ES2319392T3 - Refrigeracion de un arrollamiento de entrehierro de maquinas electricas. - Google Patents

Abstract

Un estator (5) para una máquina (2) eléctrica con entrehierro, comprendiendo el estator: un núcleo (14) de estator laminado anular externo, coaxial con un eje (C) longitudinal de la máquina, un arrollamiento (13) de estator, en el interior del núcleo de estator, y que comprende una pluralidad de bobinas que tienen porciones (16) conductoras lineales, y una pluralidad de soportes (20A, 20B) para las bobinas, extendiéndose los soportes junto a las porciones conductoras lineales de las bobinas, en el que los soportes están fabricados a partir de un material no-magnético, y cada soporte está intercalado entre, y en contacto con, dos adyacentes de las porciones (16) conductoras lineales de las bobinas, que se caracteriza porque al menos algunos de los soportes definen canales (24A, 24B) para el flujo de un refrigerante a lo largo de los mismos, con el fin de extraer calor de las bobinas, y las porciones (16) conductoras lineales de la pluralidad de bobinas están dispuestas en dos capas (26, 28) que están enchavetadas entre sí en una interfaz almenada entre dos capas (20A, 20B) correspondientes de soportes, para proporcionar resistencia mecánica.

Description

Refrigeración de un arrollamiento de entrehierro de máquinas eléctricas.

Campo de la invención

Esta invención se refiere a la refrigeración de máquinas eléctricas, y en particular, aunque no exclusivamente, a la refrigeración de estatores en máquinas de inducción que producen una alta densidad de flujo magnético.

Antecedentes de la invención

Las máquinas de inducción son conocidas desde hace más de un siglo. Habitualmente, tales máquinas comprenden un rotor central generalmente cilíndrico y un estator anular externo, aunque también se conocen máquinas lineales. Además, es habitual que las bobinas o arrollamientos conductores, que se extienden longitudinalmente en el estator, estén arrollados en ranuras proporcionadas en un núcleo de estator de hierro laminado, con el fin de aumentar el flujo producido por los arrollamientos del estator, es decir, los arrollamientos del estator pasan entren "dientes" de hierro laminado definidos por los lados de las ranuras. Sin embargo, en máquinas cuyos arrollamientos son susceptibles de producir densidades de flujo muy altas (es decir, por encima de 1,5 Tesla en el entrehierro entre el rotor y el estator), el uso de dientes de estator de hierro se vuelve indeseable, debido a la reactancia incrementada y a las pérdidas más elevadas en el hierro resultantes de la saturación magnética de los dientes del estator. En consecuencia, en tales máquinas, los dientes de hierro se sustituyen ventajosamente por dientes no-magnéticos para soporte de los arrollamientos del estator. El entrehierro entre la periferia del rotor y el comienzo del núcleo del estator de hierro, se extiende ahora efectivamente hasta el fondo de las ranuras del estator. Puesto que el arrollamiento del estator está completamente en el interior del entrehierro, este tipo de construcción, a la que se refiere particularmente la presente invención, se conoce como "arrollamiento de entrehierro".

Se requiere, por supuesto, alguna forma de refrigerar los estatores de tales máquinas. En general la refrigeración de los estatores de las máquinas de inducción es un problema bien conocido que ha sido resuelto de diversas maneras, por ejemplo, mediante la refrigeración de los pasos que se extienden axialmente y/o radialmente a través del estator. El documento WO 01/17094 A1, por ejemplo, muestra pasos radiales de aire de refrigeración, proporcionados entre apilamientos adyacentes de chapas estampadas dentadas en un núcleo de estator de hierro.

Sin embargo, tales densidades de flujo elevadas como las mencionadas en la que antecede, permiten el diseño de máquinas mucho más pequeñas que tienen densidades de potencia más altas, lo que da como resultado una mayor generación de calor en el interior de los arrollamientos del estator, pero al mismo tiempo un área superficial muy reducida para la refrigeración. Esto necesita un sistema de refrigeración más eficiente de lo que pueden proporcionar las disposiciones conocidas, con el fin de prolongar la vida de la máquina.

El documento US 4228375 describe un estator que posee soportes situados entre pares respectivos de barras de arrollamiento individuales. Al menos algunos de los soportes incluyen un líquido o un gas a presión, para asegurar el refresco tangencial del estator.

Sumario de la invención

Un objeto de esta invención consiste en proporcionar un arrollamiento de estator de entrehierro en una máquina eléctrica de alta densidad de potencia, con una buena refrigeración combinada con un buen soporte estructural del arrollamiento.

