MÁQUINA ELÉCTRICA MODULAR CON FUNCIONAMIENTO GENERADOR-MOTOR.

Máquina eléctrica modular con funcionamiento de generadormotor La presente invención se refiere a un dispositivo electromagnético con funcionamiento de generadormotor reversible, es decir, un dispositivo capaz de convertir la energía cinética en energía eléctrica y viceversa. En muchos sectores industriales a menudo surge la necesidad de instalar máquinas eléctricas reversibles en sistemas que comprenden un elemento giratorio, de tal modo que, dependiendo de la condición de funcionamiento del sistema en el que se instala una máquina, es posible o bien sacar partido del movimiento de tal elemento para generar energía eléctrica para el suministro a otros componentes del sistema, o el suministro de energía eléctrica a la máquina para hacer que el elemento giratorio gire. Un requisito general para tales máquinas es la compacidad y la ligereza, en especial para las aplicaciones en medios de transporte, tales como vehículos terrestres o aeronaves, así como un coste bajo. Un ejemplo de una máquina de este tipo se conoce a partir del documento US 6.832.486. Este documento da a conocer una máquina eléctrica reversible para aplicaciones aeronáuticas, para su acoplamiento con una turbina de un motor de una aeronave con el fin de generar energía eléctrica para diversos propósitos sacando partido de la rotación de la turbina o, a la inversa, para arrancar el motor. El rotor de la máquina está formado por una extremidad magnetizada radialmente hacia fuera de los álabes de un anillo de álabes en la turbina. Un anillo de estator porta unas bobinas en el interior del cual se mueve el rotor. En una realización, el estator consiste en un anillo continuo, o en un conjunto de elementos en forma de herradura discretos, y define un canal en el interior del cual gira el rotor. En este caso, las bobinas se arrollan en unas expansiones de estator opuestas y se orientan hacia ambos polos de un mismo imán. Una desventaja de esta técnica anterior es que la anchura del canal que se define entre las expansiones orientadas del anillo de estator o de los núcleos en forma de herradura individuales es fija y no puede hacerse más pequeña que un cierto valor mínimo, que depende también del espesor del rotor y de la necesidad de compensar las posibles oscilaciones del rotor. Por lo tanto, con un estator dado y un rotor dado, también el entrehierro entre el estator y los imanes es fijo y no puede hacerse más pequeño que un cierto valor. En consecuencia, es imposible ajustar y optimizar la posición relativa del estator y el rotor con el fin de obtener la máxima eficiencia y la máxima flexibilidad de funcionamiento. El documento US 5.514.923 da a conocer una máquina eléctrica reversible que puede usarse como un circuito de compensación, y que tiene dos discos de rotor equipados con los imanes y dispuestos simétricamente en relación con un estator que porta una pluralidad de bobinas desplazadas en relación con los imanes, En tal caso, se usan dos imanes para inducir un campo eléctrico en una bobina que se ubica entre los mismos. El circuito magnético no es cerrado y esto entraña un alto desperdicio de energía y da como resultado unas fuertes interferencias electromagnéticas. El documento BE 867.436 da a conocer un dispositivo eléctrico que tiene un rotor que comprende dos discos de aluminio unidos por un anillo de hierro y que soporta cada uno una pluralidad de imanes distribuidos a intervalos regulares a lo largo de su periferia. El rotor gira entre dos placas de estator, portando cada uno un anillo de culatas magnéticas en forma de U con brazos dirigidos axialmente (máquina de polo que se proyecta), en el que cada culata está orientada hacia un par de imanes en el disco de rotor, y los imanes presentan, hacia las culatas, una secuencia de polos opuestos de forma alterna. La máquina no es reversible y actúa sólo como un motor síncrono. Además, el entrehierro entre el estator y el rotor es fijo, de tal modo que las consideraciones que se hagan en cuanto a este tema en conexión con el documento US 6.832.486 se aplican también a este dispositivo. Además, los materiales que se usan dan lugar a unas pérdidas muy altas a frecuencias altas y a unas corrientes de Foucault muy fuertes que inducen unas temperaturas muy altas en el disco y puede conducir a la pérdida de imanación de los imanes e incluso a la ignición del disco de aluminio. El documento US 6.137.203 da a conocer un motor axial sin escobillas con dos estatores y un rotor montados de forma que pueden girar entre los estatores en respuesta a los campos