MXPA00007378A - Maquina, en particular, maquina electrica, en particular, convertidor de energia electrica para hacer fluidos y gases - Google Patents

Abstract

En un aspecto, la invención estárelacionada con una máquina que comprende;un anillo de estator anular, un anillo de rotor anular rotable dentro o fuera de dicho anillo de estator, y preferiblemente por lo menos coaxial de manera sustancial:los medios magnéticos, preferiblemente que comprenden electroimanes, opcionalmente, primero medios para controlar corrientes eléctricas en dichos electroimanes, dichos medios magnéticos se proporcionan de manera que dicho primer medio que controla dichas fuerzas magnéticas de atracción se generan dentro del anillo del estator y dicho anillo del rotor aumentando la estabilidad estática y/o dinámica de dicho anillo del rotor y/o del anillo de estator preferiblemente de manera sustancial.

Description

MÁQUINA. EN PARTICULAR. MÁQUINA ELÉCTRICA. EN PARTICULAR. CONVERTIDOR DE ENERGÍA ELÉCTRICA PARA HACER FLUIR FLUIDOS Y GASES La invención se ejemplifica mediante una máquina eléctrica, en particular un convertidor de energ ía para hacer fluir fluidos y gases, por ejemplo; con u na potencia fluctuante entre uno o algunos , o decenas de caballos de fuerza y muchos miles o aun más. Sin embargo, la invención se puede apl icar también en otros campos; por ejemplo; dos anillos coaxiales sustanciales que giran con respecto a ellos mismos. Al convertir la energía eléctrica en energía mecánica y viceversa cuando la energ ía mecánica se convierte en energ ía eléctrica en las máquinas de rotación , con frecuencia la flecha que transporta la energía mecánica está rotando a baja velocidad , debido al hecho de que en muchas configuraciones el impulsor mecánico o la carga mecán ica gira a baja velocidad. U n ejemplo de un sistema en el que se utiliza una flecha q ue gira a baja velocidad lo obtenemos de un motor diesel que impulsa como una carga a la hélice de un barco. En dicha com binación de elementos , una buena práctica de ingeniería es aplicar una baja velocidad de la flecha . Otro ejemplo de un sistema con una flecha que gira a baja velocidad es una turbina de viento que impulsa como una carga a un molino o a una rueda hidráulica . En una máquina de rotación eléctrica construida convencionalmente, las partes que la componen están colocadas cerca de una flecha central. Cuando este tipo de máquinas se utilizan como un motor con el propósito de convertir la energía eléctrica en energía mecánica; o como un generador con el propósito de convertir energía mecánica en energía eléctrica, una flecha con rotación lenta es una desventaja por la baja velocidad circunferencial del rotor en relación con el estator. Una velocidad circunferencial baja provoca una densidad baja de potencia de la máquina, lo que puede hacer necesaria la instalación de equipo pesado para un nivel de potencia dado. Con el fin de aumentar la densidad de potencia de la máquina eléctrica, un posible método es incrementar la velocidad del rotor con respecto al estator. Un método frecuentemente aplicado consiste en colocar entre la máquina eléctrica y una flecha de rotación lenta, una caja de engranes en tal forma que la flecha de la máquina eléctrica gire más rápidamente que la flecha de rotación lenta. Un método alterno para aumentar la velocidad circunferencial del rotor con respecto al estator consiste en incrementar la distancia que hay del rotor a la flecha, dándole así a la máquina eléctrica, como un sistema de dos anillos coaxiales que giran en relación de uno a otro, los anillos que incorporan el rotor y el estator de la máquina eléctrica, ver figura 1 , tomada de I . Jacobson, "De Elektriciteit en haré Techniek", Amsterdam 1905. Dicho tipo de configuración de dos anillos se puede aplicar para convertir la energía contenida en un flujo de fluido o contenida en un flujo de gas dentro de la energía eléctrica, o para convertir la energía eléctrica en energía en un fluido o flujo de gas. En estos ejemplos, la configuración de la Figura 1 se puede cambiar de tal forma que las aspas de la hélice o la turbina toman el lugar de los rayos de la rueda del rotor, y un medio que puede ser gas o fluido fluye alrededor de dichas aspas, haciendo que el anillo del rotor gire. Sin embargo, la flecha central permanece. Un soporte mecánico de una flecha central del anillo del rotor requiere que las partes mecánicas se dirijan hacia fuera de la flecha a las partes conectadas con el anillo del estator. En el caso de la hélice de un barco, por ejemplo; un barco comercial como un buque tanque petrolero de 300 metros de eslora o una embarcación marina, el soporte mecánico ocasionará una perturbación pulsátil del flujo de agua, dando lugar a ruido acústico en el agua y a vibraciones mecánicas en la flecha y el casco del barco. En el caso de generar electricidad por medio del viento o por medio del flujo del agua, por ejemplo, con una capacidad de algunos Mwatts, y las aspas con un diámetro de por ejemplo; 20 metros, el soporte mecánico de una flecha central también dará lugar a una perturbación pulsátil en el medio y en la construcción. La perturbación de flujo estable del medio ocasiona un decremento en la eficiencia de la conversión de potencia, mientras que en muchos casos el ruido acústico no es aceptable.

