ES2350156T3 - Módulo de imán permanente y rotor de máquina eléctrica que incluye el módulo. - Google Patents
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Abstract
Módulo (2) de imán permanente, que consiste en por lo menos dos imanes permanentes (6) con el primer polo magnético en la primera superficie plana (20) y el segundo polo magnético en la segunda superficie plana, y una cubierta (3, 26) que envuelve por lo menos parcialmente los imanes permanentes (6), caracterizado porque la cubierta (3, 26) es magnéticamente conductora y comprende una superficie superior (26), que cubre sustancialmente la primera superficie plana (20) del imán permanente, y una superficie inferior (3), que cubre sustancialmente la segunda superficie plana del imán permanente, y porque la cubierta (3, 26) está sustancialmente abierta en las superficies laterales (24) de los imanes permanentes (6).
Description
El objetivo de la invención es un módulo de imán permanente, según la parte del preámbulo de la reivindicación 1. Otro objetivo de la invención es un rotor de máquina eléctrica excitado mediante imanes permanentes, según la parte de preámbulo de la reivindicación 11.
Los imanes permanentes eficientes se están volviendo cada vez más comunes en los rotores de las máquinas eléctricas, en concreto en los rotores de las maquinas síncronas. Los imanes están basados en compuestos que contienen metales de tierras raras tales como el neodimio. En las maquinas síncronas de alta potencia, la utilización de dichos imanes permanentes fuertes se ha difundido a varias áreas nuevas de aplicación, a menudo con requisitos muy exigentes y condiciones ambientales difíciles. Las características comunes de los imanes permanentes basados en metales de tierras raras incluyen una estructura frágil y susceptibilidad a la corrosión, en concreto en entornos operativos con temperatura y humedad variables.
El enfriamiento de las máquinas eléctricas de alta potencia se proporciona con canales refrigerantes que pasan a través del estátor y del rotor. Una solución para enfriar el rotor de una máquina excitada permanentemente, consiste en conductos radiales de aire que van desde el interior del rotor hasta la circunferencia exterior del rotor. Los conductos de aire están situados entre grupos de hojas que constituyen el núcleo del rotor, y por lo tanto dividen en partes, en la dirección del eje del rotor, la estructura del rotor electromagnéticamente activa. En las máquinas eléctricas grandes, los núcleos del estátor y/o del rotor consisten en módulos situados próximos entre sí en una dirección axial cuando se fabrica la máquina eléctrica, quizás dejando un pequeño espacio entre los módulos del núcleo. En los rotores excitados por imanes permanentes, los imanes están instalados solamente en las posiciones correspondientes a los módulos de hojas del rotor, puesto que solamente el flujo magnético que pasa a través de éstas participa realmente en el funcionamiento de la máquina. Cuando se utilizan imanes permanentes incrustados en el rotor para excitar la máquina, los imanes permanentes deben ser colocados en su posición desde el extremo del rotor. Al mismo tiempo, debe asegurarse que los imanes permanentes están situados en posiciones correspondientes a los módulos de hojas, y no en conductos de refrigeración u otros espacios.
A partir de la publicación JP 2001-16 808 se conoce una solución en la que varios imanes permanentes están empaquetados en una carcasa común que contiene asimismo separadores, que separan los imanes permanentes en las posiciones de los conductos de refrigeración. En este caso, los imanes permanentes estarán situados de forma precisa en el núcleo de hierro del rotor, pero al mismo tiempo el módulo de imán permanente instalado bloqueará el conducto radial de refrigeración.
Cuando se instalan imanes permanentes incrustados en la estructura del rotor, los imanes permanentes deben estar asimismo protegidos contra el desgaste mecánico, puesto que los bordes de las aberturas formadas para permitir la instalación de los imanes permanentes no son necesariamente suaves, y no hay manera práctica y económica de suavizarlos. Un recubrimiento de este tipo, de imán permanente regular, tal como una capa delgada de resina, no proporciona una protección adecuada. Una pequeña raya en el recubrimiento puede conducir a daños por corrosión, e incluso a daños en el imán permanente.