magnéticos que se generan por los estatores. La máquina es una máquina de fases múltiples del tipo devanado, es decir, las bobinas de cada fase se arrollan a lo largo de una pluralidad de expansiones polares adyacentes, sin ninguna bobina de diferente fase entre las mismas. Los estatores pueden ajustarse axialmente durante el funcionamiento para hacer que varíe el entrehierro del motor con el fin de permitir que el motor produzca un par motor alto a baja velocidad, mientras que el entrehierro es pequeño, y para continuar con la producción del par motor, cuando el entrehierro es más grande, una alta velocidad. El ajuste del estator tiene lugar sólo en la dirección axial y no permite contender con las deformaciones que surgen debido a las altas temperaturas que se alcanzan durante el funcionamiento del dispositivo, en especial en las aplicaciones preferidas con turbinas que funcionan mediante fluido, ni con un posible sobrecalentamiento de las bobinas y el estator. El documento US 4.710.667 da a conocer una máquina dinamoeléctrica del tipo devanado, en la que la separación 2   entre el rotor y un estator puede ajustarse sólo axialmente y sólo en la fase de ensamblaje. El rotor incluye imanes de ferrita dura, y el estator incluye núcleos de ferrita blanda para las bobinas. La totalidad de documentos de la técnica anterior que se discuten anteriormente dan a conocer unas estructuras construidas de manera rígida, cuyo diseño no puede ser fácilmente con el fin de adaptarse a aplicaciones con unos requisitos diferentes y/o de permitir un ensamblaje y un mantenimiento más fácil y más efectivo de los dispositivos. Es un objeto de la invención proporcionar un dispositivo reversible del tipo polo que se proyecta, que ponga remedio a las desventajas de la técnica anterior y que pueda emplearse en una amplia gama de aplicaciones, por ejemplo, en vehículos terrestres, barcos y aeronaves, y preferiblemente en aplicaciones en las que el dispositivo está integrado en una turbina o generalmente en el impulsor de un aparato que se acciona mediante el movimiento de un fluido. Para lograr este objeto, se proporciona un dispositivo que tiene un estator y un rotor que gira delante del estator. El rotor porta una pluralidad de imanes distribuidos a intervalos regulares y con unas orientaciones alternas en un anillo patrón en el rotor. El estator comprende al menos una culata magnética que tiene un par de brazos que se proyectan que se extiende hacia el rotor y que soporta una bobina para la conexión con una unidad de potencia o con un dispositivo de utilización, y la culata magnética es parte, junto con un par de imanes opuestos a los brazos de la culata en un instante dado, de un mismo circuito magnético cerrado. La al menos una culata magnética se monta de forma independiente en un soporte propio equipado con unidades de ajuste dispuestas para ajustar la posición de la culata en relación con los imanes opuestos y forma, junto con sus bobinas, su soporte y sus unidades de ajuste, una célula de estator elemental que puede duplicarse para formar un dispositivo electromagnético reversible que incluye módulos de fase única o de fases múltiples. Gracias a la estructura modular, pueden obtenerse varias ventajas: es posible construir arquitecturas con un número limitado de células de estator, que se ubica en correspondencia con uno o unos pocos arcos discretos de los anillos de imán, que son adecuados para las aplicaciones o que necesitan una potencia limitada; es posible tener una modularidad de fase a lo largo de un anillo completo de células de estator, modularidad de la que puede sacarse partido para reducir las conexiones a aparatos externos; es posible tener de forma simultánea en el mismo dispositivo unos módulos con una función de generador y con una función de motor, y el rendimiento de los módulos de generador y de motor puede ajustarse de forma independiente; los módulos pueden montarse de forma individual, haciendo por lo tanto el ensamblaje del dispositivo más fácil; los módulos pueden controlarse, diagnosticarse y posiblemente desconectarse de forma individual, en el caso de fallo, sin afectar al funcionamiento de los módulos restantes. Puede proporcionarse un único conjunto de células y entonces los imanes forman la secuencia de polos alternos en... [Seguir leyendo]

