ES2233146B1 - Alternador multipolar para aerogeneradores. - Google Patents
Alternador multipolar para aerogeneradores.Info
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Abstract
Alternador multipolar para aerogeneradores, formado por un estator (1) de polos bobinados incorporados en un empaquetado de chapas y un rotor (2) de polos formados por imanes permanentes, en donde los polos del rotor (2) se forman por imanes permanentes (3) de neodimio-hierro-boro; los cuales se incorporan entre sendas placas laterales (4) de acero que se sujetan sobre un soporte (6) de material amagnético, tal como aluminio, disponiéndose el conjunto de todos los polos componentes del rotor (2) en sujeción respecto de un yugo cilíndrico central (7).
Description
Alternador multipolar para aerogeneradores.
La presente invención se refiere a un alternador
de tipo multipolar destinado para los aerogeneradores de producción
de energía eléctrica, proponiendo una realización componente del
alternador, con la cual se consiguen unas importantes ventajas
funcionales.
En las realizaciones actuales de los
aerogeneradores son pocos los alternadores multipolares utilizados
y los que existen son en general refrigerados por aire.
El rotor de tales alternadores es
convencionalmente de polos bobinados de cobre, los cuales generan
mucho calor, que debe ser disipado, disponiéndose para ello una
refrigeración por aire mediante ventilación forzada.
Dicha ventilación de refrigeración requiere una
gran masa de aire, por ejemplo del orden de 30.000 m^{3} por
hora, lo cual supone un inconveniente importante para la
instalación de los aerogeneradores en ambientes salinos, por ejemplo
cerca del mar, ya que la gran cantidad de aire utilizada para la
refrigeración ocasiona depósitos de sal que son muy perjudiciales
para los bobinados de cobre.
Existen máquinas de tipo de motores, como las de
las Patentes US 4564778, US 4837474 y US 5081388, con un rotor
formado por polos de imanes permanentes, los cuales no generan
calor y por lo tanto no requieren refrigeración.
Se conocen también máquinas, como las de las
Patentes US 421194 y GB 2278738, con un rotor formado por una
disposición modular de polos con imanes permanentes, utilizando
imanes de ferrita en disposiciones de tipo sándwich con unos
montajes particularmente complicados.
Frente a todo ello, de acuerdo con la presente
invención se propone un alternador de rotor modular e imanes
permanentes, con imanes de
neodimio-hierro-boro y una
particular disposición de montaje que aporta ventajas muy
satisfactorias.
Este alternador objeto de la invención se
constituye con un rotor cuyos polos se forman por una masa polar a
base de imanes permanentes de
neodimio-hierro-boro, los cuales se
incorporan entre dos placas de acero que se sujetan rígidamente
sobre un soporte de material amagnético, tal como aluminio,
disponiéndose dicho conjunto en fijación sobre un yugo cilíndrico
respecto del cual se incorporan todos los polos componentes del
rotor.
La masa polar de cada polo se forma por tramos
longitudinales, entre los cuales determinan la longitud del polo,
disponiéndose entre los distintos tramos y en los extremos unas
chapas de aluminio de poco espesor, mediante las que se establece
un cierre de los tramos que mantiene a los correspondientes imanes
fijos entre las respectivas placas de acero.
El yugo cilíndrico sobre el que se incorporan los
polos componentes del rotor, presenta exteriormente una superficie
poligonal, con tantas caras como el número de polos a incorporar
(por ejemplo 60), quedando definida en cada una de las caras una
depresión longitudinal a modo de un canal, en donde encajan los
polos correspondientes para establecer su montaje.
El estator del alternador se constituye por un
empaquetado de chapas, el cual determina unos ranurados
longitudinales en los que se incluyen conjuntos de dos barras de
cobre que van alojadas con aislamiento intermedio en una cajera
común y que salen por los extremos en donde determinan respectivos
terminales de unión para formar las bobinas polares del
estator.