De acuerdo con la invención, se proporciona un estator para una máquina eléctrica de entrehierro, comprendiendo el estator:

un núcleo de estator laminado anular externo, coaxial con un eje longitudinal de la máquina;

un arrollamiento de estator en el interior del núcleo de estator y que comprende una pluralidad de bobinas que tienen porciones conductoras lineales, y

una pluralidad de soportes para las bobinas, extendiéndose los soportes a lo largo de las porciones conductoras lineales de las bobinas,

en el que los soportes están fabricados a partir de un material no-magnético, y cada soporte está intercalado entre, y en contacto con, dos porciones conductoras lineales adyacentes de las bobinas, Caracterizado porque al menos algunos de los soportes definen canales para el flujo del refrigerante a lo largo de los mismos, para extraer con ello el calor desde las bobinas, y

las porciones conductoras lineales de la pluralidad de bobinas están dispuestas en dos capas que están enchavetadas conjuntamente en una interfaz almenada entre dos capas correspondientes de soportes para proporcionar resistencia mecánica.

Una estructura de ese tipo resulta ventajosa debido a que proporciona un uso eficiente del espacio del interior del estator, ya que el área en sección transversal del soporte que no se necesita para soportar el arrollamiento, puede ser utilizada para el transporte de refrigerante.

Con preferencia, todos los soportes definen canales para el flujo de refrigerante, y el material no-magnético con el que se han fabricado es no-metálico, por ejemplo plástico reforzado con fibra.

Las porciones conductoras lineales de las bobinas discurren sustancialmente paralelas al eje longitudinal de la máquina, de modo que los soportes proporcionan soporte a las bobinas sustancialmente para todas las porciones conductoras lineales de las bobinas, con lo que la refrigeración de las bobinas se proporciona sustancialmente a la totalidad de sus porciones conductoras lineales.

Los canales de flujo del refrigerante pueden estar definidos tanto internamente como externamente a los soportes. Si los canales están en el interior de los soportes, los soportes pueden comprender ventajosamente carcasas huecas cuyas paredes forman los límites del canal, con lo que el calor es conducido desde las bobinas, a través de las paredes, y hacia el refrigerante que circula a través de los mismos. Sin embargo, si se prefiere que los canales estén definidos por el exterior de los soportes, entre las superficies externas de los soportes y las superficies externas de las bobinas, el calor puede ser transferido directamente desde las bobinas hacia el refrigerante sin pasar a través de ninguna pared intermedia.

En una variante de la invención, las porciones conductoras lineales de las bobinas están soportadas desde los soportes por medio de separadores previstos entre los soportes y las porciones conductoras lineales, con lo que los canales de refrigerante están definidos entre las caras enfrentadas de las porciones conductoras lineales de las bobinas y los soportes.

Sin embargo, los inventores han encontrado que la mejor manera de definir los canales de flujo del refrigerante consiste en la formación de cada superficie del soporte de contacto con la bobina con al menos una depresión en la misma, extendiéndose la depresión longitudinalmente al soporte, estando con ello los límites de los canales de flujo del refrigerante definidos por las partes depresionadas de las superficies externas de los soportes y por la superficies externas de las bobinas. Con preferencia, al menos dos de tales canales están definidos entre cada porción conductora lineal y cada soporte adyacente. Para evitar sobrefatigar los soportes, se prefiere que las depresiones en las superficies de contacto de bobina de los soportes, sean de forma cóncava suavemente curvadas cuando se ven en una sección que sea transversal respecto a su extensión longitudinal.

Con preferencia, los colectores de entrada y salida de refrigerante comunican con extremos respectivos axialmente opuestos de los canales para facilitar el flujo de refrigerante a través de los canales.

Las bobinas incluyen arrollamientos extremos para conectar las porciones conductoras lineales de las bobinas entre sí, extendiéndose los arrollamientos extremos en los colectores de entrada y salida, de modo que se utiliza el mismo fluido refrigerante para refrigerar tanto los arrollamientos extremos como las porciones conductoras lineales.

El arrollamiento del estator comprende dos capas o tongadas, siendo éstas respectivamente una capa radialmente interna y una capa radialmente externa de porciones conductoras lineales de las bobinas. En este tipo de arrollamiento, los arrollamientos extremos comprenden conexiones entre las dos capas. Para proporcionar resistencia mecánica a las fuerzas de torsión reactivas generadas por la máquina, las dos capas están enchavetadas conjuntamente en una interfaz almenada entre las dos capas. Las almenas pueden comprender soportes que tengan diferentes extensiones radiales de tal modo que al menos alguno de los soportes de al menos una de las capas se extienda entre las porciones conductoras lineales de las bobinas de la capa adyacente. Adicionalmente, o alternativamente, el arrollamiento del estator puede ser enchavetado en el núcleo del estator en una interfaz almenada entre ambos mediante el recurso de hacer que los extremos radialmente externos de algunos, o de todos, los soportes adyacentes al núcleo, se extiendan radialmente más allá de las porciones conductoras lineales de las bobinas en ranuras de emparejamiento extendidas axialmente, previstas en el núcleo del estator.

