ES2330452T3 - Dispositivo de arranque para generador de corriente como unidad constituida por un motor de combustion interna y un generador. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo de arranque para un generador de corriente como unidad constituida por un motor de combustión interna y un generador, en el que el rotor (17) del generador está acoplado de forma resistente al giro con el cigüeñal (1) del motor de combustión interna, comprendiendo el dispositivo de arranque al menos una bobina (26, 27, 28) de arranque dispuesta en un rotor (17) o un estator (11) del generador y al menos un imán de arranque que interactúa, formando un par, con un campo magnético de bobina de la bobina (26, 27, 28) de arranque alimentada de corriente y que está dispuesto en el otro rotor (17) o el otro estator (11), caracterizado porque el dispositivo de arranque presenta además al menos un interruptor estacionario (S1, S3, S5) de corriente de bobina con dos estados de conexión para unir la bobina (26, 27, 28) de arranque a una fuente de corriente o para separar la bobina (26, 27, 28) de arranque de ésta y al menos un elemento de accionamiento de interruptor, dispuesto de forma resistente al giro en el rotor (17), que interactúa de forma magnética con el interruptor (S1, S3, S5) de corriente de bobina y es adecuado para conectar el interruptor (S1, S3, S5) de corriente de bobina en uno de sus dos estados de conexión en dependencia de la posición angular del rotor.
Description
Dispositivo de arranque para generador de
corriente como unidad constituida por un motor de combustión interna
y un generador.
La presente invención se refiere según su tipo
genérico a un dispositivo de arranque para un generador de
corriente que forma una unidad funcional y estructural constituida
por un motor de combustión interna y un generador, especialmente un
motor diésel y un generador sincrónico. En los generadores de
corriente de este tipo, por ejemplo, el conocido del documento
DE10228225A1, el rotor del generador está acoplado de forma
resistente al giro con el cigüeñal del motor de combustión
interna.
Los motores de combustión interna se deben
arrancar mediante un dispositivo especial de arranque, ya que
estos no se pueden poner en marcha por su propia fuerza, como
ocurre en los motores eléctricos. En este caso se han de superar
resistencias considerables debido a la compresión, la fricción en
el pistón y la fricción en el cojinete que dependen en gran medida
del modelo, la cantidad de cilindros del motor de combustión
interna, así como de las propiedades del lubricante y la
temperatura del motor. Con el fin de poder obtener en el motor Otto
la mezcla de aire y combustible necesaria para la marcha automática
o en el motor diésel, la temperatura de autoencendido, el
dispositivo de arranque debe hacer girar el motor de combustión
interna con un número mínimo de revoluciones (número de
revoluciones de arranque) y después de los primeros encendidos
apoyarlo al acelerarse al número mínimo automático de revoluciones.
Para el arranque de los motores de combustión interna se usan
generalmente los electromotores.
Los dispositivos de arranque convencionales
comprenden usualmente, además del electromotor, un piñón, combinado
con un relé de embrague y acoplado de forma resistente al giro con
el árbol de inducido del electromotor, que interactúa con una
corona dentada en el volante del motor. Para poner en marcha el
motor de combustión interna, el piñón debe engranar primero
correctamente en la corona dentada, transmitir a continuación el
par de giro necesario para hacer girar el volante del motor y por
último desengranarse en el momento oportuno. A fin de impedir que
el motor de combustión interna accione el piñón cuando el número de
revoluciones del cigüeñal supera el número de revoluciones del
árbol de inducido del electromotor, los dispositivos de arranque
convencionales están provistos en general de una rueda libre que
provoca la eliminación de la unión resistente al giro entre el
piñón y el árbol de inducido del electromotor.
La desventaja, que presentan los dispositivos de
arranque conocidos del estado de la técnica, radica sobre todo en
que estos constituyen un elemento constructivo separado que en
dependencia del diseño del dispositivo de arranque requieren un
espacio considerable. Esto es válido especialmente en dispositivos
de arranque que respecto a sus prestaciones se han de configurar
para motores de combustión interna de grandes dimensiones,
especialmente motores diésel estacionarios.
Además, el piñón y la corona dentada están
expuestos a un gran peligro debido al desgaste mecánico durante la
transmisión del par de giro al volante. Por consiguiente, para
evitar el desgaste elevado se ha de garantizar siempre un engranaje
y desengranaje correctos del piñón. A tal efecto, el piñón y la
corona dentada se proveen de un perfil envolvente ventajoso en este
sentido y los dientes del piñón y la corona dentada se achaflanan a
menudo adicionalmente en el lado frontal. Aparte de que estas
medidas no siempre conducen al resultado deseado, implican también
un procedimiento de fabricación trabajoso y comparativamente
costoso. Además es necesario seleccionar materiales adecuados para
garantizar una durabilidad elevada del piñón y la corona dentada,
lo que implica a su vez costos de material comparativamente
altos.
La rueda libre, realizada a menudo como rueda
libre de rodillos, rueda libre de láminas o rueda libre de diente
frontal, es un dispositivo complicado desde el punto de vista
mecánico que resulta propenso al desgaste y que origina costos
considerables de fabricación.
Si se repite el proceso de arranque al no
poderse arrancar el motor de combustión interna, se ha de volver a
detener rápidamente el inducido del dispositivo de arranque, ya que
de lo contrario no se pueden evitar daños en el dispositivo de
arranque. Sin embargo, en los dispositivos convencionales de
arranque no se excluye un manejo incorrecto del dispositivo de
arranque por intentos de arranque en una secuencia corta de tiempo,
en los que "se arranca" el inducido de arranque que gira aún.
A fin de evitar este manejo incorrecto se pueden instalar devanados
especiales de freno que después de desconectarse el dispositivo de
arranque se conectan en paralelo al inducido de arranque, que gira
aún, y que actúa como freno de corriente. Una medida de este tipo
encarece, sin embargo, los costos de fabricación del dispositivo de
arranque y por esta razón no se tiene en cuenta a menudo. Resulta
más crítico aún un proceso de arranque en el motor de combustión
interna, que gira, con el piñón desengranado, ya que al accionarse
de nuevo el dispositivo de arranque, el piñón no puede lograr una
unión mecánica por arrastre de forma debido al motor en
funcionamiento y esto puede originar daños en el dentado.
