WO2013144401A1

WO2013144401A1 - Motor-generador de potencia eléctrica, de excitación por transferencia magnética

Info

Publication number: WO2013144401A1
Application number: PCT/ES2013/070184
Authority: WO
Inventors: Arturo PÉREZ RODRÍGUEZ; José Luis LÓPEZ MARTÍN
Original assignee: Perez Rodriguez Arturo; Lopez Martin Jose Luis
Priority date: 2012-03-28
Filing date: 2013-03-21
Publication date: 2013-10-03
Also published as: US20150084472A1; MX337604B; CN104335465A; KR20150007291A; IN2014DN08212A; EP2833526B1; EP2833526A1; PT2833526T; MX2014011653A; EP2833526A4; ES2900521T3; KR102151466B1; JP2015511811A

Abstract

La invención plantea un motor-generador de potencia eléctrica que tiene excitación mediante transferencia magnética contando además de un estator (1) y de un rotor (2) con un núcleo externo (3), inmóvil respecto al estator y al rotor, donde dicho núcleo externo (3) comprende: una parte exterior axial, o carcasa axial (6) que se une al estator (1), una parte interior que se comunica mediante un entrehierro (4) con el rotor (2), una tercera parte que une ambas partes, denominada platillo (8), donde el rotor carece de bobina de excitación alguna, por lo que no tiene ni anillos colectores ni escobillas. El núcleo externo (3) presenta en la parte exterior axial (6) un imán permanente axial (12), y en las otras dos partes, o platillo (8) se dispone unos imanes permanentes (10) y electroimanes (11). El rotor no cuenta con escobillas para crear un campo magnético,creándose en los imanes y bobinas del núcleo externo (3) transmitiendo el flujo magnético a través de un entrehierro el flujo inductor al rotor giratorio, evitando así de esta manera la necesidad de anillos y escobillas colectoras.

Description

MOTOR-GENERADOR DE POTENCIA ELÉCTRICA, DE EXCITACIÓN POR TRANSFERENCIA MAGNÉTICA.

La máquina que se reivindica se encuadra en el sector de la técnica de generadores y motores electromagnéticos. Es un artificio para transformar una potencia mecánica, es decir, una fuerza en movimiento, en potencia eléctrica, y viceversa. Es una máquina eléctrica en que el flujo magnético ingresa en el rotor por transferencia a través de un entrehierro pasivo desde una fuente de flujo magnético, estática.

Estado de la técnica

Existen alternadores de automoción en que la excitación electromagnética es estática, pero cuyo flujo magnético atraviesa cuatro entrehierros y la forma de su circuito magnético en el estator, es la convencional, todo lo cual los hace totalmente diferentes del reivindicado.

El Modelo de utilidad U 200402396 de titularidad de uno de los solicitantes de esta patente de invención, tiene excitación electromagnética estática, con una sola bobina axial central, sólo dos entrehierros por polo, como el reivindicado en esta patente de invención.

Pero el postulado en esta patente tiene la excitación por un solo imán permanente axial central 12 y por varios 10, en el platillo o en la carcasa axial, solos o combinados con múltiples bobinas de excitación 11 con sus núcleos intercalados entre la parte central del platillo 8 y la corona anular exterior del platillo 8 o entre las dos anulares de la carcasa axial 6; la forma y distribución de los polos del rotor y del estator es específico de esta patente; la variación del flujo es un múltiplo, triple en la ejecución que se presenta; todo lo que le hace sustancialmente distinto en su estructura y efectos producidos, del citado modelo de utilidad.

También se diferencia del anterior porque con la adición de una jaula de ardilla 18 en el rotor 2, se convierte el nuevo alternador síncrono básico, en motor- alternador asincrono, uno de los señalados como preferidos para la tracción de vehículos eléctricos e híbridos, y para los generadores eólicos, sin los problemas que esta adición produce en los alternadores síncronos convencionales.

