ROTOR DE MAQUINA ELéCTRICA DE IMANES PERMANENTES DE BAJA

INERCIA

CAMPO DE LA INVENCIóN

Esta invención se refiere a un rotor de una máquina eléctrica de imanes permanentes estructurado de manera que se evite que las líneas de flujo penetren hacia el centro del rotor y más particularmente a un rotor de baja inercia para generadores de turbinas eólicas.

ANTECEDENTES

Los generadores comúnmente empleados en las turbinas eólicas son los generadores asincronos, bien sean de rotor bobinado o de rotor de jaula o los motores síncronos de polos salientes o de rotor cilindrico. Sin embargo, de un tiempo a esta parte, parece que los generadores de imanes permanentes están siendo más utilizados por tener una serie de ventajas frente a los otros, como pueden ser el mínimo mantenimiento, y menor posibilidad de fallo de Ia máquina. Dentro de las máquinas de imanes permanentes, se distinguen los generadores de imanes permanentes en superficie y los generadores de imanes embebidos.

Los generadores de imanes en superficie están constituidos por unos cubos del rotor donde se alojan los imanes permanentes. Sea el material del rotor magnético o no, los elementos que contactan con los imanes permanentes en este tipo de generadores, deben construirse en materiales magnéticos. Estos imanes van a su vez pegados en Ia superficie de Ia virola y se zunchan con materiales del tipo de Ia fibra de carbono, vidrio o nylon.

En los generadores de imanes embebidos, los imanes están protegidos por los polos de chapa magnética y por unas cuñas situadas sobre ellos con Io que se consigue una mayor robustez tanto desde el punto de vista mecánico, ya que los imanes están totalmente protegidos, como desde el punto de vista eléctrico, ya que las corrientes necesarias para que se produzca Ia desmagnetización de los imanes son mayores que en el caso de una máquina con imanes en superficie.

Estas características hacen que los generadores de imanes embebidos sean preferibles a los generadores de imanes en superficie en aplicaciones que exijan altas velocidades de giro o en las que Ia máquina tenga que soportar unas condiciones extremas. Se conocen diversas propuestas para evitar en las máquinas eléctricas de imanes embebidos que las líneas de flujo penetren hacia el interior del rotor que tienen en común Ia interposición de un material no magnético entre los imanes y Ia parte interna del rotor.

La patente US 5,684,352 describe un rotor de imanes embebidos compuesto por varias láminas superpuestas, en cada una de las cuales coexisten zonas ferromagnéticas y no magnéticas colocadas de forma que se evitan las fugas del flujo magnético hacia zonas no deseadas del generador. Cada una de estas láminas contiene ranuras para embeber los imanes permanentes así como un orificio por donde se inserta el eje del rotor. Las láminas se realizan en una sola pieza y con un único material donde las zonas ferromagnéticas y no magnéticas se diferencian solamente en Ia estructura cristalina del material. Los imanes permanentes que van embebidos en estas láminas tienen sus polos en contacto con el material ferromagnético, y Ia cara superior e inferior con el material no magnético. Así se evitan los cortocircuitos del flujo magnético. Una vez se insertan los imanes permanentes, se fijan mediante adhesivo de resina epoxy a las láminas.

Las solicitudes US2003/0062792 y US2003/0062790 describen métodos para conformar un rotor de imanes permanentes embebidos mediante sinterizado, donde se redirigen las líneas de flujo magnético mediante las propiedades magnéticas y no conductoras de las diferentes partes del rotor. En esos rotores se evita Ia dispersión del flujo magnético hacia el interior del eje del rotor a través de una virola rotórica de material no magnético.

La solicitud US2004/0212266 describe un rotor en una sola pieza donde van embebidos los imanes permanentes y las partes no conductoras mediante las que se dirige el flujo magnético hacia el exterior. Dos importantes inconvenientes de los rotores mencionados son su gran inercia y su alto coste a cuya solución se orienta Ia presente invención.

