ES2232089T3 - Maquina electrica de doble excitacion, en particular alternador para vehiculo automovil. - Google Patents

Abstract

UNA MAQUINA ELECTRICA CON CONMUTACION DE FLUJO COMPRENDE UN ESTATOR (1) Y UN ROTOR (2), COMPRENDIENDO EL ESTATOR BOBINADOS DE INDUCIDO (14) ALOJADOS EN PARES DE MUESCAS (13), COMPRENDIENDO EL ROTOR MEDIOS APTOS PARA ESTABLECER SELECTIVAMENTE CIRCUITOS MAGNETICOS CERRADOS QUE PASAN ALREDEDOR DE LOS RAMALES DE LOS BOBINADOS DE INDUCIDO. ESTOS MEDIOS COMPRENDE, SEGUN LA INVENCION, IMANES PERMANENTES DE EXCITACION (225) APTOS PARA ESTABLECER FLUJOS MAGNETICOS EN UNA DIRECCION CIRCUNFERENCIAL DEL ROTOR Y BOBINADOS DE EXCITACION (214) APTOS PARA ESTABLECER LOCALMENTE FLUJOS MAGNETICOS AJUSTABLES EN LA MISMA DIRECCION CIRCUNFERENCIAL QUE LOS IMANES; LOS IMANES SON RECIBIDOS EN PRIMERA PARTES DE ROTOR (2) QUE DEFINEN PRIMEROS PARES DE POLOS DEL ROTOR; LOS BOBINADOS ESTAN COLOCADOS EN SEGUNDAS PARTES DE ROTOR (21) QUE DEFINEN SEGUNDOS PARES DE POLOS DEL ROTOR; DICHAS PARTES DE ROTOR (22, 21) ESTAN SEPARADAS UNAS DE OTRAS POR ZONAS (30) QUE SON CASI NO MAGNETICAMENTE CONDUCTORAS.

Description

Maquina eléctrica de doble excitación, en particular alternador para vehículo automóvil.

La presente invención se refiere en general a máquinas giratorias tales como alternadores de vehículos a motor.

El generador de fase única o múltiples fases que constituye el alternador convencional de un vehículo a motor generalmente tiene un estator en cuyo interior gira un rotor que lleva un bobinado de excitación. El bobinado está conectado a unas escobillas en contacto con dos anillos de deslizamiento sobre una parte saliente del árbol del rotor.

Las patentes EP-A-0 707 374 y WO 96/30992 describen máquinas giratorias en las que, para una eficiencia mejorada, el campo de excitación del rotor se produce mediante imanes permanentes y mediante bobinados (la expresión "excitación mixta" se usa generalmente), y en las que la corriente suministrada por la armadura se controla mediante medios de conmutación del bobinado de excitación que invierten de manera selectiva la dirección de excitación para reducir o incluso eliminar substancialmente el flujo de los imanes.

Esta necesidad de invertir la dirección de la corriente de excitación impone el uso de un llamado puente de conmutación semiconductor "H", que es costoso y se añade al coste unitario de la máquina.

Un objetivo de la invención es solucionar los inconvenientes anteriores y proponer una máquina, en particular una máquina giratoria tal como un alternador, con excitación mixta y en la que la corriente de salida se pueda regular variando la excitación unidireccional mediante bobinados, y en particular variando la excitación mediante bobinados entre un valor esencialmente cero y un valor máximo para suministrar una energía que varía en un rango dado. De esta manera, en particular la invención pretende proporcionar una excitación mixta en situaciones que no requieren una excitación que varíe entre un valor cero y un valor máximo, sino donde es suficiente una excitación que varía entre un valor mínimo que no es cero y un valor máximo.

Otro objetivo esencial de la invención, en una máquina del tipo anterior, es reducir el número de imanes requeridos para un número dado de polos de rotor combinados con niveles comparables de excitación mediante imanes y excitación mediante bobinados.

En consecuencia, la invención propone una máquina eléctrica de conmutación de flujo, que comprende un estator y un rotor, comprendiendo el estator por lo menos un bobinado de armadura situado en por lo menos un par de cavidades, comprendiendo el rotor medios capaces de establecer de manera selectiva circuitos magnéticos cerrados que pasan alrededor de los hilos del bobinado o bobinados de armadura, caracterizada por el hecho de que dichos medios comprende por lo menos un imán permanente de excitación capaz de establecer un flujo magnético en una dirección circunferencial del rotor, y por lo menos un bobinado de excitación capaz de establecer localmente un flujo magnético que es ajustable en la misma dirección circunferencial que la del flujo producido por el imán o imanes, por el hecho de que el imán o cada imán está alojado en una primera porción del rotor definiendo un primer par de polos del rotor, por el hecho de que el bobinado o bobinados está/n colocado/s en una segunda porción del rotor definiendo un segundo par de polos del rotor, y por el hecho de que dichas porciones del rotor están separadas entre sí mediante zonas que son esencialmente no magnéticamente conductoras.

