ES2241836T3 - Maquina de flujo transversal unipolar. - Google Patents
Maquina de flujo transversal unipolar.Info
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Abstract
Máquina de flujo transversal unipolar con un rotor (12) que vuelve sobre un eje de rotor (19) y presenta por lo menos un módulo de rotor (15), compuesto por dos anillos de rotor (16, 17) ferromagnéticos, coaxiales y con paso de engranaje constante, y anillo magnético permanente (18) entre los anillos del rotor (16, 17) magnetizado de forma unipolar en el sentido de eje del rotor (19), además de un estator (11) concéntrico al eje del rotor que presente por lo menos un módulo de estator (14) coordinado a un módulo de rotor (15) y compuesto por un devanado de anillo (23; 23'') alineada coaxialmente respecto al eje del rotor (19) y una pletina de estator (24) en forma de U que lo cubra, con una partición en la carcasa (10) correspondiente al paso del engranaje, mientras que el engranaje de los anillos del rotor (16, 17) se presenta exclusivamente en el diámetro exterior respecto al eje del rotor (19) de los anillos del rotor (16, 17) y están de tal modo coordinados al devanado del estator (24) en el módulo del estator (14) que un lado (241) del devanado del estator (24) esté opuesto con distancia radial al anillo del rotor (16) y el otro lado (242) del devanado del estator (24) lo esté al otro anillo del rotor (17), caracterizado por la existencia de un elemento de inferencia (25; 25'') entre los devanados del estator (24) consiguientes en el sentido de rotación del rotor (12), elemento que se posiciona axialmente sobre ambos anillos del rotor (16, 17) y se opone a este con distancia radial.
Description
Máquina de flujo transversal unipolar.
La invención se basa en una máquina de flujo
transversal unipolar de acuerdo con el término de la reivindicación
1.
En una máquina conocida de este tipo (EP
0 544 200 A1), caracterizada como máquina híbrida síncrona de flujo magnético transversal (Hybrid Synchronous Machine with Transverse Magnetic Flux), se presenta en el diámetro exterior del anillo del rotor la misma repartición de dientes girados hacia fuera que en el diámetro interior, girados hacia dentro. El conjunto de dientes exteriores de cada anillo están desplazados respecto a los interiores por una partición de diente, de modo que siempre estén un diente exterior de un anillo y un diente interior de otro anillo bajo una misma pletina del estator a la vez. Ambos módulos de rotor, compuestos, cada uno, por dos anillos separados por un imán toroidal magnetizado de forma axial y unipolar, están tensados en sus lados opuestos en el sentido del eje del rotor, que a su vez está apoyado en la carcasa por medio de un rodamiento en el sentido del eje. Las pletinas de cada módulo de estator, sujetas por la carcasa, tienen forma de U y enfrentan a los dientes interiores y exteriores de ambos anillos del rotor con sus lados paralelos al eje del rotor. La bobina circular concéntrica al eje del rotor, en cada módulo de rotor, pasa por el fondo las pletinas y se encuentra, por lo tanto, en la zona entre el anillo exterior del cuerpo del rotor y la parte transversal de las pletinas del estator.
0 544 200 A1), caracterizada como máquina híbrida síncrona de flujo magnético transversal (Hybrid Synchronous Machine with Transverse Magnetic Flux), se presenta en el diámetro exterior del anillo del rotor la misma repartición de dientes girados hacia fuera que en el diámetro interior, girados hacia dentro. El conjunto de dientes exteriores de cada anillo están desplazados respecto a los interiores por una partición de diente, de modo que siempre estén un diente exterior de un anillo y un diente interior de otro anillo bajo una misma pletina del estator a la vez. Ambos módulos de rotor, compuestos, cada uno, por dos anillos separados por un imán toroidal magnetizado de forma axial y unipolar, están tensados en sus lados opuestos en el sentido del eje del rotor, que a su vez está apoyado en la carcasa por medio de un rodamiento en el sentido del eje. Las pletinas de cada módulo de estator, sujetas por la carcasa, tienen forma de U y enfrentan a los dientes interiores y exteriores de ambos anillos del rotor con sus lados paralelos al eje del rotor. La bobina circular concéntrica al eje del rotor, en cada módulo de rotor, pasa por el fondo las pletinas y se encuentra, por lo tanto, en la zona entre el anillo exterior del cuerpo del rotor y la parte transversal de las pletinas del estator.
Se han presentado las máquinas de flujo
transversal con excitación magnética permanente en "Michael Bork,
Entwicklung und Optimierung einer fertigungsgerechten
Transversalfluxmaschine, Diss. 82, RWTH Aachen, Schaker Verlag
Aachen, 1997, página 8 y siguientes". El devanado toroidal del
estator está bobinado en las pletinas de metal blando en forma de
U, que están ordenadas en el sentido rotacional a una distancia de
doble división de polos. Las puntas de estas pletinas en U están
direccionadas hacia la columna de aire entre el estator y el rotor,
formando los polos del estator. Opuestos a ellas se encuentran
imanes permanentes en forma de plancha ordenados de tal manera que
las dos imanes situados en frente a los polos de cada pletina del
estator tienen polaridades inversas. Hay elementos de inferencia en
el estator que sirven para poner en cortocircuito los imanes
permanentes que no tienen inferencia ferromagnética y se encuentran
temporalmente entre los polos del estator en la rotación del rotor.
Estos elementos de inferencia impiden que el flujo de los imanes
permanentes pase por los lados de las pletinas y por el devanado
del anillo, disminuyendo así el efecto de debilitación del flujo del
estator a través de su encadenamiento. Los elementos de inferencia,
por lo tanto, llevan a un considerable aumento de rendimiento de la
máquina.
Una máquina de flujo transversal unipolar de
acuerdo con el término de la reivindicación 1 ya es conocida por WO
97/42699.
La máquina de flujo transversal unipolar
correspondiente a la invención tiene la ventaja de una construcción
sencilla en módulos, que posibilita que se construyan máquinas con
cualquier tipo de fase de devanado deseado por la adición o
supresión de unidades del estator o del rotor construidas
idénticamente. El funcionamiento de la máquina experimenta mejoras
con el aumento de las unidades modulares formadas por un módulo de
estator y otro de rotor, pasando de comportarse como una maquina de
pasos a tener revoluciones de manera continuada y sin ondulaciones
en el desarrollo del momento. Debido a que el momento total de la
máquina es la suma de los momentos parciales de las unidades de
módulos, este puede fácilmente ser adaptado a requisitos
existentes.
