Generador eléctrico y procedimiento de montaje de un aerogenerador dotado de dicho generador.

Generador eléctrico (1) para un aerogenerador, que tiene un bastidor (7),

un rotor (2) y un estator (3),cuyo rotor (2) está formado por una estructura a la que está acoplada una pluralidad de módulos portadores deimanes (4), pudiendo los módulos portadores de imanes (4) desplazarse radialmente con respecto al eje central delgenerador (1) entre al menos:

- una posición retraída, y

- una posición extendida en la que la distancia entre los módulos portadores de imanes (4) y el estator (3) es igual alespesor del entrehierro,

caracterizado porque, en la posición retraída de los módulos portadores de imanes (4), la distancia entre losmódulos portadores de imanes (4) y el estator (3) es sustancialmente mayor que el espesor del entrehierro parafacilitar las operaciones de transporte y montaje.

Generador eléctrico y procedimiento de montaje de un aerogenerador dotado de dicho generador

OBJETO DE LA INVENCIÓN

El objeto de la presente invención es un generador que tiene un rotor que comprende unos módulos portadores de elementos de excitación del rotor, por ejemplo, imanes, desplazables radialmente con respecto al eje del generador de modo que, cuando están en su posición retraída, se facilita significativamente el transporte y montaje del generador. El

uso de estos módulos portadores de imanes desplazables es especialmente útil en generadores de tipo Direct Drive que no requieren multiplicadora.

Otro objeto de la invención es un procedimiento de montaje de un aerogenerador que comprende un generador dotado de dichos módulos portadores de elementos de excitación del rotor desplazables radialmente.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Hasta la actualidad, la mayoría de los aerogeneradores usaban una multiplicadora para aumentar la velocidad de giro del eje acoplado al generador. Sin embargo, la tendencia actual en la fabricación de aerogeneradores de potencias cada vez

mayores es la supresión de la multiplicadora en el sistema de conversión de potencia, con el objeto de reducir el número de componentes y las necesidades de mantenimiento. Esto implica que la velocidad de giro es baja, al coincidir con la del rotor eólico (de 10 a 12 rpm de velocidad máxima para una máquina de 6 MW) , y que el par desarrollado por el aerogenerador es, a su vez, muy grande. Estos tipos de generadores sin multiplicadora se denominan habitualmente “Direct Drive”.

Las dimensiones de estos tipos de generadores eléctricos (diámetro y longitud) dependen del par desarrollado, siendo en general preferible aumentar el diámetro en relación con la longitud con el fin de optimizar el peso y el coste de las partes activas (cobre e imanes permanentes, así como material magnético) . Esto implica que las dimensiones de un generador eléctrico Direct Drive son frecuentemente mucho mayores que las de generadores convencionales, apareciendo complicaciones relacionadas con el transporte por carretera y/o ferrocarril y el montaje en campo. La solución más habitual es el diseño de generadores eléctricos en los que el estator, el rotor o ambos son modulares.

Además, para aumentar el campo magnético y optimizar la cantidad de materiales activos, el espesor del entrehierro ha de ser lo más pequeño posible. Al mismo tiempo, para que el par desarrollado sea constante, las dimensiones del

entrehierro han de ser constantes, es decir, no han de variar debido a las vibraciones del rotor eólico y del eje mecánico. Como consecuencia, para garantizar un espesor de entrehierro mínimo y constante, una de las soluciones más frecuentes en el diseño de la estructura del generador ha sido dotarla de una gran rigidez, lo que conlleva que el peso del conjunto resulte muy elevado.

En definitiva, dos de los principales requisitos que debe cumplir un generador Direct Drive son un diseño modular que permita su transporte por carretera y un diseño estructural que asegure un entrehierro constante y un peso moderado. Existen diferentes referencias en el estado de la técnica de generadores de grandes dimensiones y modulares que tratan de resolver estos problemas, algunas de las cuales se mencionan brevemente a continuación.

