MX2007006305A - Control de saturacion de maquina electrica. - Google Patents

Abstract

La invencion incluye un alternador/motor (10) electrico que tiene un rotor (12), estator (20) y por lo menos un devanado (22) en el estator (20) adaptado para conducir una corriente, la maquina tambien tiene primer y segundo circuitos magneticos, de los cuales uno incluye una porcion saturable en la cual puede controlarse la saturacion para permitir el control de la maquina.

Description

CONTROL DE SATURACIÓN DE MAQUINA ELÉCTRICA DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La invención se refiere a maquinas eléctricas tales como alternadores y motores, y en particular al control de tales máquinas. Con referencia a la Figura 1, un alternador o motor de imán permanente típico (PM) tiene un rotor 102 que soporta imanes 104 permanentes y montado en un árbol 108 rotativo. Un estator 110 tiene una pluralidad de devanado 112 entre una pluralidad de dientes 114 montados en un contrahierro 116. (Para facilidad de la ilustración, los elementos adyacentes de los devanados 102 en la Figura 1 se muestran no conectados) . Cuando se opera en un modo alternador, una fuente externa de par motor obliga la rotación del árbol, y la interacción de los imanes y los devanados provoca que un flujo magnético envuelva los devanados en las ranuras. Un flujo magnético varía debido a la rotación del rotor, el voltaje se genera en los devanados 112, lo cual resulta en una corriente de salida cuando una carga se conecta a la salida de la maquina. Cuando se opera en un modo de motor, el voltaje de una fuente externa (no mostrada) se aplica a los devanados 112, y la corriente resultante induce el flujo magnético en el estator y el rotor que, cuando se controla adecuadamente, provoca que el rotor gire para producir par motor. Las máquinas de PM pueden tener una configuración de "rotor interno" como se muestra en la Figura 1, o una configuración de "rotor externo" (no mostrada). El voltaje de salida y la frecuencia de los alternadores de PM en la técnica anterior se determina por la velocidad del rotor, el cual presenta desafíos donde la velocidad del rotor no puede controlarse independientemente. Por lo tanto, puede ser deseable mejorar la capacidad de control de las maquinas eléctricas, generalmente, y en particular maquinas de PM. En un aspecto, la presente invención proporciona un alternador/motor eléctrico que comprende: un rotor que tiene una pluralidad de imanes permanentes; un estator que tiene una pluralidad de primeras ranuras y una pluralidad de segundas ranuras, las primeras ranuras se localizan en una periferia del estator opuesta al rotor, las segundas ranuras se localizan en un lado opuesto de las primeras ranuras con relación al rotor; por lo menos un primer devanado dispuesto en una pluralidad de las primeras y segundas ranuras; por lo menos un primer circuito magnético definido en el estator y el rotor que encierra por lo menos una primera ranura en la cual se dispone el primer devanado; por lo menos un segundo circuito magnético que encierra por lo menos una de las segundas ranuras en las cuales se dispone el primer devanado, el segundo circuito magnético comparte una porción común del estator con el primer circuito magnético, el segundo circuito magnético incluye una porción magnéticamente saturable del estator diferente de la porción común; por lo menos un segundo devanado dispuesto adyacente al primer devanado en una pluralidad de segundas ranuras; un tercer circuito magnético definido en el estator y que incluye la porción magnéticamente saturable del estator, el tercer circuito magnético asociado operativamente con la corriente que pasa a través del segundo devanado; una fuente de corriente conectada al segundo devanado y adaptada para pasar una suficiente cantidad de corriente a través del segundo devanado para saturar sustancialmente la porción magnéticamente saturable del estator; y un controlador adaptado para variar la corriente proporcionada al segundo devanado para variar un nivel de saturación de la porción magnéticamente saturable. En otro aspecto, la invención proporciona una máquina que puede operar como por lo menos uno de un alternador/generador eléctrico y un motor eléctrico; la máquina comprende un ensamble de rotor y estator, el ensamble tiene un estator que incluye por lo menos un primer devanado, el ensamble también tiene primer y segundo circuitos magnéticos y un ensamble de control de saturación, el primer circuito magnético incluye el rotor y encierra por lo menos una primera porción del primer devanado, el segundo circuito magnético encierra por lo menos una segunda porción del primer devanado alejada del primer circuito magnético, el primer y segundo circuitos magnéticos acoplados magnéticamente cuando la corriente fluya en el primer devanado, el segundo circuito magnético incluye una porción la cual es magnéticamente saturable, el ensamble de control de saturación se asocia operativamente con la porción magnéticamente saturable del segundo circuito y que opera para variar en forma controlada un nivel de saturación de la porción saturable. En otro aspecto, la invención proporciona un alternador eléctrico que comprende: un rotor magnético; un estator que tiene un cuerpo y por lo menos un devanado de potencia adaptado para generar voltaje y corriente por lo menos parcialmente en respuesta al movimiento del rotor con relación al estator, el estator además comprende por lo menos un inductor saturable en serie con el devanado de potencia, en donde una porción del inductor saturable se proporciona intrínsicamente por el cuerpo del estator; y un aparato de control de saturación adaptado para controlar selectivamente un nivel de saturación de la porción de cada inductor saturable . En otro aspecto, la invención proporciona una máquina eléctrica que puede operar como por lo menos uno de un alternador/generador eléctrico y un motor eléctrico, la máquina tiene un rotor y un estator, el estator incluye por lo menos un primer devanado, la máquina comprende: un primer circuito magnético que incluye el rotor y encierra por lo menos una primera porción del primer devanado; un segundo circuito magnético que encierra por