El objetivo de la presente invención es crear un nuevo módulo de imán permanente, particularmente adecuado para su utilización en un rotor de una máquina eléctrica con imanes permanentes incrustados en el núcleo del rotor. Para conseguir esto, el módulo de imán permanente acorde con la invención está caracterizado por las características especificadas en la sección de características de la reivindicación 1. Correspondientemente, el rotor para una máquina eléctrica acorde con la invención está caracterizado por las características especificadas en la sección de características de la reivindicación 11. Además, ciertas realizaciones preferidas de la invención están caracterizadas por las características definidas en las reivindicaciones dependientes.
Con la presente invención, se conseguirán diversos beneficios y mejoras significativas, en comparación con las soluciones previas. La manipulación de imanes permanentes en la fase de instalación será sencilla y segura, sin riesgo de daños en la superficie o la estructura del imán permanente. Para sustituir los imanes permanentes, se puede recuperar el módulo a través del agujero de instalación.
Los imanes permanentes están soportados en la dirección de excitación, en direcciones perpendiculares. Debido a pliegues o a elevaciones sobre la cubierta del módulo, los imanes permanentes no se pueden mover en las direcciones lateral o longitudinal, es decir, en paralelo al eje de la máquina eléctrica, o en la dirección circunferencial.
Cuando la máquina eléctrica tiene conductos radiales de refrigeración, la estructura de montaje integrada en el módulo acorde con la invención asegura que los imanes permanentes están alineados correctamente en relación con los conductos de refrigeración. La necesaria holgura de instalación es fácil de conseguir con el diseño apropiado de la superficie exterior de la carcasa del módulo.
De acuerdo con una característica preferida de la invención, las superficies superior e inferior de la estructura del módulo son de material ferromagnético, pasando, el flujo que excita la máquina, directamente desde el imán permanente hacia la separación de aire, y correspondientemente hacia el núcleo interior del rotor.
De acuerdo con otra realización preferida de la invención, el módulo tiene una estructura semi-abierta, en cuyo caso no hay material eléctricamente conductor en los bordes del imán permanente, y el flujo de dispersión no puede cerrarse sobre los extremos del imán permanente, desde un polo del imán permanente hasta el polo opuesto. Por lo tanto, la potencia de excitación creada por el imán permanente es tan alta como sea posible.
De acuerdo con una realización preferida, se crean aberturas en las superficies superior e inferior de la cubierta del módulo. Esto reducirá las pérdidas por corrientes parásitas en el módulo.
En lo que sigue, se describirán en detalle algunas de las realizaciones de la invención, haciendo referencia a los dibujos, en los cuales:
-la figura 1 ilustra parte de un módulo acorde con la invención, en perspectiva,
-la figura 2 ilustra un módulo acorde con la invención, en perspectiva,
-la figura 3 ilustra una sección parcial del rotor acorde con la invención, en la
dirección axial,
-la figura 4 ilustra la sección A -A de la figura 3, perpendicular al eje,
-la figura 5 ilustra parte de otro módulo acorde con la invención, en perspectiva,
-la figura 6 ilustra parte de un tercer módulo acorde con la invención, en
perspectiva, y
-la figura 7 ilustra parte de algunas estructuras alternativas de imán y cubierta
del módulo, en perspectiva.
La figura 1 es una ilustración en perspectiva de un módulo acorde con la invención o, para ser más precisos, de una cubierta 3 del módulo con tres imanes permanentes 6 instalados en la cubierta. La cubierta 3 del módulo está fabricada de una hoja ferromagnética delgada. Se han formado cinco superficies de fijación lisas 4 sobre la cubierta 3 del módulo. El tamaño de las superficies de fijación corresponde al tamaño de la superficie superior 6 y la superficie inferior 20 del imán permanente. Las superficies de fijación 4 están limitadas por pliegues laterales 8 y 10 en los bordes del módulo. Los pliegues se han creado curvando los bordes de la cubierta 3, perpendiculares a la superficie de fijación 4. Correspondientemente, el extremo de la cubierta 3 tiene pliegues extremos 12 que limitan la superficie de fijación más exterior 4 del módulo. Se han formado pliegues intermedios 13 similares, en el lado opuesto de la superficie de fijación más exterior, y entre cada superficie de fijación 4. Por lo tanto, hay dos pliegues intermedios 13 entre dos en superficies de fijación adyacentes 4, que limitan las superficies de fijación adyacentes 4 en la dirección longitudinal del módulo. De este modo, los imanes permanentes están soportados en las superficies extremas 22 mediante un pliegue intermedio 13 o bien un pliegue extremo 12. Se han creado aberturas 14 en la cubierta 3, entre pliegues intermedios 13 consecutivos. Las aberturas se fabrican, preferentemente, cortando la hoja de cubierta y plegando los bordes perpendiculares a la superficie de fijación 4.
