ES2587803A1 - Generador de corriente electrica por movimiento e induccion mediante imanes y bobinas resonantes - Google Patents

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Abstract

Generador de corriente eléctrica por movimiento e inducción mediante imanes permanentes y bobinas resonantes según una envolvente en la que se aloja un sólido circular a modo de rotor en el que se genera un flujo magnético variable al incorporar treinta y ocho imanes permanentes y rectangulares dispuestos radialmente alineados sobre el perímetro exterior del referido rotor, al girar en el interior de un estator de forma anular y hueco para llevar a cabo por su interior la refrigeración, que contiene setenta y seis bobinas en reposo distribuidas regularmente y en las que se intercalan bobinas y condensadores en resonancia con bobinas no resonantes, dispuestas específicamente a tres milímetros de los imanes y de donde se obtiene la corriente eléctrica con un rendimiento muy alto.

Description

imagen1
DESCRIPCIÓN
Generador de corriente eléctrica por movimiento e inducción mediante imanes permanentes y bobinas resonantes.
5
Objeto de la invención
La presente invención presenta una máquina para la generación de energía eléctrica haciendo uso de imanes permanentes y bobinas en resonancia con una configuración 10 geométrica y movimiento relativo en base al cual se consigue un torque muy bajo, es decir, una generación de energía a un alto rendimiento.
La presente invención encuentra su ámbito de aplicación tanto en la industria de generación de energía eléctrica como la industria mecánica.
15
Antecedentes del estado de la técnica
Es por todos conocidos, que en la actualidad existen diversos tipos de generadores electromagnéticos basados en la generación de electricidad en base al movimiento de un 20 rotor de imanes de muy diversas configuraciones en el interior de un conjunto de bobinas llamado estator buscando la creación de un campo magnético variable.
Estos sistemas presentan algunos inconvenientes que limiten su rendimiento haciendo que el uso de este tipo de aplicaciones para la generación de electricidad no se haya 25 generalizado.
El primer inconveniente es que el estator de bobinas se conforma según un núcleo de chapa ferromagnética laminada con muy diversas combinaciones y formas, que incorpora los bobinados de cobre en torno a los imanes del rotor de forma radial o también axial y a 30 una distancia mínima del rotor para permitir la máxima transferencia de flujo magnético hacia el estator. Estas configuraciones presentan la limitación de que generan una fuerte tracción magnética entre los imanes y el núcleo de hierro laminado del estator, con el
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consiguiente incremento de la fuerza de tracción o torque necesaria para activar el giro del referido rotor.
Una posible solución a este problema es la que se plantea en la Patente de nº de
5 Publicación y Título respectivamente; EP1147595 “PERMANENT MAGNET ELECTRIC MACHINE WITH ENERGY SAVING CONTROL” en la misma se divide el estator en varias secciones y con una colocación estratégica de los imanes, consigue un balanceo de las fuerzas ferromagnéticas que anulan el par de torsión resistente magnético permanente para pasar de un imán al siguiente.
10 No obstante, la presente invención soluciona la referida problemática de forma mucho más drástica y económica mediante la eliminación por completo del material ferromagnético del estator, de forma que las bobinas del mismo estarían con lo que se denomina ‘núcleo de aire’. Así, con el sistema descrito se presenta una vía para reducir a
15 cero el par de torsión resistente magnético, reduciendo con ello el peso y volumen de la máquina resultante y su coste de fabricación.
Atendiendo a los inconvenientes de la propuesta, al eliminar del estator el material ferromagnético, reducimos la capacidad de generación de electricidad de los bobinados,
20 para lo cual se ha diseñado un sistema de bobinas puestas en resonancia magnética mediante unos bancos de condensadores conectados a las mismas.
Atendiendo a los antecedentes del estado de la técnica en aplicaciones de sistemas de bobinas dispuestos en resonancia magnética, la Patente de nº de Publicación y Título, 25 respectivamente; US 4064442, “ELECTRIC MOTOR HAVING PERMANENT MAGNETS AND RESONANT CIRCUIT“ se propone un sistema resonante de bobinas y condensadores para aumentar el rendimiento de un motor eléctrico. Así mismo, en la Patente; US 7940534 B2, “RESONANT TRANSFORMER SYSTEMS AND METHODS OF USE” se hace uso de la resonancia de un circuito bobina-condensador para mejorar el
30 rendimiento de un transformador toroidal.
