MXPA00003737A - Maquina de corriente alterna. - Google Patents

Abstract

Se arregla un generador de un motor de 3 fases para proporcionar una, excitacion magnetica permanente multipolar en combinacion con una distribucion de reluctancia multipolar donde numeros diferentes de polos se emplean para la excitacion magnetica permanente y para la distribucion de reluctancia de tal manera que el flujo de trabajo principal tenga la forma de una onda finita. Un rotor anular 11 gira alrededor de un estator en forma de cruz 10. Los imanes 16 estan enterrados en piezas de polo 14 del estator 10 de tal manera que converjan radialmente hacia adentro con una pieza de polo triangular 17 entre ellos. Cada pieza de polo 17 se encuentra unida sobre el resto del estator 10 por medio de una pieza de puente 18. La periferia interna del rotor se forma como un conjunto circunferencial de dientes 12 separados por rebajos 13. El rotor puede encontrarse dentro de un estator anular o bien la maquina puede ser lineal.

Description

MÁQUINA DE CORRIENTE ALTERNA Esta invención se refiere a máquinas de corriente alterna como, por ejemplo, motores y generadores. Un documento titulado "New permanent magnet excited synchronous machine with high efficiency at low speeds" de Weh. H; Hoffmann. H y Landreth. J, Technische Universitat Braunschweig, Alemania presentado en la International Conference on Electrical Machines (Conferencia Internacional sobre Máquinas Eléctricas) ; Pisa 1988 describe un arreglo de flujo transversal que ofrece valores de par de torsión específicos mucho más elevados que la configuración de flujo radial tradicional. Las máquinas de flujo transversal presentadas son excitadas por imanes permanentes montados en orden alternado en los elementos de hierro de guia de flujo del rotor. Los imanes y los elementos de guia de flujo se colocan en un arreglo circunferencial alrededor de la periferia de rotor, este arreglo circunferencial se coloca de tal manera que gire entre pares de devanados espaciados axialmente montados en el estator. Con el objeto de reducir la influencia del flujo disperso, el rotor debe elaborarse de material no magnético en la región de polo excepto en las partes activas del circuito magnético. La configuración de flujo transversal combina un sistema de imán permanente con un número de polo 2p (es decir, número de onda p) con un circuito de hierro que proporciona una distribución especial de reluctancia que tiene también un número de onda p. El flujo generado, siendo el producto de una fuerza magnetomotriz (mmf) y reluctancia tiene un componente de número de onda prominente 0 que se emplea en el flujo de trabajo para transferencia de energía. El arreglo de flujo transversal presentado tiene dos inconvenientes principales. Primero, el componente de flujo con número de ondas 0 presenta pulsaciones de tal manera que el par de torsión generado presenta también pulsaciones. Esto requiere de al menos dos elementos de máquina combinados en el eje de rotor si se requiere de un par de torsión neto constante lo que es el caso en la mayoría de las aplicaciones. Segundo, la construcción de imán permanente y elementos de reluctancia variable de la máquina es difícil puesto que el flujo sigue trayectorias que con inherentemente tridimensionales . En una forma conocida de máquina de corriente alterna que se conoce como máquina de reluctancia de vernier, se proporciona excitación a través de un devanado CA polifásico. Tanto el rotor como el estator tienen distribuciones altas de reluctancia de número de onda, existiendo una diferencia en número de onda igual al número de onda del devanado. Los documentos US-A-5, 386, 161 y US-A-5, 532, 531 presentadas respectivamente motores sin escobillas o bien de paso a paso de imanes permanentes de tres fases donde los imanes permanentes son parte del rotor. El motor sin escobilla presentado en el documento US-A-5.532.531 tiene un arreglo circunferencial de polos electromagnéticos espaciados por un intervalo uniforme y magnetizados de manera alternativa. Los imanes permanentes en el rotor son también magnetizados de manera alternativa y espaciados uniformemente a un intervalo que es diferente del intervalo del espaciado de los polos del estator. El documento DE-A-19643791 describe e ilustra un servomotor de dos fases basado en un motor sincrónico conmutado electrónicamente para una operación con par de torsión de salida relativamente alto, que comprende un rotor que puede girar dentro de un estator cilindrico con un espacio de aire anular entre ellos, el rotor tiene un conjunto circunferencial de dientes que se proyectan hacia el estator, y al menos un par de polos principales por fase de motor que lleva devanados de trabajo, los pares de polos principales llevan pares de polos de excitación de imanes permanentes montados en la cara del polo principal respectivo que hace frente al rotor y que tiene un intervalo de pares de polos que corresponde al intervalo de los dientes de rotor, los pares de polos de excitación están desplazados de manera idéntica con los polos principales de una fase de motor a la otra por tpH = m x tz + t : y tpH = m x tz + t:+n 2n 2n donde tpH = es el intervalo de polo principal tz = intervalo de dientes tp = intervalo de par de polos de excitación n = número de fase m = número entero El documento EP-A-0373967 presenta una máquina de corriente alterna que incluye dos miembros de material ferromagnético que forman límites opuestos de un espacio de aire, uno de los cuales puede desplazarse con relación al otro, uno de los miembros tiene un arreglo de devanado de armadura así como imanes permanentes montados ahí, los imanes están colocados lado a lado en una línea que sigue en límites respectivo del espacio de aire y se colocan para formar un cierto número de polos magnéticos que son alternativamente polo norte y polo sur, los demás miembros comprenden una porción de cuerpo y varias proyecciones espaciadas que se proyectan a partir de la porción de cuerpo hacia el miembro en una dirección que es transversal con relación al espacio de aire, donde cada imán es insertado en un ranura respectiva que se forma en la superficie del miembro que forma el límite respectivo y que se extiende en una dirección transversal con relación con dicho límite, de tal manera que la superficie de cada imán que hace frente al espacio de aire se encuentre al ras con la superficie que forma este límite. Un objeto de esta invención es ofrecer configuraciones novedosas de máquinas de corriente alterna que evitan los 5 inconvenientes principales antes mencionados del arreglo presentado de flujo transversal. Un objeto adicional de esta invención es evitar la necesidad de conmutación electrónica. Otro objeto adicional de esta invención es ofrecer una 10 máquina de corriente alterna que ofrece altos valores de par de torsión específicos. De conformidad con un aspecto de la presente invención se proporciona un generador de corriente alterna arreglado para proporcionar una excitación de imanes permanentes multipolar 15 en combinación con distribución de reluctancia multipolar donde diferentes números de polos se emplean para la excitación de imanes permanentes por un lado y para la distribución de reluctancia por otro lado de tal manera que el flujo principal de trabajo tenga un número de forma de 20 onda finito que es igual a la diferencia en el número de onda entre las distribuciones de mmf y permeancia. De conformidad con otro aspecto de esta invención, se proporciona un motor de corriente alterna que es arreglado para proporcionar una excitación de imanes permanentes 25 multipolar en combinación con distribución de reluctancia -MUÍ— üimaii ni inm.uuu.m ii i »? multipolar donde el motor tiene al menos tres fases y diferentes números de polos se emplean para la excitación de imanes permanentes por un lado y para la distribución de reluctancia por otro lado de tal manera que el flujo 5 principal de trabajo tenga un número de forma de onda finito que es igual a la diferencia en número de onda entre las distribuciones de mmf y permeancia. De conformidad con otro aspecto de la presente invención se proporciona una máquina de corriente alterna que se coloca 10 para proporcionar una excitación de imanes permanentes multipolar en combinación con distribución de reluctancia multipolar donde diferentes miembros de polos se emplean para la excitación de imanes permanentes por un lado y para la distribución de reluctancia por otro lado de tal manera que 15 el flujo de trabajo principal tenga un número de forma de onda finito que es igual a la diferencia en número de onda entre las distribuciones de mmf y permeancia, la máquina incluye un estator cilindrico y un rotor cilindrico hueco montado de manera sustancialmente coaxial con el estator 20 cilindrico para rotación alrededor del estator cilindrico con un espacio de aire anular entre ellos, el estator y el rotor se forman de material ferromagnético, el estator tiene un arreglo de devanado e imanes permanentes montados ahí, los imanes se colocan lado a lado en al menos una línea circular 25 que sigue el límite respectivo del espacio de aire y se :^^^M«^. colocan para formar un cierto número de polos magnéticos que son alternativamente polos norte y sur, el rotor se forma como un cuerpo cilindrico con una pluralidad de proyecciones espaciadas que se proyectan radialmente a partir del cuerpo hacia el estator, el número de proyecciones es diferente del numero de forma de onda magnética que se formaría por una línea circular de tales imanes polarizados alternativamente si estuvieran distribuidos uniformemente a lo largo de la totalidad del límite respectivo. De conformidad con otro aspecto de la invención se ofrece una máquina de corriente alterna colocada para proporcionar una excitación de imanes permanentes multipolar en combinación con distribución de reluctancia multipolar donde diferentes números de polos se emplean para la excitación de imanes permanentes