ES2258603T3 - Rotor de maquina giratoria electrica. - Google Patents

Abstract

Rotor de máquina giratoria eléctrica, que comprende una pluralidad de masas polares (230; 230¿) y una pluralidad de imanes (270; 270¿) sujetados a las masas polares y fijados en unos alojamientos del rotor formados entre las masas polares, caracterizado porque: a) las masas polares están dispuestas de manera que dichos alojamientos se ensanchan bajo el efecto de la fuerza centrífuga cuando el rotor gira a una velocidad superior a una velocidad superior a una velocidad predeterminada, tendiendo este ensanchamiento a disminuir cuando la velocidad de rotación disminuye, b) los imanes están dispuestos para acoplarse en los intervalos formados por el ensanchamiento de los alojamientos cuando el rotor gira a una velocidad superior a dicha velocidad predeterminada, de manera que las masas polares encierran los imanes cuando la velocidad del rotor desciende por debajo de dicha velocidad predeterminada.

Description

Rotor de máquina giratoria eléctrica.

La presente invención se refiere a las máquinas giratorias eléctricas y más particularmente los motores síncronos que comprenden un rotor con imanes permanentes.

Las patentes US nº 4.302.693 y US nº 4.339.874 describen unos rotores con concentración de flujo, sin precisar la naturaleza del estator. En estos rotores, los imanes presentan una forma de cuña, estando dispuestos entre unas piezas polares soldadas sobre el árbol del rotor. Resulta de ello una fabricación relativamente compleja del rotor. Además, en caso de rotación del rotor a velocidades elevadas, los imanes ejercen sobre las piezas polares unas fuerzas de cizalladura susceptibles de provocar su separación, en caso de fijación de mala calidad. Estos rotores, bastante antiguos, no han conocido, según el conocimiento del solicitante, un desarrollo comercial importante.

Se conoce por la solicitud EP-A-0 872 943 una máquina eléctrica giratoria cuyo rotor comprende unos imanes depositados en la superficie sobre el rotor y el circuito magnético del estator recibe unas bobinas individuales. Una máquina de este tipo no está prevista para girar a velocidades de rotación elevadas puesto que las corrientes inducidas en la superficie del rotor a las grandes velocidades tienden a calentar los imanes, los cuales no resisten temperaturas elevadas. A título de ejemplo, cuando estos imanes están montados en superficie sin estar fraccionados, la velocidad límite de rotación es por ejemplo del orden de 200 vueltas/min. para un rotor con 16 polos y 400 vueltas/min. para un motor con 8 polos, lo que resulta insuficiente para ciertas aplicaciones. Una solución para evitar el calentamiento de los imanes consiste en fraccionarlos pero esto complica la fabricación y aumenta el coste. Además, el número de imanes a prever, en caso de fraccionado, crece con el cuadrado de velocidad, de manera que además de su coste, esta solución resulta físicamente inaplicable en cuanto la velocidad requerida es relativamente elevada, por ejemplo superior a algunos millares de vueltas/minuto. Por otra parte, en la máquina descrita en la solicitud EP-A-0 872 943, unos imanes dedicados únicamente a la detección de la rotación del rotor están montados sobre éste, lo que complica la fabricación del rotor. El estator ejerce sobre el rotor unas fases radiales diámetralmente opuestas, giratorias. Resulta de ello una solicitación mecánica del estator que tiende a ovalizarlo, lo que genera vibraciones y ruido. Finalmente, la anchura de los dientes es constante, lo que presenta dos inconvenientes por lo menos. Por una parte, el material magnético del estator es susceptible de ser saturado en la base de los dientes. Por otra parte, el reemplazado de una bobina impone proceder a una nueva impregnación del estator, afín de inmovilizar correctamente la bobina sobre el estator, y la máquina no puede ser reparada en su lugar y debe volver al
fabricante.

La solicitud EP-A-0 823 771 describe un estator que comprende un arrollamiento sobre cada diente. El circuito magnético del estator está formado por el ensamblado de sectores que definen unos entrehierros a media anchura de las ranuras. En una máquina de este tipo, se busca y se obtiene un efecto de reluctancia buscando maximizar la diferencia L_{d}-L_{q}, donde L_{d} es la inductancia en el eje directo y L_{q} la inductancia en el eje en cuadratura (anotaciones convencionales). El inconveniente es que generan unas ondulaciones de par. Por otra parte, el recortado en sectores tal como el descrito en la solicitud EP-A-0 823 771 fragiliza el estator puesto que las superficies de apoyo de los sectores unos sobre los otros son relativamente estrechas. Por otra parte, el flujo magnético atraviesa tantos entrehierros como sectores, disminuyendo el rendimiento de la máquina.

La patente US 5 829 120 describe un rotor con concentración de flujo, que comprende unas uniones entre las piezas polares para facilitar el posicionado de los imanes. Un rotor de este tipo es relativamente delicado de fabricar, en razón de la presencia de porciones estrechas de chapas en el exterior del rotor, para sostener las piezas polares, en algunas realizaciones.

La patente US 5 091 668 describe también un rotor con concentración de flujo, en el cual las piezas polares ya están unidas al árbol del rotor por unas uniones en cola de milano y los imanes son paralelepipédicos. Un rotor de este tipo no conviene para velocidades de rotación elevadas, puesto que la fuerza centrífuga tiene tendencia a separar las regiones de cada pieza polar que contiene la nervadura correspondiente formada sobre el árbol. Es por tanto necesario acoplar las piezas polares sobre unas barras solidarias del árbol. Una solución de este tipo no es sin embargo completamente satisfactoria, puesto que además del hecho de que complica la fabricación del rotor, las barras tienden a flexionarse cuando la longitud del rotor es importante y/o la velocidad elevada.

Existe por tanto la necesidad de disponer de máquinas giratorias eléctricas fiables, relativamente potentes, poco costosas de fabricar, que eviten totalmente o en parte los inconvenientes mencionados anteriormente.

La invención prevé en particular responder a esta necesidad.

La invención llega a ello gracias a una nueva máquina giratoria eléctrica, en particular un nuevo motor síncrono, que comprende un rotor con concentración de flujo, que comprende unos imanes permanentes dispuestos entre unas piezas polares, y un estator bobinado sobre dientes, estando cada diente desprovisto, en la proximidad de su extremo libre, de expansiones polares.