Explicación de la innovación. A continuación se exponen los problemas técnicos de las máquinas convencionales y las soluciones razonadas a ellos, que aporta la invención postulada.

a) En todos los generadores, y en especial los destinados a automoción y a generación eólica, es un problema la obtención de potencia a bajas velocidades sin aumento de las dimensiones de la máquina, ya que a altas, la tensión es más que suficiente, por lo que ha de limitarse con el sistema de regulación elegido. En la Fig. 3 se ve que la variación de flujo por espira en el caso de la innovación es 3 x F, el triple que en el caso del convencional, sobre la bobina considerada, R, de un estator trifásico. Esto solo se puede hacer en la máquina ahora reivindicada porque el flujo es unidireccional.

En la Fig. 4, de un alternador convencional, se ve que el polo de rotor 33, produce una variación de flujo F, sucesivamente sobre uno solo de los polos del estator de los tres que abarca la bobina de la fase "R", mientras que en el innovado, Fog. 3, la variación se produce al mismo tiempo sobre los tres polos que comprende la fase "R" supuesto igual flujo por polo, es decir 3 x F.

Los cálculos de la tensión, aplicando las fórmulas electrotécnicas pertinentes demuestran este aserto.

La fórmula fundamental:

Tensión =Variación de flujo / Tiempo en que se produce la variación

Aplicada correctamente, lo demuestra y la experimentación lo confirma.

b) .La refrigeración a bajas velocidades es también problema de los alternadores convencionales, porque limita la potencia obtenible. La sección del conductor eléctrico del devanado del estator determina el número de espiras por bobina y esto la tensión de bobina. Cuanta mayor tensión por espira se obtenga, menores pérdidas óhmicas se tienen, porque se necesitan menos espiras por bobina, para igual tensión de bobina.

Es evidente que la innovación disminuye el calor no deseable producido, al aumentar notablemente la tensión y disminuir la longitud del hilo de la bobina, y con ello su resistencia óhmica.

c) . Otro problema que tienen los alternadores convencionales de automoción es la cantidad de cobre que necesitan las bobinas de excitación, y el calor que estas generan. En la figura Fig. 1, que muestra la disposición esquemática de un alternador según la innovación postulada, se ve que unas bobinas de excitación 11, con sus núcleos, es decir unos electroimanes, remplazan totalmente a una corona circular del platillo 8 del núcleo exterior con ventanas de ventilación 20 entre cada dos de ellas. Además, son bobinas de pocas capas, porque es la total de un convencional de automoción dividida por el número de electroimanes y tienen una gran superficie de contacto con el núcleo exterior y con el aire, por lo que su refrigeración es directa y eficaz. También se ve la bobina 13 arrollada sobre el imán central 12. Todos o parte de los electroimanes pueden ser sustituidos por imanes permanentes 10, con su polos Norte dirigidos en el mismo sentido, hacia la periferia del platillo, Fig. 2, posición 30, o viceversa, por lo que sus flujos se suman dando lugar al flujo total.

Los cálculos demuestran que para igual número de amperes vuelta, e igual diámetro del hilo de cobre, esta disposición requiere una fracción de la longitud del hilo de cobre de uno convencional y tiene mucha mayor superficie exterior de refrigeración y mucho menor resistencia óhmica que uno convencional, porque se sustituye una bobina central, sobre un núcleo de gran diámetro, por varias sobre núcleos pequeños. La cantidad de calor generada por la corriente de excitación es menor por serlo la resistencia óhmica. Además y muy importante, la cantidad de cobre utilizada en la excitación, en el caso de electroimanes, es más mucho menor que en los convencionales. En la versión de bobinas múltiples, es la tercera parte. Por tanto, generan mucho menos calor. Los cálculos demuestran que para una misma inducción en el entrehierro activo, la cantidad de cobre es una tercera parte aproximadamente y el calor disipado la mitad, o menor. También el coste es menor, a pesar de ser varias bobinas porque son más pequeñas y tienen mucho menos cobre.

La refrigeración de las bobinas de excitación es mucho mejor, porque generan menos calor y porque están unidas a una masa importante de hierro, situada en el exterior de la máquina y su exposición al medio refrigerante, generalmente aire, es mucho mayor y más eficaz por tener más superficie que una sola bobina central de gran diámetro. Un sencillo cálculo demuestra que la superficie expuesta en igualdad de inducción en el entrehierro activo, es mucho mayor con bobinas múltiples que con una central, de los alternadores de automoción. El ventilador 28 de refrigeración por aire no tiene por qué ir montado sólo sobre el rotor. Puede haber otro 21 , montado exteriormente a la armadura magnética, pero dentro de la carcasa 27 de la máquina, de mayor diámetro y más eficaz. Esto permite expulsar al exterior, a bajas velocidades, el calor engendrado al producir lo potencia eléctrica. Esto es muy importante.

