ES2941256T3

ES2941256T3 - Máquina electromagnética sin núcleo con doble rotor

Info

Publication number: ES2941256T3
Application number: ES19151485T
Authority: ES
Inventors: Tadeusz Pawel Witczak; Cezary Jedryczka; Wojciech Szelag; Stella M Oggianu; Zbigniew Piech
Original assignee: Carrier Corp
Current assignee: Carrier Corp
Priority date: 2018-01-12
Filing date: 2019-01-11
Publication date: 2023-05-19
Anticipated expiration: 2039-01-11
Also published as: US20190222085A1; EP3518385B1; US10910903B2; EP3518385A1; CN110048566A

Abstract

Una máquina electromagnética sin núcleo (20) incluye un rotor doble (28) y un estator (26). El rotor doble (28) está adaptado para girar alrededor de un eje (A) e incluye segmentos de rotor interior y exterior (77, 75). El segmento de rotor exterior (75) está espaciado radialmente hacia afuera y alineado axialmente con respecto al segmento de rotor interior (77). Los segmentos de rotor interior y exterior (75, 77) definen radialmente una cámara anular (79). el estator (26) esta dispuesto, al menos en parte, en la camara anular (79). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Máquina electromagnética sin núcleo con doble rotor

ANTECEDENTES

La presente divulgación se refiere a máquinas electromagnéticas, y más particularmente a máquinas electromagnéticas sin núcleo, de doble rotor.

El documento US 5723933 divulga un motor CC conmutado electrónicamente, que comprende un rotor de imanes permanentes que proporciona un entrehierro cilíndrico y un estator sin hierro hecho de material conductor y resina sintética curada que comprende porciones de bobina rectas que se extienden dentro del entrehierro. El documento US 2014 007 0651 A1 divulga una máquina electromagnética sin núcleo de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1. El documento DE 10033577 A1 divulga un estator con bobinas, cada una de las cuales define una abertura para el flujo radial de aire de enfriamiento.

El diseño de máquinas electromagnéticas, como motores eléctricos, a menudo requiere la estandarización de algunas dimensiones mientras se permite que el motor varíe en otros aspectos para cubrir una gama completa de requisitos operativos. En un ejemplo y para una familia de motores, cada uno de los cuales proporciona diferentes características operativas, el diámetro exterior del motor puede ser consistente, mientras que la longitud axial del motor (es decir, la longitud del paquete) se cambia para adaptarse a diferentes devanados. Son deseables mejoras en las técnicas de diseño de motores que puedan conducir a mejoras en la eficiencia del motor, enfriamiento del motor, reducción de costes y estandarización de piezas y empaques.

SUMARIO

La presente invención proporciona una máquina electromagnética sin núcleo según la reivindicación 1. Otros aspectos de la invención se definen en las reivindicaciones dependientes.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Varias características serán evidentes para los expertos en la técnica a partir de la siguiente descripción detallada de las realizaciones no limitativas divulgadas. Los dibujos que acompañan a la descripción detallada se pueden describir brevemente de la siguiente manera:

La figura 1 es una vista en perspectiva ampliada y desmontada de una máquina electromagnética como una realización ejemplar no limitativa de la presente divulgación,

La figura 2 es una vista en perspectiva de un estator de la máquina electromagnética;

La figura 3 es una sección transversal de una bobina del estator;

La figura 4 es una vista en perspectiva de una placa de circuito de la máquina electromagnética;

La figura 5 es un esquema de una configuración de bobinas en serie del estator;

La figura 6 es un esquema de una configuración de bobina combinada del estator;

La figura 7 es un esquema de una configuración de bobinas paralelas del estator;

La figura 8 es una sección transversal parcial de un ejemplo de una máquina electromagnética que ilustra una trayectoria de flujo de aire de enfriamiento; el ejemplo no forma parte de la invención;

La figura 9 es un esquema de una realización de un conjunto de estator que incluye un controlador como parte de una placa de circuito;

La figura 10 es una sección transversal de una realización de la máquina electromagnética ilustrada como un motor eléctrico.

La figura 11 es una vista lateral de un ejemplo de bobina eléctrica de un estator, el ejemplo no forma parte de la invención;

La figura 12 es una vista superior de la bobina eléctrica de la figura 11;

La figura 13 es un esquema de una prensa utilizada para doblar la bobina eléctrica;

La figura 14 es una vista en perspectiva del estator que utiliza las bobinas de la figura 11; y

La figura 15 es una vista lateral parcial de un conjunto de ventilador que utiliza el motor eléctrico.