La construcción de una hélice con una flecha central mecánica con rodamientos, en la que el motor o el generador está acoplado, lleva a un sistema de hélice o generador que tiene dimensiones considerables en la dirección de la flecha en comparación con el diámetro de la hélice. En muchas construcciones ésta es una desventaja. Los rodamientos de la hélice y del motor / generador tienen que estar en línea, lo que hace necesario tener un soporte rígido de los rodamientos y del motor / generador, o, alternativamente, incluir componentes que aceptan desviaciones relacionadas con la posición y el ángulo de la flecha de la hélice y de la flecha del motor / generador. La utilización de un rotor por lo menos de manera parcial soportando las aspas que se extienden hacia adentro desde dicho rotor y círcumfluente por el fluido o el gas, por ejemplo: de tal manera que el rotor proporcione un anillo articulado circunferencialmente con un diámetro ancho comparado con su longitud en dirección axial, daría muchas ventajas puesto que el soporte central de dichas aspas por medio de una flecha se puede eliminar total o parcialmente, eliminando la necesidad de tener dicha flecha, pero esto conlleva a problemas de construcción que son prohibitivos cuando se utilizan únicamente rodamientos mecánicos. En general, un cuerpo no puede estar soportado establemente por medio de un campo magnético de imanes permanentes si no se agregan componentes de estabilización adicionales. Lo mismo se aplica a un sistema no regulado necesariamente por electroimanes (por ejemplo, considerando un campo magnético no regulado deliberadamente, porque los electroimanes están suministrados por energía constante). Además no es posible configurar un sistema de varios imanes permanentes y electroimanes no regulados deliberadamente, que puedan dar apoyo estable y sin contacto mecánico a un cuerpo que flota en el campo magnético. La invención, como se define más detalladamente en las reivindicaciones 1 ó 4, sugiere utilizar un campo magnético para por lo menos una articulación de dicho rotor con respecto a su estator. Por una parte, el inventor se dio cuenta de que las fuerzas magnéticas derivadas de un campo magnético pueden aumentar la estabilidad estática o dinámica de un anillo del rotor o anillo del estator, por ejemplo; al endurecer mecánicamente el anillo del rotor y el anillo del estator se obtienen muchas ventajas como por ejemplo que el rotor o el estator pueden construirse de una estructura muy ligera. Se puede añadir estabilidad en una dirección radial o axial en relación con el anillo del rotor o el estator. Un límite inferior es aquel en donde la contribución del campo magnético a la estabilidad es distinto y beneficioso. Preferentemente, la estabilidad, por ejemplo; la rigidez de flexión o la estabilidad de la forma de estabilidad del anillo del rotor y/o el anillo del estator es de por lo menos 10%, más preferiblemente por lo menos del 20% , y mucho mejor de por lo menos el 25% incrementado por dicho campo magnético. Es una ventaja tener el anillo del rotor y/o el anillo del estator tan flexible como sea posible, de modo que dicha estabilidad puede definirse virtualmente y por completo por medio del campo magnético. Como las aspas (si se utilizan) u otras partes (si se utilizan) mecánicamente sujetadas al anillo del rotor puede añadir más estabilidad en una o en ambas direcciones, se considera que el campo magnético dará más beneficios de estabilización en la dirección no estabilizada por dichas aspas. Por otro lado, el inventor se dio cuenta que agregando un sistema de control, que reacciona a la posición de un cuerpo con respecto a un cuerpo flotando en un campo magnético al cambiar dicho campo magnético el cuerpo puede mantenerse en una posición de flotación estable por lo menos parcialmente eliminando la necesidad de un soporte mecánico de dicho anillo del rotor. Cuando un motor / generador está construido con un anillo del rotor o anillo del estator con un diámetro comparativamente grande, en comparación con las dimensiones de sus dimensiones transversales o de sus dimensiones axiales, surge un problema de estabilidad mecánica. Dicha situación se presenta cuando, por ejemplo; un anillo de rotor, por lo menos en parte, soporta las aspas que se extienden hacia adentro desde dicho rotor y son fluidas por un fluido o un gas. El diámetro local de los anillos puede variar en diferentes azimuts a lo largo de los anillos, y los anillos se pueden doblar de manera que no queden sobre un plano. Cuando se aplica una flecha mecánica central, la estabilidad mecánica de un anillo grande alrededor de una hélice se convierte en un problema adicional. Las fuerzas aplicadas a la flecha tienen que transferirse por medio de las aspas de la hélice al anillo del rotor, haciendo casi seguro que se genere un problema de inestabilidad sin solución. Además, los componentes mecánicos que soportan la flecha, estarán necesariamente en el camino del flujo del medio. La invención también pretende presentar otras soluciones a varios problemas asociados con la aplicación de un motor / generador anular con un flujo integrado de gas impulsado o impulsando la hélice o la pluralidad de dichas hélices, en particular en donde el diámetro del anillo del rotor y del anillo del estator son grandes en comparación con las dimensiones de la dimensión transversal del anillo del rotor, ver la vista esquemática y transversal de la Figura 2, que muestra una modalidad sin limites, actualmente preferible de la invención. De conformidad con la Figura 2, el diámetro del anillo del rotor parece pequeño en comparación con su dimensión axial, sugiriendo una alta rigidez de dicho anillo de rotor en base a las dimensiones y a las constantes de ingeniería. Sin embargo, en la práctica real, el diámetro es de por lo menos 3 veces la dimensión axial, preferiblemente de alrededor de por lo menos diez veces la dimensión axial del anillo del rotor, produciendo un anillo de rotor más inestable con la necesidad de una mayor estabilización para un uso económico de mayor duración. Por otro lado, el anillo de rotor puede estar inestable en proporciones más pequeñas de dimensión diámetro - axial si está hecho, por ejemplo; de materiales plásticos. Con el fin de proporcionar una solución, un anillo de rotor (9) con rotación dentro de un estator 12 se conecta mecánicamente a la hélice (8) impulsando o impulsada por el medio y extendiéndose hacia adentro desde dicho anillo de rotor (9) , dicho anillo de rotor comprende un rotor 7 de una máquina eléctrica y "ancres" 10 de los medios magnéticos. Dicho anillo de rotor comprende electroimanes (2, 3, 4, 5) de los medios magnéticos conectados a un medio de control (no visible) y cooperando con dichos "ancres" 10 para proporcionar fuerzas axiales y /o fuerzas de rotación alrededor de dos ejes no paralelos, preferiblemente transversales, mejor aún sustancialmente perpendiculares que se extienden perpendiculares al eje principal (1 1 ) del anillo del rotor (9). También, partes de los circuitos magnéticos (10) pueden proporcionar fuerzas radiales para controlar la posición radial del anillo del rotor con respecto al anillo del estator (12). El anillo del estator comprende el estator 6 de la máquina eléctrica, partes de los circuitos magnéticos (5) que proporcionan fuerza axiales y rotatorias ejercidas en (10). Entre (6) y (7) se encuentra la abertura con un campo magnético de la máquina eléctrica. Las fuerzas radiales y las fuerzas axiales débiles están proporcionadas por las partes de los circuitos magnéticos (2) y (3). Las fuerzas axiales, las fuerzas de rotación alrededor de dos ejes que no coinciden y perpendiculares al eje principal del anillo del rotor, y las fuerzas radiales débiles son proporcionadas por las partes de los circuitos magnéticos (4) y (5). El campo magnético en la apertura (1 ) puede generar fuerzas radiales cuando el anillo del rotor no esté exactamente centrado con respecto al anillo del estator, o intencionalmente, cuando las corrientes en el estator y el rotor de la máquina eléctrica no estén distribuidas igualmente y con los mismos azimuts. De tal manera que, la máquina como se muestra no tiene una flecha central articulada y las aspas 8 están meramente articuladas por el anillo del rotor 9 que está simplemente articulado magnéticamente dentro del anillo del estator 1 1 . Son factibles más modalidades, por ejemplo; en donde los elementos 7 y 10 no se proyecten en el anillo del estator 12, y que dichos elementos 4 y 5, por ejemplo; no se proyecten desde el anillo 12. Los elementos 2, 3, 4, y 5 también pueden intercambiarse en parte o por completo con los elementos respectivos 10. De otra forma, los medios magnéticos se proporcionan meramente por el estator 6 y el rotor 7 de la máquina eléctrica.