Así mismo se puede aumentar el número de amperes vuelta porque hay sitio para ello, sin que afecte, por razones de escala, a las dimensiones del rotor y del estator. Esto es, también muy importante.

d) . En los alternadores convencionales y de automoción, fig. 4, la bobina o las bobinas de excitación 35, están en el rotor, que gira, por lo que necesitan anillos y escobillas 36 para alimentarlas con la corriente eléctrica de excitación.

En el innovado no existen anillos ni sus escobillas, porque las bobinas de excitación son estáticas. Otra reducción de coste.

e) . La utilización de imanes permanentes en vez de bobinas de excitación es muy apreciada, porque no utiliza cobre en la excitación, pero tiene el inconveniente de que, en los generadores conocidos, los imanes permanentes se colocan en el rotor. La regulación de la tensión ha de hacerse por medios complicados y caros, a través del estator, porque los imanes permanentes dan una inducción determinada, fija, y giran con el rotor.

f). Los aerogeneradores de imanes permanentes convencionales tienen un par de arranque determinado llamado "cogging", en inglés, que impide que arranquen con vientos de cierta velocidad, sin embargo suficientes para la generación de energía, una vez arrancados.

La innovación que se postula resuelve estos dos problemas e) y f), ya que el o los imanes de excitación 10 no están en el rotor, son estáticos por estar en el núcleo exterior y se puede modular el campo magnético actuando sobre ellos, mediante una bobina de hilo conductor eléctrico 13 arrollada sobre ellos o mediante la combinación de imanes permanentes y electroimanes para hacer la regulación y la eliminación del "cogging". Esto se consigue de la siguiente forma: Ver figura 2.

Los imanes permanentes 10 y los electroimanes 11 , tienen su polaridad magnética dirigida en el mismo sentido, por ejemplo hacia la periferia del platillo 8. Ver fig. 2, posición 30. Por tanto el flujo de ellos se suma y va por el núcleo externo 3 al estator y vuelve a través de los entrehierros 5 y 4 a la parte central del núcleo externo, formada por un imán permanente 12 con su bobina 13, al platillo 3 y desde éste a los electroimanes 11 de núcleo de hierro dulce y de núcleo de imán permanente 10, completando el circuito magnético. Pero si se quita la alimentación de los electroimanes de núcleo de hierro dulce, 11 , el flujo de los imanes circula por la corona circular del platillo 8 y vuelve por ellos al polo contrario del imán, y por tanto, la excitación y el "cogging " desaparecen. Ver el circuito cerrado 31 en figura 2.

Si no existieran más que imanes permanentes, 10 y 12, al excitar los arrollamientos 13 que están sobre ellos con una corriente inversa restan su flujo del de los imanes hasta anularlos. Los arrollamientos 3 se utilizan también para restablecer el magnetismo de los imanes en el caso de que lo hubieran perdido. La utilización de electroimanes combinados con imanes permanentes, con o sin bobinado sobre estos últimos, para producir la excitación, que se reivindica en esta patente, también tiene aplicación a los generadores en que la excitación está instalada en el rotor, Fig. 4, por lo que se postula asimismo, como reivindicación independiente.

En ambos casos, la hechura que se acaba de describir permite hacer la regulación de manera muy sencilla y de poco coste así como eliminar el cogging o par de arranque debido a la presencia de los imanes permanentes. Esto es muy importante para los generadores eólicos especialmente los de potencias entre 3 y 8 Kw.

g). Los alternadores síncronos convencionales, no se pueden convertir en motores asincronos porque tienen el problema de que en el arranque y en el funcionamiento normal en menor medida, el campo giratorio del estator induce corrientes peligrosas en los devanados del inductor, porque el circuito magnético se cierra a través de los polos del rotor en que están las bobinas inductoras. Ver Fig. 4.