Esta máquina de flujo transversal unipolar ofrece
la ventaja, frente a las máquinas de flujo transversal conocidas,
de una magnetización fácil y unipolar del rotor y de una
construcción sencilla, por evitar el elevado número de imanes
permanentes. El flujo producido en el devanado del estator pasa,
primariamente, por los dientes del anillo del rotor, y no por los
imanes permanentes, y se cierra sobre los elementos de inferencia,
de modo que el uso de los dientes es optimizado. Se forman
conducciones de flujo más ventajosas y se disminuyen las pérdidas
de este. Además los elementos de inferencia sirven para producir un
polo inverso en el estator, de modo que se consigue el mismo número
de polos en el estator que en el rotor. El devanado, cuya parte
exterior entre las pletinas del estator tienen una superficie
relativamente grande, puede ser refrigerado sin mucha dificultad,
de modo que puede alcanzar corrientes altas.
A través de las propuestas presentadas en los
otras reivindicaciones de patente se posibilita el desarrollo y
mejoras ventajosas para la máquina de flujo transversal unipolar
presentada en la reivindicación 1.
Siguiendo un modo de ejecución ventajoso de la
invención, los elementos de inferencia presentan una forma en C con
dos lados cortos y opuestos, cada uno, radialmente a un anillo del
rotor, y unidos por una parte transversal que se extiende en el
lado interior del devanado circular del eje del rotor, paralelo al
mismo.
Siguiendo un modo de ejecución alternativo de la
invención, los elementos de inferencia están situados de manera
idéntica a las pletinas del estator y tienen forma de U, cuyos
flancos largos están opuestos cada uno radialmente a un anillo del
rotor, y cuya cara transversal los une paralelamente al eje del
rotor. El devanado del módulo del estator está formado
meándricamente en el plano radial y punto-simétrico
al eje del rotor, de modo que pasa alternadamente entre los lados
del devanado del estator y sobre el lado exterior, respecto al eje,
de un elemento de inferencia. Esto tiene la ventaja de posibilitar
el uso de las mismas herramientas para elementos de inferencia y
devanados, lo que por su vez permite una producción más numerosa en
un período más corto de tiempo con ellas. Es relativamente sencillo
moldear el devanado en forma meándrica.
Siguiendo un modo de ejecución ventajoso de la
invención, cada módulo de estator se encuentra en una carcasa
formada por dos mitades idénticas y combinadas simétricamente. Las
mitades contienen ranuras alineadas axialmente para la introducción
de los devanados del estator y de los elementos de inferencia,
además de hendiduras concéntricas al eje de la carcasa para la
bobina. Con eso se consigue una construcción de estator autónomo
con piezas idénticas y una técnica conjunta, muy apropiada para una
producción en masa altamente automatizada. La función autónoma con
posicionamiento exacto de los elementos del módulo del estator
(pletina del estator, elementos de inferencia y devanado) no se
limita a cada modulo del estator por separado, sino que también es
aplicado para el posicionamiento de otros módulos de estator
respecto unos a los otros, y para la transmisión de la fuerza o del
momento.
Siguiendo un modo de ejecución preferible de la
invención, ambas partes de la carcasa tienen una estructura
enrejada, con un anillo interior y otro exterior, concéntricos. Los
anillos están conectados por barras radiales. Las rendijas radiales
que reciben los elementos de inferencia están posicionadas en el
anillo interior, mientras que las rendijas radiales que reciben las
pletinas del estator se encuentran en los anillos interior y
exterior y en la barra radial. Esta estructura enrejada con
aperturas entre las barras radiales permite el traspaso intensivo
de calor desde los elementos magnéticos activos y eléctricos del
estator al aire, medio de refrigeración, y con eso un traspaso
intensivo de calor al medio.
Siguiendo un modo de ejecución ventajoso de la
invención, la forma y las medidas de la pletina están adaptadas a la
forma y las medidas de las rendijas radiales que la absorben, de
modo que las mitades de la carcasa están sujetas firmemente radial
y axialmente y no se pueden desplazar cuando hayan sido introducidas
pletinas en las rendijas radiales. Con eso las pletinas tienen dos
funciones, la primera, el direccionamiento del flujo magnético, y
la segunda, como percha mecánica que une las mitades de la carcasa
y las posiciona correctamente.
Para la realización de la función de percha
mecánica, las pletinas del estator presentan, siguiendo un modo de
ejecución ventajoso de la invención, un gancho sobresaliente en cada
lado de la barra transversal que se extiende positivamente al verso
de las rendijas de las dos mitades de la carcasa cuando haya
pletinas en las rendijas laterales.
En una versión del la máquina de flujo
transversal unipolar con filamentos múltiples en la que los módulos
del rotor están alineados axialmente en el eje motor y los módulos
del estator están girados en un ángulo fijo que, en una versión de
dos filamentos, es de 90º eléctricos y con m filamentos es de
360º/m eléctricos cuando m>2, se presentan, desde los lados
exteriores de la ranura radial de la mitad de la carcasa, dentro de
la sección del anillo exterior de la barra radial, dos hendiduras
radiales separadas, cuyo ancho corresponde al ancho de los ganchos
y cuya profundidad radial corresponde a la profundidad axial de la
raíz de los ganchos. Para encajar las dos mitades de la carcasa
simétricamente, la hendidura radial en la sección del anillo, sobre
el ángulo fijo respecto a la rendija radial siguiente para la
pletina del estator, está enfrentada de modo que no coincide con la
hendidura radial sobre el mismo ángulo fijo, respecto a la rendija
radial anterior para la pletina del estator. Los ganchos del módulo
del estator vecino entran en una de estas hendiduras radiales por
la sección del anillo, con lo que producen el ángulo necesario
entre módulos de estatores vecinos para que sus hendiduras, a su vez
no coincidan.