por un lado y para la distribución de reluctancia por otro lado de tal manera que el flujo de trabajo principal tenga un número de forma de onda finito que es igual a la diferencia en número de ondas entre las distribuciones de mmf y permeancia, la máquina incluye dos miembros de material ferromagnético que forman límites opuestos de un espacio de aire y al menos uno de los cuales puede desplazarse linealmente con relación al otro, uno de los miembros tiene un arreglo de devanado e imanes permanentes montados ahí, los imanes se arreglan lado a lado en al menos una línea que sigue el límite respectivo del espacio de aire y se arreglan para formar un cierto número de polos magnéticos que son alternativamente polos norte y sur, el otro miembro comprende una porción de cuerpo y una pluralidad de proyecciones espaciales que se proyectan a partir de la porción de cuerpo hacia dicho miembro en una dirección que es transversal con relación al espacio de aire, el número de proyecciones es diferente del número de forma de onda magnética que se formaría mediante una línea de dichos imanes polarizados de manera alternada si estuvieran distribuidos a lo largo de la totalidad del límite respectivo. De preferencia, el generador de corriente alterno antes mencionado o motor de tres fases incluye dos miembros de material ferromagnético que forman límites opuestos de un espacio de aire y al menos uno de los cuales puede desplazarse con relación al otro, uno de los miembros tiene un arreglo de devanado e imanes permanentes montados en él, los imanes se colocan lado a lado en al menos una línea que sigue el límite respectivo del espacio de aire y se arreglan para formar un cierto número de polos magnéticos que son alternativamente polos norte y sur, el otro miembro comprende una porción de cuerpo y una pluralidad de proyección espaciada que se proyectan a partir de la porción de cuerpo hacia dicho miembro en una dirección que es transversal con relación al espacio de aire, el número de proyecciones es diferente del número de forma de onda magnética que se - ¿ axil formaría mediante una línea de dichos imanes polarizados de manera alternada si estuvieran distribuidos uniformemente a lo largo de la totalidad del límite respectivo. Los imanes pueden ser montados en la superficie de dicho miembro que hace frente a dicho otro miembro en dicho caso la relación preferida entre el espesor y el ancho de cada uno de los imanes permanentes se encuentra sustancialmente dentro del rango de 0.2 a 0.4. Alternativamente, los imanes pueden ser enterrados dentro de dicho miembro adyacente al espacio de aire. De conformidad con otro aspecto de la presente invención se proporciona una máquina de corriente alterna que se coloca para proporcionar una excitación de imanes permanentes multipolar en combinación con distribución de reluctancia multipolar y en donde diferentes números de polos se emplean para la excitación de imanes permanentes por un lado y para la distribución de reluctancia por otro lado de tal manera que el flujo de trabajo principal tenga un número de forma de onda finito que es igual a la diferencia en número de onda entre las distribuciones de mmf y permeancia, la máquina de corriente alterna incluye dos miembros de material ferromagnético que forman límites opuestos de un espacio de aire y al menos uno de los cuales puede desplazarse con relación al otro, uno de los miembros tiene un arreglo de devanado e imanes permanentes montados ahí, los imanes se arreglan lado a lado en al menos una línea que sigue el límite respectivo del espacio de aire y se arreglan para formar un cierto número de polos magnéticos que son alternativamente polos norte y sur, los demás miembros comprenden una porción de cuerpo y una pluralidad de proyecciones espaciadas que se proyectan a partir de la porción de cuerpo hacia dicho miembro en una dirección que es transversal con relación al espacio de aire, el número de proyecciones es diferente del número de forma de onda magnética que se formaría mediante una línea de dichos imanes polarizados de manera alternada si estuvieran distribuidos uniformemente a lo largo de la totalidad del límite respectivo, donde el área de la superficie de cada imán que proporciona el polo respectivo de los polos magnéticos es mayor que el área que este imán proyecta en el límite respectivo del espacio de aire de tal manera que la densidad de flujo en el espacio de aire asociado con este imán es mayor que lo que sería si la superficie del imán estuviera al ras con el límite respectivo. De preferencia, la superficie de al menos uno de los imanes que proporciona el polo respectivo de los polos magnéticos es plana y oblicua con relación al límite respectivo. De manera conveniente, los imanes son planos y presentan lados paralelos. Los imanes pueden ser enterrados dentro de dicho miembro adyacente al espacio de aire.

De conformidad con otro aspecto de esta invención se proporciona una máquina de corriente alterna que se arregla para proporcionar una excitación de imanes permanentes multipolar en combinación con una distribución de reluctancia multipolar donde diferentes números de polos se emplean para la excitación de imanes permanentes por un lado y para la distribución de reluctancia por otro lado de tal manera que el flujo de trabajo principal tenga un número de forma de onda finito que es igual a la diferencia en número de onda entre las distribuciones de mmf y permeancia, la máquina de corriente alterna incluye dos miembros de material ferromagnético que forman límites opuestos de un espacio de aire y a] menos uno de los cuales puede desplazarse con relación al otro, uno de los miembros tiene un arreglo de devanado e imanes permanentes montados en una superficie de un miembro de hace frente al otro miembro, los imanes se colocan lado a lado en al menos una línea que sigue el límite respectivo del espacio de aire y se colocan para formar un cierto número de polos magnéticos que son alternativamente polos norte y sur, el otro miembro comprende una porción de cuerpo y una pluralidad de proyecciones espaciadas que se proyectan a partir de la porción de cuerpo hacia dicho miembro en una dirección que es transversal con relación al espacio de aire, el número de proyecciones es diferente del número de forma de onda magnética que se formaría mediante una línea de dichos imanes polarizados de manera alternada si estuvieran distribuidos uniformemente a lo largo de la totalidad del límite respectivo, donde la relación entre espesor y ancho de los imanes permanentes se encuentra sustancialmente dentro del rango de 0.2 a 0.4. La mejor elección para un compromiso entre el deseo de un alto par de torsión específico y un alto factor de potencia es emplear una relación entre espesor y ancho para cada uno de los imanes permanentes de aproximadamente 0.2. Por otra parte, cuando el deseo de obtener un par de torsión específico alto es esencial, se podría preferir una relación entre espesor y ancho de cada imán permanente de 0.3. En cualquier aspecto de esta invención, el número preferido de proyecciones que se proyectan a partir de la porción de cuerpo es la mitad de dicho número de polos magnéticos más o menos la mitad del número de polos del arreglo de devanado. Cada arreglo de devanado puede comprender una porción de proyección respectiva de dicho miembro que se proyecta hacia dicho otro miembro y en donde se enrolla un devanado. Los imanes pueden ser arreglados en grupos con un espacio entre cada grupo que es montado en una porción de proyección respectiva de dicho miembro entre el devanado respectivo y dicho otro miembro. Cada una de las proyecciones puede ser ahusada a partir del cuerpo hacia el estator. En una modalidad en la cual los imanes están enterrados dentro de dicho miembro, los imanes pueden ser arreglados en pares, los imanes de cada par siendo de la misma polaridad, que es opuesta a la polaridad de los pares yuxtapuestos de imanes, y se arreglan de tal manera que conversan radialmente hacia adentro, uno en cada lado de una pieza de polo triangular respectiva de tal amanera que cada pieza de polo triangular tenga la polaridad magnética del par convergente de imanes entre los cuales se encuentra. En esta modalidad de la invención, cada pieza de polo triangular es unida al resto de dicho miembro a través de una porción de puente respectiva que pasa entre los extremos radialmente internos más cercanos de los imanes del par respectivo. La magnitud lateral de cada uno de los imanes montados en la superficie o el espaciado entre los extremos externos de cada par de imanes convergentes enterrados más el espesor de dos imanes de este par enterrado es de preferencia mayor que el ancho del extremo externo de cada proyección radial de dicho otro miembro. En una modalidad, los dos miembros de material ferromagnético pueden comprender un estator cilindrico y un rotor cilindrico, el rotor cilindrico es montado de manera sustancialmente coaxial con el estator cilindrico para rotación y con un espacio de aire entre ellos, el espacio de aire es anular, el arreglo de devanado y los imanes permanentes se montan en el estator, los imanes permanentes están espaciados circunferencialmente entre ellos alrededor del espacio de aire, el rotor comprende una porción de cuerpo cilindrico y dichas proyecciones se proyectan radialmente a partir de la porción de cuerpo cilindrico hacia el estator. De preferencia, el rotor tiene una construcción laminada. El estator puede ser un cilindro hueco con un rotor montado para rotación dentro de él. Alternativamente, el rotor puede ser un cilindro hueco montado para rotación alrededor del estator. En otra modalidad, los dos miembros pueden colocarse de tal manera que el movimiento de un primero de ellos con relación al segundo sea lineal. El miembro puede ser estacionario o bien puede ser soportado para movimiento lineal con relación a dicho otro miembro. Donde el movimiento relativo entre los dos miembros es