MXPA04002947A - Motor electrico rotatorio que tiene controlador y suministro de energia integrados en el mismo. - Google Patents

Abstract

Un motor electrico rotatorio se forma dentro de una estructura del carter del rotor cilindrico que rodea un anillo de estator anular. El rotor de iman permanente se configura en un anillo anular coaxial con, y exterior del estator. El anillo de estator contiene una pluralidad de segmento de nucleos devanados que se aislan ferromagneticamente entre si. Los segmentos de nucleo se aseguran a una estructura esqueletica rigida que se fija centralmente a un arbol estacionario. La estructura de soporte del estator se forma de miembros espinales que se extienden radialmente lejos del centro. Las placas en forma de U en los extremos exteriores de los miembros espinales acoplan el par adyacente de segmentos de estator, se proporciona un espacio dentro del cual la circuiteria de control del motor y el suministro de energia de la bateria pueden incorporarse.

Description

MOTOR ELECTRICO ROTATORIO QUE TIENE CONTROLADOR Y SUMINISTRO DE ENERGÍA INTEGRADOS EN EL MISMO Solicitudes Relacionadas Esta solicitud contiene- la materia objeto relacionada con la Solicitud Norteamericana copendiente número de serie 09/826,423 de Maslov et al., presentada el 5 de abril del 2001, y la Solicitud Norteamericana copendiente número de serie 09/826,422 de Maslov et al., presentada el 5 de abril del 2001, ambas asignadas comúnmente con la presente solicitud. Las descripciones de ambas de estas solicitudes se incorporan en la presente para referencia.

Campo de la Invención La presente invención se refiere a motores eléctricos rotatorios, más particularmente a la estructura de motor que tiene el control eléctrico y los elementos de accionamiento integrados en el mismo.

Antecedentes La mejora progresiva de los sistemas electrónicos, tales como aplicaciones basadas en microcontroladores y microprocesadores para el control de motores, así como la disponibilidad de las fuentes de energía portátiles mejoradas, ha hecho del desarrollo de accionamientos por motor eléctrico eficientes para vehículos, como una alternativa viable a los motores de combustión, un reto compulsivo. La energización de impulsos eléctricamente controlada de los devanados de motores ofrece el prospecto de manejo más flexible de las características del motor. Mediante el control de ancho de impulsos, el ciclo de trabajo, y aplicación conmutada de una fuente de batería a los devanados apropiados del estator, puede lograrse la versatilidad funcional que es virtualmente indistinguible de la operación del motor sincrónico de corriente alterna. El uso de imanes permanentes junto con los devanados es ventajoso para limitar el consumo de corriente. La solicitud de Patente Norteamericana relacionada copendiente antes identificada de Maslov et al., Número de Serie 09/826,422, identifica y dirige la necesidad de un motor mejorado sujeto a manufactura simplificada y capaz de características de operación eficientes y flexibles. En un ambiente de accionamiento de vehículo, es altamente deseable obtener operación suave sobre un amplio margen de velocidad, mientras mantenga una capacidad de salida de par motor elevada al mínimo de consumo de energía. Tal accionamiento de motor de vehículo debe proporcionar ventajosamente accesibilidad a varios componentes estructurales para la restitución de partes al mínimo de inconveniencia. La Solicitud Norteamericana relacionada copendiente incorpora polos electromagnéticos como estructuras aisladas magnéticamente permeables configuradas en un anillo anular, relativamente delgadas en la dirección radial para proporcionar eventos ventajosos. Con esta disposición puede concentrarse el flujo, con virtualmente ninguna pérdida o efectos dañinos de interferencia transformadora en los núcleos electromagnéticos, cuando se compara con las modalidades de la técnica anterior. Mientras las mejoras en las características de par motor y eficiencia se pueden obtener con la estructura de la Solicitud copendiente identificada, siguen siendo deseables mejoras adicionales. Para este fin, la solicitud de Patente Norteamericana relacionada copendiente antes identificada de Maslov et al., Número de Serie 09/823,423, busca optimizar los parámetros del rotor tal como el grado del imán, la densidad de energía y las características magnéticas generales del circuito magnético, el tamaño y las dimensiones de los cuales pueden ajustar la permanencia de condición operativa general del imán cuando es parte del rotor, la estabilidad y temperatura del imán, la desmagnetización del imán, el acabado, el revestimiento y las etapas posteriores de procesamiento tomadas en la elaboración de los imanes para la aplicación pretendida, la estabilidad de la magnetización sobre la superficie curvilínea del imán, la uniformidad de la polarización radial del imán, el espacio adyacente entre dos imanes separados, las caracterxsticas mecánicas y la geometría de los bordes de los imanes y la trayectoria de flujo de retorno del imán como se proporciona por una sección posterior de anillo de hierro. En ambientes en los cuales la capacidad de transporte y el tamaño son factores importantes, existe la necesidad de motores de accionamiento que sean capaces de un amplio margen de características de operación, sin sacrificar la funcionalidad de control compleja. Los sistemas de motor sin escobillas pueden tener la capacidad de controlar cada uno de una pluralidad de conmutadores electrónicos para proporcionar secuenciación de conmutación precisa y aplicación apropiada de energía a los devanados individuales del estator. Mientras la complejidad de los elementos electrónicos puede ser extensiva y diversa, existe la necesidad de una configuración estructural de motor en la cual los elementos de control que proporcionan la operación sean auto-contenidos . Tal configuración no debe hacerse con pérdidas para provocar limitaciones en la estructura de producción de flujo del motor dentro de un constituyente dado del motor.

