ES2892753T3 - Bobina con banda de recubrimiento fabricada de un material de alto rendimiento - Google Patents

Abstract

Bobina de un devanado de estator (12) de una máquina eléctrica (4), - en donde la bobina consta de un cierto número de espiras (14) que se enrollan junto con un número de capas de una banda de mica (15), sobre la cual a su vez se enrollan múltiples capas de una banda de recubrimiento (16); - en donde la banda de recubrimiento (16) presenta una secuencia de dos capas (17, 18), en donde una de estas dos capas (17, 18) consiste en un tejido (17) y en una lámina (18); en donde - el tejido (17) consiste en una fibra de vidrio o en un primer polímero de alto rendimiento y la lámina (18) consiste en un segundo polímero de alto rendimiento; - el primer polímero de alto rendimiento consiste en una aramida; - el segundo polímero de alto rendimiento consiste en una poliimida; - el tejido (17) está orientado en oposición a las capas de la banda de mica (15) y la lámina (18) está orientada hacia las capas de la banda de mica (15); y - la bobina está realizada como una bobina preformada tridimensional, caracterizada porque las capas de la banda de mica (15) y las capas de la banda de recubrimiento (16) presentan desplazamientos entre sí; en donde la bobina primero se enrolla como una bobina plana, después se enrolla con las capas de la banda de mica (15) y las capas de la banda de recubrimiento (16) y sólo entonces se conforma en una bobina preformada tridimensional, de modo que así se presentan los desplazamientos.

Description

DESCRIPCIÓN

Bobina con banda de recubrimiento fabricada de un material de alto rendimiento

La presente invención hace referencia a una bobina de un devanado de estator de una máquina eléctrica,

- en donde la bobina consta de un cierto número de espiras que se enrollan junto con un número de capas de una banda de mica, sobre la cual a su vez se enrollan múltiples capas de una banda de recubrimiento; - en donde la banda de recubrimiento presenta una secuencia de dos capas; en donde una de estas dos capas consiste en un tejido y en una lámina.

La presente invención también hace referencia a una máquina eléctrica, en donde la máquina eléctrica presenta un estator y un rotor; en donde el estator presenta ranuras del estator en las cuales se inserta un devanado del estator; en donde el devanado del estator presenta bobinas; en donde al menos una de las bobinas está realizada como una bobina como la descrita anteriormente.

La presente invención también hace referencia a un accionamiento eléctrico, en donde el accionamiento eléctrico presenta una máquina eléctrica de la clase mencionada, un convertidor y un dispositivo de control para el convertidor; en donde la máquina eléctrica se puede conectar a una tensión de alimentación mediante el dispositivo de control a través del convertidor, la cual es superior a 1 kV, en particular, superior a 1,5 kV, por ejemplo, de hasta 4,5 kV.

La presente invención también hace referencia a un vehículo ferroviario, en donde el vehículo ferroviario presenta como accionamiento de tracción un accionamiento eléctrico de la clase mencionada.

En las máquinas eléctricas, sobre las bobinas del devanado del estator se aplican una o más capas de banda de mica para el aislamiento principal. Esto se realiza, entre otras cosas, para aumentar la resistencia a la humedad y la clase térmica de la bobina. En particular, en el caso de máquinas eléctricas que se utilizan como accionamientos de tracción para vehículos ferroviarios, esta estructura está protegida adicionalmente de las influencias mecánicas por una capa de banda de recubrimiento de un tejido. La banda de recubrimiento de tejido sólo tiene una función de protección mecánica. La resistencia a la humedad y la clase térmica del aislamiento principal, por otro lado, están determinadas en gran medida por el número de capas de la banda de mica. Cuando un cierto número de capas de la banda de mica no presenta las propiedades requeridas, se incrementa el número de capas de la banda de mica. Como alternativa al aumento del número de capas de la banda de mica, también es conocido el insertar capas de lámina aislante adicionales entre las capas de banda de mica. En algunos casos, las bandas de lámina consisten en una poliimida. Las bandas de láminas son láminas puras sin refuerzo de tejido.