En un estator bobinado sobre dientes, cada diente sirve de núcleo a un arrollamiento. Además, el número de dientes n_{dientes} es preferentemente función del número de pares de polos n_{pares} y del número de fases n_{fases} según la fórmula n_{dientes} = n_{pares} * n_{fases}. El respeto de esta relación permite no someter al estator a unos esfuerzos que tienden a ovalizarlo, contrariamente a lo que se describe en la solicitud EP-A-0 872 943 citada anteriormente.

La combinación de un rotor con concentración de flujo y de un estator bobinado sobre dientes permite tener una máquina relativamente potente con un pequeño volumen, lo que permite en particular el montaje del motor en voladizo en el extremo de un árbol, provocando una disminución del número de rodamientos. El rotor puede girar a una velocidad elevada, puesto que los imanes están protegidos del flujo pulsante por las piezas polares. No es por tanto necesario utilizar imanes fragmentados a grandes velocidades, como es el caso con los rotores cuyos imanes están montados en superficie.

La utilización del rotor con concentración de flujo permite también realizar fácilmente los imanes y las piezas polares con una forma que permite minimizar la diferencia L_{d} - L_{q}, por tanto no utilizar la reluctancia para generar la fuerza motriz, contrariamente a lo que es el objeto de la solicitud EP-A-0 823 771 citada, y las ondulaciones de par son por tanto mínimas. Ventajosamente, el rotor está realizado de manera que L_{d} sea sensiblemente igual a L_{q}, dando en particular una forma abombada a las caras de las piezas polares vueltas hacia el estator.

Los imanes del rotor presentan ventajosamente una forma de cuña cuando la máquina es observada según el eje de rotación del rotor, de anchura que disminuye en alejamiento del eje geométrico de rotación del rotor, y las piezas polares presentan unos recortes y están acopladas por estos recortes sobre unas nervaduras del árbol y se encuentran fijadas sobre el árbol por complementariedad de formas. La cooperación entre por una parte los imanes en forma de cuña y por otra parte las piezas polares unidas al árbol por complementariedad de formas es particularmente ventajosa porque los imanes pueden, a velocidades elevadas, ejercer sobre las piezas polares unas fuerzas de compresión que tienden a oponerse a la separación de las regiones de las piezas polares situadas a uno y otro lado de las nervaduras sobre las cuales están acopladas. Resulta así posible evitar tener que acoplar las piezas polares sobre unas barras, a diferencia de lo que se describe en la patente US 5 091 668 citada.

Las nervaduras citadas están preferentemente realizadas de una sola pieza con una parte central del árbol, fabricado en material amagnético, por ejemplo de aluminio, en aleación de aluminio, o de acero amagnético, o en materiales compuestos.

Están preferentemente dejados unos espacios entre los bordes radialmente interiores de las piezas polares y el árbol, a fin de facilitar la colocación de los imanes. Una estructura de este tipo se distingue de la descrita en la solicitud de patente europea EP-A-0 327 470, en la cual las piezas polares presentan unas superficies cilíndricas que se apoyan sobre el árbol.

En una realización particular, utilizándose unos imanes en forma de cuña, cada nervadura presenta, en sección transversal, un perfil con unos lados opuestos que tienen unas partes inclinadas con respecto a un radio que pasa por el centro de la nervadura, por ejemplo inclinadas en un ángulo (ii) elegido de manera que permita el empleo, para realizar las nervaduras, de un material menos resistente a los esfuerzos de cizalladura que el utilizado para realizar las piezas polares. El ángulo (ii) es del orden de 70° por ejemplo, cuando el árbol está realizado en aluminio y las piezas polares en acero. El perfil citado presenta ventajosamente unas partes redondeadas, para limitar los riesgos de fisurado. Estas partes redondeadas pueden presentar unos radios de curvatura (R_{a}, R_{c}) diferentes.

Como se ha mencionado más arriba, las piezas polares pueden ventajosamente presentar, cada una, en su lado vuelto hacia el estator, una cara abombada, convexa hacia el estator. El rotor presenta entonces unos lóbulos en su periferia, lo que permite reducir las ondulaciones de par (ripple) como se ha explicado anteriormente, de dentado (cogging) y crear una corriente de aire de enfriado.

En una realización particular, el rotor comprende por lo menos una cara extrema de un material amagnético, cuya periferia se extiende retirada del borde de los imanes que es adyacente al estator. Dicha disposición facilita la detección del campo magnético de los imanes, como será precisado más adelante, y permite poder utilizar unos detectores de campo magnético sin tener que aplicar sobre el rotor unos imanes dedicados únicamente a la medición de la rotación de éste, a diferencia de lo que se describe en la solicitud EP-A-0 872 943 citada.

En una realización particular, el estator comprende unas bobinas individuales. Esto facilita la construcción y el mantenimiento de la máquina.

El estator puede así comprender por lo menos una bobina individual que comprende un haz de hilos aislados, siendo este haz sensiblemente plano y arrollado alrededor de un eje geométrico de arrollamiento de manera que forme una pluralidad de espiras superpuestas, teniendo la sección transversal del haz, a nivel de las espiras superpuestas, una dimensión mayor orientada sensiblemente perpendicularmente al eje de arrollamiento de la bobina. Los hilos son preferentemente de sección circular, de diámetro comprendido por ejemplo entre 0,3 mm y 2,5 mm; esta configuración permite reducir las pérdidas por alta frecuencia en el interior del cobre a las velocidades de rotación elevadas del
rotor.

La sección interior de la bobina es preferentemente sensiblemente rectangular. La misma es ventajosamente más ancha por un lado que por el otro, de manera que permita su montaje sobre un diente que presenta un perfil complementario con un cierto efecto de apriete. Este efecto de apriete es particularmente útil para contribuir a inmovilizar una bobina de reemplazado previamente impregnada, montada sobre estator, sin que sea necesario proceder a una nueva impregnación de este último con una resina aislante. Un efecto de apriete de este tipo no es posible con la máquina descrita en la solicitud de patente EP-A-0 872 943, en la cual los dientes presentan una anchura constante. Además, otra ventaja de tener unos dientes cuya anchura crece a partir de una cierta distancia de su extremo libre en alejamiento del rotor reside en la disminución del riesgo de saturación de las chapas magnéticas utilizadas, en razón de la sección mayor ofrecida a las líneas de campo magnético. Es así posible utilizar un material magnético
menos costoso.

