ES2403356B2 - Generador eléctrico de flujo radial - Google Patents

Abstract

La invención describe 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 orientándose la polaridad de cada imán de manera inversa a la de sus imanes adyacentes, y una rueda exterior unida mediante una corona rigidizadora a la rueda interior, en la que se fijan imanes permanentes exteriores enfrentados cada uno a un imán interior correspondiente de 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 fijadas a la base dispuestas a modo de rueda quedando las bobinas del estator dispuestas entre la rueda interior y la rueda exterior del rotor.

Description

GENERADOR ELÉCTRICO DE FLUJO RADIAL

Campo de l a 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 pr oduzcan 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 minimi zarse .

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 electri cidad con escasa energía de origen . Por ejemplo, el documento WO 2011/064424 Al da a conocer un electro-generador asíncrono de flujo 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 fo rmado por dos discos paralelos y portadores de una pluralidad de imanes permanentes en número par y enfrentados con su polari dad 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 . Si n embar go, la eficiencia energética de tal generador de fl ujo 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 mejor ada con respecto a las soluciones conocidas en la técnica anterior . Est e tipo de generadore s 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 r otor; un rotor que comprende dos ruedas concéntricas : una rUE~da interior en la que se fijan imanes permanentes interiore:s de modo que la orientación de la polari dad de cada i mán es: inversa a l a orientación de la polaridad de sus imanes adyacentes ; y una rueda exterior unida mediante una corona rigi dizactora a la rueda interior y en la que se fijan imanes permanentes exteriores enfr entados cada uno a un imán permanente interior cor respondiente en l a rueda inter ior de tal manera que en el hueco entre imanes permanentes de la rueda interior y exteri or quedan situados poJos opuestos ; y un estator que comprende una pluralidad de bobinas sin núcleo f erromagnético . La plural idad de bobinas se fija a la base , quedando las bobinas dispuE:stas a modo de rueda ent re la rueda interior y la rueda exterior del rotor.

Breve

descr ipción de las figuras --

La

presente invención se ent enderá meJor con

referencia

a los siguient:es dibujos que ilustran una

realizaci ón

preferida de la invención, proporcionada a modo

de ejemplo, y que no debe interpretarse como limitativa de l a invención de ninguna manera .

La figura 1. muestra una vi sta en sección transversal de un generador eléctrico según la realización preferida de la presente invención .

La f i gura 2 muestra una vista en despiece ordenado del generador eléctrico de la figura l .

La figura 3 muestra una vista en per spectiva del interior de generador eléctrico de la figura l . Con el fin de poder visualizar mejor el interior del generador, alguno de l os elementos de l a presente invención no aparece representado en la figura 3 .

Descripción detallada de la realización pref erida

Tal como se coment ó anteriormente, la presente invención da a conocer un generador eléctrico de flujo radial que comprende, como elementos principales, una base, un eje de entrada móvi l , 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 reali zación 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 present a 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 ba j a dens i dad, diamagnético o paramagnético, de alta conductividad eléctr ica y a l to coeficiente de conductividad térmica (con objeto de disipar adecuadamente el calor p r oducido) y fáci l 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

5

magnético pase al eje de entrada móvil (18) .

Además, según la realización preferida de la presente

invención, entre dicho eje de entrada móvil (18) y dichos

radios (20) , se encuentra dispuesta una multiplicadora (22)

que aumenta la velocidad di: giro del eje de entrada, de

10

modo que se optimiza la ob"tención 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 ro1:or del generador a través de

lS

dicha pluralidad de radios (20) . El eje 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

i nterior de la multiplicadora (22) no mostrado en las

20

figuras . El alojamiento inferior (2 8) 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),

25

el cual comprende una rueda i nterior (30) y una rueda

exterior (32) unida mediante una corona rigidizadora (34) a

dicha rueda interior (3D), 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

30

imán permanente interior (36) . Cada imán permanente

interior (36) se dispone de modo que la linea 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

35

polaridad de sus imanes permanentes interiores (36)

adyacentes .

Las ruedas interior (30) y exterior (32) , así como la

corona rigidizadora (34) , se fabrican de un material

,.• >

ferromagnético (tal como PO!: 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 deci r , un polo sur de un imán permane·nte 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 invenci ón comprende un estat:or, el cual comprende a su vez una pluralidad de bobinas (40) sin núcleo ferromagnético . Para dar y mantener la forma de las bobinas (40), cada una de e llas está rigidificada mediante su embebido en un líquido solidificable (de tipo resina) y la posterior solidificación de este último . Una vez solidif icado, 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 bobi nas (40) se fija a la base (10) de la carcasa , dj spuestas 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) , fijadas ambas a la base (10) de la carcasa (por ejempl o mediante tornillería de material diamagnético o paramagnético, tal como acero inoxidable) , de modo que l as bobinas (40) quedan encajadas 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 die 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 r igidizador (46) que une las bobinas (40) entre si por su parte superior, aumentando asi 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 (40) hacia el orificio pasacables (16) de la carcasa . La conexión entre los hilos de las bobinas (40) puede realizarse según diferentes configuraciones dependiendo de la aplicación especifica, por ejemplo en configuraciones monofásica , bifásica, trifásica, etc. Por ejemplo, para una conf iguración trifásica, los hilos de una

tercer a

parte de las bobinas (40) se conectarán entre si

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 ventaja sustancial con respecto a generadores eléctricos habituales en la técnica anterior en los que se emplea generalmente un núcleo de m.aterial ferromagnético sobre e l cual se enrollan las bobinas . En efecto, l a ausencia de tal núcleo en las bobinas permite que puedan evit arse e l efecto " cogging" y l as 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 infE~rior 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 intE~rior de la misma , es decir , de igual altura que el hueco definido en el interior de la bobina. Asimi smo, según est:a realización preferida de la presente invención , cada uno de los imanes (36, 38) present a una forma rectangular de igual tamaño que e l hueco interior de la bobi na (40) .