En ambos casos, es decir, tanto al aumentar el número de capas de banda de mica como al utilizar bandas de lámina entre las capas de banda de mica, el esfuerzo de fabricación aumenta y los costes de material y fabricación aumentan.

En accionamientos eléctricos normales que no se utilizan con fines de tracción, también se conoce el aplicar adicionalmente una capa de una banda de recubrimiento de lámina y de tela combinadas a las capas de la banda de mica. Tanto la lámina como el tejido están fabricados de PET (tereftalato de polietileno). Con dichas bandas de recubrimiento de lámina y tejido se puede obtener una clase térmica de un máximo de 180° C.

De la solicitud US 3254 150 A se conocen bobinas eléctricas para una unidad de refrigeración que presentan un aislamiento eléctrico flexible en forma de una banda de mica. De la solicitud JP H02156605 A se conoce el envolver primero una bobina con un material aislante, que posteriormente se envuelve con otro material aislante con un factor de fricción reducido. La solicitud CH 559451 A5 revela una bobina aislada por devanado para una máquina eléctrica con un material aislante inexpugnable parcialmente superpuesto enrollado alrededor de los conductores. En la solicitud JP H08 88948 A, una banda compuesta por una película de poliéster y un vellón de aramida se enrolla alrededor de un aislamiento de bobina fabricado de banda de mica, en donde el vellón está en el exterior, y posteriormente se enrolla alrededor de la banda una banda que evita la descarga de corona. Finalmente, la solicitud CA 2 319 281 A1 revela un sistema de aislamiento para una máquina dinamoeléctrica en la cual dos capas de aislamiento se enrollan alrededor de conductores eléctricos, en donde la primera capa presenta una primera permitividad mayor que la permitividad de la segunda capa.

El objeto de la presente invención consiste en proporcionar posibilidades mediante las cuales se puedan crear bobinas, máquinas eléctricas y accionamientos de una manera sencilla y económica, que sean particularmente adecuadas para su uso en accionamientos de tracción.

El objeto conforme a la invención se resuelve mediante una bobina con las características de la reivindicación 1. De acuerdo con la invención, una bobina de la clase mencionada en la introducción está diseñada de tal manera que el tejido consiste en una fibra de vidrio o en un primer polímero de alto rendimiento y la lámina consiste en un segundo polímero de alto rendimiento.

Por lo general, se prefiere que el tejido esté compuesto de una fibra de vidrio. Cuando el tejido está compuesto del primer polímero de alto rendimiento, el primer polímero de alto rendimiento es, según la invención, una aramida. Por el contrario, según la invención, el segundo polímero de alto rendimiento es una poliimida.

De acuerdo con la invención, el tejido está orientado en oposición a las capas de la banda de mica y, en consecuencia, la lámina está orientada a las capas de la banda de mica.

Conforme a la invención, la bobina está realizada como una bobina preformada tridimensional.

En principio, en el caso de una bobina preformada tridimensional es posible aplicar las capas a la banda de mica después del proceso de darle forma a la bobina. Sin embargo, por razones técnicas de fabricación, es considerablemente más sencillo cuando la bobina se enrolla primero como una bobina plana, después se enrollan las capas de la banda de mica y las capas de la banda de recubrimiento y sólo entonces se conforma una bobina preformada tridimensional. De acuerdo con la invención, las capas de la banda de mica entre sí y las capas de la banda de recubrimiento entre sí presentan desplazamientos entre sí, tal como se produce en tal proceso (es decir, una conformación después del enrollamiento con las capas en la banda de mica y la banda de recubrimiento).

El objeto conforme a la invención también se resuelve mediante una máquina eléctrica con las características de la reivindicación 2. De acuerdo con la invención, en una máquina eléctrica de la clase mencionada en la introducción, al menos una de las bobinas está diseñada conforme a la invención.