En una realización particular, los hilos están pelados en los extremos de conexión eléctrica de la bobina y curvados para formar unos ganchos. Esto permite facilitar en particular la colocación de la bobina y su reemplazado. Dichos ganchos pueden estar dirigidos hacia un plano medio de la bobina, en particular al eje de arrollamiento.

Los extremos de conexión curvados en forma de gancho son ventajosamente soldados sobre unas porciones localmente peladas de cables eléctricos envainados.

La bobina presenta ventajosamente una sección interior cuya dimensión del lado mayor es superior a la dimensión axial del diente sobre el cual está acoplada, a fin de dejar un espacio suficiente para permitir el paso de un detector que permita suministrar una señal representativa de la rotación del rotor.

La máquina comprende así ventajosamente, por lo menos un detector de campo magnético, montado sobre estator de manera que detecte el campo magnético de los imanes del rotor desde un emplazamiento que queda en recubrimiento, cuando la máquina es observada según el eje de rotación del rotor, de una región periférica del rotor. Esta región periférica es ventajosamente la que se extiende alrededor de una cara extrema situada retirada del borde radialmente exterior de los imanes, como se ha indicado más arriba.

Siendo la corriente de n fases, la máquina comprende preferentemente n detectores montados sobre n dientes consecutivos en la proximidad de una abertura de un cárter de la máquina. Este o estos detectores pueden estar fijados sobre una cara frontal del circuito magnético del estator y extenderse cada uno según el eje radial del diente correspondiente. Los mismos atraviesan ventajosamente las bobinas acopladas sobre los dientes, como se ha mencionado más arriba. La máquina gana así en compacidad.

Los detectores pueden comprender cada uno, además de un captador de campo magnético, un captador de temperatura, y el emplazamiento del captador de temperatura, entre la bobina y el diente, permite dar una buena imagen de la temperatura real del circuito eléctrico de la fase correspondiente.

En una realización particular, los dientes del estator presentan unos recortes que permiten fijar sobre el estator unas calas de sostenimiento de bobinas individuales montadas sobre los dientes, presentando cada cala un tabique separador que se extiende sensiblemente en el centro de la ranura correspondiente.

Siempre en una realización particular, el circuito magnético del estator comprende unos sectores ensamblados, que definen unos entrehierros que cortan los dientes a media anchura. Estos sectores presentan ventajosamente unos relieves que cooperan sobre sus lados de acercamiento. La fabricación del circuito magnético del estator con unos sectores recortados permite en particular disminuir las caídas. La presencia de los entrehierros a media anchura de los dientes permite también no cortar las líneas de campo magnético que circulan entre dos semidientes de un mismo sector. Además, las superficies de apoyo son de mayor dimensión que en el caso en el que los entrehierros se sitúan a media anchura de las ranuras, lo que es en particular el caso de la máquina descrita en la solicitud EP-A-823 771. Esto permite mejorar el sostenimiento de los sectores y hace posible asegurar su cohesión por simple inserción a forzamiento en un cárter cilíndrico.

La invención tiene también por objeto un rotor de máquina giratoria eléctrica, que comprende una pluralidad de masas polares y una pluralidad de imanes unidos a las masas polares y fijados en unos alojamientos del rotor formados entre las masas polares, caracterizado porque:

a)

las masas polares están dispuestas de manera que dichos alojamientos se ensanchan bajo el efecto de la fuerza centrífuga cuando el rotor gira a una velocidad superior a una velocidad predeterminada, tendiendo este ensanchamiento a disminuir cuando la velocidad de rotación disminuye,

b)

los imanes están dispuestos para acoplarse en los intervalos formados por el ensanchamiento de los alojamientos cuando el rotor gira a una velocidad superior a dicha velocidad predeterminada, de manera que las masas polares encierran los imanes cuando la velocidad del rotor desciende de nuevo sin llegar a dicha velocidad predeterminada. Las masas polares pueden estar dispuestas sobre unas nervaduras del árbol o unas barras aplicadas, solidarizadas al árbol.

Cada nervadura es ventajosamente apta para cooperar por complementariedad de formas con un recorte correspondiente realizado en la masa polar asociada, como se ha explicado más arriba. Resulta de ello un sostenimiento mejorado de las masas polares sobre el árbol del rotor, gracias a las fuerzas inducidas sobre las masas polares por la forma en cuña de los imanes.

Otras ventajas de la presente invención resaltarán con la lectura de la descripción detallada que sigue, de ejemplos de realización no limitativos de la invención, y con el examen del plano anexo, formando este último parte integrante de la descripción, en el cual:

- la figura 1 es una vista esquemática en perspectiva de un motor síncrono de acuerdo con un ejemplo de realización de la invención,

- la figura 2 es una vista esquemática por encima según la flecha II de la figura 1,

- la figura 3 es una sección axial esquemática del motor según III-III de la figura 2,

- la figura 4 es una vista ampliada del detalle IV de la figura 2,

- la figura 5 representa aisladamente, en perspectiva y de manera esquemática, el estator,

- la figura 6 representa aisladamente, en perspectiva, un sector del circuito magnético del estator,

- la figura 7 ilustra el ensamblaje del sector de la figura 6 con un sector idéntico,

- la figura 8 representa aisladamente, en perspectiva, una bobina individual,

- la figura 9 es una sección según IX-IX de la figura 8,

- la figura 10 representa de forma esquemática un rosario de bobinas utilizado para la fabricación del estator,

- la figura 11 ilustra de forma esquemática la colocación de los rosarios de bobinas sobre el estator, en el curso de la fabricación del estator,

- la figura 12 es una vista análoga a la figura 11, muy esquemática y simplificada, habiendo sido todos los rosarios colocados, para ilustrar el trayecto circular de los cables de traída de corriente,

- la figura 13 es una vista esquemática frontal del rotor,

- la figura 14 representa aisladamente, en vista frontal, el árbol del rotor,

- la figura 15 es una sección axial esquemática según XV-XV de la figura 14,

- la figura 16 representa aisladamente, en vista por encima, una pieza polar del rotor,

- la figura 17 ilustra el ensamblaje de las piezas polares sobre el árbol del rotor,

- la figura 18 es una sección transversal, esquemática, del árbol del rotor después de colocación de los imanes y de las piezas polares,

- la figura 19 es un esquema no limitativo que da un ejemplo de conexión eléctrica de las bobinas (numeradas de 1 a 12) entre sí,

- la figura 20 es una sección transversal esquemática de una variante de realización del rotor, y,

- la figura 21 representa un detalle de la figura 20.

