ES2834096T3 - Conjunto mecánico para mantener un espacio de aire entre un estator y rotor en un convertidor de energía electromecánico - Google Patents

Conjunto mecánico para mantener un espacio de aire entre un estator y rotor en un convertidor de energía electromecánico Download PDF

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Joseph Prudell
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Abstract

Un conjunto mecánico para mantener un espacio de aire (312) entre un estator (310) y un rotor (305) en un convertidor de energía electromecánica (300), el conjunto que comprende: un manguito estructural (330); una pluralidad de secciones del estator (311) unidas a una superficie interior del manguito estructural; un cubo (315) encerrado por el manguito estructural y concéntrico con el manguito estructural; una pluralidad de secciones del rotor (307) acopladas de manera flexible al cubo y encerradas por el manguito estructural; y un sistema de riel (335) colocado dentro del manguito estructural y concéntrico con el manguito estructural, el sistema de riel para guiar las secciones del rotor en una trayectoria sustancialmente circular y para definir un espacio de aire (312) entre la pluralidad de secciones del estator y la pluralidad de secciones del rotor; caracterizado porque cada una de las secciones del rotor está acoplada de manera flexible al cubo mediante: (a) un perro de arrastre (308) adaptado para transferir el par entre una sección del rotor dada y el cubo; y un resorte de sujeción (380) dispuesto entre la sección del rotor dada y el cubo, y adaptado para proporcionar una fuerza radial que empuja contra el cubo para empujar la sección del rotor dada contra el sistema de rieles; o (b) un brazo de accionamiento (390) unido de forma pivotante al cubo en un extremo y unido de forma pivotante a una sección del rotor dada en otro extremo, el brazo de accionamiento que se adapta para transferir el par entre una sección del rotor dada y el cubo; y un resorte de brazo (395) unido de forma pivotante al cubo en un extremo y unido de forma pivotante a un brazo de accionamiento asociado en otro extremo, el resorte de brazo está adaptado para proporcionar una fuerza radial que empuja contra el cubo para empujar el brazo de accionamiento asociado y el rotor dado sección contra el sistema de rieles.

Description

DESCRIPCIÓN
Conjunto mecánico para mantener un espacio de aire entre un estator y rotor en un convertidor de energía electromecánico
Referencia cruzada a la aplicación relacionada
La presente solicitud está relacionada y reivindica el beneficio de prioridad de la solicitud de patente provisional de los Estados Unidos No. 61/471,690 presentada el 4 de abril de 2011.
Antecedentes
Campo de la Invención
La presente invención se refiere en general a convertidores de energía electromecánicos.
Discusión de la información de antecedentes
Un tipo de convertidor de energía electromecánica, llamado "motor eléctrico", convierte la energía eléctrica en trabajo mecánico. Otro tipo de convertidor de energía electromecánica, llamado "generador eléctrico", convierte el trabajo mecánico en energía eléctrica. Ambos tipos de convertidores de energía electromecánicos vienen en una variedad de tamaños y a menudo son intercambiables en operación, lo que quiere decir que un motor puede actuar como un generador y viceversa cuando el proceso se invierte. En todos los casos, se requiere trabajo mecánico para accionar un generador eléctrico que puede provenir de una variedad de fuentes, entre las que se encuentra el trabajo proporcionado por las olas del océano.
Los motores y generadores típicamente operan a alta velocidad (1000 a 4000 rpm) y bajo el par porque esta combinación reduce el costo total de fabricación para un nivel de potencia dado. La velocidad relativamente lenta y las grandes fuerzas de las olas del océano resultan en requisitos desafiantes para la conversión de energía electromecánica. El acoplamiento mecánico directo de estas fuerzas mecánicas de baja velocidad (menos de 5 rpm, revoluciones por minuto) y alto par (millones de Newton-metro) y su conversión en energía eléctrica se puede lograr de manera eficiente y rentable con un generador de accionamiento directo de gran diámetro. Este acoplamiento directo requiere que se aborden ciertos desafíos de diseño electromagnético y mecánico.
Una práctica común de la industria para abordar los requisitos de motores/generadores de baja velocidad y alto par es aumentar el diámetro. Un aumento en el diámetro mejora tanto la eficiencia como reduce el costo de material unitario para el mismo par entregado por el motor/generador. El par se mejora con una máquina de gran diámetro debido al mayor radio de la máquina y un brazo de palanca más largo que actúa sobre la misma fuerza electromagnética.
En un diseño convencional, un generador/motor consta de dos componentes principales: un elemento fijo, llamado "estator", contra el cual un elemento rotacional, llamado "rotor" reacciona electromagnéticamente. El estator y el rotor están separados por un pequeño juego radial (espacio de aire) que proporciona un juego mecánico entre las partes móviles. A través de numerosos tipos de diseño de máquinas, entendidos por los expertos en la técnica, el flujo magnético se dirige a través del espacio de aire entre el estator y el rotor y a través de uno o más conjuntos de bobinas metálicas. La rotación relativa entre el estator y el rotor provoca una tasa de cambio en el tiempo del flujo magnético a través de las bobinas metálicas y genera una tensión directamente proporcional a esa tasa de cambio. La tasa de cambio en el tiempo del flujo magnético puede aumentarse mediante una rotación más rápida en el espacio de aire y/o mediante una mayor densidad de flujo. Para una velocidad de rotación dada, la velocidad es proporcional al radio, lo que significa que cuanto mayor sea el diámetro del generador/motor, más rápido será el movimiento relativo entre el rotor y el estator en el espacio de aire. Se puede demostrar que cuando todos los demás parámetros de la máquina se suponen constantes, una velocidad más alta se traduce en una mayor velocidad de flujo y una mayor eficiencia del generador.
A medida que aumenta el diámetro de un convertidor de energía electromecánica, la capacidad de fabricar estas piezas con precisión (es decir, con tolerancias más pequeñas o "más estrictas") y, por lo tanto, la capacidad de mantener un espacio de aire pequeño se vuelve cada vez más difícil y más cara. Se han logrado tolerancias de aproximadamente 5 a 10 milímetros (mm) con generadores/motores de accionamiento directo de gran diámetro existentes. Los espacios de aire grandes, como de 5 a 10 mm, disminuyen la eficiencia (y/o aumentan el costo) de un motor/generador.
Por tanto, existe la necesidad de un mayor diámetro del motor/generador y de un diseño que permita este gran diámetro con un espacio de aire reducido (por ejemplo, de 0,5 mm a 3 mm) entre el estator y el rotor en un convertidor de energía electromecánica.
El documento SE 0950897 A1 da a conocer un conjunto de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1.
