ENFRIAMIENTO DE MAQUINAS ELÉCTRICAS
DESCRIPCION DE LA INVENCION
Esta invención se refiere al enfriamiento de máquinas eléctricas. Las máquinas eléctricas tienen típicamente devanados elaborados de conductores aislados en los cuales fluye la corriente y que, a menos que el material conductor sea superconductor, tienen pérdida resistiva. Esta pérdida resistiva (la llamada pérdida IR) calienta el conductor. La corriente continua de la máquina eléctrica depende en general del límite de temperatura del material aislante del devanado. Frecuentemente estos límites se ajustan a valores internacionalmente reconocidos, por ejemplo, Clase F (145°C), Clase H (180°C) etc., y la pericia del diseñador es afrontar el problema de remover la pérdida I2R para mantener la temperatura del devanado por abajo del límite elegido. El problema se hace más difícil debido a los requisitos en general conflictivos para proporcionar buen aislamiento térmico y buena conducción térmica. Los conductores del devanado se revisten típicamente con un esmalte aislante y el montaje de devanado terminado se impregna típicamente con un barniz de encapsulación . Estas medidas contribuyen a asegurar que el aislamiento eléctrico
REF: 136636 del devanado sea de alta calidad. Sin embargo, la mayoría de los buenos aislantes eléctricos también son buenos aislantes térmicos, de modo que el uso de estos materiales hace en general más difícil la tarea de proporcionar rutas de alta conductividad térmica para la pérdida I2R del devanado a un disipador térmico donde se puede disipar el calor. El problema de remoción del calor se complica adicionalmente en máquinas eléctricas que tienen devanados en los cuales una espiral abarca un diente individual, por ejemplo, máquinas de CD sin escobilla y máquinas de reluctancia conmutada. En tanto que los espirales de un devanado distribuido, convencional en general se dispersan a través de un número relativamente grande de ranuras y tienen más contacto íntimo con el hierro de las laminaciones del estator, los devanados de paso corto de una máquina de polos salientes hacen contacto en general con el estator sólo en dos lados de la espiral, conduciendo a una ruta de remoción-de calor de un área de sección transversal más pequeña. Se conocen varios métodos para mejorar la eficiencia de la ruta de disipación para el calor en el devanado. Por ejemplo, el revestimiento de barniz de encapsulación algunas veces se hace muy grueso, para eliminar virtualmente todos los huecos de aire alrededor del devanado y proporcionar una ruta a través del barniz para el calor. Esto mejora la transferencia de calor, pero frecuentemente es un proceso desordenado y consumidor de tiempo, que comprende el uso de compuestos que constituyen riesgos para la salud y seguridad. También se ha propuesto el enfriamiento liquido. La velocidad de flujo de líquidos se puede ajustar para mantener el liquido a una temperatura relativamente baja en comparación con el devanado de modo que el consecuente gradiente térmico da alta transferencia de calor desde el devanado. Se conoce el enfriamiento por chaquetas de agua que circundan el núcleo del estator. Esto es frecuentemente útil cuando la máquina es relativamente larga en co paración a su diámetro; puesto que se reduce la relación de longitud/diámetro, este método es inferior y menos exitoso y se usan sistemas alternativos, por ejemplo, tubos refrigerantes introducidos en las regiones del núcleo y/o devanados. Se han hecho varios intentos para poner esto en práctica, por ejemplo, al proporcionar tubos refrigerantes alrededor de la saliente del devanado o a través del núcleo mismo. La Figura 1 muestra un arreglo de la técnica anterior de un estator laminado 12, del tipo de polos salientes que tiene seis polos 14 cada uno circundado por una espiral 16. Un rotor 15, montado para girar dentro del estator, tiene cuatro polos salientes 11. Las espirales en el estator tienen una región saliente 17 y lados 19 de espiral. Los tubos refrigerantes 10 se colocan en los extremos del núcleo 12 de estator, en el plano de las laminaciones y adyacentes a y circundantes a la saliente 17 del devanado. Típicamente, estos tubos se encapsulan con la saliente del devanado, pero aun así, no hay una buena ruta térmica entre las porciones del devanado y las ranuras del estator y el refrigerante, puesto que