ES2406191A2 - Máquina lineal eléctrica síncrona de imanes permanentes - Google Patents

Abstract

Máquina lineal eléctrica síncrona de imanes permanentes (1), para uso indistinto como generador o como motor, que comprende una parte móvil y una fija, o dos de móviles, en función de la aplicación, y que constituyen el inductor (2), y dos inducidos solidarios (3, 4), ambas de sección rectangular, en la que el inductor (2) comprende alternadamente, imanes (5) de polaridad opuesta con interposición entre cada par de imanes (5) de elementos ferromagnéticos (6), con tramos de ancho longitudinal menor a la altura de los imanes (5), constituyendo cada uno de estos elementos ferromagnéticos (6) un polo saliente, que actúa como concentrador de flujo, dirigiendo las líneas de campo hacia los inducidos (3, 4), de manera que los imanes pueden trabajar en el punto de máxima energía.

Description

MÁQUINA LINEAL ELÉCTRICA SÍNCRONA DE IMANES PERMANENTES

La presente invención se refiere a una máquina lineal, síncrona de imanes permanentes, que indistintamente puede trabajar como generador de electricidad o

5 como motor, y que permite reducir las necesidades de volumen de imán permanente en una proporción considerable, mediante la optimización de la distribución de las líneas de campo.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

10 Son conocidas las máquinas eléctricas lineales, síncronas de imanes permanentes, de sección rectangular, que consta de una parte fija, que generalmente constituye el inducido, y una parte móvil, que generalmente constituye el inductor, y que la parte móvil se traslada a 10 largo de la parte fija.

15 Este tipo de máquinas pueden trabajar indistintamente como generador o como motor. En este tipo de dispositivos, el elevado precio de los imanes hace que la mayor parte del coste se corresponda a estos, de ahí que resulte esencial aprovechar al máximo las líneas de campo, para aumentar la eficiencia de los imanes. Para ello, en varias propuestas del estado de la técnica se intenta evitar la dispersión de

2 O las líneas de campo, como puede ser el caso de los dispositivos descritos en US2011012440, US2010052437 o en US 2010/0052437 Al. Estas soluciones, sin embargo, proporcionan aumentos de eficiencia mínimos, y siguen sin optimizar el aprovechamiento de los imanes, que constituyen la parte más cara de la máquina.

25 Por ello, los inventores consideran necesario disponer de una máquina eléctrica lineal que supere estos inconvenientes.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

3 O Para ello, la presente invención propone una máquina eléctrica lineal, síncrona de imanes permanentes, para uso indistinto como generador o como motor, que comprende una parte móvil y una fija, o dos de móviles, en función de la aplicación, y que consta de un inductor de sección rectangular, y dos inducidos solidarios, también de sección rectangular. En aplicaciones de la máquina como generador a baja

35 velocidad de desplazamiento, resulta especialmente interesante que ambas partes

puedan ser móviles, doblando la velocidad relativa de desplazamiento, y por ende, doblando la tensión inducida, y como consecuencia de ello una mayor eficiencia en el punto de trabajo. El inductor comprende alternadamente, imanes de polaridad opuesta, con interposición

5 entre cada par de imanes, de elementos ferromagnéticos con tramos de anchura longitudinal menor a la altura de los imanes. Cada uno de estos elementos ferromagnéticos constituye un polo saliente, que actúa como concentrador de flujo, dirigiendo las líneas de campo hacia los inducidos, de manera que los imanes pueden trabajar en el punto de máxima energía.

10 Con esta disposición relativa de elementos ferromagnéticos e imanes se logra una distribución de flujos óptima, que permite trabajar a los imanes en un punto de máxima energía, ya su vez un aumento del campo magnético en el entrehierro. Efectivamente, los inventores han podido determinar experimentalmente que se logra un aumento de un mínimo del 14 % en la eficiencia magnética, que se traduce en una

15 reducción del coste del generador aproximadamente del mismo orden. Por trabajar en el punto de máxima energía debe entenderse disponer las líneas de campo para maximizar el producto escalar entre los campos B y H. La disposición de los elementos ferromagnéticos son colindantes lateralmente, en contacto directo con los imanes, y con la superficie de contacto de misma profundidad

2 O Y altura. Sin embargo, la anchura longitudinal de polo, será menor a la altura de los imanes. La relación entre la dimensión longitudinal, de la cara superior o inferior, de los elementos ferromagnéticos y la altura de los imanes, será aquella que junto con el grosor de los mismos (dimensión longitudinal de los imanes), hagan, que estos últimos, trabaj en en su punto de máxima energía. Para el caso concreto de un imán

25 N35, la relación entre la superficie de la cara superior (polo saliente) del concentrador de flujo, con la superficie lateral (entendida como profundidad por altura según el triedro de la figura 19) del imán es próxima a 0,5 para inductores de doble lado, y a la unidad de un lado. La altura del imán estará en función de la inducción deseada en el entrehierro, de la

3 O anchura del polo y del grado del imán (característica de desmagnetización). La anchura longitudinal del imán será función de la potencia de la máquina por unidad de profundidad. La utilización de concentradores de flujos permite utilizar diferentes tipos de imanes, de propiedades magnéticas adecuadas para el diseño de una misma máquina. Esta

35 característica permite desvincular el diseño de la disponibilidad y del coste, debido a posibles especulaciones en el mercado, de un determinado tipo de imán. La implementación de los concentradores de flujo no condiciona al tipo de arrollamiento del inducido, que podrá variar en función del tipo de aplicación.

