ES2246760T3 - Motor sincrono con reconocimiento de la posicion del rotor. - Google Patents

Abstract

Motor síncrono con un estator que presenta electroimanes, un rotor (1a) que presenta imanes permanentes (2-7) que forman varios pares de polos, al menos un sensor de campo magnético (8-10) fijado en posición estacionaria, una unidad de evaluación (13) y una unidad de control (14), en donde al menos uno de los imanes permanentes (2) del rotor (1a) se diferencia de los demás en su magnetización y este imán permanente (2) así marcado es detectado en funcionamiento por al menos un sensor de campo magnético (8-10), caracterizado porque algunos imanes permanentes (2-7) situados contiguos en el perímetro del rotor (1a) están polarizados en sentidos contrarios de tal manera que el polo Norte de uno de los imanes permanentes (2-7) está situado en el perímetro exterior del rotor (1a) y el polo Sur está situado en el perímetro interior de dicho rotor, mientras que el polo Norte de un imán permanente contiguo (2-7) se encuentra en el perímetro interior del rotor (1a) y el polo Sur se encuentra en el perímetro exterior de dicho rotor, y porque el imán permanente (2) que se diferencia de los demás imanes permanentes (3-7) presenta al menos una zona (2a) que pose una polarización opuesta a la magnetización de este imán permanente (2).

Description

Motor síncrono con reconocimiento de la posición de rotor.

La invención concierne a un motor síncrono según el preámbulo de la reivindicación 1.

Se conocen ya motores síncronos con un estator constituido por varios electroimanes y un rotor constituido por imanes permanentes y dotado de varios pares de polos, los cuales se denominan también en el mundo especializado motores de corriente continua eléctricamente conmutados o motores de corriente continua sin escobillas. Asimismo, se sabe que en estos motores se encuentran en el estator uno o varios sensores de campo magnético fijados en posición estacionaria. Como se revela, por ejemplo, en el documento EP 0 094 978 A1 o en el documento DE 195 27 982 A1, con ayuda de los sensores de campo magnético se puede detectar la posición del rotor, el número de revoluciones y/o la dirección de giro del motor para que los electroimanes del estator se puedan activar de la manera más ventajosa posible. Sin embargo, en rotores que presentan más de un par de polos, no se puede determinar con este método la posición absoluta del rotor, ya que los distintos pares de polos no pueden diferenciarse uno de otro.

En algunas aplicaciones es necesaria la determinación de la posición absoluta del rotor o de un componente accionado por el motor eléctrico. Así, por ejemplo, en una máquina lavadora en funcionamiento de carga superior se tiene que detener el tambor de lavado giratorio alrededor de un eje horizontal, hacia el final del programa, en una posición definida para que sea posible una extracción o reintroducción de la ropa. Según el documento EP 0 754 797 A1, se consigue este posicionamiento del tambor de lavado con ayuda de un sistema sensor cuya parte activa está fijada en posición estacionaria en la carcasa y cuya parte pasiva está fijada al tambor o a su polea en forma giratoria con el mismo. Según el documento EP 0 681 050 A2, se consigue un posicionamiento absoluto del tambor con ayuda de un brazo de retención que encaja en escotaduras correspondientes del tambor.

Se conoce por el documento DE 197 38 344 A1 un motor síncrono según el preámbulo de la reivindicación 1. El rotor de un motor de corriente continua sin escobillas presenta allí imanes permanentes con polos magnéticos Norte y Sur que alternan repetidamente en dirección tangencial. Un polo Norte en uno de estos imanes permanentes presenta un tramo ligeramente desmagnetizado que da como resultado una caída de la intensidad del campo magnético en este punto. De este modo, este imán permanente así marcado puede ser detectado en funcionamiento por un sensor de campo magnético (por ejemplo, un sensor de Hall), con lo que puede determinarse la posición absoluta del rotor. Sin embargo, la variación del campo detectada por un sensor de campo magnético y, por tanto, la señal emitida por el sensor son bastante débiles.