lineal, los dos miembros pueden ser un primer miembro y un segundo miembro de al menos tres miembros de este tipo, dicho segundo miembro se para dicho primer mierJbro de un tercer miembro de material ferromagnético, dicho segundo miembro y dicho tercer forman limites opuestos de otro espacio de aire y al menos uno de dicho segundo miembro y dicho tercer miembro se desplaza linealmente con relación al otro de dicho segundo miembro y dicho tercer miembro, dicho tercer miembro tiene un arreglo de devanado e imanes permanentes montados en el, estos imanes se arreglan lado a lado en al menos una línea que sigue el limite del otro espacio de aire y se colocan para formar un cierto número de polos magnéticos que son alternativamente polos norte y sur, existiendo además una pluralidad de proyecciones espaciadas que se proyectan a partir de la porción de cuerpo de dicho segundo miembro hacia dicho tercer miembro en una dirección que es transversal con relación a dicho otro espacio de aire, el número de estas proyecciones adicionales es diferente del número de forma de onda magnética que se formaría por una línea de dichos imanes polarizados de manera alternada si estuvieran montados en dicho tercer miembro y distribuidos uniformemente a lo largo de la totalidad del limite de dicho otro espacio de aire. De manera conveniente, dicho primer miembro y dicho tercer miembro son imágenes de espejo entre ellos así como las filas de proyecciones formadas en cualquier lado de dicho segundo miembro. El otro miembro o segundo miembro puede estar soportado para movimiento lineal con relación a dicho miembro o bien dichos primer y tercer miembros. En otro arreglo, el arreglo de devanado y las polaridades de los imanes en dicho tercer miembro pueden hacer lo contrario de lo que se observa en dicho primer miembro de tal manera que las trayectorias resultantes de flujo magnético pasen a través de dicho segundo miembro entre dicho primer miembro y dicho tercer miembro. Una máquina de corriente alterna que incorpora esta invención puede ser un motor o bien puede ser un generador. Un procedimiento de pensamiento que un diseñador podría plantearse cuando diseña una máquina giratoria que incorpora esta invención se describe ahora a título de ejemplo con referencia a la figura 1 que ilustra la interacción de distribución de mmf y permeancia en una máquina giratoria de este tipo para proporcionar una distribución de flujo de trabajo. Un estator nocional que tiene una periferia circunferencialmente continua adyacente al rotor debe identificarse. Tendría un número de imanes polarizados de manera alternada espaciados de manera regular alrededor de esta periferia nocional circunferencialmente continua que define un número de onda magnética nocional (ver figura 1) . El rotor estaría equipado con varios dientes que se proyectan hacia el estator. El número de dientes podría ser cualquier número diferente del número de onda magnética. Un número de formas de onda de permeancia se establecería igual en número al número de dientes. Existiría una interacción entre las formas de onda de permeancia y las formas de onda magnéticas nocionales lo que crearía un número de ondas de flujo que podría ser igual en número a la diferencia entre las formas de ondas magnéticas nocionales y las formas de onda de permeancia , La forma preferida de arreglo devanado de armadura comprende bobinas de salida concentradas. Pueden existir una, dos, tres o más fases de salida y existiría al menos una bobina de salida concentrada para cada fase. Alternativamente, el arreglo de salida puede encontrarse en forma de un devanado distribuido. En la práctica, en el caso de una máquina que tiene dos bobinas por fase, el estator tiene también que tener un conjunto de este tipo de bobinas que deben de interactuar con las formas de onda de flujo y en donde se debe de inducir emf. El estator requeriría de tener un número de recortes, el número de recortes sería relacionado con el número de bobinas. La elección de material a remover del estator nocional depende del espacio requerido para alojar las bobinas y otros criterios de diseño. Los recortes pueden presentar una apariencia cerrada, semicerrada o abierta. Si los recortes son abiertos o semicerrados, la periferia del estator en la cual se montan los imanes debe ser interrumpida de tal manera que algunos de los imanes del estator nocional no puedan ajustarse. Existiría un número par de imanes en cada una de las porciones de proyección restantes del e'stator entre los recortes con el objeto de conservar el equilibrio magnético. El diseño sería tal que la distribución de flujo entre las porciones de proyección del estator que permanecen entre los recortes y en donde se montarían las bobinas y los imanes deben ser las mismas que abrían sido si el estator nocional de hubiera empleado de tal manera que no se vea afectado por los recortes. El efecto vernier oval no es afectado por la existencia de recortes abiertos o semicerrados. Sin embargo, con el objeto de incrementar ligeramente el emf inducido en las bobinas, es benéfico cambiar el ancho de las proyecciones de estator y el espacio entre los imanes ligeramente de tal manera que el espacio entre los imanes sea tal que el espaciado de los polos norte sea el mismo que el espaciado de los dientes. Por consiguiente la longitud de onda magnética es la misma que la longitud de onda de permeancia localmente en cuanto a cada proyección de estator aún cuando no lo es en cuanto a la máquina total. Esto se debe al hecho que, en cualquier instante dado, solamente los imanes en un par diametralmente opuesto de las porciones de estator de proyección están alineados con los dientes de rotor, los imanes en las otras porciones de estator de proyección están fuera de línea con los dientes. Una forma de generador giratorio, dos formas de motor giratorio y tres formas de máquina lineal en donde se incorpora la invención se describirán ahora a título de ejemplo con referencia a los dibujos anexos en los cuales: la figura 2 es un corte transversal fragmentario diagramático del generador giratorio ejemplar; la figura 3 es una sección transversal fragmentaria diagramática de uno de los motores giratorios ejemplares; la figura 4 es una sección transversal fragmentaria diagramática del otro motor giratorio ejemplar; la figura 5 es una representación diagramática de parte de una fila de imanes permanentes en un estator de una máquina de corriente alterna en donde se incorpora esta invención; la figura 6 es una vista similar a la figura 5 que muestra los dientes de rotor y distribución de flujo; la figura 7 es parte de la figura 6 que muestra una hendidura única entre dientes con omisión de los imanes; la figura 8A es parte de la figura 7 en un plano 2D original (z) y la figura 8B ilustra la superficie del estator de la figura 7 en un plano transformado (w) ; la figura 9 es una gráfica de esfuerzo cortante en el espacio de aire contra k, la relación entre el espesor de imán y el ancho; la figura 10 es un diagrama de circuito eléctrico de una carga inductiva de tres fases con un suministro balanceado; y las figuras 11 y 12 son gráficas de esfuerzo cortante y factor de potencia contra el espesor del imán para densidades de flujo diferentes en las raíces de los dientes; la figura 13 es una ilustración diagramática de una máquina lineal que tiene un espacio de aire; la figura 14 es una ilustración diagramática de una máquina lineal que tiene dos espacios de aire en paralelo; y la figura 15 es una ilustración diagramática de otra máquina lineal que tiene dos espacios de aire en paralelo. La figura 2 muestra aproximadamente la mitad de un generador que comprende un estator cilindrico 10 y un rotor cilindrico hueco 11 que es montado de manera coaxial alrededor del estator 10 con un espacio de aire entre ellos y que es empotrado para rotación alrededor del estator 10. El estator 10 presenta simetría alrededor de su diámetro que está cerca de la línea recortada ilustrada en la figura 2 de tal manera que la forma del estator entero 10 sea aparente. De la misma manera, la parte del rotor 11 ilustrada en la figura 2 es típica de su totalidad. Cada una del estator 10 y el rotor 11 tiene una construcción de hierro laminado, acero eléctrico de baja pérdida es un material adecuado. La periferia radialmente interna del rotor 11 se forma como un conjunto circunferencial de 42 proyecciones o dientes 12 dirigidas radialmente hacia adentro. Los dientes 12 están espaciados de manera uniforme entre ellos por porciones onduladas 13 de la periferia del rotor 11. El estator 10 tiene generalmente una sección transversal en forma de cruz, comprendiendo una porción central generalmente cuadrada con cuatro piezas de polo 14 similares que se proyectan radialmente hacia fuera 14 que presentan un espaciado regular con relación a las piezas de polo yuxtapuestas 14. Las piezas de polo 14 son ejemplos de las porciones de proyección del estator espaciadas entre ellas por recortes abiertos de conformidad con lo comentado antes. La figura 2 muestra que existen aproximadamente tres o cuatro porciones onduladas 13 entre cada par yuxtapuesto de piezas de polo 14. Cada pieza de polo 14 tiene un devanado de bobina de estator 15 enrollado en el adyacente a la porción central. Los devanados de bobina de estator 15 están conectados en pares en serie y arreglados para proporcionar una salida de dos fases. Esta construcción de cuatro bobinas se parece de manera estrecha al devanado de campo de un alternador convencional y puede ser construida mediante el uso de una forma conocida de máquina de devanado diseñada para la construcción de los devanados de campo de cuatro polos. Catorce pares de imanes permanentes 16 de tierras raras de alta resistencia están enterrados en el material que forma la periferia externa de cada pieza de polo 14 de tal manera que estén colocados en un conjunto uniformemente espaciado a lo largo de la periferia. Los imanes 16 están formados de