ES2595327T3 - Máquinas eléctricas - Google Patents

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ES2595327T3 ES07732496.0T ES07732496T ES2595327T3 ES 2595327 T3 ES2595327 T3 ES 2595327T3 ES 07732496 T ES07732496 T ES 07732496T ES 2595327 T3 ES2595327 T3 ES 2595327T3
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Kais Atallah
Jan Jozef Rens
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Abstract

Una máquina eléctrica que comprende primeros (502) y segundos elementos móviles (506) que interactúan de una manera engranada magnéticamente, en la que una primera pluralidad de imanes permanentes (504) se asocia con los primeros elementos móviles (502); y un enrollamiento (514) montado en un armazón estacionario que soporta una segunda pluralidad de imanes permanentes (510), en el que el enrollamiento está dispuesto para interactuar con el armónico primero/fundamental del campo magnético de la primera pluralidad de imanes permanentes (504).

Description

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DESCRIPCION
Maquinas electricas Campo de la invencion
La presente invencion se refiere a maquinas electricas.
Antecedentes de la invencion
Las publicaciones de solicitud de patente EP0945963A2, EP1117173A y EP1528659A divulgan una maquina electrica con dos rotores de iman permanente accionados mediante una unica unidad de bobina.
Las cajas de engranaje mecanicas se usan ampliamente para hacer coincidir la velocidad operativa de maquinas motrices con los requisitos de sus cargas tanto para incrementar la velocidad rotativa tal como, por ejemplo, en generadores accionados por viento o reducir la velocidad rotativa tal como, por ejemplo, en una disposicion de propulsion de embarcacion electrica. Normalmente es mas rentable para el coste y peso emplear una maquina electrica de alta velocidad junto con una caja de engranaje mecanica para lograr caractensticas requeridas de velocidad y par de torsion. Sin embargo, mientras que tal maquina electrica de alta velocidad junto con una caja de engranaje mecanica permite conseguir altas densidades de par de torsion del sistema, tales cajas de engranajes mecanicas normalmente requieren lubricacion y enfriamiento. Ademas, la fiabilidad tambien puede ser un problema significativo. Por consiguiente, las maquinas electricas de accionamiento directo se emplean en aplicaciones donde no puede usarse una caja de engranaje mecanica.
Existen diversas tipologfas de maquina electrica de accionamiento directo. Una de tales tipologfas es la maquina (de campo transversal) homopolar lineal/rotativa de iman permanente (TFM) que se conoce que ofrece la densidad mas alta de par de torsion/fuerza. Una TFM rotativa tiene una densidad de par de torsion en el intervalo de 4060 kNm/m3 Las maquinas homopolares tienen inherentemente malos factores de energfa que estan en el orden de 0,3-0,45, lo que hace que no sean adecuadas para la generacion de energfa electrica. Ademas, necesitan una capacidad significativamente mayor de conversor de voltios-amperios para aplicaciones de motor.
Es un objeto de realizaciones de la presente invencion mitigar al menos uno o mas de los anteriores problemas de la tecnica anterior.
Sumario de la invencion
La invencion se define mediante las caractensticas de las reivindicaciones independientes. Las realizaciones preferentes se definen en las reivindicaciones dependientes.
Ventajosamente, las maquinas electricas o electromecanicas de acuerdo con realizaciones de la presente invencion exhiben altas densidades de par de torsion y/o fuerza que son significativamente mayores que las maquinas electricas convencionales lineales/rotativas de alto rendimiento que son al menos tan altas como las maquinas homopolares o TFM. Sin embargo, a diferencia de las maquinas homopolares o TFM, las realizaciones de la presente invencion tienen un factor relativamente alto de energfa. Algunas realizaciones exhiben un factor de energfa de 0,9 o superior.
