MXPA04010652A - Motor electrico giratorio que tiene al menos dos espacios de aire axiales que separan los segmentos del estator y el rotor. - Google Patents

Abstract

Un motor tiene un rotor y un estator. El estator esta constituido de una pluralidad de segmentos de nucleo de electroiman separados colocados coaxialmente alrededor de un eje de rotacion. Los segmentos de nucleo son fijados, sin contacto ferromagnetico entre si, a una estructura de soporte no ferromagnetica. El rotor esta configurado en un anillo anular que rodea al menos parcialmente el estator anular para definir los espacios de aire axiales paralelos entre el rotor y el estator respectivamente sobre lados axiales opuestos del estator. Los imanes permanentes estan distribuidos sobre cada lado del anillo anular del rotor orientado hacia un espacio de aire. Preferiblemente, cada uno de los segmentos del nucleo del electroiman del estator tiene un par de polos alineados en una direccion generalmente paralela al eje de rotacion con las caras de los polos generalmente perpendiculares al eje de rotacion. Un devanado esta formado sobre una porcion del nucleo que une los polos para producir, cuando es energizada, polos magneticos de polaridad opuesta en las caras de los polos.

Description

MOTOR ELECTRICO GIRATORIO QUE TIENE AL MENOS DOS ESPACIOS DE AIRE AXIALES QUE SEPARAN LOS SEGMENTOS DEL ESTATOR Y EL ROTOR Campo de la Invención La presente invención se relaciona con motores eléctricos giratorios, de manera más particular con motores que tienen una pluralidad de elementos de rotor de imán permanentes y elementos de estator aislados magnéticamente con una pluralidad de espacios de aire entre los elementos del estator y el rotor.

Antecedentes de la Invención La mejora progresiva de los sistemas electrónicos, como aplicaciones basadas en microcontroladores y microprocesadores para el control de "motores," asi -como" la ";disponib i:idad" de -fuentes de~ energía portátiles mejoradas, ha hecho del desarrollo de dispositivos de accionamiento de motor eléctrico más eficientes un desafío compulsivo. La energización impulsada controlada electrónicamente de devanados de motores ofrece el prospecto de características de motor más flexibles. Mediante el control del ancho de impulso, ciclo de trabajo y aplicación conmutada de una fuente de batería a devanado de estator apropiados, puede lograrse una versatilidad funcional que es virtualmente indistinguible de la operación de un motor sincrónico de corriente alterna. El uso de imanes permanentes en conjunto con esos devanados es ventajoso para limitar el consumo de corriente. La solicitud de patente Estadounidense copendiente, relacionada, identificada anteriormente de Maslov et al., No. de Serie 09/826,423, identifica y trata la necesidad de un motor mejorado susceptible de una fabricación simplificada y capaz de tener características de operación eficientes y flexibles. Es altamente deseable lograr una operación uniforme sobre un intervalo amplio de velocidad, manteniendo a la vez una alta capacidad de salida de torsión a un consumo de energía mínimo. Las solicitudes Estadounidenses copendientes, relacionadas, incorporan . polos de electroimán"" - como -estructuras-"' magnéticamente--permeables7. aisladas, configuradas en un anillo anular, relativamente delgada en la dirección radial, para proporcionar efectos ventajosos. Con este arreglo, el flujo puede ser