neodimio-hierro-boro (Nd-Fe-B) en forma sinterizada. Cada imán 16 es plano y tiene caras y bordes laterales planos. Los imanes 16 de cada par presentan la misma polaridad que es opuesta a La polaridad de cada par yuxtapuesto de los imanes 16. Así mismo, los imanes 16 de cada par convergen radialmente hacia adentro, uno en cada lado de una porción de pieza de polo triangular respectiva 17 de tal manera que cada porción de pieza de polo triangular 17 tenga la polaridad magnética del par convergente de imanes 16 entre los cuales se encuentra y sirva como polo magnético. Por consiguiente cada imán 16 es oblicuo con relación a la periferia externa de la pieza de polo respectiva 14. Así mismo, el área de la superficie de cada imán 16 que proporciona el polo respectivo de este imán 16 es mayor que el área que proyecta este imán en la periferia externa de la pieza de polo respectiva 14 de tal manera que la densidad de flujo en cada porción de pieza de polo triangular 17 y en el espacio de aire 19 sea mayor que habría sido si los imanes 16 estuvieran montados en la superficie de la pieza de polo respectiva 14. Cada porción de pieza de polo triangular 17 se encuentra unida al resto del estator 10 a través de una porción de puente respectiva 18 que pasa entre los extremos internos radialmente más cercanos de los imanes 16 del par respectivo. El espacio entre los extremos radialmente externos de los imanes 16 de cada par convergente más el espesor de estos dos imanes 16 es mayor que el ancho de cada uno de los dientes 12. El número de polos magnéticos es diferente del número de puntos distribución de permeancia que se forman a través del espacio de aire 19 entre un diente 12 y una pieza de polo de estator 14 con la cual se encuentra alineado. Como antes comentado, el número y espaciado de los dientes 12 y de los pares de imanes 16 en las piezas de polo 14 son tales que se observa una interacción de tipo vernier entre ellos conforme gira el rotor 11 alrededor del estator. Cada vez más la densidad de flujo en el espacio de aire 19 se incrementa el esfuerzo cortante inducido por la rotación relativa entre el rotor 11 y el estator 10 lo que incrementa el par de torsión especifico de la máquina. La figura 3 muestra un botón que comprende un estator cilindrico hueco 20 y un rotor cilindrico 21 que es montado de manera sustancialmente coaxial dentro del estator 20 con un espacio de aire 29 entre ellos y que es empotrado para rotación con relación al estator 20. Cada uno del estator 20 y del rotor 21 tiene una construcción de hierro laminado. La periferia radialmente externa del rotor 21 se forma de 34 proyecciones o dientes 22 dirigidas radialmente hacia el exterior. Los dientes están espaciados uniformemente entre ellos por porciones onduladas 23 de la periferia del rotor 21. El estator cilindrico 20 comprende una porción externa anular con 6 piezas de polo 24 que se proyectan radialmente hacia adentro", similares que son cada una de distancia regular de las piezas de polo yuxtapuestas 24. Otra vez, las piezas de polo 24 son ejemplos de las porciones de proyecciones comentadas arriba y están espaciadas entre ellas por recortes se icerrados . Aproximadamente una porción ondulada 23 se muestra entre cada par yuxtapuesto de piezas de polo 24. Cada pieza de polo 24 tiene un devanado de bobina de estator 25 enrollado en la porción externa anular de estator 20 adyacente. Estos seis devanados de estator 25 forman un devanado CA de tres fases, de dos polos. Diez pares de imanes 26 de tierras raras de alta resistencia están enterrados en el material que forma al periferia interna de cada pieza de polo 24 de manera similar a los pares de imanes 16 que están enterrados en las piezas de polo 14 del generador descrito arriba e ilustrado en la figura 2. Los pares de imanes 26 están montados de tal manera que tengan una polaridad alterna. El intervalo medio entre polos de los pares de imanes 26 corresponde a un número de onda de 33. El espaciado entre los extremos radialmente externos de los imanes 26 de cada par convergente de imanes 26 más el espesor de los dos imanes 26 es mayor que el ancho de cada uno de los dientes 22. La figura 3 muestra que los polos magnéticos triangulares formados por las porciones 27 de pieza de polo triangulares entre los imanes 26 de cada par en las dos piezas de polo diametralmente opuestas 24 que se encuentran a medio caminos entre la parte superior y la parte inferior del estator 20 como se puede observar en la figura 3 se encuentran sustancialmente en línea con los dientes 22 del rotor 21 mientras que los pares de imanes 26 en las demás cuatro piezas de polo 24 no están alineadas de esta forma con los dientes del rotor 21. Esto ilustra cómo el efecto vernier se logra aun cuando el espaciado de imán de los polos norte en cada pieza de polo 24 es igual al espaciado de los dientes 22 en el rotor 21. Se entenderá que se trata de una condición pasajera que será repetida para cada una de las demás piezas de polo 24 conforme gira el rotor 21. El flujo resultante tiene un componente principal con un número de onda igual a la diferencia entre las distribuciones de mmf y reluctancia, es decir 34 a 33, lo que significa que se trata de una onda bipolar. La onda bipolar tiene una velocidad de rotación treinta y cuatro veces mayor que la velocidad del rotor e induce emf en el devanado de estator trifásico bipolar con una frecuencia treinta y cuatro veces mayor que la frecuencia de rotación del rotor aun cuando la amplitud de flujo es muy pequeña, su velocidad de cambio en el devanado es muy elevada para una velocidad de rotor dada de tal manera que se puedan inducir grandes emfs con pocas vueltas. El campo giratorio resultante permite la operación del motor en tres fases sin conmutación eléctrica. Esto sería el caso si el motor tuviera más que tres fases. La figura 4 muestra un motor que difiere del motor descrito arriba con referencia a la figura 3 solamente debido al arreglo de los imanes permanentes que se encuentran montados en las seis piezas de polo 24. El rotor 21 es el mismo que el rotor 21 del motor ilustrado en la figura3. Así mismo la estructura del estator 20 con sus seis piezas de polo 24 es básicamente la misma que la estructura del estator 20 del motor ilustrado en la figura 3. En vez de existir 10 pares de imanes 26 enterrados en cada una de las piezas de polo 24, como se ha descrito arriba con referencia a la figura 3 se montan 10 imanes 26A de tierra rara de alta resistencia en la superficie radialmente interna de cada pieza de polo 24. Los imanes 26A están montados de tal manera que se extiendan circunferencialmente de extremo a extremo y tengan una polaridad alternada. El intervalo medio entre polos de los imanes 26A corresponde a un número de onda de 33. La magnitud circunferencial de cada uno de los imanes 26A es mayor que el ancho de cada uno de los dientes 22. La figura 4 muestra que los imanes 26A en las dos piezas de polo diametralmente opuestas 24 se encuentran a medio camino entre la parte superior y la parte inferior del estator 20 como se observa en la figura 4 son sustancialmente en línea con los dientes del rotor 21 mientras que los imanes 26A en las demás cuatro piezas de polo 24 no están lineadas de esta forma con los dientes del rotor 21. Otra vez esto ilustra cómo el efecto vernier se logra aún cuando el espaciado de los polos norte de los imanes 26A en cada pieza de polo 24 es igual que el espaciado de los dientes 22 en el rotor 21. Como fue el caso del motor descrito arriba con referencia a la figura 3, el flujo resultante tiene un componente principal con un número de onda igual a la diferencia entre las distribuciones de mmf y reluctancia, es decir treinta y cuatro a treinta y tres, de tal manera que es una onda trifásica bipolar que tiene una velocidad de rotación treinta y cuatro -veces mayor que la velocidad del rotor e induce emf en el devanado de estator trifásico bipolar con una frecuencia treinta y cuatro veces mayor que la frecuencia de rotación del rotor. La densidad de flujo del espacio de aire 29 provocada por los imanes 10A es menor que la densidad provocada por los imanes enterrados 26 con la consecuencia que el par de torsión específico y factor de potencia específico del motor ilustrado en la figura 4 son menores que en el caso del motor ilustrado en la figura 3. Por otra parte, los imanes montados superficialmente 26A son más fácilmente reemplazados. El conjunto de imanes permanentes 26A crea mmf a través del espacio de aire 29. Puesto que los imanes 26A están llevados en el estator 20, entonces la distribución de mmf es estacionaria y descrita por Los dientes 22 y las hendiduras que intervienen 23 en el rotor 21 modulan la permeancia de espacio de aire entre los límites superior e inferior. Es el movimiento relativo entre las distribuciones de mmf y permeancia que provocan la variación de flujo deseada. Si las funciones de rotor y estator, es decir, si los imanes estuvieran llevados por el rotor y los dientes y hendiduras estuvieran formadas en el estator, el principio de la operación no presentaría alteraciones. Conforme gira el rotor 21, el patrón de permeancia gira con él. La permeancia se define en este contexto como proporcional a la inversa del espacio de aire efectivo, asumiendo que el flujo es puramente radial P=P0+Psin(P2?-?t) (pf1) (2) el flujo de espacio de aire es B = µ0F/g =FP B = FP0sin(p??)+FPcos{ (p?~p2) ?+?t) -FPsin{ (p?+p2) ?