aun las mejores resinas de encapsulación tienen una resistencia térmica relativamente alta. Otro método propuesto es usar refrigerante líquido que pasa a través de los mismos conductores de devanado. Esta técnica es más aplicable a máquinas grandes en el intervalo de multi-megavatios, donde el gran gasto de los arreglos complejos necesarios para proporcionar tanto sellos de fluido como aislamiento eléctrico en los conductores individuales se compensa por el gran ahorro en el costo de corrida de la máquina. Aunque esta técnica se ha propuesto para máquinas mucho mas pequeñas en aplicaciones muy especializadas, por ejemplo, como se describe en US 5489810 (Ferreira), el ahorro a fallado en justificar la complejidad. Un método aparentemente más simple sería pasar el refrigerante a través de rutas que corran hacia bajo de las ranuras en las cuales están los conductores del devanado. Esto se analiza en la WO 00/01053 (Sjoberg) . Esto tiene la ventaja de rutas térmicas cortas desde el devanado al refrigerante, pero requiere tubos refrigerantes eléctricamente no conductores (que en general tienen también pobre conductividad térmica) y requiere la conexión relativamente confiable a prueba de fugas de muchos tubos a un distribuidor de refrigerante en un área restringida. La Figura 2 muestra una vista simplificada de este arreglo de la técnica anterior, con tubos 18 de enfriamiento, triangulares. De acuerdo con la presente invención, se proporciona una máquina eléctrica que comprende un devanado montado en un miembro de la máquina, y al menos una pieza de inserción, conductora de calor, pre-formada, que tiene una primera parte en contacto de conducción de calor con el devanado, y una segunda parte en contacto con una parte de disipación de calor del miembro. El miembro puede ser el estator de una máquina eléctrica en la cual se enrolle (n) un (os) devanado (s) para energizar los polos del estator. De manera alternativa, el miembro puede ser la parte móvil de la máquina, tal como un rotor en una máquina giratoria, en la cual se monta (n) un (os) devanado (s) . El estator, por ejemplo, se puede enfriar de manera activa mediante el uso de uno o más tubos de enfriamiento arreglados alrededor de la periferia del cuerpo del estator que define el contrahierro. En este caso, la segunda parte de la pieza de inserción se forma para hacer contacto de conducción de calor con el (los) tubo(s). De manera alternativa, La segunda parte puede estar en contacto con el cuerpo del estator mismo para disipar el calor retirado por la pieza de inserción del devanado. Una forma de pieza de inserción tiene una primera parte formada para rellenar el espacio entre las espirales adyacentes del devanado. En una máquina donde se ahuse el espacio, la primera parte está de manera preferente en forma de cuña para ajustarse al ahusamiento. En otra forma, la pieza de inserción tiene una primera parte que se forma para estar en el extremo axial de un polo de estator y el devanado se coloca sobre la primera parte de modo que hay un contacto intimo para la conducción de calor tanto del devanado como del polo mismo. En un estator, la superficie del contrahierro está usualmente al ras con la superficie del extremo de polo. De esta manera, este tipo de pieza de inserción tiene de manera preferente una superficie plana que está en contacto continuo con el extremo de polo y el contrahierro. Cuando se usa un tubo de enfriamiento, la segunda parte de la pieza de inserción se puede formar para definir una depresión de acuerdo con la sección de tubo. Cuando una pluralidad de piezas de inserción están presentes, se pueden conectar por sus segundas partes o arreglar de modo que formen un canal sustancialmente continuo para el tubo. En una forma particular de la invención, se proporciona un estator para una máquina eléctrica que define una parte de contrahierro y una pluralidad de polos que se extienden desde el contrahierro, los polos que tienen lados de polo adyacentes entre si, una superficie de polo y un extremo de polo entre los lados de polo, un devanado que se extiende alrededor de los polos para definir una saliente de devanado de los extremos de polo, y una pieza de inserción de conducción de calor, pre-formada, que tiene un primera parte formada para ajustarse en contacto de conducción de calor corla salientes de devanado, y