ES2264581T3 - Maquina rotativa, tal como un alternador de vehiculo automovil. - Google Patents

Abstract

Máquina eléctrica, que comprende un estator (1) y un rotor (2), comprendiendo el estator por lo menos un bobinado de inducido (14) colocado en al menos un par de muescas (13), comprendiendo el rotor al menos dos imanes de excitación sucesivos que generan en el rotor dos flujos magnéticos que tienen, tangencialmente a lo largo de la estructura del rotor, componentes de sentidos opuestos, presentando dicho rotor entre estos dos imanes un número de muescas par que definen entre las mismas unos polos salientes y en las cuales se alojan unas patas de bobinado(s) que son aptas para ser alimentadas para definir polos alternados con los imanes, caracterizado por el hecho de que cada una de las muescas (23) que reciben las patas de bobinado(s) (26) solamente está ocupada por una único pata o por varias patas enrolladas alrededor de un mismo polo saliente y por el hecho de que el árbol (A) del rotor es de un material magnético, comprendiendo dicha máquina en la proximidad de dicho árbol (A) y de losimanes (27) por lo menos una zona no magnética (28, 28a; 30) que minimiza o suprime los flujos de fuga hacia el árbol del rotor.

Description

Máquina rotativa, tal como un alternador de vehículo automóvil.

La presente invención se refiere de una manera general a máquinas giratorias tales como alternadores para vehículos automóviles.

El generador de una fase o de múltiples fases que constituye un alternador clásico de vehículo automóvil comprende generalmente un estator en el interior del cual gira un rotor provisto de un bobinado de excitación. Este bobinado es alimentado por escobillas en contacto con dos anillos colectores previstos sobre una parte saliente del árbol del rotor.

Ya se conocen, en particular a partir de la patente EP-A-0 707 374, máquinas giratorias en las que, en particular, para aumentar su rendimiento, el campo de excitación del rotor se preve a la vez por imanes permanentes y por bobinas (se habla en general de excitación "mixta"), y en las cuales se controla la corriente proporcionada por el inducido con la ayuda de medios de conmutación al nivel de los bobinados de excitación, permitiendo estos medios de conmutación invertir selectivamente el sentido de la excitación para disminuir, o incluso cancelar sensiblemente, el flujo de los imanes.

Esta necesidad de invertir el sentido de la corriente de excitación impone la utilización de un puente de conmutación de semiconductores llamado en "H", cuyo coste es elevado y que cargan pues el precio de coste de la máquina.

También se conocen, en particular a partir de la figura 19 de la solicitud de patente WO96/30992, estructuras de motores eléctricos en las cuales el rotor comprende:

- por lo menos dos imanes permanentes de excitación sucesivos que generan en el rotor dos flujos magnéticos que se extienden tangencialmente a lo largo de la estructura del rotor de los componentes de sentidos opuestos según la dirección de desplazamiento del rotor,

- un número de muescas par entre estos imanes de excitación, de manera que bobinados que se enrollan en estas muescas y que son aptos para ser alimentados en un sentido de plena excitación o en sentido opuesto para definir polos alternados entre dichas muescas.

Estas máquinas no son plenamente satisfactorias ya que las muescas entre los imanes reciben los hilos de dos bobinados sucesivos, ocupando cada bobinado en una muesca solamente la mitad del volumen de ésta.

En efecto, el hecho de que cada muesca entre los imanes reciba los hilos de dos bobinados sucesivos obliga que las muescas directamente adyacentes a los imanes solamente estén medio llenas. Se tiene pues una disimetría de distribución de amperios-vuelta en las muescas de los polos bobinados; las muescas directamente unidas a los imanes solamente reciben en valor absoluto la mitad del valor absoluto de los amperios-vuelta de las otras muescas.

Esta asimetría magnética modifica la distribución habitual de las líneas de campo magnético (comparativamente con máquinas bobinadas de polos salientes, las máquinas tienen solamente imanes) provocando saturaciones prematuras en la culata o requiriendo un sobredimensionado de la culata.