Las porciones conductoras lineales de las bobinas pueden ser proporcionadas por paquetes rectangulares de conductores, teniendo los paquetes rectangulares sus dimensiones mayores extendidas en dirección radial. En el interior de los paquetes, los conductores pueden ser rectangulares, y están formados preferentemente por hilos metálicos de pequeño diámetro, estando los hilos metálicos aislados unos de otros en el interior de los conductores.

La invención proporciona además un motor o generador eléctrico que tiene un estator según se ha descrito en lo que antecede.

Breve descripción de los dibujos

A continuación se realiza, a título de ejemplo únicamente, una descripción de realizaciones de la invención con referencia a los dibujos que se acompañan, en los que:

La Figura 1 muestra una sección longitudinal parcial a través de máquina de inducción de entrehierro de acuerdo con una primera realización de la presente invención;

la Figura 2A muestra parte de una sección transversal tomada por la línea A-A de la Figura 1;

la Figura 2B es una vista en perspectiva de un detalle de la sección mostrada en la Figura 2A;

la Figura 3 está relacionada con una segunda, y preferida, realización de la invención, y es una vista similar a la Figura 2A, pero que muestra una porción más pequeña de la sección transversal en forma agrandada.

Descripción detallada de la realización preferida

El motor 2 eléctrico mostrado en la Figura 1, comprende un rotor 4 interno, indicado esquemáticamente mediante líneas de puntos, y un estator 5 externo. El rotor 4 está montado de forma fija en un eje 6 mantenido en cuanto a rotación sobre una línea central C axial por medio de rodamientos 7, los cuales están soportados por paredes 8 extremas de una carcasa 9 de la máquina. El estator 5 se mantiene dentro de un armazón 10 de estator cilíndrico externo, el cual a su vez forma parte de una pared 11 lateral generalmente cilíndrica de la carcasa 9.

Por dentro de la carcasa 9 de la máquina, un tanque 12 hermético al fluido, encierra el estator 5 y separa el rotor 4 del estator. El estator comprende en sí mismo un arrollamiento 13 que comprende un número de bobinas y un núcleo 14 de hierro laminado, habiéndose representado las chapas estampadas esquemáticamente por medio de líneas de sombreado verticales. Las bobinas del arrollamiento 13 están conectadas a una alimentación eléctrica (no representada) para la generación de un campo electromagnético que interactúa con el rotor 4 para hacerlo girar y producir una salida de par torsor útil sobre el eje 6.

Aunque el arrollamiento 13 está montado en el interior del núcleo 14 de hierro, no existe ningún material magnético que se extienda entre espiras circunferencialmente adyacentes del arrollamiento, es decir, por las razones que se han adelantado en los Antecedentes de la invención, el arrollamiento 13 es un arrollamiento de entrehierro. Según se aprecia mejor en las Figuras 2A y 2B, las espiras del arrollamiento comprenden grandes paquetes 16 de conductores 18, teniendo cada paquete 16 una capa de asilamiento 22 alrededor de su circunferencia, y una sección transversal sustancialmente rectangular que es alargada en dirección radial. En este ejemplo particular, cada paquete 16 de conductores consiste en catorce conductores 18, dispuestos en dos columnas de siete, pero se pueden utilizar más o menos conductores, según se requiera en virtud de cualquier característica nominal de la máquina. Los conductores 18 son también de sección transversal sustancialmente rectangular o cuadrada (aunque son posibles configuraciones alternativas), estando cada conductor aislado de los otros conductores 18 dentro del paquete 16 para minimizar la formación de corrientes parásitas que pudieran reducir la eficacia de la máquina 2. El aislamiento de los paquetes 16 de conductores y de los conductores 16 del interior de los paquetes, se puede realizar con medios habituales conocidos en la industria, por ejemplo, mediante un arrollamiento de cinta de fibra de vidrio o similar.

Puesto que la disposición de arrollamiento de entrehierro provoca que casi la totalidad del flujo magnético pase a través de los conductores 18 del arrollamiento del estator, se hace también necesario minimizar la inducción de corrientes parásitas en el interior de los propios conductores, las cuales podrían, en su caso, circular alrededor de la sección transversal del conductor. Tales corrientes parásitas se minimizan formando cada conductor 18 con un gran número de hilos de pequeño diámetro (es decir, 1 mm), estando cada hilo recubierto con una laca para aislarlo de los hilos contiguos, según se conoce en la industria.

En la presente realización, el arrollamiento 13 de estator completo consiste en un gran número de bobinas conductoras individuales. Las bobinas están constituidas por los paquetes 16 de conductores, teniendo cada bobina 14 espiras dispuestas en dos tongadas o capas 26, 28, comprendiendo cada capa dos columnas mencionadas de siete conductores. Los conductores 18 son lineales a lo largo de su porción de longitud L generadora de campo (Figura 1), donde pasan a través del entrehierro entre el núcleo 14 de estator y el rotor 4, pero para realizar cada bobina (y al hacerlo así, para realizar las conexiones entre las capas) es necesario unir los extremos de las partes rectas de los conductores entre sí por medio de bucles denominados arrollamientos 34 extremos, los cuales se proyectan de forma axial sustancialmente hasta más allá de los extremos del núcleo 14 de estator.