concentrado, virtualmente sin pérdida o efectos de interferencia en el transformador dañinos en los núcleos del electroimán, en comparación con las modalidades de la técnica anterior. Aunque pueden ser logradas mejoras en las características de torsión y eficiencia con la estructura de la solicitud copendiente identificada, siguen siendo deseables mejoras adicionales. Las solicitudes de aslov et al. reconocen que el aislamiento de grupos de electroimanes permite la concentración individual del flujo en los núcleos magnéticos de los grupos, con baja pérdida de flujo y sin efecto de intereferencia del transformador dañinos con otros miembros del electroimán. Pueden ganarse ventajas de operación configurando un solo par de polos como un grupo de electroimán aislado. El aislamiento de la trayectoria magnética del par de polos individuales de otros grupos de polos elimina un efecto del transformador de flujo sobre un grupo adyacente cuando es cambiada la energización de los devanados del par de polos. La solicitud de patente Estadounidense copendiente, relacionada, de Maslov et al., No. de Serie ?97966 "1?IT-"·:describe-~l'os- beneficios-' - que-- ser-obtienen - a- , partir de la utilización de aspectos tridimensionales de la estructura del motor. Las ventajas son reconocidas del uso de materiales como un medio magnéticamente permeable blando que es susceptible a la formación de una variedad de formas particulares. Por ejemplo, el material del núcleo puede ser fabricado a partir de grados de imán suaves de material en polvo de Fe, SiFe, SiFeCo, SiFeP, cada uno de los cuales tiene una pérdida de energía, permeabilidad y nivel de saturación única. Las geometrías del núcleo y las dimensiones del núcleo de los elementos del estator, con tolerancias relevantes, pueden ser formadas sin la necesidad de formar laminaciones y de este modo optimizar el gradiente de potencial magnético desarrollado entre polos acoplados de los imanes permanentes del rotor y los electroimanes del estator. Se describe una configuración estructural donde los polos del estator alineados axialmente y los imanes del rotor alineados axialmente proporcionan una distribución de flujo altamente concentrado. Esa configuración proporciona un número mayor de polos con las mismas áreas superficiales de espacio de aire activas individuales y/o un área superficial de espacio de aire activa total mayor que los motores convencionales que tienen el mismo diámetro de espacio de aire. '" "" ' ?~?GG "resumen/-" "Xa"' 'concentración -del— flujo,~- la -maximización del flujo, la minimización de la pérdida de flujo y los efectos de interferencia del transformador, son todos factores que contribuyen a lograr una operación de motor eficiente con una alta capacidad de torsión. Las configuraciones estructurales de motor en las cuales polos múltiples están en alineación axial para proporcionar una operación eficiente a una salida de torsión alta han sido descritas en las solicitudes copendientes identificadas anteriormente. Esos arreglos, debido al volumen relativamente grande ocupado por el número grande de elementos de núcleo del estator y polos del rotos, son ventajosos para usarse en ambientes en los cuales las consideraciones de espacio y peso no son apremiantes. Existe una necesidad continua de configuraciones estructurales de motor que proporcionen esos atributos mejorados, así como economía en el tamaño y geometría.