5 BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Para mejor comprensión de cuanto se ha expuesto se acompañan unos dibujos en los que, esquemáticamente y tan sólo a título de ejemplo no limitativo, se representa un caso práctico de realización como generador.

10 La figura 1 es una vista en perspectiva de un generador según la invención. La figura 2 es una sección esquemática según un plano vertical longitudinal que muestra la posición relativa de los imanes y los elementos ferromagnéticos. La figura 3 muestra en sección longitudinal la distribución de las líneas de campo obtenida por simulación.

15 Las figuras 4 a 6 muestran, a modo de ej emplo, las distribuciones de líneas de campo en distintos inductores con imanes de diferente grado. En las figuras se puede observar que para los tres casos se logra la misma distribución densidades de campo. Las figuras 7 a 9 muestran, a modo de ej emplo, las distribuciones de líneas de campo en distintos inductores con diferente perfil del polo. En las figuras se puede observar

2 O que para los tres casos se logra la misma distribución densidades de campo. El uso de un determinado tipo de perfil dependerá de la aplicación de la máquina. Las figuras 10 Y 11 son un alzado y una planta, respectivamente, del inductor de la invención, donde se aprecia el pasamanos de guiado. Las figuras 12 a 15 muestran el movimiento relativo entre el inductor y los inducidos,

25 así como el movimiento relativo a la estructura general de la máquina, que en este caso correspondería a la misma hoja de representación. La figura 16 es una vista en perspectiva del inductor. La figura 17 representa las tensiones de las tres fases del inducido, con un devanado concéntrico de paso fraccionario 1,5.

3 O La figura 18 representa el espectro de frecuencia de la tensión de una fase. La figura 19 muestra el triedro de referencia en relación con el dispositivo de la invención.

DESCRIPCIÓN DE UNA REALIZACIÓN PREFERIDA

Tal como se puede apreciar en la figura 1, por ejemplo, la invención se refiere a un generador lineal, de imanes permanentes, de electricidad 1, que consta de dos partes

5 móviles de sección rectangular y que constituyen el inductor 2 y los inducidos 3, 4. Ambas partes se deslizan entre sí longitudinalmente. La invención se caracteriza en especial por el hecho de que el inductor 2 comprende alternadamente, imanes 5 de polaridad opuesta con interposición entre cada par de imanes 5 de elementos ferromagnéticos 6 con tramos de ancho longitudinal menor a la

10 altura de los imanes 5. Cada uno de estos elementos ferromagnéticos 6 constituye un par de polos salientes, que actúa como concentrador de flujo, dirigiendo las líneas de campo hacia los inducidos 3, 4, de manera que los imanes 5 pueden trabajar en el punto de máxima energía. El dispositivo de la invención presenta una geometría plana de menor dificultad

15 constructiva que las cilíndricas y que además permiten un guiado más simple y robusto a 10 largo de todo el recorrido de la máquina, permitiendo desplazar inductor e inducidos en sentidos opuestos, garantizando que el entrehierro sea prácticamente constante, tal como se aprecia en las figuras 12 a 15. La disposición de los elementos ferromagnéticos 6 son colindantes lateralmente, en

2 O contacto directo, con los imanes 5, y de la misma dimensión lateral, altura del polo, sin embargo, la dimensión longitudinal, ancho de polo, será menor a la lateral de los imanes 5. La relación entre la dimensión longitudinal, de la cara superior o inferior, de los elementos ferromagnéticos 6 y la dimensión lateral de los imanes 5, será aquella que junto con el grosor de los mismos, hagan, que estos últimos, trabajen en su punto

25 de máxima energía. Para el caso concreto de un imán N35, la relación entre la superficie de la cara superior polo saliente del concentrador de flujo, con la superficie lateral del imán es próxima a 0,5 para inductores de doble lado, y a la unidad de un lado. La altura del imán estará en función de la inducción deseada en el entrehierro, del

3 O ancho del polo y del grado del imán característica de desmagnetización. El ancho del imán será función de la potencia de la máquina por unidad de profundidad. Los inducidos comprenden cada uno un arrollamiento 7 concéntrico y de paso fraccionario 1,5. A ambos lados los arrollamientos comprenden aletas de refrigeración

R. Los imanes y los concentradores de flujo están soportados por unas guías lineales 8 35 laterales.

Tal como se puede apreciar en las figuras 1, 10, 11 Y 16, el dispositivo de la invención permite trabajar con guiados laterales, de manera que el inductor y los inducidos estén guiados a 10 largo de todo su recorrido, permitiendo reducir al mínimo la holgura de separación entre las dos partes de la máquina durante el movimiento. En la práctica

5 esto se traduce en una necesidad de menor entrehierro y en consecuencia una disminución del volumen necesario de los imanes para una misma potencia. Normalmente en las máquinas de imanes permanentes los imanes se colocan de forma superficial, trabajado el imán directamente como polo. En cambio, según la presente invención se implementan unos concentradores de flujo en los polos con la finalidad de

10 distribuir de manera óptima los flujos. La invención presenta una serie de beneficios, tanto en la calidad de la tensión generada como por el volumen necesario de los imanes para una determinada potencia, en comparación a los resultados que suelen obtenerse en generadores con montaje de imanes superficiales.