Se obtiene una señal más fuerte cuando en un rotor de imanes permanentes con imanes tangencialmente polarizados se conforma una escotadura aproximadamente en el centro de un imán permanente (es decir, entre polo Norte y polo Sur) y se inserta en ésta un pequeño imán de tal manera que su polarización sea también potencial, pero opuesta a la polarización del imán del rotor, tal como se ha descrito en el documento JP 60-125143. Sin embargo, la fabricación de un rotor de esta clase es bastante complicada.

Por tanto, partiendo del estado de la técnica, la invención se basa en el problema de crear un motor síncrono en el que se pueda fabricar de manera sencilla el imán permanente que se diferencia de los demás imanes y se garantice al mismo tiempo una fuerte señal del sensor o los sensores de campo magnético.

Este problema se resuelve mediante un motor síncrono con las características de la reivindicación 1. Formas de ejecución y perfeccionamientos se desprenden de las reivindicaciones subordinadas.

Como quiera que los imanes permanentes situados contiguos en el perímetro del rotor están polarizados en sentidos contrarios de tal manera que el polo Norte de uno de los imanes permanentes está situado en el perímetro exterior del rotor y el polo Sur está situado en el perímetro interior de dicho rotor, mientras que el polo Norte de un imán permanente contiguo se encuentra en el perímetro interior del rotor y el polo Sur se encuentra en el perímetro exterior de dicho rotor, y el imán permanente que se diferencia de los demás imanes permanentes presenta una zona que posee una polarización opuesta a la magnetización de este imán permanente, se crea un rotor con una "marca cero" sencilla de establecer, pero que al mismo tiempo provoca una fuerte variación de campo y, por tanto, una fuerte señal de los sensores de campo magnético, cuya marca puede ser fácilmente detectada en funcionamiento por los sensores de campo magnético para detectar la posición absoluta del rotor.

En una forma de ejecución preferida se ha previsto que los sensores de campo magnético detecten la zona con polarización opuesta en el imán permanente marcado al pasar por delante de ella y que con ayuda de las señales de los sensores de campo magnético se determine en una unidad de evaluación la posición absoluta del rotor, se retransmita ésta a una unidad de control y se la considere allí para el control del motor. Esta consideración puede efectuarse, por ejemplo, de tal manera que, al parar el motor, el rotor se detenga en una posición definida predeterminable.

Por tanto, el motor síncrono según la invención, por ejemplo en una máquina lavadora, puede montarse directamente en el eje del tambor y hacerse funcionar como accionamiento directo, asegurándose en máquinas lavadoras de carga superior que el tambor de la ropa se detenga, hacia el final del programa, en una posición definida deseada.

La zona parcial polarizada en sentido contrario se encuentra en cualquier sitio del imán permanente en cuestión, pero de manera ventajosa está aproximadamente en el centro o a un lado del imán permanente marcado, y se extiende por toda la altura del imán permanente en cuestión o preferiblemente tan sólo por la parte de la altura del imán permanente detectada por los sensores de campo magnético fijados en posiciones estacionarias.

En lo que sigue, se explica con más detalle un ejemplo de ejecución de la invención haciendo referencia a los dibujos. Muestran en representación fuertemente esquematizada:

La figura 1, un rotor con tres pares de polos, una unidad de evaluación y una unidad de control según el estado de la técnica,

La figura 2, un modelo de detección de tres sensores de Hall como sensores de campo magnético según el estado de la técnica,

La figura 3, un rotor según la invención con tres pares de polos, una unidad de evaluación y una unidad de control,

La figura 4, un modelo de detección de tres sensores de Hall como sensores de campo magnético según la invención y

La figura 5, el perímetro interior desarrollado del rotor de la figura 3 según la invención.

Según el estado de la técnica, tal como se revela, por ejemplo, en el documento EP 0 094 978 A1 o en el documento DE 195 27 982 A1, un rotor 1 de varios polos (por ejemplo, tres polos) está constituido por varios imanes permanentes, en el ejemplo seis imanes permanentes 2 a 7, que, situados uno al lado de otro, se distribuyen por el perímetro del rotor 1. La magnetización de los distintos imanes permanentes es tal que los imanes contiguos están polarizados en sentidos contrarios. Así, el polo Norte del imán permanente 2 está situado en el perímetro exterior del rotor 1 y el polo Sur está situado en el perímetro interior de dicho rotor, mientras que los polos Norte de los imanes permanentes contiguos 3 y 7 se encuentran en el perímetro exterior del rotor 1 y los polos Sur se encuentran en el perímetro exterior de dicho rotor. Imanes permanentes (por ejemplo, 2 y 5) opuestos en el rotor 1 forman un par de polos, de modo que con seis imanes permanentes se puede materializar un rotor 1 con tres pares de polos.