En una versión alternativa de la máquina de flujo
transversal unipolar con filamentos múltiples, los módulos de
estatores se alinean axialmente, mientras que los módulos de rotor
están ordenados sobre el eje motor en un ángulo fijo como descrito
anteriormente. En esta versión con filamentos múltiples no se dan
los filamentos radiales del anillo exterior, descritos en el
apartado anterior, y las pletinas del estator, de los módulos de
estator posicionados uno al lado del otro, en sentido del eje, están
unidas por puentes axiales en su área transversal. Ambas pletinas
exteriores del estator unidas presentan un gancho sobresaliente en
la parte transversal de su lado externo. Éste engancha una barra
radial en cada mitad de la carcasa en su parte opuesta a la ranura
radial, siempre que la pletina del estator esté metida en la ranura
del estator. Las pletinas del estator unidas y sus respectivos
puentes deberían ser realizadas como piezas estampadas
unitariamente.
La invención es explicada mediante ejemplos de
ejecución representados en el dibujo y descritos con más precisión
en la descripción que sigue. Los dibujos muestran:
Fig. 1 Vista perspectiva de una parte de una
máquina de flujo transversal unipolar de 32 polos, parcialmente
esquematizada,
Fig. 2 vista superior de un módulo de una máquina
de flujo transversal unipolar de 8 polos, parcialmente
esquematizada,
Fig. 3 un corte por la línea III - III de la fig.
2,
Fig. 4 y 5 una vista esquemática superior de una
máquina de flujo transversal unipolar de 2 filamentos y 8 polos. En
cada dibujo aparece una posición de rotación del rotor distinta,
para explicar el funcionamiento,
Fig. 6 un diagrama de la corriente del estator de
ambas unidades modulares de la máquina de flujo transversal
unipolar de dos filamentos,
Fig. 7 dos diagramas del desarrollo de momento en
sendos módulos de rotor y del desarrollo del momento total del eje
motor,
Fig. 8 representación parcial y perspectiva de un
desarrollo de una unidad de módulo con el devanado del estator
modificado,
Fig. 9 una exposición perspectiva en explosión de
una carcasa para una máquina de flujo transversal unipolar de 32
polos y 1 filamento conteniendo un módulo de estator,
Fig. 10 vista superior de una pletina de estator
para el uso en la carcasa de la figura 9,
Fig. 11 vista superior de dos pletinas de estator
unidas y alineadas axialmente, para una máquina de flujo
transversal unipolar de dos filamentos,
Fig. 12 vista superior parcial de una placa de
rodamiento a ser fijada en una carcasa para el rodamiento del eje
motor,
Fig. 13 representación simplificada parcial de
una unidad de módulo de una versión construida de máquina de flujo
transversal unipolar de 16 polos y eje hueco.
La máquina de flujo transversal unipolar,
representada esquemáticamente y en diversos ángulos en el dibujo,
presenta una carcasa 10 con un estator 11 fijado en ella y un rotor
12 a prueba de torsión, rodeado por el estator 11, que está fijado
en el eje motor 13 colocado en la carcasa 10. El rotor 12 presenta
varios módulos de rotor 15 y el estator 11 presenta un número igual
de módulos estatores 14. Los módulos rotores a prueba de torsión 15
están posicionados axialmente uno detrás del otro en el eje del
motor 13, y los módulos de estator 14 están sujetos a la carcasa 10
axialmente uno detrás del otro radialmente respecto al módulo rotor
15 correspondiente. El número de unidades modulares compuestas por
un modulo de estator 14 y otro de rotor 15 cada está definido por el
número de filamentos de la máquina de flujo transversal unipolar
escogido, que, en los ejemplos realizados, es de dos filamentos y
consecuentemente tiene dos módulos. Pero también puede ser de un
filamento o de tres o más. Los módulos de estator 14 y los módulos
de rotor 15, y con eso las unidades modulares, son idénticas, de
modo que la máquina de flujo transversal unipolar demuestra una
construcción modular y puede ser adaptada a exigencias existentes
referentes al rendimiento y la momento de torsión a través de la
adición o supresión de unidades de módulos.
El módulo de rotor 15 está compuesto por dos
anillos de rotor ferromagnéticos, coaxiales y dentados 16, 17, que
se encuentran sobre el eje motor 13 y se tensionan entre un anillo
magnético permanente 18, que a su vez está magnetizado unipolarmente
en sentido axial, lo que quiere decir en el sentido del eje del
rotor o de la carcasa 19. En la figura 3 se ejemplifica la
magnetización del anillo magnético permanente 18, donde está
marcado con una línea apuntillada el flujo magnético 20 causado por
el anillo magnético permanente 18. Para la optimización del flujo
perdido total y para un mejor aprovechamiento del anillo magnético
permanente 18, este anillo está inserido en su frontera en una
hendidura axial central 29 ó 30 de las partes laterales opuestas de
los anillos de rotor 16, 17. Cada anillo del rotor 16, 17 está
dentado en su diámetro exterior respecto al eje 19 con un paso de
engranaje constante, así que los dientes 22 del engranaje
resultante, separados entre sí por los huecos 21, están a una
distancia angular igual. Los dientes 22 del anillo del rotor 16 y
del anillo del rotor 17 están alineados entre ellos en sentido
axial. Los anillos del rotor 16 y 17 y los dientes 22, incorporados
en una misma pieza, son laminados y son compuestos
preferencialmente de cortes estampados de latón iguales, que están
separados en el sentido del eje.
El módulo del estator 14, que comprende el módulo
de rotor 15 concéntricamente y con distancia radial, presenta un
devanado de anillo 23 alineada coaxialmente al eje del rotor 19,
bien como la pletina de estator en forma de U 24, comprendiendo el
devanado del anillo 23. Las pletinas del estator 24, igualmente
laminadas y compuestas por conjuntos de chapas estampadas, están
fijados en la carcasa de la máquina 10 con una división de pletinas
correspondiente a la división del engranaje del módulo de rotor 15,
de modo que las pletinas del rotor tengan la misma distancia
angular entre ellas que los dientes 22 de los anillos del rotor 16
y 17. Las pletinas del estator 24 están posicionadas de manera que
estén alineados radialmente el lado de la pletina 241 con el anillo
del rotor 16 y el otro lado de la pletina 242 con el otro anillo
del rotor 17 del módulo del rotor 12 correspondiente, considerando
siempre que las áreas libres 244 de los lados de la pletina 241,
242, que crean áreas polares, están opuestas al anillo del rotor 16
ó 17 con una distancia angular (ver Fig. 1 y 3). En el ejemplo de
ejecución las áreas 244 presentan el mismo ancho axial que los
anillos 16, 17. También presentan ventajas áreas 244 de los lados de
las pletinas 241, 242 sobresalientes axialmente de un o de 2 lados
a los anillos 16, 17. Entre las pletinas del estator 24 que se
siguen en el sentido de la rotación del rotor 12 se encuentran
elementos de inferencia 25. Estos también están laminados y
compuestos por conjuntos de latón, tienen la misma distancia
angular entre ellos que las pletinas del estator 24 y están
posicionados a una diferencia de media división de pletina sobre la
pletina de estator 24, lo que corresponde a decir una división de
polos \tau. Los elementos de inferencia 25 se extienden
paralelamente al eje del rotor 19 hasta sobre ambos anillos 16 y 17
y están opuestos a éstos con la misma distancia radial que la
pletina del estator 24. El ancho de los elementos de inferencia 25,
medido en el sentido rotacional, es aproximadamente igual que el
ancho de la pletina del estator 24, también medida en el sentido
rotacional, mientras que el ancho del diente 22 medido en sentido
rotacional en los anillos del rotor 16 y 17 es menor que la
división de polos \tau.
