GENERADOR ELÉCTRICO Y PROCEDIMIENTO DE MONTAJE DE UN AEROGENERADOR DOTADO DE DICHO GENERADOR.
Generador eléctrico y procedimiento de montaje de un aerogenerador dotado de dicho generador.
Permite facilitar las operaciones de transporte, montaje y/o mantenimiento de generadores eléctricos (1) para aerogeneradores, disponiendo dicho generador eléctrico (1) de un bastidor (7), un rotor (2) y un estator (3), cuyo rotor (2) está formado por una estructura a la que están acoplados una pluralidad de elementos (4) portadores de imanes, destacando fundamentalmente porque los elementos (4) portadores de imanes son desplazables radialmente con respecto al eje central del generador (1); y porque los elementos (4) portadores de imanes son desplazables entre al menos: una posición retraída donde la distancia entre los elementos (4) portadores de imanes y el estator (3) es sustancialmente mayor que el espesor del entrehierro, y una posición extendida donde la distancia entre los elementos (4) portadores de imanes y el estator (3) es igual que el espesor del entrehierro.
Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201031248.
Solicitante: ACCIONA WINDPOWER, S.A..
Nacionalidad solicitante: España.
Inventor/es: GARCIA SAYES,JOSE MIGUEL, ARLABAN GABEIRAS,TERESA, AZANZA LADRÓN,EDUARDO, NÚ;EZ POLO,MIGUEL.
Fecha de Publicación: .
Clasificación Internacional de Patentes:
- H02K15/00 ELECTRICIDAD. › H02 PRODUCCION, CONVERSION O DISTRIBUCION DE LA ENERGIA ELECTRICA. › H02K MAQUINAS DINAMOELECTRICAS (relés dinamoeléctricos H01H 53/00; transformación de una potencia de entrada en DC o AC en una potencia de salida de choque H02M 9/00). › Métodos o aparatos especialmente adaptados para la fabricación, montaje, mantenimiento o reparación de máquinas dinamoeléctricas.
- H02K15/03 H02K […] › H02K 15/00 Métodos o aparatos especialmente adaptados para la fabricación, montaje, mantenimiento o reparación de máquinas dinamoeléctricas. › que incluyen imanes permanentes.
- H02K15/16 H02K 15/00 […] › Centrado del rotor en el estator; Equilibrado de los rotores.
- H02K21/02 H02K […] › H02K 21/00 Motores síncronos con imanes permanentes; Generadores síncronos con imanes permanentes. › Detalles.
- H02K7/08 H02K […] › H02K 7/00 Dispositivos para manipular energía mecánica estructuralmente asociados con con máquinas dinamo-eléctricas, p. ej. asociación estructural con un motores mecánico de arrastre o máquinas dinamoeléctrica auxiliares. › Asociación estructural con cojinetes.
- H02K7/18 H02K 7/00 […] › Asociación estructural de generadores eléctricos con motores de arrastre, p. ej. turbinas.
Fragmento de la descripción:
GENERADOR ELÉCTRICO Y PROCEDIMIENTO DE MONTAJE DE UN AEROGENERADOR DOTADO DE DICHO GENERADOR
OBJETIVO DE LA INVENCIÓN
El objeto de la presente invención es un generador cuyo rotor comprende unos elementos portadores de imanes desplazables radialmente 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 elementos portadores de imanes desplazables es especialmente útil en generadores de tipo Oirect Orive que no requieren multiplicadora.
Otro objeto de la invención es un procedimiento de montaje de un aerogenerador que comprende un generador dotado de dichos elementos portadores de imanes desplazables radialmente.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Hasta la actualidad, la mayoría de aerogeneradores empleaban 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 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 1O a 12 rpm de velocidad máxima para una máquina de 6 MW) , y que el par desarrollado por el mismo, en cambio, es muy grande. Este tipo de generadores sin multiplicadora se denominan habitualmente "Oirect Orive".
Las dimensiones de este tipo de generadores eléctricos (diámetro y longitud) dependen del par desarrollado, siendo en general interesante aumentar el diámetro en relación a la longitud de cara a 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 Oirect Orive 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 que el estator, el rotor o ambos son modulares.
