica 20 orientada hacia el rotor, teniendo
un eje longitudinal paralelo al eje de la superficie polar del
rotor, es decir, paralelo a unas líneas de referencia R para las
superficies polares 16 del rotor 12.
De una manera de por sí conocida, cada polo 17
del estator 11 está rodeado por una espira 21 conectada
eléctricamente a las espiras 21 de los otros polos 17 para formar
el devanado eléctrico en el cual la corriente eléctrica producida
por el generador será inducida a fluir, con el fin de alimentar un
aparato al cual está conectado el generador.
En particular, en el caso de un generador de
seis fases, según se muestra en el ejemplo de la figura 6, el
devanado eléctrico del estator comprende un primer devanado en
triángulo 22 conectado a un conjunto de diodos D1, D2, D3 y D'1,
D'2, D'3 de un puente rectificador 24; también comprende un segundo
devanado en estrella 23 conectado a un segundo conjunto de diodos
D4, D5, D6 y D'4, D'5, D'6 del puente rectificador 24.
De esta manera, la corriente de impulsos
rectificada, procedente del puente 24 de diodos, puede alimentarse
al aparato por medio de los conductores 27 y 28, y presenta un
factor de fluctuación muy bajo, equivalente o inferior a un 1%.
Preferiblemente, según una característica
adicional del magnetogenerador de conformidad con esta invención,
el puente rectificador 24 está fijado directamente a un lado del
estator 11; esta disposición particular del puente 24 de diodos le
permite conectarse directamente a los devanados 22 y 23, con la
ventaja de tener dos conductores 27 y 28 únicamente en la salida
del generador, además del conductor 29 de tierra.
Aunque una solución de tres fases con una
conexión en estrella o en triángulo del devanado del estator resulta
ser la más económica de todas las soluciones multifase posibles, se
averiguó que era ventajoso elegir una solución de seis fases porque
resulta ser la más interesante técnicamente, dado que ésta ofrece la
posibilidad de reducir la fluctuación de la corriente hasta un
nivel muy bajo; para lograr este resultado, es necesario hacer que
los dos devanados eléctricos 22 y 23 estén desfasados uno de otro,
uno estará conectado en triángulo y el otro conectado en estrella,
obteniendo así, a la salida del puente rectificador 24, impulsos de
corriente desfasada en 30º y, en consecuencia, valores de
fluctuación muy bajos.
A partir de lo que se ha descrito y mostrado en
el ejemplo de las figuras 1 a 6, resultará claro que lo que se
proporciona es un magnetogenerador que tiene las características
descritas; sin embargo, es obvio que pueden hacerse otras
modificaciones o variaciones con respecto a la disposición angular
de las superficies polares del estator y del rotor, al devanado
eléctrico del estator y a los dos sistemas polares, sin desviarse
por ello del alcance de las reivindicaciones.
Claims (6)
1. Un magnetogenerador (10) para aparatos
autoalimentados, que comprende:
un estator (11) que tiene un primer circuito
magnético y un devanado eléctrico (21) que definen un primer
sistema (17) de polos;
un rotor (12) dispuesto coaxialmente con el
estator (11), teniendo el rotor (12), a su vez, un segundo circuito
magnético que comprende un segundo sistema (16) de polos, definiendo
dichos sistemas (16, 17) de polos primero y segundo un sistema
electromagnético multifase,
teniendo los polos (17) del estator (11) y de
los polos (16) del rotor (12) superficies polares opuestas que se
extienden cada una de ellas sobre un eje longitudinal respectivo; y
en el que el devanado eléctrico (21) del estator (11) está
conectado a un puente (D) de diodos para rectificar la corriente
eléctrica que fluye desde el generador (10);
cada superficie polar (16) del sistema (16) de
polos del rotor tiene bordes de polo y un eje longitudinal (A) que
está inclinado angularmente en una misma dirección, con respecto a
una línea de referencia (R) paralela a los ejes longitudinales de
las superficies polares del estator (11); y caracterizado
porque dicho sistemas multifase consiste en un sistema
electromagnético de seis fases que comprende un primer devanado (22)
en triángulo conectado entre un primer conjunto de diodos
(D1-D3; D'1-D'3) del puente (D)
rectificador, y un segundo devanado (23) en estrella conectado
entre un segundo conjunto de diodos (D4-D6;
D'4-D'6) del puente (D) rectificador.
2. Un magnetogenerador según la reivindicación
1, caracterizado porque el ángulo (\alpha) entre el eje
(A) de cada superficie polar (16) de los polos del rotor (12) y la
línea de referencia (R) oscila de 10º a 30º.
3. Un magnetogenerador según la reivindicación
2, caracterizado porque el ángulo (\alpha) antes mencionado
oscila preferiblemente de 15º a 20º.
4. Un magnetogenerador según la reivindicación
1, caracterizado porque el eje longitudinal (A) de la
superficie polar (16) de cada polo del rotor (12) está inclinado
con respecto al eje de rotación del rotor (12).
5. Un magnetogenerador según la reivindicación
1, caracterizado porque el circuito magnético del rotor (12)
consta de un único miembro (15) de anillo radialmente
polarizado.
6. Un magnetogenerador según la reivindicación
1, caracterizado porque el puente (D) rectificador está
fijado directamente a un lado del estator (11).
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