Además, los circuitos resonantes son especialmente útiles cuando se desea hacer sintonizadores ó "tuners", en los cuales se quiere dar mucha potencia exclusivamente en una frecuencia o a un rango de frecuencias muy reducido dentro de un espectro. Por ejemplo, cuando sintonizamos una emisora de radio en nuestro receptor lo que se ha producido es una condición de resonancia para la frecuencia central asignada para dicha estación radiodifusora. Así, en el caso de los receptores de radio comerciales tienen un
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5 circuito resonante "ajustable" para poder seleccionar la frecuencia resonante adecuada.
Respecto al segundo inconveniente, surge al tener en cuenta que cuando los imanes del rotor se mueven, las líneas de fuerza del campo generado cortan los bobinados del estator induciendo por tanto una fuerza electromotriz (FEM) en ellos. De acuerdo con la 10 ley de Lenz, la fuerza electromotriz tiende a oponerse a la causa que la genera, es decir, que en el caso que nos ocupa tenderá a frenar el rotor de imanes. La problemática descrita se acentúa cuando aumentamos la carga del generador, al tener en cuenta que ese aumento incrementa la corriente que circula por los bobinados del estator, con el consiguiente aumento en la fuerza electromotriz generada, que provocará un mayor
15 frenado del rotor.
Atendiendo a las invenciones presentes en el estado de la técnica, para evitar o minorar la problemática propuesta, en la Patente de Nº de Publicación y Título, respectivamente; ES 2264648 A1, “GENERADOR DE ENERGIA ELECTRICA”, se propone que tanto los 20 imanes del rotor como los bobinados del estator, se dispongan fijos sin movimiento y enfrentados entre sí, siendo un disco obturador de metal el que al girar produciría la variación del flujo magnético necesaria para la generación de electricidad. Con este sistema eliminamos la fuerza electromotriz que frena el giro del rotor, pero tiene el inconveniente de que en comparación con los sistemas antes descritos, el rendimiento es
25 muy inferior, requiriendo por tanto unas máquinas mucho más voluminosas y pesadas con los inconvenientes en coste y utilidad que esa circunstancia implica.
Luego, a modo de conclusión el “Generador de corriente eléctrica por movimiento e inducción mediante imanes permanentes y bobinas resonantes” aporta respecto al estado 30 de la técnica en la materia una máquina que aporta las siguientes ventajas;
imagen4
A. Se evita el efecto de frenado del rotor según la conformación de los flujos magnéticos del rotor de imanes y de las bobinas del estator en base a una configuración concéntrica y específica de sus bobinas e imanes, respectivamente.
5 B. Configuración de bobinas en resonancia que evita la transmisión de fuerza alguna de tracción o frenado sobre la fuente magnética variable que las ceba o las hace inducir respecto a la referida resonancia.
EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN
10 A modo explicación del “Generador de corriente eléctrica por movimiento e inducción mediante imanes permanentes y bobinas resonantes”, se lleva a cabo según una envolvente en la que se aloja un sólido circular que incluye imanes permanentes, provisto de movimiento de rotación a modo de rotor y en el que se genera un flujo magnético
15 variable, que gira en el interior de un sistema de bobinas en reposo dispuestas específicamente a modo de estator y en donde se transforma el referido flujo magnético variable en corriente eléctrica.
El rotor está formado por una pieza de aluminio circular que gira solidariamente en torno a
20 un eje de giro fabricado en acero y sujeto en ambos extremos por unos rodamientos de bolas que le permiten girar libremente y sin rozamiento dentro del sistema de bobinas llamado estator. Distribuidos regularmente sobre el perímetro exterior del referido rotor se ubican 38 imanes rectangulares dispuestos radialmente. Respecto a la orientación de los polos magnéticos de los imanes, se han dispuesto de forma que el polo norte de cada
25 imán tiene el sentido de giro horario y viceversa, al objeto de generar un flujo circular en sentido horario a lo largo del perímetro del rotor y que apenas rebasa el borde superior del perímetro de los imanes.