15 De los resultados obtenidos en el estudio comparativo entre un generador con concentrador flujo y otro con montaje superficial de los imanes, se demuestra que, con concentradores de flujo, la distorsión armónica total de la señal generada es notablemente inferior y que, para una misma potencia, el volumen necesario de imanes es inferior en un 17 %. Este aspecto es importante al tratarse del elemento de mayor

2 O coste de la máquina. Si la comparación se establece con generadores con una distorsión armónica similar en las tensiones inducidas, el volumen necesario de los imanes es de aproximadamente un 20 % inferior. Los concentradores de flujo pueden utilizarse, también, en máquinas lineales con un

25 sólo inductor, y rotativas, si bien los beneficios descritos anteriormente sólo se obtienen parcialmente, ya que en estos casos se produce una mayor dispersión de flujos. La solución adoptada de doble inducido, idénticos y simétricos al eje de translación, evita estas dispersiones de flujo, de tal manera que en la práctica la máquina se comporta como dos generadores electromagnéticamente independientes.

3 O En la figura 3 se aprecia el detalle de las líneas de campo en los polos de un inductor de doble lado. El simple hecho de la implementación de los concentradores de flujo permite un diseño de los polos, y por ende del inductor, que no condiciona la elección de las dimensiones

o grado del imán, más allá del volumen necesario para la potencia del generador. Este 35 desacoplo del imán del diseño del inductor, permite establecer unas dimensiones apropiadas del mismo, de manera que trabaje en el punto de máxima energía. Esta facilidad en el diseño que ofrece el uso de los concentradores para el dimensionamiento y optimización de los imanes, muy dificilmente puede encontrarse en generadores lineales con montaje de imanes superficiales.

5 Con el ajuste de las dimensiones del concentrador de flujo es posible adaptar al diseño de la máquina, todo tipo de imanes permanentes, tales como: samario, neodimio, o cualquier otro de características magnéticas similares que permitan niveles de inducción apropiados en el entrehierro de la máquina. Las figuras 4 a 6 muestran, a modo de ej emplo, las distribuciones de líneas de campo

lOen distintos inductores con imanes de diferente grado. En las figuras se puede observar que para los tres casos se logra la misma distribución densidades de campo. Las figuras 7 a 9 muestran, a modo de ej emplo, las distribuciones de líneas de campo en distintos inductores con diferente perfil del polo. En las figuras se puede observar que para los tres casos se logra la misma distribución densidades de campo. El uso de

15 un determinado tipo de perfil dependerá de la aplicación de la máquina. Otro aspecto que se ha considerado en el diseño es la mejora de la calidad de la tensión inducida (menor distorsión de la forma de onda), utilizando para ello devanados de paso fraccionario en lugar de paso entero. Las figuras 17 y 18, muestran, respectivamente, las tensiones de las tres fases en

2 O condiciones nominales, para un estator con devanado concéntrico de paso fraccionario 1,5, yel espectro de frecuencia de la tensión de una de las tres fases. En el gráfico 18 se aprecia prácticamente la ausencia de armónicos. Para la señal representada la distorsión armónica total es del 1,12 %.

Claims (2)

1. REIVINDICACIONES

   1. Máquina lineal eléctrica síncrona de imanes permanentes (1), para uso indistinto como generador o como motor , que comprende una parte móvil y una fija, o dos de 5 móviles, en función de la aplicación, y que constituyen el inductor (2), y dos inducidos solidarios (3, 4), ambas de sección rectangular, caracterizada por el hecho de que el inductor (2) comprende alternadamente, imanes (5) de polaridad opuesta con interposición entre cada par de imanes (5) de elementos ferromagnéticos (6), con tramos de ancho longitudinal menor a la altura de los imanes (5), constituyendo cada

   10 uno de estos elementos ferromagnéticos (6) un polo saliente, que actúa como concentrador de flujo, dirigiendo las líneas de campo hacia los inducidos (3, 4).
2. 2. Máquina eléctrica lineal, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la

   que los imanes son de carácter permanente. 15

   Fig.l Fig.2 p

   5

   3

   Fig.3

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   Fig.4 Fig. S Fig.6

   Fig.7 Fig.8 Fig.9

   Fig. 10

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   Fig. 11

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   Fig. 12

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   Fig. 13

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   Fig. 14

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   Fig. 15

   Fig. 16

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   Fig. 17

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   Armónicos

   Fig. 18

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   anchura

   Dirección longitudinal

   Fig. 19