El objeto conforme a la invención también se resuelve mediante un accionamiento eléctrico con las características de la reivindicación 3. Según la invención, la máquina eléctrica del accionamiento eléctrico está diseñada conforme a la invención.

El objeto de la presente invención también se resuelve mediante un vehículo ferroviario con las características de la reivindicación 4. De acuerdo con la invención, el vehículo ferroviario presenta como accionamiento de tracción un accionamiento eléctrico conforme a la invención.

Las propiedades, características y ventajas de la presente invención, arriba mencionadas, así como la forma en la que las mismas se consiguen, se clarifican y deducen en relación con la siguiente descripción de los ejemplos de ejecución, los cuales se explican en detalle en relación con los dibujos. En una representación esquemática las figuras muestran:

Figura 1: un vehículo ferroviario.

Figura 2: un accionamiento eléctrico.

Figura 3: una máquina eléctrica.

Figura 4: un estator de una máquina eléctrica y una bobina.

Figura 5: un corte transversal a través de una bobina.

Figura 6: una sucesión de capas de bandas.

Figura 7 una vista en planta sobre un lado superior de una banda de recubrimiento.

Figura 8 una vista en planta sobre un lado inferior de una banda de recubrimiento.

Figura 9: un diagrama de operaciones.

Figura 10: una bobina plana.

Según la figura 1, un vehículo 1 ferroviario (por ejemplo, una locomotora eléctrica) presenta al menos un accionamiento de tracción 2. Según la figura 1, el accionamiento de tracción 2 se alimenta con energía eléctrica a través de una línea aérea 3. Sin embargo, también es concebible otro tipo de alimentación, por ejemplo, a través de un motor diésel que acciona un generador eléctrico.

El accionamiento de tracción 2 es un ejemplo de un accionamiento eléctrico. En relación con el accionamiento de tracción 2, la presente invención se explica a continuación. Sin embargo, el accionamiento eléctrico también se puede utilizar para otros fines. Por ello, a continuación, el término "accionamiento" sólo se utiliza en general y se seguirá utilizando el símbolo de referencia 2.

Según la figura 2, el accionamiento eléctrico 2 presenta una máquina eléctrica 4, un convertidor 5 y un dispositivo de control 6 para el convertidor 5. En muchos casos, el convertidor 5 también está precedido por un rectificador 7. Sin embargo, esto no es obligatoriamente necesario. Desde el dispositivo de control 6, la máquina eléctrica 4 se puede conectar a una tensión de alimentación U a través del convertidor 5. Cuando el rectificador 7 está presente y es controlable, por lo general, el control del rectificador 7 también se realiza mediante el dispositivo de control 6.

La tensión de alimentación U, es decir, aquella tensión que se aplica a los terminales del motor de la máquina eléctrica 4, suele ser superior a 1 kV. Incluso puede ser superior a 1,5 kV, por ejemplo, alcanzar entre 2 kV y 3 kV. En algunos casos, dicha tensión puede llegar a 4,5 kV.

Según la figura 3, la máquina eléctrica presenta un estator 8 y un rotor 9. El rotor 9 está dispuesto de manera rotacionalmente fija sobre un eje de rotor 10, que, a su vez, puede girar alrededor de un eje de rotación. Según las figuras 3 y 4, el estator 8 presenta ranuras de estator 11. En las ranuras del estator 11 se introduce un devanado de estator 12 (véase la figura 3). El devanado del estator 12 presenta bobinas 13 (véase la figura 4), en donde, por motivos de claridad, en la figura 4 sólo está representada una de las bobinas 13. El diseño de la bobina 13 es el verdadero objeto de la presente invención.