Descripción de la Invención La presente invención supera las necesidades descritas anteriormente de la técnica anterior y proporciona ventajas adicionales para configuraciones como los arreglos de pares de polos individuales aislados descritos en las solicitudes de Maslov et al. •"identificsdas" interiormente . Las- ventajas- -de. -la -presente invención son logradas, al menos en parte, por el desarrollo adicional de configuraciones estructurales de motor para incrementar el área superficial de los polos del estator y los polos del rotor opuestos a través de una pluralidad de espacios de aire. Las superficies relativamente más grandes en las cuales el flujo puede ser concentrado promueven una alta capacidad de torsión. Las características estructurales de una de esas configuraciones de la invención son incorporadas en un motor que comprende un rotor y un estator que comprende una pluralidad de segmentos de núcleo de electroimán separados colocados coaxialmente alrededor de un eje de rotación. Los segmentos del núcleo del estator forman un anillo de estator anular rodeado por un diámetro interno y externo. Los segmentos del núcleo son fijados, sin contacto ferromagnético entre si, a una estructura de soporte no ferromagnética . El rotor está configurado en un anillo anular que rodea al menos parcialmente el estator anular para definir los espacios de aire axiales paralelos entre el rotor y el estator respectivamente sobre lados axiales opuestos del estator. Los imanes permanentes están distribuidos sobre cada lado del anillo anular del rotor que se orienta hacia un espacio de aire. Cada segmento del núcleo del electroimán del estator •comp*feride'- un^pa —de "polos alineados en- una- dirección generalmente paralela al eje de la rotación con las caras de los polos generalmente perpendiculares al eje de rotación. Un devanado está formado sobre una porción del núcleo que une los polos para producir, cuando es energizado, polos magnéticos de polaridad opuesta en las caras de los polos. Un cambio la dirección de la corriente produce una reversión de las polaridades magnéticas . En una modalidad preferida, el anillo anular del rotor tiene una sección transversal en forma de U con dos porciones laterales formadas de material ferromagnético conectadas por una porción transversal. La porción transversal también puede ser formada de material ferromagnético . Los imanes permanentes están separados entre si y distribuidos a lo largo de las superficies internas de las porciones laterales. La porción transversal del rotor está separada radialmente del diámetro externo del estator. Cada imán permanente relativamente plano es un dipolo magnético que tiene una polaridad magnética en su superficie orientada hacia el espacio de aire y la polaridad magnética opuesta en su superficie montada a la porción lateral. Los imanes permanentes de este modo tienen orientación polar magnética en la dirección axial. Los imanes permanentes "sobré---"cada porción-" lateral - alternan —sucesivamente^ en- polaridad a lo largo del anillo del rotor y están separados del contacto directo entre si. El número de imanes permanentes sobre las dos porciones laterales es igual entre si y están respectivamente en alineación axial entre si con polaridades magnéticas opuestas para permitir la interacción de accionamiento del motor apropiada con las caras de los pares de polos del estator magnetizadas de manera opuesta. La distribución de flujo puede ser mejorada aún más proporcionando imanes permanentes adicionales montados sobre las porciones laterales de los espacios entre imanes permanentes orientados axialmente adyacentes. Las dimensiones del espesor de los imanes 5 adicionales en la dirección radial pueden ser del mismo orden que la de los imanes permanentes que accionan el motor. Las orientaciones polares magnéticas de los imanes permanentes adicionales están en direcciones perpendiculares a la dirección axial. El efecto de los imanes adicionales es concentrar el flujo a través de las trayectorias de los imanes de accionamiento, minimizando de este modo el flujo parásito mientras disminuye el tamaño del hierro posterior. Las ventajas adicionales de la presente invención serán fácilmente evidentes a aquellos expertos ¦- — "--·- 'éFr r-1¾ ~rt¾cni-ca- a- - partir- -de-" :la-* siguiente; --descripción- detallada, donde únicamente se muestra y describe la modalidad preferida de la invención, simplemente a manera de ilustración del mejor modo contemplado para llevar a cabo la invención. Como se comprenderá, la invención es capaz de otras y diferentes modalidades, y sus diferentes detalles son susceptibles de modificaciones en varios aspectos obvios, todos sin apartarse de la invención. En consecuencia, los dibujos y la descripción deben considerarse como de naturaleza ilustrativa y no restrictiva.