1. Un dispositivo electromagnético (10) con funcionamiento de generadormotor reversible, comprendiendo el dispositivo (10): un rotor (12; 12) que gira alrededor de un eje y que soporta una pluralidad de imanes (14; 14, 14a, 14b; 140) distribuidos a intervalos regulares y con orientaciones alternas en un patrón sustancialmente forma de anillo; un estator (16, 20a, 20b, 18, 22a, 22b; 16, 18, 20, 22) que comprende al menos una culata magnética (16, 18; 16, 18; 6) que tiene un par de brazos que se proyectan (17a, 17b, 19a, 19b; 7) que se extienden hacia los imanes (14; 14, 14a, 14b; 140) y que portan una bobina respectiva (20a, 20b, 22a, 22b; 20, 22; 21) para la conexión eléctrica con un dispositivo de utilización o con una unidad de potencia, siendo la al menos una culata magnética (16, 18; 16, 18; 6) parte, junto con un par de imanes (14; 14, 14a, 14b; 140) opuestos a los brazos de la culata (17a, 17b, 19a, 19b; 7) en un instante dado y un entrehierro que separa la culata respecto de los imanes, de un mismo circuito magnético cerrado; mediante lo cual la al menos una culata magnética (16, 18; 16, 18; 6) se monta de forma independiente en un soporte propio (54) caracterizado por que el soporte (54) se equipa con unidades de ajuste (56, 82, 84, 92) dispuestas para ajustar la posición de la culata en relación con los imanes opuestos (14, 14, 14a, 14b; 140), y forma, junto con las bobinas (20a, 20b, 22a, 22b; 20, 22; 21) de la al menos una culata magnética, su soporte (54) y sus unidades de ajuste (52, 56), una célula de estator elemental que puede duplicarse para formar un dispositivo electromagnético reversible (10) que incluye módulos de fase única o de fases múltiples. 2. El dispositivo tal como se reivindica en la reivindicación 1, en el que la célula de estator elemental se duplica para formar al menos un conjunto de células que se extiende a lo largo de un número de arcos discretos del anillo de imán. 3. El dispositivo tal como se reivindica en la reivindicación 1, en el que la célula elemental se duplica para formar al menos un conjunto de células que se extiende delante de la totalidad del anillo de imán. 4. El dispositivo tal como se reivindica en la reivindicación 3, en el que dicho rotor (12; 12) porta un número M de imanes (14; 14, 14a, 14b; 140) que se elige de: 2N, siendo N el número de las culatas magnéticas (16, 18; 16, 18; 6) en el o en cada conjunto; un número par más pequeño que 2N2. 5. El dispositivo tal como se reivindica en cualquier reivindicación anterior, en el que las bobinas (20a, 20b, 22a, 22b; 20, 22; 21) en la totalidad de las células se conectan de forma individual a una unidad de potencia o a un dispositivo de utilización. 6. El dispositivo tal como se reivindica en la reivindicación 4, en el que las bobinas (20a, 20b, 22a, 22b; 20, 22; 21) de los brazos (17a, 17b, 19a, 19b; 7) que tienen una misma relación de fase geométrica con un imán opuesto (14; 14; 14a, 14b) en la totalidad de las células se conectan entre sí en el interior del dispositivo y tienen una conexión común con una unidad de potencia o con un dispositivo de utilización. 7. El dispositivo tal como se reivindica en la reivindicación 4, en el que las bobinas (20a, 20b, 22a, 22b; 20, 22; 21) de los brazos alternos (17a, 17b, 19a, 19b; 7) que tienen una misma relación de fase geométrica con un imán opuesto (14; 14; 14a, 14b; 140) en la totalidad de las células se conectan entre sí en el interior del dispositivo y tienen una conexión común respectiva con una fase opuesta con una unidad de potencia o con un dispositivo de utilización. 8. El dispositivo tal como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 5 a 7, en el que las bobinas (20a, 20b, 22a, 22b; 20, 22; 21) de al menos una célula se conectan a un dispositivo de utilización, y las bobinas de al menos otra célula se conectan a una unidad de potencia. 9. El dispositivo tal como se reivindica en cualquier reivindicación anterior, en el que los brazos de dichas células portan una primera bobina (20a, 20b, 22a, 22b; 20, 22; 21) para la conexión eléctrica con un dispositivo de utilización o con una unidad de potencia, y una segunda bobina que actúa como un sensor de realimentación. 10. El dispositivo tal como se reivindica en cualquier reivindicación anterior, en el que la o cada célula se monta en unos soportes ajustables axial y radialmente (54; 70), tales que la posición de la célula en relación con los imanes (14; 14, 14a, 14b; 140) puede ajustarse de forma independiente por medio de un movimiento de traslación a lo largo de tres ejes ortogonales. 