lo menos una segunda porción del primer devanado, el primer y segundo circuitos magnéticos acoplados magnéticamente cuando la corriente fluya en el primer devanado, el segundo circuito magnético incluye una porción la cual es magnéticamente saturable; y medios para variar en forma controlada un nivel de saturación de la porción saturable. En otro aspecto, la invención proporciona an método para regular una salida eléctrica conectada a una carga, el método involucra por lo menos un alternador conectado a la carga, el alternador tiene un rotor magnético, un estator y por lo menos un devanado de estator, el devanado asociado con un circuito magnético primario que incluye el rotor, el circuito magnético primario encierra por lo menos una primera porción del devanado de estator, el devanado ademas siendo asociado con un circuito magnético secundario definido en el estator, el circuito magnético secundario se acopla magnéticamente al circuito magnético primario e incluye una porción magnéticamente saturable, el circuito magnético secundario encierra por lo menos una segunda porción del devanado de estator, el método comprende las etapas de: mover el rotor con relación al estator para generar una corriente de salida en el devanado, y variar en forma controlada un nivel de saturación de una porción del circuito magnético secundario . En otro aspecto, la invención proporciona un método de participación de energía entre tales máquinas. Aún otras invenciones se describen en esta especificación y las figuras anexas, también, y la presente solicitud reclama todas las invenciones . BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Para un mejor entendimiento de la presente invención y para mostrar mas claramente cómo puede llevarse a cabo, ahora se hará referencia por medio del ejemplo a los dibujos anexos, que muestran artículos hechos de acuerdo con modalidades preferidas de la presente invención, en las cuales: La Figura 1 es una vista en corte transversal de cierta forma esquemática de un alternador/motor de imán permanente de la técnica anterior; la Figura 2 es una vista en corte transversal parcial en cierta forma esquemática de un alternador/motor de acuerdo con la presente invención; la Figura 3 es una vista esquemática de un circuito equivalente parcial del alternador/motor de la Figura 2, que ilustra sus aspectos funcionales; la Figura 4 es similar a la Figura 2, pero representa otra modalidad de la invención; la Figura 5 es un diagrama de bloque que ilustra esquemáticamente otro aspecto de la presente invención; y la Figura 6 es un diagrama de bloque que ilustra esquemáticamente otro aspecto de la presente invención. Con referencia a la Figura 2, una porción de una maquina eléctrica de imán permanente (PM) de acuerdo con la presente invención se representa en 10. Para facilidad de ilustración y descripción, la Figura 2 muestra una disposición lineal de la maquina 10 eléctrica, sin embargo se entenderá que se prefiere que la máquina generalmente tenga una arquitectura circular, con un rotor interno o externo. También se entenderá por el lector con experiencia que la Figura 2 y la descripción son esquemáticas en naturaleza, y que muchos detalles rutinarios del diseño se han omitido para claridad. La maquina 10 puede configurarse como un alternador para generar energía eléctrica, o motor para convertir energía eléctrica en fuerza mecánica, o ambas. La siguiente descripción se dirige a una máquina eléctrica que puede operar como alternador y motor. El alternador/motor 10 tiene un rotor 12 con imanes 14 permanentes que se montan para su rotación con relación a un estator 20. El estator 20 tiene por lo menos un devanado 22 de potencia y de preferencia por lo menos un devanado 24 de control, y esta modalidad del estator 20 tiene un diseño trifásico con tres devanados 22 de potencia electromagnéticamente independientes (las fases se notan por los números 1 , 2 , 3 encerrados respectivamente) y, correspondientemente, tres devanados 24 de control independiente. Los devanados de potencia y control se separan en esta modalidad por un entrehierro 26 de devanado y dispuestos en ranuras 28 radiales entre una pluralidad de dientes 30 adyacentes. (Para facilidad de ilustración en la Figura 2, los elementos adyacentes del devanado 24 de control se muestran no conectados. Para facilidad de descripción, las ranuras 28 adyacentes se indican como A, B, C, D, etc.) . El devanado 22 de potencia y el devanado 24 de control se aislan eléctricamente entre si. Un contrahierro 32, o barra colectora de flujo de control como se describe en esta solicitud, se extiende entre las ranuras 28. Un entrehierro 34 del rotor separa el rotor 12 y el estator 20 en una forma típica. Una porción central o "de puente" o porción de "barra colectora de flujo de potencia" 36 de estator también se extiende entre los pares adyacentes de los dientes 30 entre porciones adyacentes del devanado 22 de potencia. Los materiales para la máquina 10 de PM pueden ser cualesquiera estimados adecuados por el diseñador. Materiales preferidos por el inventor son: imanes permanentes de samario-cobalto, devanados de potencia de control de cobre, un material electromagnético saturable adecuado para los dientes del estator tales como aceros de silicio eléctrico comúnmente utilizados en la construcción de máquinas magnéticas, barras colectoras de flujo de potencia y control. Los dientes del estator, las barras colectoras de flujo de potencia y control pueden ser integrales o no integrales entre si, como se desee. El diseñador seleccionará las dimensiones del rotor y el estator y los materiales basándose por lo menos en parte en las propiedades deseadas de los circuitos magnéticos (descritos en lo siguiente) en la máquina para producir el rendimiento deseado de la máquina, etc. La barra colectora 32 de flujo de control es magnéticamente saturable, como se describirá en lo siguiente. El devanado 22 de potencia en esta modalidad consiste de un solo conductor que entra a la ranura 28 en un primer lado de la barra colectora 36 de flujo de potencia, cruza la barra colectora 36 de flujo de potencia en el otro extremo y sale de la ranura 28 en el otro o segundo lado de la barra colectora 