La estructura de la cubierta 3 del módulo proporciona a los imanes permanentes 6 posiciones precisas en las que los imanes permanentes 6 han sido inmovilizados con soportes en la dirección lateral y longitudinal. Se dejan aberturas 14 entre los imanes permanentes, estando situadas dichas aberturas en los conductos radiales del rotor, de una manera descrita después. Se aplica cola, resina de fijación u otro material semejante a las superficies de fijación 4, tal como se ilustra mediante la estructura en rejilla en la superficie de fijación intermedia 7.
El módulo 2 es ensamblado encolando imanes permanentes 6 a las superficies de fijación 4 de la cubierta 3 del módulo, y a continuación encolando otra cubierta 3 sobre los imanes permanentes 6 para formar la superficie superior 26 del módulo, que se ilustra en la figura 2. Los imanes permanentes han sido ventajosamente tratados superficialmente con pintura epoxi antes del encolado. Las superficies de imán permanente que no quedarán contra la cubierta 3 del módulo, han sido protegidas con pintura epoxi frente a la humedad ambiental y otras impurezas que provocan corrosión. Una cubierta ferromagnética protege los imanes permanentes desde arriba y abajo durante la instalación, el transporte y el almacenamiento. Además, los pliegues laterales 8 y 10 de las cubiertas 3 protegen las superficies laterales 24 de los imanes permanentes, frente a daños externos. Queda un espacio 30 entre el pliegue lateral 8 y la cubierta inferior 3 del módulo y el pliegue lateral 28 de la cubierta superior 26 del módulo, en la superficie lateral 24 de los imanes permanentes, impidiendo que el flujo creado por el imán permanente se cierre entre el primer y el segundo polos a través de la cubierta ferromagnética. En la realización mostrada por las figuras 1 y 2, los bordes de los pliegues laterales 8, 10 y 28 tienen una forma de tipo onda de manera que los pliegues son ligeramente menores en los imanes permanentes 6 que en las aberturas 14. Por lo tanto, se impiden eficazmente los flujos de dispersión entre los polos de los imanes permanentes y se refuerza la estructura mecánica del módulo en la abertura 14, lo cual puede ser una característica significativa para módulos largos que comprenden varios imanes. El borde de los pliegues laterales puede ser asimismo recto, en cuyo caso su altura deberá ser tal que satisfaga adecuadamente ambos requisitos mencionados anteriormente.
De acuerdo con una realización de la invención, el imán permanente 6 es primero fosfatado y, a continuación, encolado a las cubiertas superior e inferior 3 y 26 del módulo. A continuación el módulo ensamblado se pinta como una pieza, por ejemplo mediante inmersión. Son posibles asimismo otros métodos y sustancias de tratamiento superficial de imanes permanentes, dentro del alcance de la idea inventiva.
Los pliegues extremos 12 dejan un área vacía en ambos extremos del módulo 2 de imán permanente. El área vacía está definida por los extremos 32 de los pliegues laterales 8, 10 y 28, y su longitud es la mitad de la abertura 14 entre los imanes permanentes. Cuando se instalan uno tras otro varios módulos en la dirección del eje del rotor, quedará un espacio vacío del tamaño de la abertura 14 entre dos módulos adyacentes, en un conducto radial del rotor. Para el último módulo en la dirección del eje del rotor, los extremos de los pliegues laterales 32 definen la distancia desde la placa extrema del rotor, y actúan como elementos de soporte en la dirección del eje del rotor.