-?t} (3) 2 2 El segundo término de la ecuación (3) describe un componente de flujo de longitud de onda larga alternante; es el flujo de trabajo principal de la máquina. El devanado de estator 25 enlaza este componente y produce emf. El tercer término describe un componente de longitud de onda corta, es mucho más difícil de explotar y se considera como un flujo de ondas pequeñas y constituye un problema. Números de onda pi y p2 son bastante grandes y difieren ligeramente lo que provoca un notable efecto de multiplicación. Es habitual discriminar entre máquinas eléctrica que desarrollar un par de torsión a través de la fuerza de Lorentz (Bil) y las máquinas que desarrollan un par de torsión por medio de variación de reluctancia (dL/d?) . Una máquina eléctrica en donde esta invención se incorpora claramente se encuentra dentro de la segunda categoría, pero una inspección de la producción de fuerza de torsión por medio de Ja fuerza de Lorentz es posible para una máquina de este tipo y da bastante información. Imanes permanentes con características de desmagnetización lineal en el segundo cuadrante de la gráfica BH son modelados convenientemente con una fuente de mmf con una reluctancia en serie (lo que se conoce como modelo de batería magnética) . El valor de la reluctancia en serie es muy cercano al valor del espacio ocupado por el imán. La mmf es muy cercano al valor dado por el producto de la coercividad por el espesor h, del imán. Si la permeabilidad de retroceso fuese 1, entonces la correspondencia sería exacta; imanes de tierras raras modernos tienen una permeabilidad de retroceso de 1.05 a 1.1. Entonces de trata de una buena aproximación para representar una imán de tierras raras simplemente como una región de espacio encerrada por una hoja de corriente con una densidad de corriente lineal igual a la coercividad. Un conjunto de imanes montados en una superficie de hierro puede por consiguiente ser representado a través de un conjunto de corrientes como se muestra en la figura 5, y la carga eléctrica de densidad lineal de corriente es del orden de K = Hch/w (4) Este valor puede ser aplicado para determinar un par de torsión exactamente de la misma manera que lo que se hace para la armadura de una máquina empleando la fuerza de Lorentz. La fuerza desarrollada en la dirección tangencial en un conductor único, de longitud 1, que lleva un corriente i, y en presencia de una densidad de flujo radial aplicado externamente B es F = Bli (5) si un conjunto de tales conductores es instalado con un intervalo w, producen conjuntamente una densidad de corriente lineal o carga eléctrica de K = i/w (6) y las fuerzas que actúan sobre los conductores tienden a separar los imanes de la superficie de hierro y a crear un esfuerzo cortante de s = BK (7) si el conjunto de conductores forma un cilindro, entonces la fuerza total es el producto del esfuerzo cortante y el área superficial del cilindro y el par de torsión es el producto de la fuerza por el radio T = BK.2pl.r es decir T aBK. volumen (8) y podemos ver que el par de torsión específico (par de torsión por volumen) es simplemente el esfuerzo cortante en el espacio de aire 29.

El par de torsión específico es limitado por los límites prácticos impuestos separadamente a B y K por las propiedades del material como por ejemplo las consideraciones de saturación y diseño con relación a la elevación de la temperatura de los conductores. La carga eléctrica equivalente de un conjunto de imanes no se limita de manera tan estrecha a la carga de un devanado eléctrico. Por ejemplo, un gran motor con hendiduras de 50mm de profundidad o más y con ventilación forzada intensiva podría alcanzar una carga eléctrica de 80 a 980 kA/m. Un conjunto de imanes de tierra cerradas, con Hc=900 kA/m, 5mm de espesor y 15mm de ancho proporciona el equivalente K=300kA/m (sin pérdida de potencia) . El siguiente análisis ignora necesariamente varias características como por ejemplo la posibilidad de que el ancho de hendidura sea diferente del ancho de diente y considera que las hendiduras tienen una profundidad infinita.

Análisis de elementos finitos puede incluir tales detalles y proporciona detalles mucho más ricos de la distribución de campo. Sin embargo, en la etapa actual en donde buscamos un nivel óptimo en cuanto a un espacio de varios parámetros, el análisis de un modelo simplificado es más útil. Evidentemente la fuerza generada en un lado de un imán cancelará la fuerza generada en el otro lado a menos que la densidad de flujo sea diferente. Idealmente, la necesidad de flujo aplicado externamente en los dos lados del imán debería ser de polaridad opuesta y tan alto como lo permita la saturación . Hendiduras y dientes logran parcialmente la inducción ideal de densidad de flujo a través del ancho del imán como se puede observar a partir de la figura 6. La fuerza máxima generada por cada imán 26A se logra cuando los bordes izquierdo y derecho del imán 26A coinciden con los ejes de la hendidura 23 y diente 22 en dicho caso F = (Bdiente-Bhendi ura ) lHch ( 9 ) y el esfuerzo cortante promedio considerado en la totalidad del área del imán es O = (Bdiente-Bhendidura ) Hch/Wm ( 10 ) O = HcBd?enteX d ~Bhendidura/Bdiente ) h_ ( 11 ) m la densidad de flujo Bdiente entre un diente 22 y la superficie del estator es limitada por la saturación del circuito magnético (principalmente en la región de raíz de diente) y se encuentra alrededor de 1.5 a 2.0T condición que una excitación adecuada esté disponible. El valor de Ddiente/Bhendidura (donde Bhendidura es la densidad de flujo entre una hendidura 23 y la superficie de estator) es función de las siguientes relaciones geométricas sin dimensiones: 1. ancho de hendidura /intervalo de hendidura 2a/t 2. profundidad de hendidura /intervalo de hendidura ds/t 3. espacio de aire total /intervalo de hendidura g/t La región de espacio de aire con hendiduras se describe para propósitos analíticos como la región ilustrada en la figura 7 que es un polígono de seis lados, dos lados de los cuales son límites de línea de flujo y cuatro son límites infinitamente permeables. Este modelo subestimaría la proporción Bhendidura/Bdiente puesto que se ignora el ancho finito del diente 22. En error es bastante pequeño excepto cuando están involucrados valores extremos de la relación entre espacio total y ancho de diente y dichos casos no tienen gran importancia práctica. Sin embargo, se observará que el análisis proporciona una indicación ligeramente optimista del esfuerzo cortante que se genera. Este modelo no puede aplicarse para un análisis directo, sin embargo, se obtiene una solución aproximada útil de manera relativamente fácil a partir del modelo certificado ilustrado en la figura 8A empleando una transformación conformal. Esto provoca una subestimación ligera de la relación Bhendidura/Bdiente puesto que se ignora también hora la profundidad finita de la hendidura. El valor de Bhenidura/Bdier,te en el nuevo modelo es solamente una función de la relación entre espacio de aire total y ancho de hendidura. Los límites del modelo simplificado graficado en el plano conplejo z=x+jy con relación al eje real del plano complejo w=??+jv y la región de los mapas de hendidura y espacio de aire a la mitad superior (positiva imaginaria) del plano w, son de conformidad con lo ilustrado en la figura 8B . La transformación se proporciona mediante La ecuación de Schwarz-Christoffel dw w2-l donde a2=l+g2 y S es un factor de escala a2 El punto F en el plano z es graficado en el origen del plano w. Los puntos A y E en las extensiones infinitas del eje real del mapa de plano z son cartografiados como los puntos -1 y +1 en el eje real del plano w. El punto C en el extremo infinito del eje imaginario del mapa del plano z y se representan gráficamente en los dos extremos del eje real del plano w. Los puntos B y D representan las esquinas de dientes en el mapa de plano z y se representan gráficamente en los puntos en -a y +a en el eje real del plano w. Todos los límites se modelan como infinitamente permeables. Las regiones de diente de rotor se mantienen a un potencial elevado con relación a la superficie lisa de estator. En el plano w esto es representado mediante el ajuste del potencial, ? a cero excepto entre -1 y +1 donde es igual potencial aplicado entre el rotor con hendiduras y el estator liso en el plano z, arbitrariamente tomado como 1. Esto corresponde a una corriente +1A normal con relación al plano w en u=-l y -ÍA en u=+l. El campo potencial de vector resultante en el plano w es proporcionado mediante A=l_ln(w-l)-l_ln(w+l) (13) 2p 2p y la densidad de flujo es B = dA = dA dw = 1 1 (w2-l) = 1 (14) dz dw dz a(w2-l) S Vw2-a2 Saw2-a2 La relación entre la densidad de flujo de estator y la línea de centros de hendiduras y debajo del diente 22 es por consiguiente Bhendidura = a = g ( 15 ) Bdiente Ct g2+d2 sustituyendo en (11) s = ( 16 ) La operación es limitada por la saturación del circuito magnético. La zona de circuito se encuentra en las raíces de los dientes de rotor 22. La mayoría del flujo que atraviesa el espacio 29 alcanza la parte de hierro posterior de rotor a través del rotor de diente. Una buena aproximación al valor limitante de Bdiene es - Bdiente = Bdiente XBraiz ( 17 ) Bdiente '"Bhendidura a partir de ( 15) = Braí2 ( 18 ) l+g/Vg2+a2 sustituyendo en (16) sHcBraízh_ Vq2+a2-q (19) wm Vg2+a2+g La hendidura 23 y el diente 22 deben ser de un ancho similar que corresponde aproximadamente al ancho de los imanes 26A. Así mismo,, el espesor máximo del imán 26A que puede ser alojado es g y de esta forma la tensión máxima que puede ser posiblemente desarrollada con base en una geometría dada se proporciona a través de la fórmula s=HcBraÍ2k V4k+l-2k (20) V4k2+l+2k donde k es la relación entre espesor de imán y ancho. La figura 9 muestra el valor máximo de la tensión que es de aproximadamente 0.095HcBra£z, y se obtiene para k=0.3. la curva de d versus k indica que existe un máximo amplio de d>0.9HcBralz. Para 0.2<k<-0.4. La densidad de flujo en la raíz de diente es limitada por la saturación a aproximadamente 2T y la coercividad de los imanes Nd-Fe-B es de aproximadamente 900kA/m de tal manera que la tensión máxima disponible sea de aproximadamente 170íN/m2. El esfuerzo cortante adicionalmente empleando dientes ahusados de tal manera que el ancho sea mayor en la raíz permitiendo el suministro de más flujo al espacio de aire antes del inicio de la saturación. Sin embargo, esto afecta negativamente el factor de potencia.