DESCRIPCIÓN DETALLADA

Haciendo referencia a la figura 1, se ilustra una máquina electromagnética 20 adaptada para convertir energía eléctrica en energía mecánica, o viceversa. Los ejemplos de la máquina electromagnética 20 pueden incluir un motor eléctrico y un generador. La máquina electromagnética 20 puede incluir una carcasa 22, un motor 24 e incluye un estator 26 y un rotor 28. La carcasa 22 está adaptada para alojar la placa de circuito 24, el estator 26 y el rotor 28. La placa de circuito 24 puede estar unida al estator 26. Como se sabe generalmente en la técnica de los motores eléctricos, el estator 26 y el rotor 28 están alineados axialmente entre sí y generalmente están centrados alrededor de un eje de rotación A. El estator 26 puede estar estacionario y el rotor 28 está adaptado para girar alrededor del eje de rotación A. Juntos, la placa de circuito 24 y el estator 26 pueden identificarse como un conjunto de estator 29. Según la invención, la máquina electromagnética 20 no tiene núcleo. En otro ejemplo no limitativo, el accionamiento del motor 24 puede ser, o puede incluir, una placa de circuito que puede estar impresa.

Estator universal

El estator 26 puede incluir un conjunto de estructura de soporte 30. El estator 26 incluye una estructura de soporte 38 y una pluralidad de bobinas 32.

El conjunto de estructura de soporte 30 puede incluir la estructura de soporte 38 y puede incluir además una placa de montaje 34, cojinetes 36. La estructura de soporte 38 incluye una pluralidad de bobinas 40 (ver figura 2).

Cada una de la pluralidad de bobinas 32 está alrededor de una respectiva de la pluralidad de bobinas 40. La estructura de soporte 38 está adaptada para soportar y unirse a la pluralidad de bobinas 40. La placa de montaje 34 se puede adaptar para soportar y unirse a la estructura de soporte 38 y los cojinetes 36 para una rotación sustancialmente sin fricción del rotor 28 alrededor del eje A. El accionamiento del motor 24 se puede unir a un lado axial 42 de la placa de montaje 34, y la estructura de soporte 38 se une a un lado axial opuesto 44 de la placa de montaje. En otra realización, la placa de montaje 34 puede ser parte integral y unitaria de la estructura de soporte 38. En otra realización, la placa de montaje 34 puede ser una parte integral y unitaria del accionamiento del motor 24 que puede ser una placa de circuito. En otra realización más, el estator 26 puede no incluir la placa de montaje 34 y, en su lugar, el accionamiento del motor 24 como placa de circuito también funciona como un miembro estructural del estator 26.

Haciendo referencia a las figuras. 2 y 3, la pluralidad de bobinas 40 puede ser generalmente la misma, cada una de las cuales incluye un núcleo 50 que se extiende a lo largo de una línea central C y dos pestañas opuestas 52, 54. El núcleo 50 se extiende entre las pestañas 52, 54 y puede formar parte de ellas. Las pestañas 52, 54 pueden ser sustancialmente normales a la línea central C. Cuando la máquina electromagnética 20 está completamente ensamblada, cada línea central C puede ser generalmente normal al eje A y cruzarlo, y las bobinas 32 generalmente están enrolladas alrededor de los respectivos núcleos. 50 y líneas centrales C. Más específicamente, cada núcleo 50 puede extenderse en una dirección radial con respecto al eje A, de manera que el reborde 52 es un reborde exterior, y el reborde 54 es un reborde interior ubicado radialmente hacia adentro desde el reborde exterior.

La estructura de soporte 38 puede incluir al menos un anillo (es decir, dos ilustrados como 46, 48). Ambos anillos 46, 48 pueden estar centrados alrededor del eje A y pueden estar separados axialmente entre sí. Cada bobina 40 se puede alargar axialmente con respecto al eje A e incluye porciones extremas opuestas 56, 58. Cuando se ensambla el conjunto de estructura de soporte 30, el anillo 46 puede ser un anillo exterior ubicado radialmente hacia afuera de la pluralidad de bobinas 40, y el anillo 48 puede ser un anillo interno ubicado radialmente hacia adentro desde las bobinas 40. En un ejemplo y durante la fabricación, cada bobina 32 puede enrollarse alrededor de una bobina 40 respectiva antes de unir las bobinas 40 a los anillos 46, 48. Además, cada bobina 40 se puede unir de forma liberable a uno o ambos de los anillos 46, 48 (por ejemplo, ajustado a presión) para facilitar su extracción y realizar el mantenimiento de cualquier bobina 40 y/o bobina 32 en particular.