Se han representado en las figuras 1 a 4 un motor síncrono 10 de acuerdo con la invención, que comprende un estator 100 y un rotor 200. El motor 100 no tiene escobillas, de rotor con concentración de flujo y con estator bobinado sobre dientes, y funciona con corriente trifásica.

El estator 100 comprende un cárter 110 de acero, que presenta una abertura lateral 111 para el paso en particular de los conductores eléctricos de alimentación de los arrollamientos del estator. El cárter está provisto exteriormente, de patas de fijación 112 y de un gancho de elevación 113.

El estator 100 comprende un circuito magnético que comprende, en el ejemplo representado, una pluralidad de sectores 120 idénticos, de los que uno de ellos está representado aisladamente en perspectiva en la figura 6.

Cada sector 120 está constituido por un paquete de chapas magnéticas idénticas superpuestas y pinzadas entre ellas de manera que constituyan un conjunto unitario, obteniéndose el pinzado según una técnica conocida en sí misma gracias a unas deformaciones puntuales de cada chapa en varios puntos de enganchado 121. La utilización de un paquete de chapas magnéticas permite limitar las pérdidas por corrientes inducidas. En una variante, el circuito magnético del estator puede estar formado por la superposición de chapas, cada una de forma general anular, en las cuales estarían recortados todos los dientes 130 del estator. En otra variante, los sectores podrían presentar varios dientes cada uno. Dos sectores 120 forman, cuando están ensamblados, un diente 130 de anchura no constante, que sirve para el montaje de una bobina individual 340, como se puede ver en la figura 5 en particular. El número de dientes n_{dientes} es en el ejemplo descrito igual a 12, estando el motor destinado a ser alimentado con corriente trifásica y comprendiendo el rotor 8 polos. Desde luego, el número de polos del rotor podría ser diferente y en particular igual a 12 ó 16 por ejemplo. El estator podría también, aunque ello presente ciertos inconvenientes como se ha explicado más arriba, tener un número de dientes en el estator que no esté ligado al número de pares de polos n_{pares} del rotor y el número de fases n_{fases} por la relación n_{dientes} = n_{pares} * n_{fases}.

Cada sector 120 presenta, en sus lados 123a y 123b destinados a cooperar con los sectores 120 adyacentes, unos relieves respectivos 124a y 124b. Estos relieves 124a y 124b presentan unas formas complementarias, con un perfil generalmente triangular en vista por encima, uno en hueco y el otro en resalte, con dos lados sensiblemente rectilíneos unidos por un redondeado. La cooperación de los relieves 124a y 124b contribuye al buen posicionado de los sectores 120 entre sí cuando tiene lugar el ensamblaje del circuito magnético del estator. Cada sector 120 presenta también, en sus lados 123a y 123b, unas gargantas 125a y 125b respectivas, cada una de sección transversal semicircular, situadas en la proximidad de los relieves 124a y 124b y que forman unos orificios 125 de sección circular cuando los sectores 120 están ensamblados. Estos orificios 125 sirven para el montaje de tres detectores 190, como será precisado a continuación.

Se destacará en la figura 7 que el entrehierro E, en la intercara entre dos sectores 120 adyacentes, pasa por el centro del diente 130 correspondiente, lo que permite reducir las pérdidas magnéticas puesto que el flujo magnético puede circular sin encontrar entrehierro de un semidiente al semidiente adyacente de un mismo sector 120, cuando tiene lugar el funcionamiento de la máquina. Además, los sectores pueden ser realizados con unos elementos recortados prácticamente sin desecho con unas herramientas de corte relativamente pequeñas, capaces de grandes cadencias.

El conjunto de los sectores 120 es insertado a forzamiento en el cárter cilíndrico 110 y la cohesión del circuito magnético formado por el conjunto de los sectores 120 está asegurada por las fuerzas de compresión radiales y ejercidas por el cárter 110 sobre los sectores 120, siendo las superficies de apoyo de los sectores entre sí relativamente grandes.

Cada sector 120 define una ranura 140 cuyos lados opuestos 141a y 141b forman cada uno un ángulo i de más de 90° en las regiones adyacentes 142a y 142b del fondo de la ranura 140, a su vez perpendiculares a los radios que pasan por la línea de unión del diente interesado con el fondo de la ranura. En el ejemplo de realización descrito, el ángulo i vale 90,4°, no siendo desde luego este valor más que un ejemplo.

Los lados 123a y 123b de los sectores están generalmente alineados cada uno con un radio, aparte de los relieves 124a, 124b, 125a y 125b, y la anchura de cada diente 130 crece netamente, aparte de los recortes 144a ó 144b realizados en la proximidad de su extremo libre 131 vuelto hacia el rotor, a medida que se aleja del rotor. Se destacará con el examen de la figura 7 que cada diente 130 no presenta, en la proximidad de su extremo libre 131 expansionamientos polares, contrariamente a un gran número de estator conocidos que presentan unas ranuras semicerradas. El ejemplo representado, las partes extremas 132a y 132b de cada diente 130, situadas entre su extremo libre 131 y los recortes 144a ó 144b, están alineadas con los lados 141a y 141b respectivamente.

El extremo libre 131 es una porción de cilindro de revolución, de igual eje que el eje de rotación del rotor, y cóncavo hacia el rotor.

El fondo de cada ranura presenta una región media 142c que une las regiones 142a y 142b y perpendicular a un radio que corta la ranura 140 a media anchura, representado en trazo discontinuo en la figura 7.

Como se ha mencionado anteriormente, cada diente 130 recibe una bobina individual 340, que ocupa en cada ranura 140 adyacente al diente 130 considerado, sensiblemente la mitad del volumen de esta ranura.

Se ha representado aisladamente a la figura 8 una bobina individual 340. Esta está formada por el arrollamiento alrededor de un eje geométrico de arrollamiento W de un haz 341 de hilos eléctricos esmaltados 342, siendo este haz sensiblemente plano en sección transversal, como se puede ver en la figura 9.

Cuando el haz 341 es observado en sección transversal a nivel de las espiras, su mayor dimensión está orientada sensiblemente perpendicularmente al eje de arrollamiento W.

