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ES2841923T3 - Máquina eléctrica para aplicaciones sumergidas - Google Patents

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ES2841923T3
ES2841923T3 ES18163028T ES18163028T ES2841923T3 ES 2841923 T3 ES2841923 T3 ES 2841923T3 ES 18163028 T ES18163028 T ES 18163028T ES 18163028 T ES18163028 T ES 18163028T ES 2841923 T3 ES2841923 T3 ES 2841923T3
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ES
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stator
rotor
electric machine
encapsulated
magnets
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ES18163028T
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English (en)
Inventor
Stig Ove Stornes
Alexey Matveev
Jörg Höyland
Sigurd Övrebö
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Kongsberg Maritime AS
Original Assignee
Kongsberg Maritime CM AS
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Abstract

Máquina eléctrica (20) para aplicaciones sumergidas, cuya máquina eléctrica (20) incluye un estator externo (21) que consta de un núcleo laminado completo (32) y un devanado (33) para proporcionar una tensión de salida CA multifásica, un rotor interno (22) que consta de un contrahierro del rotor (27) e imanes permanentes (26), una estructura de soporte de rotor y estator, y medios de sujeción dispuestos para fijar el estator (21) a la estructura de soporte de rotor y estator, en donde - el estator (21), que incluye tanto el núcleo laminado (32) como los devanados (33), está encapsulado por separado en materiales compuestos (25) o un polímero, - los medios de sujeción dispuestos para fijar el estator (21) a la estructura de soporte de rotor y estator que comprenden una pluralidad de pasadores roscados (34) dispuestos radialmente hacia afuera desde los devanados (33) en lugares equidistantes alrededor del estator, cada uno atraviesa el núcleo laminado (32) y el material encapsulado (25) en dirección axial y atraviesa un par de tuercas (35), dispuestas en el material encapsulante (25), los pasadores roscados (34) que sobresalen en ambos lados axiales del material encapsulado (25), y - el rotor (22) está encapsulado por separado en materiales compuestos (25) o un polímero, o los imanes (26) del rotor (22) se fijan en el contrahierro (27) y se cubren con una carcasa protectora (28) hecha de acero inoxidable, o los imanes (26) tienen una superficie a prueba de corrosión y están protegidos adicionalmente con pintura especial, en donde un espacio (23) entre el estator (21) y el rotor (22) está abierto al fluido circundante.

Description

DESCRIPCIÓN
Máquina eléctrica para aplicaciones sumergidas
La invención se refiere a una máquina eléctrica para aplicaciones sumergidas.
Antecedentes
Los sistemas de conversión de energía sumergidos pueden tener aplicaciones en plantas de conversión de energía de olas, mareas e hidroeléctricas, generadores submarinos auxiliares, sistemas de inclinación de palas sumergidas, cabrestantes submarinos, sistemas de propulsión, propulsores, generadores en tubería, etc. Estas aplicaciones se caracterizan por diferentes tipos de movimiento primario.
La máquina eléctrica descrita como parte de la turbina de agua y la bomba de líquido presentada en el documento WO2004/113717 (Royrvik, 2004) tiene el estator que consta de bobinas y material de encapsulación únicamente. No se utilizan dientes de hierro ni contrahierro.
La máquina eléctrica en US2010/0026002 de OpenHydro (Spooner, 2010) también funciona con agua en el espacio entre el estator y el rotor. No tiene ranuras, pero a diferencia de la máquina del documento WO2004/113717, utiliza un elemento hecho de bobinado ferromagnético para conducir el flujo magnético. Además, la máquina tiene rectificadores de diodos para cada bobina, conectados entre sí para proporcionar una salida de tensión de CC desde la máquina.
Dos publicaciones de Clean Current Power Systems, CA2615808A1 y GB2442622B, describen máquinas de flujo axial. CA2615808A1 (Allison, 2003) propone una máquina con dos discos de rotor contrarrotantes con imanes en la base de las palas y bobinas encapsuladas en el estator sin núcleos de hierro.