Descripción de la Invención La presente invención satisface estas necesidades mientras toma ventaj a de los beneficios de las disposiciones del par de polos individuales aislados descritas en las solicitudes de aslov et al., antes identificadas. La configuración de anillo anular delgado del estator se utiliza para proporcionar espacio suficiente en el cual asignar una porción sustancial, si no es que toda, de un sistema de control eléctrico relativamente complejo dentro de los confines de la estructura del estator. La integración de los componentes de control eléctrico dentro de un espacio blindado interno a la estructura de producción de flujo del estator proporciona varias ventajas. La simplificación de integración y reducción del número de elementos de circuito discreto individuales se obtiene mientras evita la interferencia electromagnética entre el circuito de control y los devanados conmutados del estator. Cuando se utiliza, por ejemplo, en aplicaciones específicas, tales como accionamientos de vehículo, la incorporación de la estructura de motor y el sistema de control eléctrico dentro de las ruedas del vehículo pueden proporcionar una disminución en el peso de la unidad, mientras disminuye el ruido acústico y mecánico. La operación a partir de la perspectiva del usuario puede simplificarse para simular, por ejemplo, la operación convencional del automóvil. Las ventajas antes mencionadas se manifiestan en características estructurales de la invención, por lo menos en parte, en donde el motor comprende un rotor y estator cada uno dispuesto en una configuración de anillo anular y separados uno del otro mediante un entrehierro anular. El estator comprende una pluralidad de segmentos de núcleo magnéticamente permeables con arrollamientos devanados en los mismos, los segmentos de núcleo que se separan del contacto directo entre sí y se disponen a lo largo del entrehierro radial . Los segmentos de este modo son electroimanes individuales. La periferia radial interior del estator define un espacio dentro del cual ningún flujo sustancial cruza. Un controlador se contiene dentro del espacio para aplicar corriente de energización a los devanados del estator, también proporcionado dentro de este espacio se encuentra un suministro de energía y conmutadores electrónicos responsables del controlador para dirigir los impulsos de corriente del suministro de energía individualmente a los devanados del estator. El suministro de energía puede comprender una pluralidad de baterías reemplazables que se pueden acceder fácilmente por el usuario. Las baterías pueden ser capaces de ser recargadas a partir de una fuente externa con o sin la remoción del estator. La recarga de la batería también puede efectuarse mediante la corriente regenerativa aplicada durante la operación por los devanados de segmentos del estator. Un detector de posición del rotor dentro del estator proporciona por lo menos una salida conectada al controlador. Preferiblemente, cada segmento del estator comprende un par de polos circunferencialmente separados entre sí en la periferia exterior y unidos juntos por una orguilla o porción de enlace en la periferia interior, el par de polos tiene polaridades magnéticas opuestas en el entrehierro cuando se suministra la corriente de energización al devanado de segmento. El devanado de cada segmento del estator puede comprender dos secciones de arrollamiento formadas en un polo del estator respectivo, cada sección siendo devanada en direcciones opuestas y conectada en serie o en paralelo para proporcionar, cuando se energice, los polos del estator de polaridad magnética opuesta. Alternativamente, cada segmento de estator puede contener un devanado formado completamente sobre la orquilla o porción de enlace. Cada devanado de segmento de estator se conecta a una configuración de los conmutadores electrónicos. La dirección de flujo de corriente en un devanado para un impulso de energización se establece por la activación seleccionada de los conmutadores del puente de acuerdo con las señales del controlador.