En el ejemplo considerado, el haz 341 comprende una decena de conductores individuales 342, cada uno de sección circular. El haz 341 que forma una veintena de espiras 343 superpuestas. Los conductores 342 están aislados eléctricamente uno de los otros a nivel de las espiras gracias a la utilización de hilo esmaltado. Los conductores 342 están pelados en sus extremos para formar unos extremos de conexión eléctrica 344a y 344b, curvados cada uno en forma de gancho hacia un plano medio de la bobina, perpendicular al eje de arrollamiento W. Estos ganchos, al final del proceso de fabricación de la bobina son abiertos hacia el cuerpo de ésta.

Se ve en la figura 8 que todos los conductores 342 del extremo 344a están curvados hacia arriba y después hacia el cuerpo de la bobina mientras que los hilos del extremo 344b están curvados hacia abajo y después hacia el cuerpo de la bobina. Los extremos 344a y 344b no forman sensiblemente resalte fuera del plano de las dos caras extremas de la bobina. Las espiras que constituyen el cuerpo de bobina pueden ser mantenidas en estado superpuesto, antes de impregnación por una resina, por unas bandas de tela adhesiva 345. Unos manguitos de vaina aislante 346 están acoplados sobre las partes del haz 341 que se extiende entre los extremos 344a y 344b y el cuerpo de la bobina.

La sección interior de la bobina 340 presenta una forma general rectangular, como se puede ver en la figura 10. Las bobinas 340 están bobinadas en unas formas que presentan dos caras mayores opuestas planas que forman entre ellas el mismo ángulo que los lados 141a y 141b de un diente, de manera que la anchura de la sección interior de cada bobina varía sensiblemente de una cara extrema a la cara opuesta. Se puede percibir probando de montar una bobina al revés sobre un diente 130 del estator 100.

Se puede ver en la figura 10 que las bobinas 340 están conectadas eléctricamente por un extremo de conexión eléctrico 344a ó 344b a unos conductores eléctricos envainados 150, parcialmente pelados, antes de ser montadas sobre los dientes 130 del estator 100. Los ganchos formados por los extremos 344a y 344b están por ejemplo dispuestos de manera que encajen sensiblemente con el diámetro exterior de los conductores eléctricos 150 en las partes peladas 151. Estas partes peladas pueden estar formadas no solamente en los extremos de los conductores eléctricos 150 sino también entre estos últimos, por extracción en una longitud limitada de la vaina aislante de material plástico.

En el ejemplo descrito, se forman unos rosarios de dos bobinas 340 que son a continuación montados sobre los dientes 130 correspondientes, como se ilustra en la figura 11. Unas hojas 349 de aislante están interpuestas entre los dientes y el fondo de las ranuras y las bobinas. Se pueden ver los extremos de estas hojas 349 en las figuras 5 y 11.

A medida que tiene lugar el montaje de las bobinas 340 sobre los dientes 130, unas calas de sostenimiento 160 son deslizadas en los recortes 144a, 144b para cerrar las ranuras 140. Estas calas 160 presentan, como se puede ver en la figura 4, unos tabiques 161 que se extienden entre las partes de las dos bobinas 340 alojadas en la ranura 140 interesada.

Una vez todas las bobinas 340 colocadas, los cables 150 se extienden según unos trayectos sensiblemente circulares a un lado del circuito magnético del estator, retirado de los extremos libres 131 de los dientes, como se ha representado en la figura 12, estando estos cables fijados entre sí por unos collares, y se procede a la impregnación del estator con una resina aislante, de manera convencional. El esquema preciso de conexión eléctrica de las doce bobinas entre sí se da en la figura 20, pero no se trata más que de un ejemplo.

Se comprende que la utilización de bobinas individuales 340, instaladas de la manera que acaba de ser descrita, sobre unos dientes de anchura no constante, es particularmente ventajosa puesto que facilita en gran manera el reemplazado de las bobinas 340. En efecto, para reemplazar una bobina 340 es suficiente, con el rotor 200 extraído, de soldar los extremos 344a y 344b de una bobina de las porciones peladas 151 correspondientes, extraer las calas 160 interesadas y extraer la bobina 340. Una bobina 340 de reemplazado, impregnada de resina puede ser a continuación colocada siendo acopladas sobre el diente 130 anteriormente liberado, y después sus extremos 344a y 344b soldados sobre las porciones peladas 151. La convergencia de los lados 141a y 141b del diente 130 hacia el rotor y la forma correspondiente a la sección interior de la bobina contribuyen a su inmovilización sobre el diente 130. La reparación puede realizarse en el lugar, sin tener que enviar de nuevo la máquina al fabricante, y sin tener que proceder a una nueva impregnación del estator, lo que permite acortar el tiempo de reparación. El motor 10 puede ventajosamente ser entregado con una o varias bobinas 340 de reemplazado.

Se describirá ahora, con referencia a las figura 13 a 18, el rotor 200. Este comprende un árbol 210 amagnético, representado aisladamente en vista frontal en la figura 15, que presenta una parte central 211, de forma general anular, y en su periferia una pluralidad de nervaduras 220 que sirven para el enganchado de las piezas polares 230 constituidas cada una por un paquete de chapas magnéticas idénticas superpuestas y pinzadas. La utilización de chapas magnéticas superpuestas permite reducir las pérdidas por corrientes inducidas. Las nervaduras 220 presentan en sección transversal una forma general de T. Las piezas polares 230 no están conectadas magnéticamente entre sí, teniendo en cuenta la utilización de un material amagnético para realizar el árbol.

Se ha representado aisladamente, en vista por encima, una pieza polar 230 en la figura 16. Cada pieza polar 230 presenta un recorte 250 que tiene una forma adaptada para acoplarse sobre una nervadura 220, por deslizamiento paralelamente al eje de rotación del rotor. Las nervaduras 220 están realizadas de una sola pieza con la parte central 211 de aluminio, por mecanizado en el ejemplo considerado, pero otras técnicas tales como el trefilado o la inyección podrían ser utilizadas. Se destacará que las piezas polares 230, en el ejemplo descrito, no están acopladas sobre otra cosa que las nervaduras del árbol. Las nervaduras 220 podrían ser reemplazadas por unas barras aplicadas, solidarizadas a las caras extremas, cuando el rotor es relativamente corto o no está destinado a girar a una velocidad elevada, como será explicado más adelante.

