ES2282911T3 - Maquina electrica rotativa con rotor de iman permanente. - Google Patents
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Abstract
Máquina eléctrica rotativa (1) que comprende: un rotor (2) con al menos un imán permanente (5), para producir una distribución anular de polaridades magnéticas (N, S) de signo angularmente alternado, alrededor del eje de rotación (A-A) del rotor (2), dentro de una superficie magnetizada (5) que descansa en un plano esencialmente perpendicular a dicho eje (A-A); un estator (3) que incluye: una estructura (16) transmisora de flujo que tiene una parte (17) de base anular, desde la cual se extienden unos primeros y segundos brazos (18; 19) sustancialmente paralelos al eje (A-A) del rotor, estando situados dichos brazos esencialmente a una primera y una segunda distancias radiales, respectivamente, desde dicho eje (A-A) y alternando angularmente cada uno con respecto a otro; mirando frontalmente los extremos (18a; 19a) de dichos primeros y segundos brazos (18, 19) opuestos a la parte (17) de la base, a dicha superficie magnetizada (5a) del rotor (5), desde la cual están separados por un entrehierro (21); y un devanado (23) dispuesto coaxialmente con el rotor (2), en una región anular que descansa entre dichos primeros y segundos brazos (18; 19) de la estructura (16) transmisora de flujo; caracterizada porque dicha estructura (16) transmisora de flujo está formada como una pieza con una masa formada a presión de partículas ferromagnéticas aisladas, y porque los extremos de dichos primeros y segundos brazos (18, 19) de la misma tienen superficies terminales (18a, 19a) que están inclinadas todas ellas en la misma dirección con respecto a un plano transversal a dicho eje (A-A).
Description
Máquina eléctrica rotativa con rotor de imán
permanente.
La presente invención se refiere a máquinas
eléctricas rotativas con rotores de imán permanente.
En el documento US 2002 149285 se divulga una
máquina de la técnica anterior.
Un objeto de la presente invención es
proporcionar una máquina eléctrica rotativa, en particular un motor
de corriente continua que pueda ser usado, por ejemplo, en aparatos
electrodomésticos, con una estructura que sea extremadamente simple
y que pueda fabricarse con un coste muy bajo.
Este objeto, junto con otros, se consigue de
acuerdo con la invención con una máquina eléctrica rotativa que
comprende:
un rotor con al menos un imán permanente, para
producir una distribución anular uniforme de polaridades magnéticas
con signo angularmente alternado, alrededor del eje de rotación del
rotor, dentro de una superficie magnetizada que descansa sobre un
plano esencialmente perpendicular a dicho eje;
un estator que incluye: una estructura
transmisora de flujo, formada con una masa formada a presión de
partículas ferromagnéticas aisladas; teniendo dicha estructura una
parte de base desde la cual se extienden primeros y segundos brazos
sustancialmente paralelos al eje del rotor, estando situados dichos
brazos esencialmente en una primera y una segunda distancia radial,
respectivamente, desde dicho eje y angularmente alternados uno con
respecto al otro; mirando frontalmente los extremos de dichos
primeros y segundos brazos opuestos a dicha parte de base que mira
frontalmente a dicha superficie magnetizada del rotor, del cual
están separados por un entrehierro; y
un devanado dispuesto coaxialmente con el rotor,
en una región anular que descansa entre dichos primeros y segundos
brazos de la estructura transmisora de flujo.
Otros aspectos y ventajas característicos de la
invención surgirán a partir de la descripción detallada siguiente,
ofrecida meramente a modo de ejemplo no limitativo, con referencia a
los dibujos que se acompañan, en los que:
la figura 1 es una vista lateral de un motor
eléctrico diseñado de acuerdo con la presente invención;
la figura 2 es una vista en sección transversal
a lo largo de la línea II-II de la figura 1;
la figura 3 es una vista en perspectiva en
sección transversal del motor eléctrico de acuerdo con las figuras
1 y 2;
la figura 4 es una vista superior en planta de
parte del estator del motor, de acuerdo con las figuras
precedentes;
la figura 5 es una vista en sección transversal
a lo largo de la línea V-V de la figura 4;
la figura 6 es una vista superior en planta de
una estructura transmisora de flujo, incluida en un motor de
acuerdo con la invención;
la figura 7 es una vista en sección transversal
a lo largo de la línea VII-VII de la figura 6;
la figura 8 es una vista lateral en la dirección
de la flecha VIII de la figura 6;
la figura 9 es una vista en perspectiva de la
estructura transmisora de flujo de acuerdo con las figuras 6 a
8;
la figura 10 es una vista inferior en planta de
una bobina para un devanado del motor eléctrico de acuerdo con las
figuras precedentes;
la figura 11 es una vista, a mayor escala, de un
detalle indicado por la flecha XI de la figura 10;
la figura 12 es una vista en sección transversal
a lo largo de la línea XII-XII de la figura 10;
la figura 13 es una vista, a escala ampliada, de
un detalle indicado por XIII en la figura 12;
la figura 14 es una vista en planta de una placa
de circuito impreso para los componentes de control de un motor de
acuerdo con las figuras precedentes; y
la figura 15 es una vista en perspectiva de un
imán permanente para el rotor de un motor de acuerdo con las
figuras precedentes.