La figura 3 es una sección transversal parcial del rotor 34 acorde con la invención, instalado en una máquina síncrona de ocho polos de acuerdo con la invención. La figura 4 ilustra la sección A -A de la figura 3. El núcleo 38 del rotor, montado en el eje 36, está fabricado de hojas conductoras magnéticamente. El rotor consiste en cinco secciones de núcleo consecutivas en el eje, estando separadas las secciones por un conducto radial de aire 40 a través del cual pasa el aire refrigerante del rotor, en una dirección radial hacia la circunferencia exterior del rotor, de forma conocida. El núcleo del rotor tiene aberturas 42 en la dirección axial para aligerar la estructura y para conducir el aire de refrigeración a través del rotor. En la circunferencia exterior del rotor, se han formado polos del rotor con dos módulos 2 de imán permanente paralelos, incrustados en el núcleo. Los módulos de imán permanente se han montado en aberturas 43 de la longitud del rotor, orientadas según el eje longitudinal del rotor. Ambos módulos 2 siguen la ilustración de la figura 2. Hay una banda estrecha 44 del núcleo entre los módulos en la dirección circunferencial, y una banda 46 del núcleo entre ambos módulos y el borde del polo. Las bandas 44 y 46 del núcleo soportan la sección exterior del polo del rotor y los módulos de imanes permanentes, contra la fuerza centrífuga.
Los módulos de imán permanente son instalados en su posición empujándolos hacia las aberturas 43, desde el extremo del rotor. El extremo 32 del módulo 2 presiona la placa 48 del extremo del rotor, en el otro extremo del rotor, lo que tiene como resultado que los imanes permanentes 6 se alinean con el núcleo 38 del rotor en las aberturas 14 en el módulo 2, alineándose con los conductos radiales 40. Las aberturas 43 se cierran fijando en su posición la segunda placa extrema del rotor (no ilustrada). Placas extremas cubren la abertura 43 en ambos extremos del rotor, y bloquean los módulos de imán permanente en su posición, en la dirección axial. La abertura 43 puede cerrarse asimismo con una placa de cierre separada, en el extremo desde el cual el módulo de imán permanente es empujado a su posición. En este caso, ambas placas extremas del rotor están en su posición cuando son instalados los módulos de imán permanente. Montar los módulos 2 en las aberturas 43 requiere siempre un espacio entre el módulo y las paredes de la abertura, y los módulos pueden encolarse en su posición con resina, tal como es sabido en la técnica.
La figura 5 ilustra otra estructura del módulo acorde con la invención. La cubierta 50 de un módulo de imán permanente está fabricada de una hoja ferromagnética. Los bordes de la hoja están doblados para formar los bordes laterales 58 del módulo. Los bordes laterales 58 son uniformes en toda la longitud del módulo, pero su altura es tal que queda un espacio entre los bordes laterales de la cubierta inferior 50 y la cubierta superior (no ilustrada). La cubierta tiene una superficie plana 64 para los imanes permanentes, limitada con pliegues o lengüetas 54 entre los imanes permanentes para separar los imanes, y correspondientemente con pliegues o lengüetas 52 en los extremos del módulo. La forma del imán permanente 60 corresponde al imán permanente ilustrado por las figuras 1 y 2, y éste ha sido encolado desde su superficie superior 20 hasta la parte superior de la cubierta del módulo, y desde su superficie inferior hasta la parte inferior 50 de la cubierta del módulo, en la superficie plana 64. En este caso, queda un espacio estrecho entre los imanes permanentes, definido por la anchura de la lengüeta 54.
En relación con los imanes permanentes 61, se ilustra una estructura alternativa que está formada de manera que se ha cortado un pequeño bisel 56 en la superficie superior e inferior, para corresponderse con las lengüetas 52 y 54. Por lo tanto, los imanes permanentes adyacentes están en contacto entre sí en sus superficies extremas. En la figura 5, se han formado también lengüetas longitudinales 68 en las cubiertas inferior y superior del módulo. Estas lengüetas se extienden al lado exterior de la cubierta, es decir en oposición a los imanes permanentes. Estas lengüetas crean superficies ventajosas de deslizamiento y posicionamiento, cuando se monta el módulo en el rotor.