Esto se muestra en la figura 1a, en la cual se representa el rotor de una máquina del tipo de las propuestas en la solicitud de patente WO96/30992, junto con las líneas sobre las cuales el flujo magnético se forma un bucle cuando los bobinados en las muescas del rotor se abastecen en su sentido de plena excitación.

Un objetivo de la invención es atenuar este inconveniente.

Ya se ha propuesto por parte del solicitante en su solicitud FR 98 02886 (que se tendrá en cuenta que no forma parte del estado de la técnica que debe tenerse en cuenta para apreciar la actividad inventiva de la invención - publicación FR 2.775 849) un alternador cuya corriente de inducido se controla actuando sobre la excitación de las bobinas del rotor alimentadas.

La estructura descrita en esta solicitud de patente es del tipo de la que se muestra en las figuras 1b, 2a y 2b. Comprende un estator 1 y un rotor 2.

El estator 1 tiene una carcasa 12 que define una estructura anular, en la periferia interior de la cual se preven una pluralidad de muescas 13 que se definen entre los polos 15 del rotor y que reciben patas de los bobinados inducidos 14.

Por pata se entiende aquí y en todo el presente texto un conjunto constituido por la o las distintas porciones de espiras de un mismo bobinado alojadas en una misma muesca.

El rotor 2 tiene una carcasa 22 sobre la cual también se preven una pluralidad de muescas 23 que definen polos 25 y que reciben imanes permanentes 27 cuyas líneas de flujo están orientadas tangencialmente a lo largo de la estructura del rotor, así como las patas de los bobinados de excitación 26.

Se encuentran así en sucesión en las muescas 23 adyacentes del rotor:

- un imán 27 que tiene una primera polaridad,

- dos patas de un bobinado 26 enrollado sobre un polo 25 y alojadas en dos muescas adyacentes,

- un segundo imán 27 que tiene una segunda polaridad opuesta a la primera,

- dos nuevas patas de un bobinado 26, aptas para cruzar corrientes opuestas a las direcciones de las corrientes que circulan en las patas del bobinado 26 anterior, etc.

El número de polos del rotor y del estator es, por ejemplo, idéntico e igual a 12.

Con tal estructura, el rotor adopta, en ausencia de corrientes en las patas 26, un esquema de polaridad ... S-N-N-N-S-S-S-N-N-N, etc. (figura 2a).

Así, en ausencia de corriente en los bobinados 26, el esquema de polaridad NS tiene un paso que es igual a tres veces el paso de los dientes (polos 25) del rotor y la energía transferida entre el rotor y el estator es mínima.

Por contra, cuando una corriente circula en los bobinados del rotor, las polaridades de éste se convierten entonces en ... N-S-N-S-N-S, etc. con un paso que corresponde al de los dientes del rotor; se transfiere una energía magnética más importante, que crece con la intensidad de la corriente de excitación, entre el estator y el rotor.

Se representó en las figuras 1b y 2b las líneas según las cuales el flujo se vuelven a cerrar en el caso donde las patas son alimentadas en su sentido de excitación. Como muestran claramente estas figuras, cada una de estas líneas de flujo se vuelve a cerrar entonces a través de dos polos sucesivos.

Se representaron también en la figura 2a las líneas de flujo en ausencia de corriente de excitación.

Para limitar las fugas del flujo magnético e impedir que el flujo de los imanes se vuelva a cerrar sobre el árbol de la máquina, se propone en el documento FR 98 02 886 realizar el árbol del rotor en un material no magnético y conformar este árbol y las chapas del rotor de manera que debe reducirse tanto como sea posible el grosor de la carcasa en la parte inferior de los imanes.

No obstante, la utilización de materiales no magnéticos (titanio por ejemplo) puede comprender costes excesivos de fabricación importantes.

Además, dificultades de comportamiento mecánico impiden reducir el grosor de la carcasa entre los imanes y el árbol del rotor tanto como sería deseable.

