WO2007147922A1 - Rotor de máquina eléctrica de imanes permanentes de baja inercia. - Google Patents

Rotor de máquina eléctrica de imanes permanentes de baja inercia. Download PDF

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    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • This invention relates to a rotor of a permanent magnet electric machine structured so as to prevent the flow lines from entering the center of the rotor and more particularly a low inertia rotor for wind turbine generators.
  • the generators commonly used in wind turbines are asynchronous generators, either winding rotor or cage rotor or synchronous motors of protruding poles or cylindrical rotor.
  • permanent magnet generators are being used more for having a series of advantages over others, such as minimum maintenance, and less chance of machine failure.
  • permanent surface magnet generators and embedded magnet generators are distinguished.
  • Surface magnet generators consist of rotor hubs where permanent magnets are housed. Whether the material of the magnetic rotor or not, the elements that contact the permanent magnets in this type of generators, must be constructed in magnetic materials. These magnets are in turn glued on the surface of the ferrule and are zipped with materials such as carbon fiber, glass or nylon.
  • the magnets are protected by the magnetic plate poles and by wedges located on them so that greater robustness is achieved both from the mechanical point of view, since the magnets are fully protected, as well as from the electrical point of view, since the currents necessary for the demagnetization of the magnets to occur are greater than in the case of a machine with surface magnets.
  • These characteristics make embedded magnet generators preferable to surface magnet generators in applications that demand high turning speeds or in which the machine has to withstand extreme conditions.
  • Various proposals are known to avoid in the electric machines of embedded magnets that the flow lines penetrate into the rotor which have in common the interposition of a non-magnetic material between the magnets and the internal part of the rotor.
  • US 5,684,352 discloses a rotor of embedded magnets composed of several superimposed sheets, in each of which ferromagnetic and non-magnetic zones coexist positioned so as to prevent leakage of the magnetic flux towards unwanted areas of the generator.
  • Each of these sheets contains grooves for embedding permanent magnets as well as a hole through which the rotor shaft is inserted.
  • the sheets are made in one piece and with a single material where the ferromagnetic and non-magnetic areas differ only in the crystalline structure of the material.
  • the permanent magnets that are embedded in these sheets have their poles in contact with the ferromagnetic material, and the upper and lower face with the non-magnetic material. This prevents short circuits of the magnetic flux. Once the permanent magnets are inserted, they are fixed by means of epoxy resin adhesive to the sheets.
  • the present invention proposes a rotor of a permanent magnet electric machine comprising a plurality of permanent magnets located between the poles of the electric machine and a rotor hub comprising an internal ferrule and an intermediate ring between it and said magnets, being realized said intermediate ring in an a-magnetic material with the minimum thickness that prevents loss of flow and the inner ferrule being made in a metallic material with a thickness sufficient to resist, together with the intermediate ring, the mechanical stresses derived from the operation of the rotor.
  • the electric machine can be a motor or a synchronous generator.
  • An advantage of the present invention is the decrease in rotational inertia because the combination of an intermediate ring of an a-magnetic material and a metal ferrule has less weight and inertia than a ferrule of an a-magnetic material, especially in the case of large diameter machines.
  • Another advantage of the present invention is that the cost is reduced with respect to rotors in which stainless steel ferrules are used.
  • Another advantage of the present invention is that, at least with certain a-magnetic materials, no machining is necessary for the settlement of the magnets.
  • Figure 1a is a partial schematic cross-sectional view of a rotor of embedded magnets according to the present invention and Figure 1b is a sectional view along the line AA ' .
  • Figure 2a is an enlarged view of a part of Figure 1a and Figure 2b an enlarged view of the contact area between the magnets and the plate of magnetic material.
  • the rotor 11 consists of a plurality of embedded magnets 13 that are located between the poles 15 of the machine and wedges 17 of non-magnetic material, and a rotor hub formed by a ferrule 21 of a material such as steel or cast iron and an intermediate ring 23 of an a-magnetic material arranged concentrically with said ferrule 21.
  • the magnets 13 are arranged between the poles 15 with a certain transverse clearance (pole and pole entity) and with a certain radial clearance between magnet 13 and wedge 17.
  • the intermediate ring 23, which can be considered a distance element between the magnets 13 and the ferrule 21, can be a continuous piece or be formed by a plurality of elements arranged next to each other, either touching each other or with an air gap among them, as seen in figure 1a.