Por otro lado, 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 el 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 Oirect Orive 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 antecedentes en el estado de la técnica de generadores de grandes dimensiones y modulares que tratan de resolver estos problemas, algunos de los 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 el estator, imanes el rotor) y una parte estructural para evitar las deformaciones y transmitir las cargas del estator y rotor a cuatro elementos soporte, situados en la parte delantera y trasera, dos para cada uno del estator y rotor (en la Fig. 3, 26 y 27 soportes de estator y 18 y 19 de rotor) . Las dimensiones de los mismos son tales que las uniones 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 nacelle junto con la estructura soporte puedan ser transportables. No se resuelve sin embargo con el diseño propuesto el montaje de los mismos en el aerogenerador. 5 La patente US 5844341 describe, al igual que en EP 2063115, un generador en el que las uniones 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 este documento además se apunta hacia un procedimiento de montaje en el que la fijación de los módulos de estator a la estructura se realiza uno a uno y 1 O 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 el que el estator se tiene que montar de una pieza alrededor del rotor, dadas las elevadas fuerzas de atracción y el pequeño margen existente e igual al espesor del entrehierro (pág. 1 del citado documento) . Sin 15 embargo, el estator de un generador eléctrico habitualmente ha de ser 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, y además, con esta solución, las conexiones han de realizarse en altura, 20 incrementando la dificultad y por tanto el tiempo que conlleva este tipo de operación. La patente US 7456534 describe un generador eléctrico de diámetro considerablemente mayor que su longitud. En dicho documento se apunta al 25 montaje del estator del generador previamente al montaje del rotor, y posteriormente proceder al montaje de cada sección de rotor de una en una sobre el estator. En un generador de grandes dimensiones dicho ensamblaje ha de realizarse en el lugar donde se va a instalar el aerogenerador, por las restricciones de transporte. Pese a no citarse específicamente, existen dos 30 alternativas para dicho proceso. En la primera de ellas, 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, se monta el estator en la torre,
y posteriormente se montan una a una las secciones de rotor sobre él. El principal inconveniente del citado método, 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 multimegawatio con un generador eléctrico de grandes dimensiones es el de conseguir minimizar el espesor del entrehierro y que las dimensiones de éste no varíen sustancialmente al estar en operación, 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 describe 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 consecuente aumento de material y coste.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
De acuerdo con un primer aspecto de la invención, los inventores de la presente solicitud han desarrollado un novedoso generador eléctrico, preferentemente de tipo Direct Orive, cuyo rotor está formado por una estructura a la que están acoplados una pluralidad de elementos portadores de imanes, siendo dichos elementos portadores de imanes desplazables radialmente con respecto al eje central del generador. En el presente documento, 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 más adelante los elementos portadores de imanes tienen forma de sectores...
Reivindicaciones:
1. Generador (1) eléctrico para un aerogenerador, provisto de un bastidor (7) , un rotor (2) y un estator (3) , cuyo rotor (2) está formado por una estructura a la que están acoplados una pluralidad de elementos (4) portadores de imanes, caracterizado porque los elementos (4) portadores de imanes son desplazables radialmente con respecto al eje central del generador (1 ) .
2. Generador (1) eléctrico según la reivindicación 1, donde los elementos
(4) portadores de imanes son desplazables entre al menos: -una posición retraída donde la distancia entre los elementos (4) portadores de imanes y el estator (3) es sustancialmente mayor que el espesor del entrehierro; y -una posición extendida donde la distancia entre los elementos (4) portadores de imanes y el estator (3) es igual que el espesor del entrehierro.
3. Generador (1) eléctrico según la reivindicación 2 donde, en la posición retraída, los elementos (4) portadores de imanes están alojados en el interior de la estructura del rotor (2) .
4. Generador (1) eléctrico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que además comprende medios de guiado que dirigen el desplazamiento de los elementos (4) portadores de imanes.
5. Generador (1) eléctrico según la reivindicación 4, donde los medios de guiado comprenden guías o salientes dispuestos en los elementos (4) portadores de imanes que cooperan con respectivas guías o salientes complementarios dispuestos en la estructura del rotor (2) .
6. Generador (1) eléctrico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que además comprende medios de control de la velocidad de
desplazamiento de los elementos (4) portadores de imanes.