Otro objetivo de la invención es atenuar estos inconvenientes.

La invención propone una máquina eléctrica, que comprende un estator y un rotor, comprendiendo el estator por lo menos un bobinado de inducido colocado en al menos un par de muescas, comprendiendo el rotor al menos dos imanes de excitación sucesivos que generan en el rotor dos flujos magnéticos que tienen, tangencialmente a lo largo de la estructura del rotor, componentes de sentidos opuestos, presentando dicho rotor entre estos dos imanes un número de muescas par que definen entre las mismas unos polos salientes y en las cuales se alojan unas patas de bobinado(s) que son aptas para ser alimentadas para definir polos alternados con los imanes, caracterizado por el hecho de que cada una de las muescas que reciben las patas de bobinado(s) solamente está ocupada por una único pata o por varias patas enrolladas alrededor de un mismo polo saliente y por el hecho de que el árbol del rotor es de un material magnético, comprendiendo dicha máquina en la proximidad de dicho árbol y de los imanes por lo menos una zona no magnética que minimiza o suprime los flujos de fuga hacia el árbol del rotor.

En particular, según un modo de realización preferido, la carcasa del rotor presenta una pluralidad de orificios que se extienden en proximidad del árbol del rotor y que se distribuyen entre los imanes, constituyendo estos orificios zonas no magnéticas que definen, a cada lado de los imanes, superficies de constricción, limitando las fugas de flujo hacia el árbol.

En otro modo de realización, el árbol presenta un recubrimiento no magnético que constituye un separador que lo separa de los imanes.

Ventajosamente, las chapas que constituyen la carcasa del rotor están constituidas por n sectores independientes yuxtapuestos angularmente, donde n es el número de imanes permanentes, permitiendo mantener dichos sectores unos respecto a los otros.

Esta máquina se completa ventajosamente mediante las distintas características siguientes tomadas de manera independiente o según todas sus combinaciones posibles:

- las muescas que reciben los imanes terminan en su extremo lo más cerca posible del rotor mediante una abertura ampliada de forma curvada;

- tal abertura de extremo tiene una forma que presenta repliegues a los dos lados del imán alojado en la muesca que termina;

- los bordes de los orificios y las muescas del rotor que reciben los imanes son sensiblemente paralelos sobre una determinada porción.

Otras características y ventajas de la invención se harán evidentes a partir de la descripción adjunta. Esta descripción es puramente ilustrativa y no restrictiva. Debe leerse a la vista de los dibujos adjuntos, en los cuales:

- la figura 1a, ya analizada, es una representación esquemática en sección del rotor de una máquina del tipo de las propuestas en la solicitud de patente WO96/30992;

- la figura 1b, ya analizada, es una representación esquemática en sección del rotor de una máquina del tipo de la descrita en la solicitud de patente FR 98 02886 (Publicación FR 277 5849);

- las figuras 2a y 2b, ya analizadas, son representaciones esquemáticas en desarrollo del rotor y el estator de la misma máquina, sobre las cuales se representaron las líneas de flujo en ausencia o no de excitación sobre los bobinados del rotor;

- la figura 3 es una representación esquemática en desarrollo del rotor de una máquina según un modo de realización posible de la invención;

- la figura 4 es una representación en vista en sección transversal del rotor de la máquina de la figura 2;

- la figura 5 es una representación esquemática similar a la de la figura 2, que muestra otro modo de realización posible para la invención;

- la figura 6 es una representación esquemática en desarrollo del rotor de una máquina según otro modo de realización posible de la invención;

- la figura 7 es una representación esquemática en vista en sección transversal del rotor de una máquina según otro modo de realización posible de la invención;

- la figura 8 es una representación esquemática en vista en sección transversal de un rotor según un modo de realización especialmente ventajoso de la invención.