Tras la formación y el montaje de las bobinas conductoras, incluyendo sus arrollamientos extremos, en configuración de "diamante" final y bien conocida, requerida para el arrollamiento 13 de estator, aquellas son sometidas a un proceso de impregnación por presión de vacío y curado, también conocido en la industria, para impregnarlas por completo (incluyendo las zonas entre los hilos de alambre del interior de los conductores 18) con una resina termo-endurecible adecuada resistente al calor. Esto incrementa el aislamiento y la resistencia mecánica del arrollamiento, e impide la penetración del arrollamiento por parte de los componentes atmosféricos corrosivos, tales como el oxígeno y el vapor de agua. El proceso de impregnación al vacío puede ser llevado a cabo en el momento más conveniente durante la fabricación de la máquina, como se expone en el ejemplo que sigue.

Una capa 30 separadora aislante, se inserta entre paquetes 16 de conductores radialmente adyacentes, durante el montaje del arrollamiento del estator, para proporcionar un espacio libre entre las capas 26, 28 y permitir con ello un espesor de aislamiento más grande en la transición entre las porciones rectas de las bobinas y los arrollamientos 34 extremos.

Como se podrá apreciar mejor en las Figuras 2A y 2B, los paquetes 16 de conductores en sus dos capas 26 y 28, se mantienen en su posición, y están soportados, por medio de un número de "dientes" de soporte no-magnéticos, o riostrar 20A, 20B, respectivamente, los cuales sustituyen a los "dientes" de hierro laminados entre los que se mantendrían normalmente los arrollamientos de estator en una máquina que tenga una menor densidad de flujo magnético. Según se apreciará a partir de las Figuras, los paquetes 16 de conductores y sus soportes 20A, 20B se extienden axialmente, extendiéndose de forma sustancialmente paralela al eje C longitudinal.

Puesto que el arrollamiento 13 es un arrollamiento de entrehierro, los paquetes 16 de conductores deben ser capaces de reaccionar al par torsor creado por la interacción de los campos electromagnéticos del rotor y del estator. Los soportes 20A, 20B suplementan por lo tanto la resistencia mecánica del arrollamiento impregnado de resina.

Según puede apreciarse a partir de la Figura 2A, los paquetes 16 de conductores de la capa 26 están en alineamiento radial y axial con los paquetes de conductores de la capa 28, y los soportes 20A de la capa 26 y 20B de la capa 28 están igualmente en alineamiento radial y axial unos con otros. Sin embargo, los paquetes 16 de conductores de cada capa 26, 28 tienen secciones rectangulares, y también tienen las mismas dimensiones, y por lo tanto, para realizar un contacto íntimo entre los soportes 20A, 20B y los paquetes 16 de conductores sobre la extensión radial del arrollamiento del estator, es necesario que los soportes se ahúsen en dirección radial, desde una anchura máxima en la circunferencia radialmente externa del arrollamiento del estator, hasta una anchura mínima en la circunferencia radialmente interna del arrollamiento del estator. Esto compensa la separación circunferencial incrementada entre paquetes adyacentes de conductores en la circunferencia radialmente externa del arrollamiento del estator, con relación a su separación en su circunferencia interna.

Se debe apreciar que los soportes 20A de la capa 26 interna son radialmente más largos que los paquetes 16 de conductores en una cierta cantidad, mientras que los soportes 20B de la capa 28 más externa son radialmente más cortos que los paquetes 16 de conductores en la misma cantidad. Los soportes 20A de la capa 26 se extienden, por lo tanto, radialmente hacia el exterior entre las porciones generadoras de campo de las bobinas de la capa 28 adyacente. Por lo tanto, según se ve en sección radial, la región de interfaz entre las capas 26 y 28, tiene un aspecto almenado. De esta forma, las dos capas 26, 28 están enchavetadas conjuntamente, o entrelazadas para reaccionar al par torsor rotor inducido de manera más efectiva. El experto podrá apreciar, por supuesto, que son posibles variaciones de este diseño de entrelazado. Por ejemplo, la capa 26 podría estar dotada de los soportes 26 radialmente más cortos, y la capa 28 podría tener los radialmente más largos, o se podrían alternar soportes radialmente más largos y más cortos en ambas capas de forma complementaria, para producir un almenado con dos escalones. Alternativamente, solamente soportes seleccionados de cada fila podrían ser radialmente más largos o más cortos que los paquetes de conductores, siendo los otros soportes de la misma longitud radial que los paquetes. Como alternativa adicional, puede ser posible producir una estructura de núcleo de estator no magnética de dos capas, de resistencia adecuada, sin tener una interfaz almenada entre las dos capas. En ese caso, todos los soportes de las dos capas podrían tener la misma extensión radial que sus paquetes de conductores adyacentes, y la estructura del núcleo podría basarse simplemente en la resistencia de, por ejemplo, una resina termo-endurecible o de otra unión adhesiva de alta temperatura en la interfaz entre las dos capas.