El controlador puede comprender circuitería distribuida en una pluralidad de tarjetas de circuitos sobre las cuales también se montan los conmutadores . Alternativamente, el controlador puede comprender un circuito integrado de aplicación específica (ASIC) en un solo chip que también puede integrar los conmutadores . El ancho de los impulsos de corriente y la selección de los conmutadores son controlados por el controlador en respuesta a las señales recibidas de uno o más detectores de posición del rotor que se montan dentro del estator. Ventajas adicionales de la presente invención se volverán fácilmente aparentes para aquellos con experiencia en esta técnica a partir de la siguiente descripción detallada, en donde solo la modalidad preferida de la invención se muestra y describe, simplemente por medio de ilustración del mejor modo contemplado para llevar a cabo la invención. Como se observará, la invención es capaz de otras modalidades y diferentes, y sus detalles diversos son capaces de modificaciones en varios respectos obvios, todos sin apartarse de la invención. Por consiguiente, los dibujos y descripción se tomaran como ilustrativos en naturaleza, y, no como restrictivos.

Breve Descripción de los Dibujos La presente invención se ilustra por medio del ejemplo y no por medio de la imitación, en las figuras de los dibujos anexos y en los cuales números de referencia similares se refieren a elementos similares en los cuales: La Figura 1 es una vista en perspectiva tridimensional parcial de un motor de acuerdo con la presente invención. La Figura 2 es una vista en despiece de los componentes estructurales en el motor de la Figura 1 ilustrativos de la relación de posición entre los diversos elementos. La Figura 3 es una vista externa en perspectiva del motor de las Figuras 1 y 2. La Figura 4 es un diagrama de bloque de un sistema de control adecuado para su uso en el motor de las Figuras 1-3. La Figura 5 es un diagrama de bloque parcial para un circuito de conmutación de devanado del sistema de la Figura 4. La Figura 6 es una vista en perspectiva tridimensional parcial de una variación de la disposición estructural del motor mostrada en la Figura 1.