7. Generador (1) eléctrico según la reivindicación 6, donde los medios de control de la velocidad de desplazamiento comprenden gatos hidráulicos o poleas.
8. Generador (1) eléctrico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que además comprende medios de fijación de los elementos (4) portadores de imanes en la posición retraída.
9. Generador (1) eléctrico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que además comprende medios de fijación de los elementos (4) portadores de imanes en la posición extendida que permiten el ajuste de dicha posición extendida para diferentes espesores de entrehierro.
1O. Generador (1) eléctrico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que además comprende unos elementos (6) separadores dispuestos en el entrehierro o en sus proximidades para mantener su espesor constante.
11. Generador (1) eléctrico según la reivindicación 1 O, donde los elementos
(6) separadores se eligen entre: rodamientos mecánicos, rodamientos magnéticos y contactos deslizantes.
12. Generador (1) eléctrico según cualquiera de las reivindicaciones 1 O u 11, que además comprende unos resortes (5) fijados a la estructura y a los elementos (4) portadores de imanes de modo que ejercen una fuerza sobre dichos elementos (4) portadores de imanes que los mantiene en la posición extendida.
13.
14. Generador (1) eléctrico según la reivindicación 13, donde el rotor (2) está acoplado de manera giratoria a un bastidor (7) del aerogenerador por medio de al menos un rodamiento principal, mientras que la estructura del estator (3) comprende un elemento posterior fijado al bastidor del aerogenerador.
15. Generador (1) eléctrico según la reivindicación 14, donde la estructura del estator (3) comprende además un elemento anterior fijado de manera giratoria al eje del rotor (2) por medio de un rodamiento secundario.
16. Generador (1) eléctrico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el tamaño del rotor (2) cuando los elementos (4) portadores de imanes están en posición retraída es tal que permite el transporte por carretera y/o ferrocarril.
17. Generador (1) eléctrico según la reivindicación 16, donde el diámetro del rotor (2) cuando los elementos (4) portadores de imanes están en posición retraída es menor o igual a 4.2m.
18. Generador (1) eléctrico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15, donde el rotor (2) está formado por un módulo central (2a) configurado para su acoplamiento de modo giratorio al bastidor (7) y una pluralidad de módulos exteriores (2b, 2c, 2d, 2e) , cada uno de los cuales comprende al menos un elemento (4) portador de imanes.
19. Generador (1) eléctrico según la reivindicación 18, donde el tamaño de un módulo exterior (2b, 2c, 2d, 2e) de rotor (2) cuando el al menos un elemento
(4) portador de imanes está en posición retraída es tal que permite el transporte por carretera y/o ferrocarril.
20.
21. Generador (1) eléctrico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde 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) .
22. Aerogenerador (1) que comprende un generador (1) eléctrico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las palas están directamente acopladas al rotor del generador sin emplear una multiplicadora.
23. Procedimiento de montaje de un aerogenerador cuyo rotor (2) está formado por una estructura configurada para su acoplamiento de modo giratorio a un bastidor (7) del aerogenerador, a la que están acoplados una pluralidad de elementos (4) portadores de imanes que son desplazables radial mente con respecto al eje central del generador (1) entre una posición retraída y una posición extendida; caracterizado porque comprende los siguientes pasos:
- montar el rotor (2) al bastidor (7) del aerogenerador manteniendo los elementos (4) portadores de imanes en su posición retraída; -a continuación, montar el estator (3) al bastidor (7) del aerogenerador; y -a continuación, desplazar los elementos (4) portadores de imanes desde la posición retraída hasta la posición extendida.
24.
- montar al bastidor (7) el módulo central (2a) de la estructura del rotor (2) ; y -a continuación, fijar los módulos estructurales exteriores (2b, 2c, 2d, 2e) al módulo estructural central (2a) .
25. Procedimiento de montaje de un aerogenerador según cualquiera de las reivindicacione.
2. 24, donde el estator (3) es modular, donde el montaje del estator (3) comprende los siguientes pasos:
10 -ensamblar en tierra los segmentos que constituyen el núcleo del estator (3) y las bobinas; y -a continuación, izar el estator (3) montado y fijarlo al bastidor (7) del aerogenerador.
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