Los terminales extremos de dichas barras
componentes de los bobinados polares del estator se unen por medio
de pletinas que se fijan mediante un doble atornillado sobre dichos
terminales, incorporándose sobre cada una de las uniones una funda
protectora de material aislante, como por ejemplo silicona.
El bloque del estator se puede refrigerar por
aire, mediante ventilación forzada, pero preferentemente se prevé
una realización con refrigeración por agua, mediante tubos
incluidos longitudinalmente a través del empaquetado de chapas, los
cuales quedan unidos por los extremos a sendos colectores comunes,
estando prevista la determinación de conjuntos parciales, de tubos y
colectores, consecutivamente unidos en serie, para garantizar la
circulación del agua refrigerante por todo el conjunto.
Con tal estructuración y montaje, este alternador
de la invención ofrece las siguientes ventajas:
- -
- Todo el conjunto resulta de muy fácil montaje.
- -
- La disposición constructiva del rotor permite mediante el empleo de pequeños útiles auxiliares, el montaje y desmontaje de las masas polares en el propio lugar de la instalación de los aerogeneradores, lo que es una ventaja muy significativa, ya que, por ejemplo, con solo el auxilio de una furgoneta y un pequeño polipasto se puede proceder a trabajos de reparación y/o mantenimiento, sin necesidad de recurrir a grandes grúas para bajar y subir el alternador.
- -
- Las masas polares del rotor proporcionan un flujo magnético radial en disposición geométrica de concentración, permitiendo llegar a niveles de campo magnético en el entrehierro del orden de un 40% superiores al que se consigue con polos bobinados de cobre.
- -
- El mayor nivel de campo magnético que se consigue con los imanes de neodimio-hierro-boro, implica que para un mismo estator y velocidad de giro de arrastre, la tensión y como consecuencia la potencia del alternador aumentan en la misma proporción que el incremento del campo magnético, en relación a los alternadores con rotor de polos bobinados de cobre, es decir que con un mismo volumen de alternador se puede conseguir un par en el eje un 40% superior.
- -
- Con los polos de imanes de neodimio-hierro-boro, no se consume energía de excitación, lo cual supone un considerable aumento de la eficacia del alternador.
- -
- El estator se puede refrigerar mediante circulación de agua y el rotor de imanes permanentes de neodimio-hierro-boro no requiere refrigeración, con lo cual se evitan los inconvenientes de la refrigeración por aire en cuanto a las deposiciones de sal perjudiciales para los devanados polares, permitiendo la aplicación del alternador en instalaciones marítimas o próximas al mar.
- -
- La disposición constructiva del estator permite a su vez un montaje sencillo y rápido, ya que las dobles barras incluidas en cajeras comunes simplifican el montaje reduciendo el tiempo del mismo a la mitad.
- -
- La unión por atornillados de los terminales extremos de las barras de los bobinados polares del estator, permiten un montaje sencillo, sin las dificultades de las uniones por soldadura de las realizaciones convencionales, asegurando el doble atornillado de las uniones una sujeción eficaz, pero al mismo tiempo con posibilidad de compensar errores de posicionamiento en una determinada medida, para adaptar la unión entre los terminales correspondientes en cada caso.
- -
- El cubrimiento con una funda de las uniones atornilladas de los mencionados terminales extremos de las barras del estator, garantiza el aislamiento entre dichas uniones y además asegura la retención de cualquier tuerca de dichas uniones que se pueda soltar, evitando que caiga al interior del alternador.
Por todo lo cual, el alternador de la invención
resulta ciertamente de unas características muy ventajosas,
adquiriendo vida propia y carácter preferente para la aplicación en
los aerogeneradores a la que se halla destinado.
La figura 1 muestra una sección transversal del
conjunto de un alternador según la invención.
La figura 2 es una zona parcial ampliada de la
sección anterior.
La figura 3 es una zona parcial del conjunto
componente del alternador.
La figura 4 es una perspectiva en despiece
explosionado del conjunto de la masa polar de un polo del rotor del
alternador.
La figura 5 es una perspectiva del conjunto de la
figura anterior montado.