Otra desventaja de los dispositivos de arranque
conocidos en el estado de la técnica radica en que en el caso de
los electromotores usados se han de conmutar o conectar corrientes
inductivas muy altas en el conmutador. La desconexión de corrientes
inductivas altas es un objetivo extremadamente problemático, ya que
en los campos magnéticos de las bobinas está almacenada mucha
energía que sin medidas especiales se descarga como golpe de chispa
en el conmutador al desconectarse la corriente y que incluso lo
puede destruir. A fin de evitar este tipo de chispa, los devanados
de inducido se subdividen de manera muy precisa, de modo que un
devanado individual tiene sólo pocas espiras. Por consiguiente,
para la conmutación de corriente se tienen que usar conmutadores
con una subdivisión precisa que resultan trabajosos desde el punto
de vista técnico, lo que origina costos comparativamente altos en
la fabricación de los electromotores.
Del documento US5001412 se conoce también una
unidad constituida por un motor de combustión interna y un
generador, en la que el dispositivo de arranque con una realización
electromotriz para el motor de combustión interna, como el motor de
arranque del documento DE10018467A1, depende de manera desventajosa
forzosamente de un dispositivo de conmutación con contactos de
escobillas o contactos deslizantes.
El objetivo de la presente invención es poner a
disposición un dispositivo de arranque para un generador de
corriente como unidad constituida por un motor de combustión
interna y un generador, mediante el que se pueden evitar las
desventajas, mencionadas al inicio, de los dispositivos
convencionales de arranque.
Este objetivo se consigue según la invención
mediante un dispositivo de arranque según la reivindicación 1. De
las características de las reivindicaciones secundarias se derivan
configuraciones ventajosas de la invención.
El dispositivo de arranque para un generador de
corriente como unidad constituida por un motor de combustión
interna y un generador, en el que el rotor del generador está
acoplado de forma resistente al giro con el cigüeñal del motor de
combustión interna, comprende al menos una bobina de arranque que
puede estar dispuesta en el rotor o el estator del generador, al
menos un imán de arranque que interactúa con un campo magnético de
bobina de la bobina de arranque alimentada de corriente y que
puede estar dispuesto en el rotor o el estator, pero que está
dispuesto en el rotor, si la bobina de arranque está dispuesta en
el estator, o que está dispuesto en el estator, si la bobina de
arranque está dispuesta en el rotor, así como al menos un
interruptor estacionario de corriente de bobina con dos estados de
conexión para unir la bobina de arranque a una fuente de corriente
o para separar la bobina de arranque de ésta y al menos un
elemento de accionamiento de interruptor, dispuesto de forma
resistente al giro en el rotor, que interactúa de forma magnética
con el interruptor de corriente de bobina y es adecuado para
conectar el interruptor de corriente de bobina en uno de sus dos
estados de conexión en dependencia de la posición angular del
rotor.
El dispositivo de arranque según la invención se
integra ventajosamente en el generador, por lo que se ahorra
espacio en comparación con dispositivos de arranque convencionales.
Se ahorran además materiales y costos, ya que elementos del
generador, como el estator y el rotor, se pueden usar también en el
electromotor del dispositivo de arranque. Resulta especialmente
ventajoso el hecho de que el par de giro del electromotor del
dispositivo de arranque se transmita mediante el rotor del
generador directamente al cigüeñal del motor de combustión interna,
pudiéndose prescindir así de la combinación convencional de piñón y
corona dentada colocada en la rueda libre del motor de combustión
interna. El par de arranque se transmite de forma electromagnética
sin contacto y completamente sin desgaste. Un nuevo arranque
eventual del dispositivo de arranque con el motor aún en marcha no
es problemático y no provoca daños en el dispositivo de arranque, a
diferencia de los dispositivos de arranque convencionales. Más
bien, el dispositivo de arranque se puede accionar en cualquier
momento y en cualquier estado de funcionamiento del dispositivo de
arranque y del motor de combustión interna, sin existir peligro de
daños. La conmutación de la corriente se realiza sólo mediante la
alimentación de corriente en concordancia de fase de las bobinas de
arranque, sin el uso de un conmutador convencional.
En una configuración ventajosa del dispositivo
de arranque según la invención, el interruptor de corriente de
bobina está equipado con un imán de conexión desplazable en contra
de una fuerza de retroceso, conectándose el interruptor de
corriente de bobina mediante su desplazamiento. El elemento de
accionamiento del interruptor está realizado como un elemento en
forma de placa a partir de un material magnético o ferromagnético,
especialmente hierro, que mediante un giro del rotor se puede
llevar a una posición relativamente respecto al imán de conexión
del interruptor de corriente de bobina, en la que el imán de
conexión se atrae por la interacción magnética con el elemento en
forma de placa y se mueve de este modo, conectándose así el
interruptor de corriente de bobina. A fin de posibilitar una
interacción magnética suficiente entre el imán de conexión y el
elemento en forma de placa, el dispositivo de arranque se diseña
prácticamente de manera que las superficies, opuestas entre si, del
elemento en forma de placa y del imán de conexión se han de
solapar en una medida determinada en la proyección en dirección
axial para provocar un desplazamiento del imán de conexión.
Se presupone además que el interruptor de
corriente de bobina al accionarse mediante el elemento en forma de
placa, es decir, al existir una interacción magnética suficiente
entre el imán de conexión y el elemento en forma de placa, se lleva
a un estado de conexión "cerrado", en el que la bobina de
arranque está unida con la fuente de corriente, por lo que la
bobina de arranque se alimenta de corriente. Este estado de
conexión del interruptor de corriente de bobina se mantiene hasta
que el elemento en forma de placa, por su interacción magnética de
atracción con el imán de conexión, sea capaz de mantener el imán de
conexión en su posición desplazada. El proceso de conexión del
interruptor de corriente de bobina con transición a su estado de
conexión cerrado puede estar diseñado, por ejemplo, de manera que
las superficies, opuestas entre sí, del elemento en forma de placa
y del interruptor de corriente de bobina se tengan que solapar al
menos hasta el 70% aproximadamente en la proyección en dirección
axial. Esto significa a la inversa que en caso de existir un
solapamiento menor no se dispone de una interacción magnética
suficiente de atracción entre el elemento en forma de placa y el
imán de conexión para mover el imán de conexión y para conectar el
interruptor de corriente de bobina, por lo que el interruptor de
corriente de bobina pasa a su estado de conexión "abierto", en
el que la bobina de arranque no se alimenta de corriente. Como
alternativa al respecto, el interruptor de corriente de bobina
puede estar diseñado de manera que al existir una interacción
magnética suficiente entre el imán de conexión y el elemento en
forma de placa para el desplazamiento del imán de conexión, éste se
lleva a su estado de conexión abierto, en el que la bobina de
arranque está separada de la fuente de corriente, y a la
inversa.