Como se puede observar en la Figura 2, el ancho
de los dientes 22 en los anillos del rotor 16,17, también
denominado ancho de diente de rotor bZR, es significativamente
mayor que el ancho de la pletina de estator 24 denominado ancho de
diente de estator bZS, de modo que la relación entre el ancho del
diente de rotor bZR y el ancho de diente de estator bZS es mayor
que 1 y menor que 2. El límite superior debería ser mantenido más
bajo, optándose por ejemplo por igual o menor a 1,5. El desempeño de
la máquina puede ser mejorado, por ejemplo disminuyendo la
ondulación del momento, si la pletina del estator 24 y los
elementos de inferencia 25 no están separados por exactamente una
división de polos \tau, sino que a una distancia distinta a
\tau.
En el ejemplo de ejecución correspondiente a las
figuras 1-5, los elementos de inferencia 25 tienen
forma de C con dos lados cortos 251,252 radialmente opuestos, cada
uno, a un anillo de rotor 16, 17, y una barra transversal 253,
paralela al eje del rotor 19, que los une y que se localiza en el
lado interior del devanado circular de anillo 23 de cara al eje de
rotor 19. A través de este desarrollo de los elementos de inferencia
25 y de la pletina del estator 24, el devanado circular del anillo
23 pasa por la pletina del estator 24 por la extremidad del lado de
la pletina, pasando por un elemento de inferencia 25. El ancho
axial del área 254 de los lados 251, 252 es igual al ancho axial de
los anillos rotores 16 y 17. Los lados 251, 252 también pueden
sobresalir axialmente a los anillos del rotor 16, 17.
Como está demostrado en perspectiva en la figura
1 y esbozado esquemáticamente en las figuras 4 y 5, en la máquina de
flujo transversal unipolar de dos filamentos los dos módulos de
rotor 15 en el eje motor 13 de las unidades modulares están
alineados, y ambos módulos de estator 15 vecinos axialmente en la
carcasa 10 de las unidades del módulo están eléctricamente puestos
en 90º respecto el uno al otro, lo que corresponde a media división
de polos \tau. En la versión de 8 polos de la máquina,
representada en las figuras 4 y 5, esta diferencia de posición
corresponde a un ángulo de 22,5º, y en la versión de 32 polos de la
figura 1, a 5,625º. Alternativamente, se puede alinear ambos módulos
del estator 14 en el sentido del eje y alinear en un ángulo
eléctrico de 90º los módulos de rotor 15 situados en el eje motor
13.
El funcionamiento de la máquina como motor está
descrito más adelante por medio de las figuras 4-7.
En las figuras 4 y 5 está representada esquemáticamente la máquina
de dos filamentos en vista superior, teniendo en cuenta que, para
que sea visible el módulo estator 14 detrás de la unidad de módulo
del primer plano se aumentó su diámetro. Los módulos de rotor 15 a
prueba de torsión posicionados sobre el eje motor 13 y formando el
rotor 12 están alineados, de modo que sólo está visible desde la
vista superior el módulo de rotor 15. Las figuras 4 y 5 muestran
una representación igual de la máquina en dos posiciones de
rotación distintas del rotor 12. En la figura 6 se ve un diagrama
de la corriente de ambas bobinas del anillo 23 en los módulos de
estator 14, dependiendo de la posición de rotación \theta del
rotor 12. Cada bobina del anillo 23 recibe una corriente bipolar,
lo que corresponde a decir variando entre un impulso de corriente
positivo y negativo, por ejemplo con la misma amplitud,
considerando que los impulsos de ambos anillos 23 de los módulos
del estator 14 tienen una diferencia de fase de 90º.
En la figura 4 la bobina del anillo 23 recibe un
impulso de corriente positivo en una torsión del rotor 12 en un
ángulo \theta1. La dirección de la corriente en la bobina 23 en
este momento está simbolizada en la figura 4 por la flecha 26. Esta
corriente produce un flujo del estator sobre la pletina de estator
24, los dientes 22 del anillo rotor 16,17 y los elementos de
inferencia 25, tal como está representada en la figura 4 por la
flecha 27, para la pletina del estator 24, un diente 22 y un
elemento de inferencia 27. La corriente de estator 27 pasa
radialmente por un lado de la pletina 241 hasta el diente 22 opuesto
a ella y termina sobre el elemento de inferencia 25, el otro lado
de la pletina 242 y la barra transversal 243 (no está visible aquí)
de la pletina del estator 24. El flujo magnético 20, que, como se
ve en la figura 3, está radialmente direccionado hacia fuera en el
anillo del rotor 16 y hacia dentro en el anillo del rotor 17, está
simbolizado por la flecha 20 en las figuras 4 y 5. Se ve claramente
que el flujo magnético 20 se opone al flujo de soporte 27 en el área
de la pletina del estator 24, mientras que se aliña en el área de
los elementos de inferencia 25. Consecuentemente, los dientes 22
son repulsados por la pletina de estator 24 y atraídos por los
elementos de inferencia 25, de manera que el rotor 12 se gire un
paso angular en el sentido de la flecha 27. El mismo proceso se da
con el flujo cambiado en 90º de la bobina del anillo 23 en el
segundo módulo de estator 14, y el rotor 12 se gira por el mismo
ángulo, de modo que se gire en un ángulo total \theta2 (Fig. 5).