La magnetización de los imanes permanentes 2 a 7 se establece poniendo electroimanes potentes cerca del perímetro interior o exterior del rotor 1 y polarizando por medio de su fuerte campo magnético, de la manera deseada y anteriormente descrita, el rotor 1 no magnetizado originalmente, constituido por material ferromagnético. El rotor 1 puede estar constituido en este caso por material físicamente uniforme, es decir que no está compuesto de varias partes.

Los sensores de campo magnético 8, 9 y 10 (en general sensores de Hall) están fijados de forma estacionaria, es decir que no pueden girar con el rotor, y se encuentran en la zona 11 dentro del rotor 1 cerca de su perímetro interior. Están dispuestos cada uno de ellos a una distancia de dos tercios de la longitud de un imán permanente, lo que corresponde a un desplazamiento de fase de 120º. Detectan la polaridad de la zona parcial del rotor 1 que se encuentra en sus inmediatas proximidades.

En la tabla de la figura 2 se indica el modelo de detección de tres sensores de Hall (Hall 1, Hall 2 y Hall 3) que sirven como sensores de campo magnético 8-10 para seis posiciones diferentes del rotor. En este caso, la señal de un sensor de Hall es "1" cuando éste detecta un polo Norte, y es "0" cuando éste detecta un polo Sur. Entre las distintas posiciones, el rotor es hecho girar y avanzar un tercio de la longitud de un imán permanente, lo que corresponde a un desplazamiento de fase de 60º y, en el caso de tres pares de polos sobre el rotor 1, a un giro del rotor de 20º. Después de seis pasos de giro (desplazamiento de fase 360º), los sensores de Hall vuelven a detectar el mismo modelo que en la posición de partida.

Los modelos de detección mostrados en la figura 2 resultan al girar el rotor 1 en la figura 1 en sentido contrario a las agujas del reloj. Los polos magnéticos "migran" entonces de Hall 3 a Hall 1 pasando por Hall 2. En este caso, solamente dos de los tres sensores de Hall muestran una misma magnetización (por ejemplo, "1"), mientras que el tercer sensor de Hall muestra la otra magnetización respectiva (por ejemplo, "0").

Las señales de los sensores de campo magnético 8, 9 y 10 llegan por líneas 12 a la unidad de evaluación 13 (figura 1). Allí se establece con ayuda de las señales de los sensores la posición relativa del rotor, es decir, la distribución de los polos Norte y Sur del rotor orientados hacia dentro en todo el perímetro de la zona interior 11. Además, considerando la evolución en el tiempo de las señales de los sensores se determinan también el sentido de giro y el número de revoluciones del rotor 1 en la unidad de evaluación 13. No es posible un reconocimiento absoluto de la posición del rotor 1.

La unidad de evaluación 13 retransmite los datos sobre posición relativa, sentido de giro y número de revoluciones del rotor 1 a una unidad de control 14 que, con ayuda de estos datos, activa los electroimanes de un estator que se encuentra en posición estacionaria en la zona interior 11 alrededor del eje de giro 15 del rotor. En el estator están previstos por cada par de polos del rotor tres electroimanes que se activan cada uno de ellos con un desplazamiento de fase de 120º, de modo que en un rotor con tres pares de polos el estator está constituido por nueve electroimanes. En aras de una mayor claridad, el estator no se muestra en el dibujo. Las unidades de evaluación 13 y de control 14, así como las líneas 12 están indicadas sólo de forma esquemática y no tienen que encontrarse de ningún modo en la zona interior 11 del rotor 1. Pueden estar integradas también en una única unidad electrónica.