una segunda parte arreglada como una pieza transversal a la primera parte que está en contacto de conducción de calor con la parte de disipación de calor de estator . En otra forma particular de la invención, se proporciona un estator para una máquina eléctrica que define una parte de contrahierro y una pluralidad de polos que se extienden desde el contrahierro, un devanado arreglado en relación a los polos para definir espacios entre los mismos y una pieza de inserción de conducción de calor, pre-formada, que tiene una primera parte formada para ajustarse en contacto de conducción de calor con el devanado en los espacios, y una segunda parte arreglada como una pieza transversal a la primera parte que esta en contacto de conducción de calor con la parte de disipación de calor del estator . La invención se puede poner en práctica de varias maneras, algunas de las cuales se mostrarán ahora a manera de ejemplo con referencia a los dibujos anexos, en los cuales: La Figura 1 es un estator enfriado con liquido, de la técnica anterior; La Figura 2 es una máquina de reluctancia conmutada, de la técnica anterior con tubos de enfriamiento; La Figura 3 ilustra un estator parcialmente montado de acuerdo con la invención; La Figura 4 muestra el estator completamente montado de la Figura 3; Las Figuras 5a, 5b y 5c ilustran una pieza de inserción de transferencia térmica del estator de las Figuras 3 y 4; Las Figuras 6a, 6b, 6c y 6d ilustran otra pieza de inserción de transferencia de calor del estator de las Figuras 3 y 4; La Figura 7 ilustra un protector de extremo para una máquina eléctrica de acuerdo con una modalidad de la invención; La Figura 8 ilustra un montaje de estator para una máquina eléctrica de acuerdo con una modalidad de la invención; y La Figura 9 ilustra una modalidad adicional de la pieza de inserción de transferencia de calor de acuerdo con la invención.
Con referencia a las Figuras 3 y 4, un estator para una máquina de reluctancia comprende un cuerpo 20 de estator que se elabora de una pila de laminaciones de un acero magnetizable, adecuado. El cuerpo de estator comprende une parte 22 de contrahierro y un conjunto de polos 24 de estator, que sobresalen radialmente hacia dentro. Un devanado 26 de energización se arregla alrededor de cada polo individual 24. Al conectar los devanados conjuntamente en grupos energizables, se crea un estator que tiene varias fases de acuerdo al número de grupos. La conexión de los devanados en grupos dependerá del tipo de motor que se esté construyendo. Las opciones y los tipos de rotor que se puedan usar en unión con los varios números de fase, será bien conocido por las personas expertas en la técnica y no se describirá en detalle adicional en la presente. El estator incluye piezas de inserción 28 de devanado y piezas de inserción 30 de polo. Las piezas de inserción 28 de devanado se muestran en más detalle en la Figura 5 y comprenden una primera parte 32, que tiene una sección de poste, lateral, en general triangular que se ajusta a la separación triangular entre los devanados adyacentes radialmente hacia adentro de la superficie del hierro 22 de respaldo entre los polos 24 de estator. Una segunda parte 34 de la pieza de inserción 28 de devanado comprende una pieza transversal 36 formada en un extremo de la primera parte. La pieza transversal 36 se compensa radialmente hacia fuera desde el extremo de la primera parte, dando hacia el hierro 22 de respaldo del estator 20. La pieza transversal 36 describe un arco a lo largo de su longitud para coincidir con el arco en el radio del hierro 22 de respaldo, adyacente. La sección lateral de la pieza transversal define una depresión 38 que, en esta modalidad particular, es semicircular. La función principal de la pieza de inserción de devanado es retirar el calor generado en los lados de la espiral del devanado del espacio entre los polos de estator a un área donde se puede disipar más fácilmente . Las piezas de inserción 30 de polo se muestran en más detalle en la Figura 6 y comprenden una primera parte 37 en la forma de una lengua que se asienta en el extremo axial 40 de un polo 24 de estator de modo que esta entre una superficie de extremo del polo y una saliente 42 del devanado 26. Una superficie interior 44 de la lengua 37 esta plana para ajustarse a la superficie plana del extremo 40 del