La máquina según la invención tiene las siguientes características preferidas pero no limitativas:

- la o cada segunda parte de rotor tiene una parte ferromagnética generalmente en forma de U con dos ramas que definen los dos polos y que alojan por lo menos un bobinado de excitación;

- la o cada segunda parte de rotor tiene un único bobinado de excitación alrededor de una base de la parte en forma de U que une las ramas y está adaptada para crear un flujo magnético que se propaga de la misma manera en una dirección generalmente circunferencial como el flujo magnético generado por el o cada imán;

- la o cada segunda parte de rotor tiene dos bobinados de excitación alrededor de las ramas de la parte en forma de U adaptados para crear flujos magnéticos, de los cuales uno está dirigido hacia el interior y el otro hacia el exterior del rotor;

- el rotor comprende a lo largo de su periferia primeras partes y segundas partes (21) alternas;

- las primeras partes de rotor tienen cada una dos partes ferromagnéticas sobre respectivos lados opuestos del imán asociado;

- las partes ferromagnéticas de las primeras partes de rotor forman parte de un único núcleo;

- las zonas magnéticamente no conductoras son separaciones de aire;

- las zonas magnéticamente no conductoras comprenden un material magnéticamente no conductor tal como un material plástico.

La invención también propone una máquina tal como se ha definido anteriormente que constituye un alternador para un vehículo a motor.

Otros aspectos, propósitos y ventajas de la invención se harán más evidentes al leer la siguiente descripción detallada de realizaciones preferidas de la invención, que se dan solamente a modo de ejemplo no limitativo y con referencia a los dibujos adjuntos.

La figura 1a es una vista esquemática desarrollada de un rotor y un sistema de estator de una máquina giratoria que constituye una primera realización de la invención en un estado de no excitación de los bobinados de campo;

La figura 1b es una vista similar a la figura 1a en un estado de excitación de los bobinados de campo;

La figura 2 es una vista desarrollada esquemática de un rotor y un sistema de estator de una máquina giratoria que constituye una segunda realización de la invención en un estado de excitación de los bobinados de campo; y

La figura 3 es una vista esquemática en sección transversal de una realización concreta del núcleo de un rotor y sistema de estator según las figuras 1a y 1b.

Con referencia primero a las figuras 1a y 1b, se muestra esquemáticamente y de forma desarrollada parte de un estator 1 y la parte correspondiente de un rotor 2 de una máquina eléctrica de una única fase o de múltiples fases según la invención, tal como un alternador.

El estator 1 tiene un núcleo 12 que define una estructura continua anular con una pluralidad de cavidades 13 sobre sus secciones de recepción de la periferia interna de bobinados de armadura 14 de una manera que es totalmente convencional en sí misma.

Hay un número par de cavidades 13 que están distribuidas angularmente equidistantes, dejando polos 15 entre las mismas.

El rotor 2 está definido por una sucesión de estructuras o células individuales magnéticamente separadas. Estas estructuras comprenden una estructura ferromagnética en forma de U 21 con dos ramas 211, 212, cuyos extremos libres definen dos polos salientes externos, cuyo paso angular es igual al de los polos 15 del rotor en el caso de una máquina de una única fase, y una base 213.

Un bobinado de excitación 214 está enrollado alrededor de la base 213 y está conectado a una fuente de tensión de excitación (no representada) para generar en la misma un flujo magnético de izquierda a derecha tal como se muestra en las figuras 1a y 1b.

Se preven preferiblemente una pluralidad de estructuras en forma de U separadas angularmente equidistantes, tal como se ha descrito anteriormente.

Intercalados entre las estructuras en forma de U 21 hay el mismo número de estructuras de imanes permanentes 22, cada una comprendiendo un imán permanente 225 atrapado entre dos elementos ferromagnéticos 221, 222 cuyas caras que están encaradas hacia el estator constituyen polos, estando los polos de las estructuras en forma de U 211 y los de los elementos 221, 222 separados angularmente equidistantes alrededor de la periferia externa del rotor.

En el caso de una máquina de tres fases, el número de cavidades del estator 13 es tres veces el número de polos del rotor, tal como se ha definido anteriormente.

Las estructuras 21 y 22 están separadas por separaciones 30 que se extienden substancialmente en toda la altura del rotor (es decir, su dimensión axial en el caso de un rotor cilíndrico).

Claramente, dadas las explicaciones anteriores, los diferentes componentes del rotor pueden preverse en N juegos dispuestos en grupos sucesivos, según el número requerido de polos.