El rotor 1a según la invención mostrado en la figura 3 presenta en el centro del imán permanente (2) una zona 2a que está polarizada en sentido contrario a la magnetización de la parte restante de dicho imán permanente 2 (zonas 2b y 2c). En la zona 2a el polo Norte está situado en el perímetro interior del rotor 1a, mientras que en las zonas 2b y 2c el respectivo polo Sur está situado en el perímetro interior. Por tanto, el imán permanente 2 está marcado frente a los imanes 3 a 7 y se puede diferenciar de éstos.

Cuando la zona parcial 2a pasa por los sensores de Hall, se obtiene un modelo de detección que no estaría presente sin el "sitio de perturbación" 2a. Los tres sensores de Hall indican -durante un breve tiempo, pero simultáneamente- la misma magnetización. En la tabla de la figura 4 puede verse claramente que en el ejemplo de ejecución representado la zona 2a pasa siempre en el modelo "111" por uno de los sensores de campo magnético. Además, se puede comprobar en el modelo, delante y detrás de esta "perturbación", por cuál de los tres sensores de campo magnético es hecha pasar justamente la zona 2a, puesto que precisamente este sensor indica una magnetización opuesta poco antes y poco después de la pasada. Es posible así una localización inequívoca de la zona 2a y, por tanto, también una determinación de la posición absoluta del rotor.

Si se utiliza ahora un único sensor de campo magnético para determinar la posición del rotor, se puede detectar la zona 2a en un estado de funcionamiento del motor en el que el número de revoluciones del motor se varía en el tiempo tan sólo insignificantemente y así la señal del único sensor de campo magnético cambia al pasar por la zona 2a con una frecuencia netamente más alta que al pasar por los imanes restantes 3 a 5. Cuando se ha identificado inicialmente la zona 2a, la unidad de evaluación 13 puede contar también la pasada por los imanes y reconocer así el sitio de perturbación 2a como tal incluso al producirse movimientos dinámicos del motor.

Después de la detección de la zona parcial 2a polarizada en sentido contrario por medio de uno de los sensores de campo magnético 8, 9 ó 10, la unidad de evaluación 13 cuenta los polos Norte y Sur del rotor que, después de esta detección, pasan por delante del sensor de campo magnético en cuestión y determina así en todo momento la posición momentánea de la zona parcial 2a y, por tanto, la posición absoluta del rotor 1a, aun cuando la zona 2a del rotor 1a no se encuentre de momento en las proximidades de uno de los sensores de campo magnético 8, 9 ó 10.

A partir de la evolución en el tiempo de las señales de los sensores de campo magnético se determinan no sólo la posición absoluta del rotor, sino también el sentido de giro y el número de revoluciones del rotor 1a. La posición, el sentido de giro y el número de revoluciones del rotor son retransmitidos a la unidad de control 14, la cual considera estos datos al activar los electroimanes del estator. De esta manera, la unidad de control 14 está en condiciones de activar el motor de modo que el rotor 1a se detenga en una posición absoluta predeterminada.

La polarización de la zona parcial 2a opuesta a la magnetización de las zonas 2b y 2c del imán permanente 2 se realiza análogamente a la magnetización de todo el rotor 1a con ayuda de un electroimán, cuyo campo eléctrico, sin embargo, se extiende solamente sobre la zona parcial 2a y es opuesto a la magnetización de las zonas adyacentes 2b y 2c.

La posición de la zona parcial 2a magnetizada en sentido contrario está de preferencia -como en el ejemplo de ejecución anteriormente expuesto- aproximadamente en el centro del imán permanente 2. Sin embargo, es igualmente imaginable posicionar la zona parcial 2a más cerca o incluso directamente a continuación de los imanes permanentes contiguos 3 ó 7. Asimismo, es posible prever en el imán permanente 2 más de una zona parcial 2a polarizada en sentido contrario. En el caso de motores síncronos de rotación lenta puede ser incluso deseable prever también en otros imanes permanentes, además de 2 (por ejemplo, 5 o bien 4 y 6), zonas parciales con polarización opuesta respecto de la magnetización allí existente para que los sensores de campo magnético 8, 9 y 10 detecten no sólo una vez, sino varias veces (por ejemplo, 2 ó 3 veces) por cada revolución del rotor la posición absoluta del mismo. No obstante, los imanes permanentes que presentan zonas parciales polarizadas en sentidos contrarios tienen que diferenciarse entonces a su vez uno de otro, siendo para ello diferentes la posición, la extensión y/o el número de zonas polarizadas en sentidos contrario en los imanes permanentes en cuestión. En todas estas formas de ejecución alternativas de la invención se tiene que modificar o adaptar de manera correspondiente, naturalmente, la evaluación de la señales del sensor o los sensores de campo magnético.