Al producirse un giro completo del rotor, el
interruptor de corriente de bobina se conecta al menos dos veces,
la primera vez cuando en un intervalo angular predefinible del
solapamiento suficiente de las superficies opuestas entre sí del
imán de conexión y del elemento en forma de placa, éste se lleva a
su estado de conexión cerrado, en el que la bobina de arranque está
unida con la fuente de corriente, y la segunda vez cuando, fuera
de este intervalo angular predefinible, asume su estado de conexión
abierto, en el que la bobina de arranque está separada de la fuente
de corriente. De un modo especialmente ventajoso se puede
prescindir de un conmutador convencional para la conmutación de la
corriente, ya que la bobina de arranque se puede unir a la fuente
de corriente o separar de ésta en concordancia de fase mediante un
simple cierre y apertura del interruptor de corriente de bobina. En
caso de existir varias bobinas de arranque se prefiere
especialmente alimentar de corriente a varias bobinas de arranque a
la vez para obtener de manera temporal un momento sumario.
El elemento en forma de placa está realizado
ventajosamente en forma de al menos un segmento de disco.
En otra configuración ventajosa de la invención,
el rotor presenta una guía radial para el elemento en forma de
placa, en la que el elemento en forma de placa se guía de manera
móvil en dirección radial. Además, el rotor está equipado con al
menos un elemento elástico de muelle que se encuentra fijado por un
extremo en el rotor y por el otro extremo, en el elemento en forma
de placa. Mediante el elemento de muelle, el elemento en forma de
placa se somete de manera elástica a la presión de un muelle en
dirección radial, hacia el eje de giro del rotor. Con otras
palabras, la fuerza centrifuga, que actúa sobre el elemento en
forma de placa durante un giro del rotor, puede mover el elemento
en forma de placa en la guía radial, en contra de la fuerza
elástica del elemento de muelle, en dirección radial a partir del
eje de giro, en caso de que la fuerza centrífuga sea tan grande
que se supera la fuerza elástica del elemento de muelle.
En una configuración ventajosa de la invención,
el elemento en forma de placa está realizado de manera que por
encima de un número predefinible de revoluciones del rotor, debido
a la fuerza centrifuga que actúa y en contra de la fuerza elástica
del elemento elástico de muelle, éste puede asumir una posición, en
la que la interacción magnética de atracción entre el imán de
conexión del interruptor de corriente de bobina y el elemento en
forma de placa es demasiado pequeña para desplazar el imán de
conexión y conectar el interruptor de corriente de bobina. Con
otras palabras, el elemento en forma de placa se separa tanto del
eje de giro por la fuerza centrífuga en dirección radial que las
superficies, opuestas entre sí, del elemento en forma de placa y
del imán de conexión del interruptor de corriente de bobina ya no
se solapan suficientemente en la proyección en dirección axial del
generador para provocar un movimiento del imán de conexión y llevar
el interruptor de corriente de bobina a su estado de conexión
cerrado. En el caso del ejemplo mencionado arriba de un
solapamiento de 70% de las superficies opuestas entre sí del imán
de conexión y del elemento en forma de placa, que se necesita para
mover el imán de conexión mediante el elemento en forma de placa en
la proyección en dirección axial, esto significa que mediante el
movimiento radial, provocado por la fuerza centrífuga, del elemento
en forma de placa se dispone de un solapamiento menor que 70% por
encima de un número predefinible de revoluciones del rotor.
De un modo extremadamente simple desde el punto
de vista técnico, el dispositivo de arranque se desacopla así del
cigüeñal del motor de combustión en caso del número predefinible de
revoluciones que equivale en especial al número mínimo de
revoluciones de arranque del motor de combustión interna y que
puede ser, por ejemplo, de 350 U/min. Por lo demás, se puede
prescindir de dispositivos de protección generalmente costosos para
desacoplar o inactivar el dispositivo de arranque.
Además, resulta ventajoso que la bobina de
arranque se pueda unir mediante un interruptor de rueda libre con
dos estados de conexión a un circuito de rueda libre que presenta
un diodo. Esto permite de un modo simple y económico reducir la
energía magnética de la bobina de arranque al desconectarse las
corrientes inductivas altas mediante el circuito de rueda libre. Se
puede evitar fácilmente la destrucción eventual de los contactos de
conexión por golpe de chispa y no es necesario tomar medidas
adicionales de protección para esto.
Resulta ventajoso que el interruptor de rueda
libre tenga una construcción igual a la del interruptor de
corriente de bobina y se desconecte del elemento en forma de placa
como el interruptor de corriente de bobina. El elemento en forma de
placa se puede llevar mediante un giro del rotor a una posición
relativamente respecto al imán de conexión del interruptor de rueda
libre, en la que el interruptor de rueda libre se conecta por la
interacción magnética entre el imán de conexión del interruptor de
rueda libre y el elemento en forma de placa. Resulta ventajoso
además que el elemento en forma de placa pueda asumir por encima de
un número predefinible de revoluciones del rotor, debido a la
fuerza centrífuga que actúa y en contra de la fuerza elástica del
elemento elástico de muelle, una posición, en la que la interacción
magnética entre el imán de conexión del interruptor de rueda libre
y el elemento en forma de placa es demasiado pequeña para conectar
el interruptor de rueda libre. Esta posición del elemento en forma
de placa en el caso del interruptor de rueda libre equivale
ventajosamente a la posición del elemento en forma de placa en el
caso del interruptor de corriente de bobina. Mediante el
accionamiento del interruptor de rueda libre con el elemento en
forma de placa, es decir, al existir una interacción magnética
suficiente entre el imán de conexión del interruptor de rueda libre
y el elemento en forma de placa para el desplazamiento del imán de
conexión, el interruptor de rueda libre se lleva a su estado de
conexión "cerrado", es decir, la bobina de arranque está en
cortocircuito en este estado de conexión mediante el circuito de
rueda libre. Si la interacción magnética entre el imán de conexión
del interruptor de rueda libre y el elemento en forma de placa no
es suficiente para desplazar el imán de conexión, el imán de
conexión conecta el interruptor de rueda libre en su estado de
conexión "abierto", en el que la bobina de arranque no está en
cortocircuito mediante el circuito de rueda libre.