Resumen
Las formas de realización de ejemplo de la presente invención proporcionan un conjunto mecánico para mantener un espacio de aire entre un estator y un rotor en un convertidor de energía electromecánica. El conjunto mecánico incluye un manguito estructural que sirve como marco que dispone de forma concéntrica otros componentes del conjunto y encierra estos componentes. Una pluralidad de secciones del estator está unidas a una superficie interior del manguito estructural. Un cubo está rodeado por el manguito estructural y es concéntrico con el manguito estructural. Una pluralidad de secciones del rotor está acoplada de manera flexible al cubo y encerradas por el manguito estructural. El cubo transfiere el par hacia o desde las secciones del rotor en un proceso de conversión de energía electromecánica. Un sistema de rieles, que puede comprender dos rieles separados axialmente, se coloca dentro del manguito estructural. El sistema de rieles guía las secciones del rotor en una trayectoria sustancialmente circular. El sistema de rieles también define un espacio de aire entre la pluralidad de secciones del estator y la pluralidad de secciones de rotor. Cada una de las secciones del rotor está acoplada de forma flexible al cubo mediante: a) un perro de arrastre adaptado para transferir el par entre una sección del rotor dada y el cubo; y un resorte de sujeción dispuesto entre la sección del rotor dada y el cubo, y adaptado para proporcionar una fuerza radial que empuja contra el cubo para empujar la sección del rotor dada contra el sistema de rieles; o b) un brazo de accionamiento unido de forma pivotante al cubo en un extremo y unido de forma pivotante a una sección del rotor dada en otro extremo, el brazo de accionamiento que se adapta para transferir el par entre una sección del rotor dada y el cubo; y un resorte de brazo unido de manera pivotante al cubo en un extremo y unido de manera giratoria a un brazo de accionamiento asociado en otro extremo, el resorte del brazo está adaptado para proporcionar una fuerza radial que empuja contra el cubo para empujar el brazo de accionamiento asociado y la sección del rotor dada contra el sistema de rieles.
En otro aspecto, la presente invención proporciona un método para mantener un espacio de aire entre un estator y un rotor en un convertidor de energía electromecánica. El método incluye proporcionar un manguito estructural y unir una pluralidad de secciones del estator a una superficie interior del manguito estructural. El método incluye proporcionar un cubo que está encerrado por el manguito estructural y es concéntrico con el manguito estructural. El método incluye acoplar de manera flexible una pluralidad de secciones del rotor al cubo. La pluralidad de secciones del rotor que están acopladas de manera flexible está encerrada por el manguito estructural. El método incluye colocar un sistema de rieles dentro del manguito estructural. El sistema de rieles así colocado guía las secciones del rotor en una trayectoria sustancialmente circular y para definir un espacio de aire entre la pluralidad de secciones del estator y la pluralidad de secciones de rotor. El sistema de rieles es concéntrico con el manguito estructural. Cada una de las secciones del rotor está acoplada de forma flexible al cubo mediante: a) un perro de arrastre adaptado para transferir el par entre una sección del rotor dada y el cubo; y un resorte de sujeción dispuesto entre la sección del rotor dada y el cubo, y adaptado para proporcionar una fuerza radial que empuja contra el cubo para empujar la sección del rotor dada contra el sistema de rieles; o b) un brazo de accionamiento unido de forma pivotante al cubo en un extremo y unido de forma pivotante a una sección del rotor dada en otro extremo, el brazo de accionamiento que se adapta para transferir el par entre una sección del rotor dada y el cubo; y un resorte de brazo unido de manera pivotante al cubo en un extremo y unido de manera giratoria a un brazo de accionamiento asociado en otro extremo, el resorte del brazo está adaptado para proporcionar una fuerza radial que empuja contra el cubo para empujar el brazo de accionamiento asociado y la sección del rotor dada contra el sistema de rieles.
Breve descripción de los dibujos
Se comprenderán mejor estas y otras características, aspectos y ventajas de la presente invención tras una revisión de la descripción, las reivindicaciones adjuntas y los dibujos adjuntos en los que:
Las Figuras 1A-1C son diagramas de un entorno de convertidor de energía electromecánico de ejemplo.
La Figura 2 es un diagrama de un entorno de convertidor de energía electromecánico de ejemplo.
La Figura 3A y 3B son vistas en sección transversal de un convertidor de energía electromecánica de acuerdo con una realización de la presente invención.
La Figura 4 es una vista en sección transversal de un extremo de un convertidor de energía electromecánica de acuerdo con una realización de la presente invención.
Las Figuras 5A-5C son diagramas de un sistema de rieles y un diseño de vagón de acuerdo con una realización de la presente invención.
Las Figuras 6A y 6B son diagramas de un acoplamiento flexible de acuerdo con una realización de la presente invención.
Las Figuras 7A-7C son diagramas de una sección del rotor acoplada de forma flexible a un cubo de acuerdo con realizaciones de ejemplo de la presente invención.
Las Figuras 8A y 8B son diagramas de un cubo de accionamiento de acuerdo con las formas de realización de ejemplo de la presente invención.
Las Figuras 9A-9C son diagramas de un ejemplo de generador magnético permanente de acuerdo con una realización de la presente invención.
Descripción detallada
Las Figuras 1A-C muestran un entorno de convertidor de energía electromecánico de ejemplo 100 que incluye un convertidor de energía de las olas (WEC) 105 y olas 110. El WEC 105 incluye un convertidor 115 de energía electromecánica, como se muestra en relación con una góndola 120, un flotador giratorio hacia adelante 125 y un flotador giratorio hacia atrás 130. El convertidor de energía electromecánica 115 está dispuesto concéntricamente con el eje central longitudinal y en un extremo de la góndola 120. En un proceso de extracción de energía de las olas, las olas 110 interactúan con los flotadores 125, 130, que a su vez hacen girar un cubo de accionamiento 135 de manera recíproca con el ascenso y descenso de las olas 110. El cubo de accionamiento 135 hace girar un rotor (no mostrado) del convertidor de energía electromecánica 115 para generar electricidad.
La Figura 2 muestra un entorno de convertidor de energía electromecánico de ejemplo 200 que incluye una máquina de perforación de túneles 205 y una cara de roca 210. La máquina de perforación de túneles 205 incluye un convertidor de energía electromecánica 215, un cabezal cortador 220 y un eje de accionamiento 225 que conecta el convertidor electromecánico de energía 215 y el cabezal cortador 220. En un proceso de perforación de túneles, el convertidor de energía electromecánico 215 usa electricidad para hacer girar un rotor (no mostrado) del convertidor de energía electromecánico 215. El rotor hace girar el eje de accionamiento 165 que a su vez hace girar la cabeza cortadora 220. La cabeza cortadora giratoria 220 se acopla con la cara de roca 210 rompiendo trozos de roca, que luego se transportan dejando un agujero para formar un túnel. En contraste con el WEC 105 discutido anteriormente, la rotación del cabezal cortador 220 no es recíproca, sino que se ejecuta de manera continua en ambas direcciones, hacia adelante y hacia atrás.