Para que la zona parcial 2a polarizada en sentido contrario influya lo menos posible en la característica del motor, sobre todo en la estabilidad de marcha y el par de giro del motor síncrono, su extensión deberá ser de una dimensión lo más pequeña posible, pero aún lo bastante grande como para que dicha zona parcial sea detectada en funcionamiento por los sensores de campo magnético 8, 9 y 10. Asimismo, como puede apreciarse por la representación del perímetro interior desarrollado del rotor 1a en la figura 5, se ha previsto en una ejecución ventajosa de la invención que la zona parcial 2a no se extienda sobre toda la altura del imán permanente 2, sino solamente sobre la parte que es explorada por los sensores de campo magnético 8, 9 y 10 (línea de puntos 16).

Claims (6)

1. Motor síncrono con un estator que presenta electroimanes, un rotor (1a) que presenta imanes permanentes (2-7) que forman varios pares de polos, al menos un sensor de campo magnético (8-10) fijado en posición estacionaria, una unidad de evaluación (13) y una unidad de control (14), en donde al menos uno de los imanes permanentes (2) del rotor (1a) se diferencia de los demás en su magnetización y este imán permanente (2) así marcado es detectado en funcionamiento por al menos un sensor de campo magnético (8-10), caracterizado porque algunos imanes permanentes (2-7) situados contiguos en el perímetro del rotor (1a) están polarizados en sentidos contrarios de tal manera que el polo Norte de uno de los imanes permanentes (2-7) está situado en el perímetro exterior del rotor (1a) y el polo Sur está situado en el perímetro interior de dicho rotor, mientras que el polo Norte de un imán permanente contiguo (2-7) se encuentra en el perímetro interior del rotor (1a) y el polo Sur se encuentra en el perímetro exterior de dicho rotor, y porque el imán permanente (2) que se diferencia de los demás imanes permanentes (3-7) presenta al menos una zona (2a) que pose una polarización opuesta a la magnetización de este imán permanente (2).

2. Motor síncrono según la reivindicación 1, caracterizado porque los sensores de campo magnético (8-10) fijados en posiciones estacionarias detectan el imán permanente (2) que se diferencia en su magnetización de los demás imanes permanentes (3-7) del rotor cuando dicho imán permanente pasa por delante de ellos, porque en la unidad de evaluación (13) se determina la posición absoluta del rotor (1a) con ayuda de las señales de al menos un sensor de campo magnético (8-10), y porque se retransmite la posición absoluta del rotor (1a) a la unidad de control (14) y se la considera allí al activar el motor de tal manera que, al parar el motor, el rotor se detenga en una posición definida predeterminable.

3. Motor síncrono según la reivindicación 1, caracterizado porque la zona (2a) con polarización opuesta se encuentra sustancialmente en el centro del imán permanente diferenciable (2).

4. Motor síncrono según la reivindicación 1, caracterizado porque la zona (2a) con polarización opuesta se encuentra en un lado del imán permanente diferenciable (2).

5. Motor síncrono según una de las reivindicaciones 1, 3 ó 4, caracterizado porque la zona (2a) con polarización opuesta se extiende solamente sobre la parte de la altura total del imán permanente diferenciable (2) que es detectada por los sensores de campo magnético (8-10).

6. Motor síncrono según la reivindicación 3, caracterizado porque están previstos tres sensores de campo magnético (8-10) que están montados a una distancia uno de otro que corresponde a un desplazamiento de fase de 120º, porque, en el caso de una detección simultánea de la misma magnetización por los tres sensores de campo magnético, se deduce la pasada de la zona (2a) polarizada en sentido contrario por uno de los sensores de campo magnético, y porque, sobre la base de la magnetización detectada por los sensores de campo magnético antes o después de la pasada de la zona (2a), se deduce el sensor de campo magnético en el que ha tenido lugar la pasada.