PATENTE MOTOR SUPERCONDUCTOR.

Patente motor superconductor.

Máquina eléctrica de flujo axial que comprende un rotor (10) y un estator (20) discoidales,

los cuales están provistos de al menos un elemento superconductor (12; 22) que se extiende según un trazado lineal o curvilíneo. Preferiblemente dicho elemento superconductor adopta la forma de una cinta que se coloca de canto en los discos (19; 29) del rotor o el estator. El estator puede consistir en dos semiestatores en forma de disco entre los cuales se dispone el rotor; en este caso cada semiestator está alimentado por una fase de un suministro de corriente alterna bifásica

Patente motor superconductor.

Máquina eléctrica de flujo axial que comprende un rotor y un estator discoidales provistos de un elemento superconductor.

La presente invención se refiere a un conjunto de rotor y estator para una máquina eléctrica de flujo axial, el cual comprende un rotor y un estator discoidales. También se refiere al rotor y al estator discoidales, ambos provistos de al menos un elemento superconductor, a la propia máquina eléctrica de flujo axial y a una turbomáquina que comprende dicha máquina eléctrica.

Estado de la técnica anterior

Los motores eléctricos de inducción se basan en generar un campo magnético variable en el estator que entonces induce una corriente en el rotor que a su vez produce un campo magnético variable en el rotor. Esta corriente inducida en el rotor crea su propio campo magnético, el cual interacciona con el campo magnético del estator para producir fuerzas mecánicas que provocan un movimiento de rotación en el rotor. En el caso de un generador se invierte el proceso pero el mecanismo es el mismo.

Es habitual que el estator, el rotor o ambos incluyan bobinados de cobre y un núcleo de hierro para establecer el circuito magnético.

Uno de los tipos de máquina eléctrica de inducción más corriente es la máquina de jaula de ardilla. Esta denominación se debe a la configuración del rotor, que consiste en dos aros unidos por unas barras paralelas a la dirección axial del rotor. La combinación de un par de barras unidas por segmentos de dichos aros equivale a una bobina eléctrica. Esta configuración recuerda la jaula giratoria en la que ardillas o hámsteres corren para ejercitarse, de ahí su nombre.

Convencionalmente, estas máquinas eléctricas son de flujo radial, es decir, en ellas el rotor, el entrehierro y el estator son cilindros concéntricos, y el flujo magnético atraviesa el entrehierro en la dirección radial. En algunas situaciones, sin embargo, es preferible utilizar una máquina eléctrica de flujo axial.

En la configuración de flujo axial, el rotor, el entrehierro y el estator son discos paralelos sobre le mismo eje, y el flujo magnético atraviesa el entrehierro en la dirección axial. Con la tecnología tradicional, las máquinas eléctricas de flujo axial son de construcción más compleja, aunque más compacta, y consiguen pares más elevados que una máquina de flujo radial del mismo peso.

Uno de los inconvenientes de las máquinas de flujo axial tradicionales es que en ellas es difícil aumentar el área disponible para ser atravesada por el flujo magnético, lo cual limita la fuerza magnetomotriz realmente transmisible.

En cualquier caso, se puede mejorar el rendimiento de una máquina eléctrica si las bobinas, bien del rotor o del estator, son de un material superconductor. Naturalmente esto no está exento de dificultades. Los materiales super- conductores no se pueden bobinar con misma facilidad que los cables de cobre, y además hay que mantenerlos refrigerados por debajo de su temperatura crítica.

Los materiales superconductores son materiales con una resistencia eléctrica nula bajo ciertas condiciones. En los materiales superconductores, las características de super-conductividad aparecen cuando su temperatura es inferior a una cierta temperatura crítica, cuyo valor es diferente según el material de que se trate pero que es del orden de 10 K para los superconductores clásicos, y de hasta unos 130 K para otros superconductores denominados superconductores a alta temperatura (o HTS, por "High Temperature Superconductors"). Mientras que los superconductores clásicos han de refrigerarse con helio líquido, los HTS pueden refrigerarse con nitrógeno líquido (cuyo punto de ebullición a presión atmosférica es de 77 K).

