ES2403356A1 - Generador eléctrico de flujo radial - Google Patents

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Abstract

La invención describe un generador eléctrico de flLa invención describe un generador eléctrico de flujo radial que comprende una base; un eje de entraujo radial que comprende una base; un eje de entrada móvil conectado mediante medios de transmisión da móvil conectado mediante medios de transmisión del movimiento giratorio a un rotor; un rotor que del movimiento giratorio a un rotor; un rotor que comprende dos ruedas concéntricas: una rueda intercomprende dos ruedas concéntricas: una rueda interior en la que se fijan imanes permanentes interiorior en la que se fijan imanes permanentes interiores orientándose la polaridad de cada imán de maneres orientándose la polaridad de cada imán de manera inversa a la de sus imanes adyacentes, y una ruea inversa a la de sus imanes adyacentes, y una rueda exterior unida mediante una corona rigidizadorada exterior unida mediante una corona rigidizadora a la rueda interior, en la que se fijan imanes pe a la rueda interior, en la que se fijan imanes permanentes exteriores enfrentados cada uno a un imármanentes exteriores enfrentados cada uno a un imán interior correspondiente de manera que en el huen interior correspondiente de manera que en el hueco entre imanes permanentes de la rueda interior yco entre imanes permanentes de la rueda interior y exterior quedan situados polos opuestos; y un est exterior quedan situados polos opuestos; y un estator que comprende una pluralidad de bobinas sin nator que comprende una pluralidad de bobinas sin núcleo ferromagnético fijadas a la base dispuestas úcleo ferromagnético fijadas a la base dispuestas a modo de rueda quedando las bobinas del estator da modo de rueda quedando las bobinas del estator dispuestas entre la rueda interior y la rueda exterispuestas entre la rueda interior y la rueda exterior del rotor. ior del rotor.

Description

GENERADOR ELÉCTRICO DE FLUJO RADIAL
Campo de la invención La presente invención se refiere al campo de la
electricidad,
y más concretamente al campo de los
generadores
eléct ricos por medio de imanes permanentes y
bobinas.
Antecedentes de la invención
En el caso de generadores eléctricos instalados en zonas en las que la cantidad de energía de origen que puede aprovecharse es grande, aunque se produzcan pérdidas importantes en el proceso de transformación energética, sigue obteniéndose una cantidad sustancial de energía útil al final del proceso.
Sin embargo, en el caso en el que se pretenden desarrollar generadores más pequeños para aplicaciones en las que la cantidad de energía de origen es limitada, las pérdidas en el proceso de transformación energética pueden suponer un gran problema y por tanto deben minimizarse.
En la técnica se conocen algunas soluciones de generadores eléctricos que permiten producir energía eléctrica a partir de un bajo número de revoluciones del rotor, pudiendo así generarse electricidad con escasa energía de origen. Por ejemplo, el documento WO 2011/064424 Al da a conocer un electro-generador asíncrono de fluj o axial previsto para la transformación de la energía rotacional en energía eléctrica, que puede aplicarse a máquinas de bajo número de revoluciones. El generador incluye un inductor formado por dos discos paralelos y portadores de una pluralidad de imanes permanentes en número par y enfrentados con su polaridad opuesta, así como un inducido formado por un disco intermedio con una pluralidad de bobinas, en menor número que el número de imanes permanentes de cada disco del inductor, con un desfase de bobinas e imanes permanentes. Las bobinas del inducido forman tres grupos con un sistema de conexión estrella-triángulo, con posibilidad de variar dicha
conexión para conseguir un bajo par de arranque y una maximización en la generación de energía eléctrica. Sin embargo, la eficiencia energética de tal generador de flujo axial es inferior a la óptima.
Por tanto, sigue existiendo la necesidad en la técnica de generadores eléctricos que funcionen con bajas revoluciones y que produzcan una eficiencia energética mejorada con respecto a las soluciones conocidas en la técnica anterior. Este tipo de generadores son útiles, por ejemplo, en los campos de la minieólica, minihidraúlica, bicicletas eléctricas, uso doméstico, etc.