GB2442622B (Platon, 2009) propone un estator que consta de una fila de segmentos de hierro en forma de E con una bobina en cada segmento. Los segmentos se encapsulan por separado. Hay espacios entre los segmentos vecinos. Cada bobina está equipada con una unidad electrónica individual, y las unidades están conectadas juntas en una red para formar una salida de tensión CC común.
La característica de las soluciones revisadas anteriormente, que pueden dar lugar a inconvenientes concretos en comparación con la solución propuesta en la presente invención, es que las máquinas no tienen núcleos de hierro completos en el estator o no tienen núcleos de hierro en absoluto.
La solución con núcleos de hierro del estator incompletos dará lugar a campos de alta dispersión, ya que no hay una ruta de hierro cerrada para el flujo magnético y, como consecuencia, menor densidad de potencia, menor eficiencia y factor de potencia. Además, tener los núcleos de hierro incompletos (núcleos E) dará como resultado una menor rigidez estructural, lo cual es importante para máquinas con gran diámetro. Dadas las fuertes fuerzas de atracción entre los imanes y los núcleos E de hierro, asegurar un espacio constante entre el estator y el rotor requeriría una estructura de transporte sustancial, que puede ser bastante costosa.
Por tanto, las soluciones de máquinas eléctricas para unidades de conversión de energía mareomotriz e hidroeléctrica conocidas de la técnica anterior adolecen de una eficiencia baja o de un coste elevado o de ambos. En la mayoría de las aplicaciones de máquinas eléctricas de la técnica anterior en sistemas de conversión de ondas, la máquina eléctrica se coloca sobre la superficie del agua (GB 2062113 A, GB 2408075 A) o en una cámara encapsulada para evitar el contacto con el agua de mar como en las publicaciones US 2006273594 A1, WO 2007125349 A2 (Masters, 2007) y WO 2009105011 A1 (Sidenmark, 2009).
Para aumentar la velocidad de rotación a la que se lleva a cabo la conversión de energía mecánica a eléctrica, se utilizan diversos sistemas de transmisión mecánica, como cajas de engranajes, como en la publicación GB 2192671 A y AU 2007202995 A1 (Fraenkel, 2007).
En el documento US 6.069.421 se describe un motor eléctrico que tiene un estator y un rotor encapsulados de material compuesto adecuados para aplicaciones sumergidas. El motor eléctrico incluye un estator que consta de un núcleo laminado completo y un devanado para proporcionar una tensión de salida de CA de múltiples fases, y un rotor que consta de contrahierro e imanes permanentes, en donde el estator, incluido el núcleo laminado y el devanado, está encapsulado por separado en compuestos o un polímero y el rotor se protege por separado al encapsularse en compuestos o un polímero, y un espacio entre el estator y el rotor está abierto al fluido circundante. En más detalle, en el documento US 6,069,241 se describe una solución en la que la estructura del estator está formada por capas de enlatado compuestas interior y exterior que tienen porciones de extremo integrales que se unen entre sí en extremos opuestos para encerrar una estructura de estator. La estructura del estator incluye un anillo de respaldo metálico, que rodea una serie de laminaciones circulares lateralmente adyacentes con ranuras periféricas internas que contienen devanados y estos componentes se encapsulan en el volumen encerrado por los anillos de enlatado interno y externo inyectando un material encapsulado de plástico adecuado. Además, la capa compuesta exterior tiene una pestaña radial dirigida hacia dentro y la capa compuesta interior tiene una pestaña radial dirigida hacia fuera, la pestaña de cada capa que está sellada mediante una soldadura química al extremo de la otra capa. En consecuencia, el estator está dispuesto en una carcasa formada por las capas de enlatado, que se cierran mediante una soldadura química. El estator está así dispuesto en la carcasa y no se describe cómo fijar partes activas a una estructura de soporte de rotor y estator.
Los principales requisitos para prácticamente cualquier convertidor de energía renovable son alta confiabilidad, larga vida útil y bajos costos de material, producción y operación. Las dificultades para cumplir con los requisitos explican el uso comercial relativamente bajo de las plantas de energía undimotriz y mareomotriz en la actualidad.
Los componentes del sistema mencionados anteriormente afectan el costo y la confiabilidad de la siguiente manera: (a) El costo del sistema es alto debido al uso de:
- cámara presurizada aislada,
- engranaje para aumentar la velocidad.
