GENERADOR ELÉCTRICO Y AEROGENERADOR QUE COMPRENDE DICHO GENERADOR ELÉCTRICO.

Generador eléctrico y aerogenerador que comprende dicho generador eléctrico.

La presente invención se refiere a un generador eléctrico y al aerogenerador que comprende dicho generador, donde el generador comprende un rotor donde la sección radial de su corona es variable a lo largo de su perímetro debido a que la corona del rotor comprende unos rebajes dispuestos en la cara de la corona opuesta a la cara donde se encuentran dispuestos los elementos de excitación, donde los rebajes están dispuestos en las zonas de la corona del rotor con menor densidad de flujo magnético para minimizar el material magnético empleado y reducir el peso del generador, donde dependiendo de si existe o no continuidad en el flujo magnético a lo largo de todo el perímetro de la corona del rotor, los rebajes estarán enfrentados a los elementos de excitación o no respectivamente.

Generador eléctrico y aerogenerador que comprende dicho generador eléctrico

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un generador eléctrico que comprende un rotor y/o un estator con un diseño que minimiza el material magnético empleado en la fabricación de los mismos y en consecuencia reduce el peso final del generador.

La invención se refiere también a un aerogenerador que comprende el generador eléctrico donde se minimiza el material eléctrico empleado del rotor y/o del estator.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

La tendencia actual en la fabricación de aerogeneradores de potencias multimegawatio 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 10 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 “Direct Drive”.

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) .

Estos generadores suelen presentar una corona o núcleo magnético formado por un cilindro de superficie lisa en la parte externa, que se corresponde a la parte opuesta a la zona en que están dispuestos los dientes para el caso del estator o los polos magnéticos para el caso del rotor.

Algunos de estos generadores se divulgan en los siguientes documentos:

La solicitud de patente con número de publicación US2011001320 (A1) describe un generador para un aerogenerador de accionamiento directo, donde el estator se fabrica a partir del apilamiento de chapas laminadas de material ferromagnético presentando unas aletas para la disipación del calor. Estas aletas están rodeadas por una corona con una superficie exterior circular que constituye la parte externa del estator.

La solicitud de patente con número de publicación JP2001119872 (A) se refiere a un generador síncrono para un aerogenerador donde el estator se fabrica de forma modular de manera que al ensamblar cada uno de los módulos se crean unas ranuras dispuestas entre cada dos dientes del mismo, para facilitar el acoplamiento entre los mismos y conseguir un estator con la redondez predeterminada. Externamente a los dientes va dispuesta la corona del estator que presenta una superficie exterior circular que constituye la parte externa del mismo.

En el documento “Possible Solutions to Overcome Drawbacks of Direct-Drive Generator for Large Wind Turbines” D. Bang, H. Polinder, G. Shrestha, J.A. Ferreira, se realiza una revisión de posibles soluciones para reducir los inconvenientes del empleo de generadores de gran par, entre los que se encuentra el análisis del elevado peso de dichos generadores, pero no se aportan soluciones para reducir dicho peso.

El solicitante desconoce soluciones en el estado de la técnica donde se logre minimizar el peso del generador eléctrico, que es especialmente interesante en generadores de gran potencia y gran par, cuya masa es elevada, como son los generadores eléctricos destinados a su uso en aerogeneradores de eje horizontal, en cuyo caso, la masa situada en el extremo superior de la torre dimensiona el conjunto torre y cimentación.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un generador eléctrico que comprende un rotor que a su vez comprende una corona magnética y unos elementos de excitación dispuestos en una de las caras de la corona magnética.

La sección radial de la corona magnética del rotor es variable a lo largo de su perímetro en función de la densidad de flujo magnético en cada zona de la misma, siendo dicha sección radial menor en las zonas con menor densidad de flujo magnético con el fin de minimizar el material magnético empleado y en consecuencia reducir el peso final del generador.

Para ello, la corona magnética del rotor comprende unos rebajes dispuestos en la cara de la corona opuesta a la cara donde se encuentran dispuestos los elementos de excitación.

El generador comprende además un estator que comprende a su vez una corona magnética y un conjunto de dientes dispuestos en una de las caras de la corona magnética, dientes sobre los que se arrollan o insertan unas bobinas dispuestas en la zona del entrehierro entre dos dientes adyacentes.

De igual manera que para el rotor, la sección radial de la corona magnética del estator puede ser variable a lo largo de su perímetro en función de la densidad de flujo magnético en cada zona de la misma, siendo dicha sección radial menor en las zonas con menor densidad de flujo magnético con el fin de minimizar el material magnético empleado y en consecuencia reducir el peso final del generador.

Para ello, la corona magnética del estator comprende unos rebajes dispuestos en la cara de la corona opuesta a la cara donde se encuentran dispuestos los dientes.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

Figura 1. Muestra una vista en la dirección de su eje de un generador de imanes permanentes de acoplamiento directo perteneciente al estado de la técnica, donde se han representado las líneas de flujo magnético, apreciándose zonas, tanto en la corona magnética del rotor como en la del estator en las que la densidad de flujo magnético es prácticamente nula.