La figura 6 es una perspectiva de un conjunto de
varios polos como el de la figura anterior dispuestos según el
posicionamiento relativo en el rotor del alternador.
La figura 7 es una vista en planta del conjunto
de la figura anterior.
La figura 8 es una vista en sección transversal
ampliada de la masa polar de un polo del rotor del alternador,
indicándose las líneas del flujo magnético.
La figura 9 es una perspectiva parcial del
conjunto de formación del estator del alternador.
La figura 10 es una vista de la forma de una
chapa del empaquetado del estator del alternador.
La figura 11 es una perspectiva del conjunto de
una doble barra de la formación de los bobinados polares del
estator del alternador.
La figura 12 es una vista en sección transversal
ampliada del conjunto de la doble barra de la figura anterior.
La figura 13 es un detalle en perspectiva
ampliada de la zona de unión de los terminales extremos de las
barras de los bobinados polares del estator, con una unión entre
dos terminales en despiece explosio-
nado.
nado.
La figura 14 es un esquema de dos tramos
consecutivos del sistema de refrigeración por agua del estator del
alternador.
La invención se refiere a un alternador para
aerogeneradores, comprendiendo un conjunto formado por un estator
multipolar (1) de polos bobinados y un rotor multipolar (2) de
polos formados por imanes permanentes.
Los polos del rotor (2) se constituyen por imanes
permanentes (3) de neodimio- hierro-boro, los cuales
se disponen en cada polo entre unas placas (4) de acero que se
sujetan por atornillados (5) sobre un soporte (6) de material
amagnético, por ejemplo aluminio.
Los polos así formados se sujetan sobre un yugo
cilíndrico (7), respecto del cual se incorporan todos los polos del
rotor (2), formando un conjunto modular que se integra en montaje
sobre el mencionado yugo (7).
De un modo particular la superficie exterior del
yugo (7) se prevé poligonal, con tantas caras como el número de
polos del rotor (2), por ejemplo 60, definiendo cada una de las
caras una depresión longitudinal (8) a modo de canal, en donde
encaja el soporte (6) de los polos correspondientes en la
disposición del montaje, como se observa en la figura 2.
De esta forma el montaje de los polos sobre el
yugo (7) resulta fácil de realizar, ya que los canales (8) se
constituyen en encajes que determinan el posicionamiento exacto de
los polos, contribuyendo también a asegurar la sujeción de los
mismos. Los canales (8) se prevén además con una cierta inclinación
respecto del eje del rotor (2), con lo cual los polos quedan con esa
inclinación, determinando así una entrada progresiva de estos polos
en relación con el campo de los polos del estator (1), en el
funcionamiento del alternador, lo que favorece la efectividad de la
influencia entre unos polos y otros, mejorando el comportamiento
del alternador.
El conjunto de cada polo del rotor (2) se
constituye (figuras 4 a 7) por una serie de tramos longitudinales,
cuyo conjunto determina la longitud del polo en cada caso,
disponiéndose entre los distintos tramos y en los extremos unas
delgadas chapas de aluminio (9), mediante las cuales se establece un
cierre extremo de los tramos que mantiene fijos en el sentido
longitudinal a los imanes correspondientes (3) en los respectivos
tramos.
Dicha disposición reduce el tamaño de los
elementos independientes de composición de los polos del rotor (2),
favoreciendo así el manejo de dichos elementos y por lo tanto su
montaje y desmontaje, con la posibilidad de realizar operaciones de
reparación y/o mantenimiento desmontando solo la parte afectada,
sin tener que utilizar grandes grúas para mover todo el
alternador.
El estator (1) se constituye en su caso por un
empaquetado de chapas (10), por ejemplo como la de la figura 10,
sin que esa forma sea limitativa, determinando el conjunto del
empaquetado una forma anular, en donde por la parte interior quedan
definidos unos ranurados longitudinales (11) para alojar los
bobinados de los polos correspondientes. El empaquetado de las
chapas (10) se sujeta mediante barras transversales entre unos
sectores (10.1) de aprieto por los extremos.