Por otro lado, el estator se conforma según una pieza de cobre de forma anular y sección
30 oval, según un diámetro interior concebido para alojar el rotor de imanes. Esta pieza de cobre será hueca y con unos conductos de entrada y salida, para permitir circular por su interior un líquido refrigerante, que mantendrá la temperatura de las bobinas por debajo de los 35ºC. El sentido de esta refrigeración es que debido a la resonancia de las bobinas del
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circuito par que será descrito a continuación, se produce un efecto de calentamiento por inducción considerable que hace que la resistividad eléctrica del cobre aumente de forma perjudicial, lo que produciría una disminución en la producción de energía en las bobinas, con la consecuente pérdida de rendimiento del generador. Así, las 76 bobinas que 5 componen el estator están arrolladas a lo largo del perímetro de dicha pieza de cobre, quedando toda la superficie del aro cubierta por las bobinas. Esta distribución de las bobinas tiene como objetivo generar un flujo toroidal en el interior de las mismas y que produce una realimentación o ‘feedback’ entre ellas produciéndose así un aumento considerable en la cantidad de flujo inducida, con el consiguiente aumento en la
10 electricidad resultante generada.
Es importante resaltar que el espacio que debe quedar entre las bobinas y el rotor de imanes será de tres milímetros, ya que si fuera superior no funcionaría el generador, debido a que el flujo generado por los imanes no llegaría a las bobinas, y si fuera inferior,
15 el flujo de los imanes penetraría en el interior de las bobinas y se produciría un efecto de frenado debido a que la dirección de giro del flujo generado en las bobinas es opuesta al flujo variable generado por el giro de los imanes.
Continuando con la definición del estator, las bobinas que contiene están divididas en dos
20 grupos, bobinas pares e impares. Así, cada bobina del grupo par se pone en resonancia con un banco de condensadores al objeto de crear un circuito LC sintonizado a la frecuencia de variación del flujo magnético generado en el rotor de imanes cuando gira y que es de 2,216.66 Hz. Esta frecuencia se calcula dividiendo las revoluciones por minuto a la que gira el rotor de imanes (3500RPM) entre 60 y multiplicando el cociente resultante
25 por el número de pares de polos magnéticos que son en éste caso 38 y que se corresponden con el número de imanes, teniendo en cuenta que cada imán tiene un par de polos magnéticos.
Respecto a las bobinas del grupo impar, estas no están puestas en resonancia, ya que su
30 misión se limita a convertir en electricidad el intenso flujo magnético generado por la resonancia magnética generada por el circuito toroidal resonante de bobinas pares.
imagen6
Para facilitar la comprensión de la invención, se podría comparar el estator de bobinas con un transformador toroidal, en el cual el bobinado primario serían las bobinas resonantes del circuito par, y el secundario serían las bobinas no-resonantes del circuito impar, con la diferencia de que en éste caso también se aprovecha la alta energía eléctrica generada
5 por el circuito par de bobinas resonantes. De este modo la energía total producida por el generador es la suma de la energía producida por el circuito par de bobinas resonantes, más la suma de la energía producida por el circuito impar o de bobinas no resonantes.
El impulsor del referido rotor de imanes puede ser una turbina eólica o un motor eléctrico
10 de baja potencia. Al respecto, es importante indicar que durante el transitorio de arranque en el que se lleva a cabo la aceleración del rotor hasta que se han alcanzado las 3500 RPM y, en consecuencia, la frecuencia de resonancia del banco de bobinas pares, el flujo inducido en las bobinas impares está desfasado 180º con respecto del generado en las bobinas pares, por lo que tienden a anularse el uno al otro. No obstante, una vez se ha
15 alcanzado la velocidad óptima y, por tanto, la frecuencia adecuada, entra en resonancia el circuito de bobinas pares, generando un flujo muy superior al que se está generando en las bobinas impares por el efecto de los imanes del rotor, consiguiendo que las bobinas impares se vuelven esclavas del circuito par al ponerse automáticamente en fase con dicho circuito.
20
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo
25 preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1.-Muestra una vista en planta principal de “Generador de corriente eléctrica por 30 movimiento e inducción mediante imanes permanentes y bobinas resonantes”.
imagen7
Figura 2.-Muestra una vista en alzado de sección principal del “Generador de corriente eléctrica por movimiento e inducción mediante imanes permanentes y bobinas resonantes”.
5 Figura 3.-Muestra una vista en planta principal del rotor con detalle de la distribución de los polos magnéticos y la intensidad del flujo magnético que generan.
Figura 4.-Muestra una vista en planta principal de “Generador de corriente eléctrica por movimiento e inducción mediante imanes permanentes y bobinas resonantes” con detalle 10 de la distribución y conexionado de las bobinas resonantes.
