ES2197874T3 - Maquina electrica de flujo axial. - Google Patents
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Abstract
Máquina eléctrica de flujo axial con un rotor (1) sin hierro en forma de disco dispuesto en un árbol de máquina (2), que presenta imanes (11) permanentes que están empotrados en un plástico (12) reforzado con fibra o tejido y que a cada lado del rotor (1) presenta un estátor (3, 4), caracterizada porque los imanes (11) permanentes están unidos con ajuste de forma con el plástico (12) reforzado con fibra o tejido que los rodea y porque éste forma junto con los imanes (11) permanentes y el árbol de máquina (2) una unidad dimensionalmente estable.
Description
Máquina eléctrica de flujo axial.
La presente invención se refiere a una máquina
eléctrica de flujo axial, tal como se define en el preámbulo de la
reivindicación 1 independiente.
Bajo el concepto de máquina eléctrica de flujo
axial se entiende un motor o generador con un rotor y un estátor,
en el que el flujo de campo magnético entre rotor y estátor tiene
lugar de forma paralela al eje de giro del rotor. Este tipo de
máquina de flujo axial se conoce también bajo la denominación de
motor de corriente continua sin escobillas, motor síncrono de
imanes permanentes o motor de discos.
Un motor de corriente continua sin escobillas
eficiente con un rotor sin hierro con imanes permanentes dispuesto
alrededor de un eje se describe por ejemplo en el documento
DE-U-298 16 561. En este motor de
corriente continua a cada uno de los lados del rotor en forma de
disco está dispuesta alrededor del eje una unidad electromagnética a
modo de estátor paralela al rotor. El rotor posee imanes
permanentes dispuestos en forma de círculo alrededor del eje, que
por ejemplo están empotrados en un plástico y el sentido de su
campo magnético discurre paralelo al eje. Respectivamente dos imanes
permanentes contiguos presentan un sentido de campo magnético
opuesto. Uno de los estátores está provisto de unas primeras zonas
electromagnéticas y el otro estátor de segundas zonas
electromagnéticas, cuyo número se corresponde con el número de
imanes permanentes, presentado dos primeras zonas electromagnéticas
contiguas y dos segundas zonas electromagnéticas contiguas con
sentidos de campo magnético opuestos, que cambian de forma
alternada. Las primeras y segundas zonas electromagnéticas están
dispuestas desplazadas entre sí y presentan una diferencia de fase
de 90º.
Una de las desventajas de este motor de corriente
continua reside en que el rotor, debido a su estructura, es
relativamente inestable y por ello sólo es apropiado para
velocidades de giro lentas.
A partir del documento
US-A-5 619 087 es conocida una
máquina eléctrica de flujo axial que comprende por lo menos dos
rotores relativamente pequeños en forma de disco sin hierro con
imanes permanentes en forma de barra, dispuestos empotrados en un
plástico reforzado con fibra o tejido. Varios imanes permanentes
dispuestos los unos al lado de los otros, magnetizados del mismo
modo forman respectivamente un grupo que forma un polo magnético.
Debido a que en el plástico en lugar de varios imanes permanentes
grandes están empotrados varios imanes permanentes relativamente
pequeños, se reduce la superficie magnética efectiva y con ello se
reduce el flujo magnético, lo cual se compensa con la utilización
de por lo menos dos rotores. Además, el anclaje individual de los
múltiples imanes permanentes pequeños en el plástico depara
problemas de fabricación y de resistencia.
Teniendo en cuenta las desventajas de los motores
y generadores de flujo axial conocidos hasta el presente, la
invención se plantea el siguiente problema: debe proporcionarse una
máquina eléctrica de flujo axial del tipo descrito al principio,
cuyo rotor presente una masa e inercia reducidas, pero que a pesar
de ello sea sólido y apropiado para elevadas velocidades de
giro.
Este problema se resuelve por medio de la máquina
eléctrica de flujo axial según la invención, tal como se define en
la reivindicación 1 independiente. La reivindicación 10 se refiere
a un procedimiento según la invención para la fabricación de un
rotor para una máquina eléctrica de flujo axial de este tipo. De
las reivindicaciones dependientes se desprenden variantes de
realización preferentes.
