ES2260601T3 - Transformador. - Google Patents

Abstract

Transformador para la transmisión de energía eléctrica de una pieza fija a una pieza que gira con un cuerpo de bobina de forma anular para el alojamiento de una bobina de forma anular con ranuras (16) de forma anular abiertas en dirección axial o radial y con bobinas principales y secundarias (18¿, 18¿) configuradas de forma anular y dispuestas en las ranuras (16) de forma anular, en el que las bobinas principales y secundarias (18¿, 18¿) se oponen axial o radialmente y la bobina principal (18¿) está dispuesta sobre la pieza fija y la bobina secundaria (18¿) sobre la pieza que gira, caracterizado porque el cuerpo de bobina está formado por piezas conformadas (14) configuradas en una pieza en forma de segmentos circulares, que presentan una sección transversal en forma de U.

Description

Transformador.

La presente invención se refiere a un transformador para la transmisión de energía eléctrica desde una pieza fija a una pieza giratoria, con una bobina principal y una bobina secundaria. Transformadores de este tipo se conocen como máquinas asíncronas, en las que la bobina del estator forma la bobina principal y la bobina del rotor forma la bobina secundaria o viceversa. Asimismo, el calor de pérdida que aparece en la transmisión, que aparece como consecuencia de pérdidas por histéresis magnética, se considera de tal modo que, por un parte, la potencia que puede transmitirse a la zona está limitada a algunos kW. Por otro lado, este calor debe evacuarse y requiere, por tanto, una determinada dimensión mínima de montaje, de la que resulta una superficie lo suficientemente grande.

Del documento DE19953583C1 se conoce un transformador de corriente trifásica para la transmisión sin escobillas ni anillo colector de la potencia de deslizamiento del rotor de una máquina asíncrona a una pieza fija de la máquina. Este se compone de una pieza principal fija y una pieza secundaria que rota aplicada en un árbol de la máquina asíncrona. Asimismo, ambas piezas llevan una bobina de corriente trifásica con arrollamiento bobinado tangencialmente.

Del documento DE19842948A1 se conoce un motor eléctrico así como un procedimiento de fabricación de un paquete de chapa de un estator de un motor eléctrico.

Del documento DE10020949A1, que se considera como el más próximo al estado de la técnica, se conoce un transformador sin contacto, en el que cada núcleo magnético se compone de una combinación dispuesta en forma de disco de una pluralidad de núcleos parciales de forma plana. Estos núcleos magnéticos presentan, respectivamente, al menos, una ranura concéntrica y una ranura radial para el alojamiento de las bobinas.

Del documento EP0688028A1 se conoce un acoplador electromagnético para la transmisión de energía. Tanto el circuito principal como el circuito secundario contienen una disposición de núcleo de forma anular, que está provista de hendiduras de forma anular, en las que discurren arrollamientos anulares. La disposición de núcleo se compone, al menos, de un paquete con chapas de transformador por capas.

Del documento US5608771 se conoce un transformador para un sistema CT. Tanto el núcleo de estator como también el núcleo de rotor están configurados, respectivamente, de una pieza y presentan, al menos, una ranura que discurre de forma anular para el alojamiento de bobinas.

Del documento DE4214376A1 se conoce un material magnético para los núcleos de transmisión de potencia con escasa permeabilidad y escasa potencia de pérdida en forma de una composición homogénea de ferrita y plástico.

El objetivo de la presente invención es especificar un transformador, en el que el calor de pérdida que aparece se reduzca y que, por tanto, pueda presentar menores dimensiones o con las mismas dimensiones pueda transmitir potencias superiores.

Este objetivo se alcanza mediante un transformador según la reivindicación 1.

Asimismo, la invención se basa en el reconocimiento de que con las máquinas de rotación conocidas, como máquinas asíncronas, la profundidad de construcción contribuye esencialmente al problema de la evacuación de calor. Esto significa en consecuencia que una parte esencial del problema de la evacuación de calor puede resolverse mediante una forma de construcción lo más plana posible.