36 de flujo de potencia (es decir, opuesto al primer lado, o lado de entrada) y procede a una siguiente ranura 28 de la misma fase, donde el devanado 22 de potencia de preferencia entra a la siguiente ranura desde el segundo lado de la barra colectora 36 de flujo de potencia en lugar de primer lado, como se describe en lo anterior. Mientras tanto, el devanado 24 de control se envuelve alrededor de la barra colectora de flujo de control, en esta modalidad de preferencia varias veces, tal como 25 veces, por razones descritas en lo siguiente. La dirección del devanado entre las ranuras apropiadas adyacentes (es decir, apropiado para mantener la correspondencia de fase con el devanado de potencia) de preferencia es la misma de ranura en ranura, y de este modo alternativamente opuesta con relación al devanado 22 de potencia, de tal manera que un voltaje neto cero se induce en el devanado de control, como también se describirá ademas en lo siguiente. El devanado 24 de control se conecta a una fuente de corriente y e_ sistema 50 de control (véase Figura 3), el cual en este ejemplo incluye una fuente de CD de corriente variable y un sistema de control de estado solido apropiado de preferencia que tiene funcionalidad como se describe ademas en lo siguiente. La corriente proporcionada por tal fuente de preferencia es suficiente para saturar la barra colectora 32 de control, como se describirá. Con referencia a la Figura 3, el alternaaor/motor 10 como recién se describe también puede representarse esquemáticamente por un circuito 10' equivalente que tiene una pluralidad de fuentes 12' de corriente alternativa (es decir, cada una, equivalente al sistema de rotor magnético en movimiento junto con la porción de un devanado 22 de potencia localizado en las porciones 28a de ranura) conectadas a una pluralidad de inductores 22' de potencia (es decir, equivalentes a la porción del devanado 22 primario localizado en la porción 28b de ranura), las fuentes 12' de corriente y los inductores 22' de potencia dispuestos alternativamente en serie. Asociados con los inductores 22' de potencia se encuentra una pluralidad de inductores 24' de control (es decir, equivalentes devanado 24 de control) que tiene núcleos 32' saturables (equivalentes a la barra colectora 32 de flujo de control saturable) . Los inductores 24' de control se conectan a una fuente de corriente de CD variable y sistema de control en este ejemplo, representada por 50, como se describirá ademas en lo siguiente. Por lo tanto, uno puede observar que el devanado 22 primario, el devanado 24 de control y la barra colectora 32 de flujo de control cooperan en la presente invención para proporcionar un inductor de núcleo saturable a bordo del estator 12. Los inductores de núcleo saturable se conoce que son útiles en la regulación de potencia de CA, y en un aspecto de la presente invención proporciona un procedimiento integrado para implementar un esquema de regulación de este tipo genérico, como ademas se describirá. Con referencia nuevamente a la Figura 2, en uso, en un rotor de modo alternador se mueve con relación al estator 20, y la interacción de los imanes 14 y los devanados 22 de potencia crea un flujo magnético primario dentro de la maquina 10 de PM a lo largo de una trayectoria de flujo magnético primario o circuito 60 magnético. El flujo primario induce un voltaje en el devanado de potencia, el cual cuando una carga eléctrica se conecta resulta en una corriente inducida, y la corriente inducida provoca que un flujo magnético secundario haga circular una trayectoria de flujo magnético secundario adyacente o circuito 62 magnético. Los circuitos primario y secundario de este modo se acoplan magnéticamente cuando una corriente fluye en el devanado de potencia. El circuito 62 magnético secundario es para la parte mas aislada del rotor y el circuito 60 magnético primario. (Se entenderá que esta descripción aplica solamente a la fase "1" de la modalidad descrita, y que interacciones similares, etc., ocurren en respecto a las otras fases. El lector con experiencia apreciará en vista de esta descripción que puede ser deseable en muchas situaciones incluir un aparato de regulación para mantener una corriente mínima en el devanado de potencia durante condiciones sin carga. El circuito 60 magnético primario incluye el rotor 12, el entrehierro 34 de rotor, la barra colectora 36 de flujo de potencia y la porción de los dientes 30 del estator entre el rotor 12 y la barra colectora 36 de flujo de potencia. El circuito magnético primario encierra una porción del devanado 22 de potencia y, en uso como un alternador provoca un flujo de corriente en el devanado 22 de potencia. El circuito 62 magnético secundario incluye la barra colectora 36 de flujo de potencia, la barra colectora 32 de control y la porción de los dientes 30 de estator entre la barra colectora 32 de control y la barra colectora 36 de flujo de potencia. En esta modalidad, el circuito magnético secundario encierra las porciones del devanado 22 de potencia y el devanado 24 de control en la ranura 28b. La barra colectora 36 de flujo de potencia divide la ranura 28 en dos porciones de ranura o aberturas 28a y 28b, con una abertura 28a para el devanado de potencia solamente, y otra abertura 28b para los devanados de potencia y de control. El circuito magnético primario encierra una abertura 28a mientras el circuito magnético secundario encierra una abertura 28b. La abertura 28a de preferencia esta radialmente más cerca del rotor que la abertura 28b. La barra colectora 36 de flujo de potencia de preferencia es común para ambas trayectorias de circuito magnético primario y secundario y de este modo los circuitos magnéticos primario y secundario se acoplan magnéticamente, como se menciona. Un circuito 64 magnético terciario de preferencia circula alrededor de la barra colectora 32 de control, como se indica parcialmente en la Figura 2 (es decir, solamente una porción de circuito terciario se muestra, ya que en esta modalidad el circuito terciario circula en todo el estator) . La barra colectora 32 de flujo de control de preferencia es común para las trayectorias de circuito magnético secundario y terciario y de este modo los