ES2257837T3

ES2257837T3 - Maquina electrica cuyo rotor esta especialmente adaptado a las altas velocidades.

Info

Publication number: ES2257837T3
Application number: ES99122255T
Authority: ES
Inventors: Pierre Varenne
Original assignee: Conception et Developpement Michelin SA
Current assignee: Conception et Developpement Michelin SA
Priority date: 1998-11-13
Filing date: 1999-11-08
Publication date: 2006-08-01
Anticipated expiration: 2019-11-08
Also published as: JP2000152537A; DE69930040D1; EP1001507A1; DE69930040T2; ATE319213T1; US20020047424A1; US6426576B1; EP1001507B1

Abstract

Un montaje de máquina eléctrica con rotor comprende placas guiadas montadas alrededor de un eje hexagonal dispuesto para permitir mayores velocidades de operación. El rotor (4) se integra ubicando un número de placas ferromagnéticas (3) alrededor de un eje hexagonal (2). Las placas se aseguran usando placas extremo (5) y placas guía (7) que incluyen barras de seis capas (6) sobre las cuales se pueden enhebrar las placas ferromagnéticas.

Description

Máquina eléctrica cuyo rotor está especialmente adaptado a las altas velocidades.

La invención se refiere a las máquinas eléctricas rotatorias cuyo rotor comprende imanes permanentes. De modo más preciso, la invención se refiere a las máquinas en las cuales los imanes están dispuestos en vaciados del rotor. Estas máquinas eléctricas se denominan, habitualmente, con la expresión "de imanes permanentes". Este principio de disposición del rotor se aplica ampliamente a las máquinas síncronas autogobernadas de concentración de flujo. El documento EP-431514 A describe una máquina eléctrica de este tipo que comprende un árbol rodeado por manguitos constituidos de material amagnético.

El dimensionamiento de una máquina eléctrica rotatoria depende de su par nominal. Cuanto más elevado es el par que un motor eléctrico puede facilitar, más voluminoso es el motor eléctrico, a igualdad, por otra parte, de todo lo demás. Existen, sin embargo, aplicaciones en las cuales es deseable obtener, a la vez, potencias importantes y una gran compacidad del motor. Para dar simplemente un ejemplo concreto, cuando se desea implantar motores eléctricos de tracción en las ruedas de vehículos automóviles, es deseable poder desarrollar potencias que valen, al menos, 10 kW por motor, e incluso la mayoría de las veces, al menos, 25 kW o 30 kW por motor, para un peso lo más pequeño posible a fin de no recargar demasiado las masas suspendidas. Es deseable, igualmente, que el volumen sea también muy reducido, que sobresalga lo menos posible del volumen interior de la rueda para no interferir con los elementos del vehículo durante los desplazamientos de la suspensión y durante otros tipos de movimiento de la rueda con respecto a la caja del vehículo.

Estos dos imperativos (potencia elevada, volumen y peso pequeños) hacen muy problemática la implantación de motores eléctricos de tracción en las ruedas de vehículos de turismo, salvo que se mejore radicalmente la relación peso/potencia de las máquinas eléctricas actualmente disponibles en el mercado.

La elección de una velocidad elevada para un motor eléctrico es una solución que permite, para una potencia dada, disminuir el par, por tanto el volumen. Dicho de otro modo, para una potencia nominal dada del motor, cuanto mayor es su velocidad de rotación nominal, menor será su volumen. Pero la elevación de la velocidad de rotación de una máquina eléctrica rotatoria plantea numerosos problemas de resistencia mecánica, sobre todo arduos si se desea contener todo lo posible el peso y el volumen de la citada máquina eléctrica rotatoria.

El objetivo de la invención es proponer una construcción de máquina eléctrica rotatoria que permita obtener velocidades de rotación elevadas, al menos, por ejemplo, de hasta 1.200 revoluciones por minuto, sin encontrar problemas, ni de transmisión de par, ni de centrifugación en el rotor.

De acuerdo con la invención, la máquina eléctrica rotatoria, que comprende una envuelta exterior que forma estructura de soporte que contiene un estator, comprende un rotor que comprende:

\bullet: un árbol realizado en una sola pieza, de material amagnético, montado con cojinetes en la envuelta exterior, definiendo los citados cojinetes un eje de rotación del citado árbol,

\bullet: un conjunto que comprende una pluralidad de piezas polares que rodean el árbol e imanes permanentes, delimitando las piezas polares entre sí, alojamientos que van de la superficie del árbol hasta el entrehierro entre rotor y estator, conteniendo los citados alojamientos los citados imanes permanentes,

\bullet: una brida lateral en cada lado del citado conjunto axialmente, atravesando el árbol la citada brida lateral por un vaciado central dispuesto en la citada brida lateral,

\bullet: al menos un tirante por pieza polar, que atraviesa cada pieza polar y que permite aprisionarlas entre las bridas laterales,

en la cual el citado árbol, visto en sección perpendicular al eje de rotación, forma una figura no circular convexa, que coopera con el citado conjunto para inmovilizarlo en rotación relativa con respecto al citado árbol.