En el ejemplo de realización descrito, el recorte 250 es simétrico con respecto a un plano medio que pasa por su centro y que contiene un radio. El mismo presenta un fondo 251 que está destinado a entrar en contacto con la cara radialmente exterior 221 de la nervadura 220 correspondiente. El fondo 251 se une a unos lados opuestos 252, que presentan cada uno una primera parte redondeada 252a, de radio de curvatura R_{a}, una parte intermedia rectilínea oblicua 252b que forma un ángulo no nulo ii con el radio que pasa por en centro del fondo 251 y una segunda parte redondeada 252c de radio de curvatura R_{c}. En el ejemplo de realización descrito, R_{a} vale 3 mm, R_{c} vale 5 mm y el ángu-
lo ii vale 70°. El recorte 250 presenta una abertura estrechada, lo que permite el enganchado sobre una nervadura 220.

De manera general, el ángulo ii dependerá de la naturaleza de los materiales empleados para realizar el árbol 210 y las piezas polares 230, y podrá ser determinado por un cálculo por elementos acabados. La forma de la sección de cada nervadura 220 es sensiblemente complementaria de la del recorte 252, a parte de la presencia de un chaflán 221a en el borde de la cara radialmente exterior 221 de la nervadura 220. Cada lado 222 de la nervadura presenta así una parte redondeada 222a de igual radio de curvatura R_{a} que la parte redondeada 252a, una parte rectilínea 222b paralela a la parte 252b cuando la pieza polar 230 está en posición sobre el árbol 210 y una parte redondeada 222c de igual radio de curvatura R_{c} que la parte 252c. Los bordes radialmente interiores 233 de la pieza polar 230, situados a uno y otro lado de la ranura 250, se extienden retirados de las regiones 213 del árbol 210 situada de entre las nervaduras 220, como se puede ver en las figuras 17 y 18 en particular. Un espacio libre 260 se deja así entre las dos nervaduras 220 adyacentes, las piezas polares 230 acopladas sobre estas nervaduras y el árbol 210.

Unos imanes permanentes 270 de sección ligeramente trapezoidal están dispuestos radialmente, estando insertados entre las piezas polares 230, como se ha representado en la figura 18. Cada imán 270 presenta, cuando se observa según el eje de rotación del rotor, una forma ligeramente en cuña, disminuyendo su anchura yendo radialmente hacia el exterior. Cada imán 270 que presenta una imantación transversal puede ser monobloque o estar constituido por varios elementos magnéticos puestos extremo contra extremo. Los polos magnéticos de igual polaridad de dos imanes 270 adyacentes están dirigidos hacia la pieza polar 230 situada entre estos imanes 270, como se ha ilustrado en la figura 18. En el ejemplo considerado, cada imán 270 está constituido por tres elementos magnéticos 270a, 270b y 270c puestos extremo con extremo en el sentido el eje X de rotación del rotor, como se puede ver en la figura 3. En el ejemplo representado, los imanes 270 se extiende en prácticamente toda la dimensión radial de los lados 238 de las piezas polares 230 y en su contacto.

El ángulo que forman entre ellas las caras planas opuestas de los imanes 270 que entran en contacto con las piezas polares 230 es relativamente pequeño, de algunos grados. El ángulo iii entre el lado 238 de una pieza polar 230 y el borde 233 adyacente es igual en el ejemplo representado en la figura 16 a 92,4°.

El lado radialmente exterior 235 de una pieza polar 230 es de sección transversal circular de radio de curvatura inferior al radio máximo del rotor, de tal manera que cada pieza polar 230 presenta una cara exterior 235 que forma un lóbulo ligeramente convexo hacia el exterior, como se puede ver en la figura 18. La forma abombada de las piezas polares 230 permite disminuir las ondulaciones de par y crear una corriente de aire de enfriado. En el ejemplo descrito, la forma de los lóbulos 235 y la relación de la dimensión radial de los imanes a su anchura se elige de manera que se tenga L_{q} = L_{d}, de manera que el motor gire sin efecto de reluctancia.

Los alojamientos formados entre las piezas polares 230, y en los cuales están dispuestos los imanes 270, tienden a ensancharse bajo el efecto de la fuerza centrífuga cuando el rotor 200 gira a una velocidad superior a una velocidad predeterminada, teniendo en cuenta la elasticidad de los materiales utilizados, tendiendo éste ensanchamiento a disminuir cuando la velocidad de rotación disminuye.

Los imanes 270 tienen una dimensión radial elegida de tal manera que cuando son colocados en los alojamientos correspondientes del rotor, su extremo radialmente exterior se sitúa retirado del borde radialmente exterior, adyacente a los imanes, de las piezas polares.

Los imanes 270, están dispuestos para acoplarse en los intervalos formados por el ensanchamiento de los alojamientos citados cuando el rotor gira a una velocidad superior a dicha velocidad predeterminada, de manera que las piezas polares 230 encierran los imanes 270 cuando la velocidad del rotor desciende de nuevo sin llegar a dicha velocidad predeterminada. La presencia de los espacios 260 facilita la colocación de los imanes 270. Se comprende que se dispone así de un medio simple y eficaz para sujetar los imanes 270 a las piezas polares 230. Para fijar los imanes 270, se puede hacer girar el rotor 200 a una velocidad por ejemplo superior en 10% a su velocidad de rotación nominal, incluso una velocidad superior en el 20% de ésta. Los imanes 270 son fácilmente colocados, puesto que no es necesario insertarlos inicialmente entre las piezas polares 230 con una fuerza importante, efectuándose el posicionado definitivo de los imanes 270 por sí mismo cuando el rotor 200 es arrastrado en rotación. Además, haciendo girar más o menos rápidamente el motor, se puede, si es necesario, obtener un desplazamiento más o menos grande de las piezas polares 230 y de los imanes 270 y actuar ligeramente sobre el diámetro exterior del rotor. Esto puede permitir realizar los imanes 270 y las piezas polares 230, así como el estator 100, con unas tolerancias de fabricación más amplias, puesto que es posible ajustar el diámetro exterior del rotor 200 a un valor deseado haciéndolo girar más o menos rápidamente.

Los imanes 270 presentan una resistividad eléctrica poco elevada, pero no están sometidos a un calentamiento que corre el riesgo de desmagnetizarlos gracias a la protección conferida con respecto al flujo pulsante por las piezas polares 230, a las velocidades elevadas.