(b) La confiabilidad del sistema es baja y la vida útil es corta debido al uso de:
- sellos giratorios, que son las principales piezas de desgaste en cualquier dispositivo submarino que utilice este tipo de disposición,
- engranaje para aumentar la velocidad,
- cámara presurizada aislada,
- dispositivos de almacenamiento de energía.
(c) La eficiencia del sistema se reduce debido al uso de:
- pérdidas mecánicas (por fricción) en sellos giratorios,
- pérdidas mecánicas en el engranaje por aumento de velocidad.
Se puede ver que estos son los mismos componentes que afectan negativamente a todos los desempeños importantes (costo, confiabilidad, eficiencia, vida útil) del sistema total.
Objetivo
El objetivo principal de la invención es proporcionar una máquina eléctrica para sistemas de conversión de energía que resuelva parcial o totalmente los problemas de la técnica anterior mencionados anteriormente, es decir, proporcione mayor eficiencia, menores costos de material y producción y mayor vida útil.
Un objeto de la invención es deshacerse de:
- engranaje para aumentar la velocidad,
- cámara presurizada aislada,
- sellos giratorios, que son las principales piezas de desgaste en cualquier dispositivo submarino que utilice este tipo de disposición.
También es un objetivo proporcionar una máquina eléctrica que tenga mayor densidad de potencia, mayor eficiencia y mayor rigidez estructural que las soluciones de transmisión directa existentes para aplicaciones de mareas e hidráulicas.
También es un objeto de la invención proporcionar una máquina eléctrica, que puede integrarse con una parte mecánica de un sistema de conversión de energía.
La invención
En la reivindicación 1 se describe una máquina eléctrica según el sistema. Los detalles y las características preferibles de la máquina eléctrica se describen en las reivindicaciones 2-7.
Las aplicaciones discutidas anteriormente se caracterizan en general por una baja velocidad de rotación (generalmente por debajo de 200 rpm). Esta es la razón por la que se utilizan cajas de engranajes en muchos de ellos para llevar la velocidad a un nivel en donde se podrían aplicar máquinas eléctricas estándar para la conversión de energía. En la presente invención se propone utilizar una máquina de alto torque de baja velocidad, tal como una máquina síncrona multipolar con imanes permanentes. Permite deshacerse de las cajas de engranajes.
Las máquinas con imanes permanentes pueden tener un espacio relativamente amplio entre el estator y el rotor. Esto brinda la posibilidad de encapsular el estator y el rotor por separado y hacer que fluya agua (u otro fluido) entre ellos. El espacio puede ser tan grande como varios milímetros (en comparación con las máquinas tradicionales donde generalmente es una fracción de milímetros), lo que proporciona el espacio necesario para el encapsulado. Por ejemplo, 1/3 del espacio es agua, 1/3 del espacio es encapsulado en el estator y 1/3 del espacio es encapsulado en el rotor. Dado que las partes activas de la máquina están encapsuladas, no es necesaria una cámara presurizada aislada. Esto brinda la oportunidad de utilizar la máquina eléctrica en sistemas de conversión de energía a profundidades considerables cerca del fondo del mar o del río. En el fondo del mar la temperatura es más baja que cerca de la superficie, por lo tanto, el enfriamiento es mejor y la máquina eléctrica puede tener un diseño más compacto, lo que significa usar materiales menos activos y menor costo. Además, como no se utiliza una cámara presurizada, no hay necesidad de sellos giratorios. Como la velocidad en la aplicación es baja, las pérdidas por fricción en el espacio serán bastante pequeñas.
Según la invención, se sugiere acoplar la máquina eléctrica con un convertidor de electrónica de potencia para conversión de CA a CC en modo de generación y conversión de CC a CA en modo de motor. En el modo de generación, la rotación del rotor de la máquina eléctrica, en ambas direcciones, será rectificada por el convertidor en tensión CC constante con corriente/potencia pulsante en la salida del sistema de conversión de energía. Igualmente, en modo motorizado, la tensión CC de entrada puede convertirse en rotación bidireccional de la máquina eléctrica y, si es necesario, en funcionamiento cíclico. Cuando se genera energía en rotación en una dirección, la salida de energía de CC es estable.