  • the joints between the rotor components are made using stainless steel screws so that there is no dispersion.
  • the diameter D and the length of the rotor L will be a function of P / w, where P is the power generated and the angular velocity with which the rotor rotates.
  • the thickness of the intermediate ring 23 must be sized according to the power of the machine, its dimensions, its tension, etc. so that it get that the magnetic flux lines do not reach the ferrule 21 and therefore that the dispersion that occurs is zero or the minimum possible.
  • Table 1 shows reference values of the thickness of the intermediate ring 23 a-magnetic for different values of the power of the machine as reference values. The exact values must be obtained by performing the corresponding analysis of the machine by finite elements.
  • the a-magnetic material is Epoxy G11 and the ring
  • the present invention can also be carried out with intermediate rings of other a-magnetic materials, either metallic materials, such as Aluminum, or composite materials of polymeric matrix and fibrous reinforcement such as Epoxy G10 and the aforementioned Epoxy G11, or plastic materials .
  • metallic materials such as Aluminum
  • composite materials of polymeric matrix and fibrous reinforcement such as Epoxy G10 and the aforementioned Epoxy G11, or plastic materials .
  • a-magnetic metal materials aluminum is considered preferable, which, by requiring a machining of the piece, would imply a higher cost compared to the use of composite materials that do not require machining.
  • the ferrule 21 is sized so as to ensure the mechanical resistance necessary to withstand the stresses derived from the operation of the rotor.
  • the rotor according to the invention has a weight and inertia considerably less than the known rotors in which the rotor hub is formed by a stainless steel ferrule as shown in Table 2.
  • Table 2 compares the significant parameters of a known rotor with a stainless steel ferrule with an outer diameter of 1286 mm with a thickness of 82 mm with a rotor according to the invention with the same outer diameter with an intermediate ring 23 of Epoxy G11, a thickness of 82 mm and a ferrule 21 of standard steel with a thickness of 40 mm. A length of 600 mm has been considered.
  • the thickness of the intermediate ring 23 of the rotor according to the present invention is equal to that of the stainless steel ferrule of the rotor known in the art because it is necessary from the magnetic point of view so that there is no dispersion.
  • the thickness of 40 mm of the ferrule 21 of standard steel in the rotor according to the present invention is the thickness necessary to withstand the overspeed efforts of the machine and the weight of the magnets.
  • Table 3 shows the decrease in weight and inertia that is achieved with the rotor according to the invention.

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Abstract

Rotor (11 ) de una máquina eléctrica de imanes permanentes de baja inercia (13) situados entre los polos (15) de Ia máquina eléctrica y un cubo de rotor, en el que el cubo de rotor comprende una virola interna (21 ) y un anillo intermedio (23) entre ella y dichos imanes (13), estando realizado dicho anillo intermedio (23) en un material a-magnético (tal como aluminio, un material compuesto ó un material plástico), con el mínimo espesor que evite pérdidas de flujo y estando realizada Ia virola interna (21 ) en un material metálico ( tal como fundición ó acero) con un espesor suficiente para resistir, junto con el anillo intermedio (23), los esfuerzos mecánicos derivados del funcionamiento del rotor (11 ).

Description

ROTOR DE MAQUINA ELÉCTRICA DE IMANES PERMANENTES DE BAJA
INERCIA
CAMPO DE LA INVENCIÓN
Esta invención se refiere a un rotor de una máquina eléctrica de imanes permanentes estructurado de manera que se evite que las líneas de flujo penetren hacia el centro del rotor y más particularmente a un rotor de baja inercia para generadores de turbinas eólicas.
ANTECEDENTES
Los generadores comúnmente empleados en las turbinas eólicas son los generadores asincronos, bien sean de rotor bobinado o de rotor de jaula o los motores síncronos de polos salientes o de rotor cilindrico. Sin embargo, de un tiempo a esta parte, parece que los generadores de imanes permanentes están siendo más utilizados por tener una serie de ventajas frente a los otros, como pueden ser el mínimo mantenimiento, y menor posibilidad de fallo de Ia máquina. Dentro de las máquinas de imanes permanentes, se distinguen los generadores de imanes permanentes en superficie y los generadores de imanes embebidos.
Los generadores de imanes en superficie están constituidos por unos cubos del rotor donde se alojan los imanes permanentes. Sea el material del rotor magnético o no, los elementos que contactan con los imanes permanentes en este tipo de generadores, deben construirse en materiales magnéticos. Estos imanes van a su vez pegados en Ia superficie de Ia virola y se zunchan con materiales del tipo de Ia fibra de carbono, vidrio o nylon.