El convertidor de energía electromecánica 115 del WEC 105 (que es un tipo de generador eléctrico) y el convertidor de energía electromecánica 215 de la máquina de perforación de túneles 205 (que es un tipo de motor eléctrico) comparten las características de ser grandes en tamaño (por ejemplo, de 5 a 10 metros (m) de diámetro o más), el par elevado (por ejemplo, varios millones de Newton-metros) y velocidad lenta (por ejemplo, 1 revolución por minuto). Estas características presentan desafíos para el diseño mecánico de tales convertidores de energía electromecánicos.
Como se muestra en la vista lateral en sección transversal de la Figura 3A y la vista de extremo en sección transversal de la Figura 3B, una realización de un convertidor de energía electromecánica 300 comprende un rotor 305, un estator 310, un cubo de accionamiento 315 para impulsar el rotor 305, un sistema de riel 335 en el que se desplaza el rotor 305, y un manguito estructural exterior 330 que encierra los componentes anteriores, así como otros componentes del convertidor de energía electromecánica 300.
En un ejemplo mostrado en la Figura 4, el estator 310 está unido al manguito estructural exterior 330, que sirve como marco de montaje del convertidor de energía electromecánica 300. El estator 310 se compone de entre 40 y 80 secciones del estator 311 que forman una circunferencia completa de 360 grados del convertidor de energía electromecánica 300 o parte del mismo. En una realización conveniente, cada una de las secciones del estator 311 tiene una longitud de sección de aproximadamente 300 mm y una longitud axial de entre 1 a 2 m.
En una realización representada en las Figuras 5A-5C, el convertidor de energía electromecánico 300 comprende un diseño de sistema de "riel y vagón" en lugar de un diseño de rotor fijo convencional. En un convertidor de energía electromecánico convencional, el rotor es un cilindro giratorio fijo y mecanizado con precisión, y el rotor debe girar dentro del estator, que es un orificio cilíndrico mecanizado con precisión. A medida que aumenta el diámetro de un convertidor de energía electromecánica, se deben aumentar las tolerancias para evitar que el rotor (cilindro) impacte el estator (agujero). Estos aumentos en la tolerancia se traducen en un diseño menos eficiente (y/o más caro). El sistema de rieles y vagones del convertidor de energía electromecánico 300 permite una reducción sustancial del espacio libre entre el rotor 305 y el estator 310, lo que conduce a las principales ventajas que se comentan a continuación con respecto a la funcionalidad.
En una realización de ejemplo, el convertidor de energía electromecánica 300 comprende un par de rieles 335A, 335B (como se indica en la figura 5A y se hace referencia colectivamente como 335) en los extremos axiales extremos del estator 310. Los rieles 335 se colocan entre el rotor 305 y el estator 310. En una realización conveniente mostrada en la Figura 4, cada riel 335 está unido a cualquier extremo del manguito estructural 330 mediante soportes 337. En otra realización, el riel 335 está unido al estator 310. En otras realizaciones, el convertidor de energía electromecánica 300 incorpora un solo riel (sistema de monorriel) o una pluralidad de rieles (sistema de múltiples rieles). En algunos de los sistemas de rieles anteriores, los rieles 335 están formados por varias secciones, que pueden disponerse con o sin espacios entre las secciones. Por ejemplo, puede haber espacios entre las secciones del riel para adaptarse a la expansión y contracción de secciones individuales. El diseño en sección de los rieles 335 también facilita su fabricación (por ejemplo, mecanizados con una tolerancia más estricta), ensamblaje e instalación.
En una realización conveniente, cada riel 335 es una pista que se aproxima a un círculo o parte del mismo (es decir, un arco) pero no necesita ser perfecto. Se espera un círculo imperfecto o una parte del mismo con un convertidor de energía electromecánica de gran diámetro debido a la dificultad para lograr tolerancias pequeñas de la máquina, exposición a cargas masivas, expansión térmica y contracción de todos los componentes.
En el diseño de rieles y vagones descrito en este documento, el manguito estructural 330, el estator 310 y/o el riel 335 están diseñados de tal manera que las tolerancias mecanizadas entre la cara del estator 310 y la superficie de rodadura del riel 335 se logran mediante la aplicación de tolerancias de la máquina en las que se producen las interfaces del estator 310, el riel 335 y/o el rotor 305.
Como se muestra en las Figuras 5A y 5B, el rotor 305 en el diseño de rieles y vagones no es un cilindro rígido, sino que está compuesto por un gran número de secciones del rotor 307 más pequeñas. Las secciones del rotor 307 están dispuestas de extremo a extremo para formar un círculo sustancialmente completo. En una realización de ejemplo, el rotor 305 está compuesto por entre 40 y 80 secciones del rotor 307 que completan una circunferencia completa de 360 grados del convertidor de energía electromecánica 300.
Las secciones del rotor 307 siguen el riel 335. Debido a que el riel 335 puede no ser un círculo perfecto, como se describió anteriormente, la trayectoria seguida por las secciones del rotor 307 puede no ser también un círculo perfecto. Este diseño se adapta a cualquier característica no circular que sea inherente a un convertidor de energía electromecánica de gran diámetro o cualquier característica no circular que experimente un convertidor de energía electromecánica de gran diámetro durante el funcionamiento, como la carga y la expansión y contracción térmica de componentes.
En algunas aplicaciones, tales como un convertidor de energía de las olas 105 de las Figuras 1A-1C, la rotación del convertidor de energía electromecánica 115 está limitada a menos de 360 grados. Por ejemplo, el flotador delantero 125 se elevaría y alcanzaría una posición máxima de 45 grados en el sentido de las agujas del reloj (CW) desde la horizontal y luego descendería en el sentido contrario a las agujas del reloj (CCW) hasta una posición 45 grados por debajo de la horizontal. Esta operación cíclica CW y CCW se repite continuamente para producir electricidad. Por tanto, el rango completo de movimiento del flotador delantero 125 y el cubo de accionamiento 135 estaría limitado a 90 grados, lo que también limita el rango del movimiento del convertidor de energía electromecánica 115 a 90 grados en esta aplicación de ejemplo. Este rango de movimiento puede limitarse mediante topes mecánicos en el convertidor de energía de las olas 105 o mediante controles electrónicos del convertidor de energía electromecánica 115.