Todavía otra característica fortalecedora del arrollamiento de estator de la realización ilustrada, se muestra en la Figura 2A. Según se muestra mediante líneas discontinuas, sería posible hacer que el extremo 36 radialmente externo de alguno de, o de todos, los soportes 20B, se extienda radialmente hacia el exterior, en ranuras de emparejamiento extendidas axialmente, previstas en la superficie interna del núcleo 14 de estator, proporcionando con ello una interfaz almenada entrelazada entre el arrollamiento 13 de estator y el núcleo 14 de estator, para reaccionar al par torsor rotor inducido.

Debido a su alta densidad de potencia, el tamaño físico de la máquina ilustrada es más pequeño que el de las máquinas de densidad de potencia más baja, con el mismo valor nominal. Por consiguiente, existe un área superficial reducida para la refrigeración. La invención hace uso de la ausencia de dientes de hierro magnético para proporcionar un sistema eficiente de refrigeración del estator. Puesto que los dientes de soporte del estator, o riostras 20A, 20B, solamente se necesitan para separar y soportar las bobinas, los soportes pueden estar hechos en forma de carcasas huecas como se muestra en las Figuras 2A y 2B, estando los soportes abiertos en extremos axialmente opuestos del estator, creando con ello canales 24 de extremos abiertos que se extienden axialmente, a lo largo y a través de los cuales puede pasar un medio de refrigeración. Se prefiere que los soportes 20A y 20B estén hechos de un material compuesto reforzado con una fibra de vidrio adecuada (o quizás con fibra de grafito). Un espesor de pared adecuado para los soportes es del orden de 2 mm. Los soportes pueden estar fabricados a partir de un material compuesto reforzado con fibra de vidrio. Alternativamente, los soportes pueden estar fabricados a partir de un material no magnético que sea también un buen conductor térmico. Sin embargo, esto no es esencial debido a que el área superficial de los soportes a través de la cual puede producirse la transferencia de calor, puede ser suficientemente grande como para proporcionar una refrigeración suficiente.

Según se aprecia en la Figura 1, el tanque 12 que encierra al estator 5 está dividido por el estator en un colector 38 de entrada de refrigerante y un colector 40 de salida de refrigerante. Los arrollamientos 34 extremos se extienden hacia los colectores. Se ha proporcionado una entrada 42 de refrigerante en la parte superior o región radialmente externa del colector 38 de entrada, y se ha proporcionado una salida 44 de refrigerante en una parte inferior o región radialmente interna del colector 40 de salida. Para asegurar el mismo efecto refrigerante sobre todas las partes de los arrollamientos 34 extremos en el colector 38 de entrada, el refrigerante procedente de la entrada 42 entra en el colector de entrada a través de un anillo 45 toroidal que se extiende alrededor de la circunferencia interna del colector. La pared del toroide 45 tiene un gran número de orificios en la misma, estando los orificios espaciados alrededor de la circunferencia del colector de modo que el refrigerante es distribuido de manera uniforme sobre los arrollamientos extremos. Se han previsto deflectores 46 para evitar el estancamiento del flujo en las esquinas de los colectores de entrada y salida, y para suavizar el flujo de refrigerante hacia, y hacia fuera de, los canales 24A, 24B del refrigerante de estator proporcionados por los soportes 20A, 20B. Se proporciona un deflector adicional o vertedero 50 para asegurar que los arrollamientos 34 de extremo se sumergen completamente en el refrigerante según circula más allá de los mismos, para refrigerarlos por contacto directo con su aislamiento externo.

Durante el uso, un refrigerante, en este caso un refrigerante líquido aislante inerte, es bombeado hacia el colector 38 de entrada a través de la entrada 42 de líquido. Un refrigerante preferido es el Midel 7131^{TM}, fabricado por M&I Materials Ltd. Este fluido se utiliza normalmente para refrigerar transformadores, y posee una capacidad de calor específico de 2100 Jkg^{-1}K^{-1}, aproximadamente la mitad que el agua. Se prefiere un refrigerante inerte al agua debido a la corrosión inherente y a los riesgos eléctricos asociados al agua. La presión creada por el bombeo provoca que el líquido circule a través de los soportes 20A, 20B hasta el colector 40 de salida. Según pasa el líquido a través de los soportes 20, se produce la transferencia de calor, y se extrae calor de los conductores 18 del interior de los paquetes 16 de conductores, con lo que los conductores se enfrían. Una vez que el líquido ha alcanzado el colector de salida, pasa sobre el vertedero 50, y es bombeado hacia fuera de la salida 44 de líquido. A continuación se enfría en un intercambiador de calor adecuado con anterioridad a que pase a la entrada 42 de líquido para reiniciar el ciclo.