Los generadores de tecnología de excitación por transferencia magnética, tienen, tal como se dice en la descripción, Fig. 1, un entrehienro secundario o pasivo 4, en que hay solo transmisión de flujo, sin variación del mismo por lo que no hay corrientes inducidas, y un entrehierro activo 5, en que se produce la variación de flujo y las tensiones e intensidades inducidas, en el funcionamiento como generador sincrónico. Funcionando como motor hipo asincrono o generador hiper asincrono, por el entrehierro secundario 4 solo pasa el flujo de dispersión que exista y el flujo de regulación. Experimentalmente se ha demostrado que es muy pequeño.

Esto diferencia esencialmente la máquina reivindicada como generador síncrono y máquina asincrona, de los alternadores síncronos convencionales con arranque por jaula de ardilla o rotor bobinado, en que los dos entrehierros son activos. Esta diferenciación es muy importante, como se explica a continuación:

El campo rotatorio producido por el estator alimentado por el adecuado sistema de tensiones y corrientes polifásicas, produce en los alternadores sincrónicos convencionales altas tensiones inducidas en los bobinados de excitación, porque están en el rotor y son atravesados por él. Ver fig. 4. Son peligrosas y se evitan con artificios conocidos y caros. En la disposición de la innovación de excitación por transferencia magnética, las corrientes inducidas se cierran sobre el núcleo del rotor, sin afectar de manera significativa, al devanado de excitación que no está en el rotor sino en el núcleo exterior. Ver Fig. 3, circuito 32.

h). En el caso de generadores de imanes permanentes convencionales, colocados en el rotor no es posible la conversión en motor asincrono porque se desmagnetizan los imanes.

La innovación propuesta no tiene este problema, porque los imanes no están en el rotor sino en el núcleo exterior a donde no llega el flujo inducido por los bobinados del estator, que se cierran sobre la armadura del rotor tal como ocurre en una máquina asincrona convencional. Ver Fig. 3, circuito 32.

Dibujos.

Fig. 1. Sección del alternador innovado, con bobinas e imanes permanentes en el platillo, en la carcasa axial y en el núcleo central,

Fig. 2. Disposición en el platillo de imanes y electroimanes, y devanados de regulación y anti- cogging .

Fig. 3.- Flujos en el alternador innovado.

Fig. 4. -Flujos en el alternador convencional.

Descripción de una ejecución.

A continuación, descripción de una ejecución, de las varias posibles con la tecnología contenida en la explicación y en las reivindicaciones, si que esto suponga restricción alguna al alcance de la patente. Se han incluido todos los componentes que intervienen en la innovación, para su mejor comprensión, aunque su número y presencia no sean los que aparecerían en otras ejecuciones.

La máquina tiene un escudo delantero, 22, de aluminio, que aloja el cojinete delantero 23 de rodadura, para el eje 24 de la máquina, que gira en su otro extremo en otro cojinete 25 cuyo soporte 26 se sujeta en el platillo del núcleo magnético externo 3, para garantizar los entrehierros 4 y 5. Una cubierta exterior de aluminio 27, cierra la carcasa de protección, que contiene el ventilador principal 21. Existen otros dos ventiladores internos, 28.

La figura 3, muestra la sección de un generador síncrono innovado provisto de jaula de ardilla 18, con su canal de ventilación, 19, para convertirlo en máquina asincrona.

El estator 1, está unido por contacto mecánico al núcleo extemo, 3, que a su vez se enfrenta al rotor, 2, por el entrehierro secundario o pasivo, 4.

Las bobinas inductoras 11 y los imanes permanentes 10 están insertos en el circuito magnético 29, con sus polaridades dirigidas en el mismo sentido del campo, 30, Fig2. El imán permanente central 12 es atravesado por el flujo total que transmite por el entrehierro pasivo al rotor 2.

Los polos 16 del rotor 2, se enfrentan a los polos, 14 del estator, a través del entrehierro activo, 5. Ver Fig.3.

En la figura 2, se han representado los electroimanes 11 y los imanes permanentes

10 de excitación situados en el platillo 9, no los montados sobre la paite axial exterior 6. El funcionamiento es igual.

En la zona central se sitúa el electroimán 12 rodeado por una bobina 13, de igual manera que lo están los otros imanes permanentes, 10, situados en el platillo, 8.