Se invierte la dirección de la corriente del impulso en el devanado
de anillo 23, representado en la figura 5 por la flecha 26 ligada
al devanado 23. En un flujo magnético 20 constante, el flujo de
estator cambia del modo indicado por la flecha 27 de la figura 5.
Como consecuencia, los dientes 22 del rotor 12 son atraídos por la
pletina de estator 24 y repulsados por los elementos de inferencia
25, y el rotor 12 se sigue moviendo en la misma dirección 28. Con un
cambio de 90º los impulsos de corriente inseridos en el segundo
módulo de estator 14 del devanado de anillo 23 se invierten, y el
mismo proceso se repite. Como se puede observar en el ejemplo de
corriente de ambos módulos de estator 14 en la figura 6, el proceso
descrito sigue en todo el ángulo \theta de 360º del rotor 12, de
modo que pasa por toro el rotor 12.
En la figura 7 se representa los momentos
giratorios sobre el ángulo \theta del rotor 12 anexados al eje
motor 13. Los dos diagramas superiores demuestran el proceso del
momento, tal y como parten de ambas unidades de módulo. El diagrama
inferior en la figura 7 representa el momento giratorio total del
eje motor 13, que se obtiene de la suma de los momentos parciales
producidos por ambas unidades de módulos. Como se ve en la figura
7, el momento M varía sobre el ángulo \theta, de modo que el
desarrollo de momento tenga una ondulación no deseada. Esta
ondulación puede ser minimizada con el aumento de la polaridad de
la máquina por un lado y el aumento del número de unidades de
módulo, y así del número de filamentos. La versión de 32 polos de la
máquina ha demostrado ser bastante optimizada eléctrica y
técnicamente.
La máquina de dos filamentos descrita en el
ejemplo puede ser montada con más de dos filamentos. Si el número m
de filamentos y, con eso, el número de unidades modulares alineadas
paralelamente en el espacio con módulos de rotor 15 situados en un
eje motor común es un número entero mayor que 2, entonces los
módulos del estator 14 alineados uno tras otro axialmente en el
estator 11 deben ser reposicionados a un ángulo de 360º/m.
Asimismo, una máquina con tres filamentos debe ser rotada a 120º
eléctricos.
En los ejemplos de ejecución de la máquina de
flujo transversal unipolar como en las figuras 1-5,
el devanado del anillo 23 tiene forma circular y está concéntrico
al eje del rotor 19. Esto pide una formación geométrica distinta de
las pletinas del estator 24 y de los elementos de inferencia 25. En
una versión alternativa de una unidad de módulo, como se ve
parcialmente en perspectiva desenrollada en la figura 8, los
elementos de inferencia 25' están formados de manera idéntica a la
pletina del estator 24. Las pletinas del estator 24 están
representadas de manera puramente esquemática, de modo que sus
proporciones no están adaptadas a las proporciones de los dientes 22
del los anillos de rotor 16,17, como es el caso, por ejemplo, en
las figuras 4 y 5. Así como las pletinas de estator 24, los
elementos de inferencia 25' tienen forma de U con un anillo de rotor
16 o 17 cada, opuestos a los lados largos 251' y 252' y una barra
transversal 253' que las une, paralela al eje del rotor 19. El
devanado de anillo 23', que sirve para producir el flujo del estator
por la pletina del estator 24 por un lado y por otro tiene que
pasar sobre la barra transversal 253', presenta simetría radial al
eje del rotor 19 en el área radial y tiene forma meándrica, de modo
que pasa, por un lado, por el lado interno de la barra transversal
243 direccionada hacia el eje de rotor 19, y por otro, por el lado
exterior de la barra transversal 253' de los elementos de
inferencia 25'.
Cada módulo de estator 14 descrito arriba es una
construcción independiente y se encuentra en una carcasa 30
compuesta por dos mitades 31, 32.Las dos mitades 31, 32 son
idénticas y se juntan simétricamente, como visto en la vista de
explosión de la figura 9. Ambas partes 31, 32 de la carcasa tienen
una estructura enrejada, con un anillo interior 33 y otro exterior
34, concéntricos y conectados por barras radiales 35. Se encuentran
en estas mitades 31, 32, por un lado, las ranuras radiales 36 para
recepción de la pletina del estator 24, que se expanden sobre el
anillo interior 33, la barra transversal 35 y el anillo exterior
34, y por otro lado, las ranuras radiales 37 para encaje de los
elementos de inferencia. El total de ranuras radiales 36, 37
corresponde al total de elementos del estator (pletinas y elementos
de inferencia). En el ejemplo de la figura 9, para una máquina de
flujo transversal unipolar de 32 polos, es de treinta y dos. El
ancho de las ranuras radiales 36, 37 es adaptado al grosor de las
pletinas de estator 24 ó a los elementos de inferencia 25, y el
fondo axial de las ranuras radiales 36, 37 es un poco mayor que
medio ancho axial de la pletina del estator 24 o del elemento de
inferencia 25. Además de estas ranuras radiales 36, 37, las mitades
de carcasa 31, 32, encajadas, presentan hendiduras 39 opuestas,
simétricas y concéntricas al eje de la carcasa 38 para el encaje del
devanado de anillo 23 del modulo de estator 14 (figura 1). Las
ranuras 39están localizadas en las barras transversales 35, de modo
que el devanado del anillo 23, que no está representada en el dibujo
8, pase por la apertura de aire 40 del anillo interno 33, anillo
externo 34 y barras transversales 35, que sirve para la pérdida
óptima de calor del devanado de anillo 23, del las pletinas de
estator 24 y de los elementos de inferencia 25.
Las pletinas de estator 24 y las ranuras radiales
36 están adaptadas de tal modo que cuando las pletinas 24 y los
elementos de inferencia están inseridos en las ranuras 36 y 37, las
mitades 31 y 32 de la carcasa 30 se vuelven inmovibles radial y
axialmente. Las pletinas de estator 24 están modificadas respectos
a los ejemplos iniciales de las figuras 1-3 con
esta finalidad y - como se puede ver en la pletina de estator 24 en
la figura 10 y en posición de inserción en la carcasa 30 en la
figura 9 - demuestra, en ambos lados de su barra vertical 243, un
gancho sobresaliente radial 41 con una raíz 411 y un ala 412
paralelo a los lados de la pletina 251, 252, que, si la pletina 24
está inserida en la ranura radial 36 (figura 9), alcanza la barra
radial 35 en ambas mitades de carcasa 31, 32 en su lado exterior.