En los generadores de imanes embebidos, los imanes están protegidos por los polos de chapa magnética y por unas cuñas situadas sobre ellos con Io que se consigue una mayor robustez tanto desde el punto de vista mecánico, ya que los imanes están totalmente protegidos, como desde el punto de vista eléctrico, ya que las corrientes necesarias para que se produzca Ia desmagnetización de los imanes son mayores que en el caso de una máquina con imanes en superficie. Estas características hacen que los generadores de imanes embebidos sean preferibles a los generadores de imanes en superficie en aplicaciones que exijan altas velocidades de giro o en las que Ia máquina tenga que soportar unas condiciones extremas. Se conocen diversas propuestas para evitar en las máquinas eléctricas de imanes embebidos que las líneas de flujo penetren hacia el interior del rotor que tienen en común Ia interposición de un material no magnético entre los imanes y Ia parte interna del rotor.
La patente US 5,684,352 describe un rotor de imanes embebidos compuesto por varias láminas superpuestas, en cada una de las cuales coexisten zonas ferromagnéticas y no magnéticas colocadas de forma que se evitan las fugas del flujo magnético hacia zonas no deseadas del generador. Cada una de estas láminas contiene ranuras para embeber los imanes permanentes así como un orificio por donde se inserta el eje del rotor. Las láminas se realizan en una sola pieza y con un único material donde las zonas ferromagnéticas y no magnéticas se diferencian solamente en Ia estructura cristalina del material. Los imanes permanentes que van embebidos en estas láminas tienen sus polos en contacto con el material ferromagnético, y Ia cara superior e inferior con el material no magnético. Así se evitan los cortocircuitos del flujo magnético. Una vez se insertan los imanes permanentes, se fijan mediante adhesivo de resina epoxy a las láminas.
Las solicitudes US2003/0062792 y US2003/0062790 describen métodos para conformar un rotor de imanes permanentes embebidos mediante sinterizado, donde se redirigen las líneas de flujo magnético mediante las propiedades magnéticas y no conductoras de las diferentes partes del rotor. En esos rotores se evita Ia dispersión del flujo magnético hacia el interior del eje del rotor a través de una virola rotórica de material no magnético.
La solicitud US2004/0212266 describe un rotor en una sola pieza donde van embebidos los imanes permanentes y las partes no conductoras mediante las que se dirige el flujo magnético hacia el exterior. Dos importantes inconvenientes de los rotores mencionados son su gran inercia y su alto coste a cuya solución se orienta Ia presente invención. SUMARIO DE LA INVENCIÓN
La presente invención propone un rotor de una máquina eléctrica de imanes permanentes que comprende una pluralidad de imanes permanentes situados entre los polos de Ia máquina eléctrica y un cubo de rotor que comprende una virola interna y un anillo intermedio entre ella y dichos imanes, estando realizado dicho anillo intermedio en un material a-magnético con el mínimo espesor que evite pérdidas de flujo y estando realizada Ia virola interna en un material metálico con un espesor suficiente pa-ra resistir, junto con el anillo intermedio, los esfuerzos mecánicos derivados del funcionamiento del rotor.
A los efectos de Ia presente invención se entiende por un material a- magnético, aquel que evita que las líneas de campo magnético propias del imán, lleguen hasta las partes magnéticas dispuestas debajo de ellos y que por tanto, las líneas magnéticas del imán no logren atravesar el entrehierro de Ia máquina, dando lugar a una serie de pérdidas por dispersión en los imanes y, por tanto, a su infrautilización.
La máquina eléctrica puede ser un motor o un generador síncrono. Una ventaja de Ia presente invención es Ia disminución de Ia inercia rotórica porque Ia combinación de un anillo intermedio de un material a-magnético y una virola metálica tiene menor peso e inercia que una virola de un material a-magnético, especialmente en el caso de máquinas de grandes diámetros.
Otra ventaja de Ia presente invención es que se reduce el coste respecto a rotores en los que se utilizan virolas de acero inoxidable.
Otra ventaja de Ia presente invención es que, al menos con ciertos materiales a-magnéticos, no es necesario ningún mecanizado para el asentamiento de los imanes.