En aplicaciones donde existe un rango limitado de rotación, el convertidor de energía electromecánica 300 puede diseñarse sin 360 grados completos de componentes. Este tamaño reducido podría implementarse para reducir costos o para adaptarse a otros requisitos de espacio mecánico. En tal diseño, el riel 335 de la Figura 5A, por ejemplo, está diseñado para tener 350 grados de longitud con suficientes secciones del estator 311 para lograr 350 grados de longitud de estator 310 mientras se diseña el número de secciones del rotor 307 para lograr una longitud de rotor 310 de 260 grados. Esta configuración permitiría al rotor 305 un rango de movimiento de CW a CCW limitado a 90 grados entre los extremos del riel 335 o el estator 310. La longitud circular (circunferencia), o longitud del arco, del convertidor de energía electromecánica 300 podría oscilar entre 10 grados y 360 grados dependiendo de la aplicación.
En una realización conveniente mostrada en la Figura 5B, cada una de las secciones del rotor 307 está soportada por cuatro ruedas 340. Como se muestra, dos ruedas 340 se desplazan sobre un riel 335A y las otras dos ruedas 340 se desplazan sobre el otro riel 335B. Esta sección del rotor y la configuración de la rueda se pueden considerar como un automóvil que viaja en dos vías (por ejemplo, un tren o una montaña rusa). Un eje de rotor 345 soporta cada rueda de rotor 340 y se mantiene en su lugar mediante un cojinete de eje 347 (mostrado en la Figura 5C). El cojinete del eje 347 tiene una tolerancia radial estrecha, pero permite un juego axial en el sistema; es decir, se permite que el eje del rotor 345 se deslice en la dirección axial para permitir una variación axial en la construcción del convertidor de energía electromecánica 300.
En otra realización, el riel 335 puede proporcionar una superficie deslizante (superficie de apoyo) y una guía de baja fricción está unida al rotor 305 para controlar la tolerancia entre el estator 310 y el rotor 305. En otra realización, el riel 335 puede maquinarse con una pista de rodamiento y se une un conjunto de rodamiento de rodillos a las secciones del rotor 307 para controlar la tolerancia entre el estator 310 y el rotor 305.
En la configuración mostrada en la Figura 5B, el espacio (espacio de aire) entre el rotor 305 y el estator 310 está controlado por las tolerancias mecánicas del riel 335 y la rueda de rotor 340. Debido a que el tamaño mecánico de cada una de las secciones del rotor 307 es pequeño (del orden de 0,5 m), es más fácil de lograr controlar las holguras y tolerancias entre el estator y el rotor. Una tolerancia ajustada entre las ruedas del vagón del rotor 340 y la cara de cada una de las secciones del rotor 307 está en un rango de 0,25 mm (es decir, 0,010"), lo que da como resultado un espacio de aire sustancialmente reducido 312 de aproximadamente 1 mm para el convertidor de energía electromecánica 300 que tiene un diámetro de aproximadamente 10 m.
Un espacio de aire reducido 312 permite reducir la reticencia del espacio de aire y aumentar la permeabilidad del circuito magnético, lo que a su vez reduce la cantidad de material magnético (permanente o electromagnético) para una clasificación de convertidor de energía electromecánica determinada. Por ejemplo, en el rango lineal de diseño de circuito magnético, un espacio de aire de 1 mm requerirá 10 veces menos material magnético que una máquina que tiene un espacio de aire de 10mm. Una reducción en el espacio de aire reduce la reactancia global del circuito magnético, lo que mejora el factor de potencia del convertidor de energía electromecánica 300 y estabiliza el rendimiento operativo de una máquina de frecuencia variable, como la WEC 105 Figura 1A y la máquina de perforación de túneles 205 de la Figura 2.
Las tolerancias de las ruedas del rotor 340 y/o los rieles 335 se pueden mecanizar fácilmente mediante el uso de máquinas de herramientas más pequeñas y rentables controladas numéricamente por computadora (CNC). Un resultado del diseño de vagón y riel anterior es la tolerancia para un pequeño espacio de aire entre el estator 310 y el rotor 305 incluso cuando el tamaño del convertidor de energía electromecánica se vuelve muy grande (por ejemplo, mayor de 5 a 10 m de diámetro). Como se analiza a continuación con más detalle, esta reducción en el espacio de aire conduce consecuentemente a una reducción de costes. La reducción del espacio de aire 312 se mejora aún más por la estrecha tolerancia entre la cara del estator y la superficie de contacto del riel. En una realización, el riel 335 está unido al estator 310 y la tolerancia entre los dos elementos es de 0,25 mm (0,010 pulgadas). Esta técnica de control de la tolerancia del espacio de aire puede aplicarse a todos los tamaños y tipos de convertidores de energía electromecánicos, por ejemplo, convertidores de menos de 1 m de diámetro.
Ejemplos de posibles convertidores de energía electromecánicos (es decir, motores y generadores eléctricos) incluyen convertidores de energía electromecánicos de corriente alterna (CA) y corriente directa (CD). Dentro de la clasificación general de convertidores de energía electromecánica de CA y CD, existe una multitud de diseños electromagnéticos, todos los cuales pueden beneficiarse de los ejemplos descritos en este documento, e incluyen diseños, como, entre otros, CD con escobillas, CD sin escobillas, bobinado en derivación, excitado por separado, bobinado en serie, bobinado compuesto, monofásico, trifásico, polifásico, síncrono, asíncrono, flujo axial, flujo radial, flujo transversal, imán permanente, polo sombreado, reticencia, reluctancia conmutada, sin núcleo, sin hierro, jaula de ardilla, inducción, inducción doblemente alimentada, eléctrica alimentada individualmente, eléctrica doblemente alimentada, etc.
En una realización conveniente mostrada en las Figuras 6A y 6B, cada una de las secciones del rotor 307 está acoplada flexiblemente de extremo a extremo mediante un acoplamiento flexible 369 entre cada par de secciones del rotor 307. El acoplamiento flexible 369 comprende una junta de pivote de rotor 370 y un pasador de pivote de rotor 375, como se ilustra mejor en la Figura 6B. En otras realizaciones, el acoplamiento flexible 369 puede adoptar una configuración de tipo rótula o de bisagra como lo requiera el diseño. Los acoplamientos flexibles permiten la articulación entre las secciones 307 de rotor adyacentes y permiten que cada una de las secciones 307 de rotor se monte con precisión en el riel 335. Esta configuración también permite que las superficies de contacto de acero entre las secciones del rotor se toquen, lo que permite una alta permeabilidad magnética entre cada sección (una necesidad para el funcionamiento adecuado de algunos tipos de convertidores de energía electromecánicos). En esta realización, el acoplamiento flexible 369 está diseñado para acoplar eficazmente el flujo magnético de una sección del rotor 307 a la siguiente sección del rotor 307.