Placa de circuito con impresiones de configuración de múltiples bobinas

Haciendo referencia a la figura 4, el accionamiento del motor 24 se ilustra generalmente como una placa de circuito que tiene una forma sustancialmente plana, circular y/o anular, y sustancialmente normal al eje A. La placa de circuito puede ser una placa de circuito impreso, y generalmente está configurada para cablear una pluralidad de bobinas 32 en una configuración predefinida para lograr, por ejemplo, el par de salida deseado y/o la velocidad de la máquina electromagnética 20. Es decir, la unidad de motor 24, como placa de circuito, puede permitir el uso de componentes universales para múltiples aplicaciones de motor, proporcionando generalmente opciones sobre cómo se conectan las bobinas 32 (es decir, en serie, en paralelo y combinaciones de los mismos). En una realización, la pluralidad de bobinas 40 puede ser cada una igual, y pueden ser bobinas universales capaces de aplicarse a una variedad de aplicaciones de motores con diferentes parámetros de salida. De manera similar, el conjunto de la estructura de soporte del estator 30 y/o la estructura de soporte 38 pueden ser universales, capaces de aplicarse a una variedad de aplicaciones de motor que utilizan bobinas universales 40 y/o bobinas universales 32.

Haciendo referencia a las figuras 4 a 7, la pluralidad de bobinas 32 (es decir, cuatro ilustradas), puede tener una configuración de bobina 60 donde las bobinas 32 están conectadas eléctricamente en serie entre sí (ver figura 5), puede tener una configuración de bobina 62 donde las bobinas 32 están cableadas eléctricamente en paralelo entre sí (ver figura 7), o puede tener una configuración de bobina 64 en la que las bobinas 32 están cableadas eléctricamente en una combinación de disposiciones tanto en paralelo como en serie. La salida del par motor y la velocidad pueden ser diferentes dependiendo de la configuración de bobina 60, 62, 64 aplicada.

El accionamiento del motor 24 como placa de circuito proporciona un medio fácil y eficiente de elegir la configuración de bobina deseada 60, 62, 64. Por ejemplo, la placa de circuito puede incluir una pluralidad de puntos de conexión 66 (por ejemplo, almohadillas de orificios pasantes) y puentes de resistencia cero, o trazadores impresos, 68 dispuestos para proporcionar, por ejemplo, tres impresiones de configuración de bobina individuales (es decir, una ilustrada en la figura 4), con cada huella asociada con una configuración de bobina respectiva 60, 62, 64.

Como se muestra mejor en la figura 2, las bobinas universales 32 pueden incluir conductores positivos y negativos 70, 72, cada uno de los cuales se proyecta en una dirección axial común con respecto al eje A. En general, el conductor 70 puede estar separado radialmente hacia afuera del conductor 72, y por una distancia radial común para cada bobina 32. Los cables 70, 72 también pueden estar separados circunferencialmente, por una distancia circunferencial común, de los cables 70, 72 de la bobina 32 circunferencialmente adyacente. En una realización, los conductores 70, 72 de las bobinas 32 pueden sobresalir axialmente a través de la placa de montaje 32 y a través de los puntos de conexión alineados 66 para la conexión eléctrica a los puentes asociados 68. En una realización, el accionamiento del motor 24, como placa de circuito, puede incluir generalmente tres posiciones de montaje 74, 76, 78, con cada posición de montaje asociada con una impresión de configuración de bobina respectiva. Durante la fabricación o el montaje, el simple hecho de girar la placa de circuito entre las posiciones de montaje 74, 76, 78 es el medio para seleccionar la configuración de bobina deseada 60, 62, 64. Más específicamente, si la pluralidad de bobinas es de doce bobinas, el número de puntos de conexión 66 para los conductores 70 puede ser tres veces el número de bobinas, que pueden ser treinta y seis puntos de conexión cuando en realidad sólo se utilizan doce. Cuando se usan, los conductores 70 pueden sobresalir axialmente a través de las respectivas almohadillas de orificio pasante 66 para soldar al respectivo trazador 68. El mismo principio puede aplicarse a los conductores 72. En otra realización, la placa de circuito puede incluir solo una impresión de configuración de bobina; sin embargo, para establecer un tipo de motor deseado, se elige la placa de circuito correcta con la impresión de configuración de bobina deseada.

Rotor doble refrigerado por el interior

Haciendo referencia a las figuras 1 y 8, el rotor 28 es un rotor doble que tiene un segmento de rotor exterior 75 espaciado radialmente hacia afuera y también concéntrico con respecto a un segmento de rotor interior 77. Cada segmento 75, 77 puede incluir una pluralidad de imanes permanentes 78 para la interacción con las bobinas 32 como se sabe generalmente en la técnica de los motores y generadores. Los segmentos de rotor exterior e interior 75, 77 incluyen límites que definen radialmente una cámara anular 79. Cuando se ensambla la máquina electromagnética 20, el segmento del rotor exterior 75, el estator 26 está sustancialmente en la cámara anular 79, el segmento del rotor interior 77 y el estator 26 (es decir, las bobinas 40 y las bobinas 32) generalmente están alineados axialmente entre sí, y el estator 26 generalmente está separado radialmente de y entre los segmentos de rotor exterior e interior 75, 77.