Refrigerando de acuerdo con la invención para mantener una temperatura baja en el arrollamiento del estator, se incrementa la eficacia eléctrica puesto que las pérdidas en el arrollamiento se reducirán debido a la resistividad más baja del cobre a temperaturas inferiores.

Se pueden utilizar refrigerantes alternativos si se desea, si la refrigeración que se debe hacer mediante los mismos está equiparada con sus capacidades de enfriamiento; por ejemplo, aire a presión, u otros gases, o agua.

Se pueden utilizar diseños alternativos de canales de refrigeración; por ejemplo, los soportes 20A, 20B pueden ser cerrados por sus extremos en vez de los canales abiertos y estrechos (de nuevo, abiertos por ambos extremos del estator para comunicar con la entrada de refrigerante y con los colectores de salida) que pueden ser creados en las interfaces de los paquetes de conductores y los soportes al insertar entre los mismos tiras separadoras que se extienden axialmente. En consecuencia, el refrigerante podría realizar un contacto directo con el aislamiento externo de los paquetes 16 de conductores, facilitando una refrigeración más eficiente del arrollamiento del estator.

La Figura 3 ilustra la realización más preferida de la invención, la cual hace uso del principio mencionado anteriormente de un contacto directo del refrigerante con el aislamiento 322 externo de los paquetes 316 rectangulares de conductores. Una vez más, las espiras de las bobinas eléctricas del estator están dispuestas en dos tongadas 326, 328, y los conductores 318 del interior de los paquetes 316 son rectangulares. Las bobinas/paquetes de conductores están construidos generalmente de la misma forma que en la primera realización, pero esta vez cada paquete consiste en dieciocho conductores, dispuestos en dos columnas de nueve, para facilitar la producción de una potencia más alta que en la primera realización.

Intercalados entre bobinas adyacentes, y en contacto sustentador estanco con ambas tongadas de bobinas, se encuentran dientes de soporte o riostras 320 que se extienden axial y radialmente, que difieren significativamente de las riostras de soporte de las Figuras 1 y 2.

En primer lugar, para conseguir rigidez y resistencia, las riostras 320 de soporte son de construcción maciza unitaria (aunque pueden tener un vacío interior si esa construcción fuera suficientemente rígida y fuerte), y se extienden sin juntas o divisiones desde la circunferencia interior del núcleo 314 de estator casi hasta la circunferencia interior del tanque 312 anular, hermético al fluido, que encierra al estator. En el presente caso, se prevé que sean moldeadas a partir de un material compuesto adecuado, reforzado con fibra de vidrio o de grafito, por razones de resistencia y de rigidez.

En segundo lugar, los extremos radialmente externos de todas las riostras 320 de soporte están formadas a modo de "colas de milano" 335 cuando se ven en sección transversal, y están alojadas en ranuras o canales 336 configurados complementariamente, que se extienden axialmente a lo largo del diámetro interno del núcleo del estator. Esto produce una interfaz circunferencialmente escalonada o almenada entre el conjunto de arrollamiento y el núcleo 314, que reacciona al par torsor de los arrollamientos, y rigidiza el conjunto del arrollamiento.

En tercer lugar, cada lado de cada riostra 320 de soporte está dotado de depresiones o ranuras 323 moldeadas en el mismo, en las superficies externas de los soportes. Junto con las superficies externas de las porciones conductoras rectas de las bobinas, los soportes definen con éstas canales 324 para el flujo de refrigerante a lo largo de los mismos, en contacto directo con el aislamiento 322 de los paquetes de conductores. Las depresiones 323 han sido representadas como dotadas de una sección transversal cóncava suavemente curvada en dirección radial, en vez de tener esquinas internas, para evitar una sobrefatiga en cualquier parte de los soportes 320. En la Figura 3, se han definido dos canales 324 entre cada porción conductora lineal y cada soporte adyacente, aunque se pueden proporcionar más o menos canales, según se estime necesario, para extraer adecuadamente el calor desde los paquetes de conductores.

Para permitir la expansión térmica de las tongadas 326, 326 de las bobinas de estator durante el funcionamiento de la máquina a alta potencia, se ha dejado un pequeño espacio libre X, del orden de uno a dos milímetros, entre la circunferencia externa del tanque 312 y la circunferencia radialmente interna del conjunto de arrollamiento del estator. Se han proporcionado separadores 330 de aislamiento entre las dos tongadas 326, 328 del arrollamiento, y se han proporcionado separadores 331 adicionales de aislamiento entre la tongada 328 radialmente externa y el núcleo 314 de estator.