Sumario de la invención
La presente invención da a conocer un generador eléctrico de flujo radial que comprende una base; un eje de entrada móvil conectado mediante medios de transmisión del movimiento giratorio a un rotor; un rotor que comprende dos ruedas concéntricas: una rueda interior en la que se fijan imanes permanentes interiores de modo que la orientación de la polaridad de cada imán es inversa a la orientación de la polaridad de sus imanes adyacentes; y una rueda exterior unida mediante una corona rigidizadora a la rueda interior y en la que se fijan imanes permanentes exteriores enfrentados cada uno a un imán permanente interior correspondiente en la rueda interior de tal manera que en el hueco entre imanes permanentes de la rueda interior y exterior quedan situados polos opuestos; y un estator que comprende una pluralidad de bobinas sin núcleo ferromagnético. La pluralidad de bobinas se fija a la base, quedando las bobinas dispuestas a modo de rueda entre la rueda interior y la rueda exterior del rotor.
Breve descripción de las figuras
La presente invención se entenderá mejor con referencia a los siguientes dibujos que ilustran una realización preferida de la invención, proporcionada a modo de ejemplo, y que no debe interpretarse como limitativa de la invención de ninguna manera.
La figura 1 muestra una vista en sección transversal de un generador eléctrico según la realización preferida de la presente invención.
La figura 2 muestra una vista en despiece ordenado del generador eléctrico de la figura 1.
La figura 3 muestra una vista en perspectiva del interior de generador eléctrico de la figura 1. Con el fin de poder visualizar mejor el interior del generador, alguno de los elementos de la presente invención no aparece representado en la figura 3.
Descripción detallada de la realización preferida
Tal como se comentó anteriormente, la presente invención da a conocer un generador eléctrico de flujo radial que comprende, como elementos principales, una base, un eje de entrada móvil, un rotor que comprende una pluralidad de imanes permanentes y un estator que comprende una pluralidad de bobinas sin núcleo ferromagnético.
A continuación se describirá con detalle la realización preferida del generador eléctrico de la presente invención haciendo referencia simultánea a las figuras 1, 2 Y 3 adjuntas.
Así, puede observarse que el generador eléctrico de la realización preferida de la invención comprende una carcasa compuesta a su vez por una base (10), un cuerpo lateral
(12) y una tapa superior (14) Asimismo, la carcasa presenta un orificio pasacables (16) para la salida de cableado al exterior del generador, tal como se explicará a continuación en el presente documento. La carcasa se fabrica preferiblemente de un material ligero de baja densidad, diamagnético o paramagnético, de alta conductividad eléctrica y alto coeficiente de conductividad térmica (con objeto de disipar adecuadamente el calor producido) y fácil de mecanizar. Un material adecuado para la fabricación de la carcasa es por ejemplo el aluminio.
Por otro lado, el generador eléctrico presenta un eje de entrada móvil (18), el cual está conectado mediante medios de transmisión del movimiento giratorio a un rotor.
Dichos medios de transmisión del movimiento giratorio son, por ejemplo, una pluralidad de radios (20). Los radios se fabrican preferiblemente de un material no ferromagnético
(por ejemplo de acero inoxidable) para evitar que el flujo magnético pase al eje de entrada móvil (18).
Además, según la realización preferida de la presente invención, entre dicho ej e de entrada móvil (18) Y dichos radios (20), se encuentra dispuesta una multiplicadora (22) que aumenta la velocidad de giro del eje de entrada, de modo que se optimiza la obtención de energía eléctrica a partir de muy pocas revoluciones de entrada. La multiplicadora (22) está a su vez acoplada de manera solidaria a un eje de generador (24) el cual transmite su movimiento giratorio al rotor del generador a través de dicha pluralidad de radios (20). El ej e de generador (24) se encuentra instalado entre dos rodamientos: un rodamiento inferior (26) que a su vez se encuentra instalado en un alojamiento inferior (28), y un rodamiento superior en el interior de la multiplicadora (22) no mostrado en las figuras. El alojamiento inferior (28) se encuentra fijado a la base (10) de la carcasa mediante cualquier medio adecuado, tal como por ejemplo mediante tornillería.
El siguiente elemento constitutivo del generador eléctrico de la presente invención es el rotor (inductor), el cual comprende una rueda interior (30) y una rueda exterior (32) unida mediante una corona rigidizadora (34) a dicha rueda interior (30), preferiblemente situada en su parte superior. La rueda interior (30) presenta huecos a lo largo de su perímetro, en cada uno de los cuales se fija un imán permanente interior (36). Cada imán permanente interior (36) se dispone de modo que la línea que une sus polos N-S se dirige hacia el eje de entrada móvil (18), siendo la orientación de la polaridad de cada imán
permanente
interior (36) inversa a la orientación de la
polaridad
de sus imanes permane ntes interiores (36)
adyacentes.