Otras características y ventajas de Ia presente invención se harán evidentes de Ia siguiente descripción detallada de una realización ilustrativa pero no limitativa de su objeto, en relación con las figuras que se acompañan.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS La Figura 1a es una vista esquemática parcial en sección transversal de un rotor de imanes embebidos según Ia presente invención y Ia Figura 1 b es una vista en sección a Io largo de Ia línea A-A'.
La Figura 2a es una vista ampliada de una parte de Ia Figura 1a y Ia Figura 2b una vista ampliada de Ia zona de contacto entre los imanes y Ia placa de material a- magnético.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
El rotor 11 según Ia realización de Ia invención que pasamos a describir consta de una pluralidad de imanes embebidos 13 que se encuentran situados entre los polos 15 de Ia máquina y unas cuñas 17 de material no magnético, y un cubo de rotor formado por una virola 21 de un material tal como acero o fundición y un anillo intermedio 23 de un material a-magnético dispuesto de manera concéntrica con dicha virola 21. Los imanes 13 están dispuestos entre los polos 15 con una cierta holgura transversal (ente polo y polo) y con una cierta holgura radial entre imán 13 y cuña 17.
El anillo intermedio 23, que puede considerarse un elemento distanciador entre los imanes 13 y Ia virola 21 puede ser una pieza continua o estar formado por una pluralidad de elementos dispuestos uno al lado de otro, bien tocando entre sí o bien con un espacio de aire entre ellos, como se observa en Ia figura 1a.
Las uniones entre los componentes del rotor se realizan mediante tornillos de acero inoxidable para que no haya dispersión.
El material a-magnético debe ser Io suficientemente rígido como para aguantar el peso del imán y tener poco peso de modo que se reduzca en gran medida el peso total del rotor y por consiguiente su inercia I =F( D2 L). El diámetro D y Ia longitud del rotor L serán función de P/w, siendo P Ia potencia generada y w a velocidad angular con Ia que gira el rotor. Esas variables definen el valor del radio del rotor y el espesor del material a-magnético para evitar Ia dispersión y, por tanto, dan indirectamente Ia inercia del rotor dependiendo de Ia masa y las dimensiones de los materiales empleados.
El espesor del anillo intermedio 23 debe ser dimensionado en función de Ia potencia de Ia máquina, de sus dimensiones, de su tensión, etc. de manera que se consiga que las líneas de flujo magnético no lleguen a Ia virola 21 y por tanto que Ia dispersión que se produzca sea nula o Ia mínima posible.
En Ia Tabla 1 se indican valores de referencia del espesor del anillo intermedio 23 a-magnético para distintos valores de Ia potencia de Ia máquina como valores de referencia. Los valores exactos deben obtenerse realizando el correspondiente análisis de Ia máquina por elementos finitos.
Tabla 1
Figure imgf000006_0001
En una realización preferente el material a-magnético es Epoxy G11 y el anillo
23, dispuesto concéntricamente entre los imanes 13 y Ia virola 21 , tiene su borde exterior curvado 25 sin mecanizar, es decir, sin incluir asientos específicos para los imanes 13, de forma paralepipédica. Consiguientemente los imanes 13 se apoyan a Io largo de una recta 27 en el anillo intermedio 23. Actualmente y con los procesos de fabricación de las piezas de los compuestos de matriz polimérica con refuerzo fibroso, bien por moldeo o por el método de fabricación "Filament winding", se consiguen unos grados de tolerancias suficientes como para no tener que mecanizar las piezas obtenidas. Sin embargo, las fundiciones llevadas a cabo con los materiales a-magnéticos metálicos precisan de un mecanizado posterior para poder conseguir las tolerancias necesarias que impidan que los imanes puedan romperse.
La presente invención también puede realizarse con anillos intermedios de otros materiales a-magnéticos bien sean materiales metálicos, como el Aluminio, ó materi-ales compuestos de matriz polimérica y refuerzo fibroso tales como Epoxy G10 y el ya citado Epoxy G11 , o bien materiales plásticos. Entre los materiales a-magnéticos metálicos se considera preferible el aluminio que, al requerir un mecanizado de Ia pieza, supondría un mayor coste respecto a Ia utilización de materiales compuestos que no requieren mecanizado.
Por su parte, Ia virola 21 se dimensiona de manera que asegure Ia resistencia mecánica necesaria para soportar los esfuerzos derivados del funcionamiento del rotor.
El rotor según Ia invención tiene un peso y una inercia considerablemente menores que los rotores conocidos en los que el cubo de rotor está formado por una virola de acero inoxidable como se muestra en Ia Tabla 2.