Figura 2. Muestra una vista en perspectiva de un primer ejemplo de realización del rotor del generador eléctrico de la presente invención, en el que dicho rotor presenta una corona continúa, los elementos de excitación son imanes permanentes y los rebajes de la corona son semicirculares.

Figura 3. Muestra una vista en planta de un segundo ejemplo de realización del rotor del generador eléctrico de la presente invención, en el que dicho rotor presenta una corona discontinua formada por dos módulos, los elementos de excitación son imanes permanentes y los rebajes son arcos de circunferencia y semicircunferencias.

Figura 4. Muestra una vista en la dirección de su eje de un generador de imanes permanentes de acoplamiento directo de acuerdo a la invención, donde se han representado las líneas de flujo magnético tanto en la corona magnética del rotor como en la del estator.

Figura 5. Muestra una vista en planta de un desarrollo de un módulo de rotor con seis elementos de excitación que son imanes permanentes y con rebajes semicircunferenciales o con forma de arco de circunferencia.

Figura 6. Muestra una vista en planta de un desarrollo de un módulo de estator con separación entre módulos contiguos en la mitad de los dientes.

Figura 7. Muestra una vista en planta de un desarrollo de dos módulos de estator con separación entre módulos contiguos en el espacio entre dientes.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

A la vista de las figuras se describe a continuación un modo de realización preferente del generador eléctrico de la presente invención que comprende un rotor (1) que a su vez comprende una corona magnética (2) y unos elementos de excitación (3) dispuestos en una de las caras de la corona magnética, en este caso la cara circular externa (4) . Los elementos de excitación (3) empleados en el rotor (1) pueden ser tanto bobinas de Cu o superconductoras como imanes permanentes.

La corona magnética (2) del rotor (1) comprende unos rebajes (5) dispuestos en la cara circular interna (6) de dicha corona (2) opuesta a la cara circular externa (4) donde se encuentran dispuestos los elementos de excitación (3) .

El número y la localización de dichos rebajes (5) dependen de la configuración del rotor (1) .

En un primer modo de realización del rotor (1) del generador de la presente invención, la corona magnética (2) del mismo presenta continuidad magnética a lo largo de su perímetro, bien porque la corona (2) esté conformada en una sola pieza o bien porque sea modular, es decir formada por varios módulos (7) y unas juntas de material ferromagnético que garantizan el contacto...

1. Generador eléctrico que comprende un rotor (1) que a su vez comprende una corona magnética (2) y unos elementos de excitación (3) dispuestos en una de las caras (4) de la corona magnética (2) caracterizado porque la corona magnética (2) comprende unos rebajes (5, 16) dispuestos en la cara opuesta (6) a la cara (4) donde se encuentran dispuestos los elementos de excitación (3) de manera que la sección radial de la corona magnética (2) a la largo de su perímetro es variable.

2. Generador eléctrico según reivindicación 1 caracterizado porque el número de rebajes (5, 16) de la corona magnética (2) del rotor (1) es proporcional al número de elementos de excitación (3) .

3. Generador eléctrico según reivindicación 2 caracterizado porque la corona magnética (2) del rotor (1) presenta continuidad magnética a lo largo de su perímetro.

4. Generador eléctrico según reivindicación 3 caracterizado porque la corona magnética (2) del rotor (1) está conformada en una sola pieza.

5. Generador eléctrico según reivindicación 3 caracterizado porque la corona magnética (2) del rotor (1) comprende varios módulos (7) y unas juntas de material ferromagnético que garantizan el contacto entre módulos (7) adyacentes de dicha corona magnética (2) .

6. Generador eléctrico según cualquiera de las reivindicaciones 3 a 5 caracterizado porque la constante de proporcionalidad entre el número de rebajes (5) de la corona magnética (2) del rotor (1) y el número de elementos de excitación (3) es igual a uno.

7. Generador eléctrico según reivindicación 6 caracterizado porque la sección en dirección radial de la corona magnética (2) del rotor (1) donde se da la máxima profundidad de los rebajes (5) es coincidente con la sección central de los elementos de excitación (3) .

8. Generador eléctrico según reivindicación 2 caracterizado porque la corona magnética (2) del rotor (1) no presenta continuidad magnética a lo largo de su perímetro debido a que comprende varios módulos (7) entre los que existe un entrehierro (8) .

9. Generador eléctrico según reivindicación 8 caracterizado porque la constante de proporcionalidad entre el número de rebajes (5, 16) de la corona magnética (2) del rotor (1) y el número de elementos de excitación (3) es menor que uno.

10. Generador eléctrico según reivindicación 9 caracterizado porque la constante de proporcionalidad entre el número de rebajes (5, 16) de la corona magnética (2) del rotor (1) y el número de elementos de excitación (3) es (n+1) /2n para n2.

11. Generador eléctrico según reivindicación 10 caracterizado porque cada módulo (7) de la corona magnética (2) del rotor (1) comprende dos rebajes extremos (16) y unos rebajes centrales (5) , donde la superficie de los rebajes extremos (16) es la mitad que la superficie de los rebajes centrales (5) .