En otra realización, existe un espacio físico entre cada una de las secciones del rotor 307. El espacio físico permite un espacio libre entre las secciones 307 de rotor adyacentes mientras se desplazan por el riel 335. En esta realización, cada una de las secciones del rotor 307 está unida independientemente al cubo de accionamiento 315.
Las Figuras 7A-C muestran las secciones del rotor 307 acopladas de manera flexible al cubo de accionamiento 315. El cubo de accionamiento 315 transfiere el par hacia o desde las secciones del rotor 307. Las Figuras también muestran que las secciones del rotor 307 se mantienen en una dirección radial hacia afuera mediante una fuerza radial (Fr) de manera que cada sección del rotor 307 se fuerza firmemente contra el riel 335. Sosteniendo cada sección del rotor 307 (y en algunas realizaciones, las ruedas de rotor 340) de la Figura 5B apretado contra el riel 335, se mantiene un pequeño espacio de aire 312 entre la sección del rotor 307 y la sección del estator 311. Los siguientes son ejemplos de configuraciones en las que las secciones del rotor 307 están acopladas de manera flexible al cubo de accionamiento 315 y ejemplos de configuraciones para producir la fuerza radial (Fr).
En la configuración de ejemplo representada en las Figuras 7A, cada sección del rotor 307 se sujeta firmemente contra el riel 335 mediante un resorte de sujeción del rotor 380. El resorte de sujeción del rotor 380 empuja contra el cubo de accionamiento 315 para empujar la sección del rotor 307 contra el riel 335. Los resortes 380 están ubicados entre los perros de accionamiento 308 que están fijados al cubo de accionamiento 315. Los perros de accionamiento 308 transfieren el toque hacia o desde las secciones del rotor 307 y el cubo de accionamiento 315. En una realización conveniente, el resorte 380 de sujeción del rotor se pliega en una configuración similar a un acordeón y se desliza entre la sección del rotor 307 y el cubo de accionamiento 315. El resorte 380 puede estar hecho de plástico reforzado con fibra (FRP) u otro material metálico o compuesto.
En otra configuración de ejemplo representada en las Figuras 7B y 7C, un brazo de accionamiento 390 y un resorte de brazo 395 se usan para forzar las secciones del rotor 307 (y en algunas realizaciones, las ruedas de rotor 340) firmemente contra el riel 335 y para transferir el par hacia o desde las secciones del rotor 307 y el cubo de accionamiento 315.
En otra configuración de ejemplo en la que el estator y/o el rotor son magnéticos es un imán permanente o electroimán, la atracción magnética entre el estator y el rotor proporciona la fuerza radial para sostener cada sección del rotor 307 (y en algunas realizaciones, las ruedas del rotor 340) apretado contra el riel 335. Esta configuración puede usarse junto con cualquiera de las otras realizaciones mostradas en la Figura 7A (resorte de sujeción del rotor y perro de accionamiento) y las Figuras 7B y 7C (brazo de accionamiento y resorte del brazo). En tal combinación, cada componente solo necesita proporcionar una parte de la fuerza radial, lo que puede conducir a una optimización del costo y los materiales.
En una realización conveniente, al menos uno de los componentes de las configuraciones anteriores mostradas en las Figuras 7A-7C tiene un diseño en sección que permite la extracción de una sección del rotor individual 307. La extracción de la sección del rotor 307 puede lograrse mediante el uso de uno o más accionadores o forzando los cilindros 395 mostrados en la Figura 7B para retirar de manera controlable la sección del rotor 307 del rotor 305. De manera similar, una vez que se retiran las secciones del rotor 307, la sección del estator 311 se puede retirar mediante el uso del mismo aparato mostrado en la Figura 7B.
Además de una reducción en el espacio de aire 312 que conduce a una reducción general del costo, el convertidor de energía electromecánica 300 es modular para adaptarse a las variaciones que surgen del uso del convertidor de energía electromecánica 300, como la carga y la expansión y contracción térmica, así como para permitir reparaciones. Por ejemplo, como se describió anteriormente, el rotor 305 está diseñado en una pluralidad de secciones del rotor 307 para permitir la variación dimensional debido a la carga y la expansión/contracción térmica. El diseño en sección del rotor 305 también permite la variación de la tolerancia mecánica, el montaje, el desmontaje, el mantenimiento y la reparación. En una realización conveniente, el estator 310 también está diseñado en las secciones 311 para permitir la variación dimensional debido a la carga y la expansión/contracción térmica. El diseño en sección del estator 310 también permite la variación de la tolerancia mecánica, el montaje, el desmontaje, el mantenimiento y la reparación. Otros componentes del convertidor de energía electromecánica también pueden diseñarse en secciones.
El diseño del convertidor de energía electromecánica 300 permite por lo tanto la reparación de secciones discretas de rotor 307 y/o secciones del estator 311 sin requerir la extracción de todo el convertidor de energía electromecánica 300 de una máquina. Esto es de particular utilidad para el WEC 105 de la Figura 1A y la máquina de perforación de túneles 205 de la Figura 2 para lo cual la extracción y sustitución de sus respectivos convertidores de energía electromecánicos, 115 y 215, es un procedimiento costoso y que requiere mucho tiempo.
Volviendo ahora a los elementos estructurales del convertidor de energía electromecánica 300, como se ha discutido anteriormente con respecto a las Figuras 3A y 3B, el convertidor de energía electromecánica 300 incluye el manguito estructural 330 que encapsula los componentes del convertidor de energía electromecánica 300, tales como el rotor 305 y el estator 310, y proporciona un marco para estos elementos. El manguito estructural 330 puede insertarse y/o unirse a una máquina, tal como WEC 105 de la Figura 1A y la máquina de perforación de túneles 205 de la Figura 2.
La elección del material para el manguito estructural 330, y otros componentes para el caso, depende en gran medida del entorno operativo de la máquina de la que forma parte el convertidor de energía electromecánica 300. Por ejemplo, dado que el WEC 10 opera en un entorno de alta salinidad (es decir, el océano), el plástico reforzado con fibra (FRP), también conocido como fibra de vidrio, es un material adecuado para fabricar el manguito estructural 330. Por supuesto, son posibles otros materiales como aluminio, acero, otras aleaciones metálicas y compuestos.