Con referencia a los dibujos, y en particular a
las figuras 1 a 3, el 1 indica globalmente un motor eléctrico
diseñado de acuerdo con la presente invención.
Aunque la descripción siguiente se refiere a un
modo de realización de la máquina eléctrica de acuerdo con la
invención, destinada a funcionar como un motor, como es obvio para
las personas expertas en la técnica la descripción siguiente es
aplicable, mutatis mutandis, a un modo de realización de una
máquina eléctrica de acuerdo con la invención, destinada a
funcionar como generador.
Con referencia ahora a las figuras 1 a 3, el
motor 1 ilustrado en ellas es, en particular, un motor de corriente
continua que comprende un rotor indicado globalmente con un 2, y un
estator indicado globalmente con un 3.
En el modo de realización ilustrado a modo de
ejemplo, el rotor 2 comprende un cuerpo 4 de soporte esencialmente
en forma de copa invertida, a cuya pared final 4a hay fijado un imán
permanente 5 de forma anular.
El rotor 2 comprende también un eje 6 que tiene
un extremo 6a fijado coaxialmente dentro del cuerpo 4 del rotor. El
eje 6 está montado, en particular, de una forma emergente en la
parte central de la pared final 4a de dicho cuerpo 4.
El estator 3 comprende una estructura de soporte
que está indicada globalmente con 7 en las figuras 2 y 3. Esta
estructura, que al igual que el cuerpo 4 del rotor puede estar hecha
por ejemplo de plástico moldeado, comprende esencialmente una parte
extrema 8 desde uno de cuyos lados se extiende centralmente una
parte de vástago indicada globalmente con 9 (véanse también las
figuras 4 y 5).
En el modo de realización ilustrado, en el lado
dirigido hacia el cuerpo 4 del rotor, el extremo 8 de la estructura
7 de soporte del estator tiene dos elementos coaxiales 8a, 8b, de
forma anular, entre los cuales se define una hendidura 10, dentro
de cuya hendidura se extiende el borde terminal inferior del cuerpo
4 del rotor con un juego radial.
La parte 9 en forma de vástago de la estructura
7 de soporte del estator comprende una pared interior cilíndrica y
tubular 11, alrededor de la cual se extiende una pared adicional 12
casi cilíndrica. En realidad, la pared 12 forma un rebaje, indicado
con 13 en la figura 4, que tiene una extensión angular que, en el
ejemplo ilustrado, es aproximadamente 90º. Este rebaje se extiende
sustancialmente por toda la longitud de la pared 12, como puede
comprenderse considerando la figura 4 conjuntamente, por ejemplo con
la figura 5.
Como puede verse en las figuras 2 y 3, el eje 6
del rotor 2 se extiende coaxialmente en el interior de la pared
tubular 11 de la estructura 7 de soporte del estator, y está
soportada ahí giratoriamente, por ejemplo, por medio de dos
casquillos 14 y 15.
Una estructura transmisora de flujo, indicada
globalmente como 16 en las figuras 2, 3 y 6 a 9, está montada sobre
la parte 9 de la estructura 7 de soporte del estator 3.
La estructura 16 transmisora de flujo está
convenientemente formada como una pieza con una masa configurada a
presión de partículas ferromagnéticas aisladas. Esta estructura 16
tiene en particular una parte 17 de base que, en el ejemplo
ilustrado, es esencialmente en forma de anillo plano, desde un lado
del cual se extienden hacia arriba dos conjuntos de orejetas o
brazos, sustancialmente paralelos al eje A-A del
rotor e indicados como 18 y 19, respectivamente.
La parte 17 de base podría también no ser
necesariamente plana, pero tiene la forma de una copa con una
abertura en su pared final.
Como puede verse en particular en la figura 6,
los brazos 18 están más hacia fuera, quedando situados a la misma
distancia radial del eje A-A que los brazos 19, que
están situados en lugar de eso a una misma y menor distancia radial
desde este eje.
En el modo de realización ilustrado, la
estructura 16 transmisora de flujo tiene cuatro brazos 18 que están
situados radialmente más hacia fuera, y que son angularmente
equidistantes y se extienden en la misma medida, y cuatro brazos
19, radialmente más hacia dentro, que son también angularmente
equidistantes y se extienden en la misma medida.