polo de estator. La otra superficie exterior 46 de la lengua 37 tiene una región intermedia plana y bordes redondeados entre las superficies interior y exterior, planas. Como con la pieza de inserción 28 de devanado, la superficie exterior 46 de la lengua 37 de la pieza de inserción 30 de polos se forma para ajustarse a la superficie adyacente del devanado para aumentar al máximo el intercambio de calor desde el devanado de la misma manera que las superficies de acoplamiento, planas del extremo 40 de polo y la lengua 37 para alentar el intercambio de calor. Una segunda parte 48 de la pieza de inserción 30 de polo también se forma como una pieza transversal que tiene una superficie plana 50 al ras con la superficie interior de la lengua, de modo que se arregla en contacto contiguo con la superficie plana de la laminación exterior del estator, que define tanto el polo de estator como el cuerpo de estator. Una superficie exterior 52 de la pieza transversal 48 define una depresión arqueada coincidente con el mismo diámetro descrito por las depresiones 38 en las piezas transversales 36 de la pieza de inserción 28 de devanado. Una pestaña 53 en la segunda parte se extiende desde su unión con la primera parte 37 de modo que esta en contacto de conducción de calor con una superficie adyacente de la saliente 42. La función primaria de la pieza de inserción de polo es retirar calor de la saliente de devanado y transferirlo a otra área donde se pueda disipar. Cuando se monta primero las piezas de inserción 30 de polo al estator, cada una se arregla en el extremo de polo y el devanado 26 entonces se coloca herméticamente alrededor de este para asegurar que exista contacto intimo de conducción de calor entre el extremo 40 de polo y la lengua 37, y también que el devanado 26 se ajuste a la forma exterior de la lengua 37. Esto se podría hacer en un núcleo estator formado de laminaciones de pieza individual, convencionales. Sin embargo, es particularmente aplicable a estatores segmentados, en los cuales los segmentos de laminación, cada uno que define un polo individual y contrahierro adyacente, se constituyan en una unidad y se enrollen antes de que los segmentos se interconecten para formar el montaje de estator. Este arreglo se describe por ejemplo en EP-A-0823771. Al colocar la pieza de inserción de polo en uno o ambos extremos del segmento de estator y enrollar herméticamente el espiral en este, se logra una resistencia térmica muy baja para la ruta de transferencia de calor a los tubos refrigerantes. Después de que se termina el devanado del estator, el tubo 56 refrigerante o tubos se arreglan en la depresión circular en las piezas transversales de las piezas de inserción de polo. Se verá de la Figura 3 que el arreglo de las piezas transversales de las piezas de inserción de polo proporciona un canal sustancialmente continua de contacto con el tubo de enfriamiento. La primera parte 32 de la pieza de inserción 28 de devanado en general es en forma de cuña para ajustarse entre los devanados adyacentes 26 en el estator. La función-principal de esta pieza de inserción de devanado es extraer calor de los lados de espiran en la ranura y en esta modalidad, transportarlo al tubo refrigerante o cuerpo de estator. Esta pieza de inserción 28 se monta al estator después de que el devanado se termina y el tubo refrigerante 56 se ha montado, ya sea el cuerpo de estator solo o en las depresiones proporcionadas en las piezas de inserción 30 de polo. La primera parte de cada pieza de inserción de devanado se forma en general para ajustarse a la separación-entre los devanados adyacentes. Sin embargo, debe haber un ajuste hermético en el espacio a fin de asegurar suficiente contacto de conducción de calor con los devanados y empujar los lados de espiral contra los lados de polo, ayudando adicionalmente a la extracción de calor. Las piezas transversales del arreglo de las piezas de inserción de devanado mostradas en la Figura 4 sujetan el tubo de enfriamiento en el canal continuo en las piezas transversales de las piezas de inserción de polo. Se pueden proporcionar tubos de enfriamiento en cualquier extremo axial de estator. En este caso, las piezas de inserción de devanado esta de manera preferente en contacto con los lados de espiral a lo largo de aproximadamente la mitad de la extensión axial del