Con esta finalidad encontramos una hendidura radial 42 en el fondo
de la ranura radial 36, que está localizada en el anillo exterior
34, para la acogida de la pletina del estator 24. La profundidad
del fondo de la ranura está medida para que la raíz 411 del gancho
41 esté sujetada, con su borde inferior direccionado hacia el anillo
interior 33, por el fondo de la ranura 42, siempre que la pletina
del estator 24 esté correctamente insertada en la ranura radial 36.
Así, por un lado las pletinas del estator 41 están posicionadas en
sentido radial de manera tolerada y juntan a las mitades de la
carcasa 31, 32 con las alas 412 de los ganchos 41.
Para que la máquina de flujo transversal unipolar
comience autónomamente, tiene que tener por lo menos dos filamentos,
como representada en la figura 1. Cada módulo del estator 14 se
encuentra dentro de la carcasa 30 descrita anteriormente, y ambas
carcasas 30 son encajadas a 90º eléctricos axialmente. En la versión
de 32 polos de la máquina de flujo transversal unipolar el ángulo
de rotación corresponde a 5,625º de área. Para conseguir un ángulo
de rotación de la carcasa 30 tolerado, se ha montado, en las
secciones del anillo 341 del anillo exterior 34, vecino a las
aperturas de aire 40 entre las barras transversales 35, desde las
dos mitades 31, 32 de las ranuras radiales 36, 37 del lado exterior
de las mitades 31, 32, dos hendiduras separadas e idénticas 43, 44.
El ancho de estas hendiduras corresponde al ancho de los ganchos 41
sobresalientes de ambos lados de las pletinas del estator 24 y su
profundidad radial a la medida axial del gancho 41. La distancia,
en sentido del contorno de la carcasa 30, entre las hendiduras
radiales 43 y la ranura 36 para una pletina de estator 24 y la misma
distancia entre la hendidura radial 44 y la pletina radial 36
planeada para una pletina del estator 24 corresponde al ángulo por
el que los módulos de estator 14 tienen que ser rodados en la
máquina de flujo transversal unipolar de dos filamentos. En la
versión de dos filamentos, esta distancia es de 90º eléctricos, así
que en la máquina de 32 polos es de 5,625º del área. En una máquina
de filamentos múltiples este ángulo es de 360º/m, siendo m el número
de módulos del estator 14 encajados cuando son más de 2. Cuando las
mitades 31, 32 de la carcasa 30 están encajadas, los ganchos 41
entran en las hendiduras radiales 43 ó 44 de la mitad vecina de la
carcasa 30 de módulo estator 14 siguiente, de modo que ambos módulos
estatores 14 están exactamente posicionados.
El montaje del módulo del estator 14 de la
carcasa 30 se da por la técnica de encaje como descrito en
continuación:
Primero se une las hendiduras radiales 37 en el
anillo interior 33 con los elementos de inferencia 25 en una mitad
de carcasa 31, como representado en la figura 9 en la mitad de
carcasa 31 inferior para un elemento de inferencia. Luego el
devanado del anillo 23 (fig. 1) es inserido en las ranuras 39 del
las barras transversales 35 alineadas en sentido del contorno. En
seguida se coloca la otra mitad de carcasa 32 sobre la mitad 31,
siendo que los elementos de inferencia 25, sobresalientes axialmente
de la mitad 31, penetran en las ranuras radiales 37 de la mitad 32.
Después se introduce, desde fuera, los devanados del estator 24 en
las ranuras radiales 36, hasta que las raíces 411 de los ganchos
sobresalientes 41 toquen el fondo de las hendiduras 42, al mismo
tiempo que las alas 412 envuelven el verso de las barras radiales
35, perchando a ambas mitades de la carcasa 31,32 en el sentido del
eje. La posición de la pletina del estator 24 en ambas mitades 31,
32 está representada en la figura 9 para una pletina de estator 24
en la mitad de carcasa 31 inferior.
En la versión de filamentos múltiples de la
máquina de flujo transversal unipolar se añade un segundo módulo de
estator 14 de la carcasa 30 a la primera carcasa 30, de modo que -
como se describe anteriormente - los ganchos 41 de los devanados de
estator 24 se insertan en una de las hendiduras radiales 43 ó 44 de
la carcasa 30 y torsionan el módulo del estator 14 por 90º
eléctricos. Se fija una placa de cojinete 45 en ambas mitades de
carcasa 31, 32 de las 4 mitades 31, 32 totales, para encajar el eje
motor 13.
En la figura 12 se puede ver perspectivamente
media placa de cojinetes 45. Dos de estas medias placas 45 son
fijados en el anillo interior 33 de la mitad de carcasa 31, 31 con
una pieza de reborde 46. Un conector de cojinetes 46, en ángulo
recto respecto a la pieza de reborde 46, sujeta el rodamiento 13
(fig. 1).
Como mencionado anteriormente, también se puede
fabricar una versión de la máquina de flujo transversal unipolar de
filamentos múltiples de modo que los módulos de estator 14
ordenados firmemente lado a lado estén alineados axialmente y que
los módulos de los rotores 15 estén en un ángulo fijo sobre el eje
motor 13. En este caso existe la posibilidad de unir las pletinas
de estator 24 a las barras transversales de los módulos de estator
14 alineados en el sentido del eje, por puentes axiales 48, como
representado para la versión de dos filamentos en la figura 11. La
pletina de estator 24 con puente 48 existen como pieza única
estampada 49. En los lados exteriores opuestos de las pletinas del
estator 24 existe, a su vez, otro gancho sobresaliente 41. Las
piezas de estampado 49 son inseridas en las ranuras radiales
alineadas 36 en las cuatro mitades de carcasa 31, 32 después del
pré-montaje, de modo que los puentes 48 de las hendiduras radiales
42 estén en las mitades de carcasa 31, 32 colocadas y los ganchos
sobresalientes 41 cubran las barras radiales 35 de las mitades 31,
32 en el verso opuesto a las ranuras radiales 36.