SUMARIO DE LA INVENCIóN

La presente invención propone un rotor de una máquina eléctrica de imanes permanentes que comprende una pluralidad de imanes permanentes situados entre los polos de Ia máquina eléctrica y un cubo de rotor que comprende una virola interna y un anillo intermedio entre ella y dichos imanes, estando realizado dicho anillo intermedio en un material a-magnético con el mínimo espesor que evite pérdidas de flujo y estando realizada Ia virola interna en un material metálico con un espesor suficiente pa-ra resistir, junto con el anillo intermedio, los esfuerzos mecánicos derivados del funcionamiento del rotor.

A los efectos de Ia presente invención se entiende por un material a- magnético, aquel que evita que las líneas de campo magnético propias del imán, lleguen hasta las partes magnéticas dispuestas debajo de ellos y que por tanto, las líneas magnéticas del imán no logren atravesar el entrehierro de Ia máquina, dando lugar a una serie de pérdidas por dispersión en los imanes y, por tanto, a su infrautilización.

La máquina eléctrica puede ser un motor o un generador síncrono. Una ventaja de Ia presente invención es Ia disminución de Ia inercia rotórica porque Ia combinación de un anillo intermedio de un material a-magnético y una virola metálica tiene menor peso e inercia que una virola de un material a-magnético, especialmente en el caso de máquinas de grandes diámetros.

Otra ventaja de Ia presente invención es que se reduce el coste respecto a rotores en los que se utilizan virolas de acero inoxidable.

Otra ventaja de Ia presente invención es que, al menos con ciertos materiales a-magnéticos, no es necesario ningún mecanizado para el asentamiento de los imanes.

Otras características y ventajas de Ia presente invención se harán evidentes de Ia siguiente descripción detallada de una realización ilustrativa pero no limitativa de su objeto, en relación con las figuras que se acompañan.

BREVE DESCRIPCIóN DE LAS FIGURAS

La Figura 1a es una vista esquemática parcial en sección transversal de un rotor de imanes embebidos según Ia presente invención y Ia Figura 1 b es una vista en sección a Io largo de Ia línea A-A ^' .

La Figura 2a es una vista ampliada de una parte de Ia Figura 1a y Ia Figura 2b una vista ampliada de Ia zona de contacto entre los imanes y Ia placa de material a- magnético.

DESCRIPCIóN DETALLADA DE LA INVENCIóN

El rotor 11 según Ia realización de Ia invención que pasamos a describir consta de una pluralidad de imanes embebidos 13 que se encuentran situados entre los polos 15 de Ia máquina y unas cuñas 17 de material no magnético, y un cubo de rotor formado por una virola 21 de un material tal como acero o fundición y un anillo intermedio 23 de un material a-magnético dispuesto de manera concéntrica con dicha virola 21. Los imanes 13 están dispuestos entre los polos 15 con una cierta holgura transversal (ente polo y polo) y con una cierta holgura radial entre imán 13 y cuña 17.

El anillo intermedio 23, que puede considerarse un elemento distanciador entre los imanes 13 y Ia virola 21 puede ser una pieza continua o estar formado por una pluralidad de elementos dispuestos uno al lado de otro, bien tocando entre sí o bien con un espacio de aire entre ellos, como se observa en Ia figura 1a.

Las uniones entre los componentes del rotor se realizan mediante tornillos de acero inoxidable para que no haya dispersión.

El material a-magnético debe ser Io suficientemente rígido como para aguantar el peso del imán y tener poco peso de modo que se reduzca en gran medida el peso total del rotor y por consiguiente su inercia I =F( D ² L). El diámetro D y Ia longitud del rotor L serán función de P/w, siendo P Ia potencia generada y w a velocidad angular con Ia que gira el rotor. Esas variables definen el valor del radio del rotor y el espesor del material a-magnético para evitar Ia dispersión y, por tanto, dan indirectamente Ia inercia del rotor dependiendo de Ia masa y las dimensiones de los materiales empleados.