11. El dispositivo tal como se reivindica en la reivindicación 10, en el que dichos soportes (54; 70) pueden ajustarse adicionalmente a través de un movimiento de rotación alrededor de al menos un eje. 17   12. El dispositivo tal como se reivindica en la reivindicación 11, en el que dichos soportes (54; 70) pueden ajustarse a través de un movimiento de rotación alrededor de tres ejes. 13. El dispositivo tal como se reivindica en cualquier reivindicación anterior, en el que la célula se duplica con el fin de formar un único conjunto de células orientadas hacia una superficie de estator que soporta los imanes. 14. El dispositivo tal como se reivindica en la reivindicación 13, en el que dicho rotor (12; 12) se hace de un material ferromagnético y dicho circuito magnético comprende un par de imanes (14; 14; 14a, 14b; 140) y la culata (16; 16) de la célula está orientada hacia el par de imanes y se cierra a través del rotor (12; 12) y un entrehierro que separa la culata respecto de los imanes. 15. El dispositivo tal como se reivindica en la reivindicación 13, en el que dicho rotor (12; 12), en unas áreas no ocupadas por los imanes (14; 14; 14a, 14b; 140), se hace de un material no ferromagnético, los imanes (14; 14; 14a, 14b; 140) orientados hacia una misma culata se conectan mediante unos elementos ferromagnéticos (61), y dicho circuito magnético comprende un par de imanes (14; 14; 14a, 14b; 140) y la culata (16; 16) de la célula está orientada hacia el par de imanes y se cierra a través de los elementos ferromagnéticos (61) y un entrehierro que separa la culata respecto de los imanes. 16. El dispositivo tal como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 11 a 13, en el que dichos imanes (14; 14; 14a, 14b; 140) se pegan con orientaciones alternas sobre la superficie del rotor (12; 12) orientados hacia las células. 17. El dispositivo tal como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, en el que: dicho rotor (12, 12), en unas áreas no ocupadas por los imanes (14; 14; 14a, 14b; 140), se hace de un material no ferromagnético; la célula elemental se duplica con el fin de formar un primer y un segundo conjunto de células, dispuestos simétricamente en relación con el rotor (12, 12), y dicho circuito magnético comprende un par de imanes adyacentes (14; 14; 14a, 14b; 140) y las culatas magnéticas (16, 18; 16, 18; 6) de las células orientadas hacia los imanes en cada uno del primer y el segundo conjunto. 18. El dispositivo tal como se reivindica en la reivindicación 17, en el que dichos imanes (14; 14, 14a, 14b; 140) son áreas magnetizadas en el rotor (12; 12) y forman una sucesión de polos opuestos de forma alterna sobre las superficies del rotor orientadas hacia los conjuntos de células. 19. El dispositivo tal como se reivindica en cualquier reivindicación anterior, en el que dicho rotor (12) es un cuerpo cilíndrico que porta la pluralidad de imanes (14a, 14b) en su superficie lateral y la pluralidad de imanes se disponen en dos filas paralelas (14a, 14b) sobre dicha superficie lateral, teniendo un imán en una fila una orientación opuesta a un imán adyacente en la otra fila y estando cada célula dispuesta con el fin de unir ambas filas de imanes (14a, 14b). 20. El dispositivo tal como se reivindica en la reivindicación 19, en el que cada célula y el par de imanes (14a, 14b) unidos por ésta se disponen de forma oblicua con respecto a las generatrices del rotor (12). 21. El dispositivo tal como se reivindica en cualquier reivindicación anterior, en el que dichos brazos (17a, 17b, 19a, 19b; 7) y dichos imanes (14; 14; 14a, 14b; 140) tienen una forma en sección transversal que se elige del grupo que incluye: sección transversal circular; sección transversal no circular curvilínea; sección transversal poligonal cóncava; sección transversal poligonal convexa, en particular cuadrada o rectangular, y en el que las áreas orientadas de los imanes (14; 14; 14a, 14b; 140) y los brazos (17a, 17b, 19a, 19b; 7) tienen unos tamaños similares. 22. El dispositivo tal como se reivindica en la reivindicación 21, en el que dichos brazos (17a, 17b, 19a, 19b; 7) y dichos imanes (14; 14; 14a, 14b; 140) tienen unas formas en sección transversal diferentes. 23. El dispositivo tal como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15, 17 y 19 a 22, en el que dichos imanes (140) son cuerpos magnéticos (140) que tienen una forma que se elige de: forma de cuña; una forma poliédrica con bases cuadrangulares conectadas por caras laterales inclinadas, siendo las inclinaciones de los dos pares de caras laterales opuestas tales que producen una disminución en la sección transversal opuesta de la placa; forma frustocónica. 24. El dispositivo tal como se reivindica en la reivindicación 23, en el que unos imanes adyacentes (140) tienen ubicados entre los mismos unos elementos de retención de sección transversal decreciente que tienen caras con una disminución en la sección transversal complementaria a la que se define por las caras laterales opuestas de dichos imanes adyacentes. 