El camino del flujo magnético está señalado en la Fig. 1 , con una línea cerrada

29, que partiendo de los electroimanes o de los imanes permanentes continúa por el platillo 8, recorre el núcleo axial, 6, atraviesa axial y radialmente la armadura del estator, 1 , pasa desde ésta a los polos del rotor 2, por el entrehierro activo, 5; desde el rotor 2, pasa a través del entrehierro pasivo, 4 al imán permanente central 12; de este, por contacto mecánico al platillo 9 y vuelve a los electroimanes o imanes permanentes, 10 y 11.

El funcionamiento como generador sincrónico es de varias maneras: a) Con excitación por electroimanes. Ventajas: menor contenido de Cu, menor calor óhmico en rotor y estator, regulación de tensión convencional .

b) Con excitación por solo imanes permanentes. Ventajas: muy bajo coste de fabricación. Regulación y conservación del magnetismo reivindicadas: cada imán permanente tiene una bobina 13, arrollada sobre él mediante la alimentación de la cual con la corriente adecuada se puede anular el flujo magnético y modular su valor, o restituir su magnetismo.

c) Con excitación mixta, por electroimanes e imanes permanentes. Ventajas: menor contenido de cobre y menor calor en la excitación que a). No cogging, no se desmagnetizan los imanes permanentes, regulación fácil y barata desde la excitación.

d) Con excitación por solo el imán permanente central. Solución de muy bajo coste, propia de generadores eólicos de pequeña potencia.

Todas ellas tienen la ventaja de poder convertirse en máquina asincrona mediante la adición de una jaula de ardilla 18 en el rotor.

Los electroimanes adecuadamente alimentados equivalen a un imán permanente, ambos de igual polaridad dirigida, por ejemplo hacia la periferia del platillo, 8, ver Fig. 2, posición 30, crean el campo magnético total, y la inducción B, en el entrehierro activo 5, donde se produce la variación del flujo que engendra la tensión en los devanados del estator.

Al quitar la excitación a los electroimanes, el flujo de los imanes permanentes se cierra sobre sí mismos, se elimina el cogging y se regula fácilmente y con poco coste la tensión. Este juego de campos magnéticos de represente en la figura 2, en el platillo 8, posición 31.

Esto requiere que el número de electroimanes e imanes permanentes sea igual. El coste de varias bobinas de excitación con sus núcleos es más bajo que el de la bobina central única que utilizan los alternadores de automoción, porque lleva mucho menos cobre al ser el diámetro del núcleo mucho menor. Un sencillo cálculo lo demuestra.

En cuanto a los polos o salientes de las armaduras de material magnético adecuado, por ejemplo chapa magnética de pequeño espesor para reducir las pérdidas por histéresis, en la figuras 3 y 4 se muestra la diferencia entre un alternador convencional y el innovado. En el innovado, Fig. 3, la anchura de los polos de estator 14 y del rotor 16, son iguales, medidas en el entrehierro mientras que las ranuras respectivas, 15 del estator y 17 del rotor pueden ser iguales a la anchura de los polos o hasta un 25 por ciento mayores para modificar la forma de la onda de tensión. En la figura 3, son iguales.

Cada polo del estator se enfrenta a un polo del rotor, y como cada espira de bobina comprende tres polos de estator, la variación del flujo, para iguales velocidad y flujo es triple y triple la tensión.

En el alternador convencional Fig. 4, cada polo del rotor 33, se enfrenta a tres polos del estator, precisamente a los que abarca el medio paso polar. Al girar el rotor, su polo 33, varía el flujo sobre un solo polo del estator hasta la ranura siguiente, por lo que la variación del flujo es la tercera parte de la del innovado. En la Fig. 3 se muestra el cierre de las líneas de fuerza cuando la máquina innovada funciona como asincrona, circuito 32. Las líneas de fuerza del campo magnético rotatorio creado en el estator por una corriente polifásica, por ejemplo trifásica, se cierra en el núcleo del rotor porque la longitud del circuito magnético es menor y de menor reluctancia que siguiendo el circuito de la figura 2, posición 30 (parcial) y 29 de la Fig. .

El rotor de una máquina síncrona convencional de imanes permanentes, Fig. 4, tiene el imán o los imanes 37, de excitación en sus polos. En la innovación que proponemos los imanes permanentes tienen una bobina arrollada sobre cada uno de ellos, mediante la cual se puede variar el campo magnético resultante, para regular la tensión, evitar el cogging y regenerar el magnetismo si lo hubieran perdido.