El factor de potencia s limitado lo que es una causa de preocupación. En el caso de aplicaciones de motor, el factor de potencia limitado implica especificaciones de suministro de potencia muchas veces mayores que la potencia nominal a suministrar.

En aplicaciones de generador, el factor de potencia limitado se refleja en la aparición de una alta reactancia en serie con el emf fijo generado por la excitación de imanes permanentes. La regulación de voltaje resultante se vuelve inaceptable en cargas mucho menores que lo que la máquina suministraría de otra forma, y se requiere de cierta forma de excitación adicional a través de los devanados de estator suministrada ya sea por capacitores o bien electrónicamente.

Se requieren de elecciones de diseño para mejorar el efecto del factor de potencia limitado. Consideremos otra vez la situación de la presente invención en donde los limites entre imanes adyacentes 26A se encuentran en las líneas de centro de dientes 22 y hendiduras 23. No existe ningún flujo neto debido a los imanes 26A y de esta forma la bobina 25 tiene un enlace de flujo 0 a partir de los imanes 26A y el emf se encuentra en su nivel pico. La corriente de bobina es máxima en este instante y así en el circuito de equivalente eléctrico, la corriente se encuentra en fase con el emf. El voltaje terminal es la suma del emf de circuito abierto creado por flujo de imán y el voltaje asociado con la reactancia asincrona. Si la frecuencia eléctrica es ?, la velocidad relativa del rotor 21 pasando el estator 20 es V = 2wm?/2p (21) y la potencia desarrollada en cada metro cuadrado de superficie de rotor que interactúa con una superficie de estator adyacente se obtiene a partir del esfuerzo cortante. Sin embargo, el esfuerzo cortante derivado arriba es un valor máximo que pertenece a la presente invención cuando los bordes de los imanes 26A coinciden con las líneas de centro de los dientes 22 y hendiduras 23. El esfuerzo cortante promedio tomado en un ciclo completo es la mitad de este valor si la corriente de bobina es sincronizada con el movimiento del imán. P = Vs/2 (22) Una inversión repetida del campo magnético en el espacio de aire 29 requiere de la entrega de energía a partir del suministro, almacenada en el campo de espacio de aire y de vuelta al suministro. Este proceso es manifiesto conforme la energía reactiva extraída del suministro por los devanados de estator 25, la magnitud de la potencia reactiva se relaciona a la cantidad de energía involucrada y a la velocidad de suministro y devolución (es decir, frecuencia) . Consideremos, por ejemplo, una carga inductiva trifásica conectada a un suministro balanceado (ver figura 10) . La potencia reactiva extraída es y la energia almacenada magnéticamente dentro de la carga es E+3 Li* (24) 2 2 A partir de los cuales resulta que Q = 2?E (25) Este resultado es independiente del número de fases, bobinas, vueltas, etc. En alguna forma de máquina eléctrica que incorpora esta invención que tiene un metro cuadrado de superficie de interacción, la energía magnética almacenada tiene un valor máximo de aproximadamente 1 B diente+B hendidura ( 2 6 ) 2µ0 2 Evidentemente, conforme la corriente en las bobinas de estator alterna, el campo magnético en la región adyacente del espacio de aire alterna de la misma manera y la energía presenta pulsaciones. Si se emplea un devanado polifásico equilibrado, entonces la energía total almacenada dentro de la máquina, por metro cuadrado de superficie de interacción, es la mitad del valor anterior y la potencia reactiva correspondiente extraída del suministro es Q = QEmax = ?g 1 B diente+B hendidura ( 27 ) 2µ0 2 Combinando las ecuaciones 11, 212 y 22, y tomando la situación más favorable de h=g donde el imán llena totalmente el espacio P = ©_ HcBdienteg l ~Bhendidura ( 28 ) 2p Bdiente La relación de potencia reactiva a potencia real se encuentra a partir de las ecuaciones 15, 17, 27 y 28 Q = pBraíz (1+8K2) (29) P 2µ0hc Donde otra vez k es la relación entre espesor de imán y ancho . El factor de potencia es pf = 1 (30) Tomando Braiz como 1.8T y Hc como 900ka/m, el factor de potencia máximo posible es 0.37. sin embargo, este valor es valido para k=0 que corresponde a un esfuerzo cortante 0 y potencia 0. Una situación más practica se ilustra en la figura 11 que presenta una gráfica de factor de potencia y esfuerzo cortante en función de k y que también toma en cuenta una holgura mecánica de un mm entre el rotor y el estator. La figura 12 es similar pero para Braíz=1.0T. La elección de densidad de flujo es un compromiso entre el deseo de un par de torsión especifico alto y un factor de potencia alto. Se puede observar que la mejor elección de proporciones de imán es el empleo de un espesor de aproximadamente 1/5 del ancho independientemente de la densidad de flujo. Mediante el uso de números de onda diferentes para distribuciones de mmf y permeancia en motores o generadores en los cuales se incorpora esta invención, el flujo principal empleado para inducir el emf de armadura tiene un número de onda bajo pero finito. Las trayectorias de flujo son por consiguiente bidimensionales de tal manera que se puede emplear laminaciones convencionales y un devanado polifásico puede empLearse para que la máquina produzca un par de torsión suave dentro de un elemento de máquina único. El estator de un motor o un generador en donde se incorpora esta invención tiene un devanado polifásico de armadura con un número de polos 2Pa y un conjunto de imanes colocados para formar una distribución de mmf con un número de polos 2Pm.