18   25. El dispositivo tal como se reivindica en la reivindicación 23 o 24, en el que unos imanes adyacentes (140) tienen ubicados entre los mismos elementos de retención flexibles o elastoméricos que funcionan de forma tangencial (60). 26. El dispositivo tal como se reivindica en cualquier reivindicación anterior, en el que cada brazo (7) incluye una base (7c) para su fijación a un soporte, un vástago (7b) que se extiende a partir de la base (7c) hacia los imanes (14; 140) y que tiene la bobina (21) arrollada sobre el mismo, y un cabezal (7a) unido al extremo del vástago opuesto a la base (7c), y en el que dicho cabezal tiene un tamaño de sección transversal más grande que el tamaño de sección transversal en conjunto del vástago (7b) y la bobina (21) y se dispone para ocultar por completo la bobina (21) con respecto a un imán opuesto (14; 140). 27. El dispositivo tal como se reivindica en la reivindicación 26, en el que cada célula comprende un par de brazos montados de forma individual (7) que definen un ángulo abierto hacia los imanes (14; 140), y en el que se proporciona una separación (77) entre las bases (7c) de dos brazos adyacentes (7) respectivamente que pertenecen a dos células adyacentes. 28. El dispositivo tal como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 26, en el que los brazos (17a, 17b, 19a, 19b) en una célula se conectan mediante un elemento que tiene una longitud igual al tamaño transversal del brazo, y los lados orientados de los brazos adyacentes en las culatas adyacentes (16, 18) están separados entre sí por una distancia igual al tamaño transversal del brazo. 29. El dispositivo tal como se reivindica en cualquier reivindicación anterior, en el que dichas culatas magnéticas (16, 18) se hacen de un material que se elige del grupo: ferritas de alta permeabilidad, de bajo flujo residual y de baja reluctancia magnética; lámina de hierrosilicio; ferritas de NiZn o de MnZn; materiales de MnNi. 30. El dispositivo tal como se reivindica en cualquier reivindicación anterior, en el que los soportes (54) de con los que se equipan las células unos elementos de rodadura (50) dispuestas para cooperar con la superficie del rotor para mantener los entrehierros (24, 26) entre las culatas (16, 18) de las células y los imanes (14) constante y para compensar las oscilaciones axiales y radiales del rotor (12). 31. El dispositivo tal como se reivindica en cualquier reivindicación anterior, en el que las células se asocian con unos detectores de temperatura (86) y detectores de posición (88) conectados con un conjunto de circuitos de procesamiento y control (90) dispuestos para hacer funcionar unos medios de desplazamiento (82, 92) sobre los soportes (54) para hacer que varíe la separación y/o el grado de solapamiento entre los imanes (14) y los brazos opuestos (17) con el fin de hacer que varíe el voltaje en cascada en las bobinas individuales (20) en respuesta a la temperatura y/o la posición detectadas. 32. El dispositivo tal como se reivindica en cualquier reivindicación anterior, en el que las células se integran en el interior de una capa de resina (70), posiblemente cargada con unos materiales en polvo que aumentan la conductividad térmica. 33. El dispositivo tal como se reivindica en la reivindicación 32, en el que dicha capa de resina (70) se proporciona con unos elementos de disipación de calor. 34. El dispositivo tal como se reivindica en cualquier reivindicación anterior, en el que las unidades de ajuste (52, 56) que se asocian con los soportes (54) de las células (16) se controlan con el fin de llevar a cabo un ajuste dinámico del entrehierro entre la culata de una célula y el rotor. 35. El dispositivo tal como se reivindica en cualquier reivindicación anterior, en el que dicho dispositivo (10) está integrado en un impulsor de un aparato que se acciona mediante el movimiento de un fluido. 36. Un aparato que tiene un impulsor que se acciona mediante el movimiento de un fluido, caracterizado por que dicho impulsor tiene integrado en el mismo un dispositivo (10) tal como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 35. 37. El aparato tal como se reivindica en la reivindicación 36 en el que dicho aparato se elige del grupo que incluye: turbinas, en particular para motores aeronáuticos o navales, tornillos de hélices para las aplicaciones aeronáuticas o navales, bombas para tuberías de gas, generadores eólicos. 19     21   22   23   24     26   27   28   29