Algunos de los componentes del convertidor de energía electromecánica 300 pueden diseñarse para soportar un par elevado. Por ejemplo, para mayor rigidez, el cubo de accionamiento 315 puede incorporar uno o más refuerzos 385 (como se muestra en la Figura 8A) y/o un perfil "escalonado" 386 (como se muestra en la Figura 8B). En otro ejemplo, el cubo de accionamiento 315 incluye un cubo central, que tiene un diámetro más pequeño que el cubo de accionamiento 315, y radios que irradian hacia fuera desde el cubo central y terminan en una pared del cubo de accionamiento 315. En esta configuración de "cubo y radios", no hay material entre los radios. Como tal, la masa rotacional de la configuración de cubo y radio puede ser menor que las configuraciones de las Figuras 8A y 8B, que en última instancia conduce a un menor costo y un funcionamiento más eficiente del convertidor de energía electromecánico 300.
Debería ser evidente que el diseño y sus características descritos anteriormente pueden aplicarse a cualquiera de una variedad de convertidores de energía electromecánicos. Por ejemplo, las Figuras 9A-9C muestran el diseño anterior aplicado a un generador magnético permanente 900. En una realización, el generador magnético permanente 900 incluye una pluralidad de secciones del rotor 907 (una de las cuales se muestra) y una pluralidad de secciones del estator 911 (una de las cuales se muestra). La pluralidad de secciones del rotor 907 y la pluralidad de secciones del estator 911 completan una circunferencia completa de 360 grados del generador magnético permanente 900.
El generador magnético permanente 900 incluye además un par de rieles 935, y cada riel 935 está unido a cada extremo de un generador 900. Cada riel 935 es una pista que se aproxima a un círculo, pero no es necesario que sea un círculo perfecto. En una realización, cada una de las secciones del rotor 907 está soportada por cuatro ruedas 940, dos ruedas viajan sobre uno de los rieles 935 y las otras dos ruedas 940 viajan sobre el otro riel 935.
Como se muestra en la Figura 9B, cada una de las secciones del estator 911 incluye un hierro trasero del estator que acopla el flujo magnético de un polo del estator al siguiente para proporcionar una trayectoria de flujo de baja reluctancia. Una bobina de estator 950 convierte un campo magnético cambiante (tal como el causado por las secciones del rotor 907 que giran los imanes, como se describe a continuación) en una fuerza y corriente electromotriz inducida. Una ranura de la bobina del estator (no mostrada) ubicada en el soporte trasero del estator sostiene la bobina del estator 950 en su lugar. Una barra colectora proporciona una conexión eléctrica en serie o en paralelo entre las fases de la bobina del estator y los terminales de salida del generador 900. Los terminales de salida, a su vez, pueden estar conectados con una batería(s) para almacenar la electricidad generada y/o una línea(s) de transmisión para llevar la electricidad generada a otra ubicación. El generador 900 también puede incluir una camisa de enfriamiento 955 unida al estator como parte de un sistema de intercambio de calor de enfriamiento. La camisa de refrigeración 955 puede enfriarse por aire o por aire.
Como se muestra en la Figura 9C, cada una de las secciones del rotor 907 incluye un soporte de rotor 909 e imanes de rotor 965 unidos al soporte de rotor 909. El hierro trasero del rotor 909 acopla el flujo magnético de un imán del rotor 965 al siguiente para proporcionar una trayectoria de flujo de baja reluctancia. El imán del rotor 965 puede ser imanes de superficie o incrustados unidos al hierro trasero del rotor 909. El imán del rotor 965 puede estar hecho de varios materiales diferentes, tales como neodimio-hierro-boro, álnico, samario-cobalto, hierro-ferrita. Debido a que el diseño anterior proporciona un pequeño espacio de aire 912, se pueden usar imanes de menor costo tales como hierro-ferrita y Alnico en la fabricación del generador magnético permanente 900.
En un proceso de conversión de energía electromecánica, cuando las secciones del rotor 907 se desplazan alrededor de los rieles 935, se crea un campo magnético variable en el tiempo con respecto a la bobina de estator 950. Las bobinas del estator 950 convierten el campo magnético cambiante en electricidad.
De acuerdo con el diseño modular que permite la variación de tolerancia mecánica, montaje, desmontaje, mantenimiento y reparación, como se describe anteriormente, en una realización conveniente, las bobinas del estator 950 y las conexiones de la barra colectora 960 son extraíbles para permitir la reparación o resolución de problemas de las secciones discretas del estator 911. Adicionalmente, las bobinas del estator 950 y la barra colectora 960 están ubicadas fuera de los rieles 935 para permitir la accesibilidad para el montaje, desmontaje, mantenimiento y reparación.
Las secciones del estator y rotor del diseño (por ejemplo, las secciones del rotor 307 y las secciones del estator 311 de las Figuras 5A y 5B) están adaptadas para adaptarse a un tipo particular y/o diseño electromagnético de un convertidor de energía electromecánica. Por ejemplo, en algunos casos, cada una de las secciones del estator está acoplada magnéticamente a otra sección del estator y cada una de las secciones del rotor está acoplada magnéticamente a otra sección del rotor. En otros casos, cada una de las secciones del estator está acoplada magnéticamente a otra sección del estator mientras que cada una de las secciones del rotor no está acoplada magnéticamente a otra sección del rotor. En otros casos más, cada una de las secciones del estator no está acoplada magnéticamente a otra sección del estator mientras que cada una de las secciones del rotor está acoplada magnéticamente a otra sección del rotor. En otros casos más, cada una de las secciones del estator no está acoplada magnéticamente a otra sección del estator y cada una de las secciones del rotor no está acoplada magnéticamente a otra sección del rotor.
Además del convertidor de energía de las olas 105 de la Figura 1A y la máquina de perforación de túneles 205 de la Figura 2, existen otras aplicaciones de la industria para baja velocidad y alto par, como accionamiento de rueda de tranvía, rueda de Ferris, conversión de energía eólica a baja velocidad, torretas/mesas grandes usadas para mecanizado y manipulación de equipos, y torretas muy grandes (VLT) usadas para la industria de petróleo y gas en alta mar.