Según la invención, el transformador presenta un cuerpo de rotación formado a partir de piezas conformadas configuradas en forma de segmento de anillo circular con ranuras abiertas en dirección axial o radial, siendo el material de las piezas conformadas preferentemente ferrita. De este modo, puede crearse un cuerpo de rotación con propiedades magnéticas favorables y sin holguras, que permite una transmisión de potencia, especialmente libre de pérdidas.

Para mantener alejadas del cuerpo de rotación las fuerzas que aparecen en el transformador y, con ello, evitar su deformación o daño, se prevé una estructura portadora que aloja las piezas conformadas.

En una instalación de energía eólica dotada de un transformador según la invención, por ejemplo, la potencia del excitador de la pieza fija de la instalación de energía eólica puede transmitirse a la pieza que gira como el rotor del generador. Naturalmente, para una transmisión de varias fases también pueden usarse diversos transformadores uno junto a otro.

Para el funcionamiento de un transformador según la invención, se ha comprobado como ventajosa una frecuencia de hasta 300 kHz, preferentemente de aprox. 20 kHz, para mantener bajo el efecto de la inductividad y las pérdidas.

Variantes ventajosas de la invención se indican en las reivindicaciones subordinadas. A continuación, se explica en detalle la invención mediante las figuras. Asimismo, se muestran:

Fig. 1: una vista lateral de una primera forma de realización de un cuerpo de rotación;

Fig. 2: un segmento individual del cuerpo de rotación en la fig. 1;

Fig. 3: una vista en sección transversal a lo largo de la línea A-A en la fig. 1;

Fig. 4: una vista lateral de una segunda forma de realización de cuerpo de rotación;

Fig. 5: una vista en sección transversal de la segunda forma de realización de cuerpo de rotación a lo largo de la línea B-B en la fig. 4;

Fig. 6: una representación en perspectiva de la disposición de ambos cuerpos de rotación;

Fig. 7: una vista parcial en sección transversal de la disposición del cuerpo de rotación;

Fig. 8: una vista parcial en sección transversal de una disposición alternativa del cuerpo de rotación;

Fig. 9: una representación en perspectiva de una pieza conformada para uno de los cuerpos de rotación en la figura 8;

Fig. 10: una representación en perspectiva de una pieza conformada para el otro cuerpo de rotación representado en la figura 8.

La figura 1 muestra un anillo según la invención de un transformador 10. Este anillo presenta una estructura portadora 12, en la que están introducidas piezas conformadas 14. Estas piezas conformadas 14 llenan completamente el espacio interior formado por la estructura portadora 12, de forma que entre las piezas conformadas 14 individuales no existen holguras. En las piezas conformadas 14 está configurada, respectivamente, una ranura 16. Mediante la disposición de forma anular de las piezas conformadas 14 se obtiene, igualmente, una ranura 16 de forma anular, en la que puede introducirse una bobina.

La figura 2 muestra una única pieza conformada 14 en vista en planta desde arriba. En esta representación, se identifica claramente la forma en forma de segmento de anillo circular. El segmento 14 presenta un alma 15 superior, un alma 17 inferior, y un yugo 19. Asimismo, las almas 15, 17 discurren, básicamente, de forma perpendicular al yugo 19, de manera que se obtiene una sección transversal en forma de U, en la que las almas 15, 17 y el yugo 19 configurar la ranura entre ellos.

Esta sección transversal en forma de U puede identificarse claramente en la figura 3, que es una representación en sección transversal a lo largo de la línea de sección transversal A-A de la figura 1. En esta figura se representa, a su vez, la estructura portadora 12 igualmente con una sección transversal en forma de U, en la que está introducida la pieza conformada 14. En esta figura puede identificarse también que la pieza conformada 14 está configurada con las almas 15, 17 y el yugo 19. En la ranura está introducida una bobina 18 y el espacio restante dentro de la ranura está rellenado de material de sellado 20. Este material de sellado sirve, por un lado, para fijar la bobina en la ranura y, por otro lado, evita una penetración de humedad en la ranura y forma, de esta manera, una protección frente a corrosión.