Preferiblemente, el convertidor de electrónica de potencia está dispuesto cerca de la máquina eléctrica o integrado con la máquina eléctrica. Por lo tanto, también debe estar encapsulado.
Es posible tener uno o más dispositivos de almacenamiento de energía en el lado de CC del convertidor para aplanar la salida de potencia en aplicaciones de conversión de energía que tienen un movimiento alternante; sin embargo, tales dispositivos son costosos, por lo que se propone beneficiarse del hecho que las unidades de generación no suelen utilizarse solas sino en parques. Los ciclos de producción de energía de las unidades en el parque pueden sincronizarse para que la energía media producida sea estable. La tensión de CC en la salida de una unidad individual es mejor ya que CC es más conveniente que CA como la tensión entre parques y CC se transfiere mejor a largas distancias debido a pérdidas más bajas y cables más baratos.
Una máquina de imanes permanentes multipolares de alto torque y baja velocidad generalmente tiene forma de anillo, por lo que es muy adecuada para la integración mecánica. También puede ser preferible una máquina de flujo radial, ya que es más fácil de ensamblar e integrar con un sistema mecánico cualquiera que sea.
Hay varias formas de encapsular las partes activas de la máquina eléctrica, es decir, el estator y el rotor. El proceso de encapsulación del estator y el rotor se realiza mediante moldeo por inyección o un proceso de fundición. También puede ser una cubierta/armadura de metal en el rotor y una encapsulación de polímero o compuesto en el estator. Por consiguiente, la invención se basa en el uso de una máquina síncrona de imanes permanentes (PMSM) con rotor y estator encapsulados por separado.
La máquina está acoplada con un convertidor electrónico de potencia CA/CA o CA/CC sumergido.
La máquina puede estar integrada con partes mecánicas del sistema de conversión de energía.
La máquina puede utilizar cojinetes cerrados tradicionales, cojinetes magnéticos o lubricados por agua.
La máquina eléctrica será adecuada para sistemas de conversión de energía sumergidos que tengan aplicaciones en plantas de conversión de energía de olas, mareas e hidroeléctricas, generadores submarinos auxiliares, sistemas de inclinación de palas sumergidas, cabrestantes submarinos, sistemas de propulsión, propulsores, generadores de tubería, etc.
Aparecerán más detalles y características preferibles de la invención a partir de la siguiente descripción de ejemplo.
Ejemplo
La invención se describirá a continuación en detalle con referencia a los dibujos adjuntos, donde:
Las Figuras 1A-C muestran una topología del sistema de conversión de energía y tres tipos de carga típicos, La Figura 2A muestra una vista exterior de una máquina eléctrica con estator y rotor encapsulados por separado, La Figura 2B muestra una sección transversal de un rotor con una carcasa de protección sobre los imanes y con partes de una estructura portadora,
La Figura 2C muestra una sección transversal de un rotor con protección de imanes mediante una capa anticorrosiva especial y pintura, y con partes de una estructura portadora,
La Figura 2D muestra una sección transversal de un rotor donde las partes activas están sostenidas por un material de encapsulación, que actúa como estructura portadora,
Las Figuras 2E y 2F muestran secciones transversales de la Figura 2A desde diferentes ángulos para mostrar más detalles del estator de la máquina eléctrica, y
Las Figuras 3A-D muestran detalles de un proceso de moldeo.
Ahora se hace referencia a la Figura 1A-C que muestra las topologías del sistema de conversión de energía y los tipos de carga para los que se ha propuesto la invención. La Figura 1A muestra un movimiento unidireccional con carga constante, la Figura 1B muestra un movimiento bidireccional (alternativo) con un motor primario y la Figura 1C muestra un movimiento bidireccional (alternativo) con dos motores primarios.