Como se discutió anteriormente, aumentar el diámetro del convertidor de energía electromecánica aumenta tanto la velocidad del flujo magnético del espacio de aire como para una cantidad fija de material electromagnético, un diámetro incrementado también aumenta el par del eje de accionamiento. El aumento de la velocidad de flujo al aumentar el diámetro produce el mismo efecto que el aumento de la velocidad de rotación y tiene un efecto proporcional en la reducción de costos. Las soluciones industriales convencionales para convertidores de energía electromecánicos de gran diámetro normalmente requieren un gran espacio de aire (de 5 mm a 10 mm) que aumenta los requisitos de volumen y el costo de los materiales electromagnéticos. Estos grandes espacios de aire son necesarios para permitir un espacio mecánico entre el estator y el rotor que están emparejados en un convertidor de energía electromecánica de gran diámetro. Los convertidores de energía electromecánicos convencionales tienen aproximadamente 6 m de diámetro y se vuelven cada vez más costosos de fabricar a medida que aumentan el tamaño y el diámetro.
El diámetro del convertidor de energía electromecánica 300, de acuerdo con los ejemplos descritos en el presente documento, se puede aumentar a 10m o más, lo que supera las tecnologías convencionales.
Un diámetro grande aumenta el par y permite reducir los materiales del rotor 305 y del estator 310 para la misma clasificación del par. Esto se debe a que el par de la máquina (T) = Fuerza de corte magnética (F) x radio de la máquina (r). Para la ecuación T = F x r y un radio aumentado (r), se puede lograr el mismo par (T) mediante el uso de menos fuerza magnética (F) y, en consecuencia, menos materiales magnéticos.
Aumentar el diámetro de la máquina aumentará la velocidad lineal del flujo magnético del rotor y permitirá un mayor EMF, que puede usarse para reducir los materiales magnéticos y los costos de la máquina. La ecuación Tensión (V) = N x A (dB/dt) [1] describe la tensión producida en función del número de vueltas de la bobina del estator (N), el área de flujo del circuito magnético (A) y la tasa de tiempo de cambio de densidad de flujo magnético (dB/dt). El término dB/dt es directamente proporcional (a) a la velocidad lineal del imán en la superficie del diámetro exterior del rotor; dB/dt a wr (P/2n) [2] [2]; donde w es la velocidad radial de la máquina, r es el radio de la má quina y P es el número de polos magnéticos en la máquina. De acuerdo con [2], para una velocidad determinada de la máquina (w), un aumento en el diámetro o radio de la máquina (r) aumentará la tasa de cambio de la densidad de flujo (dB/dt) y, como se muestra en [1], una reducción en el área de superficie del imán requerida (A) y/o una reducción en el número de vueltas de la bobina del estator (N). Una reducción en N o A se traducirá en una reducción en el costo de la máquina al acortar la máquina en la dirección axial o al reducir el número de vueltas de la bobina del estator.
Se observa que los ejemplos anteriores se han proporcionado meramente con el propósito de explicar y de ninguna manera deben interpretarse como limitantes de la presente invención. Si bien la presente invención se ha descrito con referencia a una realización ejemplar, se entiende que las palabras, que se han usado aquí, son palabras de descripción e ilustración, en lugar de palabras de limitación. Se pueden realizar cambios, dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas, como se indica actualmente y como se modifica, sin apartarse del alcance de la presente invención en sus aspectos. Aunque la presente invención se ha descrito en este documento con referencia a medios, materiales y realizaciones particulares, no se pretende que la presente invención se limite a los detalles descritos en este documento; más bien, la presente invención se extiende a todas las estructuras, métodos y usos funcionalmente equivalentes, que están dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Claims (14)

REIVINDICACIONES
1. Un conjunto mecánico para mantener un espacio de aire (312) entre un estator (310) y un rotor (305) en un convertidor de energía electromecánica (300), el conjunto que comprende:
un manguito estructural (330);
una pluralidad de secciones del estator (311) unidas a una superficie interior del manguito estructural; un cubo (315) encerrado por el manguito estructural y concéntrico con el manguito estructural;
una pluralidad de secciones del rotor (307) acopladas de manera flexible al cubo y encerradas por el manguito estructural; y
un sistema de riel (335) colocado dentro del manguito estructural y concéntrico con el manguito estructural, el sistema de riel para guiar las secciones del rotor en una trayectoria sustancialmente circular y para definir un espacio de aire (312) entre la pluralidad de secciones del estator y la pluralidad de secciones del rotor; caracterizado porque cada una de las secciones del rotor está acoplada de manera flexible al cubo mediante: (a) un perro de arrastre (308) adaptado para transferir el par entre una sección del rotor dada y el cubo; y un resorte de sujeción (380) dispuesto entre la sección del rotor dada y el cubo, y adaptado para proporcionar una fuerza radial que empuja contra el cubo para empujar la sección del rotor dada contra el sistema de rieles; o
(b) un brazo de accionamiento (390) unido de forma pivotante al cubo en un extremo y unido de forma pivotante a una sección del rotor dada en otro extremo, el brazo de accionamiento que se adapta para transferir el par entre una sección del rotor dada y el cubo; y un resorte de brazo (395) unido de forma pivotante al cubo en un extremo y unido de forma pivotante a un brazo de accionamiento asociado en otro extremo, el resorte de brazo está adaptado para proporcionar una fuerza radial que empuja contra el cubo para empujar el brazo de accionamiento asociado y el rotor dado sección contra el sistema de rieles.
2. El conjunto de la reivindicación 1, en donde el manguito estructural tiene un diámetro de al menos un metro.
3. El conjunto de la reivindicación 1, en donde cada una de las secciones del estator está unida de forma desmontable a la cara interior del manguito estructural.
4. El conjunto de la reivindicación 1, en donde cada una de las secciones del estator está acoplada a otra sección del estator.
5. El conjunto de la reivindicación 1, en donde el interior del cubo forma una cavidad y un refuerzo (385).
6. El conjunto de la reivindicación 1, en donde el cubo incluye un cubo central que tiene un diámetro menor que el cubo y una pluralidad de radios que se extienden radialmente desde el cubo central hasta un borde que define la circunferencia del cubo.
7. El conjunto de la reivindicación 1, en donde cada una de las secciones del rotor incluye una pluralidad de ruedas (340) para montar el sistema de rieles.
8. El conjunto de la reivindicación 1, en donde el sistema de rieles está montado en cualquiera del manguito estructural y el estator.
9. El conjunto de la reivindicación 1, en donde el espacio de aire entre la pluralidad de secciones del estator y la pluralidad de secciones del rotor está entre 0,25 milímetros y 5 milímetros.
10. El conjunto de la reivindicación 1, que comprende además un acoplamiento flexible (365) entre cada par de secciones del rotor para: i) permitir que cada una de las secciones del rotor siga independientemente el sistema de rieles, ii) conectar de manera liberable una sección del rotor dada a una sección del rotor adyacente, y iii) acoplar magnéticamente las secciones del rotor, el acoplamiento flexible que es cualquiera de un pasador (375) y pivote correspondiente (370);
bisagra; y
bola y casquillo correspondiente.