Ahora se describirá el comportamiento de una máquina giratoria, en este caso un alternador, cuyo principio operativo es el descrito anteriormente, con referencia a las figuras 1a y 1b.

Se considera primero la situación en la que no hay corriente de excitación en el bobinado de excitación 214 (figura 1a).

En este caso, una porción F1 del flujo magnético generado por un imán permanente 225 puede fluir en un bucle cerrado a través de los elementos asociados 221 y 222 y del estator 1, alrededor de una respectiva sección de armadura 14, para generar una corriente de armadura mínima en el bobinado de armadura relacionado.

Véase también que otra porción F2 del flujo producido colectivamente mediante los imanes sigue una trayectoria sinuosa a lo largo del rotor, y este flujo F2 también contribuye a generar una corriente en los bobinados de la armadura.

Esta situación es de excitación mínima de la máquina, correspondiente a los flujos F1 y F2 generados por los imanes 225.

La figura 1b muestra la situación en la que los bobinados de excitación 214 del rotor llevan una corriente de excitación.

Cada uno de los bobinados genera una primera porción de flujo F3 que fluye en un bucle cerrado alrededor de una sección de bobinado de armadura asociada 14, en la misma dirección que el flujo F1 generado por los imanes 225 (aquí de derecha a izquierda en el estator 1).

El flujo generado por los bobinados se añade al flujo F2 descrito anteriormente para formar un flujo mayor F2' que también contribuye a aumentar la corriente de la armadura.

Cuando la corriente en los bobinados de excitación 214 es máxima, hay una transferencia máxima de energía al estator.

En consecuencia, controlando una corriente unidireccional que fluye en los bobinados de campo 214 entre un valor cero y un valor máximo, se consigue una transferencia de energía que varía entre un valor mínimo diferente de cero y un valor máximo.

La relación entre los valores mínimo y máximo, por supuesto, se puede alterar alterando los valores de los flujos magnéticos generados por los imanes 225 y por los bobinados 214, respectivamente.

Esto produce una máquina en la que, usando una corriente de excitación unidireccional que varía entre cero y un valor máximo predefinido, se obtiene una excitación que varía como una función monótona de la corriente en un rango dado.

De esta manera, es posible dispensar con cualquier puente de conmutación electrónico "H" o similar que, en las máquina de excitación mixta de la técnica anterior, produzca una corriente bidireccional según la excitación requerida. Esto reduce de manera significativa el coste de los medios de conmutación, que pueden comprender un único dispositivo de conmutación semiconductor.

Otra realización de un sistema de rotor y estator según la presente invención se describirá ahora con referencia a la figura 2.

Difiere de la mostrada en las figuras 1a y 1b en que cada estructura en forma de U 21 ya no comprende un único bobinado 214, sino dos bobinados 215, 216 alrededor de las respectivas ramas 211 y 212 de la parte en forma de U.

Véase que la dimensión de las estructuras en forma de U 21 en la dirección vertical en la figura 2 (es decir, en la dirección radial de un rotor cilíndrico) puede ser mayor en este caso, siendo superfluo el espacio dejado libre para la sección inferior de los bobinados 214 en las figuras 1a y 1b en esta situación.

Los bobinados 215 y 216 de la misma célula se suministran en serie o en paralelo con una corriente cuya dirección es tal que el bobinado 215 genera un flujo magnético hacia abajo y el bobinado 216 genera un flujo magnético hacia arriba.

El comportamiento de esta realización en ausencia de cualquier corriente de excitación es idéntico al mostrado en la figura 1a y no se describirá otra
vez.

Su comportamiento con una corriente de excitación es similar al de la figura 1b, y produce los mismos tipos de flujo F1, F2' y F3. Además, véase que los flujos de fuga en los dos bobinados 215, 216, respectivamente designados F4 y F5, contribuyen de una manera útil a la transferencia de energía al estator, pasando su trayectoria alrededor de las correspondientes cavidades de este último.

Claramente, en la figura 1b, el flujo de fuga del único bobinado 214, alrededor de su sección inferior, se perdería.

Por lo tanto, esta segunda realización aumenta la eficiencia de la máquina.

Una realización concreta de la máquina según la invención se describirá ahora con referencia a la figura 3.

El estator 1 es de un tipo que es convencional por sí mismo y tiene 36 cavidades separadas de manera angularmente equidistantes que albergan las diferentes secciones de bobinado de tres fases, dispuestas de una manera que también es convencional.

El rotor 2 tiene tres células de bobinados en forma de U 21 del tipo mostrado en las figuras 1a y 1b alternadas con tres células de imanes permanentes 22 para definir un rotor con 12 polos N y S alternados.

Las secciones de célula de imán 221, 222 están combinadas en un único núcleo central del rotor.