Claims (4)

1. REIVIN DICACIONES 1 . U na máquina con una capacidad de alta potencia de por lo menos un caballo de fuerza, que com prende: un an illo de estator anular; un anillo de rotor anular rotable dentro o fuera de dicho anillo de estator, dicho anillo de rotor con un diámetro de por lo menos tres veces su dimensión axial; por lo menos una aspa montada a dicho anillo de rotor e impulsada por o impulsando un fluido o un gas; medios magnéticos que generan fuerzas magnéticas entre dicho anillo del rotor y dicho anillo del estator; medios para detectar la posición de por lo menos parte de dicho anillo de rotor relativo a dicho anillo de estator; medios para controlar dichas fuerzas magnéticas de los medios magnéticos mencionados dependiendo de dicha detección por medio de dichos medios de detección para sostener dicho anillo de rotor en una posición estable en relación con dicho anillo de estator; caracterizado por dichos medios magnéticos que generan fuerzas magnéticas de atracción entre dicho anillo de estator y dicho anillo de rotor para mantener a dicho anillo de rotor en una posición estable en relación con dicho anillo de estator.
2. 2. U na máquina de conformidad con la reivindicación 1 , en donde dichas fuerzas magnéticas de atracción aumentan la estabilidad de la forma de dicho anillo de rotor y de dicho anillo de estator.
3. 3. U na máquina de conformidad con la reivindicación 2 , en donde le estabilidad de la forma aumenta a un promedio de por lo menos el 1 0% .
4. 4. Una máquina de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde dicho fluido es aire ambiental o agua ambiental.