Los bobinados de los polos del estator (1) se
constituyen por barras de cobre (12), las cuales van alojadas en
conjuntos de dos, con un aislamiento intermedio (13) y un cierre de
retención (14), en correspondientes cajeras (15), como se observa
en las figuras 11 y 12.
Dichos conjuntos de pares de barras (12) unidas
mediante las correspondientes cajeras (15), se insertan en los
ranurados (11) del empaquetado del estator (1), simplificando así
el montaje, ya que la incorporación de las barras (12) por parejas
reduce el trabajo del montaje a la mitad.
Las barras (12) salen por los extremos
determinando unos terminales (16), para las uniones destinadas a
formar las bobinas polares mediante distintas barras (12) del
conjunto incorporado en el estator (1).
Las uniones de los terminales (16) de las barras
(12) se establecen, según la figura 13, por medio de unas pletinas
(17) que se sujetan mediante atornillados (18) respecto de los
terminales (16) a unir.
Según una característica particular de la
invención, dichas uniones de los terminales (16) se establecen de
una manera doble, es decir con dos pletinas de unión (17) y
respectivos amarres atornillados (18) de cada una de ellas sobre
los correspondientes terminales (16) a unir, con lo cual se asegura
una mejor conexión eléctrica entre los terminales (16) y, en
cualquier caso, si una de las uniones se llega a aflojar o soltar,
la sujeción y el contacto entre los terminales (16) se mantiene por
la otra unión.
Sobre las uniones de los terminales (16) se
incorporan, como se observa en las figuras 3 y 9, unas fundas
aislantes (19), por ejemplo de silicona, con lo cual dichas uniones
quedan protegidas en aislamiento eléctrico y, además, en el caso de
que alguna tuerca (20) de los atornillados (18) de las sujeciones se
llegara a soltar, queda retenida dentro de la correspondiente funda
(19), sin peligro de que ocasione cortocircuito entre las uniones
adyacentes de distintos terminales (16) o que caiga entre el
conjunto móvil y el conjunto fijo del alternados pudiendo ocasionar
deterioros.
Con la realización descrita, las masas polares de
los polos del rotor (2) proporcionan un flujo magnético radial (21)
que resulta concentrado en una disposición geométrica, como
representa la figura 8, con un mínimo flujo disperso (22) no útil,
lo cual permite llegar a niveles muy elevados de campo magnético en
el entrehierro entre el rotor (2) y el estator (1) del alternador,
con lo que se obtiene un rendimiento de generación de tensión y
potencia que supera considerablemente (hasta un 40%), al que se
obtiene con un rotor de polos bobinados de cobre, en un mismo
tamaño de alternador.
Los polos de imanes permanentes (3) de
neodimio-hierro-boro con los que se
forma el rotor (2), no producen calor en el funcionamiento del
alternador, de manera que no es necesario refrigerar el rotor (2),
evitando así tener que utilizar una refrigeración por aire, con lo
que se eliminan los problemas que este tipo de refrigeración puede
ocasionar en ambientes salinos por las deposiciones de sal.
En tal caso el estator (1), cuyos polos formados
por las barras de cobre (12) producen calor, puede refrigerarse
independientemente por aire o por agua, estando previsto de un modo
particular, por las ventajas que conlleva, la disposición de una
refrigeración por agua.
Dicha refrigeración del estator (1) se establece
por medio de una instalación de tubos (23) que se disponen a través
del empaquetado de chapas (10), según las figuras 3, 9 y 10,
uniéndose dichos tubos (23) en los extremos a unos colectores (24),
por los que llega y sale el agua de refrigeración.
La instalación de refrigeración formada por los
tubos (23) y los colectores (24), se prevé en una realización por
tramos formados por conjuntos parciales que se unen en serie, como
representa la figura 14, con lo cual se garantiza la circulación
del agua de refrigeración pasando por todos los tubos (23), con el
fin de que la refrigeración sea efectiva en todas las partes.