11. El conjunto de la reivindicación 1, que comprende además un flotador giratorio (125, 135) unido de manera motriz al cubo para convertir el oleaje y el impulso de las olas en un par de torsión usado para generar electricidad.
12. El conjunto de la reivindicación 1, en donde la pluralidad de secciones del estator y la pluralidad de secciones del rotor están emparejadas en cualquiera de motor eléctrico de corriente alterna (CA), motor eléctrico de corriente directa (CD), generador eléctrico de CA y generador eléctrico de CD.
13. Un método para mantener un espacio de aire (312) entre un estator (310) y un rotor (305) en un convertidor de energía electromecánica, el método que comprende:
proporcionar un manguito estructural (336);
unir una pluralidad de secciones del estator (311) a una superficie interior del manguito estructural; proporcionar un cubo (315), el cubo que está encerrado por el manguito estructural y concéntrico con el manguito estructural;
acoplar de manera flexible una pluralidad de secciones del rotor (307) al cubo, la pluralidad de secciones del rotor que está encerrada por el manguito estructural; y
colocar un sistema de riel (335) dentro del manguito estructural para guiar las secciones del rotor en una trayectoria sustancialmente circular y para definir un espacio de aire entre la pluralidad de secciones del estator y la pluralidad de secciones del rotor, el sistema de riel que es concéntrico con el manguito estructural;
caracterizado porque cada una de las secciones del rotor está acoplada de manera flexible al cubo mediante: a) un perro de arrastre (308) adaptado para transferir el par entre una sección del rotor dada y el cubo; y un resorte de sujeción (380) dispuesto entre la sección del rotor dada y el cubo, y adaptado para proporcionar una fuerza radial que empuja contra el cubo para empujar la sección del rotor dada contra el sistema de rieles; o
b) un brazo de accionamiento (390) unido de forma pivotante al cubo en un extremo y unido de forma pivotante a una sección del rotor dada en otro extremo, el brazo de accionamiento que se adapta para transferir el par entre una sección del rotor dada y el cubo; y un resorte de brazo (395) unido de forma pivotante al cubo en un extremo y unido de forma pivotante a un brazo de accionamiento asociado en otro extremo, el resorte de brazo está adaptado para proporcionar una fuerza radial que empuja contra el cubo para empujar el brazo de accionamiento asociado y el rotor dado sección contra el sistema de rieles.
14. El método de acuerdo con la reivindicación 13 que usa el conjunto mecánico de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12.
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Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014058886A1 (en) 2012-10-08 2014-04-17 Exro Technologies Inc. Electrical machines such as generators and motors
WO2014098625A1 (en) * 2012-12-21 2014-06-26 Fisher & Paykel Appliances Limited A motor
EP3001540B1 (en) 2014-09-26 2018-03-21 ALSTOM Renewable Technologies Direct-drive wind turbines
CN104967253B (zh) * 2015-07-16 2018-03-30 莱克电气股份有限公司 高速无霍尔三相吸尘器电机
PT3394967T (pt) * 2015-12-21 2023-11-23 Envision Energy Denmark Aps Turbina eólica com um gerador supercondutor com uma estrutura de isolamento térmico melhorada
EP3800349B1 (en) * 2019-10-02 2022-08-03 Siemens Gamesa Renewable Energy A/S Busbar arrangement for wind turbine generator
EP4089893A1 (en) * 2021-05-10 2022-11-16 General Electric Renovables España S.L. Armature assemblies for generators and assembly methods
WO2023285725A1 (es) 2021-07-14 2023-01-19 Santiago Canedo Pardo Aerogenerador de accionamiento directo
NL1044109B1 (en) * 2021-08-02 2023-02-17 Patrick Ronald Tack Ing Rotary assembly
KR102825356B1 (ko) * 2021-09-17 2025-06-26 생-고뱅 퍼포먼스 플라스틱스 코포레이션 자성 다층 복합재 및 이의 형성 방법
GB2620422B (en) * 2022-07-07 2025-05-14 Bathwick Electrical Design Ltd Electrical machine

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU8654782A (en) * 1981-08-17 1983-02-24 Bechtel International Corporation Motor driven rotary apparatus
US5105658A (en) * 1987-02-11 1992-04-21 Westinghouse Electric Corp. Electric generator inspection system and motor controller
WO1994000738A1 (de) * 1992-06-22 1994-01-06 Siemens Aktiengesellschaft Inspektion einer dynamoelektrischen maschine in einem spalt zwischen einem stator und einem rotor
GB9311634D0 (en) * 1993-06-03 1993-07-21 Spooner Edward Electromagnetic machine
DE10058707C2 (de) * 2000-11-25 2003-10-16 Porsche Ag Vorrichtung zur relativen Drehwinkelverstellung einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine zu einem Antriebsrad
JP2002325412A (ja) 2001-04-25 2002-11-08 Mitsubishi Heavy Ind Ltd アキシャルギャップ型電動機、発電機および電動発電機
CN1582523A (zh) * 2001-04-30 2005-02-16 乌特·施瓦里克－拉多贝尔斯基 具有环形绕组的同步电机
US6899075B2 (en) * 2002-03-22 2005-05-31 Roxan Saint-Hilaire Quasiturbine (Qurbine) rotor with central annular support and ventilation
AU2003248622A1 (en) * 2002-06-05 2003-12-22 Jacobs Automation Llc Controlled motion system
SE526286C2 (sv) * 2003-01-27 2005-08-16 Aegir Konsult Ab Roterande elektrisk maskin med lagerorgan anordnat i eller intill luftgapet, samt kraftverk med sådan maskin
JP4690032B2 (ja) 2004-12-24 2011-06-01 住友電気工業株式会社 アキシャルギャップ型モータ
CN103633751A (zh) * 2006-08-04 2014-03-12 净流有限合伙企业 具有由多个可分离段形成的定子和转子圆盘的轴向空气间隙机
EP2088664B1 (de) * 2008-02-07 2014-04-02 Siemens Aktiengesellschaft Maschine mit Direktantrieb
PT2399023T (pt) * 2009-02-20 2017-02-08 Columbia Power Tech Inc Conversão de energia das ondas, rotativa, de transmissão direta
SE533879C2 (sv) * 2009-11-25 2011-02-22 Vilmos Toeroek Roterande elektrisk maskin med förbättrad rotorlagring.
US20120068567A1 (en) * 2010-09-21 2012-03-22 Andean University Fundation Sectional Pereira Polyphasic axial electric current generator with pivoting magnets

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