ES2911773T3 - Máquina rotativa con refrigeración mejorada - Google Patents

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Abstract

Un polo de rotor (4) para una máquina rotativa que comprende: - un núcleo de polo (4a) que presenta forma de hongo; - una bobina de rotor (3a) dispuesta alrededor de dicho núcleo de polo (4a), en donde dicha bobina de rotor (3a) está separada del núcleo de polo (4a) de manera que se forma un primer espacio lateral (7) entre un lado lateral de la bobina de rotor y el núcleo de polo y se forma un segundo espacio superior (8) entre un lado superior de la bobina de rotor y una parte inferior del núcleo de polo con forma de hongo en donde dichos espacios lateral y superior (7, 8) están al menos parcialmente rellenos de un material (9) que tiene una conductividad térmica superior a 0,25 W/mK, en donde dicho material está dispuesto en dicho espacio lateral a lo largo de solo los dos lados opuestos de dicho espacio lateral alineados con el eje de rotación de una máquina rotativa cuando el núcleo de polo está montado en el mismo y en donde dicho material rellena dicho espacio superior.

Description

DESCRIPCIÓN
Máquina rotativa con refrigeración mejorada
Campo técnico
La presente divulgación se refiere a un rotor para una máquina rotativa. Más en particular, la presente invención se refiere a un componente de la máquina rotativa que comprende un polo de rotor.
La presente divulgación generalmente se refiere a una configuración de refrigeración mejorada de una máquina rotativa.
Antecedentes
La conversión de energía eléctrica de última generación se basa en una red de energía trifásica con corrientes alternas (CA) a una frecuencia de 50 Hz o 60 Hz y niveles de voltaje que van desde varios cientos de voltios hasta cientos de miles de voltios. La conversión de energía mecánica rotatoria en energía eléctrica y viceversa se realiza mediante generadores y motores, respectivamente. Esas máquinas rotativas se pueden dividir en aparatos asíncronos y síncronos. Los motores y generadores comprenden un estator y un rotor. El rotor de la máquina gira dentro del orificio de estator del estator. Las máquinas síncronas con polos salientes generan el campo magnético típicamente a través de polos de rotor que incluyen un núcleo de polo que tiene un devanado de rotor enrollado alrededor. El número de polos de rotor y la frecuencia del campo magnético del estator definen el número de revoluciones por minuto (rpm) de la máquina rotativa. La resistencia eléctrica del devanado de un rotor conduce a pérdidas resistivas en el mismo. En general, estas pérdidas se deben tener en cuenta durante el diseño y el rotor necesita ser refrigerado. Los mecanismos de refrigeración de los rotores suelen depender de un fluido refrigerante tal como agua, hidrógeno o aire. Esta divulgación se centra en los rotores refrigerados por aire. Sin embargo, las enseñanzas de esta divulgación también se aplican a otros tipos de máquinas.
En las máquinas refrigeradas por aire, las pérdidas en forma de calor se deben transferir fuera del rotor mediante convección. La efectividad de la refrigeración por convección depende del flujo de aire (volumen por unidad de tiempo), de la temperatura del refrigerante y del coeficiente de transferencia de calor.
En ciertas máquinas, puede ser un desafío suministrar aire de refrigeración a todas las regiones que deben ser refrigeradas.
Si una región dentro de un rotor no se enfría lo suficiente, entonces la máquina se puede sobrecalentar localmente en esa región. En términos generales, la transferencia de calor por convección está determinada por la fórmula Q = a» A» AT
en donde:
Q designa el flujo de calor por unidad de tiempo [W];
a designa el coeficiente de transferencia de calor [W/m2. K];
A designa la superficie disponible para la refrigeración [m2]; y
AT designa la diferencia de temperatura entre la temperatura del sólido y la del fluido [K].
La transferencia de calor por convección puede verse influenciada por la alteración de los siguientes parámetros:
1. El coeficiente de transferencia de calor a depende de las características de flujo (turbulencia) del fluido refrigerante y de las características (rugosidad) de la superficie que disipa el calor.
2. La diferencia de temperatura AT se calcula como la diferencia entre la temperatura de la superficie que disipa el calor y el fluido refrigerante que absorbe las pérdidas en forma de calor. Al disminuir la temperatura del fluido refrigerante, también disminuirá la temperatura de la superficie que disipa el calor. Por lo general, la temperatura del fluido se puede reducir aumentando el flujo de volumen de refrigerante por unidad de tiempo. Alternativamente, se puede reducir la temperatura del refrigerante en la entrada.