Figura 5.-Esquema de instalación del generador eólico basado en la invención.
En las citadas figuras se pueden destacar los siguientes elementos constituyentes;
15
1.
Envolvente circular
2.
Espaciadores
3.
Estator
4.
Bobinas
20 5. Pipeta de entrada
6.
Pipeta de salida
7.
Rotor
8.
Eje central de rotación
9.
Imanes de neodimio 25 10. Cuñas de fijación.
11.
Pieza anular de cobre de sección ovalada y hueca
12.
Intensidad del flujo magnético
13.
Bobinas resonantes
14.
Condensadores 30 15. Bobinas no resonantes
16.
Hélice propulsora
17.
Generador
18.
Embragues centrífugos y conjunto de transmisión
19.
Motor eléctrico
20.
Control de velocidad electrónico
21.
Conjunto de baterías
22.
Circuito cargador
imagen8
5 23. Rectificadores
24.
Cargadores pulsantes
25.
Bancos de supercondensadores de grafeno
26.
Bus de corriente continua
27. Convertidores 10 28. Bus de salida
EJEMPLO DE REALIZACIÓN PREFERENTE APOYADO EN FIGURAS
A la vista de la figura 1 puede observarse, a modo de ejemplo de realización preferente
15 del “Generador de corriente eléctrica por movimiento e inducción mediante imanes permanentes y bobinas resonantes” para apoyar la generación de electricidad de un generador eólico, como el mismo se puede llevar a cabo en el interior de una envolvente circular (1) a modo de chasis, realizado en aluminio aeronáutico de 10mm de espesor y 400mm de diámetro, provista de cuatro espaciadores (2) también en aluminio a modo de
20 soporte del estator (3) donde se alojan el conjunto de las 76 bobinas (4) que rellenan todo el espacio del referido estator (3). En la referida figura 1 también se aprecian la pipeta de entrada (5) y la pipeta de salida (6) del circuito de refrigeración del conjunto de las bobinas (4). Por último, atendiendo a la configuración del rotor (7), se aprecia como el mismo gira en torno a su eje central (8), y aloja los imanes de neodimio (9) de 40x20x10mm de
25 tamaño y una potencia de 2500 gauss, así como las cuñas de aluminio (10) necesarias para mantener los imanes sujetos a presión.
Continuando con la figura 2, la vista en alzado de la sección radial permite apreciar el conjunto del rotor de aluminio (7) del 230mm de diámetro con el conjunto de imanes (9) 30 colocados en su periferia, así como la ubicación del eje de acero (8) de 22mm de diámetro que lleva a cabo el movimiento angular. También se aprecia el conjunto de bobinas (4) arrolladas sobre la pieza anular de cobre (11) de sección ovalada y hueca al objeto de
permitir la circulación del líquido refrigerante.
imagen9
En la figura 3 se aprecia una planta principal del rotor (7) al objeto de mostrar la distribución de los polos magnéticos de los imanes (9) sobre el perímetro del rotor, y representar la intensidad de su flujo magnético (12) que conforma una curva de forma
5 senoidal o variable.
Por último en la figura 4, se presenta una vista en alzado principal al objeto de apreciar la distribución y conexionado de las bobinas resonantes del grupo par (13) con sus bancos de condensadores (14) y el conjunto de bobinas no resonantes (15) que están colocadas
10 de forma alterna o intercaladas entre las bobinas del grupo par (13). También observamos en la referida figura, el conjunto rotor (7) y la representación de la intensidad del flujo magnético de los imanes (12) y como se ubican las bobinas radialmente (13 y 15) haciendo coincidir las esquinas interiores de cada dos bobinas contiguas.
15 En cuanto a su conexión con la aplicación concreta objeto de esta realización preferente, en la figura 5 se muestra una vista esquemática del generador eólico que aprovecha las ventajas de esta invención, y que permitiría reducir el tamaño de la hélice (16) del conjunto generador, dado la menor cantidad de energía que hay que aplicar para ponerlo en funcionamiento. Así, el generador objeto de la presente invención (17), está acoplado
20 mediante unos embragues centrífugos y conjunto de transmisión (18) a la hélice propulsora (16) y a un pequeño motor eléctrico de 3 KW (19), lo que permitiría hacer funcionar el generador (17) cuando no hay viento o cuando su intensidad es muy baja, mediante el motor eléctrico (19). Dicho motor eléctrico está alimentado por un control de velocidad electrónico (20) y un conjunto de baterías (21) que se mantienen recargadas por
25 el circuito cargador (22), alimentado de la corriente DC de 25 voltios que entrega el conjunto de rectificadores (23) que, a su vez, se alimenta de la corriente alterna de alta frecuencia que entregan el conjunto de bobinas par e impar del generador propuesto como invención.