La solicitud EP 2063115 propone un diseño de generador con estator y rotor modulares, en el que los módulos de ambos comprenden una parte activa para la generación de potencia (bobinados y acero en el caso del estator, imanes en el caso del rotor) y una parte estructural para evitar las deformaciones y transmitir las cargas del estator y el rotor a cuatro elementos de soporte, situados en la parte delantera y trasera, dos para cada uno del estator y el rotor (en la Fig. 3, soportes de estator (26 y 27) y soportes del rotor (18 y 19) ) . Las dimensiones de los mismos son tales que las uniones 50 entre módulos y soportes de los mismos están situadas a un radio del eje del generador menor que el del entrehierro, de manera que la góndola junto con la estructura de soporte puedan ser transportables. No se resuelve sin embargo con el diseño propuesto el montaje de los mismos en el aerogenerador.

La patente US 5844341 desvela, al igual que en el caso del documento EP 2063115, un generador en el que las uniones 55 de los módulos tanto de estator como de rotor están situadas a una distancia igual o menor que el entrehierro (Fig. 2 y Fig. 3) . En esta patente además se indica un procedimiento de montaje en el que la fijación de los módulos de estator a la estructura se realiza uno a uno y permite el ajuste de la distancia a los módulos de rotor una vez montados estos últimos, permitiendo el ajuste de las dimensiones del entrehierro. Se evita así una alternativa complicada en la que el estator se tiene que montar de una sola pieza alrededor del rotor, dadas las elevadas fuerzas de atracción y el pequeño margen existente e igual al espesor del entrehierro (página 1 del citado documento) . Sin embargo, el estator de un generador eléctrico debe ser normalmente de bobinado distribuido si se quiere lograr una mayor homogeneidad del par en el entrehierro. Cuando el generador comprende un estator de este tipo, se deben realizar conexiones eléctricas entre los bobinados de los distintos módulos. Además, con esta solución, las conexiones han de realizarse en altura, lo que incrementa la dificultad y por tanto el tiempo que conlleva este tipo de operación.

La patente US 7456534 desvela un generador eléctrico de diámetro considerablemente mayor que su longitud. En dicho documento se indica el montaje del estator del generador previamente al montaje del rotor, para posteriormente proceder al montaje de cada sección de rotor de una en una sobre el estator. En un generador de grandes dimensiones dicho 10 ensamblaje ha de realizarse en el lugar en que se va a instalar el aerogenerador, por las restricciones de transporte. Pese a no especificarse claramente, existen dos alternativas para dicho proceso. En la primera alternativa, tanto el estator como el rotor se montan en el suelo y posteriormente se procede al izado del conjunto hasta la parte superior de la torre. En la segunda alternativa, se monta el estator en la torre, y posteriormente se montan una a una las secciones de rotor sobre él. El principal inconveniente del método citado anteriormente, sobre todo en el caso de un rotor de imanes, es la dificultad de la operación debido a las fuerzas de atracción existentes entre dichos imanes y el material magnético del estator, en este caso acero laminado, sumado a la complejidad de realizar dicho proceso en altura.

Como se ha mencionado anteriormente, otro de los grandes retos en un aerogenerador multimegavatio dotado de un generador eléctrico de grandes dimensiones es el de conseguir minimizar el espesor del entrehierro y asegurar que las 20 dimensiones de éste no varíen sustancialmente durante el funcionamiento, sin que sea a costa de aumentar en exceso la rigidez de la estructura del generador eléctrico, lo cual supondría un aumento en peso y coste de la parte estructural del mismo y consecuentemente un aumento del resto de partes estructurales del aerogenerador (bastidor, torre, etc.) . La solicitud de patente DE 10255745 desvela una solución consistente en disponer rodamientos en las proximidades del entrehierro (Fig. 2) . El principal inconveniente es la existencia de un único rodamiento tanto para el rotor eólico como para el rotor del generador eléctrico. Esto provoca que todas las cargas y vibraciones sean transmitidas a la estructura del estator y, por tanto, haya de ser dimensionada para soportarlo garantizando unas adecuadas tolerancias dimensionales del entrehierro, con el consiguiente aumento de material y coste.