circuitos magnéticos secundario y terciario también se acoplan magnéticamente. Como se menciona, por lo menos una porción de la barra colectora 32 de flujo de control es saturable. Cuando se opera como un alternador, la presente invención permite que la salida de los devanados 22 de potencia se controle a través de una manipulación de la corriente proporcionada a los devanados 24 de control, como ahora se describirá. Como se explica en lo anterior, el inductor 22' de potencia equivalente se forma por la porción del devanado 22 de potencia en la ranura 28b y el circuito 62 magn tico secundario, como se representa esquemáticamente por el circuito equivalente de la Figura 3. El devanado 24 de control comparte el circuito magnético secundario, sin embargo, puesto que de preferencia se envuelve en la misma dirección que el devanado 22 de potencia en cada ranura, como se menciona en lo anterior, el efecto logrado es similar a aquel proporcionado por los inductores saturables alternativamente invertidos, y de preferencia sustanc íalmente no existe ningún voltaje neto generado con el devanado 24 de control por el flujo en el circuito magnético secundario. La aplicación de una corriente de CD desde la fuente 50 hasta el devanado 24 de control result a en un circuito 64 de circulación de flujo de CD en la barra colectora 32 de flujo de control. En el instante de tiempo representado en la Figura 2, puede observarse que el flujo de CD en el circuito 64 magnético terciario en la barra colectora 32 de flujo de control está en la misma dirección en la ranura que el flujo de CA en el circuito 62 magnético secundario, pero en la ranura D la dirección del flujo de CD en el circuito 64 magnético terciario en la barra colectora 32 de flujo de control es opuesto al flujo de CA en el circuito 62 magnético secundario. Cuando la corriente de CD se incrementa en el devanado 24 de control, la densidad de flujo en la barra colectora 32 de control se incrementa de tal manera que la densidad de flujo de saturación se alcanza eventualmente. Se entenderá que la saturación se alcanza primero en las regiones en la barra colectora de control donde el flujo de CA y el flujo de CD están en la misma dirección, y que corrientes de control de CD más altas en ambas regiones de la barra colectora de control se saturan independientemente de la dirección de flujo. Una vez que ocurre la saturación, el flujo de CA en el circuito magnético secundario debido a la corriente en el devanado de potencia, se reduce muy significativamente. Como se menciona, el diseño del devanado de control con relación al devanado de potencia de preferencia resulta en un voltaje casi nulo inducido en el devanado de control, lo cual simplifica el control. También, puesto que la corriente de control de CD a través de ambas barras colectoras 32 de flujo de control produce flujos magnéticos en diferentes direcciones con relación al devanado 22 de potencia, una barra colectora 32 saturada más en un ciclo de la potencia de CA mientras la otra barra colectora 32 saturara mas en el otro, de este modo tendiendo a ecualizar la acción de control a través de cada medio ciclo. Una vez saturados, los materiales magnéticos sustancialmente pierden su capacidad de conducir flujo magnético, y como tales parece que no son magnéticos para ambas fuerzas magnéticas de CA (HAC) y además cambios en la influencia magnética de CD (HD( . El efecto neto de esta condición saturada en la barra colectora 32 de control es eliminar virtualmente de este modo la inductancia debido al circuito magnético secundario, el cual reduce significativamente por consiguiente la inductancia de la máquina . Además, cuando el flujo de corriente en el devanado 22 de potencia incrementa, por ejemplo a un incremento en la carga externa o un incremento en el voltaje de salida generado debido a un incremento en la velocidad de operación, la porción de la barra colectora 32 de flujo de control en la cual las direcciones de flujo son instantáneamente opuestas se saturarán menos, lo cual provoca un incremento proporcional en la inductancia.

Este efecto tiende a provocar que la corriente de salida permanezca de alguna forma constante. De este modo, la presente invención provoca que la corriente de salida de potencia del alternador se vuelva una función de la corriente de control. La inductancia máxima del inductor 22' de potencia equivalente formada por el circuito magnético secundario se refiere a las dimensiones físicas de las porciones que llevan el circuito magnético secundario. La corriente de cortocircuito del devanado de potencia se refiere a los amperios vueltas en el devanado de control por: IP * Np + K = IC * Nc donde: Np y Nc son el número de vueltas en los devanados de potencia y de control, respectivamente, IP e IC son las corrientes en los devanados de potencia y de control, respectivamente, y K es una constante la cual es inversamente proporcional a la máxima mductancia del devanado de potencia y otras características del diseño de la máquina. Esto permite la manipulación de la salida del devanado 22 de potencia, y de este modo el devanado 24 de control puede utilizarse como una fuente control de la máquina 10 de PM. Medios para controlar la operación de la máquina de PM de este modo están disponibles dentro de la máquina misma, ya que la corriente "de control" puede generarse por los devanados de potencia de la maquina 10 de PM típicamente junto con rectificadores. En algunos casos, por lo tanto, ninguna fuente externa de corriente de control puede requerirse junto con un control de corriente electrónica, aunque la disposición del devanado de control en serie con la corriente de salida rectificada también puede utilizarse para controlar la corriente a cierto grado. La arquitectura novedosa de la presente invención por lo tanto se presta a sí misma a muchas posibilidades novedosas para sistemas de control para la máquina, algunos ejemplos de los cuales ahora se describirán. Por ejemplo, la salida (es decir, de un devanado 22 de potencia) del alternador 10 puede controlarse al conectar el devanado 24 de control a un suministro 50 de potencia, y una corriente aplicada al devanado de control de preferencia es suficiente