Un alternador de conmutación de flujo es una forma de alternador de alta velocidad , un generador eléctrico de CA , diseñado para ser accionado directamente por una turbina . Tienen un diseño simple y el rotor no contiene bobinas ni imanes, lo que los hace resistentes y capaces de alcanzar altas velocidades de rotación. Esto los hace adecuados para su único uso generalizado, en misiles guiados . [i]
Los misiles guiados requieren una fuente de energía eléctrica durante el vuelo. Esto es necesario para alimentar los sistemas de guía y de espoleta , posiblemente también las cargas de alta potencia de un buscador de radar activo (es decir, un transmisor) y, raramente, las superficies de control del misil . Los actuadores de superficie de control para un misil de alta velocidad requieren una gran fuerza y, por lo tanto, generalmente se alimentan por algún medio no eléctrico, como el aprovechamiento de los gases de escape del propulsor del motor del misil. [1] Las raras excepciones en las que se utilizan superficies de control alimentadas eléctricamente son, en su mayoría, los misiles navales subsónicos de alcance medio, por ejemplo, Exocet , Harpoon y Martel . [2] La carga total varía para diferentes misiles entre alrededor de 100 W y varios kW. [2]
El suministro eléctrico de un misil debe ser fiable, en particular después de un largo periodo de almacenamiento. Según el tipo de misil, también puede ser necesario que comience a suministrar energía casi inmediatamente después del arranque, o incluso antes del lanzamiento para permitir que los giroscopios se aceleren hasta alcanzar la velocidad adecuada [2] y para proporcionar energía durante períodos de tiempo variables [2] . Los misiles antitanque o aire-aire pequeños pueden requerir energía solo durante unos segundos de vuelo. Otros, como los misiles tácticos o los misiles balísticos intercontinentales , pueden requerir energía durante varios minutos. Los misiles de crucero propulsados por turborreactores tienen los tiempos de vuelo más largos (son de largo alcance, pero también los más lentos en vuelo); sin embargo, estos también tienen motores que son capaces de impulsar un generador más convencional.
En la práctica, se utilizan dos tecnologías para alimentar misiles: baterías y generadores. Las baterías utilizadas suelen ser de tipos esotéricos que rara vez se encuentran fuera de los misiles, como las baterías de plata y zinc o las térmicas . Los generadores utilizados son generadores simples de alta velocidad, accionados directamente por un rotor de turbina que se alimenta ya sea del escape del motor del cohete o de un generador de gas dedicado . [3]
El generador debe ser robusto y capaz de alcanzar velocidades muy altas, ya que se acciona a la velocidad de la turbina, sin engranajes reductores. Por lo tanto, el rotor debe tener un diseño simple y tampoco puede haber contactos deslizantes con anillos rozantes u otros engranajes de escobillas . [3] [4] Aunque el requisito de energía para el misil puede ser principalmente una fuente de CC, el alternador de CA y su necesidad de un rectificador aún se favorecen por su robustez mecánica. [5]
De manera inusual, tanto las bobinas de campo como el devanado de la armadura se encuentran en el estator fijo. El rotor es una simple rueda dentada, sin devanados ni componentes eléctricos. [6]
En el caso más simple, el estator tiene cuatro polos y las bobinas de campo y los devanados de la armadura están dispuestos alternativamente alrededor del estator entre los polos. Los imanes de campo están dispuestos con sus polos opuestos entre sí, es decir, una armadura está entre los dos polos norte y otra entre los dos sur. El rotor es un simple disco dentado de hierro magnético, pero no magnetizado. A medida que gira entre los polos, vincula el flujo entre un solo par de polos opuestos. El circuito magnético del estator es, por tanto, un par de triángulos, cada uno de los cuales contiene un campo, una armadura y un camino compartido a través del rotor. El flujo pasa en cada circuito desde un campo y a través de una armadura. A medida que gira el rotor, se forma el otro camino triangular, cambiando el flujo de un par de campo y armadura al otro y también invirtiendo la dirección del flujo en la bobina de la armadura. Es esta inversión del flujo la que produce la fem alterna . [6]