La figura 4 muestra una forma de realización alternativa de un anillo de transmisión 10 según la invención. También aquí dentro de la estructura portadora 12 están representadas piezas conformadas 14. Estas piezas conformadas 14 son similares a las piezas conformadas representadas en la figura 1 y forman, igualmente, secciones de segmento de anillo circular. Aquí, a su vez, está configurada una ranura de forma anular 16, en la que puede introducirse una bobina. Además del hecho de que cada pieza conformada 14 en forma de segmento de anillo circular representada en la figura 4 se extiende sobre una cota de arco superior a la representada en la figura 1, resulta otra diferencia en la estructura de las piezas conformadas 14. Esta diferencia puede identificarse bien en la figura
5.

La figura 5 es una representación de una sección transversal a lo largo de la línea B-B en la figura 4. Asimismo, en la figura 5 puede identificarse bien, que de nuevo se prevé una estructura portadora 12 en forma de U, en las que está alojada la pieza conformada 14. Esta pieza conformada 14 presenta, igualmente, una sección transversal en forma de U, no obstante, el alma superior 15, el alma inferior 17, así como el yugo 19 están configurados como piezas separadas y ensambladas en forma de U. Esta forma de realización simplifica la fabricación de las almas 15, 17 y del yugo 19. Entre estas almas 15, 17 y el yugo 19 está configurada, a su vez, una ranura, en la que se aloja una bobina 18, y que está sellada con material de sellado 20.

La figura 6 muestra dos anillos de transformador 10 que se oponen en dirección axial. Asimismo, debe observarse, no obstante, que la distancia con la que están representados estos anillos de transformador 10 en esta figura es tan grande sólo para visualizarla y en el funcionamiento normal se mantiene lo más pequeña posible. En esta figura, puede identificarse a su vez las estructuras de soporte 12' y 12'', en las que las piezas conformadas 14 forman el anillo magnético, en el que en una ranura están introducidos la bobina 18 y el material de sellado 20. Uno de estos dos anillos de transformador 10 está unido con una pieza fija de un dispositivo, por ejemplo, generador-estator de una instalación de energía eólica, mientras que el otro anillo de transformador 10 está unido con una pieza que rota, por ejemplo, la rueda de polo de un generador anular. El eje de rotación está identificado mediante una línea de puntos. Puesto que ambos anillos de transformador 10 se encuentran opuestos de forma exacta, como en el caso de un transformador, la energía puede transmitirse de una bobina principal a la bobina secundaria mediante el circuito magnético.

Esto se explica mejor mediante la figura 7. Esta figura muestra una vista en sección transversal de la parte superior de dos anillos de transformador 10 opuestos. Ambos anillos de transformador 10', 10'' presentan una estructura portadora 12', 12'', en la que el circuito magnético está formado por piezas conformadas 14', 14'', que están representadas aquí de una sola pieza. Asimismo, es importe que la distancia entre las piezas conformadas opuestas entre sí y, con ello, la holgura en el circuito magnético sea lo menor posible, por ejemplo, 0,1 mm-10 mm. En cada ranura formada por las piezas conformadas 14', 14'' están dispuestas bobinas 18', 18''. Asimismo, en esta figura la bobina 18' representada a la izquierda es la bobina principal y la bobina 18'' representada a la derecha es la bobina secundaria. En la bobina principal, la dirección de circulación de corriente está representada desde el observador hacia delante. De este modo, en el circuito magnético formado por las piezas conformadas 14', 14'', se obtiene un campo magnético con la orientación representada por las flechas. Este campo magnético induce una tensión en la bobina secundaria 18'' que conduce a una circulación de corriente en una dirección o hacia el observador. De este modo, mediante este transformador se transmite energía eléctrica desde el lado principal (izquierda) al lado secundario (derecha).

La figura 8 muestra igualmente dos anillos de transformador 10. No obstante, estos están dispuestos de forma que se oponen en dirección radial. Aquí también se prevén de nuevo estructuras de soporte 12', 12'', que llevan piezas conformadas 14', 14'' configuradas de una sola pieza, que a su vez forman el circuito magnético. En esta figura 8, la bobina inferior es la bobina principal y la bobina superior es la bobina secundaria. La dirección de circulación de la corriente en la bobina principal es, a su vez, desde el observador hacia delante. De este modo, en el circuito magnético se genera un campo magnético con la orientación indicada a través de las flechas, que en la bobina secundaria induce, a su vez, una tensión que produce una circulación de corriente con una dirección hacia el observador. En esta disposición radial, la distancia entre las piezas conformadas 14, 14'' del circuito magnético y, con ello, la holgura en el circuito magnético también debe ser lo menor posible, por ejemplo, 1 mm-3 mm.