para saturar completamente la barra colectora 32 de flujo de control, tal saturación siendo provocada por el flujo magnético que fluye a lo largo de la trayectoria 64 terciaria inducida por la corriente que pasa a través del devanado 24 de control, el cual se envuelve alrededor de la barra colectora 32 de flujo de control en esta modalidad. Cuando ocurre saturación, el flujo alrededor del circuito 62 magnético secundario se elimina efectivamente, y la relación magnética entre los devanados de potencia y el circuito magnético secundario es tal que la inductancia en el devanado de potencia virtualmente se elimina. De este modo, se permite que mas corriente fluya en el devanado de potencia. Por lo tanto el nivel de corriente proporcionado por el suministro 50 de fuente de corriente controlado puede variarse continuamente, como se requiera, para regular la corriente de salida de los devanados de potencia (y de este modo, al final, del voltaje de salida) sobre un margen de velocidades de rotor y cargas eléctricas. Para poder efectuar un control de voltaje de salida constante, por ejemplo, un encuito de control de realimentacion se utiliza por el sistema de control de la fuente 50 para comparar el voltaje de salida del alternador (es decir, la salida del devanado 22 de potencia) con una referencia fija (por ejemplo, representativa de un nivel de voltaje de salida deseado), y el control puede configurarse de tal manera que, cuando el voltaje de salida del alternador sea menor que un nivel de referencia deseado, un comando se proporcione para incrementar la corriente de control para incrementar el nivel de saturación y por lo tanto la corriente de salida, y de este modo el voltaje. De igual manera, cuando el voltaje de salida del alternador esta por arriba de un valor de referencia deseado (el cual puede o no ser el mismo valor de referencia mencionado en lo anterior) , se proporciona un comando similarmente para reducir la corriente de control para disminuir el nivel de saturación y por lo tanto la corriente de salida, la cual al final permite el control de voltaje de salida también. De esta manera, el voltaje de salida del alternador puede regularse. En otro método de control, si no se suministra ninguna corriente al devanado 24 de control, la salida del devanado 22 de potencia se reduce y por diseño, puede limitarse por la construcción de la máquina de tal manera que la impedancia de la maquina es suficiente para limitar las corrientes de cortocircuito a aquélla que la máquina puede manejar cómodamente sin daño (es decir, la corriente de cortocircuito es lo suficientemente baja para que no pueda por ejemplo, poseer un peligro tal como un sobrecalentamiento de la máquina, etc. ) . Muchos otros esquemas de control también son posibles, que incluyen la modulación de la corriente de control (es decir, la corriente en los devanados 24 de control), control con una corriente que varía rápidamente para provocar una modulación de amplitud cíclica de la salida del alternador, que resulta por consiguiente en la generación de nuevas frecuencias de salida (o bandas secundarias) que son diferentes de la nueva frecuencia de la máquina (es decir, la velocidad sincroniza la frecuencia de par polar del alternador) . El flujo magnético de preferencia circula el circuito 64 magnético terciario en la misma dirección alrededor de la barra colectora 32 de flujo de control. Como se menciona en lo anterior, aunque el devanado de control se proporciona en las ranuras que corresponden con una fase particular de la maquina trifásica descrita, los devanados de potencia se envuelven en la dirección opuesta en cada ranura que es debido a la disposición polar opuesta de los imanes 14 asociados con cada ranura adyacente de la fase. Para asegurar que una dirección uniforme para el circuito 64 magnético terciario se proporcione, como se menciona, los devanados de control de preferencia se envuelven en la misma dirección en todas las ranuras. También como se menciona, un voltaje neto cero se induce en los devanados 24 de control, el cual es deseable debido a que se requiere un potencial de CD relativamente bajo para proporcionar corrientes de control de CD, de este modo no se requiere ninguna consideración especial para remover un potencial de CA significativo en el devanado de control. La presente invención también permite ventajosamente que la carga sea compartida entre una pluralidad de alternadores/generadores. El devanado de control controla la corriente de salida de la maquina. De este modo, con referencia a la Figura 5, si varios alternadores 10 se conectan a rectificadores 60 simples, la salida de los rectificadores puede conectarse directamente juntos para alimentar un circuito de carga común. Cada contribución del alternador a la corriente de carga se establece por el control de la corriente de CD (en este ejemplo) proporcionada a cada alternador desde la fuente 50' controlada. En esta forma, si un solo alternador debe suspenderse o desconectarse, un sistema de control integrado en 50 puede detectar esto y proporcionar una participación continua de carga al incrementar la contribución de corriente a uno o más de los alternadores restantes para formar de preferencia el déficit del alternador suspendido o desconectado . También es posible con esta invención conectar alternadores 10 adecuadamente en fase directamente juntos de tal manera que la salida de CA de una pluralidad de alternadores 10 que tiene fases correlacionadas (por ejemplo, fase "1", como se describe en lo anterior) puede conectarse paralelamente como se muestra en la Figura 6. El control de participación de corriente se proporciona a través del sistema 50'' de control que también ajusta la corriente de control en cada alternador como se describe en lo anterior. Esto puede llevar a ciertas ventajas de disposiciones mecánicas cuando el diámetro máximo o la longitud del árbol de una máquina sencilla debe mantenerse bajo un valor particular para, es decir, dinámica de rotor u otras razones. De esta manera, dos máquinas 10 más pequeñas en un solo árbol 70, por ejemplo, pueden proporcionar una salida de potencia suficientemente grande a un circuito de carga común compartido más grande.