Las ruedas interior (30) y exterior (32) , así como la corona rigidizadora (34), se fabrican de un material
ferromagnético (tal como por ejemplo acero al carbono) , de modo que se favorece la circulación del flujo magnético evitando su dispersión entre imanes.
Por su parte, la rueda exterior (32 ) también presenta huecos a lo largo de su perímetro en cada uno de los cuales se fija un imán permanente exterior (38 ) que queda enfrentado a un imán permanente interior (36) correspondiente en la rueda interior (30) de tal manera que en el hueco entre imanes de la rueda interior (30) y exterior (32) quedan situados polos opuestos, es decir, un polo sur de un imán permanente interior (36) enfrentado a un polo norte de un imán permanente exterior (38) y viceversa. Cada imán permanente exterior (32) se dispone de modo que la línea que une sus polos N-S se dirige hacia el eje de entrada móvil (18).
Por último, el generador eléctrico de la presente invención comprende un estator, el cual comprende a su vez una pluralidad de bobinas (4 O) sin núcleo ferromagnético. Para dar y mantener la forma de las bobinas (40), cada una de ellas está rigidificada mediante su embebido en un líquido solidificable (de tipo resina) y la posterior solidificación de este último. Una vez solidificado, dicho líquido de tipo resina es elástico de modo que permite absorber y aguantar esfuerzos a los que se ven sometidas las bobinas (40).
La pluralidad de bobinas (40) se fija a la base (10) de la carcasa, dispuestas a modo de rueda entre la rueda interior (30) y la rueda exterior (32) del rotor. Según la realización preferida de la presente invención, la fijación de las bobinas (40) a la base (10) de la carcasa se realiza mediante una corona de soporte interior (42) y una corona de soporte exterior (44), f ij adas ambas a la base (10) de la carcasa (por ej emplo mediante tornillería de material diamagnético o paramagnético, tal como acero inoxidable), de modo que las bobinas (4 O) quedan encaj adas a presión entre dicha corona de soporte interior (42) y dicha corona de soporte exterior (44).
Las coronas de soporte interior y exterior (42, 44) se
fabrican preferiblemente de un material diamagnético o paramagnético, por ejemplo de nylon o de aluminio.
Por último, según la realización preferida de la invención, el estator comprende además un anillo rigidizador (46) que une las bobinas (4 O) entre sí por su parte superior, aumentando así la rigidez y estabilidad del conjunto.
Aunque no se muestra en las figuras adjuntas, en las coronas de soporte (42, 44) están dispuestos canalillos transversales por los cuales discurren hilos que salen de las bobinas (4 O) hacia el orificio pasacables (16) de la carcasa. La conexión entre los hilos de las bobinas (4 O) puede realizarse según diferentes configuraciones dependiendo de la aplicación específica, por ej emplo en configuraciones monofásica, bifásica, trifásica, etc. Por ejemplo, para una configuración trifásica, los hilos de una tercera parte de las bobinas (4 O) se conectarán entre sí para formar en conjunto uno de los hilos de la configuración trifásica, formando los otros 2 hilos de la trifásica de manera similar.
La presente invención proporciona una serie de ventajas con respecto a los generadores eléctricos de bajas revoluciones conocidos hasta la fecha. Por ejemplo, gracias al uso de bobinas sin núcleo ferromagnético se obtiene una ventaj a sustancial con respecto a generadores eléctricos habituales en la técnica anterior en los que se emplea generalmente un núcleo de material ferromagnético sobre el cual se enrollan las bobinas. En efecto, la ausencia de tal núcleo en las bobinas permite que puedan evitarse el efecto "cogging" y las pérdidas por corrientes parasitarias de Foucault habituales en los generadores de la técnica anterior.
Según una realización adicional preferida de la presente invención, cada una de las bobinas (4 O) presenta forma de paralelogramo rectangular formado por un travesaño superior, un travesaño inferior y dos patas laterales de bobina, definiendo en su interior un hueco también en forma de paralelogramo rectangular. Tal como se usa en el
presente documento, las patas de la bobina se refiere únicamente a los tramos laterales inmediatamente adyacentes
al
hueco definido en el interior de la misma, es decir, de
igual
altura que el hueco definido en el interior de la
bobina.