La figura 6 ilustra una tercera estructura del módulo acorde con la invención. La cubierta 103 del módulo está fabricada de una placa ferromagnética delgada. Los pliegues laterales uniformes 58 están formados en los lados de la placa, tal como se describe en relación con la figura 5. Queda un espacio abierto entre los pliegues laterales en la cubierta inferior y la cubierta superior, y el espacio impide que el flujo de dispersión se cierre desde un polo del imán permanente 6 hasta el polo opuesto. Tal como en la realización de las figuras 1 y 2, se han creado aberturas 114 en la cubierta 103 entre los imanes permanentes 6. Se han instalado piezas de separación o separadores 105 a ambos lados de la cubierta 103. Los separadores 105 se sitúan entre los imanes permanentes adyacentes 6, y su altura es igual que la altura de los imanes permanentes 6. Por lo tanto, los separadores 105 se extienden desde la cubierta inferior 3 hasta la cubierta superior del módulo. La anchura de los separadores 105 es sustancialmente igual a la anchura de la abertura 14. Por lo tanto, los separadores 105 mantienen los imanes permanentes 6 en su posición, en la dirección longitudinal del módulo. El grosor de los separadores 105 corresponde a la distancia entre el pliegue lateral 58 y el borde de la abertura 114. Un pliegue 107 de la cubierta soporta el separador 105, en la dirección transversal del módulo. Los separadores 105 están fabricados de material no ferromagnético, por ejemplo de plástico o de caucho, y son encolados a los imanes permanentes 6 cuando se ensambla el módulo. Se crean pliegues 111 en los bordes laterales de las aberturas 114, para soportar los imanes permanentes 6 en la dirección longitudinal del módulo. Los separadores 105 hacen el módulo más sólido y más inflexible, gracias a que los separadores 105 presionan contra la cubierta superior e inferior 103, estando al mismo tiempo firmemente unidos a los imanes permanentes 6.
Está dispuesta una pieza de separación o separador 109 en el extremo del módulo. La estructura del separador 109 es igual que la estructura del separador 105. El separador 109 actúa como un tope cuando se instalan secuencialmente varios módulos en la misma abertura 43 del rotor.
La figura 7 ilustra estructuras alternativas de cubierta del módulo, que afectan a las propiedades magnéticas de la cubierta y que, en concreto, reducirán las pérdidas por corrientes parásitas dentro los módulos. La figura 7 ilustra asimismo varias combinaciones de imán permanente. La figura 7 ilustra la cubierta del módulo de forma similar a la figura 1, adoptando los mismos números de referencia para partes iguales a las de la figura 1. La figura 7 ilustra asimismo aberturas 14 que separan entre sí bloques de imanes permanentes adyacentes. El primer bloque de imanes consiste en dos imanes permanentes 70 del mismo tamaño, en contacto entre sí y montados en la primera superficie de fijación de la cubierta. El segundo bloque de imanes consiste en tres imanes permanentes 72, 74 y 76, no del mismo tamaño, encolados entre sí sobre la segunda superficie de fijación. Las otras tres superficies de fijación 78, 88 y 82 ilustran varias estructuras de cubierta del módulo. Se han creado agujeros 84 en todo el área superficial de la superficie 78 de fijación de la cubierta. En la superficie de fijación 80 hay espacios 86 transversales a la dirección longitudinal del módulo. La longitud de los espacios es sustancialmente igual que la longitud de los imanes permanentes a montar en la superficie de fijación. La anchura de los espacios 86 es aproximadamente igual que el grosor de la hoja de cubierta. En la superficie de fijación 82 se han formado espacios 88, en la dirección longitudinal del módulo. La longitud de los espacios corresponde sustancialmente a la anchura de los imanes permanentes. La anchura de los espacios es, asimismo, sustancialmente igual al grosor de la cubierta. Los agujeros 84 y los espacios alargados 86 y 88 reducen las pérdidas por corrientes parásitas en el módulo.
La figura 7 ilustra varias soluciones estructurales, en diferentes partes del módulo. Debe entenderse que, en general, se utiliza una de las soluciones estructurales mostradas para todas las partes de un módulo.
Puede añadirse marcas de los polos a la cubierta de un módulo de imán permanente, para determinar fácilmente la dirección de los imanes en una máquina. Las posiciones de los imanes permanentes pueden alinearse aplicando un pequeño golpe a la cubierta del módulo entre imanes permanentes adyacentes. De este modo, puede asegurarse ventajosamente la posición del imán permanente cuando el módulo contiene varios imanes permanentes casi en contacto entre sí, por ejemplo cuando la máquina no tiene conductos radiales, o la distancia de los conductos radiales corresponde a dos o tres imanes permanentes.