Los documentos EP2063116A1 y US2006/091752A1 divulgan un generador eléctrico de acuerdo con el preámbulo de la 30 reivindicación 1.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

De acuerdo con un primer aspecto de la invención, los autores de la presente solicitud han desarrollado un novedoso generador eléctrico, preferentemente de tipo Direct Drive, cuyo rotor está formado por una estructura a la que están acoplados una pluralidad de módulos portadores de elementos de excitación del rotor, por ejemplo, imanes, siendo dichos módulos portadores de elementos de excitación del rotor desplazables radialmente con respecto al eje central del generador. En la presente patente, el término “desplazables radialmente” hace referencia a desplazamientos que poseen una componente radial significativa, incluso si ésta se combina con componentes axiales o tangenciales. De hecho, en el ejemplo que se describirá con detalle... [Seguir leyendo]

1. Generador eléctrico (1) para un aerogenerador, que tiene un bastidor (7) , un rotor (2) y un estator (3) , cuyo rotor (2) está formado por una estructura a la que está acoplada una pluralidad de módulos portadores de imanes (4) , pudiendo los módulos portadores de imanes (4) desplazarse radialmente con respecto al eje central del generador (1) entre al menos:

- una posición retraída, y

- una posición extendida en la que la distancia entre los módulos portadores de imanes (4) y el estator (3) es igual al 10 espesor del entrehierro,

caracterizado porque, en la posición retraída de los módulos portadores de imanes (4) , la distancia entre los módulos portadores de imanes (4) y el estator (3) es sustancialmente mayor que el espesor del entrehierro para facilitar las operaciones de transporte y montaje.

2. Generador eléctrico (1) , de acuerdo con la reivindicación 1, en el que, en la posición retraída de los módulos portadores de imanes (4) , la distancia entre el rotor (2) y el estator (3) es sustancialmente mayor que el espesor del entrehierro.

3. Generador eléctrico (1) , de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes 1 ó 2, en el que, en la posición retraída, los módulos portadores de imanes (4) están alojados en el interior de la estructura del rotor (2) .

4. Generador eléctrico (1) , de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes 1 a 3, que comprende también medios de guiado (14, 15) que dirigen el desplazamiento radial de los módulos portadores de imanes (4) .

5. Generador eléctrico (1) , de acuerdo con la reivindicación 4, en el que los medios de guiado (14, 15)

comprenden guías o salientes (19) dispuestos en los módulos portadores de imanes (4) que cooperan con las 30 respectivas guías o salientes complementarios dispuestos en la estructura del rotor (2) .

6. Generador eléctrico (1) , de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende también medios para fijar los módulos portadores de imanes (4) en la posición retraída.

7. Generador eléctrico (1) , de acuerdo con las reivindicaciones 1 ó 6, que comprende también medios para fijar los módulos portadores de imanes (4) en la posición extendida que permiten el ajuste de dicha posición extendida para diferentes espesores de entrehierro.

8. Generador eléctrico (1) , de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes 1 a 7, en el 40 que los módulos portadores de imanes (4) pueden desplazarse radialmente con respecto a la estructura del rotor (2) .

9. Generador eléctrico (1) , de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 7 u 8, que comprende también medios de fijación elásticos (18) para fijar los módulos portadores de imanes (4) a la estructura del rotor (2) .

10. Generador eléctrico (1) , de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 8 ó 9, que comprende también elementos separadores (6) dispuestos en el entrehierro o en sus proximidades para mantener constante su espesor.

11. Generador eléctrico (1) , de acuerdo con la reivindicación 10, en el que los elementos separadores (6) 50 se eligen entre: rodamientos mecánicos, rodamientos magnéticos y contactos deslizantes.

12. Generador eléctrico (1) , de acuerdo con la reivindicación 11, en el que los módulos portadores de imanes (4) comprenden medios para fijar los elementos separadores (6) .

13. Generador eléctrico (1) , de acuerdo con la reivindicación 12, en el que los módulos portadores de imanes (4) comprenden elementos de unión (17) que permiten su unión a módulos portadores de imanes (4) adyacentes, siendo dicha unión de tal manera que proporciona a un módulo portador de imanes (4) cierto grado de libertad de desplazamiento con respecto al módulo adyacente.

14. Generador eléctrico (1) , de acuerdo con la reivindicación 13, en el que los elementos de unión (17) comprenden medios elásticos.

15. Generador eléctrico (1) , de acuerdo con la reivindicación 13, en el que los elementos de unión (17) 5 comprenden una unión articulada.

16. Generador eléctrico (1) , de acuerdo con la reivindicación 13, en el que cada uno de los módulos portadores de imanes (4) comprende elementos separadores (6) correspondientes y elementos de unión (17) correspondientes para mantener constante el espesor del entrehierro.

17. Generador eléctrico (1) , de acuerdo con la reivindicación 11, que comprende también resortes (5) fijados a la estructura del rotor (2) y a los módulos portadores de imanes (4) , de tal modo que ejercen una fuerza sobre dichos módulos portadores de imanes (4) que los mantiene en la posición extendida.