El espesor del anillo intermedio 23 debe ser dimensionado en función de Ia potencia de Ia máquina, de sus dimensiones, de su tensión, etc. de manera que se

consiga que las líneas de flujo magnético no lleguen a Ia virola 21 y por tanto que Ia dispersión que se produzca sea nula o Ia mínima posible.

En Ia Tabla 1 se indican valores de referencia del espesor del anillo intermedio 23 a-magnético para distintos valores de Ia potencia de Ia máquina como valores de referencia. Los valores exactos deben obtenerse realizando el correspondiente análisis de Ia máquina por elementos finitos.

Tabla 1

En una realización preferente el material a-magnético es Epoxy G11 y el anillo

23, dispuesto concéntricamente entre los imanes 13 y Ia virola 21 , tiene su borde exterior curvado 25 sin mecanizar, es decir, sin incluir asientos específicos para los imanes 13, de forma paralepipédica. Consiguientemente los imanes 13 se apoyan a Io largo de una recta 27 en el anillo intermedio 23. Actualmente y con los procesos de fabricación de las piezas de los compuestos de matriz polimérica con refuerzo fibroso, bien por moldeo o por el método de fabricación "Filament winding", se consiguen unos grados de tolerancias suficientes como para no tener que mecanizar las piezas obtenidas. Sin embargo, las fundiciones llevadas a cabo con los materiales a-magnéticos metálicos precisan de un mecanizado posterior para poder conseguir las tolerancias necesarias que impidan que los imanes puedan romperse.

La presente invención también puede realizarse con anillos intermedios de otros materiales a-magnéticos bien sean materiales metálicos, como el Aluminio, ó materi-ales compuestos de matriz polimérica y refuerzo fibroso tales como Epoxy G10 y el ya citado Epoxy G11 , o bien materiales plásticos.

Entre los materiales a-magnéticos metálicos se considera preferible el aluminio que, al requerir un mecanizado de Ia pieza, supondría un mayor coste respecto a Ia utilización de materiales compuestos que no requieren mecanizado.

Por su parte, Ia virola 21 se dimensiona de manera que asegure Ia resistencia mecánica necesaria para soportar los esfuerzos derivados del funcionamiento del rotor.

El rotor según Ia invención tiene un peso y una inercia considerablemente menores que los rotores conocidos en los que el cubo de rotor está formado por una virola de acero inoxidable como se muestra en Ia Tabla 2.

En Ia Tabla 2 se comparan los parámetros significativos de un rotor conocido con una virola de acero inoxidable de un diámetro exterior de 1286 mm con un espesor de 82 mm con un rotor según Ia invención con el mismo diámetro exterior con un anillo intermedio 23 de Epoxy G11 , un espesor de 82 mm y una virola 21 de acero estándar de un espesor de 40 mm. Se ha considerado una longitud de 600 mm.

El espesor del anillo intermedio 23 del rotor según Ia presente invención es igual al de Ia virola de acero inoxidable del rotor conocido en Ia técnica por ser el necesario desde el punto de vista magnético para que no haya dispersión.

Por su parte, el espesor de 40 mm de Ia virola 21 de acero estándar en el rotor según Ia presente invención es el espesor necesario para soportar los esfuerzos de sobrevelocidad de Ia máquina y el peso de los imanes.

Tabla 2

La Tabla 3 muestra Ia disminución de peso e inercia que se consigue con el rotor según Ia invención.

Tabla 3

Del análisis de los datos de las Tablas 2 y 3 se deduce que Ia reducción del peso y de Ia inercia, se produce especialmente para el caso de máquinas de grandes diámetros y longitudes de paquete estatórico cortas.

Aunque Ia presente invención se ha descrito por entero en conexión con realizaciones preferidas, es evidente que se pueden introducir aquellas modificaciones que estén comprendidas en el ámbito de Ia invención, no considerando como limitativas estas realizaciones, según las reivindicaciones siguientes.