En Ia Tabla 2 se comparan los parámetros significativos de un rotor conocido con una virola de acero inoxidable de un diámetro exterior de 1286 mm con un espesor de 82 mm con un rotor según Ia invención con el mismo diámetro exterior con un anillo intermedio 23 de Epoxy G11 , un espesor de 82 mm y una virola 21 de acero estándar de un espesor de 40 mm. Se ha considerado una longitud de 600 mm.
El espesor del anillo intermedio 23 del rotor según Ia presente invención es igual al de Ia virola de acero inoxidable del rotor conocido en Ia técnica por ser el necesario desde el punto de vista magnético para que no haya dispersión.
Por su parte, el espesor de 40 mm de Ia virola 21 de acero estándar en el rotor según Ia presente invención es el espesor necesario para soportar los esfuerzos de sobrevelocidad de Ia máquina y el peso de los imanes.
Tabla 2
Figure imgf000007_0001
La Tabla 3 muestra Ia disminución de peso e inercia que se consigue con el rotor según Ia invención.
Tabla 3
Figure imgf000007_0002
Figure imgf000008_0001
Del análisis de los datos de las Tablas 2 y 3 se deduce que Ia reducción del peso y de Ia inercia, se produce especialmente para el caso de máquinas de grandes diámetros y longitudes de paquete estatórico cortas.
Aunque Ia presente invención se ha descrito por entero en conexión con realizaciones preferidas, es evidente que se pueden introducir aquellas modificaciones que estén comprendidas en el ámbito de Ia invención, no considerando como limitativas estas realizaciones, según las reivindicaciones siguientes.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Rotor (11 ) de una máquina eléctrica de imanes permanentes que comprende una pluralidad de imanes permanentes (13) situados entre los polos (15) de Ia máquina eléctrica y un cubo de rotor, caracterizado porque dicho cubo de rotor comprende una virola interna (21 ) y un anillo intermedio (23) entre ella y dichos imanes (13), estando realizado dicho anillo intermedio (23) en un material a- magnético con el mínimo espesor que evite pérdidas de flujo y estando realizada Ia virola interna (21 ) en un material metálico con un espesor suficiente para resistir, junto con el anillo intermedio (23), los esfuerzos mecánicos derivados del funcionamiento del rotor (11 ).
2. Rotor (11 ) para una máquina eléctrica de imanes permanentes según Ia reivindicación 1 , caracterizado porque el anillo intermedio (23) es una pieza única.
3. Rotor (1 1 ) para una máquina eléctrica de imanes permanentes según Ia reivindicación 1 , caracterizado porque el anillo intermedio (23) está formado por varias piezas.
4. Rotor (1 1 ) para una máquina eléctrica de imanes permanentes según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el material metálico de Ia virola interna (21 ) se elige entre acero y fundición.
5. Rotor (1 1 ) para una máquina eléctrica de imanes permanentes según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, caracterizado porque el material a-magnético del anillo intermedio (23) es un material plástico.
6. Rotor (1 1 ) para una máquina eléctrica de imanes permanentes según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, caracterizado porque el material a-magnético del anillo intermedio (23) es aluminio.
7. Rotor (1 1 ) para una máquina eléctrica de imanes permanentes según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, caracterizado porque el material a-magnético del anillo intermedio (23) es un material compuesto de matriz polimérica con un refuerzo fibroso.
8. Rotor (11 ) para una máquina eléctrica de imanes permanentes según Ia reivindicación 8, caracterizado porque el material a-magnético del anillo intermedio
(23) es Epoxy G11.
9. Rotor (11 ) para una máquina eléctrica de imanes permanentes según cualquiera de las reivindicaciones 7-8 caracterizado porque Ia superficie exterior del anillo intermedio (23) en contacto con los imanes (13) tiene forma curva de manera que los imanes (13) se apoyan en líneas rectas (27) de dicha superficie.
10. Rotor (11 ) para una máquina eléctrica de imanes permanentes según cualquiera de las reivindicaciones 7-8, caracterizado porque Ia superficie exterior del anillo intermedio (23) en contacto con los imanes (13) tiene forma plana de manera que los imanes (13) se apoyan en superficies planas.
11. Rotor (11 ) para una máquina eléctrica de imanes permanentes según cualquiera de las reivindicaciones 1-10, caracterizado porque Ia máquina eléctrica es una máquina síncrona.
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