Asimismo, según esta realización preferida de la
presente invención, cada uno de los imanes (36, 38) presenta una forma rectangular de igual tamaño que el hueco interior de la bobina (40).
Esto proporciona otra ventaja adicional del generador eléctrico de flujo radial según esta realización preferida de la presente invención, ya que permite obtener una eficiencia energética superior a la que podría obtenerse con un generador de flujo axial. Esto puede constatarse en efecto analizando la forma de las bobinas y los imanes en un generador de flujo axial. En efecto, para poder optimizar la eficiencia energética del generador eléctrico, es preferible que el contorno exterior de los imanes tenga la misma forma y dimensión que el hueco interior de las bobinas, así como que el área del imán sea igual al área de la pata de la bobina (parte de la bobina que barre el imán en su movimiento). Esta configuración es la que se obtiene según la realización preferida de la presente invención descrita en el párrafo anterior.
Sin embargo, en los generadores de flujo axial conocidos en el estado de la técnica, debido a las necesidades geométricas y técnicas, las bobinas (así como su núcleo) presentan forma de sector circular truncado. Esto tiene consecuencias directas sobre el rendimiento del generador eléctrico, ya que la superficie del imán, si se fabrica igual a la superficie del núcleo de la bobina, entonces no es igual al área de la pata. Esto tiene además como consecuencia que no se produzca una onda senoidal
(como la que puede producirse con la realización preferida del generador de fluj o radial de la presente invención), onda senoidal que permite obtener una transmisión más eficiente de energía. Por último, la fabricación de imanes con forma de sector circular truncado resulta complicada y por tanto aumenta sustancialmente los costes de fabricación
del generador eléctrico, al contrario que en el caso de la
presente
invención en la que los imanes pueden ser
simplemente
de forma rectangular y por tanto fáciles y
económicos
de fabricar.
Aunque
se han realizado intentos de fabricar
generadores
de flujo axial en los que el contorno exterior
de
los imanes tiene la misma forma y dimensión que el hueco
interior de las bobinas, como es el caso del documento WO 2011/064424 Al mencionado anteriormente, los resultados obtenidos siguen sin ser satisfactorios. En efecto, debido a la disposición de las bobinas sobre un disco, quedan huecos entre bobinas adyacentes que no se aprovechan por el paso (barrido) de los imanes, lo que afecta de manera negativa al rendimiento final del generador.
Sin embargo, en la presente invención, debido a que las bobinas están dispuestas verticalmente a modo de rueda, los lados adyacentes entre bobinas son esencialmente paralelos, por lo que los espacios entre las mismas son mínimos, resultando en una mayor eficiencia y posibilitando un generador de menor tamaño.
Aunque se ha descrito la presente invención con referencia a realizaciones preferidas de la misma, los expertos en la técnica podrán aplicar variaciones y modificaciones a las enseñanzas anteriores sin por ello apartarse del alcance y el espíritu de la presente invención. Por ejemplo, aunque se ha descrito un generador eléctrico de flujo radial que comprende una carcasa con una base, un cuerpo lateral y una tapa superior, resultará evidente que también puede fabricarse un generador eléctrico similar con tan sólo una base de soporte sobre la que fijar el resto de elementos del mismo.
Tal como se ha descrito anteriormente en el presente documento, las bobinas se rigidizan preferiblemente mediante su embebido en un material líquido solidificable de tipo resina y la posterior solidificación del mismo. Según una realización de la invención, las bobinas se rigidizan mediante dicho material líquido solidificable formando un único elemento solidario.
Sin embargo, según otra realización de la invención, cada bobina se rigidiza de manera individual mediante dicho material líquido solidificable. En este caso, las bobinas individualmente rigidizadas pueden adherirse entre sí, si se desea, mediante un adhesivo elástico adecuado (tal como por ej emplo un adhesivo de tipo pol:unero) .
En caso de fallo, el material de tipo resina en el que se embeben las bobinas, así como el adhesivo de tipo silicona en caso de usarse, pueden cortarse con objeto de extraer individualmente una bobina defectuosa y sustituirla por una bobina nueva.
Según otra realización de la presente invención, el generador eléctrico carece de anillo rigidizador, ya que el material líquido solidificable de tipo resina, junto con las coronas de soporte interior y exterior, proporcionan una fijación suficiente para las bobinas del estator.