30 Los cargadores pulsantes de tipo ‘buck converter’ (24) están alimentando cada uno de ellos con 25V y 200A a unos bancos de supercondensadores de grafeno (25). Los referidos condensadores tienen una capacidad de 3000 Faradios cada uno y las salidas respectivas se conectan a un bus de corriente continua (26) con una capacidad para 25V y 400A a su vez conectados a unos convertidores de tipo ‘inverter’ (27) con una capacidad para generar 230Vac y 5KW de potencia por cada convertidor, resultando, por tanto, una potencia total de 10KW en el bus de salida (28).
imagen10
5 Como vemos en lo descrito anteriormente se propone un aerogenerador que permitiría generar potencia para alimentar una vivienda o pequeña granja y que permite solventar el gran problema de los aerogeneradores convencionales que dejan de generar cuando no hay viento o es muy débil. Por último, conviene resaltar que cuanto más grande sea la capacidad de almacenamiento del banco de baterías (21), mayor será el periodo de
10 tiempo en el que se puede mantener en funcionamiento el generador, haciéndolo más independiente de que la intensidad del viento no sea la adecuada.
No se considera necesario hacer más extensa la presente memoria descriptiva para que cualquier entendido en la materia comprenda el alcance de la invención y las ventajas que
15 de su uso se derivan en cualquier aplicación donde se requiera una potencia eléctrica y/o mecánica.
Los elementos de conexionado a partir del generador objeto de invención para adaptarlo a una aplicación concreta, materiales elegidos para la fabricación de los diferentes
20 elementos descritos, dimensiones, tecnología que lo implemente, diámetro del rotor y nº de imanes y nº de bobinas y/o elementos de unión, etc., serán susceptibles de modificación siempre y cuando ello no suponga una alteración a la esencialidad del invento.
25 Los términos en que se ha escrito esta memoria deberán ser tomados siempre en sentido amplio y no limitativo.

Claims (1)

  1. imagen1
    REIVINDICACIONES
    1.- “Generador de corriente eléctrica por movimiento e inducción mediante imanes
    5 permanentes y bobinas resonantes”, caracterizado llevarse a cabo según un estator exterior y un rotor interior consistente en un sólido circular que incluye imanes permanentes y en el que se genera un flujo magnético variable en base a su movimiento de rotación en el interior del referido estator, el cual se conforma según un sistema de bobinas en reposo en las que se intercalan bobinas y condensadores en resonancia con
    10 bobinas no resonantes, dispuestas específicamente a tres milímetros de los imanes que conforman el perímetro exterior del rotor y en donde se transforma el citado flujo magnético variable en corriente eléctrica sobre la base de la configuración de los siguientes elementos:
    15
    A. Rotor circular que aloja treinta y ocho imanes rectangulares dispuestos radialmente alineados sobre el perímetro exterior del mismo, de forma que el eje norte-sur del imán es perpendicular al radio que pasa por su centro y el norte del mismo queda hacia el sentido horario de giro, unido solidariamente a un eje que se aloja a través
    20 de sus respectivos extremos en unos rodamientos de bolas en base a los cuales se garantiza el movimiento en el interior del estator.
    B. Estator según una pieza hueca en forma anular y diámetro interior dispuesto para
    25 alojar el rotor de imanes, sección ovalada diseñada para que por su interior circule un líquido refrigerante provisto de sus correspondientes conductos de entrada y salida, y concebido para contener distribuidas de forma regular el arrollamiento de las setenta y seis bobinas que componen el estator.
    30
    C. Configuración de las bobinas que contiene el estator en las que se intercalan bobinas y condensadores en resonancia con bobinas no resonantes, de forma que cada bobina en resonancia se dispone con un banco de condensadores, creando un circuito LC sintonizado a 2,216.66 Hz, que es la frecuencia de variación del flujo magnético generado en el rotor de imanes cuando gira.
    imagen2
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