Breve Descripción de los Dibujos La presente invención es ilustrada a manera de ejemplo, y no a manera de limitación, en las Figuras de los dibujos acompañantes y en los cuales números de referencia similares se refieren a elementos similares y en los cuales: La Figura 1 es una vista del despiece que ilustra los componentes del motor de la presente invención . La Figura 2 es una vista en perspectiva tridimensional de los elementos de motor de la Figura 1 en un estado montado. La Figura 3 es una vista en perspectiva tridimensional de la estructura de soporte del anillo de estator para el arreglo de la Figura 2. - - ~ -~ 'La:-~Figura ""4" -"es—una~"v-±sta'- -en-- -perspectiva tridimensional de los elementos del núcleo del estator en combinación con la estructura de soporte de la presente invención. La Figura 5 es un corte transversal tomado a lo largo del plano de la linea punteada 3-3 de la Figura 2. La Figura 6 es una vista plana de una porción lateral del rotor de acuerdo a la presente invención.

Descripción Detallada de la Invención La Figura 1 es una vista del despiece, tridimensional, que ilustra los componentes de la invención. Los componentes en combinación forman la construcción del motor montado ilustrado en la Figura 2. Para simplificar la explicación, los elementos que no son necesarios para comprender la presente invención no han sido ilustrados. Se hace referencia a las solicitudes copendientes mencionadas anteriormente para una descripción más detallada de esas características. Los elementos indicados por corchetes 20, cuando están montados, forman un anillo anular de estator que está centrado alrededor de un eje de rotación. El anillo del estator comprende una pluralidad de electroimanes aislados ferromagnéticamente que tienen porciones de " ñücTeó " : 22 sobre""- las " "cuales-" van: "a - ser formados— Ios- devanados 24. El anillo no ferromagnético 26 es una estructura de soporte para los electroimanes individuales. Una ilustración más detallada de la construcción del anillo del estator se proporciona en la Figura 4. El rotor comprende dos secciones extremas 32 e imanes permanentes 34 los cuales, cuando son montados, forman un anillo anular centrado alrededor del eje de rotación que rodea al menos parcialmente al anillo del estator.