Según la figura 5, la bobina 13 consta de múltiples espiras 14. Las espiras 14 están fabricadas generalmente de cobre. En cualquier caso, sin embargo, las espiras 14 están provistas de aislamiento eléctrico que no está mostrado específicamente, por ejemplo, de una laca protectora. El número de espiras 14 puede depender de la necesidad. El número de cuatro vueltas 14 mostrado en la figura 5 es puramente a modo de ejemplo.

Según la figura 5, las espiras 14 están enrolladas con cierto número capas de una banda de mica 15, no individualmente sino juntas. El número de capas de la banda de mica 15 puede ser uno. Con frecuencia es mayor que 1. La cantidad representada en la figura 5 de dos capas es puramente a modo de ejemplo. En las capas de banda de mica 15 - más precisamente, en la capa más externa de la banda de mica 15 - se enrollan múltiples capas de una banda de recubrimiento 16. El número de capas de la banda de recubrimiento 16 puede ser mayor a 1. Por lo general, sin embargo, sólo se enrolla una capa en la banda de recubrimiento 16. La banda de recubrimiento 16 suele ser la capa más externa de la bobina terminada 13. Después de enrollar la bobina 13 con la banda de recubrimiento 16, la bobina 13 terminada se inserta en el estator 9 o, más precisamente, en dos de las ranuras 11 del estator. En el caso del diseño de la bobina 13 como una bobina preformada, la banda de mica 15 debe presentar la mayor flexibilidad posible y el menor coeficiente de fricción estática posible entre el lado superior y el lado inferior. En particular, la rigidez a la flexión según la norma IEC EN ISO 8295 (estado 2004) debería ser inferior a 50 N/m. El coeficiente de fricción estática (definido en la misma norma) debería estar por debajo de 0,7. Ejemplos de bandas de mica adecuadas son las RikaFibrel E364N y RikaFibrel E464N del Grupo Nippon Rika.

Según las figuras 6 a 8, la banda de recubrimiento 16 está realizada como un laminado que presenta una secuencia de dos capas 17, 18. Cada una de estas dos capas 17, 18 consiste en un tejido 17 y una lámina 18. La banda de recubrimiento 16 no contiene más componentes. Por tanto, la lámina 18 se une directamente al tejido 17. El tejido 17 está orientado en oposición a las capas de la banda de mica 15 y, por consiguiente, la lámina 18 mira hacia las capas de la banda de mica 15.

El tejido 17 consiste preferentemente en una fibra de vidrio. Alternativamente, el tejido puede consistir en un primer polímero de alto rendimiento. El primer polímero de alto rendimiento es una aramida, en particular, una meta(m)-aramida o una para(p)-aramida. La lámina 18 consta de un segundo polímero de alto rendimiento. El segundo polímero de alto rendimiento es una poliimida. Un ejemplo de una banda de recubrimiento adecuada 16 es una Voltaflex GK2797 de la firma Isovolta AG.

Resulta posible que la bobina 13 sea una bobina sustancialmente plana. Sin embargo, con frecuencia, tal como se puede observar en la figura 4, la bobina 13 está configurada como una bobina preformada tridimensional.

En el caso de la conformación como una bobina preformada, resulta posible aplicar las capas de la banda de mica 15 y las capas de la banda de recubrimiento 16 después de que la bobina 13 se haya conformado en bobina preformada. Preferentemente, sin embargo, de acuerdo con la representación de la figura 9, en un paso S1, primero, se arrolla una bobina plana. Esto se indica en el paso S1 mediante la indicación "2D". La bobina plana se muestra únicamente a modo de ejemplo en la figura 10. Posteriormente, en un paso S2, las capas de banda de mica 15 y banda de recubrimiento 16 se aplican a la bobina plana, es decir, antes de que se deforme en una bobina preformada. Esto se indica en el paso S2 mediante la indicación “ 15, 16” . Sólo entonces, en un paso S3, la bobina plana ya enrollada se conforma en una bobina tridimensional. Esto se indica en el paso S3 mediante la indicación "3D".