Igual efecto se consigue combinando imanes permanentes y electroimanes de manera semejante a la explicada para la excitación montada en el platillo 8 de la figura 2, posición 31.

Posición 34, Fig. 1 , son ventanas de ventilación de la carcasa de aluminio.

Claims

REIVINDICACIONES

1. - Motor-generador de potencia eléctrica, de excitación por transferencia magnética, del tipo en que las armaduras de material conductor magnético del estator(1) y del rotor(2), que gira dentro de aquel, están comunicadas por un núcleo externo(3) de material conductor magnético, distinto de ambas e inmóvil respecto a ellas, núcleo unido por contacto directo a la armadura del estator y, por el entrehierro secundario(4) a la del rotor, que a su vez se enfrenta al estator por el entrehierro activo (5).

El citado núcleo (3), tiene una parte exterior axial que se une a la armadura del estator directamente, llamada carcasa axial (6), una parte interior que comunica con la armadura del rotor a través del entrehierro secundario (4), llamada núcleo central (7) y una tercera que está entre las dos anteriores y las une, llamada platillo (8). Todas ellas de material conductor magnético, de pequeña o nula remanencia magnética, como el hierro dulce y delgadas chapas de acero magnético.

El rotor (2) no tiene bobina alguna de excitación, en lo que se refiere a funcionamiento como generador síncrono, por lo que no tiene anillos colectores ni escobillas.

La armadura del estator soporta un bobinado polifásico (9) convencional o bobinas individuales en cada saliente.

El motor- generador de potencia eléctrica, de excitación por transferencia magnética, que como definido en las líneas 1 a 17, forma parte del estado de la técnica, se caracteriza a efectos de la presente patente, porque el núcleo extemo (3) tiene una sección anular completa de la carcasa axial (6), y una corona circular completa del platillo(3), remplazadas o formadas por imanes permanentes(IO) y electro ima nes(11), y ventanas de ventilación (20), entre cada dos de ellos y una sección del núcleo central remplazada o formada por un imán permanente axial (12).

2. - Motor-generador de potencia eléctrica, de excitación por transferencia magnética, según la reivindicación número 1, en que los imanes permanentes

(10) y el imán permanente axial (12) están rodeados, cada uno por un bobinado de hilo conductor eléctrico (13), del que son el núcleo magnético correspondiente, formando sendos electroimanes de núcleo de imán permanente.

3. - Motor-generador de potencia eléctrica, de excitación por transferencia magnética, según las reivindicaciones 1 y 2, en que los salientes (14) y las ranuras (15) del estator (1) y los salientes (16) y las ranuras (17) del rotor(2) tienen igual anchura angular, medida en el entrehierro activo (5), supuesto nulo y ocupan toda la superficie del entrehierro activo (5), sobre el que están distribuidos a iguales distancias entre sí.

4.- Motor-generador de potencia eléctrica, de excitación por transferencia magnética, según las reivindicaciones 1, y 2, en que los salientes (14) del estator y (16), del rotor tienen igual anchura angular, medida en el entrehierro, supuesto nulo, anchura menor que la común e igual de las ranuras, en hasta un 25 por ciento, y ocupan toda la superficie del entrehierro activo (5) sobre el que están distribuidos a iguales distancias entre sí.

5.- Motor-generador de potencia eléctrica, de excitación por transferencia magnética, según las reivindicaciones 1 , 2, 3 y 4, caracterizado porque el rotor está provisto de un bobinado en forma de jaula de ardilla (18), de igual hechura que el que tienen los motores asincronos convencionales.

6.- Motor-generador de potencia eléctrica, de excitación por transferencia magnética, según las reivindicaciones 1, 2, 3 , 4 y 5, en que la jaula de ardilla, deja en cada ranura del rotor un espacio libre o conducto de ventilación(19), que atraviesa la armadura de parte a parte.

7.- Motor- generador de potencia eléctrica, en que la excitación está situada en el rotor, caracterizado porque la excitación está formada por electroimanes, y por imanes permanentes, pudiendo estos últimos estar rodeados de un devanado de conductor eléctrico.