El interruptor de rueda libre está conectado
ventajosamente a continuación del interruptor de bobina de arranque
en dirección de giro del rotor. Esto significa que el interruptor
de rueda libre se conecta mediante el elemento en forma de placa en
una secuencia temporal después del interruptor de corriente de
bobina. De este modo, el interruptor de rueda libre está conectado
ventajosamente en su estado de conexión cerrado cuando el
interruptor de corriente de bobina se haya conectado en su estado
de conexión abierto para reducir la energía magnética almacenada en
la bobina de arranque. Sin embargo, en este sentido se ha de
considerar que el interruptor de rueda libre se tiene que volver a
abrir rápidamente tan pronto la corriente en la bobina de arranque
se encuentre por debajo de un valor mínimo, pues de lo contrario, el
movimiento de la bobina de arranque en el campo magnético y el
circuito de rueda libre cerrado induce una tensión de movimiento en
la bobina de arranque, que provoca una corriente de cortocircuito a
través del circuito de rueda libre, que implica grandes
pérdidas.
Al accionarse el interruptor de rueda libre
mediante el elemento en forma de placa, el circuito de rueda libre
se puede conectar de un modo extremadamente simple y económico al
circuito de corriente de la bobina de arranque o desconectarse de
éste, lo que especialmente en el caso de los electromotores
convencionales de corriente continua es un objetivo extremadamente
difícil desde el punto de vista técnico.
Por consiguiente, mediante un giro del rotor se
produce primero una interacción magnética de atracción, suficiente
para el proceso de conexión, entre el imán de conexión del
interruptor de corriente de bobina y el elemento en forma de placa
y el interruptor de corriente de bobina se cierra, alimentándose
así de corriente la bobina de arranque. El elemento en forma de
placa llega a continuación al imán de conexión del interruptor de
rueda libre y lo cierra también, cerrándose así el circuito de
rueda libre. En ese momento se encuentra cerrado tanto el
interruptor de corriente de bobina como el interruptor del circuito
de rueda libre, estando polarizado el diodo en dirección de
bloqueo, por lo que no es posible aún un flujo de corriente a
través del circuito de rueda libre. Después de un nuevo giro del
rotor, que a partir del cierre del interruptor de corriente de
bobina va más allá de un intervalo angular predefinible, el
interruptor de de corriente de bobina se vuelve a abrir, provocando
esto que la bobina de arranque se separe de la fuente de
corriente. Como el circuito de rueda libre se encuentra cerrado en
ese momento, se puede reducir la energía del campo magnético,
almacenada en la bobina de arranque, mediante el circuito de rueda
libre. Por último, en caso de un nuevo giro del rotor, que a partir
del cierre del interruptor de corriente de bobina va más allá de un
intervalo angular predefinible, el interruptor de rueda libre se
vuelve a abrir, provocando esto que el circuito de rueda libre se
vuelva a abrir también.
De un modo especialmente ventajoso se regula
mediante el momento del accionamiento, dependiente del número de
revoluciones del rotor, el tiempo, en el que el interruptor de
rueda libre se mantiene cerrado después de abrirse el interruptor
de corriente de bobina. En caso de un número mayor de revoluciones
del rotor, el tiempo, en el que el imán de conexión del interruptor
de rueda libre es atraído por el elemento en forma de placa después
de abrirse el interruptor de corriente de bobina, es más corto que
al existir un número menor de revoluciones del rotor, Sin embargo,
como al existir un número menor de revoluciones del rotor circula
más corriente a través de la bobina de arranque que al existir un
número mayor de revoluciones, en caso de un número menor de
revoluciones se ha de reducir también una mayor cantidad de
energía, almacenada en el campo magnético de la bobina de
arranque, que en caso de un número mayor de revoluciones. Esta
cantidad mayor de energía, almacenada en el campo magnético de la
bobina de arranque al existir un número menor de revoluciones, se
puede reducir de un modo eficiente al estar cerrado el interruptor
de rueda libre, en caso de un número menor de revoluciones del
rotor después de abrirse el interruptor de corriente de bobina,
durante más tiempo que en caso de un número mayor de revoluciones
del rotor. A la inversa, el interruptor de rueda libre se vuelve a
abrir más rápido en caso de un número mayor de revoluciones del
rotor, pudiéndose reducir así de un modo eficiente la energía menor
almacenada en el campo magnético de la bobina de arranque al
existir un número mayor de revoluciones del rotor. Simultáneamente,
mediante la apertura rápida del interruptor de rueda libre al
existir un número mayor de revoluciones del rotor se puede impedir
de manera ventajosa que después de reducirse la energía magnética
de la bobina de arranque se ponga en cortocircuito la tensión de
movimiento en la bobina de arranque cuando el circuito de rueda
libre se encuentra aún cerrado.
De un modo especialmente ventajoso, el
dispositivo de arranque comprende tres bobinas de arranque que en
su dirección de actuación, visto en dirección de giro del rotor,
presentan una distancia angular de 120º respectivamente a fin de
obtener así una transmisión eficiente del par al rotor del
generador. Aquí resulta ventajoso que cada bobina de arranque esté
equipada con su propio circuito de rueda libre que se puede poner
en cortocircuito respectivamente mediante un interruptor de rueda
libre de la bobina de arranque.
Con un giro completo del rotor y una disposición
correspondiente de los respectivos interruptores de corriente de
bobina e interruptores de rueda libre, así como el accionamiento
mediante el elemento en forma de placa, estos se pueden accionar en
una secuencia temporal de la siguiente forma. Primero se cierra el
interruptor de corriente de bobina de la primera bobina de arranque
y después el interruptor correspondiente de rueda libre. A
continuación se vuelve a abrir de manera sucesiva el interruptor de
corriente de bobina de la primera bobina de arranque y el
interruptor de rueda libre de la primera bobina de arranque.