Breve descripcion de los dibujos
Las realizaciones de la presente invencion se describiran ahora, a modo de ejemplo unicamente, en referencia a los dibujos adjuntos en los que
La Figura 1 representa esquematicamente un engranaje magnetico rotativo conocido;
La Figura 2 ilustra armonicos magneticos asociados con el conjunto de la Figura 1;
La Figura 3 muestra esquematicamente un conjunto de la tecnica anterior que comprende un generador electrico combinado con un engranaje magnetico;
La Figura 4 representa esquematicamente una maquina electrica y un engranaje magnetico combinados de acuerdo con una realizacion;
La Figura 5 representa una maquina electrica y un engranaje magnetico combinados de acuerdo con una realizacion preferente;
La Figura 6 muestra una vista en seccion axial de la maquina electrica de la Figura 5;
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La Figura 7 ilustra armonicos magneticos asociados con la maquina electrica y el engranaje magnetico combinados de las Figuras 5 y 6;
La Figura 8 ilustra una maquina electrica de acuerdo con una realizacion adicional; y
La Figura 9 muestra armonicos magneticos asociados con la maquina electrica y el engranaje magnetico combinados de la Figura 8.
Descripcion de las realizaciones preferentes
La Figura 1 muestra un engranaje magnetico 100 rotativo que comprende un primer rotor o rotor interior 102, un segundo rotor o rotor exterior 104 y un numero de piezas de polo 106, conocidas de otra manera como una interferencia o medio de interferencia. El primer rotor 102 comprende un soporte 108 que soporta un primer numero respectivo de imanes permanentes 110. En el engranaje magnetico ilustrado, el primer rotor 102 comprende 8 imanes permanentes o 4 parejas de polos dispuestas para producir un campo magnetico variable espacialmente. El segundo rotor 104 comprende un soporte 112 que soporta un segundo numero respectivo de imanes permanentes 114. El segundo rotor 104 ilustrado comprende 46 imanes permanentes o 23 parejas de polos dispuestas para producir un campo variable espacialmente. El primer y segundo numero de imanes permanentes son diferentes. Por consiguiente, existira un acoplamiento o interaccion magnetica muy pequena o nada util entre los imanes permanentes 112 y 114 de manera que la rotacion de un rotor no provoque la rotacion del otro rotor.
Las piezas de polo 106 se unen para permitir que los campos de los imanes magneticos 110 y 114 interactuen. Las piezas de polo 106 modulan los campos magneticos de los imanes permanentes 110 y 114 para que interactuen hasta el punto de que la rotacion de un rotor induzca la rotacion del otro rotor de una manera engranada. La rotacion del primer rotor a una velocidad w inducira la rotacion del segundo rotor a una velocidad W2 donde w-i > W2 y viceversa.
La Figura 2 muestra un espectro armonico 200 de la distribucion espacial de la densidad de flujo magnetico de los imanes permanentes 110 juntados en el rotor interior 102 del engranaje magnetico 100 de la Figura 1, en el hueco de aire adyacente a los imanes permanentes 114 montados en el rotor exterior 104. Puede apreciarse que el espectro 200 comprende un primer armonico o armonico fundamental 202 asociado con los imanes permanentes 110 del primer rotor 102. Las piezas de polo 106 modulan el campo magnetico de los imanes permanentes 110. Para los imanes permanentes 110, por ejemplo, eso tiene como resultado un armonico asincronico 204 relativamente grande que tiene el mismo numero de polos que los imanes permanentes 114, lo que permite el acoplamiento entre los primeros 102 y segundos 104 rotores de manera que el movimiento de uno induzca el movimiento del otro, de una manera engranada.
Sin embargo, el componente fundamental 202 asociado con los imanes permanentes 110 del primer rotor 102 siempre esta presente y es la fuente de la gran mayona de perdidas electromagneticas asociadas con los engranajes magneticos.
Un experto en la materia entiende como seleccionar y disenar las piezas de polo 106, dados los primeros 110 y segundos 114 imanes permanentes, para lograr el circuito o acoplamiento magnetico necesario de manera que se consiga como resultado el engranaje entre los primeros 102 y segundos 104 rotores tal como puede apreciarse en, por ejemplo, K. Atallah, D. Howe, "A novel high-performance magnetic gear", IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 37, N.° 4, pag. 2844-2846, 2001 y K. Atallah, S. D. Calverley, D. Howe, "Design, analysis and realisation of a high performance magnetic gear", IEE Proceedings - Electric Power Applications, Vol. 151, pag. 135-143, 2004.