12. Generador eléctrico según reivindicación 11 caracterizado porque la sección en dirección radial de la corona magnética (2) del rotor (1) donde se da la máxima profundidad de los rebajes centrales (5) es coincidente con la sección equidistante entre dos elementos de excitación (3) de cada módulo (7) .

13. Generador eléctrico según reivindicaciones 7 ó 12 caracterizado porque la sección en dirección radial de la corona (2) del rotor (1) en la zona de máxima profundidad de los rebajes (5, 16) es entre un 20% y un 75 % menor que la sección en dirección radial de la corona magnética (2) en las zonas donde no existen rebajes (5, 16) .

14. Generador eléctrico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque comprende además un estator (9) que comprende a su vez una corona magnética (10) y un conjunto de dientes (11) dispuestos en una de las caras de la corona magnética (10) del estator (9) y unas bobinas (12) arrolladas sobre los dientes (11) en una zona de entrehierro (8) entre dos dientes (11) adyacentes, donde la corona magnética (10) del estator (9) comprende unos rebajes (14, 18) dispuestos en la cara (13) de dicha corona (10) opuesta a la cara (12) donde se encuentran dispuestos los dientes (11) .

15. Generador eléctrico según reivindicación 14 caracterizado porque el número de rebajes (14, 18) de la corona magnética (10) del estator (9) es proporcional al número de dientes (11) .

16. Generador eléctrico según reivindicación 15 caracterizado porque la corona magnética (10) del estator (9) presenta continuidad magnética a lo largo de su perímetro.

17. Generador eléctrico según reivindicación 16 caracterizado porque la corona magnética (10) del estator (9) está conformada en una sola pieza.

18. Generador eléctrico según reivindicación 16 caracterizado porque la corona (10) del estator (9) comprende varios módulos (17) y unas juntas de material ferromagnético que garantizan el contacto entre módulos (17) adyacentes de dicha corona magnética (10) .

19. Generador eléctrico según reivindicación 15 caracterizado porque la corona magnética (10) del estator (9) no presenta continuidad magnética a lo largo de su perímetro debido a que comprende varios módulos (17) entre los que existe un entrehierro (8) .

20. Generador eléctrico según cualquiera de las reivindicaciones 16 a 19 caracterizado porque la constante de proporcionalidad entre el número de rebajes (14, 18) de la corona magnética (10) del estator (9) y el número de dientes (11) es igual a uno.

21. Generador eléctrico según reivindicación 20 caracterizado porque la sección en dirección radial de la corona magnética (10) del estator (9) donde se da la máxima profundidad de los rebajes (14, 18) es coincidente con la sección central de los dientes (11) .

22. Generador eléctrico según reivindicación 19 caracterizado porque la constante de proporcionalidad entre el número de rebajes (14, 18) de la corona magnética (10) del estator (9) y el número de dientes (11) es menor que uno.

23. Generador eléctrico según reivindicación 22 caracterizado porque la constante de proporcionalidad entre el número de rebajes (14, 18) de la corona magnética (10) del estator (9) y el número de dientes (11) es (n+1) /2n para n2.

24. Generador eléctrico según reivindicación 23 caracterizado porque cada módulo (17) de la corona magnética (10) del estator (9) comprende dos rebajes extremos (18) y unos rebajes centrales (14) , donde la superficie de los rebajes extremos (18) es la mitad que la superficie de los rebajes centrales (14) .

25. Generador eléctrico según reivindicación 24 caracterizado porque la sección en dirección radial de la corona (10) del estator (9) donde se da la máxima profundidad de los rebajes centrales (14) es coincidente con la sección equidistante entre dos dientes (11) de cada módulo (17) .

26. Generador eléctrico según cualquiera de las reivindicaciones 14 a 25 caracterizado porque comprende unos tubos dispuestos en los rebajes (14, 18) de la corona (10) del estator (9) que conforman un sistema de refrigeración.

27. Generador eléctrico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13 caracterizado porque es del tipo de acoplamiento directo y la corona (2) del rotor (1) es de fundición.

28. Generador eléctrico según reivindicación 27 caracterizado porque es de acoplamiento directo y la corona magnética (2) del rotor (1) comprende unos medios de refuerzo (15) dispuestos en los rebajes (5, 16) de dicha corona magnética (2) del rotor.

29. Generador eléctrico según cualquiera de las reivindicaciones 14 a 26 caracterizado porque la corona magnética (10) del estator (9) está formada por chapas apiladas.

30. Generador eléctrico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque los rebajes (5, 16) de la corona magnética (2) del rotor (1) presentan forma semicircular, de arco de circunferencia, trapezoidal, rectangular o poligonal.

31. Generador eléctrico según cualquiera de las reivindicaciones 14 a 26 ó 29caracterizado porque los rebajes (14, 18) de la corona magnética (10) del estator (9) presentan forma semicircular, de arco de circunferencia, trapezoidal, rectangular o poligonal.

32. Generador eléctrico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque los elementos de excitación (3) del rotor (1) son bobinas de Cu, bobinas superconductoras ó imanes permanentes.

33. Generador eléctrico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque es del tipo síncrono multipolar.

34. Aerogenerador que comprende el generador eléctrico de cualquiera de las reivindicaciones anteriores.