En realidad las características superconductoras dependen de otros valores críticos, además de la temperatura: la intensidad de corriente crítica y la densidad de campo magnético crítica. Es decir, los superconductores prácticamente no tienen pérdidas si funcionan por debajo de sus valores críticos de temperatura, intensidad y campo magnético. En estas circunstancias un superconductor admite una densidad de corriente tan elevada que saturaría, en su caso, el núcleo ferromagnético de una máquina convencional, por lo que en una máquina superconductora puede sustituirse el núcleo ferromagnético por un núcleo de aire.

La patente US005581135 (IMRA) describe un motor superconductor de flujo axial en el que el estator incluye unos superconductores másicos (no "lineales") que se magnetizan al ser excitados por pulsos eléctricos.

La solicitud de patente US20040155551 (Rockwell) describe un motor superconductor de jaula de ardilla de flujo radial en el que el rotor está recubierto por una capa fina de material superconductor.

La solicitud de patente US20050194862 (General Electric) describe una máquina de flujo axial en la que el estator comprende una bobina superconductora en forma de anillo.

Las máquinas superconductoras conocidas no se alejan de la filosofía de diseño de las máquinas eléctricas tradicionales y se limitan a sustituir algunos conductores por unos elementos superconductores, adaptándolos con dificultad a causa de las limitaciones estructurales de los materiales superconductores HTS disponibles.

En los últimos años se han desarrollado unos materiales superconductores HTS particularmente interesantes, como por ejemplo el Bi₂Sr₂CaCu₂O₈ (BSCC0-2212), el (Bi, Pb)₂ Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀ (BSCCO-2223) ó el YBa₂Cu₃O₇ (YBCO). Este último, en la actualidad, se fabrica en forma de una cinta con un sustrato flexible y resistente sobre cuya parte superior se deposita una película de YBCO; a continuación se aplica una capa de Ag y después una capa de Cu como protección y estabilización del conjunto.

Descripción de la invención

Un objetivo de la presente invención es el de proporcionar una máquina eléctrica provista de elementos superconductores que sea más versátil y ofrezca mejores prestaciones que las máquinas conocidas.

Para ello, según un aspecto de la invención, se proporciona un conjunto de rotor y estator en el que tanto el rotor como el estator están provistos de al menos un elemento superconductor que se extiende según un trazado sustancialmente curvilíneo. Con ello se sustituyen los superconductores másicos convencionales por superconductores lineales.

En una realización, el estator comprende dos semiestatores en forma de disco y el rotor está situado entre los dos semiestatores. Con esta disposición, cada semiestator está alimentado por una fase de un suministro bifásico de corriente alterna y se puede simplificar el control electrónico de la máquina.

En una realización, el rotor comprende dos semirotores en forma de disco y el estator está situado entre los dos semirotores.

Ventajosamente, al menos uno de los elementos superconductores del rotor o el estator es de un material superconductor a alta temperatura.

Preferiblemente, dicho material superconductor es un material YBCO o un material BSCCO.

En una realización, al menos un elemento superconductor tiene forma de tubo.

En una realización, al menos un elemento superconductor tiene forma de cinta y al menos un segmento de la cinta superconductora del estator se coloca plano en el disco del estator, de manera que segmentos del elemento superconductor del estator forman una figura sustancialmente poligonal, es decir, de extensión sustancialmente lineal.

En una realización, los segmentos del elemento superconductor del estator están unidos mediante soldadura.

Preferiblemente, al menos un segmento de la cinta superconductora del estator se coloca de canto en el disco del estator. Así la cinta admite una cierta curvatura y se reducen o eliminan las soldaduras, las cuales provocan una disminución de la intensidad crítica del superconductor.

En una realización, al menos un segmento de la cinta superconductora del rotor se coloca plano en el disco del rotor.

En una realización, segmentos del elemento superconductor del rotor forman una figura en forma de jaula de ardilla plana, y los segmentos de la cinta superconductora del rotor están unidos mediante soldadura.

Preferiblemente, al menos un segmento de la cinta superconductora del rotor se coloca de canto en el disco...

1. Conjunto de rotor y estator para una máquina eléctrica de flujo axial, el cual comprende un rotor (10) y un estator (20) discoidales, caracterizado por el hecho de que tanto el rotor como el estator están provistos de al menos un elemento superconductor (12; 22) que se extiende según un trazado sustancialmente curvilíneo.

2. Conjunto de rotor y estator según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el estator (20) comprende dos semiestatores en forma de disco.

3. Conjunto de rotor y estator según la reivindicación 2, caracterizado por el hecho de que cada semiestator está alimentado por una fase de un suministro bifásico de corriente alterna.