La parte fundamental de la invención consiste en
que en una máquina eléctrica de flujo axial con un rotor sin hierro
en forma de disco dispuesto en un árbol de máquina, que presenta
imanes permanentes que están empotrados en un plástico reforzado con
fibra o tejido, los imanes permanentes están unidos con ajuste de
forma con el plástico reforzado con fibra o tejido que los rodea y
éste forma junto con los imanes permanentes y el árbol de máquina
una unidad dimensionalmente estable. A cada lado del rotor está
dispuesto respectivamente un estátor.
Ya sólo debido a que el plástico está reforzado
con fibra o tejido, el rotor posee una elevada rigidez. Pero
además, está se ve incrementada por el hecho de que los imanes
permanentes están unidos respectivamente con ajuste de forma con el
plástico reforzado con fibra o tejido que los rodea y éste forma
junto con los imanes permanentes y el árbol de máquina una unidad
dimensionalmente estable. Este último punto se consigue gracias a
una disposición apropiada de los imanes permanentes y del árbol de
máquina y a la inyección del plástico reforzado con fibra o tejido.
Gracias a la configuración según la invención del rotor, los
rígidos imanes permanentes sirven simultáneamente a modo de
elementos de refuerzo, quedando garantizada la unión con ajuste de
forma con el plástico que los rodea, de tal forma que los imanes
permanentes no se desprenden.
De modo ventajoso, varios imanes permanentes
están dispuestos en forma de círculo alrededor del árbol de máquina
y el plástico reforzado con fibra o tejido, en particular un
plástico termoestable, se extiende entre los imanes permanentes en
total a largo de por lo menos un 10%, preferentemente entre un 15%
y un 20% del círculo. Gracias a una disposición de este tipo y el
empotrado de los imanes permanentes se puede configurar el rotor de
un modo óptimo con miras a la resistencia y la eficiencia.
A continuación, se explica más detalladamente la
máquina de flujo axial según la invención con referencia a los
dibujos anexados sobre la base de un ejemplo de realización. Las
figuras muestran:
La Fig. 1, una máquina de flujo axial según la
invención en una vista lateral;
La Fig. 2, una máquina de flujo axial en una
vista parcialmente seccionada a lo largo de la línea
E-E de la Fig. 1;
La Fig. 3, el rotor con el árbol de máquina y con
elementos para la determinación de la polaridad del campo magnético
del rotor en una vista lateral;
La Fig. 4, el rotor con el árbol de máquina en
una vista parcialmente seccionada a lo largo de la línea
\hbox{A-A} de la Fig. 3;
La Fig. 5, un detalle ampliado del rotor de la
Fig. 4;
La Fig. 6, una vista por encima de un imán
permanente segmentado;
La Fig. 7, una vista seccionada del imán
permanente segmentado a lo largo de la línea C-C de
la Fig. 6;
La Fig. 8, un imán permanente con un primer
contorno especial para la unión con ajuste de forma con el plástico
que lo rodea;
La Fig. 9, un imán permanente con un segundo
contorno especial para la unión con ajuste de forma con el plástico
que lo rodea;
La Fig. 10, un estátor en vista lateral; y
La Fig. 11, una vista seccionada del estátor a lo
largo de la línea D-D de la Fig. 10.
Figuras 1 y
2
La máquina de flujo axial según la invención
representada comprende un rotor 1 en forma de disco, que está unido
con un árbol de máquina 2 y que presenta imanes 11 permanentes que
se encuentran empotrados en un plástico 12 reforzado con fibra, por
ejemplo un plástico termoestable. A cada uno de los lados del rotor
1 se encuentra dispuesto paralelo a éste un estátor 3 ó 4 en forma
de anillo, que respectivamente se encuentra fijado a una placa 6 de
cojinete. En la cara que apunta hacia el rotor 1, los estátores 3, 4
presentan respectivamente una culata 31 ó 41 magnética en forma de
anillo con ranuras 32 ó 42, en las que están guiadas bobinas 33 ó
43 de varias fases, que presentan cabezales 331ó 431 exteriores de
bobina. Las placas 6 de cojinete son preferentemente de aluminio y
además presentan nervios 63 de refuerzo y refrigeración, pudiendo
ser bien evacuado el calor generado. Las ranuras 64 en las placas 6
de los cojinetes tienen la función de reducir el peso. Para el
montaje de las placas 6 de los cojinetes están previstos taladros 61
para pasadores, mientras que los taladros 62 roscados sirven para
su fijación a una parte de una máquina no representada, p. ej. un
reductor de velocidades. Las placas 6 de los cojinetes y la parte 8
de la carcasa en forma de anillo forman conjuntamente una carcasa
para el rotor 1 y los estátores 3, 4. El árbol de máquina 2 está
montado giratorio en las placas 6 de los cojinetes a través de dos
rodamientos 7 de bolas.
