ES2720266B2 - Alternador lineal alternativo - Google Patents

Description

DESCRIPCIÓN

Alternador lineal alternativo

La presente invención hace referencia a un alternador lineal alternativo, que genera energía eléctrica de corriente alterna.

La presente invención también hace referencia a un dispositivo cinemático que permite la conversión de un movimiento de giro de un eje en un movimiento lineal alternativo que es aprovechado por el alternador lineal alternativo objeto de la presente invención. Más en particular, la presente invención hace referencia a un alternador, del tipo de inducción magnética, que utiliza el movimiento lineal alternativo causado por el dispositivo cinemático anteriormente descrito para realizar la generación de la energía eléctrica de corriente alterna.

Es ampliamente conocida en la técnica la teoría electromagnética y los avances en dicho campo obtenidos por Faraday, Lenz y Lorentz según los cuales se puede obtener energía eléctrica a partir de la energía proveniente de campos magnéticos de imanes permanentes y sus efectos sobre inducidos horizontales y verticales unidos entre sí. Sus estudios establecieron que el voltaje inducido en un circuito cerrado es directamente proporcional a la rapidez con que cambia en el tiempo el flujo magnético que atraviesa una superficie cualquiera y cuya polaridad depende del sentido del campo y el valor del flujo que lo atraviesa. Es decir, no es suficiente con disponer un imán y una superficie conductora, sino que se hace necesario disponer de un movimiento, lo más adecuado posible, para la generación de corriente eléctrica aplicando esta teoría.

Además, son conocidos generadores de energía eléctrica cuya generación se realiza a través del movimiento lineal generado por un conversor de un movimiento de giro de un eje de un movimiento alternativo.

El documento de Patente española ES2347637 da a conocer un conversor de movimiento de giro de un eje en movimiento lineal alternativo y los documentos de Patente española ES2351648 y ES2412486 dan a conocer generadores de energía en los que la generación se realiza utilizando un dispositivo cinemático similar.

El documento de Patente española ES2562084 da a conocer un generador de energía eléctrica lineal alternativo según el preámbulo de la reivindicación 1.

Uno de los inconvenientes de la utilización de los generadores de energía eléctrica a partir de un movimiento lineal alternativo, conocidos por la técnica anterior, es que estos generadores comprenden un par de masas interconectadas mediante un sistema de poleas y cables, correas, cadenas o cualquier otro material maleable. Cuando se requiere que estos sistemas funcionen a alta velocidad, los elementos maleables tienden a estirarse y cuando se realiza una fuerza en sentido contrario a su estiramiento se producen saltos de las masas haciendo que el sistema sea incontrolable y pueden producirse daños en la estructura o rotura de estos elementos. Esto requiere no sólo elegir correctamente las partes cinemáticas del dispositivo, sino también una correcta elección de la disposición de imanes o inductores e inducidos.

En consecuencia, es un objetivo de la presente invención dar a conocer diferentes aspectos que proporcionan medios que permiten aumentar la eficacia en la conversión eléctrica en este tipo de dispositivos, permitiendo salidas eléctricas de diferencias de potencial relativamente altas incluso con entradas de baja potencia mecánica y un equipo de dimensiones reducidas, y que permiten asimismo generar una salida de corriente alterna que requiera una rectificación mínima o ninguna rectificación.

Más en particular, la presente invención da a conocer un alternador lineal alternativo que comprende:

- una entrada de eje;

- un conversor del movimiento de giro del eje en movimiento lineal alternativo;

- una masa conectada al elemento de movimiento lineal alternativo del conversor;

- un grupo de imanes de magnetización axial dispuestos en hileras; y

- un grupo de inducidos,

presentando el grupo de imanes y el grupo de inducidos movimiento relativo entre sí. De acuerdo con un aspecto de la presente invención, las citadas hileras se disponen según una dirección paralela a la del movimiento alternativo, presentado cada hilera, en la cara orientada hacia el grupo de inducidos, imanes que presentan en dicha cara polos alternados de distinto signo, y los inducidos del grupo de inducidos disponen de la entrada y la salida de cada inducido en lados opuestos del inducido correspondiente.

Preferentemente, los inductores son imanes axiales. También de manera preferente los inducidos son devanados.

La disposición de imanes objeto de la presente invención permite su colocación sin necesidad de elementos de fijación, más allá de la colocación de topes al inicio y al final de la hilera, y los topes de las hileras de los extremos laterales.

Con la disposición de imanes señalada, la disposición de entrada/salida del cableado al inducido según la presente invención lleva a poder ofrecer salidas con un voltaje superior a otras disposiciones de inducido.