Esto proporciona otra ventaja adicional del generador e l éctrico de flujo radi al 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 f lujo a x ial . Esto puede constatarse en efecto analizando la forma de las bobinas y los imanes en un generador de flujo a x ial . 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 (par te 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 e l párrafo anterior .

Sin embar go, en los gener adores 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 di rect as sobre el rendi mient o del generador e l éctrico, ya gue la superfici e del imán , si se f abrica igual a la super f j.cie del núcleo de la bobina , ent onces 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 l a realización prefe r i da del generador de flujo radial de la presente invención) , onda senoidal que permite obtener una transmi sión más eficiente de energía . Por último, la fabricación de imanes con forma de sector circula.r truncado resulta complicada y por tanto aumenta sustancialmente los costes de fabricación

B

del generador eléctrico, al contrario que en el caso de la

presente

invención en la que los imanes pueden ser

simplemente

de forma r ectangular 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 l a 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 gener ador de menor tamaño .

Aunque se ha descrito la present e invención con referencia a realizaciones preferidas de la misma , los expertos en la técnica podrán aplicar variaci ones 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 e l éctrico de flujo radjal que comprende una carcasa con una

base, un cuerpo lateral y una tapa superior, resultará evidente que también pUI=de fabricarse un generador

eléctrico similar con tan sólo una base de soporte sobre la que fijar e l resto de elementos del mismo.

Tal como se ha descrito anteriormente en el presente documento, las bobinas se r i gidizan 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 liquido solidificable. En este caso, las bobinas individualmente rigidizadas pueden adher-ir-se entr-e sí, si se desea, mediante un adhesivo elástico adecuado (tal como por ejemplo un adhesivo de tipo polímero) .

En caso de fallo , el materi al 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 l a presente invención , el generador eléctrico carece de anillo rigidizador , ya que el material líquido solidificable de tipo resina, junto con las coronas de soporte intlerior y exterior, proporcionan una fijación suficiente para las bobinas del estator.

Según aún otra realización adicional , las bobinas se forman mediante 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 embarqo, el experto en la técnica entenderá que pueden diseñclrse realizaciones a l ternativas de la presente invención en l a que se fijan imanes permanentes a cada una de las ruedas del rotor sin necesidad de que estas últímas presenten huecos para alojar tales imanes.

Claims (10)

1. REIVINDICACIONES
2. 1 . Generador eléctrico de flujo radial que comprende

   una base (10) ;

   un eje 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 inter:ior (30) en la que se fijan imanes permanentes interiores (36) , de modo que l a orientación de l a pol aridad de cada i mán 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 rigi dizadora (34) a la rueda inte rior

   (30) , en la que se fijan imanes permanentes exteriores (38) enfrentados cada uno a un imán permanente inter:ior (36) correspondiente en l a 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 , fijándose la pluralidad de bobinas (40) a la base (lO) I d i spuestas a modo de rueda de modo que l as bobi nas

   {40} del estator quedan dispuestas entre l a rueda

   interior (30) y l a r ueda exterior (32) del rotor, donde cada uno de los imanes permanentes (36, 38) presenta una forma rec-tangular de igual tamaÍ"io que el hueco interior de la bobina (40) .

3. 2 . Generador según l a reivindicación 1, caracterizado por que cada una de las bobinas (40) presenta forma de paralel ogramo rectangul ar formado por un travesafto superior, un travesafto inferior y dos patas l ateral es de bobina (40) , definiendo en su interior un hueco también en forma de paralelogramo rectangular.

4. 3 . Generador según cualquiera de las reivindicaciones anteriores , caracterizado por que tanto la rueda interior (3D) como l a 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 exterio:r (32) , respectivamente .
5. 4. Generador según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque cada bobina (40) se rigidiza mediante su embebido en un material liquido solidificable y posterior solidificación de este último .
6. 5 . Generador según la reivindicación 4, caracterizado por que las bobinas (40) del estator se rigidizan mediante dicho material líquido solidificable formando un único elemento.
7. 6. Generador según la reivindicación 5, caracterizado porque cada bobina (40) del estator se rigidiza de manera individual mediante dicho material líquido solidificabl e.

8. 7 . Generador según la reivindicación 6, caracterizado porque las bobinas (40 } individualmente rigidizadas se adhieren entre sí mediante un adhesivo elástico.

9. 8 . 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. 9 . 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 (la) , quedando las bobinas (40 ) encajadas a presión entre dicha corona de soporte interior (42) Y dicha corona de soporte exterior (44) .

    la . 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 gener ador (24) (:!l cual t r ansmite s u movimiento

    gir atorio

    a la r ueda interior (30) del rotor a través

    de

    una pluralidad de radios (20) .

    5

    11 . Generador según cualquiera de las reivindicaciones

    anteriores,

    caracterizado porque la base (10) forma

    parte

    de una carcasa, que comprende además un cuer po

    lateral

    (12) , una tapa superior (14) y un orif icio

    pasacables

    (16) para la salida de cableado al ext e rior

    10

    del generador .