Los dos estátores 3, 4 se encuentran
eléctricamente desfasados entre sí en 180º en la dirección
circunferencial, de modo que los flujos magnéticos están orientados
en sentido opuesto en la dirección circunferencial del rotor 1 y con
ello realmente se neutralizan por lo menos en gran parte. Gracias a
ello, se puede prescindir del hierro del rotor 1.
Para el conjunto de la siguiente descripción vale
la siguiente determinación: en caso de que en una figura existan
signos de referencia con miras a la claridad del dibujo, pero que
no se mencionen en la descripción inmediatamente siguiente, o al
revés, entonces para su descripción se hará referencia a figuras
anteriores.
Figuras 3 a
5
Según la invención el rotor 1 y el árbol de
máquina 2 forman una unidad dimensionalmente estable. El rotor 1
sin hierro en forma de disco presenta ocho imanes 11 permanentes
dispuestos en círculo alrededor del árbol de máquina 2, que están
empotrados en el plástico 12 reforzado con fibra. El plástico 12
reforzado con fibra se extiende entre los imanes 11 permanentes en
total a lo largo de aproximadamente entre el 15% y el 20% del
círculo, y en concreto formando nervios regulares. Entre los imanes
11 permanentes mecánicamente muy rígidos existe suficiente plástico
12 reforzado con fibra para que el rotor 1 sea sólido y pudiéndose
conseguir un rotor 1 con un momento de inercia mínimo con costes de
fabricación muy reducidos.
También el árbol de máquina 2 está empotrado en
la zona media con plástico 12 reforzado con fibra, encargándose dos
bridas 21 y 22 de una unión sólida entre el rotor 1 y el árbol de
máquina 2.
Para la absorción de las fuerzas centrífugas, en
el perímetro exterior del rotor 1 existe un aro 13 de refuerzo, que
presenta material fibroso previamente impregnado, que contiene
preferentemente fibras de carbono o kevlar, que en gran parte están
orientadas en dirección circunferencial. El aro 13 de refuerzo es
más ancho que los imanes 11 permanentes y el plástico 12 reforzado
con fibra, que en particular se puede observar de forma clara en la
Fig. 5. De modo ventajoso, para el refuerzo, también el plástico 12
reforzado con fibra y los imanes 11 permanentes están configurados
incrementando el grosor desde dentro hacia fuera.
En el exterior alrededor del aro 13 de refuerzo
está pegada una banda 14 magnética, que forma una serie de polos
magnéticos magnetizados radialmente, que se encuentran dispuestos de
forma análoga a los imanes 11 permanentes empotrados en el plástico
12 reforzado con fibra o tejido, estando recubierto no obstante el
100% del perímetro. Esta banda 14 magnética permite determinar la
polaridad del campo magnético del rotor 1 en la periferia gracias a
tres sondas 5 de Hall fijas. Las tres sondas 5 de Hall están
separadas 30º las unas de las otras en la dirección circunferencial
y dispuestas, por ejemplo, sobre un circuito impreso, que se
encuentra fijo en la parte 8 de la carcasa. La polaridad del campo
magnético determinada permite ajustar el ángulo de encendido para
las bobinas 33, 43 de varias fases de los estátores 3, 4 de forma
óptima.
Los imanes 11 permanentes son de un material
magnético preferentemente sinterizado, Por ejemplo NdFeB, con una
resistencia a la flexión de aproximadamente 270 N/mm^{2} y un
módulo de Young de aproximadamente 150 kN/mm^{2}. El plástico 12
reforzado con fibra es por ejemplo una resina de epoxi o una resina
de imida reforzada con fibra de vidrio. Los valores de resistencia
mecánica alcanzados se encuentran también en este caso en el orden
de magnitud del acero St-37. La resistencia a la
temperatura de la resina de epoxi se encuentra alrededor de los
200ºC y para la resina de imida alrededor de los 250ºC. Para
mejorar la dilatación térmica y la conducción del calor se pueden
añadir substancias minerales adicionales a la resina.