Después se cierra el interruptor de corriente de bobina de la
segunda bobina de arranque y el interruptor de rueda libre de la
segunda bobina de arranque y a continuación se vuelven a abrir
sucesivamente. A continuación se cierra el interruptor de corriente
de bobina de la tercera bobina de arranque y después el interruptor
de rueda libre de la tercera bobina de arranque. Por último, estos
se vuelven a abrir. De este modo se puede obtener, sin un
conmutador convencional, una conmutación simple y segura de la
corriente de inducido mediante el cierre y la apertura en
concordancia de fase de los interruptores de corriente de bobina,
es decir, la alimentación y la interrupción de corriente de las
bobinas de arranque. En este sentido resulta especialmente
ventajoso que dos bobinas de arranque se alimenten de corriente a
la vez de manera limitada en el tiempo, es decir, tiene lugar un
solapamiento temporal de dos corrientes de bobina en cada caso para
obtener temporalmente un momento sumario a partir de ambas bobinas
de arranque y excluir un vacío de pares.
En las formas de configuración de la invención,
descritas aquí, se explicó, entre otros, que los interruptores de
rueda libre se conectan mediante una interacción magnética con el
mismo elemento en forma de placa que los interruptores de corriente
de bobina. Sin embargo, habría que señalar que esto también se
puede llevar a cabo con un segundo elemento en forma de placa,
dispuesto, visto en dirección radial, más adentro o afuera en
comparación con el primer elemento en forma de placa para los
interruptores de corriente de bobina. A tal efecto, los
interruptores de rueda libre han de presentar una posición
equivalente a la posición radial del segundo elemento en forma de
placa. Así, por ejemplo, mediante una geometría diferente de los
dos elementos en forma de placa, es posible también determinar el
momento de la conexión de los interruptores de rueda libre de
manera completamente independiente de los momentos de la conexión
de los interruptores de corriente de bobina. Por consiguiente, los
interruptores de corriente de bobina y los interruptores de rueda
libre, por ejemplo, se pueden cerrar a la vez y volver a abrirse
sólo sucesivamente con retardo de tiempo.
El dispositivo de arranque, según la invención,
se monta con especial preferencia en un generador de corriente que
presenta un devanado estacionario de inducido e imanes permanentes
dispuestos en el rotor para la excitación del generador, en el que
el rotor, como rotor exterior, forma el volante del motor diésel y
el estator soporta el devanado de inducido y está dispuesto dentro
del rotor, así como el rotor está montado en una rueda de
ventilador que, por su parte, está abridada en el lado frontal al
cigüeñal del motor de accionamiento, el estator está configurado
como paquete de chapas de hierro que soporta el devanado de
inducido y está atornillado con un anillo interior de una tapa de
carcasa de generador mediante tornillos de estator que están
guiados a través de taladros en su paquete de chapas y que sujetan
el paquete de chapas y el rotor está configurado como paquete de
chapas de hierro que soporta los imanes permanentes para la
generación de un campo magnético rotatorio y está atornillado
varias veces en el contorno con la rueda de ventilador mediante
tornillos de sujeción que están guiados a través de taladros en su
paquete de chapas y que sujetan el paquete de chapas. Un generador
de corriente de este tipo se describe en la publicación alemana
para información de solicitud de patente DE10010248A1 del mismo
solicitante.
En una configuración ventajosa del dispositivo
de arranque, según la invención, montado en el generador de
corriente mencionado arriba, el imán de arranque o el dispositivo
de excitación del dispositivo de arranque es preferentemente el
imán permanente para la excitación del generador, por lo que se
puede prescindir de un dispositivo de excitación del dispositivo de
arranque, distinto del imán permanente.
Además, la al menos una bobina de arranque del
dispositivo de arranque está configurada en forma de un devanado de
estator distinto del devanado estacionario de inducido del
generador.
De un modo simple desde el punto de vista
técnico, los interruptores de corriente de bobina y los
interruptores de arranque pueden estar dispuestos en el lado
interior de la tapa de carcasa.
Una forma de realización de la presente
invención se explica a continuación por medio de los dibujos
adjuntos. Muestran:
Fig. 1 una vista esquemática en planta desde
arriba de una forma de realización de la presente invención en corte
longitudinal a través del generador del generador de corriente,
Fig. 2 una vista esquemática en planta desde
arriba de una forma de realización de la presente invención en
corte transversal según la guía de corte D-D de la
figura 1 a través del generador del generador de corriente a la
altura axial de los interruptores de corriente de bobina y los
interruptores de rueda libre,
Fig. 3 una vista esquemática en planta desde
arriba de una forma de realización de la presente invención en
corte transversal según la guía de corte C-C de la
figura 1 a través del generador del generador de corriente a la
altura axial del elemento en forma de placa,
Fig. 4 una vista esquemática en planta desde
arriba de un interruptor de corriente de bobina y de un
interruptor de rueda libre de la presente invención en corte
longitudinal según el corte B-B de la figura 2, así
como de la guía radial del elemento en forma de placa según el
corte A-A de la figura 3 y
Fig. 5 un esquema de conexiones del dispositivo
de arranque, según la invención, que muestran las figuras 1 a
4.
\vskip1.000000\baselineskip
Los elementos iguales o equivalentes están
provistos de los mismos números de referencia en las figuras.
En las figuras 1 a 4 está representada una forma
de realización del generador de corriente. Como motor de
accionamiento se tiene en cuenta preferentemente un motor diésel,
del que sólo está dibujado con líneas discontinuas el extremo del
lado de conexión de su cigüeñal 1. En el lado frontal del cigüeñal
1 está montada una rueda 2 de ventilador mediante tornillos 3. La
rueda 2 de ventilador tiene un sistema 4 de palas para generar una
corriente de aire con el fin de enfriar el motor y el
generador.
Una carcasa 5 de conexión en el lado del motor
encierra en sentido radial hacia el exterior el espacio, en el que
está instalada la rueda 2 de ventilador. Esta se encuentra abierta
hacia el motor y tiene en su lado opuesto una brida anular 6 con
taladros roscados para atornillar tornillos 7 de fijación con el
fin de conectar la carcasa cilíndrica 8 de generador, en la que
ésta se sujeta de forma plana en ambos lados frontales. Los
tornillos 7 de fijación están dispuestos, repartidos por el
contorno, en el lado interior de la carcasa 8 de generador y
sujetan la carcasa a todo lo largo. En el extremo de la carcasa 8
de generador, situado a la izquierda en el dibujo, está prevista
una tapa 9 de carcasa de generador que en varillas sobresalientes
radialmente hacia el interior presenta un anillo interior 10 de
tapa, en el está fijado el estator 11 del generador. Las espigas de
los tornillos 7 de fijación pasan a través de taladros en la tapa 9
de carcasa de generador. En sus extremos roscados libres 12 están
enroscadas tuercas 13 que sirven para fijar la tapa 9 de carcasa de
generador en la carcasa 8 de generador.