La forma en cuña de los imanes 270 permite ejercer sobre las partes de las piezas polares 230 que contienen las nervaduras 220 unas fuerzas de compresión que tienden a cerrar los recortes 250 sobre las nervaduras 220, y ello tanto más cuanto más elevada es la velocidad, de manera que el conjunto es autobloqueante. Las fuerzas de compresión citadas permiten reducir la anchura de las partes de las piezas polares situadas a uno y otro lado de una nervadura, por tanto aprovechar una anchura más importante a nivel de la unión de la nervadura con el árbol y utilizar para realizar este último un material menos resistente mecánicamente que el acero amagnético, pero menos costoso y más ligero, tal como el aluminio.

Unas platinas extremas 280 y 290 están fijadas sobre el árbol 210 a uno y otro lado de éste, para bloquear axialmente en tanto sea necesario las piezas polares 230 y los imanes 270. Estas platinas definen una etapa de la máquina. El rotor 200 puede comprender varias etapas separadas por unas platinas intermedias y el número de imanes 270 por etapa puede estar comprendido por ejemplo entre 4 y 64, pudiendo ser igual a 8 como en el ejemplo representado para un motor de 8 polos. Cuando se utilizan varias etapas y están separadas por unas platinas intermedias, el número de caras será preferentemente igual al número de las etapas más uno.

Las platinas 280, 290 pueden estar realizadas por ejemplo en aluminio o en acero amagnético. Las platinas 280 y 290 están fijadas sobre el árbol 210 por medio de tornillos 281. Unos roscados 500 están realizados en las platinas 280, 290, en su periferia, para permitir la fijación de tornillos de equilibrado.

Como se puede ver en la figura 13 en particular, la platina 280 presenta un borde radialmente exterior 282 circular, situado retirado del borde radialmente exterior 235 de las piezas polares 230 y del borde radialmente exterior de los imanes 270, el cual se sitúa sensiblemente a nivel de los extremos 235a de las caras abombadas.

Una zona anular A está así realizada alrededor de la cara 280, permitiendo la lectura del campo magnético de los imanes 270 del rotor por medio de detectores 190 que se pueden ver en la figura 4. Se ve en esta figura 4 que los detectores 190 pueden recubrir ligeramente el rotor 200, gracias al posicionado retirado de la platina 280.

Los detectores 190 están, en el ejemplo de realización descrito, en número de tres, siendo el motor trifásico, y comprenden cada uno un captador de efecto Hall dispuesto para detectar el campo magnético por encima de la región periférica A del rotor 200, alrededor de la platina 280. La lectura del campo magnético se realiza según un eje paralelo al eje de rotación del rotor, quedando el captador de efecto Hall en recubrimiento de la región periférica A. Los detectores 190 están montados, en el ejemplo ilustrado, sobre tres dientes consecutivos 130 situados en la proximidad de la abertura 111.

Cada detector 190 está fijado por un tornillo 191 sobre un diente 130 del estator, estando este tornillo 191 acoplado en un orificio 125. Cada detector 190 se extiende según el eje radial Z_{u}, Z_{v} ó Z_{w} del diente asociado y atraviesa la bobina 340 acoplada sobre este diente. Las bobinas 340 presentan a este fin una sección interior cuya longitud es suficientemente grande para permitir el paso del detector 190. El espacio dejado entre una bobina y el diente correspondiente para el paso del detector puede ser del orden de 5 mm, por ejemplo, permitiendo dicho espacio aislar la bobina y el diente allí donde no hay aislante 349.

La lectura directa del campo magnético de los imanes permanentes 270 es ventajosa puesto que permite evitar tener que aplicar sobre el rotor unos elementos específicos que sirvan únicamente para la lectura de la posición angular del rotor. La fabricación del rotor se encuentra por ello simplificada y la fiabilidad reforzada. Además, el montaje de los detectores 190 en el espacio comprendido entre las bobinas 340 y los dientes 130 resulta particularmente compacto, permitiendo al mismo tiempo un acceso fácil a los detectores 190 a fin de reemplazarlos si es necesario.

Cada detector 190 está posicionado en el interior de una bobina 340 de fase dada (u, v, y w). Cada detector 190 permite detectar qué polaridad del rotor se sitúa frente a la bobina asociada (y por tanto de la fase interesada) en un instante dado. Cada detector 190 suministra una señal baja o alta según la pluralidad detectada. Cada detector 190 comprende un circuito electrónico de conformado de las señales suministradas por el captador de efecto Hall, a fin de reducir la sensibilidad a los parásitos. Según la posición del rotor, hay seis posibilidades de combinación de las diferentes señales suministradas por los detectores 190 y cada cambio de triplete constituido por el estado de los detectores 190 corresponde a una posición angular del rotor. Se puede así conocer en unos instantes precisos la posición angular del rotor, y calcular por interpolación la posición del rotor entre estos instantes, conociendo su velocidad. La excitación de los bobinados 340 puede así efectuarse de manera óptima, con el defasaje deseado. La corriente en cada bobina puede así anularse cambiando de sentido cuando un imán se encuentra en el eje del diente correspondiente. A diferencia del motor con reluctancia, que solo trabaja en atracción, el motor que acaba de ser descrito trabaja sin reluctancia (siendo L_{d} igual a L_{q} en el ejemplo considerado) en atracción y en repulsión, y permite generar un par importante.

Cada detector 190 comprende además un captador de temperatura.

El conocimiento de las temperatura de las bobinas 340 de las diferentes fases permite detectar una eventual avería del motor.

El rotor 200 comprende, en una por lo menos de las platinas 280 y 290 unas aletas 291 de enfriado, visibles en la figura 1 en particular. Se observará que una acción de enfriado suplementaria se obtiene gracias a la presencia de los lóbulos 235 formados por las piezas polares 230 en la periferia del rotor, que permiten generar una corriente de aire de enfriado en el núcleo mismo del motor.