Durante el proceso de conformación (paso S3), las capas de la banda de mica 15 se desplazan entre sí y/o las capas de la banda de recubrimiento 16 se desplazan una contra la otra. En algunos casos, la capa más interna de la banda de recubrimiento 16 adyacente a la capa más externa de la banda de mica 15 también se desplazan una con respecto a la otra. Los desplazamientos son una característica estructural de las bobinas 13 que resulta del proceso de fabricación.

En resumen, la presente invención hace referencia a las siguientes circunstancias: Una bobina 13 de un devanado de estator 12 de una máquina eléctrica 4 consta de un cierto número de espiras 14 que se enrollan junto con múltiples capas de una banda de mica 15, sobre la cual, a su vez, se enrollan múltiples capas de una banda de recubrimiento 16. La banda de recubrimiento 16 presenta una secuencia de dos capas 17, 18. Cada una de estas dos capas 17, 18 consiste en un tejido 17 y una lámina 18. El tejido 17 consiste en una fibra de vidrio o en un primer polímero de alto rendimiento. La lámina 18 está compuesta de un segundo polímero de alto rendimiento.

La presente invención ofrece múltiples ventajas. En particular, debido al diseño de la banda de recubrimiento 16 como una combinación de un tejido 17 y una lámina 18, la resistencia a la humedad y el índice de temperatura se mejoran sin la necesidad de una capa adicional de banda de mica 15. También se mejora la protección mecánica. Debido a los materiales utilizados, también se puede obtener una clase térmica de 200° C o mejor.

Claims (4)

REIVINDICACIONES

1. Bobina de un devanado de estator (12) de una máquina eléctrica (4),

- en donde la bobina consta de un cierto número de espiras (14) que se enrollan junto con un número de capas de una banda de mica (15), sobre la cual a su vez se enrollan múltiples capas de una banda de recubrimiento (16);

- en donde la banda de recubrimiento (16) presenta una secuencia de dos capas (17, 18), en donde una de estas dos capas (17, 18) consiste en un tejido (17) y en una lámina (18); en donde

- el tejido (17) consiste en una fibra de vidrio o en un primer polímero de alto rendimiento y la lámina (18) consiste en un segundo polímero de alto rendimiento;

- el primer polímero de alto rendimiento consiste en una aramida;

- el segundo polímero de alto rendimiento consiste en una poliimida;

- el tejido (17) está orientado en oposición a las capas de la banda de mica (15) y la lámina (18) está orientada hacia las capas de la banda de mica (15); y

- la bobina está realizada como una bobina preformada tridimensional, caracterizada porque las capas de la banda de mica (15) y las capas de la banda de recubrimiento (16) presentan desplazamientos entre sí; en donde la bobina primero se enrolla como una bobina plana, después se enrolla con las capas de la banda de mica (15) y las capas de la banda de recubrimiento (16) y sólo entonces se conforma en una bobina preformada tridimensional, de modo que así se presentan los desplazamientos.

2. Máquina eléctrica, en donde la máquina eléctrica presenta un estator (8) y un rotor (9); en donde el estator (8) presenta ranuras del estator (11) en las cuales se inserta un devanado del estator (12); en donde el devanado del estator (12) presenta bobinas (13); en donde al menos una de las bobinas (13) está realizada como una bobina según la reivindicación 1.

3. Accionamiento eléctrico, en donde el accionamiento eléctrico presenta una máquina eléctrica (4) según la reivindicación 2, un convertidor (5) y un dispositivo de control (6) para el convertidor (5); en donde la máquina eléctrica (4) se puede conectar a una tensión de alimentación (U) mediante el dispositivo de control (6) a través del convertidor (5) la cual es superior a 1 kV, en particular, superior a 1,5 kV, por ejemplo, de hasta 4,5 kV.

4. Vehículo ferroviario, en donde el vehículo ferroviario presenta como accionamiento de tracción (2) un accionamiento eléctrico según la reivindicación 3.