La conformación del árbol permite una transmisión del par directamente desde las piezas polares hacia el árbol, al menos, de modo localizado o, preferentemente, en toda la longitud axial de las piezas polares. El árbol, visto en sección perpendicular al eje de rotación, forma, preferentemente, un polígono convexo regular, que comprende caras planas separadas por aristas. Cada pieza polar, vista en sección perpendicular al eje de rotación, presenta, entonces, bordes sensiblemente radiales frente a los imanes y, frente al árbol, forma un ángulo entrante destinado a centrar la citada pieza polar sobre una de las aristas del árbol. Una figura poligonal hexagonal es particularmente favorable para la transmisión del par desde las piezas polares hacia el árbol, asegurando al mismo tiempo una buena compacidad del árbol.

La invención se comprenderá mejor por la descripción de un ejemplo dado a título no limitativo, refiriéndose al dibujo anejo, en el cual:

la figura 1 es una vista en perspectiva que muestra el rotor de un motor de acuerdo con la invención.

En el dibujo se ha representado una máquina hexapolar, de la cual se ve el rotor 1, el árbol 2 y la posición de los cojinetes 20. Se ven chapas 3 ferromagnéticas ensambladas en seis piezas polares 30. Cada chapa es sensiblemente perpendicular al eje del árbol. Obsérvese, simplemente de paso, que la invención es también útil en el caso de las piezas polares macizas. A una y otra parte del árbol 2, axialmente, se ve una brida lateral 5 (preferentemente de material amagnético), situada a cada lado de las piezas polares 30. Cada brida lateral 5 tiene un vaciado central cuya forma está ajustada a la del árbol 2. Un tirante 6 por pieza polar 30 atraviesa cada apilamiento de chapas 3 y permite aprisionarlas entre las bridas 5. Imanes permanentes 4 están dispuestos en los alojamientos entre las piezas polares 30. El lado radialmente exterior 32 de cada chapa 3 tiene forma de arco de círculo centrado en el eje del rotor. A una y otra parte de este lado 32, dos tetones pequeños 33 retienen los imanes 4 en centrifugación. Además, los imanes están pegados en su alojamiento.

Los tirantes 6 trasladan los esfuerzos debidos a la fuerza centrífuga a las bridas laterales 5. Al ser éstas perfectamente solidarias del árbol 2, por su construcción en una pieza atravesada por, y ajustada sobre, el citado árbol 2, el comportamiento en centrifugación de todas las piezas del rotor está, por tanto, asegurado. En esta disposición, los tirantes 6 son los que únicamente se oponen a la fuerza centrífuga que los imanes 4 ejercen sobre las chapas 3 de cada pieza polar y a la fuerza centrífuga a las que están sometidas las propias chapas 3 (despreciándose el efecto debido a la fricción entre cada chapa, así como el pegado de los imanes 4 al árbol 2). Ahora bien, el entrehierro existente entre el rotor 1 y el estator (no representado) debe ser tan pequeño como sea posible para tener la reluctancia del circuito magnético lo más baja posible. Una reluctancia pequeña permite adoptar imanes más pequeños para un nivel de par nominal dado. Gracias a esta disposición, el árbol 2 es muy compacto porque no comprende ninguna cola de milano o disposición similar destinada a retener en centrifugación las piezas polares y/o los imanes.

Para perfeccionar el comportamiento de las chapas en centrifugación, es posible utilizar una o dos bridas intermedias 7. Éstas son, preferentemente, de material amagnético. Esto limita los desplazamientos de las chapas a costa de un ligero aumento por parte de la longitud axial del rotor no activa para desarrollar un flujo en el entrehierro. Esto permite alargar el rotor de modo muy libre, según las necesidades, multiplicando el número de bridas intermedias, garantizando al mismo tiempo que el pequeño entrehierro permanezca compatible con velocidades de rotación muy elevadas.

Cada pieza polar 30 está, así, dividida en varios sectores 30A, 30B, ..., alineados axialmente y separados por una brida intermedia 7, preferentemente, de material amagnético, teniendo cada brida intermedia 7 un vaciado central de forma ajustada a la forma del árbol. La brida intermedia 7 puede insertarse muy fácilmente en el árbol 2 durante el montaje. La brida intermedia 7, como las bridas laterales 5, es perfectamente solidaria del árbol 2 por su construcción en una sola pieza atravesada por el árbol 2 y ajustada a éste. Cada brida intermedia 7 contribuye, por tanto, a contener los desplazamientos que la centrifugación podría originar a velocidades de rotación muy elevadas. Cada brida intermedia está atravesada por, al menos, un tirante 6 por pieza polar.