En ambos ejemplos anteriores, esto permite un medio mucho mas simple mediante el cual puede compartirse una potencia, y no requiere sistemas de control complicados de la técnica anterior. Esta característica puede utilizarse ventajosamente, asi como, en una maquina eléctrica "de doble canal". Con referencia nuevamente a las Figuras 5 y 6, por ejemplo, ambas maquinas 10 pueden integrarse en un solo ensamble de rotor-estator. En otra modalidad, como se discute en lo anterior, la barra colectora 36 de flujo primario puede proporcionarse con materiales con un bajo punto de Curie de acuerdo con la solicitud co-pendiente del solicitante incorporada en lo anterior, para proporcionar protección térmica en caso de que una falla provoque que temperaturas de operación normales se excedan. Esquemas de control tales como aquellos descritos en lo anterior pueden emplearse individualmente o pueden combinarse como se desee para permitir que varias características de control existan contemporáneamente dentro de la maquina de PM. Ya que las maquinas de PM de geometría fija de la técnica anterior típicamente no se pueden controlar de ningún modo diferente que por la velocidad en la cual se operan, esta característica de control de la presente invención es de valor importante para el diseñador de la maquina de PM, particularmente en aquellas aplicaciones donde la velocidad rotacional de la máquina no puede utilizarse por si misma para controlar la salida de la máquina. La presente invención también ofrece un diseño fuerte y confiable adecuado para aplicaciones aeroespaciales . Las oportunidades de participación de potencia ofrecidas por la presente invención tampoco pueden ignorarse. En otra modalidad mostrada en la Figura 4, el devanado 224 de control se proporciona en una ranura 228c cerrada separada adyacente a la porción 228b de ranura cerrada. El circuito 262 magnético secundario y el circuito 264 magnético terciario comparten la barra colectora 232 de flujo de control. Números de referencia en la Figura 4 son similares a aquellos de la Figura 2, pero incrementados por 200. En otra modalidad, no representada, en lugar de confiar en un devanado 24 de control y la f ente 50 de corriente controlada para el control de saturación, la barra colectora de flujo de control puede saturarse en lugar de un imán permanente puesto en proximidad cercana a la barra colectora de flujo de control por un sistema de control y activación apropiado, el cual puede ser mecánico, eléctrico, electrónico u otro, o combinaciones de los mismos. La presente invención también puede utilizarse para propósitos de control de motor eléctrico. Por ejemplo, cuando se utiliza como un motor de arranque, la presente invención puede utilizarse para variar la impedancia del motor y por consiguiente controlar corrientes transitorias experimentadas durante la conducción, la relación de velocidad de par motor también puede ajustarse a cierto grado utilizando el devanado de control, puesto que el ángulo de fase entre el motor mmf y la armadura mmf son variables debido a la inductancia variable del devanado de potencia. Similarmente, otros modos de control son posibles para alternadores/generadores también. Por ejemplo, como se menciona brevemente en lo anterior, la variación o modulación del nivel de saturación apropiadamente puede utilizarse para controlar la frecuencia de la corriente alternativa de salida en los devanados de potencia al cambiar en forma variable la frecuencia generada, conforme es variada la velocidad del alternador, para proporcionar una frecuencia de salida constante deseada. Esto puede hacerse utilizando técnicas de modulación de amplitud de tal manera que la frecuencia de salida del alternador consiste de dos o más componentes de frecuencia (es decir, la suma y diferencia de las frecuencias o bandas laterales) . La filtración apropiada, sustracción o detección de una de las frecuencias resultara en una nueva frecuencia de salida sencilla la cual se refiere a la suma o diferencia entre la frecuencia del alternador y la frecuencia de control. La rectificación activa de la envoltura de una salida del alternador modulada también podría utilizarse para proporcionar una nueva frecuencia de potencia. La descripción anterior por lo tanto es para implicar que es ejemplar solamente, y alguien con experiencia en la técnica reconocerá que otros cambios también pueden hacerse a las modalidades descritas sin apartarse del alcance de la invención descrita. Por ejemplo, la máquina puede ser de una sola o varias fases, de uno solo o varios canales. Los devanados pueden tener una sola o varias vueltas por ranura, el número de vueltas de un devanado no necesariamente tiene que ser un numero completo, el número de devanados de potencia no tiene que ser igual al número de devanados de control, y uno o más devanados tal vez pueden estar presentes en una ranura. Los devanados pueden ser cualesquier conductores (es decir, conductor sencillo, más de un hilo, aislado, laminado, Litz, etc.) o pueden ser superconductores. En maquinas de multifase, pueden existir devanados delta o conectados en Y de acuerdo con técnicas conocidas. No existe necesidad de un entrehierro entre el devanado de potencia y de control, siempre y cuando los devanados se aislen eléctricamente entre sí. El rotor puede ser cualquier configuración electromagnética adecuada (es decir, el rotor de imán permanente no es necesario) , y puede proporcionarse en una configuración externa o interna, o cualquier otra configuración adecuada. Otras configuraciones de devanado son posibles, y las descritas en lo anterior no necesitan utilizarse en absoluto, o a través del aparato. También, los circuitos magnéticos descritos pueden disponerse en el estator (y/o rotor) en cualquier manera adecuada. De igual manera, el estator y el rotor también pueden tener cualquier configuración adecuada. Cualquier medio de saturación adecuado puede utilizarse. Aunque una fuente de CD se prefiere para el control de saturación en algunas modalidades descritas en lo anterior, una fuente de CA también puede utilizarse en ciertas circunstancias para lograr resultados deseados, como lo entenderá el lector con experiencia. Aun otras modificaciones que caen dentro del alcance de la presente invención serán aparentes para aquellos con experiencia en la técnica, en vista de una revisión de esta descripción, y tales modificaciones se pretenden para caer dentro de los equivalentes acordados con las reivindicaciones anexas. En esta solicitud, se entenderá que el termino "alternador" se utiliza algunas veces utilizado generalmente para significar un dispositivo utilizado para generar electricidad, y no siempre pretendido por lo tanto para ser limitado a un dispositivo para generar una corriente alternativa de salida.