Para la fabricación del rotor 1 se colocan el
árbol de máquina 2 y los imanes 11 permanentes en un molde y a
continuación se inyecta a presión el plástico reforzado con fibra
precalentado en el molde, el cual es a su vez calentado. La
inyección del plástico reforzado con fibra tiene lugar dependiendo
de la resina a una temperatura de por lo menos 200ºC o por lo menos
250ºC y a una presión de 500-1500 bar. Haciendo esto
se produce una plastificación, que garantiza un llenado completo
del molde así como un bucon ajuste de forma con los imanes 11
permanentes y el árbol de máquina 2.
Figuras 6 y
7
Los imanes 11 permanentes comprenden en el
presente ejemplo de realización respectivamente tres segmentos 111
de imán separados dispuestos los unos al lado de los otros en
dirección circunferencial. Gracias a ello se reducen las pérdidas
por corrientes parásitas. Los segmentos 111 de imán se encuentran
preferentemente unidos por medio de un adhesivo para metal,
pudiendo no obstante ser mantenidos unidos también por el plástico
12 reforzado con fibra.
Figuras 8 y
9
Dado que a altas velocidades de giro y distancias
entre piezas relativamente pequeñas entre rotor 1 y estátores 3, 4
es imprescindible una gran rigidez propia del rotor 1, los imanes
11 permanentes están unidos con ajuste de forma con el plástico 12
reforzado con fibra que los rodea. En las figuras 8 y 9 están
representados dos posibles contornos de imán, que son apropiados
para absorber las fuerzas de cizalladura que se producen.
En el rotor 1 representado se puede prescindir de
la aplicación por ambos lados de chapas conductoras del campo
magnético para la sujeción de los imanes 11 permanentes o de
cualquier otro tipo de construcción en sandwich, pudiéndose mantener
reducida la inercia, la cantidad de material magnético así como las
pérdidas de superficie pudiendo evitarse circuitos de dispersión no
deseados entre imanes 11 permanentes contiguos.
Figuras 10 y
11
A continuación, se explica sobre el ejemplo del
estátor 3, la construcción de los dos estátores 3, 4. El estátor 3
comprende una culata 31 magnética anular, en la que existen ranuras
32 que se extienden aproximadamente radiales desde dentro hacia
fuera. La culata 31 magnética está compuesta por varias capas 311
de chapa de dinamo de alta calidad, que durante el estampado de las
ranuras son enrolladas para formar paquetes y a continuación son
unidas por un punto de soldadura. Las ranuras 32 en el interior de
la culata 31 magnética son relativamente anchas, presentando pero
en el sentido del rotor 1 una abertura 321 relativamente
estrecha.
A través de las ranuras 32, tal como muestra la
figura 2, se encuentran guiadas bobinas 33 de varias fases, por
ejemplo bobinas trifásicas. Gracias al montaje de las bobinas 33 de
varias fases en las ranuras 32, el estátor 3 puede ser insertado
cerca de los imanes 11 permanentes del rotor 1, es decir que
resulta un espacio muy pequeño que tiene como consecuencia un flujo
magnético muy elevado y permite con ello una densidad de potencia
muy elevada.
Debido a un cruce de ranuras 32 en la dirección
circunferencial respecto a los imanes 11 permanentes del rotor 1
pueden ser minimizados los momentos de trama y los ruidos.
Se pueden realizar otras variaciones en el diseño
de la máquina de flujo axial descrita anteriormente. Se ha
explicado de forma explícita:
- -
- La determinación de la polaridad del campo magnético del rotor 1 no debe realizarse forzosamente por medio de la banda 14 magnética y de las sondas 5 de Hall. También es concebible entre otros un rastreo óptico de zonas claras y oscuras en la periferia del rotor 1.
- -
- En lugar de delimitar las ranuras 32 y las bobinas 33 de varias fases guiadas en ellas, pueden ser delimitados también los imanes 11 permanentes.
- -
- El plástico 12 del rotor 1 en lugar de estar reforzado con fibra puede estarlo también con tejido.