Mientras que según el presente ejemplo de
realización están previstos ocho tornillos 7 de fijación,
repartidos por el contorno, para la fijación del estator en el
anillo interior 10 de tapa resultan suficientes seis tornillos 14
de estator, pasados a través de taladros del paquete de chapas del
estator 11 y atornillados con la tapa 9 de carcasa. El estator 11
se fija de este modo en la carcasa, sujetándose el paquete de
chapas, que forma el estator 11, mediante los tornillos 14 de
estator.
En secciones correspondientes 16 del paquete de
chapas del estator 11 están alojadas fases de devanado del devanado
de corriente trifásica del generador.
El estator 11 está rodeado por el rotor 17,
construido asimismo de un paquete de chapas que se sujeta mediante
tornillos 18 de sujeción atornillados con un extremo roscado 19,
situado en el lado del motor, en taladros roscados correspondientes
de la rueda 2 de ventilador. Entre la rueda de ventilador y el lado
asignado del rotor 17 se sujetan manguitos 20 de apoyo colocados
sobre los tornillos 18 de sujeción. De este modo, el rotor 17 queda
unido de manera resistente al giro con la rueda 2 de ventilador. En
su contorno interior forma un entrehierro estrecho con una anchura
aproximada de 2 mm respecto al estator 11. El rotor 17 tiene además
escotaduras 22 continuas en dirección axial, aproximadamente de
forma circular, que discurren dentro de dos segmentos y en las que
están insertados elementos magnéticos 23 por ambos lados, que son
responsables de la excitación magnética del generador.
Según la figura 3, los imanes permanentes 23
están insertados en las escotaduras 22 de manera que estos,
repartidos de modo poligonal y situados muy juntos, forman los dos
polos. La subdivisión de un polo en pequeños elementos magnéticos
posibilita su fabricación económica. Su montaje se facilita
considerablemente mediante un enclavamiento magnético adecuado que
se genera de manera temporal para fines de montaje. Los elementos
magnéticos individuales 23 se pueden insertar casi sin usarse la
fuerza en las escotaduras previstas para esto. En este caso resulta
innecesaria una fijación especial de los elementos magnéticos 23,
pues estos se sujetan durante el funcionamiento por sus propias
fuerzas magnéticas en dirección axial y se apoyan en las
escotaduras, soportando sin problemas las fuerzas centrífugas que
se originan durante el funcionamiento.
Según se puede observar en la figura 1, un
interruptor 24 de corriente de bobina para unir una bobina de
arranque con una fuente de corriente o separarla de ésta (no
mostrada) está fijado en la tapa 9 de carcasa. En el rotor 17 está
colocado además de manera resistente al giro un elemento 25 en
forma de placa que se encuentra en una posición opuesta al
interruptor 24 de corriente de bobina. En la posición opuesta
mostrada entre el interruptor 24 de corriente de bobina y el
elemento 25 en forma de placa existe una interacción magnética
suficiente entre el interruptor 24 de corriente de bobina y el
elemento 25 en forma de placa para llevar el interruptor 24 de
corriente de bobina a su estado de conexión cerrado.
La vista según la figura 2 muestra la tapa 9 de
carcasa de generador, fijada mediante los tornillos 7 de fijación
sobre la carcasa cilíndrica 8 de generador de forma plana en la
brida anular 6 de la carcasa 5 de ventilador o conexión,
discurriendo el corte axial a través del generador a la altura de
los interruptores de corriente de bobina o interruptores de rueda
libre según el corte D-D de la figura 1. En la tapa
9 de carcasa están fijados los tres interruptores S1, S3, S5 de
corriente de bobina y los tres interruptores S2, S4, S6 de rueda
libre, estando dispuesto respectivamente un interruptor de rueda
libre al lado de un interruptor de corriente de bobina. Alrededor
de las ranuras 16 del estator 11 están enrolladas tres bobinas 26,
27, 28 de arranque. Las tres bobinas de arranque se encuentran
dispuestas de modo que en su dirección de actuación, visto en
dirección de giro del rotor, presentan una distancia angular de
120º respectivamente. A cada bobina de arranque está asignado un
par de interruptores, integrado en cada caso por un interruptor de
corriente de bobina y un interruptor de rueda libre. Los pares de
interruptores están repartidos de manera equidistante respecto al
contorno del rotor.
El elemento en forma de placa está representado
en la figura 3 en forma de dos segmentos 31, 32 de disco. Uno de
los dos segmentos 31 de disco (mostrado a la izquierda del dibujo)
se somete a una carga elástica mediante los dos muelles 33, 34 de
brazos en dirección al eje 15 de giro del rotor. A tal efecto, el
primer muelle 34 de brazos está fijado con su extremo 38 en espiral
en el rotor 17, mientras que su extremo 37 de brazo queda
suspendido del segmento 31 de disco. El segundo muelle 33 de brazos
está fijado con su extremo 36 en espiral en el rotor 17, mientras
que su extremo 35 de brazo queda suspendido del segmento 31 de
disco.
El otro de los dos segmentos 32 de disco
(mostrado a la derecha del dibujo) se somete a una carga elástica
mediante los dos muelles 39, 40 de brazos en dirección al eje 15 de
giro del rotor. A tal efecto, el primer muelle 39 de brazos está
fijado con su extremo 41 en espiral en el rotor 17, mientras que su
extremo 42 de brazo queda suspendido del segmento 32 de disco. El
segundo muelle 40 de brazos está fijado con su extremo 43 en
espiral en el rotor 17, mientras que su extremo 44 de brazo queda
suspendido del segmento 32 de disco.
La posición, mostrada en la figura 3, de los dos
segmentos 31, 32 de disco equivale a la posición durante un giro
del rotor con un número de revoluciones superior a 350 U/min. Con
este número de revoluciones, los dos segmentos 31, 32 de disco se
desplazaron en contra de la fuerza elástica de sus respectivos
muelles 33, 34, 39, 40 de brazos en dirección radial de tal modo
que ya no existe una interacción magnética suficiente entre los
interruptores de corriente de bobina o los interruptores de rueda
libre y los segmentos 31, 32 de disco para llevar los interruptores
de corriente de bobina o los interruptores de rueda libre a su
respectivo estado de conexión cerrado. Un interruptor 24 de
corriente de bobina está representado con líneas discontinuas, de
modo que se aclara la posición de los segmentos 31, 32 de disco
relativamente respecto a los respectivos interruptores.