Claims (27)

1. REIVINDICACIONES 1. Un alternador/motor eléctrico caracterizado porque comprende: un rotor que tiene una pluralidad de imanes permanentes; un estator que tiene una pluralidad de primeras ranuras y una pluralidad de segundas ranuras, las primeras ranuras se localizan en una periferia del estator opuesta al rotor, las segundas ranuras se localizan en un lado opuesto de las primeras ranuras con relación al rotor; por lo menos un primer devanado dispuesto en una pluralidad de las primeras y segundas ranuras; por lo menos un primer circuito magnético definido en el estator y el rotor que encierra por lo menos una primera ranura en la cual se dispone el primer devanado; por lo menos un segundo circuito magnético que encierra por lo menos una de las segundas ranuras en las cuales se dispone el primer devanado, el segundo circuito magnético comparte una porción común del estator con el primer circuito magnético, el segundo circuito magnético incluye una porción magnéticamente saturable del estator diferente de la porción común; por lo menos un segundo devanado dispuesto adyacente al primer devanado en una pluralidad de segundas ranuras; un tercer circuito magnético definido en e± estator y que incluye la porción magnéticamente saturable del estator, el tercer circuito magnético asociado operativamente con la corriente que pasa a través del segundo devanado; una fuente de corriente conectada al segundo devanado y adaptada para pasar una suficiente cantidad de corriente a través del segundo devanado para saturar sustancialmente la porción magnéticamente saturable del estator; y un controlador adaptado para variar la corriente proporcionada al segundo devanado para variar un nivel de saturación de la porción magnéticamente saturable.
2. 2. El alternador/motor eléctrico de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el circuito magnético secundario encierra solo una de las segundas ranuras .
3. 3. El alternador/motor eléctrico de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el segundo devanado se dispone en segundas ranuras que son distint as pero adyacentes a las segundas ranuras en las cuales se dispone el primer devanado.
4. 4. El alternador/motor eléctrico de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado porque la porción magnéticamente saturable se dispone entre las segundas ranuras distintas pero adyacentes.
5. 5. El alternador/motor eléctrico de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el segundo devanado se dispone en las segundas ranuras en un modelo de devanado alternativamente inverso con relación al primer devanado.
6. 6. El alternador/motor eléctrico de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el rotor es un rotor de imán permanente.
7. 7. Un alternador/motor caracterizado porque comprende un rotor y un estator, el estator tiene una pluralidad de circuitos magnéticos del rotor y una pluralidad de circuitos magnéticos secundarios, cada circuito magnético de rotor definido cooperativamente entre el estator y el rotor y que encierra una primera porción de por lo menos un devanado de potencia del estator, cada circuito magnético secundario encierra una segunda porción del devanado de potencia dispuesto fuera de los circuitos magnéticos del rotor, por lo menos un devanado de control asociado con los circuitos magnéticos secundarios de tal manera que una corriente de control de saturación a través del devanado de control satura magnéticamente una porción del estator que lleva los circuitos magnéticos secundarios que es distinta de una porción del estator que lleva los circuitos magnéticos del rotor, los circuitos magnéticos secundarios se colocan en pares de tal manera que un circuito magnético secundario del devanado de control asociado y la segunda porción del devanado del estator se envuelven alrededor del estator en una misma dirección mientras el otro circuito magnético secundario del devanado de control asociado y la segunda porción del devanado del estator se envuelven alrededor del estator en direcciones opuestas.
8. 8. El alternador/motor de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque el estator tiene una pluralidad de segundas ranuras en las cuales las segundas porciones del devanado de potencia y una porción del devanado de control se disponen, y donde cada uno de los <. írcuitos magnéticos secundarios encierra una de las segundas ranuras.
9. 9. El alternador/motor de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque el estator tiene una pluralidad de primeras ranuras radiales en las cuales las primeras porciones de devanado de potencia se disponen, y en donde cada uno de los primeros circuitos magnéticos encierra por lo menos una de las primeras ranuras.
10. 10. El alternador/motor de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque el rotor es un rotor de imán permanente.
11. 11. Un alternador para producir una corriente alternativa del alternador, el alternador caracterizado porque comprende un rotor, un ensamble de estator y un aparato de saturación, el ensamble de estator tiene por lo menos un devanado de estator para proporcionar la corriente alternativa del alternador, el devanado de estator tiene por lo menos un par de patas conectadas en serie entre sí, las patas separadas circunferencialmente entre sí con relación al ensamble de estator, el ensamble de rotor y estator cooperan para definir por lo menos dos circuitos magnéticos de rotor para conducir flujo magnético del rotor, uno de los circuitos magnéticos del rotor encierra una primera porción de una de las patas del devanado de estator y otro de los circuitos magnéticos del rotor encierra una primera porción de la otra de las patas del devanado de estator, el ensamble de estator define por lo menos un par de circuitos magnéticos secundarios para conducir flujo magnético, uno de los circuitos magnéticos secundarios encierra una segunda porción de una de las patas del devanado de estator y otro de los circuitos magnéticos secundarios encierra una segunda porción de la otra de las patas del devanado de estator, los circuitos magnéticos secundarios están alejados de los circuitos magnéticos del rotor, el aparato de saturación asociado con por lo menos una porción de cada circuito magnético secundario, por lo menos una porción de cada circuito magnético secundario está alejado de los circuitos magnéticos del rotor, el aparato de saturación adaptado para saturar selectiva y magnéticamente la porción de cada circuito magnético secundario a una frecuencia seleccionada, el aparato de saturación adaptado para saturar magnéticamente uno de los circuitos magnéticos secundarios en la misma dirección que el flujo magnético que circula en circuito magnético secundario mientras satura magnéticamente otro de los circuitos magnéticos secundarios en la dirección opuesta al flujo magnético que circula ese circuito magnético secundario .