La máquina cuyo rotor se muestra las figuras 3 y 4 comprende un estator monofásico que es similar al de la máquina representada en la figura 1 (y que no se ha representado para no sobrecargar las figuras) o un estator polifásico. Comprende además un rotor 2 que, de la misma manera que el de la máquina representada en la figura 1, comprende una carcasa de forma general cilíndrica, en la cual se preven una pluralidad de muescas 23 que están separadas por dientes o polos salientes 25 y que alojan unos imanes permanentes 27 alternados con pares de patas de un bobinado de excitación 26.

Más concretamente, los imanes permanentes 27 se distribuyen con una polaridad alternada sobre el perímetro del rotor 2, los flujos generados por dos imanes 27 sucesivos tangencialmente a lo largo de la estructura del rotor tienen componentes opuestos según la dirección de desplazamiento del rotor 2.

En estado de excitación, el bobinado del rotor se acciona de manera unidireccional de tal manera que el flujo generado por la corriente que circula en las dos patas entre dos imanes permanentes 27 sucesivos se oponen respectivamente a los flujos de dichos imanes 27. Pasan así de una polaridad N-N-N-S-S-S-etc. en ausencia de excitación a una polaridad N-S-N-S-etc. cuando el bobinado 26 del rotor se excita en un sentido dado. La figura 3 muestra el sentido de las corrientes de excitación y los flujos generados por las corrientes que circulaban en las patas del bobinado 26.

Además, si los bobinados se accionan en sentido opuesto, se puede reducir o incluso cancelar la fuerza electromotriz del estator con una polaridad N_{1}N_{2}N_{1}S_{1}S_{2}S_{1} dónde N_{1} y N_{2} (respectivamente S_{1} y S_{2}) corresponden a intensidades de flujo diferentes con N_{1} + N_{1} = -S_{2} y N_{2} = -S_{2} - S_{2}.

Se pueden prever algunas alternativas de realización en las cuales el número de muescas entre dos imanes sucesivos es un número par superior a dos.

En cualquier caso, si el número de muescas entre dos imanes es dos o más, cada muesca 23 está ocupada por las patas de un solo bobinado, siendo el número de bobinados 26 entre dos imanes igual (o inferior) a la mitad del número de muescas entre dichos imanes.

Así, en el ejemplo mostrado en la figura 5, dos imanes 27 sucesivos están separados por cuatro muescas 23. Dos bobinados 26a, 26b se enrollan entre estos imanes 27. Estos bobinados 26a, 26b se enrollan sobre los polos 25a, 25b a cada lado de un polo intermedio 25c, estando ocupada así cada muesca 23 solamente por una única pata.

Con las estructuras del tipo de las que se acaban describir, se obtiene así una distribución de flujo sin asimetría magnética. Los flujos se concentran perfectamente sobre cada polo cuando los bobinados se accionan y los flujos de fuga de un polo al otro se suprimen o al menos se limitan. Esto permite un funcionamiento de potencia que no es posible alcanzar con las máquinas del tipo de la descrita en el documento WO96/30992.

Por otra parte, en los modos de realización representados en las figuras 2 a 4. El árbol del rotor, referenciado A, es un árbol cilíndrico de un material magnético, por ejemplo de acero.

En el modo de realización de las figuras 3 y 4, la carcasa presenta cuatro orificios 28 oblongos que se extienden en la proximidad del árbol A del rotor y que se distribuyen entre los imanes 27.

En el modo de realización de la figura 5, está previsto que los orificios 28 se extiendan en la proximidad de los imanes 27, a cada lado de los mismos. Más concretamente, estos orificios 28 presentan formas ligeramente alargadas según direcciones que se extienden en inclinación hacia el eje A entre los bordes de dichos imanes 27 y zonas medias de los polos 25 a cada lado de dichos imanes 27.

Estos orificios 28 constituyen zonas no magnéticas que definen a cada lado de los imanes 27, superficies de constricción 29 que limitan las fugas de flujo hacia el árbol A. El grosor de la chapa bajo el imán puede ser entonces grande sin perjudicar a los resultados eléctricos de la máquina.