3. Se pueden agregar aletas de refrigeración para aumentar la superficie A que disipa el calor.
Los diseños convencionales hacen un mejor uso de estos parámetros en un intento de lograr un resultado óptimo. Cuando el diseñador se queda sin opciones, puede agregar superficies de refrigeración adicionales para reducir las temperaturas. Esta técnica también se conoce como ventilación trasera de una bobina de rotor y normalmente se aplica a las máquinas de polos salientes. La ventilación trasera de una bobina de rotor significa que la parte trasera de la bobina de rotor forma parte activa del circuito de refrigeración. Sin embargo, esta medida rara vez se aplica, ya que implica un cambio de diseño significativo y, especialmente, un cambio importante en el concepto de refrigeración de una máquina. Además, la ventilación trasera de una bobina de rotor a menudo entra en conflicto con otros requisitos mecánicos de la máquina, especialmente porque se deben proporcionar conductos adicionales para el aire de refrigeración. Esos conductos adicionales tienden a perjudicar la integridad mecánica de una máquina. Por lo tanto, se debe entender que optimizar estos parámetros puede ser difícil, porque a veces entran en conflicto con otros parámetros de diseño. Aumentar el caudal volumétrico, por ejemplo, tiene un impacto positivo en el coeficiente de transferencia de calor, pero, por otro lado, el caudal volumétrico más grande crea más pérdidas por ventilación. Además de este conflicto, es casi imposible mejorar la situación térmica en ciertas áreas de la máquina. Por ejemplo, es muy difícil aumentar la cantidad de aire de refrigeración entre dos soportes de bobinas de polos porque el paso del aire está sustancialmente bloqueado. Si se produce tal situación, cambiar el esquema de refrigeración a veces es una oportunidad. Una posibilidad, por ejemplo, es lo que se suele conocer como "retrorefrigeración". En este caso, la superficie de refrigeración aumenta al crear una ruta de aire adicional entre el devanado del rotor y el cuerpo del polo. Las desventajas consisten en que existe el peligro de acumulación de polvo en esta región (aumentando el riesgo de cortocircuitos) y el debilitamiento del núcleo del polo del rotor.
La presente divulgación está orientada a satisfacer las necesidades antes mencionadas y a superar las dificultades antes mencionadas.
El documento DE102010064072A1 describe una máquina eléctrica, tal como un motor eléctrico, en la que se proporciona una lámina conductora de calor sobre un soporte para una bobina.
Compendio
El objeto de la presente invención es un polo de rotor para una máquina rotativa con un sistema de refrigeración mejorado de acuerdo con la reivindicación 1.
A diferencia de la ventilación trasera antes mencionada, la solución aquí propuesta no conduce el fluido refrigerante a las partes que requieren refrigeración. En cambio, el calor generado por las pérdidas en el polo del rotor se transfiere a partes que tienen características favorables para establecer el intercambio de calor. Este objeto se consigue mediante un polo de rotor de acuerdo con la reivindicación independiente 1 y mediante un rotor de acuerdo con la reivindicación 7. Otro objeto más de la presente invención es proporcionar una máquina rotativa para la generación de electricidad en la que se mejora la transferencia de calor por conducción. En consecuencia, la máquina rotativa de la presente invención no alcanzará picos de temperatura que puedan dañar sus diversas partes.
Por lo tanto, de acuerdo con diversas realizaciones preferidas, la máquina rotativa de acuerdo con la presente invención requiere menos fluido refrigerante y, por lo tanto, produce menores pérdidas por ventilación.
La vida útil de la máquina rotativa aumenta entonces, debido a las temperaturas más bajas de sus partes.
Breve descripción de los dibujos
Los objetos anteriores y muchas de las ventajas concomitantes de esta invención se apreciarán más fácilmente cuando se entiendan mejor con referencia a la siguiente descripción detallada cuando se toma junto con los dibujos adjuntos, en los que:
La Figura 1 es una presentación esquemática bidimensional de una sección de una máquina rotativa 100 de acuerdo con la técnica anterior;
la Figura 2 es una presentación esquemática bidimensional de una sección de una máquina rotativa 200 de acuerdo con la presente invención;
la Figura 3 es una vista de una sección a lo largo de un plano radial de un componente de acuerdo con la presente invención;
la Figura 4 es una vista de una sección a lo largo de un plano tangencial del componente de la Figura 3.
Descripción detallada de realizaciones a modo de ejemplo
La Figura 1 es una presentación esquemática bidimensional de una máquina rotativa 100 de acuerdo con el estado de la técnica.