Haciendo de nuevo referencia a las Figuras 1 y 2, se va a describir el montaje del estator 5 de esta realización a partir de sus piezas componentes, y a este respecto, se debe observar una característica adicional a partir de la Figura 2B. Para ayudar a la unión de los paquetes 16 de conductores con sus soportes 20A durante el montaje del arrollamiento del estator, y para incrementar la resistencia del arrollamiento montado, los soportes 20A se han dotado de muescas o rebajes 32 en varias posiciones equiespaciadas a lo largo de sus longitudes axiales. En esas posiciones, los rebajes reducen la dimensión radial de los soportes 20A a la del paquete 16 de conductores circunferencialmente adyacente, facilitando con ello el arrollamiento de cinta 33 de fibra de vidrio o similar alrededor de ambos objetos para unirlos entre sí. La capa interior de los soportes 20A puede ser encintada respecto a sus paquetes de conductores con anterioridad a que los paquetes de conductores sean ensamblados con sus arrollamientos extremos para formar las bobinas. Una vez que esto ha sido realizado, la capa externa de soportes 20B puede hacerse deslizar hacia su lugar. Se comprenderá, por supuesto, que los soportes 20A, 20B y las bobinas del arrollamiento 13 del estator, en sus dos capas, se ensamblan entre sí para formar un conjunto de arrollamiento de estator con anterioridad a que el arrollamiento sea unido con el núcleo 14 de estator para producir el estator 5 completo.

Por otra parte, el conjunto de arrollamiento de estator preferido de la Figura 3, puede ser fabricando ensamblando simplemente las bobinas y haciendo deslizar los soportes 320 a su lugar entre los conductores 316.

El resto del proceso de montaje es el mismo para las realizaciones de ambas Figuras 2 y 3, pero se va a describir mediante identificación de los números de referencia de la Figura 1 solamente. Una vez que se tiene completamente montado el arrollamiento 13 de estator, se construye el núcleo 14 de estator laminado alrededor del mismo. Las chapas estampadas comprenden láminas de acero eléctricas, delgadas (es decir, de menos de 1 mm de espesor), de bajas pérdidas, pre-recubiertas de aislante por ambos lados. Las chapas estampadas están fabricadas a modo de segmentos de anillo y conformadas en un número de paquetes de chapas estampadas, siendo éstas ensambladas sobre el arrollamiento 13 del estator para formar anillos completos. El núcleo se mantiene unido mediante soldadura de barras de amarre en caliente (no representadas), por debajo de las partes traseras de las chapas estampadas. Estas barras de amarre son soldadas después a una corona 52 de placa de compresión de acero, prevista en cada extremo axialmente opuesto del núcleo del estator. Las barras de amarre se contraen cuando se enfrían y actúan como resortes para mantener un contacto completo entre las chapas estampadas durante la vida de la máquina.

Una vez que el núcleo del estator ha sido montado sobre el arrollamiento de estator completo, se hace pasar el estator 5 en su totalidad a través del proceso de impregnación de resina por presión de vacío y curado, que completa el proceso de aislamiento del arrollamiento del estator y vincula el conjunto de estator completo. A continuación, se puede construir la carcasa 12 de estator alrededor del estator 5.

Aunque las realizaciones ilustradas de la invención disponen de un arrollamiento en el que las bobinas ocupan dos capas, el experto en la materia podrá comprender que es posible proporcionar un arrollamiento que tenga solamente una capa. Tal arrollamiento de capa única podría proporcionar potencialmente una salida de potencia específica más alta. Sin embargo, si se tienen que usar números altos de fases y polos, según sea deseable para una flexibilidad y un control incrementados de la máquina, las interconexiones de arrollamientos extremos para un arrollamiento de capa única resultan ser demasiado voluminosas, dando como resultado un incremento del diámetro global de la máquina.

Aunque la realización ilustrada se refiere en particular a un motor eléctrico, la construcción de estator que se ha descrito podría ser aplicada también a generadores.

Claims (21)

1. Un estator (5) para una máquina (2) eléctrica con entrehierro, comprendiendo el estator:

un núcleo (14) de estator laminado anular externo, coaxial con un eje (C) longitudinal de la máquina,

un arrollamiento (13) de estator, en el interior del núcleo de estator, y que comprende una pluralidad de bobinas que tienen porciones (16) conductoras lineales, y

una pluralidad de soportes (20A, 20B) para las bobinas, extendiéndose los soportes junto a las porciones conductoras lineales de las bobinas,

en el que los soportes están fabricados a partir de un material no-magnético, y cada soporte está intercalado entre, y en contacto con, dos adyacentes de las porciones (16) conductoras lineales de las bobinas,

que se caracteriza porque al menos algunos de los soportes definen canales (24A, 24B) para el flujo de un refrigerante a lo largo de los mismos, con el fin de extraer calor de las bobinas, y

las porciones (16) conductoras lineales de la pluralidad de bobinas están dispuestas en dos capas (26, 28) que están enchavetadas entre sí en una interfaz almenada entre dos capas (20A, 20B) correspondientes de soportes, para proporcionar resistencia mecánica.