Para proporcionar enfriamiento por aire para el estator 26, el aire de enfriamiento (véanse las flechas 80 en la figura 8) fluye a través de varios canales, espacios y/o espacios provistos en y entre el estator 26 y el rotor 28. El segmento de rotor interior 77 y el estator 26 incluyen límites que definen un espacio de flujo de enfriamiento 82 que puede tener una forma sustancialmente anular y es parte de la cámara anular 79. El núcleo 50 de cada bobina 40 incluye aberturas de flujo de enfriamiento 84 (por ejemplo, seis orificios ilustrados en la figura 3) que se extienden, o se comunican, radialmente a través de la bobina 40 con respecto al eje A. El segmento exterior del rotor 75 y el estator 26 incluyen límites que definen un espacio de flujo de enfriamiento 86 que puede tener una forma sustancialmente anular, es parte del anular cámara 79, y está ubicado radialmente hacia afuera del espacio 82. Además, el segmento de rotor exterior 75 incluye límites que definen una pluralidad de aberturas 88 (por ejemplo, orificios) que se extienden o se comunican radialmente a través del segmento de rotor exterior 75 con respecto al eje A.

Cuando se ensambla la máquina electromagnética 20 (por ejemplo, el motor), el espacio 82 está en comunicación directa con las aberturas de bobina 84. Las aberturas 84 se comunican directamente con y entre los espacios 82, 86, y el espacio 86 se comunica directamente con las aberturas del segmento exterior del rotor 88. En funcionamiento, el aire de enfriamiento 80 fluye axialmente a través del espacio 82, luego radialmente hacia afuera a través de las aberturas de bobina 84. Desde las aberturas de la bobina 84, el aire de enfriamiento 80 fluye a través del espacio 86, luego radialmente a través de las aberturas del segmento exterior del rotor 88.

Accionamiento de motor autoadaptable:

Haciendo referencia a las figuras 1 y 9, otra realización del accionamiento por motor 24 del conjunto de estator 29 puede incluir un controlador 90 configurado para seleccionar una de las configuraciones de bobina 60, 62, 64 en función de la entrada sensorial. Es decir, el accionamiento del motor 24 puede no incluir la multitud de impresiones de configuración descritas anteriormente y, en cambio, puede depender del controlador 90 para seleccionar la configuración de bobina adecuada para optimizar el funcionamiento de la máquina electromagnética 20. En esta realización, cada cable de bobina 70, 72 aún puede conectarse eléctricamente a las almohadillas de orificio pasante 66 como se describió anteriormente en el ejemplo del accionamiento del motor 24 que es una placa de circuito; sin embargo, al menos algunos de los puentes de resistencia cero, o rastreadores, pueden enrutarse directamente a un interruptor 92 del accionamiento del motor 24.

El controlador 90 puede incluir un procesador 94 (por ejemplo, un microprocesador) y un medio de almacenamiento electrónico 96 que puede ser legible y escribible por ordenador. Un módulo lógico de autoadaptación 98, que puede estar basado en software, se almacena en el medio de almacenamiento electrónico 96 y es ejecutado por el procesador 94 para controlar el interruptor 92. Dependiendo de la orientación seleccionada u ordenada del interruptor 92, la pluralidad de bobinas eléctricas 32 puede orientarse en una de las configuraciones 60, 62, 64. Los ejemplos no limitativos del interruptor 92 pueden incluir un interruptor mecánico simple, al menos un interruptor de transistor y/o una multitud de microinterruptores. El accionamiento del motor 24 puede incluir además otros elementos electrónicos 95 (ver figura 10) como es conocido por los expertos en la técnica de accionamientos de motor.

Haciendo referencia a la figura 9, las entradas del sensor pueden incluir una o más de una señal de temperatura 100 generada por un sensor de temperatura 102, una señal de tensión de entrada de fuente de alimentación 104 generada por un sensor de tensión 106, una señal de par 108 generada por un sensor de par 110, una señal de velocidad 112 generada por un sensor de velocidad 114 y otras entradas sensoriales.

El controlador 90 puede incluir además una base de datos 116 que incluye una pluralidad de valores preprogramados (por ejemplo, puntos de ajuste) utilizados por el módulo lógico de autoadaptación 98. En funcionamiento, el módulo 98 del controlador 90 puede procesar la señal de tensión de la fuente de alimentación 104 del sensor de tensión 106 y, en función de la tensión, seleccionar una configuración de bobina adecuada para optimizar el rendimiento en función de un par de torsión y/o un requisito de velocidad preprogramados almacenado en la base de datos 116.