Según otro aspecto de la presente invención, los inducidos disponen de un núcleo ferromagnético cuya dimensión según la dirección del movimiento es igual o inferior a la mitad de uno de los citados imanes.

De acuerdo con otro aspecto más de la presente invención, la longitud de los inducidos según la dirección del movimiento es menor o igual a la longitud de dos imanes contiguos en una hilera de imanes.

Preferentemente, los inducidos presentan dos tramos rectos dispuestos de manera perpendicular al movimiento y unidos por dos tramos de conexión preferentemente curvos, y las hileras de imanes se sitúan de tal manera que cubren por completo los citados tramos rectos.

Según otro aspecto de la presente invención, las hileras son continuas y su longitud en la dirección del movimiento es superior al del grupo de inducidos.

De manera asimismo preferente, los imanes se disponen en una base de material férrico unidos a una masa de material no férrico, y donde los imanes, preferentemente, carecen de elementos de atornillamiento o enclavado de los imanes en la base. Para ello, la base preferente será de un material férrico.

Preferentemente, la citada masa dispone de imanes en caras opuestas de la base, siendo el espesor de la masa tal que no existe interferencia entre las líneas de fuerza de los imanes dispuestos en ambas caras.

Preferentemente los imanes se disponen en hileras. Las hileras pueden disponerse en disposición de columna, es decir, paralelas entre sí.

Preferentemente, los citados imanes magnéticos axiales son imanes permanentes.

Según otro aspecto de la presente invención, el movimiento lineal alternativo generado por el citado conversor presenta una amplitud de movimiento igual a la longitud de dos imanes contiguos en la dirección del movimiento.

Preferentemente, el conversor del movimiento de giro del eje en un movimiento alternativo comprende un cigüeñal y un grupo camisa-pistón. Preferentemente, la presente invención comprende al menos dos conversores de movimiento alternativo. Preferentemente, cuando la invención comprende más de un conversor de movimiento alternativo, los conversores se disponen angularmente con respecto al eje común de manera tal que se equilibran los pares sobre el eje producidos por cada uno de los grupos camisa-pistón. Esto equilibra cinemáticamente el dispositivo y disminuye las pérdidas.

Preferentemente, el movimiento lineal alternativo lo realiza el grupo de imanes unidos a la base de la masa estando el grupo de inducidos fijo a una base acoplada a una estructura.

Preferentemente, los inducidos son bobinas.

Más preferentemente, la presente invención comprende varios grupos de alternadores conectados entre sí a través de un eje, disponiéndose el conversor de cada grupo de manera tal que los pares sobre el eje provocado por cada grupo se compensan de tal manera que el par resultante sobre el eje es nulo.

De manera asimismo preferente, comprende una columna de imanes formada al menos por dos de las citadas hileras y preferentemente por al menos tres de las citadas hileras, presentando cada hilera una disposición de polos contraria a la de las hileras de imanes adyacentes o inmediatamente situados junto a dicha hilera de imanes. En el presente documento, el término “columna” se utiliza en el sentido militar del término, por lo que una columna puede estar formada por un conjunto de hileras dispuestas en una determinada dirección.

Más preferentemente, el conversor presenta, adicionalmente, una salida de eje para proporcionar un movimiento rotacional en el citado eje.

La presente invención permite una construcción modular. En este caso, se disponen conectados a un eje común diversos grupos conversores de movimiento en energía eléctrica, formados por un conversor de movimiento y una disposición de imanes e inducidos según la presente invención. Dichos grupos, preferentemente, se disponen con respecto al eje de manera tal que se equilibren mecánicamente entre sí. Más en particular, se disponen de tal manera que las acciones sobre el eje provocada por el peso de los grupos conversores se anula entre sí.

Para su mejor comprensión se adjuntan, a título de ejemplo explicativo pero no limitativo, unos dibujos de dos realizaciones del alternador objeto de la presente invención.

La figura 1 muestra una vista en perspectiva de un ejemplo de realización de un alternador según la presente invención.

La figura 2 muestra una vista en alzado frontal del ejemplo de la figura 1.

La figura 3 muestra una vista en alzado lateral del ejemplo de la figura 1.

La figura 4 muestra una vista en alzado lateral seccionado por el plano central del ejemplo de la figura 1.

La figura 5 es una vista en alzado lateral de la disposición de los inducidos.

La figura 6 es una vista en alzado frontal de la disposición de los inducidos.

La figura 7 muestra una vista en alzado lateral del modulo que porta los imanes.

La figura 8 muestra una vista en alzado frontal del modulo que porta los imanes.

La figura 9 es una vista en perspectiva de otro ejemplo de realización de un acumulador de alternadores según la presente invención.