2. Un estator de acuerdo con la reivindicación 1, en el que los soportes definen canales para el flujo del refrigerante a lo largo de los mismos.

3. Un estator de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que el material no-magnético con el que se han fabricado los soportes, es no-metálico.

4. Un estator de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en el que los soportes proporcionan soporte y refrigeración para las bobinas, sobre las porciones conductoras lineales de las bobinas.

5. Un estator de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en el que los canales (24A, 24B) de flujo de refrigerante están definidos internamente a los soportes.

6. Un estator de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que los canales (324) de flujo de refrigerante están definidos externamente a los soportes.

7. Un estator de acuerdo con la reivindicación 5, en el que los soportes (20A, 20B) comprenden carcasas huecas cuyas paredes forman los confines del canal, con lo que, durante el funcionamiento de la máquina, se conduce calor desde las bobinas (16), a través de las paredes y hacia el refrigerante que circula a través de los soportes.

8. Un estator de acuerdo con la reivindicación 6, en el que los canales (324) están definidos entre las superficies externas de los soportes y las superficies (322) externas de las bobinas, con lo que, durante el funcionamiento de la máquina, se transfiere calor directamente desde las bobinas hacia el refrigerante que circula por los canales sin pasar a través de ninguna pared intermedia.

9. Un estator de acuerdo con la reivindicación 8, en el que las porciones conductoras lineales de las bobinas están soportadas mediante los soportes a través de separadores proporcionados entre los soportes y las porciones conductoras lineales, estando los límites de los canales de refrigerante definidos entre los separadores y las caras enfrentadas de las porciones conductoras lineales de las bobinas y los soportes.

10. Un estator de acuerdo con la reivindicación 8, en el que los canales (324) comprenden al menos una depresión (323) en cada superficie de contacto de bobina del soporte (320), extendiéndose la al menos una depresión longitudinalmente en el soporte, estando con ello los límites de los canales de flujo de refrigerante definidos por partes deprimidas de las superficies externas de los soportes y por las superficies (322) externas de las bobinas.

11. Un estator de acuerdo con la reivindicación 10, en el que las depresiones en las superficies de contacto de bobina de los soportes, son de forma curvada cóncava cuando se ven en una sección que es transversal a sus extensiones longitudinales.

12. Un estator de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11, en el que al menos dos canales (324) están definidos entre cada porción (16) conductora lineal y cada soporte (320) adyacente.

13. Un estator de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en el que colectores (38, 40) de entrada y de salida de refrigerante comunican con extremos opuestos respectivos de los canales, para facilitar el paso de refrigerante a través de los canales.

14. Un estator de acuerdo con la reivindicación 13, en el que las bobinas incluyen arrollamientos (34) extremos para conectar cada una de las porciones (16) conductoras lineales de las bobinas con otra, extendiéndose los arrollamientos extremos por los colectores (38, 40) de entrada y salida de modo que el mismo fluido refrigerante enfría los arrollamientos extremos y las porciones conductoras lineales de las bobinas.

15. Un estator de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en el que los arrollamientos (34) extremos comprenden conexiones entre las dos capas (26, 28) de arrollamientos del estator.

16. Un estator de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en el que los almenados comprenden soportes (20A, 20B) que tienen diferentes extensiones radiales, de tal modo que al menos algunos de los soportes de al menos una de las capas (26) se extienden entre las porciones (16) conductoras lineales de la capa (28) adyacente.

17. Un estator de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en el que el arrollamiento (13) de estator está enchavetado en el núcleo (14) de estator en una interfaz almenada entre ambos, ya que los extremos (36) radialmente externos de al menos algunos de los soportes (20B) adyacentes al núcleo del estator se extienden radialmente más allá de las porciones conductoras lineales de las bobinas, por ranuras de emparejamiento que se extienden axialmente, previstas en el núcleo del estator.

18. Un estator de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en el que las porciones (16) conductoras lineales de las bobinas son proporcionadas por paquetes rectangulares de conductores (18), teniendo los paquetes rectangulares su mayor dimensión extendida en la dirección radial.

19. Un estator de acuerdo con la reivindicación 18, en el que los conductores (18) del interior de los paquetes son de forma rectangular y están formados por hilos metálicos, estando los hilos metálicos aislados unos de otros en el interior de los conductores.

20. Un estator de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en el que los soportes comprenden un material compuesto reforzado con fibra.

21. Un motor o generador eléctrico, que tiene un estator de acuerdo con cualquier reivindicación anterior.