El rotor debe unir las piezas polares opuestas, pero nunca debe unir las cuatro simultáneamente. Por lo tanto, debe tener un número par de polos, pero este no debe ser divisible por cuatro. [4] Los rotores prácticos utilizan seis polos. [6] Como la rotación de un paso de diente es suficiente para generar un ciclo de CA, la frecuencia de salida es, por lo tanto, el producto de la velocidad de rotación (en revoluciones por segundo) y el número de dientes del rotor. [6] Los primeros sistemas de CA usaban la frecuencia estándar de 400 Hz, que limitaba los alternadores a rotores de dos polos y una velocidad de rotación máxima de 24.000 rpm. [7] El uso de frecuencias más altas, a partir de rotores multipolares, ya se reconoció como un medio futuro para lograr mayor potencia con el mismo peso. [8] El alternador del misil Seaslug usaba una velocidad de 24.000 rpm para producir 1,5 kVA de electricidad a 2.400 Hz. [6]
El campo puede ser suministrado por imanes permanentes o por bobinas de campo. La regulación del voltaje de salida se logra controlando la corriente a través de un devanado, ya sea la bobina de campo o un devanado de control alrededor de un imán permanente. [6]
La solución más simple toma parte del gas de escape caliente del motor de propulsión y lo dirige a través de la turbina del generador. [3] [9] Este gas también se puede utilizar para alimentar los actuadores de la superficie de control, como se utilizó para Vigilant. [1] Esta es una de las fuentes de alimentación eléctrica más simples y livianas disponibles para un misil. [3]
La purga de los gases de escape del motor aumenta la cantidad de combustible necesaria, pero este efecto es insignificante, de alrededor del 1 %. Los gases de escape están calientes, posiblemente a 2400 °C, y a presiones que varían de 2600 psi en la fase de sobrealimentación a 465 psi durante el mantenimiento. [1] Un inconveniente más grave es la cantidad de partículas de hollín en los gases de escape, [10] que requieren un filtro para mantenerlas alejadas de la turbina. [3] Como estos filtros pueden obstruirse, este método es el más adecuado para duraciones de vuelo cortas.
Un generador de gas es un dispositivo químico que se quema para proporcionar un suministro de gas bajo presión. Aunque todavía está caliente, comparable al escape de un motor de cohete, este gas puede ser más frío y más limpio en partículas que el eflujo de un cohete. [3] Se pueden utilizar generadores de gas alimentados tanto con combustible sólido como líquido. [3]
Las ventajas de un accionamiento por generador de gas, frente a un motor de escape, son:
Los primeros alternadores de este tipo comenzaron con los primeros misiles que requerían una potencia eléctrica considerable, los que usaban buscadores de radar (inicialmente, buscadores de radar semiactivos ). El desarrollo de estos comenzó a fines de la década de 1940, con misiles aire-aire como Sparrow . [4] Sparrow era un misil relativamente grande con una estructura de 8 pulgadas de diámetro. A fines de la década de 1950, los alternadores impulsados por turbina también se usaban en misiles antitanque livianos como Vigilant . [1] Vigilant tiene un diámetro de cuerpo de 4 1 ⁄ 2 pulgadas, incluido un tubo de chorro central de 3 ⁄ 4 pulgadas. El alternador y la turbina se instalaron en un espacio anular restante de solo 1 7 ⁄ 8 pulgadas. [1] [11]
Un generador alternativo de alta velocidad es el magneto de imán permanente . Para alcanzar la potencia necesaria se utilizan imanes de tierras raras modernos , como el samario-cobalto o el neodimio . La bobina de salida está formada como un estator, con flujo magnético axial proveniente de un imán de anillo multipolar giratorio. [12]
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