La Figura 3 muestra un conjunto conocido 300 que comprende un generador/motor electrico 302 combinado con un engranaje magnetico 304. El engranaje magnetico 304 es sustancialmente similar al descrito antes en referencia a la Figura 1. Tal conjunto se representa y describe en diversas realizaciones en el documento US 6794781. El generador/motor electrico 302 comprende un armazon central 306 con un respectivo enrollamiento de 3 fases 306a- 306l. El conjunto 300 comprende un primer rotor o rotor exterior 310 que comprende imanes permanentes 312 montados en un sustrato 314 tal como, por ejemplo, un contrahierro. Los imanes permanentes 312 se acoplan, de manera engranada, a un numero de imanes permanentes 316 del rotor segundo/interior 318. Los imanes permanentes 316 se montan en un soporte 320. El circuito o acoplamiento magnetico establecido entre los imanes permanentes 316 de rotor interior 318 y los imanes permanentes 312 del rotor exterior 310 se consigue usando una pluralidad de piezas de polo 322 que estan sustancialmente, igualmente y circunferencialmente dispuestas en relacion entre sf. Los imanes permanentes del segundo rotor 318 se acoplan con el enrollamiento de 3 fases 306a- 306l para operaciones de motor/generador. El rotor exterior 310 puede rotar. Las piezas 322 estan fijas, el rotor interior 318 puede rotar y el armazon central 306 esta fijo.
La Figura 4 muestra el principio de funcionamiento de la maquina electrica 400 de acuerdo con las realizaciones de la presente invencion. La maquina electrica 400 comprende un rotor primero o interior 402 que tiene un soporte 404 que soporta una primera pluralidad de imanes permanentes 406. En la realizacion mostrada, se usan los imanes permanentes que tienen 10 polos. Sin embargo, las realizaciones no se limitan al uso de tal numero de imanes
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permanentes. Pueden conseguirse realizaciones que usan un numero diferente de imanes permanentes. La maquina electrica 400 comprende un segundo rotor 408 en la forma de una pluralidad de piezas de polo ferromagneticas. Las piezas de polo 408 estan dispuestas para acoplar magneticamente los imanes permanentes 406 del rotor primero/interior 402 con una pluralidad de imanes permanentes 410 que se fijan en un numero de puntas dentadas 412 de respectivos dientes 414 formando por tanto un estator 416. En la realizacion mostrada, 60 imanes permanentes se fijan a las puntas dentadas 412. La realizacion comprende 15 dientes 414 con respectivas puntas dentadas 412. Se apreciara que las realizaciones no se limitan a tal numero de imanes permanentes y dientes. Pueden conseguirse realizaciones que comprenden un numero diferente de imanes permanentes y dientes.
Las piezas de polo 408 pueden rotar, es decir, forman un rotor. El rotor interior 402 puede rotar. Los dientes 414 y los imanes permanentes 410 asociados estan fijos. El acoplamiento entre los imanes permanentes 406 y los imanes permanentes 410 se consiguen usando las piezas de polo rotativas 408. Asociada con el estator 416 se encuentra una pluralidad de enrollamientos de 3 fases 1, 1', 2, 2' y 3, 3'. Los enrollamientos de 3 fases, y corrientes asociadas, estan dispuestos para crear campos magneticos que se acoplan con o forman circuitos magneticos con el armonico primero o fundamental de los imanes permanentes 406 asociados con el rotor interior 402. En la realizacion ilustrada, el armonico primero/fundamental correspondiente a los imanes permanentes 406 tiene cinco parejas de polos.
Al utilizar el armonico fundamental sin usar hasta este momento asociado con el rotor interior 402, la densidad y eficacia del par de torsion de la maquina electrica mejoran en gran medida. Las realizaciones proporcionan un factor de energfa mejorado de sustancialmente 0,9 (max. 1), que representa aproximadamente un incremento del 200 %- 300 % en el factor de energfa de la maquina electrica en comparacion con las TFM.