Los anillos del estator y el rotor se muestran en su estado montado en la vista en perspectiva tridimensional de la Figura 2. Cada una de las secciones extremas del rotor 32 tiene una porción extrema externa que esta generalmente en forma de un disco anular, que tiene diámetros interno y externo, y coaxiales con el eje de rotación. La porción extrema externa se extiende más allá del diámetro externo de' un miembro de borde anular, al cual está unida, por una porción de reborde. Un reborde similar se extiende desde el lado axial interno del miembro de borde tubular de cada porción extrema del rotor. Ambos rebordes tienen orificios pasantes distribuidos cerca de sus periferias. Los orificios pasantes de los rebordes de la superficie interna están alineados para unirse a las porciones extremas entre si pCr " c'üalcsquicr medi'os " convencionales,' formando- -por- .1?~·-.- -tanto los miembros del borde una porción transversal de sección transversal en forma de U. Los orificios pasantes de los rebordes externos permiten la unión del anillo del rotor, a placas, no mostradas, a ser acopladas con un eje en el eje de rotación. El anillo de soporte del estator 26, mostrado en la vista en perspectiva tridimensional de la Figura 3, es un cilindro colocado axialmente que tiene en cada extremo un reborde perpendicular superior 27 y un reborde perpendicular inferior 28. El reborde superior 27 tiene proyecciones separadas regularmente que contienen un par de orificios pasantes. La separación axial entre los rebordes 27 se establece para acomodar los elementos del núcleo del electroimán del estator 22. El reborde inferior 28, el cual tiene una periferia generalmente circular, tiene orificios pasantes que son usados para montar el anillo a una estructura de soporte estacionaria apropiada. El número y ubicación de orificios pasantes en el reborde 28 puede ser ajustado para coordinarse con un arreglo de montaje para unirse a este en una forma convencional . Como se muestra en la Figura 4, cada uno de los elementos del núcleo del electroimán del estator está configurado con un par de polos alineados axialmente 22a ---22)57~ "que ~ rtfi¾ñen~"caras~ de" polos - -qué—se - -encuentran, sustancialmente en planos radiales. Se proporcionan orificios pasantes en la base de cada polo para alinearse con los orificios pasantes en los rebordes 27 del anillo 26. Cada elemento del núcleo es montado vía los orificios pasantes en la base de los polos a una proyección alineada sobre cada uno de los rebordes 27. Los elementos del electroimán están separados del contacto directo entre si. El anillo 26 está formado de material no ferromagnético, como aluminio o acero inoxidable. En operación, cada electroimán forma de este modo una trayectoria de flujo que independiente y aislada de las trayectorias de flujo de otros electroimanes. En la implementación preferida, el estator está unido a un eje estacionario. El rotor, el cual rodea al menos parcialmente el estator, está acoplad al eje a través de una estructura de interconexión y cojinetes apropiados. Está dentro de lo contemplado por la invención, sin embargo, que el eje en su lugar puede estar fijo al rotor, y por lo tanto, girar. En el último arreglo el eje estaría acoplado a la estructura de soporte del estator a través de cojinetes. La Figura 5 es una vista en corte transversal, representada esquemáticamente, de los anillos del estator y el rotor tomada en el plano a lo largo de la línea punteada' "5-5 - de -- a"-Figura- ~2.~~ Observado · en sección transversal, el anillo del rotor 32 tiene porciones laterales 33 que están conectadas por porciones transversales 36. Al menos las porciones laterales están fabricadas de material ferromagnético que forma un "hierro posterior" en el cual están montados los imanes permanentes 34, distribuidos en una forma como la mostrada en la Figura 1. Los imanes son imanes dipolo relativamente delgados que tienen caras de polos sustancialmente planas. La totalidad de cada cara de polo sigue una sola polaridad magnética, opuesta a la polaridad de la superficie posterior del imán. Los imanes adyacentes alternan sucesivamente en polaridad magnética a lo largo del anillo de la porción lateral. Los imanes sobre las porciones laterales opuestas están alineados entre si y tienen polaridades magnéticas opuestas. El electroimán del estator 22 tiene una sección transversal generalmente en forma de H de material ferromagnético . El devanado 24 es formado sobre una porción enlazante 23 que une a los dos polos 22a y 22b. Las caras de los polos del estator son sustancialmente paralelas a las caras de los poros del imán del rotor. De este modo se forman dos espacios de aire axiales entre las caras de los polos del estator y el rotor. En operación, la energización del devanado 24 es conmutada ~"~ -polos con - - polaridades magnéticas opuestas. Por lo tanto se generan trayectorias de flujo a través de los espacios de aire para producir la fuerza magnetomotriz. Se hace referencia a las solicitudes copendientes mencionadas anteriormente para la descripción de medios de control de conmutación apropiados. La configuración de la Figura 5 proporciona un área superficial de espacio de aire grande en la cual puede enfocarse el flujo productor de torsión, minimizando a la vez el volumen estructural del motor. El aislamiento ferromagnético de los electroimanes del estator minimiza la pérdida de flujo parásito y calentamiento excesivo. La Figura 6 es una vista plana de una porción lateral del rotor que ilustra una variación más de la distribución del imán permanente de la porción lateral del rotor. Los imanes permanentes adicionales 37 se localizan en espacios entre imanes adyacentes 34. Los imanes tienen orientación polar magnética en el plano radial. Este arreglo proporciona una distribución de flujo más enfocada. Si se hace referencia a la solicitud copendiente, Número de Serie 09/966,101, mencionada al principio, para la descripción e ilustración de trayectorias de distribución de flujo especificas obtenidas a partir del uso de imanes de enfoque de flujo. • —· ¦ "" ¦ ; '" Erv "esta ""descripción' se- muestran y - describen .. únicamente modalidades preferidas de la invención y solo unos cuantos ejemplos de su versatilidad. Debe comprenderse que la invención puede ser usada en varias otras combinaciones y ambientes y es susceptible a cambios o modificaciones dentro del alcance de los conceptos inventivos expresados aquí.