Existen y sea (Pa+Pm) o bien (Pa-Pm) dientes en el rotor. El número real de dientes proporcionados se seleccionará tomando en cuenta La velocidad diseñada de rotor, la mayor velocidad de rotor se obtendrá con el menor número de dientes requeridos. Sin embargo debe existir un mínimo de dos. Máquinas en las cuales se incorpora esta invención pueden ser lineales. Las figuras 13, 14 y 15 ilustran ejemplos de modalidades de máquinas lineales de esta invención. Los principios generales de diseño descritos arriba para las modalidades giratorias de esta invención se aplican básicamente de la misma manera en cada una de las modalidades lineales de tal manera que números diferentes de polos se emplean para la excitación de imanes permanentes por un lado y para la distribución de reluctancia por otra parte. La figura 13 muestra una máquina lineal de lado único. Tiene dos miembros generalmente rectangulares, alargados, relativamente móviles 30 y 31 que son de una construcción de hierro laminado. El miembro 30 tiene su lado que hace frente al miembro 31 formado con un número impar de recortes rectangulares similares 32 que dejan un número par de proyecciones 34 generalmente rectangulares similares. Cada una de estas proyecciones 34 tiene un devanado de armadura 35 enrollado en él de tal manera que sirva como pieza de polo. Tiene también una fila 36 de imanes permanentes de tierras raras de alta resistencia. La fila 36 de imanes puede ser una fila de pares de tales imanes enterrados en el material que forma su borde que hace frente al miembro 31. Los pares de imanes de cada fila 36 estarían enterrados de una manera similar a los pares de imanes 16 enterrados en las piezas de polo 14 del generador descrito arriba e ilustrado en la figura 2, existiendo porciones de pieza de polo triangulares entre los imanes de cada par. Los pares de imanes de cada fila obtendrían una polaridad alternada. Alternativamente, la fila 36 de imanes puede ser un número apropiado de imanes permanentes de tierras raras de alta resistencia, iguales en número al número de pares proporcionados y polarizados de manera alternada que se montarían en la superficie de la pieza de polo que hace frente al miembro 31 de manera similar al arreglo descrito arriba con referencia a la figura 4 e ilustrado en dicha figura 4. El miembro 31 tiene una fila de dientes uniformemente espaciados 37 a lo largo de su borde que hace frente al miembro 30. El número de polos magnéticos proporcionados por las filas 36 de imanes es diferente del número de puntos de distribución de permeancia proporcionados por los dientes 37. Los miembros 30 y 31 son versiones efectivamente lineales del estator 20 y el rotor 21 ilustrados en la figura 3 o en la figura 4. El espaciado de las proyecciones 34 es sustancialmente igual al espaciado de las piezas de polo 24 y el espaciado de los dientes 37 es substancialmente igual al espaciado de los dientes 23. La máquina ilustrada en la figura 14 es básicamente dos de las máquinas descritas arriba con referencia a la figura 13 e ilustradas en la figura 13 montadas espalda a espalda, el miembro central 38 es un miembro único de construcción de hierro laminado con filas de dientes a lo largo de cada borde y es efectivamente dos de los miembros 31 montados espalda a espalda. Este arreglo ofrece la posibilidad de montar los dos miembros 30 en estructura común pero espaciados por el miembro único 38 de tal manera que se cancelen las fuerzas de atracción. La máquina ilustrada en la figura 15 es similar a la máquina ilustrada en la figura 14 pero con las polaridades de los imanes permanentes de las filas 36 y de las bobinas 35 en uno de los miembros 30 invertidas. Como resultado, las trayectorias magnéticas pasan directamente a través del miembro 38 de tal manera que puede elaborarse de manera mucho más delgada lo que ahorra material y reduce el peso.

Claims (1)

1. REIVINDICACIONES l.Un generador de corriente alterna que se arregla para proporcionar una excitación de imanes permanentes multipolar en combinación con una distribución de reluctancia multipolar donde miembros diferentes de polo se emplean para la excitación de imanes permanentes por un lado y para la distribución de reluctancia por otro lado de tal manera que el flujo principal de trabajo tiene un número de forma de onda finito que es igual a la diferencia en número de onda entre las distribuciones de mmf y permeancia. . Un motor de corriente alterna arreglado para proporcionar una excitación de imanes permanentes multipolar en combinación con una distribución de reluctancia multipolar donde el motor tiene al menos tres fases y diferentes números de polos se emplean para la excitación de imanes permanentes por un lado y para la distribución de reluctancia por otro lado de tal manera que el flujo principal de trabajo tiene un número de onda finito que es igual a la diferencia en número de onda entre las distribuciones de mmf y permeancia. . Una máquina de corriente alterna de conformidad con la reivindicación 1 o bien de conformidad con la reivindicación 2, que incluye dos miembros de material ferromagnético que forman limites opuestos de un espacio de aire y al menos uno de los cuales puede desplazarse con relación al otro, uno de los miembros tiene un arreglo de devanado e imanes permanentes montados en él, los imanes se colocan lado a lado en al menos una línea que sigue el límite respectivo del espacio de aire y se colocan para formar un cierto número de polos magnéticos que son alternativamente polos norte y sur, el otro miembro comprende una porción de cuerpo y una pluralidad de proyecciones espaciadas que se proyectan a partir de la porción de cuerpo hacia dicho miembro en una dirección que es transversal con relación al espacio de aire, el número de proyecciones es diferente del número de forma de onda magnética que se formaría a través de una línea de dichos imanes polarizados de manera alternada si estuvieran distribuidos uniformemente a lo largo de la totalidad del límite respectivo. Una máquina de corriente alterna de conformidad con la reivindicación 3, donde los imanes están formados sobre la superficie de dicho miembro que hace frente a dicho otro miembro. Una máquina de corriente alterna de conformidad con la reivindicación 4, donde la relación entre el espesor y el ancho de cada uno de los imanes permanentes se encuentra sustancialmente dentro del rango de 0.2 a 0.4. na máquina de corriente alterna de conformidad con la reivindicación 4, donde los imanes están enterrados dentro de dicho miembro adyacente al espacio de aire. Una máquina de corriente alterna arreglada para proporcionar una excitación de imanes permanentes multipolar en combinación con una distribución de reluctancia multipolar donde diferentes números de polos se emplean para la excitación de imanes permanente por un lado y para la distribución de reluctancia por otro lado de tal manera que el flujo principal de trabajo tiene un número de forma de onda finito que es igual a la diferencia en número de onda entre las distribuciones de mmf y permeancia, la máquina incluye un estator cilindrico y un rotor cilindrico hueco montado de manera sustancialmente coaxial con el estator cilindrico para rotación alrededor del estator cilindrico con un espacio de aire anular entre ellos, el estator y el rotor se forman de material ferromagnético, es estator tiene un arreglo devanado e imanes permanentes montados en él, los imanes se arreglan lado a lado en al menos una línea circular que 'sigue el límite respectivo para el espacio de aire y se arreglan para formar un cierto número de polos magnéticos que son alternadamente polos norte y sur, el rotor se forma como un cuerpo cilindrico con una pluralidad de proyecciones espaciadas que se proyectan radialme te a partir del cuerpo hacia el estator, el número de proyecciones es diferente del número de forma de onda magnética que se formaría a través de una línea circular de dichos imanes polarizados de manera alternada si estuvieran distribuidos uniformemente a lo largo de la totalidad del límite respectivo. Una máquina de corriente alterna que es arreglada para proporcionar una excitación de imanes permanentes multipolar en combinación distribución de reluctancia multipolar donde diferentes números de polos se emplean para la excitación de imanes permanentes por un lado y para la distribución de reluctancia por otro lado de tal manera que el flujo principal de trabajo tenga un numero de forma de onda finito que es igual a la diferencia en número de onda entre las distribuciones de mmf y permeancia, la máquina incluye dos miembros de material ferromagnético que forman límites opuestos de un espacio de aire y al menos uno dé los cuales puede desplazarse linealmente con relación al otro, uno de los miembros tiene un arreglo de devanado e imanes permanentes montados en *él, los imanes se arreglan lado a lado, en al menos una línea que sigue el límite respectivo del espacio de aire y se arreglan para formar un cierto número de polos magnéticos que son alternadamente polos norte y sur, el otro miembro comprende una porción de cuerpo y una pluralidad de proyecciones espaciadas que s proyectan a partir de la porción de cuerpo hacia dicho miembro en una dirección que es transversal con relación al espacio de aire, el número de proyecciones es diferente del número de forma de onda magnética que se formaría por una línea de dichos imanes polarizados de manera alternada si estuvieran distribuidos uniformemente a lo largo de la totalidad del límite respectivo. Una máquina de corriente alterna arreglada para proporcionar una excitación de imanes permanentes muítipoLar en combinación con una distribución de reluctancia multipolar y en donde números diferentes de polos se emplean para la excitación de imanes permanentes por un lado y para la distribución de reluctancia por otro lado de tal manera que le flujo principal de trabajo tenga un número de forma de onda finito que es igual a la diferencia en número de onda entre las distribuciones de mmf y permeancia, la máquina incluye dos miembros de material ferromagnético que forman límites opuestos de un espacio de aire y al menos uno de los cuales puede desplazarse con relación al otro, uno de los miembros tiene un arreglo de devanado e imanes permanentes montados en él, los imanes se arreglan lado a lado en al menos una línea que sigue el límite respectivo del espacio de aire y se arregla para formar un cierto número de polos magnéticos