Descripción Detallada de la Invención El motor de la presente invención es adecuado para su uso en el accionamiento de las ruedas de un vehículo de un automóvil, motocicleta, bicicleta o similar. Las ilustraciones de los dibujos de este modo representan la estructura del motor que puede alojarse dentro de una rueda de vehículo, el estator rígidamente montado a un eje estacionario y rodeado por un motor para accionar la rueda. Se debe apreciar, sin embargo, que el contexto del vehículo es solamente ejemplar de una pluralidad de aplicaciones particulares en las cuales el motor de la presente invención puede emplearse. La Figura 1 es un dibujo en corte de la estructura del motor, los elementos se muestran en mayor detalle en la vista en despiece de la Figura 2. El motor 10 comprende el rotor 20 de imán permanente anular y la estructura 30 de estator anular separados por un entrehierro radial . El rotor y estator se configuran coaxialmente alrededor de un eje de rotación, el cual es centrado en el árbol 36 estacionario. El estator comprende una pluralidad de elementos ferromagneticamente aislados, o grupos del estator. Los segmentos 32 de núcleo, hechos de material magnéticamente permeable separados del contacto directo entre sí, tienen porciones 34 de devanado respectivas formadas en cada polo. Los siete grupos del estator se muestran, cada grupo comprendido de dos polos electromagnéticos salientes asignados circunferencialmente a lo largo del entrehierro. El rotor comprende una pluralidad de imanes 22 permanentes circunferencialmente distribuidos alrededor del entrehierro, y fijados a una placa 24 de apoyo anular no magnética, la cual puede formarse de aluminio u otro material magnéticamente no permeable. La placa de apoyo es parte del cárter del motor al cual se une las paredes 26 laterales. Las distribuciones de flujo producidas por los imanes del rotor pueden mejorarse mediante la provisión de un elemento magnéticamente permeable, no mostrado, montado a la parte posterior de los imanes del rotor. 16 imanes del rotor se muestran. Se entenderá que los números de los polos del estator y los imanes del rotor ilustrados son solamente ejemplares, ya que varias relaciones pueden utilizarse, dependiendo de los parámetros operacionales deseados. Por ejemplo, algunos electroimanes separados a mayores distancias pueden producir diferentes características de par motor y/o velocidad. Los segmentos de núcleo del estator se aseguran a una estructura 40 esquelética rígida que se fija centralmente al árbol 36. Los miembros 42 espinales, de igual número al número de grupos del estator, se extienden radialmente lejos del centro de la estructura 40 a las placas 44 en forma de U. Los lados de la placa en forma de U y los segmentos de núcleo del estator contienen orificios concordantes mediante los cuales los segmentos del estator se fijan a la estructura esquelética. Cada placa en forma de U acopla un par adyacente de segmentos del estator. Cada segmento del estator y el par de unión de los miembros espinales juntos definen un espacio dentro del cual se contienen los elementos de circuito. Las porciones 42 espinales rígidas tienen suficiente área de superficie para proporcionar el soporte estructural necesario asi como acomodar las tarjetas 45 de circuito. Una tarjeta de circuito o módulo híbrido puede fijarse a cada porción espinal en cualquier forma convencional. Cada tarjeta de circuito contiene los elementos de circuito de control y conmutadores necesarios para la aplicación de corriente de energización a través de las conexiones de devanado apropiadas a un devanado de un segmento de núcleo del estator al cual se une la porción espinal . Se debe apreciar que todos los elementos de circuito de control y conmutadores pueden integrarse en una tarjeta sencilla de circuitos para proporcionar mayor economía de espacio y peso. El suministro de energía del motor, representado por las baterías 46, también es auto-contenido dentro de los espacios del estator. Los receptáculos apropiados (no mostrados) para las baterías pueden fijarse a las porciones 42 espinales. Los receptáculos, los cuales pueden ser de cualquier variedad convencional, permiten la fácil remoción de las baterías para su restitución o recarga. Mientras una batería sencilla para cada espacio se muestra, cualquier tipo de batería comercialmente disponible o paquete de batería que sea de suficiente capacidad para suministrar la energía necesaria del motor puede utilizarse. De este modo, dependiendo de las características particulares de la batería y los