El movimiento, causado por la fuerza centrífuga,
de los dos segmentos 31, 32 de disco en dirección radial se
realiza dentro de una guía radial mostrada en la figura 4, en la
imagen inferior que se corresponde con un corte A-A
según la figura 3. El elemento 31 en forma de placa está guiado en
una guía 45 en U, provista de un tope inferior y de un tope
superior. El elemento en forma de placa entra en contacto aquí con
el tope inferior cuando la fuerza centrífuga no es capaz de superar
la fuerza elástica de los muelles de brazos. Por la otra parte, el
elemento en forma de placa se presiona contra el tope superior al
existir una fuerza centrífuga suficientemente alta.
Los dos segmentos 31, 32 de disco ocupan en
general un intervalo angular de 120º. Bajo la premisa de que los
segmentos 31, 32 de disco cierran consecutivamente en una secuencia
temporal los interruptores S1, S3 y S5 de corriente de bobina,
primero se alimenta de corriente el primer devanado 26, formando
así un par, 120º más tarde se alimenta de corriente el segundo
devanado 27, formando así un par y otros 120º más tarde se alimenta
de corriente el tercer devanado 28, formando así un par. Como cada
una de las bobinas 26, 27, 28 de arranque forma de por sí un par
positivo al alimentarse de corriente en un intervalo angular de
180º, 2 bobinas de arranque pueden formar entonces de manera
conjunta un par en un intervalo de intersección de 60º
respectivamente. Si la primera bobina 26 de arranque, por ejemplo,
comienza a generar en un ángulo de referencia 0º un par en
dirección positiva, la segunda bobina 27 de arranque comienza
también a generar 120º más tarde un par en dirección positiva,
mientras que la primera bobina 26 de arranque forma un par positivo
en total para 180º, por lo que en el intervalo angular de 120º a
180º, la primera bobina 26 de arranque y la segunda bobina 27 de
arranque forman de manera conjunta un par en dirección positiva.
Este aumento del par se puede usar ventajosamente para superar un
gran trabajo de compresión, por ejemplo, en el caso de un motor
diésel, y garantiza que durante la transferencia de corriente del
devanado 26 al devanado 27 no se produzca un vacío de corriente o
pares.
La imagen superior de la figura 4 muestra en el
corte longitudinal B-B según la figura 2 un par
integrado por un interruptor S1 de corriente de bobina y un
interruptor S2 de rueda libre que están fijados en la tapa 9 de
carcasa. El interruptor S1 de corriente de bobina está construido
del mismo modo que el interruptor S2 de rueda libre, es decir, el
interruptor de corriente de bobina y el interruptor de rueda libre
tienen una construcción igual. Ambos interruptores están equipados
con un imán 46, 47 de conexión que se puede desplazar en las
direcciones indicadas de las flechas alternas en contra de una
fuerza de retroceso, lo que conecta los interruptores. Si el
segmento de disco ejerce una interacción magnética suficiente con
los imanes de conexión, el imán 47 de conexión del interruptor S1
de corriente de bobina y el imán 46 de conexión del interruptor S2
de rueda libre son atraídos y movidos (en la figura 4 hacia abajo)
por el segmento de disco, llevándose así los interruptores a su
respectivo estado de conexión cerrado. En caso de una disposición
correspondiente de los dos interruptores relativamente respecto a
la dirección de giro del rotor, primero se conecta el interruptor
de corriente de bobina y a continuación el interruptor de rueda
libre.
La figura 5 muestra un esquema de conexiones del
dispositivo de arranque, según la invención, que está representado
en las figuras 1 a 4. Según se puede observar en el esquema de
conexiones, las tres bobinas 26, 27, 28 se pueden unir con una
fuente 48 de corriente. Para poner en funcionamiento el dispositivo
de arranque, se ha de cerrar primero un interruptor principal 49. A
fin de unir la primera bobina 26 con la fuente 48 de corriente al
estar cerrado el interruptor principal 49, se ha de cerrar el
interruptor S1 de corriente de bobina conectado a continuación de
la primera bobina 26. A fin de unir la segunda bobina 27 con la
fuente 48 de corriente al estar cerrado el interruptor principal
49, se ha de cerrar el interruptor S3 de corriente de bobina
conectado a continuación de la segunda bobina 27. A fin de unir la
tercera bobina 28 con la fuente 48 de corriente al estar cerrado el
interruptor principal 49, se ha de cerrar el interruptor S5 de
corriente de bobina conectado a continuación de la tercera bobina
28. El circuito de conexión está unido además con la masa 56.
La primera bobina 26 se puede unir con el primer
circuito 50 de rueda libre que presenta un diodo 51. A tal efecto,
sólo se ha de cerrar el interruptor S2 de rueda libre. Asimismo, la
segunda bobina 27 se puede unir con el segundo circuito 52 de rueda
libre que presenta un diodo 53. A tal efecto, sólo se ha de cerrar
el interruptor S4 de rueda libre, Del mismo modo se puede unir la
tercera bobina 28 con el tercer circuito 54 de rueda libre que
presenta un diodo 55. A tal efecto, sólo se ha de cerrar el
interruptor S6 de rueda libre.
\vskip1.000000\baselineskip
La presente lista de referencias que cita el
solicitante es sólo para comodidad del lector. La misma no forma
parte del documento de patente europea. A pesar de que se ha
prestado gran atención a la hora de recopilar las referencias, no
se pueden excluir errores u omisiones y la OEP niega toda
responsabilidad en este sentido.