La figura 9 muestra una pieza conformada 14 en una representación en perspectiva simplificada. De la forma de esta pieza conformada 14 se desprende visualmente que una ordenación de diversas piezas conformadas da como resultado un anillo con una ranura 16 abierta hacia abajo. A continuación, las piezas conformadas 14 configuradas de este modo se introducen en la estructura portadora 12 de la Figura 8 y forman un anillo con una ranura 16 abierta hacia abajo.

La figura 10 muestra igualmente una representación en perspectiva simplificada de una pieza conformada 14. Esta pieza conformada 14 se introduce en la estructura portadora 12 inferior en la figura 8 y forma, de este modo, un anillo con una ranura abierta hacia arriba.

Al usar las piezas conformadas representadas en las figuras 9 y 10 puede fabricarse un transformador según la invención, cuyos anillos se oponen entre sí radialmente.

El transformador según la invención debe usarse, por ejemplo, para el funcionamiento de un generador, por ejemplo, una máquina síncrona, con objeto de almacenar la potencia de regulación eléctrica en el rotor del generador. Esta potencia puede encontrarse, por ejemplo, en el intervalo superior a 50 KW, preferentemente, de aprox. 80 KW a 120 KW.

La ventaja especial del transformador según la invención consiste en que el rotor de anillo colector actual, mediante el que se lleva la potencia del excitador eléctrico al rotor del generador, ya no es necesario y, de este modo, se evita un punto de desgaste de la instalación de energía eólica. Puesto que la potencia de excitador eléctrico en el transformador según la invención se transmite sin hilos, tampoco aparece ningún desgaste correspondiente.

Un transformador eléctrico según la invención puede usarse, especialmente, en generadores síncronos/generadores anulares. Los generadores de este tipo en caso de potencias superiores a 500 KW ya tienen un diámetro relativamente grande, por ejemplo, superior a 4m y ofrecen, por tanto, suficiente espacio, para alojar el transformador según la invención.

Claims (8)

1. Transformador para la transmisión de energía eléctrica de una pieza fija a una pieza que gira con un cuerpo de bobina de forma anular para el alojamiento de una bobina de forma anular con ranuras (16) de forma anular abiertas en dirección axial o radial y con bobinas principales y secundarias (18', 18'') configuradas de forma anular y dispuestas en las ranuras (16) de forma anular, en el que las bobinas principales y secundarias (18', 18'') se oponen axial o radialmente y la bobina principal (18') está dispuesta sobre la pieza fija y la bobina secundaria (18'') sobre la pieza que gira, caracterizado porque el cuerpo de bobina está formado por piezas conformadas (14) configuradas en una pieza en forma de segmentos circulares, que presentan una sección transversal en forma de U.

2. Transformador según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por una estructura portadora (12) que aloja las piezas conformadas (14).

3. Transformador según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el material de las piezas conformadas (14) es ferrita.

4. Transformador según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque las piezas conformadas (14) están formadas por núcleos de cintas anulares.

5. Instalación de energía eólica con, al menos, un transformador según una de las reivindicaciones precedentes.

6. Instalación de energía eólica según la reivindicación 5, además con un generador síncrono, en la que se usa el transformador descrito según una de las reivindicaciones 1 a 4, para transmitir a la pieza que gira del generador potencia de excitador necesaria para el funcionamiento del generador.

7. Procedimiento para el funcionamiento de un transformador según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por una frecuencia de hasta 300 kHZ, preferiblemente, 20 kHz.

8. Generador, preferiblemente generador síncrono, una instalación de energía eólica, en el que se usa el transformador descrito según una de las reivindicaciones 1 a 4, para transmitir a la pieza que gira del generador potencia de excitador necesaria para el funcionamiento del generador.