Alternativamente, o además de, el módulo 98 del controlador 90 puede procesar la señal de temperatura 100 del sensor de temperatura 102, que puede ser indicativa de la temperatura del estator. El controlador 90 puede determinar si, por ejemplo, la temperatura del estator es alta en función de un punto de ajuste de temperatura alta almacenado en la base de datos 116. Si la temperatura del estator es alta, el controlador 90 puede elegir una configuración de bobina apropiada para reducir la temperatura del estator, mientras mantiene los requisitos de par y velocidad tanto como sea posible.

Alternativamente, o además de, el módulo 98 del controlador 90 puede procesar la señal de par 108 del sensor de par 110. La señal de par 108 puede, por ejemplo, ser indicativa de un par de salida de la máquina electromagnética 20 (por ejemplo, un motor eléctrico). Este par de salida en tiempo real puede compararse con un par de salida deseado preprogramado en la base de datos 116. Si el par de salida real es demasiado alto o demasiado bajo, el módulo 98 puede hacer que el controlador 90 envíe una señal de comando (ver flecha 118) al interruptor 92 para reconfigurar adecuadamente las bobinas 32 para lograr el par deseado. En una realización, las conexiones de la bobina se pueden cambiar, por lo tanto, la configuración de la bobina cambia, mientras la máquina electromagnética 20 (por ejemplo, el motor) está funcionando y el rotor 28 está girando alrededor del eje de rotación A.

Alternativamente, o además de, el módulo 98 del controlador 90 puede procesar la señal de velocidad 112 del sensor de velocidad 114. La señal de velocidad 112 puede, por ejemplo, ser indicativa de una velocidad de salida (por ejemplo, revoluciones por minuto) de la máquina electromagnética 20. Esta velocidad de salida en tiempo real puede compararse con una velocidad de salida deseada preprogramada en la base de datos 116. Si la velocidad de salida real es demasiado alta o demasiado baja, el módulo 98 puede hacer que el controlador 90 envíe una señal de comando (ver flecha 118) al interruptor 92 para reconfigurar adecuadamente las bobinas 32 para lograr la velocidad deseada.

Accionamiento de motor integrado

Haciendo referencia a las figuras 1 y 10, se ilustra una realización de una máquina electromagnética 20 como un motor eléctrico. El rotor 28 es la realización de rotor doble que tiene el segmento de rotor interior 77 que lleva una cara circunferencialmente continua 120 que mira radialmente hacia adentro e incluye límites que definen radialmente una cavidad interior 122. Cuando la máquina electromagnética 20 está completamente ensamblada, el segmento del rotor interior 77 está centrado en el eje A, la estructura de soporte 38 del estator 26 está alineada axialmente y espaciada radialmente hacia afuera del segmento del rotor interior 77, y el segmento del rotor exterior 75 está alineado axialmente y separado radialmente hacia afuera de la estructura de soporte del estator 38.

El conjunto de estructura de soporte 30 de la máquina electromagnética 20 puede incluir además un árbol estacionario 124 que está centrado con el eje A, ubicado en la cavidad interior 122, generalmente alineado axialmente con el estator 26 y el rotor 28, y está espaciado radialmente hacia adentro desde el segmento de rotor interior 77. El árbol estacionario 124 puede incluir porciones de extremo opuestas 126, 128 con la primera porción de extremo 126 acoplada al lado axial 44 de la placa de montaje 34, y la porción de extremo opuesta 128 generalmente acoplada o soportando los cojinetes 36. El lado axial 44 de la placa de montaje 34 puede incluir límites que, al menos en parte, definen axialmente la cavidad interior 122.

En una realización, el accionamiento del motor 24 puede ubicarse completamente en la cavidad interior 122 para optimizar el empaque del motor. Como se ilustra en la figura 10, el accionamiento del motor 24 puede ser el ejemplo de una placa de circuito que está soportada por el árbol estacionario 124 entre las porciones de extremo opuestas 126, 128. En otra realización, el accionamiento del motor 24 puede estar soportado por la placa de montaje 34 con uno o más del controlador 90, el interruptor 92 y otros elementos electrónicos 95 que sobresalen de la placa de montaje 34 y dentro de la cavidad interior 122. Para los fines de esta realización, el término "elementos electrónicos" puede incluir el controlador 90 y el interruptor 92.

En una realización, el árbol estacionario 124 puede ser hueco y tener al menos un extremo abierto para el flujo axial del aire de enfriamiento 80. En un ejemplo, el árbol hueco 124 puede comunicarse a través de la placa de montaje 34 del conjunto de estructura de soporte 30. En otra realización, la placa de montaje 34 se puede cerrar en el extremo próximo a la placa de montaje 34 promoviendo un mayor flujo de aire de enfriamiento hacia la cavidad interior 122.