El motor que acaba de ser descrito con referencia a las figura 1 a 19 presenta numerosas ventajas, entre las cuales:

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su estructura particularmente compacta permite montarlo en voladizo en el extremo de un árbol, por tanto disminuye el número de rodamientos y las pérdidas mecánicas por fricción, así como los problemas de lubrificación,

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el rotor puede girar a una velocidad de rotación elevada sin temer una separación de los imanes ni un calentamiento excesivo de estos últimos, estando éstos poco expuestos a las corrientes inducidas de superficie,

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las bobinas individuales pueden ser fácilmente colocadas y reemplazadas, sin tener que proceder a una reimpregnación del estator,

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la masa de los imanes puede ser relativamente pequeña, y no es necesario fraccionarla,

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el número de dientes y de bobinas es relativamente bajo, lo que facilita la fabricación,

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las cabezas de las bobinas son muy cortas, lo que permite obtener un pequeño volumen axial,

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las fases pueden estar bien separadas eléctricamente, sin contactos ni cruces,

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las espiras de las bobinas pueden estar muy juntas, lo que permite un buen llenado de las ranuras,

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las ondulaciones de par pueden ser hechas despreciables.

La invención permite por ejemplo fabricar unas máquinas giratorias eléctricas a partir de una gama de circuitos magnéticos de estatores y de rotores prefabricados, de diferentes diámetros presentando los estatores unos dientes estándar. Se elegirán por ejemplo las dimensiones axiales de los circuitos magnéticos del rotor y del estator en función de la potencia a proporcionar, apilando un número más o menos importante de sectores y de piezas polares. Solamente las bobinas podrán por ejemplo ser fabricadas a medida para un circuito magnético de estator realizado a partir de elementos prefabricados, determinando el número de espiras de la bobina, el diámetro de los hilos conductores del haz plano y el número de estos hilos, en función de las características requeridas por el usuario de la máquina.

La invención no está limitada a un motor síncrono y se aplica también a una generatriz. El rotor puede ser interior o exterior.

La potencia eléctrica de la máquina puede estar comprendida por ejemplo entre 1 y 750 kW. La velocidad de rotación del rotor puede estar comprendida por ejemplo entre 1000 y 10000 vueltas/min. Una máquina de acuerdo con la invención puede encontrar también aplicaciones cuando la velocidad es inferior a 1000 vueltas/min. El diámetro exterior de la máquina puede estar comprendido por ejemplo entre 50 mm y 1 m; en las aplicaciones más corrientes, el diámetro exterior podrá estar comprendido entre 100 y 600 mm.

La invención no está limitada a un número de polos particulares ni a la alimentación del estator con corriente trifásica. La corriente puede ser polifásica con n_{fases} fases, y n diferente de tres.

El árbol puede estar realizado en otros materiales amagnéticos que el aluminio, por ejemplo unas aleaciones de aluminio.

Aunque ello sea menos ventajoso, unos imanes paralelepipédicos o que tienen otras formas aún podrían ser utilizados, eventualmente en combinación con unos imanes en forma de cuña.

Los dientes del estator podrían presentar una cara vuelta hacia el rotor distinta de la cilíndrica de revolución alrededor del eje del rotor.

Las ranuras podrían ser semicerradas.

En una variante de realización, las piezas polares 230' están apiladas sobre unas barras 220', sostenidas por unas platinas extremas solidarias del árbol, como se ha ilustrado en la figura 20. En esta figura, se ve que los imanes 270' que presentan una forma en cuña, están dispuestos entre las piezas polares 230' acopladas sobre las barras 220'. Las piezas polares pueden presentar una escotadura, como se ha representado en la figura 21, a fin de retener los imanes 270' antes de centrifugación.

Claims (13)

1. Rotor de máquina giratoria eléctrica, que comprende una pluralidad de masas polares (230; 230') y una pluralidad de imanes (270; 270') sujetados a las masas polares y fijados en unos alojamientos del rotor formados entre las masas polares, caracterizado porque:

a) las masas polares están dispuestas de manera que dichos alojamientos se ensanchan bajo el efecto de la fuerza centrífuga cuando el rotor gira a una velocidad superior a una velocidad superior a una velocidad predeterminada, tendiendo este ensanchamiento a disminuir cuando la velocidad de rotación disminuye,

b) los imanes están dispuestos para acoplarse en los intervalos formados por el ensanchamiento de los alojamientos cuando el rotor gira a una velocidad superior a dicha velocidad predeterminada, de manera que las masas polares encierran los imanes cuando la velocidad del rotor desciende por debajo de dicha velocidad predeterminada.

2. Rotor según la reivindicación 1, caracterizado porque la forma de las piezas polares (230) y la de los imanes (270) son elegidos de manera que minimicen la diferencia L_{d} - L_{q}, en la que L_{d} es la inductancia en el eje directo y L_{q} es la inductancia en el eje en cuadratura.

3. Rotor según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque las masas polares (230) están dispuestas sobre unas nervaduras (220) del árbol.

4. Rotor según la reivindicación 3, caracterizado porque cada nervadura está configurada para cooperar, por complementariedad de formas, con un recorte correspondiente realizado en la masa polar asociada.

5. Rotor según la reivindicación 3 ó 4, caracterizado porque las nervaduras (220) y la parte central (211) del árbol (210) están realizados en un material amagnético, en particular aluminio.

6. Rotor según cualquiera de las reivindicaciones 3 a 5, caracterizado porque cada nervadura (220) presenta, en sección transversal, un perfil con unos lados opuestos (222) que tienen unas partes inclinadas que forman un ángulo (ii) con un radio que pasa por el centro de la nervadura (222), siendo este ángulo elegido de manera que permita el empleo, para realizar las nervaduras, de un material menos resistente a los esfuerzos de cizalladura que el utilizado para realizar las piezas polares (230).

7. Rotor según la reivindicación 6, caracterizado porque el ángulo (ii) es del orden de 70º.

8. Rotor según una de las reivindicaciones 6 y 7, caracterizado porque dicho perfil presenta unas partes redondeadas (222a, 222c).

9. Rotor según la reivindicación 8, caracterizado porque las partes redondeadas (222a, 222c) presentan unos radios de curvatura (R_{a}, R_{c}) diferentes.

10. Rotor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las piezas polares (230) presentan cada una, en su lado radialmente exterior, una cara (235) abombada, convexa hacia el estátor.

11. Rotor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se dejan unos espacios (260) entre los bordes radialmente interiores de las piezas polares (230) y el árbol (210).

12. Rotor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende por lo menos una platina extrema (280) de un material amagnético, cuya periferia se extiende retirada de los bordes de los imanes (270) que son adyacentes al estátor.

13. Rotor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque está dispuesto para girar a una velocidad comprendida entre 1.000 y 10.000 vueltas/minuto.