12. 12. El alternador de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque cada circuito magnético secundario circula sólo una pata del devanado de estator.
13. 13. El alternador de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque el estator tiene una pluralidad de primeras ranuras radiales en las cuales las primeras porciones del devanado de potencia se disponen, y donde cada uno de los primeros circuitos magnéticos encierra por lo menos una de las primeras ranuras.
14. 14. El alternador de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque el aparato de saturación comprende por lo menos un devanado de control asociado con los circuitos magnéticos secundarios de tal manera que una corriente de control de saturación a través del devanado de control satura magnéticamente por lo menos una porción de los circuitos magnéticos secundarios.
15. 15. El alternador de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque el rotor es un rotor de un imán permanente.
16. 16. Un alternador para producir una comente alternativa del alternador, el alternador caracterizado porque comprende un ensamble de rotor y estator que tiene por lo menos un devanado de estator para proporcionar la corriente alternativa del alternador, el devanado de estator tiene por lo menos un par de patas conectadas en serie entre sí, las patas separadas circunferencialmente entre sí con relación al ensamble de estator, el ensamble de rotor y estator cooperan para definir por lo menos dos circuitos magnéticos de rotor para conducir flujo magnético del rotor, uno de los circuitos magnéticos del rotor encierra una porción de una de las patas del devanado de estator y otro de los circuitos magnéticos del rotor encierra una primera porción de la otra de las patas del devanado de estator, el ensamble de estator define por lo menos un par de circuitos magnéticos secundarios para conducir flujo magnético, uno de los circuitos magnéticos secundarios encierra una segunda porción de una de las patas del devanado de estator y otro de los circuitos magnéticos secundarios encierra una segunda porción de la otra de las patas del devanado de estator, los circuitos magnéticos secundarios están fuera de los circuitos magnéticos del rotor, los circuitos magnéticos secundarios tienen un aparato de saturación que incluye por lo menos un devanado de control envuelto alrededor de por lo menos una porción del estator que lleva los circuitos magnéticos secundarios, por los menos una porción de los circuitos magnéticos secundarios es distinta de una porción de estator que lleva los circuitos magnéticos del rotor, el devanado de control adaptado para saturar magnéticamente la porción del estator que lleva los circuitos magnéticos secundarios cuando una corriente de umbral de saturación pasa a través del devanado de control, donde uno de los circuitos magnéticos secundarios tiene su devanado de control envuelto en una misma dirección que la segunda porción de la pata del devanado de estator asociada con el mismo, y donde el otro de los circuitos magnéticos secundarios tiene su devanado de control envuelto en una dirección opuesta con relación a la segunda porción de la pata del devanado de estator asociada con el mismo.
17. 17. El alternador de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado porque el devanador de control tiene una relación de varias vueltas con relación a la segunda porción de las patas respectivas del devanador de estator.
18. 18. El alternador de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado porque cada circuito magnético secundario circula sólo una parte del devanado de estator .
19. 19. El alternador de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado porque el estator tiene una pluralidad de primeras ranuras radiales en las cuales las primeras porciones del devanado de potencia se disponen, y donde cada uno de los primeros circuitos magnéticos encierra por lo menos una de las primeras ranuras.
20. 20. El alternador de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado porque el rotor es un rotor de imán permanente.
21. 21. Un alternador caracterizado porque comprende un rotor y un estator, el estator tiene por lo menos un devanado de estator, el estator define por lo menos dos circuitos magnéticos de rotor y por lo menos dos circuitos magnéticos secundarios separados del rotor y los circuitos magnéticos del rotor, el devanado de estator tiene primeras porciones del mismo encerradas solamente por los circuitos magnéticos del rotor y segundas porciones de los mismos encerradas solamente por los circuitos magnéticos secundarios, el alternador ademas comprende medios para saturar magnéticamente por lo menos una porción de pares respectivos de circuitos magnéticos secundarios en dirección relativamente opuesta para regular por consiguiente la salida del estator mientras deja los circuitos magnéticos del rotor no saturados y un aparato de control adaptado para controlar el medio para controlar selectivamente un nivel de saturación de por lo menos una porción de los pares respectivos de circuitos magnéticos secundarios.
22. 22. El alternador de conformidad con la reivindicación 21, caracterizado porque el estator tiene una pluralidad de ranuras radiales en las cuales se disponen las primeras porciones del devanado de estator, y los circuitos magnéticos del rotor encierran una selección de la pluralidad de ranuras radiales.
23. 23. El alternador de conformidad con la reivindicación 22, caracterizado porque la pluralidad de ranuras radiales se localiza en una periferia del estator opuesta al rotor.
24. 24. El alternador de conformidad con la reivindicación 23, caracterizado además porque comprende una pluralidad de segundas ranuras localizadas radialmente más lejos del rotor que la pluralidad de ranuras radiales, las segundas porciones del devanado de estator se disponen en segundas ranuras respectivas, las segundas ranuras dispuestas en el estator fuera de los circuitos magnéticos del rotor.
25. 25. El alternador de conformidad con la reivindicación 21, caracterizado porque el medio para saturar magnéticamente comprende por lo menos un devanado de control en el estator, por lo menos un devanado de control asociado con los circuitos magnéticos secundarios de tal manera que una corriente de control de saturación a través del devanado de control satura magnéticamente por lo menos una porción de los circuitos magnéticos secundarios.
26. 26. El alternador de conformidad con la reivindicación 25, caracterizado porque por lo menos un devanado de control tiene una relación de múltiples vueltas con relación a las segundas porciones de por lo menos un devanado de estator.
27. 27. El alternador de conformidad con la reivindicación 21, caracterizado porque el rotor es un rotor de imán permanente.