Las chapas (10) del empaquetado estructural del
estator (1), se prevén además con unas formas salientes (25) en el
borde exterior, las cuales determinan en la parte exterior del
empaquetado unos almenados que facilitan la disipación natural del
calor por convección.
La presente invención es de aplicación para los
aerogeneradores de producción de energía eléctrica, de manera que
con el alternador multipolar preconizado se pueden conseguir altos
rendimientos de la producción eléctrica en proporción al volumen de
los medios empleados, lo cual es de suma importancia en los
aerogeneradores.
La aplicación puede hacerse extensiva también,
sin embargo, para cualquier tipo de instalación de generación
eléctrica, especialmente cuando sea importante la utilización de
unos medios proporcionalmente reducidos en relación con la potencia
de la generación eléctrica a producir.
En todos los casos el alternador de la invención
es especialmente adecuado para su utilización en ambientes salinos,
como por ejemplo en instalaciones marítimas o próximas al mar, ya
que al no necesitar el rotor (2) refrigeración y poderse refrigerar
el estator (1) por agua, no existe el problema de deposiciones de
sal que puedan afectar a los devanados polares.
Claims (7)
1. Alternador multipolar para aerogeneradores,
del tipo que comprende un estator (1) con polos bobinados
incorporados en un empaquetado de chapas y un rotor (2) de polos
formados con imanes permanentes, caracterizado porque los
polos del rotor (2) se forman por imanes permanentes (3) de
neodimo-hierro-boro, los cuales se
incorporan entre sendas placas laterales (4) de acero que se sujetan
sobre un soporte (6) de material amagnético, tal como aluminio,
disponiéndose el conjunto de todos los polos en sujeción respecto
de un yugo central cilíndrico (7).
2. Alternador multipolar para aerogeneradores, en
todo de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizado
porque longitudinalmente cada polo del rotor (2) se compone por una
serie de tramos independientes, entre los cuales y en los extremos
se disponen unas delgadas chapas de aluminio (9) que establecen un
cierre individual de cada uno de los tramos en el sentido
longitudinal.
3. Alternador multipolar para aerogeneradores, en
todo de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizado
porque el yugo (7) sobre el que se incorporan los polos del rotor
(2) determina exteriormente una superficie poligonal con tantas
caras como el número de polos a incorporar, configurando dichas
caras longitudinalmente una depresión (8) a modo de un canal, en
donde encajan los polos correspondientes en la disposición del
montaje.
4. Alternador multipolar para aerogeneradores, en
todo de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizado
porque los bobinados de los polos del estator (1) se forman por
barras (12) de cobre, las cuales van alojadas por parejas, con
aislamiento intermedio, en correspondientes cajeras (15), formando
conjuntos de montaje para la inclusión en los correspondientes
alojamientos de incorporación en el empaquetado de chapas.
5. Alternador multipolar para aerogeneradores, en
todo de acuerdo con la primera y cuarta reivindicaciones,
caracterizado porque las barras (12) de los polos del
estator (1) determinan terminales extremos (16) para las uniones de
formación de los bobinados, estableciéndose las uniones entre dichos
terminales (16) con una doble sujeción mediante dos pletinas (17),
las cuales se fijan mediante atornillados (18) sobre los
correspondientes terminales (16).
6. Alternador multipolar para aerogeneradores, en
todo de acuerdo con la quinta reivindicación, caracterizado
porque las uniones entre los terminales (16) de las barras (12) se
cubren con correspondientes fundas protectoras (19) de material
aislante.
7. Alternador multipolar para aerogeneradores, en
todo de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizado
porque en el estator (1) se incorpora una instalación de
refrigeración por agua, mediante tubos (23) que pasan
longitudinalmente por el empaquetado de chapas y que se unen en los
extremos a respectivos colectores (24) de llegada y salida del
agua, formándose dicha instalación por conjuntos parciales que se
unen en serie.
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|---|---|---|---|
| ES200202678A ES2233146B1 (es) | 2002-11-21 | 2002-11-21 | Alternador multipolar para aerogeneradores. |
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