Las partes en forma de U 211, 212, 213 de las células de bobinado están separadas magnéticamente de las células 22. En la práctica se pueden unir al núcleo citado anteriormente mediante partes apropiadas no magnéticas, no representadas.

Respecto a esto, véase que el concepto de la separación 30 entre las células adyacentes debe entenderse en el presente contexto como una separación que asegura solamente un acoplamiento magnético muy limitado entre dicha células. Por lo tanto, puede ser una separación de aire o una separación parcial o completamente llena con un material no magnético, en particular un material plástico.

En una realización que no se ha representado, el rotor 2 se puede obtener montando una pluralidad de células individuales alternadas 21 y 22 usando medios mecánicos apropiados. Por supuesto, la presente invención no está limitada a las realizaciones descritas y representadas, y el técnico en la materia sabrá cómo variar o modificarlas de cualquier manera dentro del ámbito de la invención.

En particular, cualquier combinación de estructuras de imán y estructuras de bobinado se pueden prever en el rotor, por ejemplo dos estructuras de bobinado o más entre cada par de estructuras de imán, o dos estructuras de imán o más entre cada par de estructuras de bobinado.

En este caso, los bobinados y los imanes están orientados para preservar los polos N y S alternos en la periferia del rotor.

Cada estructura de imán 22 puede tener dos o más imanes, combinándose los flujos de los mismos para obtener el efecto requerido de un flujo que crea polos N y S adyacentes en el rotor.

Claims (10)

1. Máquina eléctrica de conmutación de flujo, que comprende un estator (1) y un rotor (2), comprendiendo el estator por lo menos un bobinado de armadura (14) situado en por lo menos un par de cavidades (13), comprendiendo el rotor medios capaces de establecer de manera selectiva circuitos magnéticos cerrados que pasan alrededor de los hilos del bobinado o bobinados de armadura, caracterizada por el hecho de que dichos medios comprende por lo menos un imán permanente de excitación (225) capaz de establecer un flujo magnético en una dirección circunferencial del rotor, y por lo menos un bobinado de excitación (214; 215, 216) capaz de establecer localmente un flujo magnético que es ajustable en la misma dirección circunferencial que la del flujo producido por el imán o imanes, por el hecho de que el imán o cada imán está alojado en una primera porción del rotor (22) definiendo un primer par de polos del rotor, por el hecho de que el bobinado o bobinados está/n colocado/s en una segunda porción del rotor (21) definiendo un segundo par de polos del rotor, y por el hecho de que dichas porciones del rotor (22, 21) están separadas entre sí mediante zonas que son esencialmente no magnéticamente conductoras.

2. Máquina según la reivindicación 1, caracterizada por el hecho de que la segunda porción del rotor (21) o cada segunda porción del rotor (21) tiene una parte ferromagnética, que tiene la forma general de una "U", de la cual dos ramas (211, 212 definen los dos polos, y alojan por lo menos un bobinado de excitación (214; 215, 216).

3. Máquina según la reivindicación 2, caracterizada por el hecho de que la segunda porción del rotor (21) o cada segunda porción del rotor (21) un único bobinado de excitación (214) que rodea una base (213) de la parte en forma de "U" que une dichas ramas (211, 212) y es capaz de crear un flujo magnético en una dirección general circunferencial de la misma dirección que el flujo magnético generado por el imán (225) o por cada imán (225).

4. Máquina según la reivindicación 2, caracterizada por el hecho de que la segunda porción del rotor (21) o cada segunda porción del rotor (21) tiene dos bobinados de excitación (215, 216) que rodean dichas ramas (211, 212) de la parte en forma de "U" y son capaces de crear flujos magnéticos, uno dirigido hacia el interior, y el otro dirigido hacia el exterior del rotor (1).

5. Máquina eléctrica según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada por el hecho de que, a lo largo de su periferia, el rotor (1) comprende primeras porciones (22) y segundas porciones (21) alternas.

6. Máquina eléctrica según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada por el hecho de que dichas primeras porciones del rotor (22) tienen cada una dos partes ferromagnéticas (221, 222) que se extienden a cada lado del imán asociado (225).

7. Máquina según la reivindicación 6, caracterizada por el hecho de que dichas partes ferromagnéticas (221, 222) de las primeras porciones del rotor (22) pertenecen un único bastidor.

8. Máquina eléctrica según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada por el hecho de que las zonas no magnéticamente conductoras consisten en separaciones de aire.

9. Máquina eléctrica según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada por el hecho de que las zonas no magnéticamente conductoras consisten en un material no magnéticamente conductor, tal como un material plástico.

10. Máquina eléctrica según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada por el hecho de que consiste en un alternador de un vehículo automóvil.