La Figura 5 muestra una maquina electrica 500 de acuerdo con una realizacion preferente de la presente invencion. La maquina electrica 500 comprende un rotor interior 502 que soporta un numero de imanes permanentes 504. En la realizacion ilustrada, se usan 4 imanes permanentes de polo. Sin embargo, pueden conseguirse realizaciones que usan un numero diferente de imanes permanentes. La maquina electrica 500 comprende un rotor exterior 506 que soporta un numero de piezas de polo ferromagneticas 508. En la realizacion ilustrada, el rotor exterior 506 soporta 23 piezas de polo que permiten el acoplamiento magnetico entre los imanes permanentes 504 del rotor interior 502 y un numero de imanes permanentes 510 que se montan en un estator 512. El estator 512 comprende enrollamientos de 3 fases 514a-514b asociados con cada uno de una pluralidad de dientes 516. Los enrollamientos se acoplan magneticamente con el primer armonico de los imanes permanentes 504. En la realizacion preferente, el enrollamiento tiene 3 fases, pero puede igualmente ser algun otro tipo de enrollamiento tal como, por ejemplo, enrollamientos de 2 fases. La realizacion ilustrada comprende 42 polos de imanes permanentes 510 dispuestos en el estator 512. Un experto en la materia entiende que las cruces y puntos representados con respecto al enrollamiento 514a-b ilustran la polaridad de las bobinas. Las piezas de polo 508 del rotor exterior 506 estan dispuestas para proporcionar el engranaje entre el rotor interior 502 y el rotor exterior 506. En realizaciones preferentes, el engranaje es tal que el rotor interior 502 es un rotor de velocidad relativamente alta y el rotor exterior 506 es un rotor de velocidad relativamente baja. Las realizaciones preferentes tienen un mdice de engranaje de 11,5:1.
La Figura 6 muestra una vista en seccion axial 600 de la maquina electrica 500 mostrada en la Figura 5. Puede verse que la maquina electrica 500 comprende un alojamiento 602 que soporta, por medio de una pluralidad de cojinetes 604, un huso central 606 en el que el rotor interior 502 y los imanes permanentes 504 asociados se montan para la rotacion con el mismo. El rotor exterior 506, que comprende las piezas de polo 508 asociadas, puede montarse de manera rotativa entre el huso 606 y el alojamiento 602 por medio de respectivos cojinetes 608. Puede apreciarse que el armazon o estator 512 se fija y esta dispuesto hacia fuera en relacion con los rotores interiores y exteriores.
La Figura 7 muestra un espectro 700 de la variacion de densidad de flujo magnetico asociada con los imanes permanentes 504 en el hueco de aire adyacente a los imanes permanentes 510 de la realizacion preferente de la maquina electrica 500 de la Figura 5. Puede apreciarse que el espectro 700 comprende un primer armonico 702 asociado con los imanes permanentes 504 del primer rotor 502. Las piezas de polo 508 modulan el campo magnetico de los imanes permanentes 504 y generan un armonico asincronico 704 relativamente grande que tiene el mismo numero de polos que los imanes permanentes 510. En esta realizacion, el primer armonico 702 asociado con los imanes permanentes 704 del primer rotor 502 se acopla con los enrollamientos 514a-b para establecer la conversion de energfa electromecanica, con una densidad de par de torsion comparable a las TFM, pero con un factor de energfa mucho mayor.