Claims (9)

1. NOVEDAD DE LA INVENCION Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes: REIVINDICACIONES 1. Un motor eléctrico giratorio, caracterizado porque comprende: un rotor colocado en una configuración de anillo anular alrededor de un eje de rotación y que comprende una pluralidad de elementos de imán permanentes; y un estator que comprende una pluralidad de segmentos de núcleo de electroimán separados colocados coaxialmente alrededor del eje de rotación para formar un anillo de estator anular rodeado por un diámetro interno y un externo; donde el anillo del rotor anular rodea al menos "p5irci¾lment~e " e'l" estator -anularr para 'definir" -dos espacios- de aire axiales entre el rotor y el estator respectivamente sobre lados axiales opuestos del estator.
2. 2. El motor eléctrico giratorio de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque cada segmento del núcleo del electroimán del estator comprende un par de polos alineados en una dirección generalmente paralela al eje de rotación, teniendo los polos caras de polo respectivas generalmente perpendiculares al eje de rotación.
3. 3. El motor eléctrico giratorio de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque el par de polos de cada segmento del núcleo está unido por una porción enlazante ferromagnética que tiene un devanado formado sobre ella para desarrollar, cuando sea energizada con corriente, polos magnéticos de polaridad opuesta en el par de polos, y donde la reversión de la dirección del flujo de corriente a través de devanado efectúa la reversión de las polaridades magnéticas del par de polos.
4. 4. El motor eléctrico giratorio de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque el anillo anular del rotor tiene una sección transversal en forma de U con dos porciones laterales formadas de material ferromagnético conectada por una porción transversal, "teñi'endó" uña '"superficie"'--internar ~--de - cada- —una- - de —las porciones laterales montada sobre ella una pluralidad de imanes permanentes distribuidos a lo largo de la superficie y orientados hacia el espacio de aire axial respectivo, estando la porción transversal separada radialmente del diámetro externo del estator.
5. 5. El motor eléctrico giratorio de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque la pluralidad de imanes permanentes alternan sucesivamente en polaridad a lo largo del anillo del rotor.
6. 6. El motor eléctrico giratorio de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque el número de imanes permanentes sobre las dos porciones laterales es igual entre si y están, respectivamente, alineados axialmente entre si, siendo los imanes permanentes alineados axialmente de polaridad magnética opuesta.
7. 7. El motor eléctrico giratorio de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque los imanes permanentes del rotor sobre cada porción lateral están separados del contacto entre si; y cada imán permanente es un dipolo magnético que tiene una polaridad magnética en una superficie en el espacio de aire y la polaridad magnética opuesta en una superficie opuesta al espacio de aire, formando por lo tanto una orientación polar magnética en la dirección axial. ' " ~" '3. · El motor eléctrico" giratorio- -de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque los imanes permanentes adicionales, que tienen orientaciones polares magnéticas en direcciones perpendiculares a la dirección axial están montados sobre porciones laterales en los espacios que separan los imanes permanentes dipolo. 9. El motor eléctrico giratorio de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado porque el estator comprende además una estructura de soporte no ferromagnética a la cual son fijados segmentos del núcleo sin contacto ferromagnético entre si. 10. El motor eléctrico giratorio de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque la porción transversal del motor está formada de material no ferromagnético . 11. El motor eléctrico giratorio de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque los espacios de aire axiales están sustancialmente paralelos entre sí. 12. Un estator para un motor eléctrico giratorio, caracterizado porque comprende: una pluralidad de segmentos de núcleo de electroimán separados que tienen devanados respectivos; una estructura no ferromagnética que soporta los segmentos del núcleo, los segmentos del núcleo configurados sin contacto ferromagnético entre sí en un aniJ-lo anular alrededor- de un eje de"rotación:;~y ; donde cada segmento del núcleo comprende el par de polos alineados en una dirección paralela al eje de rotación, teniendo los polos caras de polos respectivas sobre lados axiales opuestos del estator. 13. El estator de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado porque el par de polos de cada segmento del núcleo está unido por una porción ferromagnética que tiene un devanado formado sobre ella para desarrollar, cuando sea energizada con corriente, polos magnéticos de polaridad opuesta, el flujo generado de la misma dirigida en dirección axial. 14. El estator de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado porque las caras de los polos están sustancialmente perpendiculares al eje de rotación . 15. Un rotor para un motor eléctrico giratorio, caracterizado porque comprende: un anillo anular, concéntrico con un eje de rotación del motor, que tiene una sección transversal en forma de U que comprende porciones laterales conectadas por una porción transversal; una pluralidad de imanes permanentes distribuidos a lo largo de una superficie interna de cada una de las porciones laterales y orientada en una dirección axial para formar al menos 'uñ espació de' aire axial; y "" ' - -- - - .-·¦-¦--.= donde la porción transversal tiene una superficie interna orientada en una dirección radial. 16. El rotor de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado porque cada una de las porciones laterales tiene el mismo número de imanes permanentes sobre ella; los imanes permanentes sobre las porciones laterales están respectivamente alineadas axialmente entre si; y los imanes permanentes alineados axialmente, respectivos, son de polaridad magnética opuesta. 17. El rotor de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado porque la pluralidad de imanes permanentes de cada superficie interna de la porción lateral alternan sucesivamente en polaridad magnética. 1
8. 8. El rotor de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado porque cada porción lateral está formada de material ferromagnético; los imanes permanentes en la superficie interna de la porción lateral están separadas del contacto entre sí; y cada imán permanente es un dipolo magnético que tiene una polaridad magnética en la superficie de la porción lateral y la polaridad magnética opuesta en la superficie de un imán permanente axialmente opuesto a la superfi"cié^de~la^plDró"ión_raterál . ~~ ~~ ----- · r». - - 1
9. 9. El rotor de conformidad con la reivindicación 18, caracterizado porque los imanes permanentes adicionales están montados sobre las porciones laterales en espacios que separan los imanes dipolo adyacentes, teniendo los imanes permanentes adicionales orientaciones polar magnética en un plano perpendicular al eje.