La transmisión del par está asegurada por las superficies de apoyo planas dispuestas por la forma poligonal convexa del árbol, cooperando las superficies de apoyo con caras dispuestas en el citado conjunto para inmovilizarlo en rotación relativa con respecto al citado árbol. De este modo, el par es transmitido directamente entre las piezas polares y el árbol. Preferentemente, la citada forma poligonal convexa se extiende sobre una gran longitud del árbol 2. En el ejemplo que ilustra la invención, se ve que el árbol comprende una superficie de apoyo poligonal convexa también a nivel de cada brida intermedia 7, cooperando con caras de forma complementaria dispuestas en el vaciado central 70 de cada una de las bridas intermedias 7 para inmovilizarlas en rotación relativa con respecto al citado árbol. Además, el árbol comprende una superficie de apoyo poligonal convexa igualmente a nivel de cada brida lateral 5, cooperando con caras de forma complementaria dispuestas en el vaciado central 50 de cada una de las bridas laterales 5 para inmovilizarlas en rotación relativa con respecto al citado árbol.

Preferentemente, el árbol presenta una sección idéntica (aquí, poligonal) en cualquier posición axial entre las bridas laterales 5 y frente a éstas, lo que hace máxima la longitud útil para la transmisión del par. El árbol es aquí de sección hexagonal, en la casi totalidad de la longitud axial comprendida entre los cojinetes 20. El conjunto de las chapas, así como las bridas laterales e intermedias, concurren en la transmisión del par al árbol, lo que disminuye las tensiones en las citadas bridas. Se observa, también, que la concepción en polígono del árbol y la forma de la base de las chapas correspondientes facilitan el montaje del motor por una colocación fácil de las chapas en el árbol.

Esta disposición del árbol en sección poligonal, que presenta, por tanto, caras planas, es en sí muy interesante para disminuir todo lo que se pueda el volumen radial del rotor. En efecto, de este modo, el fondo del alojamiento de cada uno de los imanes 4 es plano. Esto permite insertar imanes paralelepipédicos sin pérdida de espacio. Los imanes permanentes 4 están en contacto directo sobre el árbol 2; éste está constituido por una sola pieza; cada imán se apoya en una de las caras (plana) del polígono. Este principio de construcción requiere que el árbol sea de material amagnético, con el fin de que el árbol no produzca un cortocircuito magnético. Cada chapa de una pieza polar presenta una sección perpendicular al eje de rotación que tiene una forma general triangular, cuya punta 31 está conformada de modo que se centra exactamente sobre una de las seis aristas 21 del árbol 2.

Con el fin de mejorar todavía la compacidad del motor, puede preverse que el estator comprenda una canalización para la circulación de un fluido de enfriamiento, por ejemplo un líquido de enfriamiento del tipo de los utilizados para el enfriamiento de los motores térmicos de los vehículos automóviles. Naturalmente, pueden construirse alternativas del mismo modo.

Claims

1. Máquina eléctrica rotatoria, que comprende una envuelta exterior que forma estructura de soporte que contiene un estator, comprendiendo la citada máquina un rotor (1) que comprende:

- un árbol (2) realizado en una sola pieza, de material amagnético, montado con cojinetes (20) en la envuelta exterior, definiendo los citados cojinetes (20) un eje de rotación del citado árbol,

- un conjunto que comprende una pluralidad de piezas polares (30) que rodean el árbol e imanes permanentes (4), delimitando las piezas polares entre sí alojamientos que van de la superficie del árbol hasta el entrehierro entre rotor y estator, conteniendo los citados alojamientos los citados imanes permanentes (4),

- una brida lateral (5) en cada lado del citado conjunto, axialmente, atravesando el árbol la citada brida lateral (5) por un vaciado central dispuesto en la citada brida lateral,

- al menos un tirante (6) por pieza polar, que atraviesa cada pieza polar y que permite aprisionarlas entre las bridas laterales,

2. Máquina de acuerdo con la reivindicación 1 en la cual el árbol, visto en sección perpendicular al eje de rotación, forma un polígono convexo que comprende caras planas separadas por aristas (21).

3. Máquina de acuerdo con la reivindicación 2, en la cual cada pieza polar, vista en sección perpendicular al eje de rotación, presenta bordes sensiblemente radiales frente a los imanes y, frente al árbol, forma un ángulo entrante destinado a centrar la citada pieza polar sobre una de las aristas (21) del árbol.

4. Máquina de acuerdo con las reivindicaciones 2 o 3, en la cual el citado conjunto comprende imanes paralelepipédicos en contacto directo con las caras planas del árbol (2).

5. Máquina de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4, en la cual el árbol presenta una sección idéntica en cualquier posición axial entre las bridas laterales y frente a éstas.

6. Máquina de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5, en la cual cada pieza polar comprende un apilamiento de chapas ferromagnéticas (3), siendo cada chapa sensiblemente perpendicular al eje de rotación del árbol.

7. Máquina de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 6, que comprende, al menos, una brida intermedia (7), estando dividida cada pieza polar en varios sectores (30A, 30B, ...) alineados axialmente y separados por una brida intermedia, atravesando el árbol cada chapa intermedia por un vaciado central, siendo atravesada cada brida intermedia por el citado, al menos, un tirante por pieza polar.

8. Máquina de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada porque el estator comprende una canalización para la circulación de un fluido de enfriamiento.