La Figura 8 muestra una maquina electrica 800 de acuerdo con una realizacion adicional. La maquina electrica 800 comprende un rotor interior 802 que soporta una pluralidad de imanes permanentes 804. En la realizacion ilustrada, se ilustran imanes permanentes que tienen 4 polos, pero tambien podna usarse igualmente un numero diferente de imanes permanentes. El rotor interior 802 es preferentemente un rotor de velocidad relativamente alta. La maquina electrica 800 comprende un rotor exterior 806 que soporta una pluralidad de imanes permanentes 808. En la realizacion ilustrada, los imanes permanentes 808 que tienen 38 polos forman parte del rotor exterior 806. Sin embargo, podna usarse un numero diferente de polos de imanes permanentes 808. La maquina electrica 800 comprende un armazon estacionario 810 que soporta una pluralidad de piezas de polo 812 y enrollamientos de 3
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fases 814. El numero de piezas de polo en la realizacion es 21, aunque algun otro numero diferente de piezas de polo podna usarse en las realizaciones. Debena apreciarse que la realizacion se ha ilustrado usando un enrollamiento de 3 fases. Sin embargo, las realizaciones no se limitan a ello. Pueden conseguirse realizaciones que usan enrollamientos diferentes tales como, por ejemplo, un enrollamiento de 2 fases. El rotor segundo/exterior 806 forma un rotor de velocidad relativamente baja que se acopla magneticamente, de manera engranada, con el rotor primero/interior 802 de velocidad relativamente alta por medio de las piezas de polo 812 del armazon estacionario 810. Un experto en la materia entiende que el mdice de engranaje es 19:1 y se relaciona con el numero de parejas de polos del rotor interior 802 y el numero de piezas de polo. Se apreciara que aplicando una corriente a los enrollamientos de 3 fases 814 se provocara que el rotor 802 de alta velocidad rote, lo que a su vez provocara que el rotor 806 de baja velocidad rote. De nuevo, puede apreciarse que los enrollamientos 814a-b se acoplan con el primer armonico asociado con los imanes permanentes 804 del rotor primero/interior 802 para establecer la conversion de energfa electromecanica, con una densidad de par de torsion comparable a las TFM, pero con un factor de energfa mucho mayor.
La Figura 9 muestra un espectro 900 de la variacion de densidad de flujo magnetico asociada con los imanes permanentes 804 en el hueco de aire adyacente a los imanes permanentes 808 de la realizacion preferente de la maquina electrica 800 de la Figura 8. Puede apreciarse que el espectro 900 comprende un primer armonico 902 asociado con los imanes permanentes 804 del primer rotor 802. Las piezas de polo 812 modulan el campo magnetico de los imanes permanentes 804 y generan un armonico asincronico 904 relativamente grande que tiene el mismo numero de polos que los imanes permanentes 808. En esta realizacion, el armonico primero o fundamental 902 asociado con los imanes permanentes 904 del primer rotor 802 se acopla con los enrollamientos 814 para establecer la conversion de energfa electromecanica.
Se apreciara que las realizaciones de la invencion se han descrito en referencia a maquinas electricas. Un experto en la materia aprecia que tales maquinas electricas pueden usarse como motores o generadores. Al aplicar un suministro de 3 fases a los enrollamientos se provoca como resultado un motor electrico engranado. Sin embargo, la rotacion de uno de los rotores 502/508 u 802/806 tiene como resultado que la maquina electrica se use como un generador engranado. Ademas, aunque las anteriores realizaciones se han descrito en referencia al uso de un enrollamiento de 3 fases, las realizaciones no se limitan a tal disposicion. Pueden conseguirse realizaciones en las que se usa alguna forma diferente de enrollamiento tal como, por ejemplo, un enrollamiento de 2 fases.
Las realizaciones de la presente invencion tambien pueden conseguirse en la forma de maquinas electricas rotativas de campo radial y maquinas electricas rotativas de campo axial.

Claims (15)

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    REIVINDICACIONES
    1. Una maquina electrica que comprende
    primeros (502) y segundos elementos moviles (506) que interaction de una manera engranada magneticamente, en la que una primera pluralidad de imanes permanentes (504) se asocia con los primeros elementos moviles (502); y
    un enrollamiento (514) montado en un armazon estacionario que soporta una segunda pluralidad de imanes permanentes (510), en el que el enrollamiento esta dispuesto para interactuar con el armonico primero/fundamental del campo magnetico de la primera pluralidad de imanes permanentes (504).
  2. 2. Una maquina electrica de acuerdo con la reivindicacion 1 que comprende una pluralidad de piezas de polo (508) para modular el campo magnetico de la primera pluralidad de imanes permanentes y la segunda pluralidad de imanes permanentes (510) para permitir dicha interaccion engranada magneticamente.