Claims (11)
1. Máquina eléctrica de flujo axial con un rotor
(1) sin hierro en forma de disco dispuesto en un árbol de máquina
(2), que presenta imanes (11) permanentes que están empotrados en
un plástico (12) reforzado con fibra o tejido y que a cada lado del
rotor (1) presenta un estátor (3, 4), caracterizada porque
los imanes (11) permanentes están unidos con ajuste de forma con el
plástico (12) reforzado con fibra o tejido que los rodea y porque
éste forma junto con los imanes (11) permanentes y el árbol de
máquina (2) una unidad dimensionalmente estable.
2. Máquina eléctrica de flujo axial según la
reivindicación 1, caracterizada porque una pluralidad de
imanes (11) permanentes están dispuestos en forma de círculo
alrededor del árbol de máquina (2) y porque el plástico (12)
reforzado con fibra o tejido, en particular un plástico
termoestable, se extiende entre los imanes (11) permanentes en total
a largo de por lo menos un 10%, preferentemente entre un 15% y un
20% del círculo.
3. Máquina eléctrica de flujo axial según la
reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque el rotor (1)
presenta un aro (13) de refuerzo en el perímetro exterior o en las
cercanías del perímetro exterior el cual comprende material fibroso
previamente impregnado, que contiene preferentemente fibra de
vidrio, de carbono o de Kevlar, y porque, con el objetivo de
refuerzo, el rotor (1) está preferentemente configurado de manera
que su grosor aumenta de dentro a fuera.
4. Máquina eléctrica de flujo axial según una de
las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque ésta
presenta medios para la determinación de la posición de los polos
magnéticos del rotor (1), comprendiendo dichos medios
preferentemente una banda (14) magnética dispuesta en el perímetro
exterior del rotor (1), que forma una serie de polos magnéticos
magnetizados radialmente, que se encuentran dispuestos de forma
análoga a los imanes (11) permanentes empotrados en el plástico (12)
reforzado con fibra o tejido, y sondas (5) de Hall dispuestas fijas
que actúan conjuntamente con los anteriores.
5. Máquina eléctrica de flujo axial según una de
las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada porque el plástico
(12) reforzado con fibra o tejido comprende una resina de epoxi o
una resina de imida reforzada con fibra de vidrio y para la mejora
de la dilatación térmica y la conducción del calor presenta
preferentemente substancias minerales adicionales.
6. Máquina eléctrica de flujo axial según una de
las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque los imanes
(11) permanentes comprenden respectivamente por lo menos dos
segmentos (111) de imán separados dispuestos juntos en dirección
circunferencial, que están unidos preferentemente por medio de un
adhesivo para metal.
7. Máquina eléctrica de flujo axial según una de
las reivindicaciones 1 a 6, caracterizada porque los
estátores (3, 4) comprenden respectivamente una culata (31, 41)
anular en la que están dispuestas ranuras (32, 42) que se extienden
aproximadamente de forma radial de dentro hacia fuera, en las cuales
están guiadas bobinas (33, 43) de varias fases.
8. Máquina eléctrica de flujo axial según una de
las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada porque los imanes
(11) permanentes o las ranuras (32, 42) están transpuestos en
sentido circunferencial.
9. Máquina eléctrica de flujo axial según una de
las reivindicaciones 1 a 8, caracterizada porque los dos
estátores (3, 4) se encuentran eléctricamente desplazados 180º en
dirección circunferencial, de modo que los flujos magnéticos
correspondientes en la dirección circunferencial del rotor (1) están
orientados en sentido opuesto y por consiguiente realmente se
neutralizan por lo menos en gran parte.
10. Procedimiento para la fabricación de un rotor
(1) para una máquina eléctrica de flujo axial según una de las
reivindicaciones 1 a 9, caracterizada porque un árbol de
máquina (2) y imanes (11) permanentes son dispuestos en un molde y a
continuación es inyectado a presión un plástico precalentado
reforzado con fibra o tejido en el molde, el cual es a su vez
calentado.
11. Procedimiento según la reivindicación 10,
caracterizado porque la inyección del plástico reforzado con
fibra o tejido se realiza a una temperatura de por lo menos 200ºC y
a una presión de 500 - 1500 bar.
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