En la figura 13 está representado una unidad de
módulo de una máquina de flujo transversal universal de 16 polos en
una versión de eje hueco. La unidad de módulo se compone de un
módulo de estator 14 y un módulo de rotor 15, ambos montados como
descrito anteriormente, de modo que encontramos los mismos elementos
de construcción con los mismos símbolos de referencia en la figura
13. En el ejemplo de ejecución de la figura 13 el módulo de rotor
15 está fijado a prueba de torsión en un eje hueco 50. La máquina
de flujo transversal unipolar completa es de dos filamentos, como en
la figura 1, posee, así, dos unidades de módulo con dos módulos de
estator 14 y dos módulos de rotor 15 emparejados y tiene el módulo
del estator 14 ó el módulo de rotor 15 girado en 90º eléctricos
respecto a la segunda unidad de módulo.
Una versión de eje hueco de la máquina de flujo
transversal unipolar de este tipo es especialmente apropiada como
motor de arranque para un freno de rueda electromecánico, por
ejemplo el descrito en WO 96/00301. La transmisión de rotación,
translación o conversión propulsada por el motor de arranque
estaría localizada en el interior del eje hueco 50, de modo que se
cambie muy discretamente la construcción del freno de rueda.
Lógicamente también sería posible montar la
máquina de flujo transversal unipolar de acuerdo con el ejemplo de
ejecución en la figura 13 con filamentos múltiples, por ejemplo
tres. Pero la versión con dos filamentos ofrece más ventajas por la
necesidad de espacio para la localización del freno de rueda
electromecánico.
Claims (26)
1. Máquina de flujo transversal unipolar con un
rotor (12) que vuelve sobre un eje de rotor (19) y presenta por lo
menos un módulo de rotor (15), compuesto por dos anillos de rotor
(16, 17) ferromagnéticos, coaxiales y con paso de engranaje
constante, y anillo magnético permanente (18) entre los anillos del
rotor (16, 17) magnetizado de forma unipolar en el sentido de eje
del rotor (19), además de un estator (11) concéntrico al eje del
rotor que presente por lo menos un módulo de estator (14) coordinado
a un módulo de rotor (15) y compuesto por un devanado de anillo (23;
23') alineada coaxialmente respecto al eje del rotor (19) y una
pletina de estator (24) en forma de U que lo cubra, con una
partición en la carcasa (10) correspondiente al paso del engranaje,
mientras que el engranaje de los anillos del rotor (16, 17) se
presenta exclusivamente en el diámetro exterior respecto al eje del
rotor (19) de los anillos del rotor (16, 17) y están de tal modo
coordinados al devanado del estator (24) en el módulo del estator
(14) que un lado (241) del devanado del estator (24) esté opuesto
con distancia radial al anillo del rotor (16) y el otro lado (242)
del devanado del estator (24) lo esté al otro anillo del rotor
(17), caracterizado por la existencia de un elemento de
inferencia (25; 25') entre los devanados del estator (24)
consiguientes en el sentido de rotación del rotor (12), elemento que
se posiciona axialmente sobre ambos anillos del rotor (16, 17) y se
opone a este con distancia radial.
2. Máquina de acuerdo con la reivindicación 1,
caracterizada por la existencia de dos módulos de rotor (15)
iguales en el rotor (12) y dos módulos de estator (14) iguales en
el estator (11) y por la fijación de los módulos del estator (14)
axialmente alineados en una carcasa (10) y de los módulos del rotor
(15) fijados axialmente alineados en un eje motor (13), de manera
coordinada inversa, de modo que los módulos del estator (14) y los
módulos del rotor (15) estén girados uno hacia el otro en un ángulo
de 90º eléctricos.
3. Máquina de acuerdo con la reivindicación 1,
caracterizada por m módulos de rotor (15) en el rotor (12) y
m módulos de estator (14) en el estator (11) y por la coordinación
entre los módulos de estator (14) alineados axialmente en una
carcasa (10) y los módulos del rotor (15) alineados axialmente sobre
un eje motor (13), de modo que los módulos del estator (14) o los
módulos del rotor (15) 360º/m eléctricos, mientras m sea un número
entero mayor que 2.
4. Máquina de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 - 3, caracterizada por pletinas del
estator (24), elementos de inferencia (25; 25') y anillos del rotor
(16, 17) laminados.
5. Máquina de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 - 4, caracterizada por la posición
coordinada y alineada con una división de polos de los elementos de
inferencia (25; 25') respecto a las pletinas del estator (24).
6. Máquina de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 - 5, caracterizada por la medida igual de
la distancia radial entre la pletina del estator (24) y los anillos
del rotor (16, 17), por un lado, y entre los elementos de inferencia
(25, 25'), por otro.
7. Máquina de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 - 6, caracterizada por el ancho axial
mayor o igual del área libre (244) de los lados (241, 242) de la
pletina del estator (24) que los anillos del rotor (16, 17),
preferencialmente sobresaliente sobre estos por un o dos lados.
8. Máquina de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 - 7, caracterizada por la igualdad
aproximada del ancho de la pletina del estator (24) y de los
elementos de inferencia (25;25'), medidos en el sentido
rotacional.
9. Máquina de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 - 8, caracterizada por la elección de una
relación entre el ancho de diente (bZR) de los dientes (22) en los
anillos del rotor (16, 17) y el ancho (bZS) de la pletina del
estator (24) y los elementos de inferencia (25), siempre en el
sentido rotacional, mayor que 1 y menor que 2, preferencialmente
igual o menor que 1,5.
10. Máquina de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 - 9, caracterizada por la forma de C de
los elementos de inferencia (25), con dos lados cortos, (251, 252)
opuestos radialmente cada uno a un anillo de rotor (16, 17), y una
barra transversal (253) que os une y se encuentra paralelo al eje
del rotor (19) en el lado interior girado hacia el eje del rotor
(19) del devanado de anillo (23) circular.
11. Máquina de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 - 9, caracterizada por elementos de
inferencia (25') que poseen forma de U con dos lados (251', 252')
largos, opuestos radialmente, cada uno, a un anillo de rotor (16,
17), y unidos entre ellos por una barra transversal (253') paralela
al eje del motor (19), y caracterizada además por el
devanado del anillo (23') del módulo estator (14), que presenta
simetría radial al eje del rotor (19) y está formado
meándricamente, pasando alternadamente entre los lados (241, 242)
de la pletina del estator (24) y sobre el lado exterior respecto al
eje (19) de una barra transversal (253') de un elemento de
inferencia (25').