requerimientos de accionamiento del motor, puede ser posible utilizar uno o más espacios para la ubicación de otros elementos . La Figura 3 es una vista externa tridimensional del sistema de motor de las Figuras 1 y 2. El anillo 24 exterior del cárter del rotor y las paredes 26 laterales se configuran para formar un cubo de rueda en el cual una llanta no mostrada, pueda montarse directa o indirectamente mediante rayos de rueda. El cárter de la rueda del rotor se articula para la rotación alrededor del árbol 36 estacionario mediante cojinetes 38. La estructura del cárter del rotor cilindrico rodea el anillo anular del estator que se alinea coextensivamente en la dirección axial con el rotor a través del entrehierro. La Figura 4 es un diagrama de bloque de un sistema de control típico que puede emplearse para accionar la estructura del motor mostrada en las Figuras 1-3. Los devanados 34 del estator se energizan conmutablemente al dirigir la corriente suministrada desde la fuente 50 de energía mediante los conjuntos 52 de conmutación electrónicos. La temporización de los impulsos de corriente se somete al control del controlador 60 de secuencia, el cual es responsable de retroalimentar las señales recibidas del detector 62 de posición. El controlador de secuencia puede incluir un microprocesador o microcontrolador equivalente. Aunque el detector 62 de posición se representa esquemáticamente por una unidad sencilla, varios detectores pueden posicionarse apropiadamente en las secciones del estator a lo largo del entrehierro para detectar la rotación del imán del rotor. El detector de posición puede comprender cualquier dispositivo de detección magnética tal como dispositivos de efecto Hall, detectores resistivos de imán gigante (MGR) , conmutadores de láminas, detectores de hilo de impulsos que incluyen detectores amorfos, reductores o detectores ópticos. El uso y control de conmutadores electrónicos para conmutación de corriente de energía a los devanados del motor son comunes en la técnica. La Figura 5 es un diagrama de circuito parcial de un conjunto de conmutación y accionador para un devanado de segmento de núcleo de estator individual. El devanado 34 del estator se conecta a un circuito de puente de 4 FET. Se entenderá que cualquiera de varios elementos de conmutación electrónica conocidos puede utilizarse para dirigir la corriente de accionamiento en la dirección apropiada al devanado 34 de estator tal como, por ejemplo, transistores bipolares. FET 53 y FET 55 se conectan en serie a través de la fuente de energía, ya que son FET 54 y FET 56. El devanado 34 del estator se conecta entre los nodos de conexión de los dos circuitos en serie de FET. El excitador 58 de compuerta es responsable de controlar las señales recibidas del controlador 60 de secuencia para aplicar señales de activación a las terminales de compuerta de los FET. Los FET 53 y 56 se activan concurrentemente por el flujo de corriente de motor en una dirección. Para el flujo de corriente en la dirección inversa, los FET 54 y 55 se activan concurrentemente. El excitador 58 de compuerta puede integrarse en el controlador 50 de secuencia o comprender un circuito excitador separado. La Figura 6 es una vista en perspectiva tridimensional parcial de una variación de la disposición estructural del motor mostrada en la Figura 1. El devanado 34 de cada segmento de núcleo del estator se forma en una sección de núcleo que enlaza los polos en lugar de dividirlos en dos porciones devanadas en los polos mismos. La Figura 6 también ilustra los detectores 62 de posición, cada uno proporcionado en una sección de núcleo del estator correspondiente . En esta descripción se muestra y describe solo las modalidades preferidas de la invención y sólo algunos ejemplos de su versatilidad. Se entenderá que la invención tiene capacidad de uso en otras diversas combinaciones y ambientes y es capaz de cambios y modificaciones dentro del alcance del concepto inventivo como se expresa en la presente. Por ejemplo, como puede apreciarse, el motor de la invención puede utilizarse en un amplio margen de aplicaciones además de los accionamientos de vehículo. Mientras se prefiere, en la implementación de un accionamiento de vehículo, que el rotor rodee el estator, otras aplicaciones pueden encontrar utilidad ventajosa con el estator que rodea el rotor. De este modo, se encuentra dentro de la contemplación de la invención que cada miembro anular interior y exterior pueda comprender el estator y pueda comprender cualquiera del grupo de electroimanes o grupo de imanes permanentes.