  3. 3. Una maquina electrica de acuerdo con la reivindicacion 1 en la que el segundo elemento movil (506) comprende una pluralidad de piezas de polo (508).
  4. 4. Una maquina electrica de acuerdo con cualquier reivindicacion anterior en la que el enrollamiento puede hacerse funcionar para recibir una corriente para producir dicha interaccion con el armonico fundamental de la primera pluralidad de imanes permanentes (504).
  5. 5. Una maquina electrica de acuerdo con cualquier reivindicacion anterior en la que el enrollamiento puede hacerse funcionar para generar energfa en respuesta a dicha interaccion con el armonico fundamental de la primera pluralidad de imanes permanentes (504).
  6. 6. Una maquina electrica de acuerdo con cualquier reivindicacion anterior en la que los primeros y segundos elementos moviles son repetidores moviles linealmente.
  7. 7. Una maquina electrica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 en la que los primeros y segundos elementos moviles son rotores moviles rotativamente.
  8. 8. Una maquina electrica de acuerdo con la reivindicacion 7 en la que el primer elemento este dispuesto hacia dentro del segundo elemento movil.
  9. 9. Una maquina electrica de acuerdo con la reivindicacion 7 o la reivindicacion 8 en la que el armazon estacionario esta dispuesto hacia fuera de los primeros y segundos elementos moviles.
  10. 10. Una maquina electrica de acuerdo con cualquier reivindicacion anterior, en la que el rndice de engranaje es tal que el segundo elemento movil se mueve a una velocidad inferior al primer elemento movil.
  11. 11. Una maquina electrica de acuerdo con cualquier reivindicacion anterior en la que los primeros y segundos rotores moviles y el armazon estacionario estan moldeados cilrndricamente, y dispuestos concentricamente en relacion a un eje de rotacion formando por tanto una maquina electrica rotativa de campo radial.
  12. 12. Una maquina electrica de acuerdo con cualquier reivindicacion anterior, donde los primeros y segundos rotores moviles y el armazon estacionario tienen al menos una de una forma de disco o anular, y estan dispuestos axialmente a lo largo del eje de rotacion formado por tanto una maquina electrica rotativa de campo axial.
  13. 13. Una maquina electrica de acuerdo con cualquier reivindicacion anterior que comprende un factor de energfa de al menos 0,9.
  14. 14. Un metodo de generacion de energfa cinetica que usa una maquina electrica que comprende primeros (502) y segundos elementos moviles (506) que interaction de una manera engranada magneticamente, en el que una primera pluralidad de imanes permanentes (504) se asocia con el primer elemento movil (502); y un enrollamiento (514) montado en un armazon estacionario que soporta una segunda pluralidad de imanes permanentes (510), en el que el enrollamiento esta dispuesto para interactuar con el armonico primero/fundamental del campo magnetico de la primera pluralidad de imanes permanentes (504); comprendiendo el metodo:
    activar un enrollamiento dispuesto para interactuar con el campo magnetico asociado con el primer elemento movil; en el que la activacion del enrollamiento induce el movimiento del primer elemento movil y el movimiento del primer elemento movil induce el movimiento del segundo elemento movil.
  15. 15. Un metodo de generacion de electricidad que usa una maquina electrica que comprende primeros (502) y segundos elementos moviles (506) que interaction de una manera engranada magneticamente, en el que una primera pluralidad de imanes permanentes (504) se asocia con el primer elemento movil (502); y un enrollamiento
    (514) montado en un armazon estacionario que soporta una segunda pluralidad de imanes permanentes (510), en el que el enrollamiento esta dispuesto para interactuar con el armonico primero/fundamental del campo magnetico de la primera pluralidad de imanes permanentes (504), que comprende:
    5 mover el segundo elemento movil para inducir el movimiento del primer elemento movil para provocar una
    interaccion magnetica entre el armonico primero/fundamental del campo magnetico asociado con el primer elemento movil y el enrollamiento para inducir una tension en el enrollamiento.
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GB0607994 2006-04-24
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CA (1) CA2650397C (es)
DK (1) DK2011215T3 (es)
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