Un sistema de conversión de energía según la invención incluye como elementos principales un convertidor AC/DC 11, una máquina eléctrica 20 (motor "M" o generador "G" dependiendo del modo de funcionamiento), así como un enlace mecánico 12 (eje o integración directa) a un sistema mecánico 13. El sistema mecánico 13 puede ser un motor primario en sí mismo, por ejemplo, una turbina 14, como en la Figura 1A, o un sistema de una o más poleas 15a-b para la conversión del movimiento lineal en movimiento rotacional. Puede haber una polea 15a, como en la Figura 1B, o dos o más poleas 15a-b, como en la Figura 1C.
Se hace ahora referencia a la Figura 2A que presenta la idea básica de la presente invención y cubre el diseño de la máquina eléctrica 20 que permite todas las modificaciones adicionales. La máquina eléctrica 20 tiene un estator 21 y un rotor 22, que están encapsulados por separado, de modo que un espacio 23 entre ellos está abierto al entorno, es decir, que hay, por ejemplo, agua (u otro fluido) en el espacio 23 entre ellos. Hay un enchufe 24 integrado en un material de encapsulación 25 para la conexión submarina de un cable eléctrico.
En la Figura 2B se muestra una variante de encapsulación del rotor. Los imanes 26 del rotor 22 están fijados sobre un contrahierro 27 y preferiblemente están cubiertos por una carcasa protectora 28 hecha, por ejemplo, de acero inoxidable. Las partes activas se sujetan mediante elementos de una estructura portante 29 mediante tornillos 30. La estructura portadora 29 está sujeta preferiblemente a un disco rotor 31.
En la Figura 2C se muestra una variante alternativa de encapsulación del rotor. Los imanes tienen una superficie resistente a la corrosión y además están protegidos con pintura especial.
En la Figura 2D se muestra una variante más. Las partes activas se moldean en el material de encapsulación 25 que actúa como estructura portadora y disco de rotor 31.
Se hace ahora referencia a la Figura 2E, que muestra una sección transversal de la máquina eléctrica 20 de la Figura 2A. La máquina eléctrica 20 incluye láminas de estator 32 y devanados 33, donde tanto las láminas de estator 32 como los devanados 33 están cubiertos por un polímero encapsulante o material de plástico reforzado con fibra (FRP) 25. La máquina eléctrica 20 incluye además un contrahierro de rotor 27 e imanes permanentes 26 que también están cubiertos por una capa de material compuesto encapsulante 25 también. La estructura de soporte según la presente invención usa pasadores roscados 34 y tuercas 35 para fijar partes activas a una estructura de soporte de estator y una estructura de soporte de rotor.
El pasador roscado 34 pasa preferiblemente de manera directa a través de las láminas 32 como se muestra en las Figuras 2E y 2F. No se utiliza ninguna carcasa alrededor del estator 21. Se pueden usar separadores 36 y arandelas 37 junto con el pasador roscado 34 para mejorar la fiabilidad de la estructura y simplificar el montaje. La Figura 2F también muestra un devanado 38 (lados de la bobina) en ranuras y cuñas de ranura 39.
El encapsulado de las partes activas del estator 21 o del rotor 22 se puede realizar en un proceso de moldeo abierto o cerrado. La Figura 3A ilustra una sección transversal de un estator 21 en un proceso de moldeo abierto. Un molde 40 puede estar hecho de un material rígido o flexible. El molde 40 se puede fabricar como una sola pieza o dividirse en múltiples partes que se ensamblan juntas. La resina 41 se vierte en el molde desde la parte superior 42, llenando un vacío entre el estator 21 y el molde 40. Se consiguen fundiciones de mayor calidad si la resina 41 y el molde 40 se colocan en una cámara de vacío durante el proceso de fundición. Un alto nivel de vacío permite extraer aire de la resina 41 y evita el encerramiento de aire durante el moldeo, lo que da como resultado propiedades eléctricas y mecánicas superiores de la resina curada. Si se usa un material flexible para crear el molde 40, el molde 40 puede endurecerse mediante el uso de un bastidor de soporte 43 en el radio interior y exterior (Figura 3B).