En una realización, la placa de montaje 34 y/o el árbol estacionario 124 pueden ser metálicos para promover el enfriamiento del accionamiento del motor 24 en la cavidad interior 122 mediante convección (es decir, disipadores de calor). En otra realización, el árbol hueco estacionario 124 puede incluir límites que definen al menos una abertura 130 (por ejemplo, un orificio) para el flujo radialmente hacia afuera del aire de enfriamiento 80 desde el árbol hueco 124 y hacia la cavidad interior 122. De manera similar, el segmento de rotor interior 77, la estructura de soporte del estator 38 y el segmento de rotor exterior 75 incluyen cada uno una pluralidad respectiva de aberturas 132, 84, 88 (por ejemplo, orificios, véase también la figura 8) para el flujo radial hacia el exterior de aire de enfriamiento 80. Cuando se ensambla la máquina electromagnética 20, la cavidad interior 122 está en comunicación fluida radialmente entre las aberturas 130, 132 y las aberturas 132 están en comunicación fluida radialmente entre la cavidad interior 122.

Cuando la máquina electromagnética 20 está completamente ensamblada, un árbol de salida giratorio de la máquina electromagnética 20 puede accionar un ventilador de motor como saben los expertos en la técnica (no mostrado). El ventilador puede impulsar el aire axial y radialmente hacia afuera a través de la cavidad interior 122. De esta manera, el aire de enfriamiento 80 puede enfriar el accionamiento del motor 24 y el estator 26.

Estator moldeado, sin bobina (que no forma parte de la invención)

Haciendo referencia a las figuras. 11 a 14, se ilustra otro ejemplo del estator 26 junto con un método de fabricación. El conjunto de estructura de soporte 30 del presente ejemplo puede no incluir la pluralidad de bobinas 40 descritas anteriormente, y la estructura de soporte 38 puede no incluir los anillos 46, 48. Como se muestra mejor en la figura 11, cada bobina eléctrica 32 puede incluir una capa de devanado interior 134, una pluralidad de capas de devanado medio 136 y una capa de devanado exterior 138, cada una interconectada eléctricamente para formar la bobina 32. La capa de devanado interior 134 está enrollada alrededor de la línea central C y está separada radialmente de la misma, e incluye límites que definen la abertura de enfriamiento 84. Las capas de devanado medio 136 están situadas radialmente hacia fuera desde la capa de devanado interior 134 con respecto a la línea central C, con cada capa de devanado medio sucesiva situada radialmente hacia fuera de la capa de devanado medio adyacente. La capa de devanado exterior 138 está ubicada radialmente hacia afuera de las capas de devanado medio 136, y generalmente representa una periferia exterior de la bobina 32.

Haciendo referencia a las figuras 11 y 12, en general, cada una de las capas de devanado 134, 136, 138 puede incluir segmentos axiales diametralmente opuestos 140, 142 y segmentos circunferenciales diametralmente opuestos 144, 146. El segmento axial 140 se extiende entre los primeros extremos de los respectivos segmentos circunferenciales 144, 146 y se forma en ellos, y el segmento axial 142 se extiende entre los segundos extremos opuestos de los respectivos segmentos circunferenciales 144, 146 y se forma en ellos. Cuando el estator 26 está ensamblado, cada uno de los segmentos axiales 140, 142 puede extenderse sustancialmente de forma axial con respecto al eje de rotación A, y los segmentos circunferenciales 144, 146 pueden ser arqueados, cada uno de los cuales puede extenderse circunferencialmente con respecto al eje de rotación A.

La bobina 32 puede describirse además con porciones diametralmente opuestas 148, 150 que pueden ser sustancialmente arqueadas, y porciones diametralmente opuestas 152, 154 que pueden ser sustancialmente lineales o rectas. La porción arqueada 148 puede extenderse entre, y generalmente forma los extremos de las respectivas porciones rectas 152, 154, y la porción arqueada 150 puede extenderse entre, y generalmente forma los extremos opuestos de la respectiva porción recta 152, 154. Cada porción 148, 150, 152, 154 puede incluir una pluralidad respectiva de los segmentos 144, 146, 140, 142. En otro ejemplo, la bobina 32 puede ser sustancialmente circular u ovalada, por lo que las porciones 152, 154 pueden no ser rectas. Los ejemplos de un material o forma de devanado pueden ser eléctricamente conductores, perfilados, cables y cintas o franjas que aumentan los factores de llenado.