que son alternadamente polos norte y sur, el otro miembro comprende una porción de cuerpo y una pluralidad de proyecciones espaciadas que se proyectan a partir de la porción de cuerpo hacia dicho miembro en una dirección que es transversal al espacio de aire, el número de proyecciones es diferente del número de forma de onda magnética que sería formada por una línea de dichos imanes polarizados de manera alternada si estuvieran distribuidos de manera uniforme a lo largo de la totalidad del límite respectivo, del área de la superficie de cada imán que proporciona el polo respectivo de los polos magnéticos es mayor que el área que el imán proyecta en el límite respectivo del espacio de aire de tal manera que la densidad de flujo en el espacio de aire asociado con este imán es mayor que lo sería si la superficie del imán estuviera al ras con el límite respectivo. . Una máquina de corriente alterna de conformidad con la reivindicación 9, donde la superficie de al menos uno de los imanes que proporciona el polo respectivo de los polos magnéticos es plana y oblicua con relación al límite respectivo. . Una máquina de corriente alterna de conformidad con la reivindicación 9 de conformidad con la reivindicación 10, donde los imanes tienen lados planos y paralelos. Una máquina de corriente alterna de conformidad con cualesquiera de las reivindicaciones 9 a 11, donde los imanes están enterrados dentro de dicho miembro adyacente al espacio de aire. . Una máquina de corriente alterna arreglada para proporcionar una excitación de imanes permanentes multipolar en combinación con una distribución de reluctancia multipolar donde diferentes números de polos se emplean para la excitación de imanes permanentes por un lado y para la distribución de reluctancia por otro lado de tal manera que el flujo de trabajo principal tenga un número de forma de onda finito que es igual a la diferencia en número de onda entre las distribuciones de mmf y permeancia, la máquina de corriente alterna incluye dos miembros de material ferromagnético que forman límites opuestos de un espacio de aire y al menos uno de los cuales puede desplazarse con relación al otro, uno de los miembros tiene un arreglo de devanado e imanes permanentes montados en una superficie de dicho miembro que hace frente al otro miembro, los imanes se colocan lado a lado en al menos una línea que sigue el límite respectivo del espacio de aire y se arreglan para formar un cierto número de polos magnéticos que son alternadamente polos norte y sur, el otro miembros comprende una porción de cuerpo y una pluralidad de proyecciones espaciadas que se proyectan a partir de la porción de cuerpo hacia dicho miembro en una dirección que es transversal con relación al espacio de aire, el número de proyecciones es diferente del número de forma de onda magnética que se formaría a través de una línea de imanes polarizados alternadamente de este tipo si estuvieran distribuidos de manera uniforme a lo largo de la totalidad del límite respectivo, donde la relación entre el espesor y el ancho de cada uno de los imanes permanentes se encuentra sustancialmente dentro de un rango de 0.2 a 0.4. . Una máquina de corriente alterna de conformidad con la reivindicación 5 o de conformidad con la reivindicación 13, donde la relación entre el espesor y el ancho de cada uno de los imanes permanentes es sustancialmente 0.2. . Una máquina de corriente alterna de conformidad con la reivindicación 14, donde la relación entre espesor y ancho de cada uno de los imanes permanentes es sustancialmente 0.3. . Una máquina de corriente alterna de conformidad con cualesquiera de las reivindicaciones 3 a 15, donde el número de proyecciones que se proyectan a partir de la porción de cuerpo es la mitad de dicho número de polos magnéticos más o menos la mitad del número de polos del arreglo de devanado. . Una máquina de corriente alterna de conformidad con cualesquiera de las reivindicaciones 3 a 16, donde cada arreglo de devanado comprende una porción de proyección respectiva de dicho miembro que se proyecta hacia dicho otro miembro y en donde se enrolla un devanado. . Una máquina de corriente alterna de conformidad con cualesquiera de las reivindicaciones 3 a 17, donde los imanes están arreglados en grupos con un espacio entre cada grupo que es montado en una porción de proyección respectiva de las porciones de proyección de dicho miembro entre eL devanado respectivo y dicho otro miembro. . Una máquina de corriente alterna de conformidad con cualesquiera de las reivindicaciones 6 y 9 a 12 o de conformidad con cualesquiera de las reivindicaciones 16 a 18 cuando se agregan a cualesquiera de las reivindicaciones 6 y 9, donde los imanes están arreglados en pares, los imanes de cada par tienen la misma polaridad, que es opuesta a La polaridad de los pares yuxtapuestos de imanes, y se arreglan de tal manera que converjan radialmente hacia adentro, uno en cada lado de una pieza de polo triangular respectiva, de tal manera que cada pieza de polo triangular tenga la polaridad magnética del par convergente de imanes entre los cuales se encuentra. . Una máquina de corriente alterna de conformidad con la reivindicación 19, donde cada pieza de polo triangular es unida al resto de dicho miembro por una porción de puente respecti va que pasa a través de los extremos radialmente internos más cercanos de los imanes del par respectivo. . Una máquina de corriente alterna de conformidad con la reivindicación 19 o de conformidad con la reivindicación 20, donde el espaciado entre los extremos externos de cada par de imanes convergentes enterrados más el espesor de los dos imanes de este par enterrado es mayor que el ancho del extremo externo de cada proyección radial de dicho otro miembro. . Una máquina de corriente alterna de conformidad con cualesquiera de las reivindicaciones 4, 5 y 13, o bien de conformidad con ya sea la reivindicación 16 o la reivindicación 18 cuando se anexan a cualesquiera de las reivindicaciones 4 y 13, donde la extensión lateral de cada uno de los imanes montados en la superficie es mayor que el ancho del extremo externo de cada proyección de dicho otro miembro. . Una máquina de corriente alterna de conformidad con cualesquiera de las reivindicaciones 3 a 22, donde los miembros de material ferromagnético comprenden un estator cilindrico y un rotor cilindrico, el rotor cilindrico es montado de manera sustancialmente coaxial con el estator cilindrico para rotación con relación a él y con el espacio de aire entre ellos, el espacio de aire es anular, el arreglo de devanado y los imanes permanentes de montan en el estator, los imanes permanentes están circunferencialmente espaciados uno del otro alrededor del espacio de aire, el rotor comprende una porción de cuerpo cilindrica y dichas proyecciones se proyectan radialmente a partir de la porción de cuerpo cilindrica hacia el estator . . Una máquina de corriente alterna de conformidad con la reivindicación 23, donde el rotor tiene una construcción laminada. . Una máquina de corriente alterna d conformidad con la reivindicación 23 o bien de conformidad con la reivindicación 24, donde el estator es un cilindro hueco con el rotor montado para rotación dentro de él. . Una máquina de corriente alterna de conformidad con la reivindicación 23 o de conformidad con la reivindicación 24, donde el rotor es un cilindro hueco montado para rotación alrededor del estator. . Una máquina de corriente alterna de conformidad con cualesquiera de las reivindicaciones 3 a 22, donde los dos miembros se arreglan de tal manera que el movimiento de un primero de ellos con relación al segundo sea lineal. . Una máquina de corriente alterna de conformidad con la reivindicación 27, donde dicho miembro es estacionario. . Una máquina de corriente alterna de conformidad con la reivindicación 27, donde dicho miembro es soportado para movimiento lineal con relación a dicho otro miembro. . Una máquina de corriente alterna de conformidad con cualesquiera de las reivindicaciones 27 a 29, donde los dos miembros son un primer miembro y un segundo miembro de al menos tres miembros de este tipo, dicho segundo miembro separa dicho primer miembro de un tercer miembro de materia ferromagnético, dicho segundo miembro y dicho tercer miembro forman límites opuestos de otro espacio de aire y al menos uno de dicho segundo miembro y dicho tercer miembro puede desplazarse de manera lineal con relación al otro de dicho segundo miembro y tercer miembro, dicho tercer miembro tiene un arreglo de devanado e imanes permanentes montados en él, estos imanes se arreglan lado a lado en al menos una línea que sigue el límite del otro espacio de aire y se colocan para formar un cierto número de polos magnéticos que son alternadamente polos norte y sur, existiendo una pluralidad adicional de proyecciones espaciadas que se proyectan a partir de la porción de cuerpo de dicho segundo miembro hacia dicho tercer miembro en una dirección que es transversal con relación a dicho otro espacio de aire, el número de estas proyecciones adicionales es diferente del número de forma de onda magnética que se formaría a través de una línea de tales imanes polarizados de manera alternada montados en dicho tercer miembro y distribuidos uniformemente a lo largo de la totalidad del limite de dicho otro espacio de aire. . Una máquina de corriente alterna de conformidad con la reivindicación 30, donde dicho primer miembro y dicho tercer miembro son imágenes de espejo entre ellos como lo son las filas de proyecciones formadas en cada lado de dicho segundo miembro. . Una máquina de corriente alterna de conformidad con cualesquiera de las reivindicaciones 27 a 31, donde el otro miembro o segundo miembro se encuentra soportado para movimiento lineal con relación a dicho miembro o dicho primer miembro y dicho tercer miembro. . Una máquina de corriente alterna de conformidad con ya sea las reivindicaciones 30 y 31, o bien con la reivindicación 32 cuando se anexa a la reivindicación 30, donde el arreglo de devanado y las polaridades de los imanes en dicho tercer miembro son inversas de las polaridades en dicho primer miembro de tal manera que las trayectorias resultantes de flujo magnético pasen a través de dicho segundo miembro entre dicho primer miembro y dicho tercer miembro. . Una máquina de corriente alterna de conformidad con cualesquiera de las reivindicaciones 3 a 33, donde cada una de las varias proyecciones se ahusa a partir del cuerpo hacia el estator.