12. Máquina de acuerdo con la reivindicación 11,
caracterizada por la formación idéntica de las pletinas del
estator (24) y los elementos de inferencia (25').
13. Máquina de acuerdo con una de las
reivindicaciones 10 - 12, caracterizada por el ancho axial
de las áreas libres (254 y/ó 25') de los lados (251, 252 y/ó 251',
252') de los elementos de inferencia (25 y/ó 25') igual o mayor que
el ancho de los anillos del rotor (16, 17), preferencialmente
sobresaliéndolos con uno o dos lados.
14. Máquina de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 - 13, caracterizada por los impulsos
eléctricos bipolares dependientes del ángulo (\theta) de rotación
del rotor (12) que pasa por el módulo del estator (14) y que estos
impulsos en el módulo del estator (14) tienen una diferencia de
fase de 90º cuando haya dos módulos de estator (14), y de 360º/m,
cuando haya m módulos del estator (14) cuando m es un número entero
mayor que 2.
15. Máquina de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 - 14, caracterizada por módulos de
estator (14) contenidos en una carcasa (30) compuesta por dos
mitades (31, 32) idénticas y encajadas simétricamente que presentan
ranuras radiales (36, 37) alineadas axialmente para la inserción,
por un lado, de pletinas de estator (24), y, por otro, de los
elementos de inferencia (25), además de hendiduras (39) opuestas
simétricamente y concéntricas al eje de la carcasa (38) para la
inserción del devanado de anillo (23).
16. Máquina de acuerdo con la reivindicación 15,
caracterizada por mitades de carcasa (31, 32) con estructura
de rendija y con un anillo interno (33) y otro externo (34),
concéntrico a este, unidos por barras radiales (35), y por la
localización de las ranuras radiales (37) que sujetan los elementos
de inferencia (34) en el anillo interno (33) y de las ranuras
radiales (36) que sujetan las pletinas del estator (24) en el
anillo interno (33), en la barra radial (35) y en el anillo externo
(34).
17. Máquina de acuerdo con la reivindicación 16,
caracterizada por hendiduras (39) para el devanado del
anillo (23) en las barras radiales (35).
18. Máquina de acuerdo con una de las
reivindicaciones 15 - 1 7, caracterizada por la adaptación
entre las pletinas del estator (24) y las ranuras radiales (36) que
las sujetan de tal modo que cuando las pletinas del estator (24) y
los elementos de inferencia (25) están inseridos en las ranuras
radiales (36, 37), las mitades de la carcasa (31, 32) se fijan
radial y axialmente inmovibles.
19. Máquina de acuerdo con la reivindicación 18,
caracterizada por la adaptación del ancho de las ranuras
radiales (36, 37) al grosor de la pletina del estator (24) y de los
elementos de inferencia (25) y por el fondo de las ranuras radiales
(36, 37) un poco mayor que medio ancho de pletina de estator (24) y
elemento de inferencia (25).
20. Máquina de acuerdo con la reivindicación 18 ó
19, caracterizada por un gancho (41) sobresaliente en ambos
lados de la barra transversal (243) de la pletina del estator (24)
que cubre una barra radial (35) por el verso opuesto a la ranura
radial (36) de las mitades de carcasa (31, 32) cuando las pletinas
del estator (24) están encajadas en las ranuras radiales (36).
21. Máquina de acuerdo con la reivindicación 20
con filamentos múltiples, en la que el módulo del rotor (15) está
alineado axialmente sobre el eje motor (13) y los módulos del
estator (14) están posicionados en un ángulo fijo,
caracterizada por dos hendiduras radiales (42, 43),
separadas, en las secciones (341) del anillo exterior (34) de las
mitades de carcasa (31, 32) entre las barras radiales (35), cuyo
ancho corresponde, en el sentido del diámetro, al ancho de los
ganchos (41) sobresalientes de las pletinas del estator (24) y cuyo
fondo radial corresponde a la medida axial de los ganchos (41), y
por la agrupación no-alineada de la hendidura radial
(43) por un ángulo fijo de rotación respecto a la ranura radial
(36) siguiente a una pletina de estator (24) y la agrupación de
otra hendidura radial (44) por el mismo ángulo fijo de rotación
respecto a la hendidura radial (36) anterior a una pletina de
estator (24).
22. Máquina de acuerdo con la reivindicación 18 ó
19 en versión de filamentos múltiples, en la que los módulos de
estator (14) están alineados axialmente y los módulos del rotor
(15) están posicionados en un ángulo fijo recíproco sobre el eje
motor (13), caracterizado por la unión de las pletinas del
estator (24) de los módulos del estator (14), alineados en sentido
del eje, a través de puentes (48) axiales en la barra transversal, y
por un gancho (41) sobresaliente de la barra transversal (243) en
el lado exterior de cada una de las dos pletinas (24) exteriores,
que cubre el verso opuesto a la ranura radial (36) de las mitades
exteriores de la carcasa (31, 32) cuando las pletinas del estator
(24) están insertadas en la barra radial (35).
23. Máquina de acuerdo con la reivindicación 22,
caracterizada por pletinas de estator (24) unidas por un
puente (48) y ejecutadas como una única pieza de estampado.
24. Máquina de acuerdo con una de las
reivindicaciones 20 - 23, caracterizada por una hendidura
radial (42) en el fondo de cada ranura radial en la punta del anillo
exterior (34), cuyo fondo radial está medido de tal manera que la
raíz (411) del gancho (41) sobresaliente a la barra transversal
(23) llega al fondo de la hendidura (42) en el lado direccionado al
anillo interior (33), siempre que la pletina de estator (24) esté
posicionada correctamente en la ranura radial (36).
25. Máquina de acuerdo con una de las
reivindicaciones 15 - 24, caracterizada por el
posicionamiento de dos placas (45) sobre las mitades de carcasa (31,
32) exteriores para el rodamiento del eje motor (13) que están
fijadas sobre las mitades de carcasa (31, 32) con una pieza de
reborde (46) y soportan el eje motor (13) con apoyos (47).
26. Máquina de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 - 25, caracterizada por tener por lo
menos un módulo rotor (15) fijado a prueba de torsión en un eje
hueco.
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