Claims (18)

1. NOVEDAD DE LA INVENCIÓN Habiendo descrito la presente invención se considera como novedad y por lo tanto se reclama como propiedad lo descrito en las siguientes reivindicaciones.
2. REIVINDICACIONES 1. Un motor eléctrico rotatorio caracterizado porque comprende : un rotor que tiene una pluralidad de imanes permanentes dispuestos en una configuración de anillo anular, los imanes alternan en polaridad magnética a lo largo de una superficie anular interior; un estator de construcción de anillo anular abarcada dentro del rotor y separada del mismo mediante un entrehierro radial, el estator comprende: una pluralidad de segmentos de núcleo ferromagnético aislados ferromagnéticamente entre sí, cada uno de los segmentos de núcleo tiene arrollamientos respectivos devanados en el mismo para formar los devanados del estator; una periferia radial exterior en el entrehierro ,-y una periferia radial interior que define un volumen dentro del cual ningún flujo cruza sustancialmente; y un controlador contenido dentro del volumen para aplicar corriente de energización a los devanados del estator. 2. El motor eléctrico rotatorio de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el motor es un motor sin escobillas, en donde el volumen además comprende : conmutadores electrónicos responsables del controlador para dirigir la corriente desde un suministro de energía a los devanados del estator.
3. 3. El motor eléctrico rotatorio de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque el volumen además comprende un suministro de energía.
4. 4. El motor eléctrico rotatorio de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado porque el estator además comprende un detector de posición del rotor que tiene una salida conectada al controlador.
5. 5. El motor eléctrico rotatorio de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque cada segmento del estator comprende un par de polos separados circunferencialmente entre sí en la periferia exterior y unidos juntos mediante una orquilla o porción de enlace en la periferia interior, el par de polos tiene polaridades magnéticas opuestas en el entrehierro cuando la corriente de energización se suministra al devanado del segmento.
6. 6. El motor eléctrico rotatorio de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porgue el devanado de cada segmento del estator comprende una porción de devanado en cada polo del estator, las porciones de devanado de cada par de polos se devana en direcciones opuestas y se conecta en serie.
7. 7. El motor eléctrico rotatorio de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque el devanado de cada segmento del estator se forma en la orquilla o porción de enlace.
8. 8. El motor eléctrico rotatorio de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque los conmutadores electrónicos se conectan en configuraciones de puente, conectados respectivamente a los devanados del segmento de estator correspondientes .
9. 9. El motor eléctrico rotatorio de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque el ancho de impulsos de corriente y la selección de los conmutadores son controlados por el controlador en respuesta a las señales recibidas del detector de posición del rotor.
10. 10. El motor eléctrico rotatorio de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado porque el suministro de energía comprende una pluralidad de baterías reemplazables .
11. 11. El motor eléctrico rotatorio de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado porque las baterías son baterías recargables capaces de ser recargadas desde una fuente externa cuando se remuevan del estator y de ser recargadas mediante corriente regenerativa aplicada por los devanados del segmento del estator.
12. 12. El motor eléctrico rotatorio de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado porque las baterías son recargables desde una fuente externa.
13. 13. El motor eléctrico rotatorio de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque el volumen además comprende una tarjeta de circuito que tiene montada en la misma el controlador y los conmutadores .
14. 14. El motor eléctrico rotatorio de conformidad con la reivindicación 13 , caracterizado porque el controlador comprende un circuito integrado de aplicación específica (ASIC) .
15. 15. El motor eléctrico rotatorio de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el volumen es sustancialmente cilindrico.
16. 16. Un motor eléctrico rotatorio caracterizado porque comprende : un rotor que tiene una pluralidad de imanes permanentes dispuestos en una configuración de anillo anular, los imanes alternan en polaridad magnética a lo largo de una superficie anular interior; un estator de construcción de anillo anular abarcada dentro del rotor y separada del mismo mediante un entrehierro radial, el estator comprende una pluralidad de segmentos de núcleo ferromagnético que tienen arrollamientos respectivos devanados en el mismo para formar devanados del estator, el estator tiene una periferia radial exterior en el entrehierro y una periferia radial interior que define un volumen dentro del cual ningún flujo cruza sustancialmente; y un controlador contenido dentro del volumen para aplicar corriente de energización a los devanados del estator .
17. 17. El motor eléctrico rotatorio de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado porgue el volumen sustancialmente es cilindrico.
18. 18. El motor eléctrico rotatorio de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado porque el motor es un motor sin escobillas y en donde el volumen además comprende : el suministro de energía y conmutadores electrónicos responsables del controlador para dirigir la excitación de corriente desde el suministro de energía a los devanados del estator.