La máquina rotativa 100 comprende un estator 1 y un rotor 2 separados por un entrehierro 5. En particular, la figura muestra una vista de la máquina rotativa según un plano perpendicular al eje del rotor. El rotor 2 comprende, en el ejemplo de la figura, un componente generalmente indicado con la referencia numérica 4, que comprende un polo de rotor 4, que a su vez comprende un núcleo de polo 4a. En la figura también se muestra un componente consecutivo 4' que comprende un polo de rotor 4 que a su vez comprende un núcleo de polo 4b.
Se apreciará que el número de polos de rotor presentes en el rotor 2 variará según el tipo de máquina requerida y, por lo tanto, según el número de polos necesarios.
También se apreciará que las características que se describirán para un polo de rotor, por ejemplo, el polo de rotor 4, también se aplicarán al polo de rotor 4' y, en general, a todos los polos de rotor del rotor 2.
Ahora se hará referencia al polo de rotor 4, a modo de ejemplo no limitativo.
El polo de rotor 4 comprende el núcleo de polo 4a y una bobina de rotor 3a dispuesta alrededor de él. De manera similar, el polo de rotor 4' comprende una bobina de rotor 3b.
En general, las bobinas de rotor 3a, 3b forman parte de un devanado de rotor. Los conocimientos técnicos necesarios para lograr dicha disposición son conocidos por los expertos en la materia y, por lo tanto, no se describirán con más detalle.
La bobina de rotor 3a está dispuesta alrededor del núcleo de polo 4a de tal manera que se forman espacios entre la bobina y el núcleo. El núcleo de polo presenta forma de hongo, formando así un primer espacio lateral 7 y un segundo espacio superior 8.
La formación de espacios entre el núcleo de polo y la bobina de rotor es generalmente necesaria ya que la presencia de espacios evita el contacto directo entre el núcleo del polo y la bobina, lo que podría hacer que se produjeran cortocircuitos.
Por esta razón, según la técnica conocida, se dispone un medio de distancia en forma de cordón 10 en la parte inferior del espacio 7. La presencia de dicho cordón, además de evitar problemas técnicos, proporciona la ausencia de una posible contaminación en la parte trasera de la máquina. En las máquinas con refrigeración convencional, el espacio 7 está lleno de aire.
En relación con el segundo espacio superior 8, está dispuesta una brida de aislamiento 13, de la que solo es visible una sección a través de un plano perpendicular al eje del rotor.
Comúnmente, la mayoría de las pérdidas de la bobina del rotor se disipan por convección en la región del espacio de polos. Algunas de las pérdidas se transfieren por conducción a través del marco de aislamiento 13 al núcleo de polo del rotor y finalmente se disipan por convección en la región del entrehierro 5. De la misma manera, algunas de las pérdidas se disipan a través del entrehierro 7 en la parte trasera de la bobina de polo.
La cantidad de pérdidas que se disipan entre la bobina de rotor 3a y el núcleo de polo 4a a través del segundo espacio superior 8, por medio del marco de aislamiento 13, y a través del primer espacio lateral 7, por medio del aire contenido en él, es relativamente pequeña porque el material del marco de aislamiento (típicamente HGW) y especialmente el aire (evacuado/que todavía permanece) en el espacio son muy malos conductores térmicos.
Como es sabido, debido a la naturaleza de los materiales aislantes (ley de Wiedemann-Franz), la conductividad térmica de la brida aislante 13 es muy baja.
Además, la refrigeración que tiene lugar a través del entrehierro 7 es menos efectivo que la refrigeración entre el rotor y el estator a través de las superficies 11a, 11b de las bobinas 3a y 3b, que están directamente en contacto con el entrehierro 5. Esto se debe a que el entrehierro 7 no forma parte del circuito de refrigeración de la máquina.
Dividiendo el flujo de calor en tres pasos (despreciando el lado del eje), es posible esquematizarlo como se detalla a continuación. En aras de la claridad, el siguiente esquema está realizado haciendo referencia al polo de rotor 4', pero se apreciará que la siguiente explicación se aplicará a cada polo del rotor.
Q1 indica el flujo de calor por convección desde la bobina del rotor a través de la superficie exterior 11b. Normalmente, Q1 es la mayor parte de todo el flujo de calor. Q2 indica el flujo de calor conductivo desde la bobina del rotor 3b hasta el núcleo de polo 4b a través del entrehierro, mientras que Q3 representa el flujo de calor conductivo que ocurre a través de la brida de aislamiento. Q2 es pequeño y Q3 es próximo a cero debido a que las resistencias térmicas son muy altas.