Además, la resistencia mecánica de esta estructura es mayor que la resistencia mecánica de una estructura del tipo de la representada en las figuras 2a y 2b. En particular, la zona más gruesa bajo un imán y la zona de constricción 29 entre un orificio 28 y un imán 27 contribuyen más eficazmente a la solidarización de un "sector" de laminados respecto al sector inmediatamente adyacente. Este no es el caso de la zona de constricción de bajo grosor bajo un imán de una estructura del tipo de la estructura de las figuras 2a y 2b, cuya zona es susceptible de romperse a cuando el rotor gira a gran velocidad.

Los extremos de los orificios 28 son de forma redondeada preferiblemente. Sin embargo, también pueden considerarse formas rectangulares para dichos orificios 28.

En una alternativa, para aumentar aún más la resistencia mecánica de la estructura, se puede sustituir un orificio oblongo 28 entre dos imanes 27 sucesivos por una pluralidad de orificios 28a (por ejemplo, dos, tres o cuatro). Esto se muestra en la figura 6.

La anchura que separa un orificio 28a del orificio 28a adyacente o del imán 27 al cual se yuxtapone es tal que las superficies de constricción así definidas son suficientes para limitar las fugas de flujo hacia el árbol A del rotor.

En el modo de realización ilustrado en la figura 7, se interpone un material no magnético entre, por una parte, el árbol magnético A y, por otra parte, los imanes 27 y los laminados 31 de la carcasa. Por ejemplo, el árbol magnético A puede llevar sobre todo su perímetro un recubrimiento 30 de un material no magnético (resina) que define un separador que separa dicho árbol A de los imanes 27. En una alternativa, puede fijarse en un tubo, por ejemplo de aluminio. El separador puede llevar en su exterior unos salientes que definen colas de milano en las cuales se fijan los laminados 31, y puede comprender salientes en cola de milano que ayudan a la resistencia de los laminados.

En estos dos casos, los laminados 31 que constituyen la carcasa del rotor 2 están constituidas por n sectores 31a, 31b, etc. independientes yuxtapuestos angularmente, donde n es el número de imanes permanentes, definiéndose las muescas 23 que reciben los imanes 27 por las formas encaradas de dos sectores 31a, 31 b, etc. sucesivos. Los sectores 31a, 31b, etc. constituyen los dientes o polos del rotor.

En ausencia de los elementos que forman la cola de milano, estos sectores 31a, 31b, etc. se mantienen por ejemplo por un sobremolde 32 de una resina no magnética, o también por brazos de extremo de un material no magnética, cooperando estos brazos con tirantes magnéticos 33 que atraviesan los laminados.

Estos dos medios pueden, tal como se ha representado en la figura 7, utilizarse simultáneamente.

Como se habrá comprendido, una estructura del tipo de la representada en la figura 7 permite solucionar completamente los problemas de fuga de flujo hacia el árbol A y evitar los problemas de resistencia mecánica que pueden plantearse con estructuras del tipo de la representada en las figuras 2a y 2b.

Naturalmente, la presente invención se aplica también a alternadores que realizan otras funciones tal como la función de arranque del motor térmico de un vehículo automóvil llamado "arranque alterno".

Se hace referencia ahora al modo de realización mostrado en la figura 8.

En este modo de realización especialmente ventajoso, cada una de las muescas de los imanes 27 termina en su extremo más cercano al eje del rotor mediante una abertura ampliada 34 de forma general curvada que se dobla a cada lado de los cuerpos de dichos imanes 27. En la figura 6, estos repliegues se indican mediante la referencia numérica 34a.

Los bordes de esta abertura 34 que terminan los repliegues 34a tienen una forma redondeada.

Las curvaturas y las formas redondeadas de esta abertura 34 de extremo evitan que se inicien desgarros.

Los repliegues 34a a cada lado de los imanes permiten optimizar las líneas de campos de los mismos. Así pues, las fuerzas de cizallamiento se suprimen, y solamente subsisten las fuerzas de tracción. Estas fuerzas de tracción presentan una buena resistencia mecánica durante la centrifugación.