\bullet DE 10228225 A1 [0001]
\bullet US 5001412 A [0009]
\bullet DE 10018467 A1 [0009]
\bullet DE 10010248 A1 [0030]
Claims (15)
1. Dispositivo de arranque para un generador de
corriente como unidad constituida por un motor de combustión
interna y un generador, en el que el rotor (17) del generador está
acoplado de forma resistente al giro con el cigüeñal (1) del motor
de combustión interna, comprendiendo el dispositivo de arranque al
menos una bobina (26, 27, 28) de arranque dispuesta en un rotor
(17) o un estator (11) del generador y al menos un imán de arranque
que interactúa, formando un par, con un campo magnético de bobina
de la bobina (26, 27, 28) de arranque alimentada de corriente y que
está dispuesto en el otro rotor (17) o el otro estator (11),
caracterizado porque el dispositivo de arranque presenta
además al menos un interruptor estacionario (S1, S3, S5) de
corriente de bobina con dos estados de conexión para unir la bobina
(26, 27, 28) de arranque a una fuente de corriente o para separar
la bobina (26, 27, 28) de arranque de ésta y al menos un elemento
de accionamiento de interruptor, dispuesto de forma resistente al
giro en el rotor (17), que interactúa de forma magnética con el
interruptor (S1, S3, S5) de corriente de bobina y es adecuado para
conectar el interruptor (S1, S3, S5)
de corriente de bobina en uno de sus dos estados de conexión en dependencia de la posición angular del rotor.
de corriente de bobina en uno de sus dos estados de conexión en dependencia de la posición angular del rotor.
2. Dispositivo de arranque según la
reivindicación 1, caracterizado porque el elemento de
accionamiento de interruptor es adecuado para conectar a la vez
varios, especialmente dos, interruptores (S1, S3, S5) de corriente
de bobina en un estado de conexión correspondiente.
3. Dispositivo según la reivindicación 1 ó 2,
caracterizado porque el interruptor (S1) de corriente de
bobina está equipado con un imán (47) de conexión desplazable en
contra de una fuerza de retroceso, conectándose el interruptor (S1)
de corriente de bobina mediante su desplazamiento, siendo adecuado
el imán (47) de conexión para interactuar, a fin de lograr su
desplazamiento, con un elemento de accionamiento del interruptor
realizado como un elemento (25) en forma de placa a partir de un
material magnético o ferromagnético, especialmente hierro.
4. Dispositivo de arranque según la
reivindicación 3, caracterizado porque el elemento (25) en
forma de placa está disponible en forma de al menos un segmento
(31) de disco.
5. Dispositivo de arranque según la
reivindicación 3 ó 4, caracterizado porque el rotor (17)
presenta una guía radial (45) para el elemento (25) en forma de
placa.
6. Dispositivo de arranque según una de las
reivindicaciones 2 a 4, caracterizado porque el rotor (17)
está equipado con al menos un elemento elástico (33; 34) de muelle
que se encuentra fijado por un extremo en el rotor y por su otro
extremo, en el elemento (25) en forma de placa, sometiéndose así el
elemento (25) en forma de placa de manera elástica a la presión de
un muelle en dirección radial, hacia el eje de giro del rotor
(17).
7. Dispositivo de arranque según la
reivindicación 6, caracterizado porque el elemento (25) en
forma de placa puede asumir por encima de un número predefinible de
revoluciones del rotor (17), debido a la fuerza centrífuga que
actúa, una posición. en la que el imán (47) de conexión del
interruptor (S1) de corriente de bobina no se puede desplazar
mediante la interacción magnética con el elemento (25) en forma de
placa.
8. Dispositivo de arranque según una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque una
bobina (26) de arranque se puede unir mediante un interruptor (S2)
de rueda libre con dos estados de conexión a un circuito de rueda
libre que presenta un diodo (51).
9, Dispositivo de arranque según la
reivindicación 8, caracterizado porque el interruptor (S2)
de rueda libre está equipado con un imán (46) de conexión
desplazable en contra de una fuerza de retroceso, conectándose el
interruptor (S2) de rueda libre mediante su desplazamiento, siendo
adecuado el imán (46) de conexión para interactuar, a fin de lograr
su desplazamiento, con el elemento de accionamiento del interruptor
realizado como un elemento (25) en forma de placa a partir de un
material magnético o ferromagnético, especialmente hierro.
10. Dispositivo de arranque según la
reivindicación 9, caracterizado porque el elemento (25) en
forma de placa puede asumir por encima de un número predefinible de
revoluciones del rotor (17), debido a la fuerza centrífuga que
actúa, una posición, en la que el imán (46) de conexión del
interruptor (S2) de rueda libre no se puede desplazar mediante la
interacción magnética con el elemento (25) en forma de placa.
11. Dispositivo de arranque según una de las
reivindicaciones precedentes 8 a 10, caracterizado porque el
interruptor (S2) de rueda libre está conectado a continuación del
interruptor (S1) de corriente de bobina en dirección de giro del
rotor (17).
12. Dispositivo de arranque según una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque éste
comprende tres bobinas (26, 27, 28) de arranque que en sus
direcciones de actuación, visto en dirección de giro del rotor
(17), presentan una distancia angular de 120º respectivamente.
13. Dispositivo de arranque según una de las
reivindicaciones precedentes para un generador de corriente que
- -
- presenta un devanado estacionario de inducido e imanes permanentes (23) dispuestos en el rotor (17) para la excitación del generador,
- -
- el rotor (17), como rotor exterior, forma el volante del motor diésel y el estator (11) soporta el devanado de inducido y está dispuesto dentro del rotor (17),
- -
- el rotor (17) está montado en una rueda (2) de ventilador que, por su parte, está abridada en el lado frontal al cigüeñal (1) del motor de accionamiento,
- -
- el estator (11) está configurado como paquete de chapas de hierro que soporta el devanado de inducido y está atornillado con un anillo interior (10) de una tapa (9) de carcasa de generador mediante tornillos (14) de estator que están guiados a través de taladros en su paquete de chapas y que sujetan el paquete de chapas y
- -
- el rotor (17) está configurado como paquete de chapas de hierro que soporta los imanes permanentes (23) para la generación de un campo magnético rotatorio y está atornillado varias veces en el contorno con la rueda (2) de ventilador mediante tornillos (18) de sujeción que están guiados a través de taladros en su paquete de chapas y que sujetan el paquete de chapas.
14. Dispositivo de arranque según la
reivindicación 13, caracterizado porque el imán de arranque
del dispositivo de arranque es el imán permanente para la
excitación del generador.
15. Dispositivo de arranque según la
reivindicación 13 ó 14, caracterizado porque la al menos una
bobina (26) de arranque está configurada en forma de un devanado de
estator distinto del devanado estacionario de inducido del
generador.
16. Dispositivo de arranque según una de las
reivindicaciones 13 a 15, caracterizado porque el
interruptor (S1) de corriente de bobina y el interruptor (S2) de
rueda libre están dispuestos en el lado interior de la tapa (9) de
carcasa.
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