Suponiendo que el caudal volumétrico de aire de refrigeración sea fijo, surgirá un cierto gradiente de temperatura entre el aire y el sólido para transferir las pérdidas a través del flujo de calor Q1. La refrigeración convencional de los devanados del rotor tiene sus limitaciones debido a las conductividades térmicas limitadas de la brida aislante y el espacio de aire entre la bobina y el núcleo del polo.
Haciendo referencia ahora a la Fig. 2, se ilustra una máquina rotativa 200 según la presente invención.
De acuerdo con la solución propuesta, los espacios 7 y 8 expuestos anteriormente que existen entre las bobinas del rotor 3a, 3b con el núcleo del polo 4a, 4b respectivamente, ahora están al menos parcialmente llenos con material que tiene una conductividad térmica que es mayor que la conductividad térmica de los fluidos y/o materiales (en particular aire y bridas aislantes según la técnica conocida) actualmente utilizados en disposiciones conocidas.
En particular, el aire que llena el espacio 7 tiene una conductividad térmica sustancialmente igual a 0,025 W/mK, mientras que el material utilizado para la brida aislante tiene una conductividad térmica sustancialmente igual a 0,25 W/mK.
El primer espacio lateral 7 está relleno de un material 9 que tiene una conductividad térmica que es sustancialmente mayor que el valor indicado de 0,25 W/mK.
Además, el segundo espacio superior 8 está relleno con un material que tiene tal característica.
Haciendo referencia ahora al esquema ilustrado en asociación con el núcleo del polo 4b (aunque lo siguiente se aplica a cada polo de rotor del rotor), los espacios están rellenos con material que tiene características conductoras de calor dentro de los espacios 7 y/u 8 tales que las resistencias térmicas del recorrido Q2 y/o Q3 conducirán a un menor flujo de calor en Q1. En consecuencia, se logra un gradiente de temperatura más bajo entre el aire de refrigeración y el sólido, lo que da como resultado un nivel de temperatura más bajo en el lado sólido. Entonces se consigue una menor resistencia térmica del recorrido Q2 y/o Q3 utilizando materiales de mayor conductividad térmica. Se apreciará que la elección de materiales que tengan tales características también cumplirá con los requisitos eléctricos.
Para completar, se incluye información básica sobre el cálculo de los flujos de calor Q2 y Q3 a través de la conducción:
. A
Q = A AT
l
Figure imgf000005_0001
en donde:
Q = flujo de calor [W] (pérdidas a eliminar)
A = Conductividad térmica W/mK5]
A = Superficie [m2]
A T = diferencia de temperatura [fe] (diferencia entre dos sólidos vecinos o dentro de un sólido)
l = Espesor [m]
Ra = Resistividad térmica específica
Figure imgf000005_0002
d térmica absoluta
Q1 es un flujo de calor convectivo y, por lo tanto, se calcula mediante la fórmula que se muestra en el apartado "Antecedentes".
Haciendo referencia ahora a la Figura 3, se muestra una sección a lo largo de un plano radial, con respecto a un eje de rotación a de la máquina rotativa, de un núcleo de polo 4a ahora en toda su extensión. También son visibles las secciones de los espacios 7 y 8.
La Figura 4 ilustra una sección del núcleo de polo 4a a lo largo de un plano axial de la máquina rotativa. En particular, se puede ver claramente que el espacio 7 está desplazado perimetralmente alrededor del núcleo de polo 4a.
El material 9 está dispuesto a lo largo de solo dos lados opuestos 30, 40 del espacio 7 alineado con el eje de rotación a de la máquina rotativa (representada en la Figura 3), cuando el núcleo de polo está montado en él.
El material elegido para rellenar los espacios 7 y/u 8 tiene una conductividad térmica superior. En particular, dicho material de relleno puede tener un coeficiente igual o superior a 1 W/mK. Incluso para aumentar el flujo de calor de acuerdo con el esquema anterior, reduciendo aún más el flujo de calor por convección asociado a Q1 mientras aumenta los flujos de calor por conducción relacionados con Q2 y Q3 entre la bobina y el núcleo del polo, podría ser elegido un material que presente un coeficiente seleccionado entre el rango de 20-80 W/mK para lograr dicho efecto técnico ventajoso.
En una realización preferida, el material puede ser silicona de alta conductividad térmica. La formulación de silicona puede ser vulcanizada a temperatura ambiente o puede ser vulcanizada a temperaturas elevadas. También es ventajoso utilizar silicona en forma de espuma o en forma de lámina.
Un ejemplo de dicho material puede ser la película de silicona blanda termoconductora KU-TCS conocida en el mercado con el nombre HEATPAD® fabricada por la empresa Kunze. Por lo tanto, este tipo de material es conocido por los expertos en la técnica y, por lo tanto, no se describirá con más detalle. La silicona puede estar dispuesta en los espacios en forma de placas o compuestos.