estator. Si solo se proporciona un tubo de enfriamiento, la longitud de contacto de la primera parte de cada una de las piezas de inserción de devanado se extiende de manera preferente para la mayoría de, si no es que toda, la extensión axial de estator. En el caso de ya sea un tubo de enfriamiento o dos, cada tubo se conecta a un medio de enfriamiento adecuado, como es convencional. La Figura 4 muestra el tubo de enfriamiento 56 terminado en acoplamiento 58, 60 a los cuales se pueden unir mangueras flexibles de manera convencional. Se pueden arreglar piezas de inserción pre- formadas, correspondientes, en relación a los devanados en un rotor, donde este rotor se incluye en una máquina eléctrica. Los principios descritos anteriormente con relación al estator de una máquina eléctrica aplican a un rotor, mutatis mutandis . Cuando las piezas de inserción y los tubos de enfriamiento (si está presentes) se montan al estator, el devanado se puede impregnar con resina de manera convencional. Esta impregnación final une adicionalmente las piezas de inserción al devanado y los tubos para facilitar adicionalmente la transferencia de calor. Las piezas de inserción proporcionan una ruta altamente conductora de calor por la cual se mejora la efectividad del sistema de enfriamiento proporcionado por los tubos para retirar calor directamente de los devanados a través del material de las piezas de inserción. Como se ve mejor en la Figura 3, las piezas de inserción de polo en este ejemplo definen un calor continuo por sus depresiones, mientras que las piezas transversales de las piezas de inserción de devanado están intermitentes. Se apreciará que puede ser ya sea continuo o intermitente de acuerdo al tramo de las piezas transversales. Para conducción adicional de calor, las piezas transversales se pueden sujetar o asegurar de otro modo al estator para asegurar un contacto intimo entre los dos. En una modalidad alternativa, la función de intercambio de calor de las piezas de inserción se llevó a cabo en virtud del contacto de conducción de calor de las piezas de inserción con los devanados y el material del cuerpo del estator sin el enfriamiento activo adicional proporcionado por los tubos de enfriamiento. En este caso, las piezas transversales de las piezas de inserción no tienen que definir las depresiones para el paso de los tubos. La invención proporciona miembros de transmisión de calor que acoplan térmicamente el devanado a un disipador térmico de una manera más eficiente que lo hecho previamente. Al usar piezas de inserción pre-formadas de un metal apropiado, tal como aluminio, cobre, magnesio, acero, bronce u otro material de suficiente conductividad térmica, el calor se retira de manera más eficiente del devanado a la parte de disipación de calor del estator, tal como el tubo de enfriamiento o el cuerpo de estator mismo. En tanto que se han descrito piezas de inserción metálicas, también se pueden usar piezas de inserción de plástico moldeado de un tipo térmicamente estable de manera adecuada, posiblemente, impregnadas con un polvo conductor de calor o material en forma de partículas conductor de calor, tal como un metal adecuado . Las dos formas de la pieza de inserción que forman los miembros de transmisión de calor se pueden usar de manera conjunta o separada. Cuando se usan de manera separada, las piezas de inserción se pueden arreglar para proporcionar vías superiores e inferiores alternantes para un tubo de enfriamiento, o tener un tubo de enfriamiento sujeto en o sobre un arreglo de depresiones arregladas dando todas en la misma dirección. Sin embargo, al alternar los dos diferentes tipos de pieza de inserción, se puede lograr el contacto máximo con el cuerpo de estator de disipación de calor o el tubo de enf iamiento, por el arreglo de traslape interyacente . Las piezas de inserción pueden tener un revestimiento de material aislante aplicado a las mismas para asegurar que si el aislamiento del devanado de estator no se comprometa por el uso de las piezas de inserción. Cuando el estator no es del tipo segmentado, las piezas de inserción de devanado y/o las piezas de inserción de polo se conectan conjuntamente por sus piezas transversales como una unidad individual y se arreglan en el estator de forma simultánea. En una modalidad adicionalmente adicional de la invención, las piezas