En las figuras 1 a 8 se muestra un primer ejemplo de realización de un alternador -1-, según la presente invención. En estas figuras se puede observar la masa -4- que tiene forma de carro y que presenta un movimiento alternativo. Además, se dispone una estructura -5- para soportar el módulo y proveerlo de puntos de apoyo fijos respecto al movimiento lineal alternativo de las masas. En esta realización, una masa -105- soporta los inducidos.

El dispositivo -1- comprende un conversor -3- que es un conversor de movimiento rotacional de un eje -2- en un movimiento lineal alternativo del eje -42-. Preferentemente, este convertidor comprende un cigüeñal y un grupo camisa-pistón. El conversor de movimiento rotacional en movimiento lineal alternativo comprende una entrada de eje -2- a la que se conecta un eje rotor. La rotación del eje ocasiona sobre la masa -4- un movimiento lineal alternativo, en este caso en dirección vertical.

En cuanto al mecanismo con la masa -4-, para frecuencias elevadas de movimiento lineal alternativo es preferible que los elementos estructurales tengan un módulo de Young superior a 5GPa. Esto evita que ocurran saltos indeseados de la masa debido a acciones de contracción y/o elongación de los elementos que forman parte del mecanismo.

La masa o carro -4- dispone de guías y es accionada por el eje o pistón -42- que es accionado desde el dispositivo cinemático -3-.

Las figuras 4 a 6 muestran la disposición de los inducidos -51-, -51’- en hileras. En esta realización particular, los inducidos se sitúan fijados a la masa -105- del bloque. Los inducidos se disponen asimismo en hileras paralelas en formación de columna que siguen el movimiento del grupo. Es decir, en este caso, se disponen en hileras verticales en disposición de columna. De manera ventajosa, la entrada -511-, -511’- y la salida -512-, -512’- de los perfiles o cables de sección no necesariamente circular que constituyen los inducidos se sitúan en extremos opuestos del inducido. En el caso mostrado, los inducidos presentan una forma que está compuesta por dos giros de 180° entre los cuales se sitúan dos tramos rectos, de una longitud -B- en una dirección perpendicular a la del movimiento generado por el conversor de movimiento. El núcleo de los inducidos está ocupado por un material férrico. La altura -D- o dimensión del núcleo en la dirección del movimiento es inferior al de la longitud correspondiente de los imanes -670-, -671-, -672-. Asimismo, la altura de un inducido es igual o inferior al de dos de los citados imanes -670-, -671-, -672-.

Como se observa en las figuras 7 y 8, el módulo -4- incorpora un grupo de imanes -670-, -671-, -672- dispuestos en hileras -67-, -68-, -69-, -70- que siguen la dirección del movimiento del modulo -4-. En cada hilera, imanes adyacentes presentan un polo opuesto en la cara que da a los inducidos. La disposición de hileras es simétrica con respecto a su eje central. Preferentemente, la disposición de imanes en cada hilera es idéntica. De esta manera, cada fila horizontal presenta imanes con un mismo polo. La longitud de dos imanes adyacentes -670-, -671-, -672- resulta ser igual o mayor que la altura -C- de cada inducido -51-, -51’-. Las hileras se disponen en dos inducidos, cada uno de los inducidos ocupando la longitud -B- de cada elemento de inducido -51 -, -51 ’-.

Las hileras de imanes axiales se disponen paralelas entre sí, es decir, en formación de columna. La separación entre hileras puede elegirse en función de la densidad de flujo de loa imanes axiales.

Como se observa en la figura 7, la masa -4- es un elemento plano que recibe imanes axiales en ambas caras principales. Preferentemente, la masa -4- está realizada en un material no férrico. La distancia entre caras y el material se eligen para que no haya cruces entre las líneas de fuerza de los imanes axiales. Esto permite que los imanes axiales se puedan colocar, en una base férrica adherida a la masa -4-, puesto que los imanes axiales de una cara no realizan ninguna fuerza perceptible sobre los imanes axiales de la otra cara.

De acuerdo con las leyes de Maxwell y Lorentz, este movimiento lineal alternativo de los inducidos respecto a los imanes axiales genera corrientes eléctricas alternas a través de los citados inducidos. La energía eléctrica obtenida a partir del movimiento lineal alternativo del grupo de imanes axiales respecto a los grupos de inducidos puede ser tratada para obtener energía alterna, más en particular, puede tratarse para obtener energía alterna monofásica o trifásica. A la corriente de salida obtenida se le puede realizar una rectificación o filtrado de señal mediante medios que serían obvios para un experto en la materia. Los imanes utilizados son de magnetización axial, como se observa por la disposición de sus polos (ver figuras 4 y 7).