18. Generador eléctrico (1) , de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el diámetro del rotor (2) es menor o igual a 4, 2 m, cuando los módulos portadores de imanes (4) están en la posición retraída.

19. Generador eléctrico (1) , de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes 1 a 18, en el que el rotor (2) está formado por un módulo central (2a) configurado para su acoplamiento de un modo rotatorio al

bastidor (7) y una pluralidad de módulos exteriores (2b, 2c, 2d, 2e) , cada uno de los cuales comprende al menos un módulo portador de imanes (4) .

20. Generador eléctrico (1) , de acuerdo con la reivindicación 19, en el que los módulos exteriores (2b, 2c,

2d, 2e) son desplazables con respecto al módulo central (2a) . 25

21. Generador eléctrico (1) , de acuerdo con la reivindicación 20, en el que los módulos portadores de imanes (4) son desplazables radialmente con respecto a los módulos exteriores (2b, 2c, 2d, 2e) .

22. Generador eléctrico (1) , de acuerdo con la reivindicación 19, en el que el tamaño de un módulo

exterior (2b, 2c, 2d, 2e) del rotor (2) es menor o igual a 4, 2 m, cuando al menos un módulo portador de imanes (4) está en la posición retraída.

23. Generador eléctrico (1) , de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes 1 a 22, en el

que el estator (3) comprende un núcleo compuesto por una pluralidad de segmentos en forma de arco. 35

24. Generador eléctrico (1) , de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes 1 a 23, en el que la estructura del estator (3) comprende un módulo central configurado para su fijación al bastidor (7) y una pluralidad de módulos exteriores configurados para su fijación al módulo central y a los que a su vez se fija el núcleo del estator (3) .

25. Generador eléctrico (1) , de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes 1 a 24, en el que al menos un módulo portador de imanes (4) puede plegarse hacia el interior con respecto a la estructura del rotor (2) .

26. Aerogenerador (1) que comprende un generador eléctrico (1) , de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque las palas están acopladas directamente al rotor del generador sin usar una multiplicadora.

27. Procedimiento para montar un aerogenerador, que comprende un generador eléctrico (1) , cuyo rotor

(2) está formado por una estructura configurada para su acoplamiento de una forma giratoria a un bastidor (7) del aerogenerador, al que está acoplada una pluralidad de módulos portadores de imanes (4) , que pueden desplazarse radialmente con respecto a un eje central del generador (1) entre al menos una posición retraída y una posición extendida, que comprende las siguientes etapas:

- montaje del rotor (2) en el bastidor (7) del aerogenerador, manteniendo los módulos portadores de imanes (4) en su posición retraída;

- a continuación, montaje del estator (3) en el bastidor (7) del aerogenerador; y

- a continuación, desplazamiento de los módulos portadores de elementos de excitación (4) del rotor (2) desde la posición retraída hasta la posición extendida,

caracterizado porque la posición retraída de los módulos portadores de imanes (4) se consigue manteniendo los módulos portadores de imanes (4) separados del estator (3) una distancia sustancialmente mayor que el espesor del entrehierro para facilitar las operaciones de transporte y montaje.

28. Procedimiento para montar un aerogenerador, de acuerdo con la reivindicación 27, en el que el rotor

(2) está formado por un módulo estructural central (2a) configurado para su acoplamiento de una forma giratoria al bastidor (7) del aerogenerador y una pluralidad de módulos estructurales exteriores (2b, 2c, 2d, 2e) , cada uno de los cuales comprende al menos un módulo portador de imanes (4) , en el que el montaje del rotor (2) comprende las siguientes etapas:

- montaje del bastidor (7) en el módulo central (2a) de la estructura del rotor (2) ; y

- a continuación, fijación de los módulos estructurales exteriores (2b, 2c, 2d, 2e) al módulo estructural central (2a) .

29. Procedimiento para montar un aerogenerador, de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 26 a 28, en el que el estator (3) es modular, en el que el montaje del estator (3) comprende las siguientes etapas:

- montaje en el lugar de los segmentos que constituyen el núcleo del estator (3) y los bobinados; y

- a continuación, izado del estator (3) montado y fijación del mismo al bastidor (7) del aerogenerador. 20