Según aún otra realización adicional, las bobinas se forman enrollamiento sobre una pieza de soporte con núcleo hueco, por ejemplo una pieza de plástico.
Por otro lado, se han descrito anteriormente en el presente documento ruedas tanto interior como exterior que presentan huecos a lo largo de su perímetro, en cada uno de los cuales se fija un imán permanente interior o exterior, respectivamente. Sin embargo, el experto en la técnica entenderá que pueden diseñarse realizaciones alternativas de la presente invención en la que se fijan imanes permanentes a cada una de las ruedas del rotor sin necesidad de que estas últimas presenten huecos para alojar tales imanes.

Claims (12)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Generador eléctrico de flujo radial que comprende una base (10); un ej e de entrada móvil (18), conectado mediante medios de transmisión del movimiento giratorio a un rotor; un rotor que comprende dos ruedas (30, 32) concéntricas:
    una rueda interior (30) en la que se fijan imanes permanentes interiores (36), de modo que la orientación de la polaridad de cada imán permanente interior (36) es inversa a la orientación de la polaridad de sus imanes permanentes interiores (36) adyacentes; y una rueda exterior (32) unida mediante una corona rigidizadora (34) a la rueda interior
    (30), en la que se fijan imanes permanentes exteriores (38) enfrentados cada uno a un imán permanente interior (36) correspondiente en la rueda interior (30) de tal manera que en el hueco entre imanes permanentes de la rueda interior (30) Y exterior (32) quedan situados polos opuestos; y
    un estator que comprende una pluralidad de bobinas
    (40) sin núcleo ferromagnético, fij ándose la pluralidad de bobinas (40) a la base (10), dispuestas a modo de rueda de modo que las bobinas
    (4 O) del estator quedan dispuestas entre la rueda interior (30) y la rueda exterior (32) del rotor.
  2. 2.
    Generador según la reivindicación 1, caracterizado por que cada una de las bobinas (4 O) presenta forma de paralelogramo rectangular formado por un travesaño superior, un travesaño inferior y dos patas laterales de bobina (4 O) , definiendo en su interior un hueco también en forma de paralelogramo rectangular.
  3. 3.
    Generador según la reivindicación 2, caracterizado por que cada uno de los imanes permanentes (36, 38) presenta una forma rectangular de igual tamaño que el
    hueco interior de la bobina (40).
  4. 4. Generador según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que tanto la rueda interior (30) como la rueda exterior (32) presentan respectivos huecos a lo largo de sus perímetros, fijándose un imán permanente interior (36) y exterior
    (32) en cada uno de dichos huecos de las ruedas interior (30) Y exterior (32), respectivamente.
  5. 5.
    Generador según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque cada bobina (40) se rigidiza mediante su embebido en un material líquido solidificable y posterior solidificación de este último.
  6. 6.
    Generador según la reivindicación 5, caracterizado por que las bobinas (40) del estator se rigidizan mediante dicho material líquido solidificable formando un único elemento.
  7. 7.
    Generador según la reivindicación 5, caracterizado porque cada bobina (4 O) del estator se rigidiza de manera individual mediante dicho material líquido solidificable.
  8. 8.
    Generador según la reivindicación 7, caracterizado porque las bobinas (4 O ) individualmente rigidizadas se adhieren entre sí mediante un adhesivo elástico.
  9. 9.
    Generador según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende además un anillo rigidizador (46) que une las bobinas (40) entre sí por su parte superior.
  10. 10.
    Generador según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende además una corona de soporte interior (42) y una corona de soporte exterior (44), fijadas ambas a la base (10), quedando las bobinas (40) encajadas a presión entre dicha corona de soporte interior (42) y dicha corona de soporte exterior (44).
  11. 11.
    Generador según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende además una multiplicadora (22) que aumenta la velocidad de giro
    del
    eje de entrada móvil (18) , estando la
    multiplicadora
    (22) acoplada de manera solidaria a un
    eje
    de generador (24) el cual transmite su movimiento
    giratorio
    a la rueda interior (30) del rotor a través
    5
    de una pluralidad de radios (20).
  12. 12.
    Generador según cualquiera de las reivindicaciones
    anteriores,
    caracterizado porque la base (10) forma
    parte
    de una carcasa, que comprende además un cuerpo
    lateral
    (12), una tapa superior (14) Y un orificio
    10
    pasacables (16) para la salida de cableado al exterior
    del generador.
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