En las realizaciones mostradas, los imanes son permanentes, y más en concreto de magnetización axial.

En realizaciones particulares de la presente invención, los imanes pueden ser electroimanes.

La figura 9 muestra otra realización similar a la de las figuras anteriores, en la que elementos iguales o similares han sido identificados con idénticos numerales. Esta realización se diferencia de la anterior en que dispone de diferentes bloques conversores -1-, -1 ’-, -1 ’’-, -1’’’-, -1’’’’-, como el mostrado, en el que los bloques quedan unidos a través de los cigüeñales -3- a un eje común, formando todo un conjunto.

En otras realizaciones preferentes de la presente invención, un conjunto puede quedar formado por dos bloques unidos a un eje común y que comparten una salida y una entrada de eje. Esto permite la conexión modular entre conjuntos.

El dispositivo para la generación de un movimiento lineal alternativo según la presente invención puede generar energía a partir de máquinas que utilicen la rotación de un eje, por ejemplo, puede incorporarse al eje de un vehículo, un ferrocarril, un navio, un motor, obteniendo así energía eléctrica a partir de la rotación de ejes destinados a realizar el movimiento de la máquina.

Si bien la invención se ha descrito con respecto a ejemplos de realizaciones preferentes, éstos no se deben considerar limitativos de la invención, que se definirá por la interpretación más amplia de las siguientes reivindicaciones.

Claims (14)

REIVINDICACIONES

1. Alternador lineal alternativo que comprende:

- una entrada de eje;

- un conversor del movimiento de giro del eje en movimiento lineal alternativo;

- una masa conectada al elemento de movimiento lineal alternativo del conversor;

- un grupo de imanes de magnetización axial dispuestos en hileras montados sobre la masa conectada al elemento de movimiento lineal alternativo; y

- un grupo de inducidos que se disponen asimismo en hileras paralelas en formación de columna que siguen el movimiento del grupo y a ambos lados del grupo de imanes de magnetización,

presentando el grupo de imanes y el grupo de inducidos movimiento relativo entre sí, caracterizado por que las citadas hileras del grupo de imanes de magnetización se disponen según una dirección paralela a la del movimiento alternativo, en las que los imanes se disponen en formación de columna de hileras sobre una base de un material férrico adherida a la masa, estando dispuestos los imanes en caras opuestas de la base, siendo el espesor de la base de material férrico tal que no existe interferencia entre las líneas de fuerza de los imanes dispuestos en ambas caras, presentado cada hilera, en la cara orientada hacia el grupo de inducidos, imanes que presentan en dicha cara polos alternados de distinto signo, y los inducidos del grupo de inducidos disponen de una entrada y una salida de cada inducido en lados opuestos del inducido correspondiente.

2. Alternador, según la reivindicación 1, caracterizado por que los inducidos disponen de un núcleo ferromagnético cuya dimensión según la dirección del movimiento es igual o inferior a la mitad de la longitud de uno de los citados imanes.

3. Alternador, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la longitud de los inducidos según la dirección del movimiento es menor o igual a la longitud de dos imanes contiguos en la hilera de imanes axiales.

4. Alternador, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque los inducidos se disponen formando filas horizontales e hileras verticales.

5. Alternador, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los inducidos presentan dos tramos rectos dispuestos de manera perpendicular al movimiento y unidos por dos tramos curvos o rectos, y por que las hileras de imanes se sitúan de tal manera que cubren por completo los citados tramos rectos.

6. Alternador, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que, a lo largo de un eje perpendicular al del citado movimiento, la distancia entre hileras es igual o inferior a la anchura de los imanes de las hileras.

7. Alternador, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que las hileras son continuas y su longitud en la dirección del movimiento es superior a la del grupo de inducidos.

8. Alternador, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los inductores son imanes axiales.

9. Alternador, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el movimiento lineal alternativo generado por el citado conversor presenta una amplitud de movimiento igual a la longitud de dos imanes contiguos de una hilera según la dirección del movimiento.

10. Alternador, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que dicho conversor del movimiento de giro de eje en un movimiento alternativo comprende un cigüeñal y al menos un conjunto de camisa-pistón.

11. Alternador, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el movimiento lineal alternativo lo realiza el grupo de imanes estando el grupo de inducidos sostenido en una estructura.

12. Alternador, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los inducidos son bobinas.

13. Alternador, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende varios bloques, formado cada bloque por un grupo de imanes, inducidos y conversores de movimiento, disponiéndose el conversor de cada bloque de manera tal que la suma de los pares sobre el eje provocado por los bloques es nula.

14. Alternador, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende, además, una salida de eje.