Durante la fabricación, cada bobina 32 puede enrollarse alrededor de la línea central C, por separado y generalmente dentro de un plano. Es decir, las porciones 148, 150 pueden ser inicialmente rectas o planas, y sin forma arqueada. Luego, la bobina enrollada 32 puede doblarse para proporcionar la forma arqueada de las porciones 148, 150. Haciendo referencia a la figura 13, y en un ejemplo, la bobina no doblada 32 se puede colocar en una prensa, o herramienta similar, 156 para obtener la forma arqueada.

Haciendo referencia a las figuras 11 y 14, con las bobinas 32 completamente formadas, o conformadas, cada bobina 32 puede colocarse circunferencialmente alrededor del eje de rotación A. Cuando se coloca correctamente, el segmento axial 142 de una primera bobina 32 se ubica próximo al segmento axial 140 de una segunda bobina 32 circunferencialmente adyacente. Luego, las bobinas 32 se pueden asegurar entre sí utilizando un material de unión 158 mientras se conservan las aberturas de enfriamiento 84.

En un ejemplo, el material de unión 158 puede aplicarse mientras las bobinas 32 están correctamente orientadas dentro de un molde (no mostrado). Tal molde puede soportar un proceso de moldeo por inyección. Los ejemplos del material de unión 158 pueden ser un adhesivo, un termoplástico, un plástico moldeado por inyección u otros materiales que tengan propiedades de aislamiento eléctrico.

Las ventajas y los beneficios generalmente específicos del estator moldeado pueden incluir la posibilidad de reducir el grosor radial del estator, entrehierros más pequeños, un aumento en el espacio que se puede usar para la bobina, lo que permite el uso de imanes menos costosos como ferritas, permite enfriamiento de bobinas, y reducción de costes de material con respecto al estator.

Arquitectura de máquina electromagnética, sin núcleo, de rotor dual

Según la invención, la máquina electromagnética 20 no tiene núcleo e incluye el doble rotor 28.

La arquitectura novedosa de la máquina electromagnética 20, como se describió anteriormente, proporciona una solución estructural para una amplia gama de aplicaciones que incluyen, entre otras, una familia de motores de accionamiento de ventiladores que cubre diferentes entradas de tensión, potencia del árbol, par y RPM. La arquitectura puede diseñarse como una solución de rotor exterior o una solución impulsada por árbol.

La arquitectura puede ser generalmente de un diseño modular que simplifica la fabricación y el mantenimiento. La arquitectura de la máquina electromagnética puede utilizar imanes sinterizados o estructuras de rotor moldeado. La arquitectura puede incluir además hierro trasero, o puede beneficiarse de una disposición de matriz de Halbach de imanes permanentes, y usarse como un componente estructural de la máquina electromagnética 20.

Haciendo referencia a la figura 15, se ilustra un ejemplo de una solución de rotor exterior como un conjunto de ventilador 160 que incluye la máquina electromagnética 20 como un motor eléctrico, y una pluralidad de láminas de aire o álabes 162 que se proyectan radialmente hacia afuera desde el segmento de rotor exterior 75 del rotor dual 28.

Las ventajas y los beneficios con respecto a la arquitectura de la máquina electromagnética incluyen la escalabilidad para lograr el par y/o la velocidad deseados, la falta de par de arranque, la falta de pérdidas en el núcleo, menos carga en los rodamientos, una vida útil prolongada y el diseño modular. Otra ventaja es una fuerza de tracción magnética insignificante, por lo tanto, una estructura de soporte simplificada, baja sensibilidad al desequilibrio del rotor y/o desalineación del rotor al estator.

Otras ventajas y beneficios generales de la presente divulgación incluyen una reducción en los costes de diseño y fabricación, un tipo de devanado de bobina simple para toda una familia de motores, conexiones de bobina realizadas en una placa de circuito, utilización de una placa de circuito como parte de un miembro estructural, empaque optimizado del motor y enfriamiento mejorado del estator y del motor. Otras ventajas incluyen la capacidad de devanar las bobinas individualmente o por separado en una máquina de devanado rotatorio durante la fabricación para lograr factores de llenado más altos y el uso de anillos o clips de montaje de bobina para un montaje rápido del estator. Otra ventaja más es la capacidad de cambiar dinámicamente las configuraciones de las bobinas para cumplir, por ejemplo, con la velocidad requerida actualmente de un ventilador para optimizar el rendimiento del motor.