4. Conjunto de rotor y estator según la reivindicación 2 ó la reivindicación 3, caracterizado por el hecho de que el rotor (10) está situado entre los dos semiestatores (20).

5. Conjunto de rotor y estator según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el rotor (10) comprende dos semirotores en forma de disco.

6. Conjunto de rotor y estator según la reivindicación 5, caracterizado por el hecho de que el estator (20) está situado entre los dos semirotores (10).

7. Conjunto de rotor y estator según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que al menos uno de los elementos superconductores (12; 22) es de un material superconductor a alta temperatura.

8. Conjunto de rotor y estator según la reivindicación 7, caracterizado por el hecho de que dicho material superconductor es un material YBCO.

9. Conjunto de rotor y estator según la reivindicación 7, caracterizado por el hecho de que dicho material superconductor es un material BSCCO.

10. Conjunto de rotor y estator según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que al menos un elemento superconductor (12; 22) tiene forma de cinta.

11. Conjunto de rotor y estator según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por el hecho de que al menos un elemento superconductor (12; 22) tiene forma de tubo.

12. Conjunto de rotor y estator según la reivindicación 10, caracterizado por el hecho de que al menos un segmento de la cinta superconductora (22) del estator (20) se coloca plano en el disco del estator.

13. Conjunto de rotor y estator según la reivindicación 10 ó la reivindicación 11, caracterizado por el hecho de que segmentos del elemento superconductor (22) del estator (20) forman una figura sustancialmente poligonal.

14. Conjunto de rotor y estator según la reivindicación 13, caracterizado por el hecho de que los segmentos del elemento superconductor (22) del estator (20) están unidos mediante soldadura.

15. Conjunto de rotor y estator según la reivindicación 10, caracterizado por el hecho de que al menos un segmento de la cinta superconductora (22) del estator (20) se coloca de canto en el disco del estator.

16. Conjunto de rotor y estator según la reivindicación 10, caracterizado por el hecho de que al menos un segmento de la cinta superconductora (12) del rotor (10) se coloca plano en el disco del rotor.

17. Conjunto de rotor y estator según la reivindicación 10 ó la reivindicación 11, caracterizado por el hecho de que segmentos del elemento superconductor (12) del rotor (10) forman una figura en forma de jaula de ardilla plana.

18. Conjunto de rotor y estator según la reivindicación 17, caracterizado por el hecho de que los segmentos de la cinta superconductora (12) del rotor (10) están unidos mediante soldadura.

19. Conjunto de rotor y estator según la reivindicación 10, caracterizado por el hecho de que al menos un segmento de la cinta superconductora (12) del rotor (10) se coloca de canto en el disco del rotor.

20. Conjunto de rotor y estator según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que al menos un disco del estator (20) comprende al menos una pastilla de un material ferromagnético.

21. Estator discoidal (20) para una máquina eléctrica de flujo axial, el cual está provisto de al menos un elemento superconductor (22), caracterizado por el hecho de que dicho elemento superconductor (22) tiene forma de cinta y de que dicha cinta se coloca de canto en al menos un disco del estator (20).

22. Estator discoidal (20) según la reivindicación 21, caracterizado por el hecho de que al menos un disco de dicho estator (20) es de un material formado a base de resinas.

23. Rotor discoidal (10) para una máquina eléctrica de flujo axial, el cual está provisto de al menos un elemento superconductor (12), caracterizado por el hecho de que dicho elemento superconductor (12) tiene forma de cinta y de que dicha cinta se coloca de canto en al menos un disco del rotor (10).

24. Rotor discoidal (10) según la reivindicación 23, caracterizado por el hecho de que al menos un disco de dicho rotor (10) es de un material formado a base de resinas.

25. Máquina eléctrica de flujo axial que comprende al menos un conjunto de rotor y estator según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 20.

26. Máquina eléctrica según la reivindicación 25, caracterizada por el hecho de que al menos un rotor (10) está sustentado magnéticamente.

27. Máquina eléctrica de flujo axial que comprende al menos un estator discoidal (20) según cualquiera de las reivindicaciones 21 ó 22.

28. Máquina eléctrica de flujo axial que comprende al menos un rotor discoidal (10) según cualquiera de las reivindicaciones 23 ó 24.

29. Turbomáquina que comprende una máquina eléctrica de flujo axial según cualquiera de las reivindicaciones 25 a 28.