de inserción de devanado se pueden formar como un conjunto de salientes de uno o más protectores de extremo de la maquina. En la Figura 7, un conjunto de pieza de inserción es una parte integral de la pieza fundida que se usa para encerrar el extremo de la maquina y colocar un cojinete para el rotor. El protector 70 de extremo incluye las 12 piezas de inserción 76 que se ajustan hacia abajo de los lados de espiral como se muestra previamente en las Figuras 3 y 4 con relación a las piezas de inserción 28 de devanado. Las piezas de inserción sobresalen desde una placa base 72, que también tiene un alojamiento 74 de co inete. En esta modalidad, la placa base 72 actúa como un disipador térmico para disipar el calor transferido desde el devanado por las piezas de inserción 76. En aún una modalidad adicional, las piezas de inserción de polo pueden estar en contacto térmico con un armazón que circunda el núcleo de estator laminado. De manera preferente, el armazón está con aletas para mejorar sus cualidades de disipación de calor. Esto se muestra en la Figura 8, que muestra una sección transversal de la parte de una máquina con un estator 80 de 6 polos. La sección se toma bajo la saliente de devanado y a través de las piezas de inserción de polo. Los extremos exteriores de las piezas de inserción 82 de polo se forman para ajustarse al interior del armazón 84 que circunda el núcleo de estator. En esta modalidad, las piezas de inserción de polo transfieren calor desde los devanados al armazón, desde el cual se disipa el calor . Se apreciará que, en tanto que los beneficios totales de la invención se acumulan cuando existe buen contacto térmico entre las piezas de inserción y los devanados, habrá el mismo beneficio aún si el contacto térmico es relativamente pobre, puesto que el efecto total de la presencia de las piezas de inserción es proporcionar buenas impedancias térmicas. Por lo tanto, se encontrará que, por ejemplo, usando piezas de inserción de longitud sub-óptima o forma sub-óptima será aún benéfico. Si las piezas de inserción se hacen de material eléctricamente conductor, puede haber un interés con respecto a que habrá pérdidas adicionales inducidas de las piezas de inserción debido a las corrientes parásitas que fluyen en las piezas de inserción cuando la excitación del devanado esté a una alta frecuencia. Estas corrientes parásitas se pueden reducir de acuerdo a la práctica electromagnética convencional al incorporar ranuras en las regiones apropiadas de las piezas de inserción, por ejemplo, como se muestra por las ranuras o cortes 39 en la Figura 6. Se pueden adicionar otras características a partir de la pieza de inserción para evitar cualquier dificultad del aislamiento de la pieza de inserción del devanado. Por ejemplo, es bien conocido en la técnica usar una pieza del material laminado de aislamiento plegado en una forma en general de U para proporcionar un forro de ranura alrededor de la separación interpolar para aislar los espirales de los polos. Es bien conocido que las esquinas de la forma en U son áreas de problema en los extremos del estator, donde el material probablemente se va a rasgar cuando se forcé a doblarse en dos planos. Para evitar exacerbar este problema, y en realidad mejorarlo parcialmente, se pueden adicionar características al perfil de la pieza de inserción de polo. Por ejemplo, la Figura 9 muestra muescas 90 adicionadas a la pieza de inserción de polo para permitir que el forro de ranura se doble más fácilmente durante el montaje del devanado al estator. La invención también es igualmente aplicable a máquinas lineales y a máquinas invertidas, en las cuales el rotor se arregla en el exterior del estator. Aplica igualmente a máquinas operadas como motores o generadores. Será evidente a la persona experta en la técnica que se pueden hacer variaciones y modificaciones sin que se aparten de la invención. Por consiguiente, la descripción anterior de las modalidades se hace a manera de ejemplo y no para propósitos de limitación. La presente invención se propone para ser limitada solo por el espíritu y alcance de las siguientes reivindicaciones.
Se hace constar que con relación a esta fecha, e mejor método conocido por la solicitante para llevar a 1 práctica la presente invención, es el que resulta claro partir de la presente descripción de la invención.