La invención está definida por las reivindicaciones adjuntas.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Una máquina electromagnética sin núcleo (20) que comprende:

un rotor doble (28) adaptado para girar alrededor de un eje, el rotor doble que incluye segmentos de rotor interior y exterior (77, 75), en el que el segmento de rotor exterior (75) está espaciado radialmente hacia afuera y alineado axialmente con respecto al segmento de rotor interior (77), y los segmentos de rotor interior y exterior (77, 75) definen radialmente una cámara anular (79); y

un estator (26) dispuesto al menos en parte en la cámara anular (79), comprendiendo el estator (26) una estructura de soporte (38), y una pluralidad de bobinas (40) acopladas de forma desmontable a la estructura de soporte, y una pluralidad de bobinas eléctricas (32) con cada una enrollada alrededor de una bobina respectiva (40) de la pluralidad de bobinas (40) y cada una incluye una capa de devanado interior (134) enrollada y separada de una línea central que generalmente cruza el eje,

en el que el segmento de rotor exterior (75) y el estator (26) definen radialmente un espacio exterior anular (86) como parte de la cámara anular (79), y el segmento de rotor interior (77) y el estator definen radialmente un espacio interior anular (82) como parte de la cámara anular (79), y

caracterizado por que cada bobina (40) define primeras aberturas (84) para el flujo de aire de enfriamiento (80) radialmente entre los espacios anulares interior y exterior (82, 86);

en el que el segmento del rotor interior (77) y el segmento del rotor exterior (75) incluyen cada uno una respectiva pluralidad de segundas aberturas (132, 88), siendo adecuadas la primera y segunda aberturas (84, 132, 88) para el flujo radialmente hacia afuera de aire de enfriamiento (80), y

en el que las segundas aberturas (132, 88) del segmento del rotor interior (77) y el segmento del rotor exterior (75) están en las mismas posiciones axiales que las primeras aberturas (84) de las bobinas (40),

en el que al menos cuatro de las segundas aberturas (132) del segmento del rotor interior (77) corresponden a las al menos cuatro segundas aberturas (88) del segmento del rotor exterior (75) en sus posiciones axial y circunferencial, y

en el que se proporcionan exactamente dos posiciones axiales para las aberturas primera y segunda (84, 132, 88).

2. La máquina electromagnética sin núcleo según la reivindicación 1, en la que la máquina electromagnética sin núcleo es un motor eléctrico sin núcleo.

3. La máquina electromagnética sin núcleo según la reivindicación 1 o 2, en la que cada uno de los segmentos del rotor interior y exterior incluye una pluralidad de imanes permanentes (78), preferentemente en la que la pluralidad de imanes permanentes son imanes sinterizados o imanes moldeados.

4. La máquina electromagnética sin núcleo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que cada una de la pluralidad de bobinas eléctricas incluye una pluralidad de capas de devanado medio (136) dispuestas radialmente hacia afuera desde la capa de devanado interior con respecto a la línea central, y una capa de devanado exterior dispuesta radialmente hacia fuera desde la pluralidad de capas de devanado medio con respecto a la línea central.

5. La máquina electromagnética sin núcleo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el estator incluye un material de unión (158) para asegurar la pluralidad de bobinas eléctricas juntas, preferentemente en el que el material de unión está moldeado a la pluralidad de bobinas eléctricas.

6. La máquina electromagnética sin núcleo según la reivindicación 2, que comprende, además:

un accionamiento de motor (24) dispuesto en una cavidad interior (122) axialmente alineada y definida por el segmento de rotor interior, en el que el segmento de rotor interior está dispuesto radialmente entre la cavidad interior y la cámara anular.

7. La máquina electromagnética sin núcleo según la reivindicación 6, en la que el accionamiento del motor incluye una placa de circuito (24) conectada eléctricamente a cada una de la pluralidad de bobinas eléctricas.

8. Un motor eléctrico sin núcleo (20) en el que el motor magnético sin núcleo es una máquina magnética sin núcleo según la reivindicación 3, en el que el motor magnético sin núcleo comprende además un accionamiento de motor (24) conectado eléctricamente a cada una de la pluralidad de bobinas eléctricas.

9. El motor eléctrico sin núcleo según la reivindicación 8, en el que el segmento de rotor interior define radialmente una cavidad interior (122) para el flujo de aire de enfriamiento.

10. El motor eléctrico sin núcleo según la reivindicación 9, en el que el accionamiento del motor está dispuesto en la cavidad interior y el segmento del rotor interior está dispuesto radialmente entre la cámara anular y la cavidad interior.

11. El motor eléctrico sin núcleo según la reivindicación 10, en el que la pluralidad de aberturas (84) del segmento de rotor interior (77) son adecuadas para el flujo radial de aire de enfriamiento desde la cavidad interior a la cámara anular.

12. El motor eléctrico sin núcleo según la reivindicación 11, en el que las primeras aberturas son adecuadas para el flujo de aire de enfriamiento radialmente hacia fuera dentro de la cámara anular.

13. El motor eléctrico sin núcleo según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 12, en el que el accionamiento del motor incluye una placa de circuito como componente estructural integrado del estator.