En lo precedente, se ha descrito la invención con la ayuda de ciertas realizaciones. Sin embargo, la descripción no debe considerarse como limitativa del alcance de protección de la patente; las realizaciones de la invención pueden variar dentro del alcance de las reivindicaciones siguientes.
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.
Documentos de patentes citados en la descripción:
• JP 2001 016 808 A [0004]
Claims (11)
- REIVINDICACIONES1.-Módulo (2) de imán permanente, que consiste en por lo menos dos imanes permanentes (6) con el primer polo magnético en la primera superficie plana (20) y el segundo polo magnético en la segunda superficie plana, y una cubierta (3, 26) que envuelve por lo menos parcialmente los imanes permanentes (6), caracterizado porque la cubierta (3, 26) es magnéticamente conductora y comprende una superficie superior (26), que cubre sustancialmente la primera superficie plana (20) del imán permanente, y una superficie inferior (3), que cubre sustancialmente la segunda superficie plana del imán permanente, y porque la cubierta (3, 26) está sustancialmente abierta en las superficies laterales (24) de los imanes permanentes (6).
- 2.-Una disposición acorde con la reivindicación 1, caracterizada porque los imanes permanentes (6) están a una cierta distancia entre sí.
- 3.-Una disposición acorde con la reivindicación 1, caracterizada porque cada imán permanente (60, 61) está sustancialmente próximo al imán permanente adyacente (60, 61).
- 4.-Un módulo acorde con la reivindicación 1, caracterizado porque la superficie superior (26) y la superficie inferior (3) del módulo son simétricas.
- 5.-Un módulo acorde con la reivindicación 1, caracterizado porque el módulo (2) tiene medios (8, 28, 58) que fijan los imanes permanentes (6) en una dirección lateral del módulo.
- 6.-Un módulo acorde con la reivindicación 5, caracterizado porque los medios (8, 28) que fijan el imán permanente consisten en pliegues creados en los bordes de la cubierta.
- 7.-Un módulo acorde con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la superficie superior (26) y la superficie inferior (3) de la cubierta tienen aberturas (14) en la zona entre los imanes permanentes (6).
- 8.-Un mundo acorde con la reivindicación 7, caracterizado porque el módulo (2; 50; 103) tiene medios (12, 13; 52, 54; 105, 111) que fijan los imanes permanentes (6) en una dirección longitudinal del módulo.
- 9.-Un módulo acorde con la reivindicación 1, caracterizado porque la superficie inferior (3) y la superficie superior (26) de la cubierta del módulo tienen agujeros (84) o espacios (86, 88).
- 10.-Un módulo acorde con la reivindicación 1, caracterizado porque están dispuestos separadores (105, 109) entre los imanes permanentes (6), en el lado de la cubierta (3).5 11.-Un rotor para una máquina eléctrica, excitado por imanes permanentes incrustados (6), rotor que comprende un eje (36) y un núcleo (38) del rotor formado por hojas magnéticamente conductoras montadas en el eje, mediante las que están dispuestas en el núcleo del rotor aberturas (43) paralelas al eje, aberturas en las que pueden ser montados los imanes permanentes (6) desde el extremo del rotor,10 caracterizado porque los imanes permanentes están montados en el interior de un módulo (2) acorde con la reivindicación 1. 12.-Un rotor acorde con la reivindicación 11, caracterizado porque el rotor tiene conductos radiales de refrigeración (40) y porque el módulo tiene aberturas (14, 114) en los conductos (40).15 13.-Un rotor acorde con la reivindicación 11 ó 12, caracterizado porque el módulo (2) tiene medios (12, 13; 111, 105) para soportar los imanes permanentes (6) en una dirección axial del rotor, y medios (8, 26; 58) para soportar los imanes permanentes (6) en una dirección circunferencial del rotor.
- 14.-Un rotor acorde con la reivindicación 11, caracterizado porque están 20 dispuestos separadores (105, 109) entre los imanes permanentes (6), en el lado de la cubierta (3). Siguen siete hojas de dibujos.
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