Por otra parte, las porciones de los bordes de estas aberturas 34 y las porciones de los orificios 28 que están directamente encaradas son sensiblemente paralelas.

Así, las zonas de constricción definidas entre dichas aberturas 34 de extremo y los orificios 28 tienen sensiblemente una forma de barras con bordes paralelos.

Se minimizan las concentraciones de tensiones.

Como se habrá comprendido, tal configuración permite optimizar la resistencia mecánica en la centrifugación.

Claims (13)

1. Máquina eléctrica, que comprende un estator (1) y un rotor (2), comprendiendo el estator por lo menos un bobinado de inducido (14) colocado en al menos un par de muescas (13), comprendiendo el rotor al menos dos imanes de excitación sucesivos que generan en el rotor dos flujos magnéticos que tienen, tangencialmente a lo largo de la estructura del rotor, componentes de sentidos opuestos, presentando dicho rotor entre estos dos imanes un número de muescas par que definen entre las mismas unos polos salientes y en las cuales se alojan unas patas de bobinado(s) que son aptas para ser alimentadas para definir polos alternados con los imanes, caracterizado por el hecho de que cada una de las muescas (23) que reciben las patas de bobinado(s) (26) solamente está ocupada por una único pata o por varias patas enrolladas alrededor de un mismo polo saliente y por el hecho de que el árbol (A) del rotor es de un material magnético, comprendiendo dicha máquina en la proximidad de dicho árbol (A) y de los imanes (27) por lo menos una zona no magnética (28, 28a; 30) que minimiza o suprime los flujos de fuga hacia el árbol del rotor.

2. Máquina según la reivindicación 1, caracterizada por el hecho de que la carcasa del rotor presenta una pluralidad de orificios (28, 28a) que se extienden en proximidad del árbol del rotor y que se distribuyen entre los imanes (27), constituyendo estos orificios (28, 28a) zonas no magnéticas que definen superficies de constricción a cada lado de los imanes, limitando las fugas de flujo hacia el árbol.

3. Máquina según la reivindicación 2, caracterizada por el hecho de que comprende entre dos imanes (27) sucesivos un único orificio (28) que es de forma oblonga.

4. Máquina según la reivindicación 2, caracterizada por el hecho de que comprende varios orificios sucesivos (28a) entre dos imanes (27).

5. Máquina según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que un separador tubular no magnético (30) está interpuesto entre el árbol (A) y los imanes.

6. Máquina según la reivindicación 5, caracterizada por el hecho de que las chapas que constituyen la carcasa del rotor están constituidas por n sectores (31a, 31b) independientes yuxtapuestos angularmente, donde n es el número de imanes permanentes, estando previstos medios (32, 33) para mantener dichos sectores entre sí.

7. Máquina según la reivindicación 6, caracterizada por el hecho de que el separador no magnético está constituido por un recubrimiento llevado por el árbol (A).

8. Máquina según la reivindicación 6, caracterizada por el hecho de que el separador presenta salientes de cola de milano.

9. Máquina según una de las reivindicaciones 6 ó 7, caracterizada por el hecho de que dichos medios comprenden brazos de extremo (33) de un material no magnético, cooperando estos brazos con tirantes magnéticos que atraviesan las chapas.

10. Máquina según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por el hecho de que las muescas (23) que reciben los imanes (27) se terminan en su extremo que está lo más cerca posible del rotor mediante una abertura ampliada (34) de forma curvada.

11. Máquina según la reivindicación 10, caracterizada por el hecho de que tal abertura de extremo tiene una forma que presenta repliegues (34a) a los dos lados del imán recibido en la muesca que termina.

12. Máquina según la reivindicación 2, caracterizada por el hecho de que los bordes de los orificios (28) y de las muescas (23) del rotor que reciben los imanes (27) son sensiblemente paralelos sobre una determinada porción.

13. Alternador o arranque alterno de un vehículo automóvil, caracterizado por el hecho de que está constituido por una máquina según una de las reivindicaciones 1 a 12.