Con el fin de obtener altas tolerancias en todas las superficies de la fundición del estator 21 o del rotor 22, se puede utilizar un proceso de moldeo cerrado. El molde 40 de la Figura 3C está dividido en dos o más partes y puede estar hecho de material rígido o flexible. Para aumentar las tolerancias para el molde flexible, se puede usar un bastidor de soporte 43 en el radio interior y exterior. En un proceso de moldeo cerrado, es muy importante colocar correctamente la entrada 42 y la salida 44 de resina para evitar espacios vacíos en la pieza fundida. La entrada de resina 42 debe colocarse cerca del punto más bajo, mientras que la salida de resina 44 debe colocarse en el punto donde se espera que la resina llegue al final. Para aumentar las propiedades mecánicas y eléctricas, el moldeado cerrado se puede realizar en una cámara de vacío. El bastidor de soporte 43 se puede utilizar para reforzar (Figura 3D).
Modificaciones
La máquina eléctrica se puede utilizar en aplicaciones que utilizan contrarrotación, donde el rotor gira en una dirección y el estator gira en la otra dirección.
La máquina eléctrica puede consistir además en múltiples estatores o rotores, o partes activas de estator o rotor, donde todas las partes activas del estator están unidas a una estructura de transporte de estator común y todas las partes activas del rotor están unidas a una estructura de transporte de rotor común.
La máquina eléctrica también se puede dividir en dos o más partes para facilitar la producción o el transporte de la máquina.
La máquina eléctrica se puede utilizar en aplicaciones como plantas de conversión de energía mareomotriz e hidroeléctrica, generadores submarinos auxiliares, sistemas de inclinación de palas sumergidas, cabrestantes submarinos, sistemas de propulsión, propulsores, generadores de tubería, etc.

Claims (7)

REIVINDICACIONES
1. Máquina eléctrica (20) para aplicaciones sumergidas, cuya máquina eléctrica (20) incluye un estator externo (21) que consta de un núcleo laminado completo (32) y un devanado (33) para proporcionar una tensión de salida CA multifásica,
un rotor interno (22) que consta de un contrahierro del rotor (27) e imanes permanentes (26), una estructura de soporte de rotor y estator, y
medios de sujeción dispuestos para fijar el estator (21) a la estructura de soporte de rotor y estator, en donde
- el estator (21), que incluye tanto el núcleo laminado (32) como los devanados (33), está encapsulado por separado en materiales compuestos (25) o un polímero,
- los medios de sujeción dispuestos para fijar el estator (21) a la estructura de soporte de rotor y estator que comprenden una pluralidad de pasadores roscados (34) dispuestos radialmente hacia afuera desde los devanados (33) en lugares equidistantes alrededor del estator, cada uno atraviesa el núcleo laminado (32) y el material encapsulado (25) en dirección axial y atraviesa un par de tuercas (35), dispuestas en el material encapsulante (25), los pasadores roscados (34) que sobresalen en ambos lados axiales del material encapsulado (25), y
- el rotor (22) está encapsulado por separado en materiales compuestos (25) o
un polímero, o los imanes (26) del rotor (22) se fijan en el contrahierro (27) y se cubren con una carcasa protectora (28) hecha de acero inoxidable, o los imanes (26) tienen una superficie a prueba de corrosión y están protegidos adicionalmente con pintura especial,
en donde un espacio (23) entre el estator (21) y el rotor (22) está abierto al fluido circundante.
2. Máquina eléctrica según la reivindicación 1, caracterizada porque la máquina eléctrica (20) es una máquina de alto torque de baja velocidad, tal como una máquina síncrona multipolar con imanes permanentes.
3. Máquina eléctrica según la reivindicación 1, caracterizada porque el estator (21) está moldeado, es macizo y completamente encapsulado, sin aire ni fluido en el mismo.
4. Máquina eléctrica según la reivindicación 1, caracterizada porque el encapsulado del estator (21) y/o rotor (22) se realiza mediante un proceso al vacío.
5. Máquina eléctrica según la reivindicación 1, caracterizada porque el encapsulado del estator (21) y/o rotor (22) se realiza mediante una combinación de vacío y presión.
6. Máquina eléctrica según la reivindicación 1, caracterizada porque el estator (21) y el rotor (22) están girando en sentidos opuestos.
7. Máquina eléctrica según la reivindicación 1, caracterizada porque el estator (21) o el rotor (22) o ambos están ensamblados a partir de al menos dos partes.
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