En particular, se puede proporcionar una formulación de silicona en forma de resina o cola e insertarla, cuando todavía está en forma líquida, en los espacios descritos anteriormente durante el montaje de la máquina rotativa. Después de la inserción, la silicona se consolida y se solidifica, logrando así una operación de llenado muy eficiente en los espacios entre la bobina del rotor y el núcleo del polo proporcionando así un excelente proceso de transferencia.
Alternativa o adicionalmente, el material insertado en los espacios puede ser óxido de aluminio y/o nitruro de aluminio, que se pueden proporcionar en forma de polvo o de placas. También es técnicamente viable y está previsto utilizar una formulación de silicona que contenga partículas de óxido de aluminio y/o nitruro de aluminio disueltas en la matriz de silicona.
En particular, se prefieren especialmente el óxido de aluminio y el nitruro de aluminio, ya que se caracterizan por una conductividad térmica muy alta (dentro del intervalo de 50 - 100 W/mK) y muy buenas propiedades de aislamiento eléctrico.
Se apreciará que se pueden disponer diferentes combinaciones de materiales de relleno entre los espacios 7, 8 según el modo de uso particular.
Los materiales anteriores pueden así ser insertados en los espacios 7 y/u 8. De esta forma, se puede obtener una brida aislante con conductividad térmica mejorada. Con respecto a la técnica conocida, al hacer un uso efectivo del espacio lateral 7 y de la pestaña aislante para la transferencia de calor, se puede disipar más calor a través de estos recorridos. Por tanto habrá que disipar menos calor por convección en las superficies exteriores 11a, 11b de las bobinas del rotor. En consecuencia, una menor diferencia de temperatura AT sobre el espacio 7 o sobre la brida aislante será suficiente para disipar las pérdidas. Esto significa que las partes que componen el rotor funcionarán a temperaturas más bajas. Las temperaturas más bajas de las piezas de la máquina tienden a prolongar la vida útil de servicio de la máquina.
La transferencia de calor mejorada a través del espacio 7 y a través de la brida aislante también permite una reducción de las superficies involucradas en la conducción de calor y en la convección. De esa forma, las restricciones térmicas se pueden relajar y la máquina puede tener un diseño más compacto.
Si bien la presente invención se ha descrito en su totalidad en relación con realizaciones preferidas, es evidente que se pueden introducir modificaciones dentro del alcance de la misma, no considerando que la aplicación esté limitada por estas realizaciones, sino por el contenido de las siguientes reivindicaciones.

Claims (8)

REIVINDICACIONES
1. Un polo de rotor (4) para una máquina rotativa que comprende:
• un núcleo de polo (4a) que presenta forma de hongo;
• una bobina de rotor (3a) dispuesta alrededor de dicho núcleo de polo (4a), en donde dicha bobina de rotor (3a) está separada del núcleo de polo (4a) de manera que se forma un primer espacio lateral (7) entre un lado lateral de la bobina de rotor y el núcleo de polo y se forma un segundo espacio superior (8) entre un lado superior de la bobina de rotor y una parte inferior del núcleo de polo con forma de hongo en donde dichos espacios lateral y superior (7, 8) están al menos parcialmente rellenos de un material (9) que tiene una conductividad térmica superior a 0,25 W/mK,
en donde dicho material está dispuesto en dicho espacio lateral a lo largo de solo los dos lados opuestos de dicho espacio lateral alineados con el eje de rotación de una máquina rotativa cuando el núcleo de polo está montado en el mismo y en donde dicho material rellena dicho espacio superior.
2. El polo de rotor (4) de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la conductividad térmica del material (9) es sustancialmente igual o superior a 1 W/mK.
3. El polo de rotor (4) de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, en el que la conductividad térmica del material (9) tiene un valor comprendido en un rango de 20-80 W/mK.
4. El polo de rotor (4) de acuerdo con las reivindicaciones 1,2 o 3, en el que la conductividad térmica del material (9) tiene un valor comprendido en un rango de 50-100 W/mK.
5. El polo de rotor (4) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el material (9) tiene la forma de una o más placas dispuestas dentro de dicho espacio (7, 8).
6. El polo de rotor (4) de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el material (9) es óxido de aluminio y/o nitruro de aluminio y está en forma de polvo o de grano.
7. Un rotor (20) para una máquina rotativa (200), caracterizado por que comprende al menos un polo de rotor (4) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores.
8. Una máquina rotativa (200), caracterizada por que comprende un rotor (20) de acuerdo con la reivindicación anterior.
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