Como se ha mencionado también anteriormente, la
parte 17 de base de la estructura 16 transmisora de flujo tiene,
convenientemente, una forma anular y los brazos 18 se extienden
enrasados con su circunferencia exterior, mientras que los brazos
19 se extienden esencialmente enrasados con el borde de su abertura
circular interna 20.
Como puede verse más claramente en la figura 6,
los brazos interiores 19 de la estructura 16 transmisora de flujo
están situados alternando angularmente con los brazos 18 radialmente
más exteriores.
Convenientemente, los brazos 18 y 19 tienen
sustancialmente la misma superficie de su sección transversal.
Los brazos 18 y 19 pueden tener un cierto grado
de solapamiento angular en sus extremos exteriores, y estos últimos
pueden tener también una disminución gradual adecuada y/o estar
unidos para reducir el denominado "par de interacción".
Las superficies terminales 18a y 19a de los
brazos 18 y 19 de la estructura 16, opuesta a la parte 17 de la
base, están situados frontalmente mirando hacia la superficie 5a del
imán permanente 5 del rotor (figuras 2 y 3).
Se define un entrehierro 21 entre las
superficies terminales 18a y 19a de los brazos 18 y 19 de la
estructura 16 transmisora de flujo del estator y la superficie
anular plana 5a del imán permanente 5 (figuras 2 y 3).
Se define una región anular, dentro de la cual
está dispuesta una bobina 22 que soporta un devanado 23 de hilo
eléctrico aislado, entre los brazos 18 radialmente externos y los
brazos 19 radialmente internos de la estructura 16 transmisora de
flujo. Esta bobina está ilustrada en particular en las figuras 10 a
13 y comprende una parte tubular intermedia 22a provista de dos
pestañas anulares extremas 22b y 22c (figuras 10 y 12).
Convenientemente, las superficies terminales
18a, 19a de los brazos 18, 19 no descansan en un mismo plano
transversal, sino que están ligeramente inclinadas, todas en la
misma dirección, como puede verse en particular en las figuras 7 y
8. Esto da como resultado un entrehierro de amplitud variable
cíclicamente y la posibilidad de determinar una posición angular de
reposo predefinida para el rotor 2, y asegura la generación de un
par de magnitud predeterminada en el arranque.
Como puede verse en particular en la figura 10,
las pestañas 22b y 22c de la bobina 22 tiene un perfil periférico
con una forma tal que les da la capacidad de encajar en la región
anular entre los brazos exteriores 18 y los brazos interiores 19 de
la estructura 16 transmisora de flujo. En particular, estas pestañas
tienen, cada una de ellas, cuatro orejetas 24 radialmente
emergentes y que son angularmente equidistantes y se extienden en
la misma medida, y que encajan en los espacios de separación entre
parejas de brazos contiguos 18 de la estructura 16 transmisora de
flujo.
Con referencia a la figura 12, unos respectivos
espárragos 25 se extienden centralmente desde las orejetas 24
radialmente emergentes de la pestaña inferior 22c de la bobina 22
(véanse también las figuras 10, 11 y 13).
Estos espárragos 25 son paralelos entre sí y, en
la condición de montaje de la bobina, se extienden a través de las
correspondientes incisiones periféricas 26 de la parte 17 de la base
de la estructura 16 transmisora de flujo (véanse las figuras 6 a
9).
Los espárragos 25 tienen unos respectivos
canales axiales 27. Los terminales del devanado 23 montados sobre
la bobina 22 se extienden a través de los canales 27 de al menos una
pareja de estos espárragos. Los espárragos 25 de la bobina terminan
en respectivos elementos 28 que disminuyen gradualmente y que
encajan a través de las correspondientes aberturas 29 de una placa
30 de circuito impreso de forma esencialmente anular, que se
extiende alrededor de la parte 9 de vástago de la estructura 7 de
soporte del estator (figuras 2, 3 y 14).
De una manera no ilustrada, la placa 30 de
circuito impreso aloja componentes de circuitos que controlan el
motor eléctrico 1.
Las orejetas 28 de los espárragos 25 de la
bobina 22 se extienden a través y sobrepasando las aberturas 29 de
la placa 30 de circuito impreso, y están fijadas a esta placa, por
ejemplo por medio de apuntamiento en caliente.
Los terminales del devanado 23 montados sobre la
bobina 22 pasan a través de los canales 27 definidos dentro de los
espárragos 25 integrados con dicha bobina, y están conectados, por
ejemplo por medio de soldadura, con los circuitos impresos alojados
en la placa 30.
Como puede verse en particular en la figura 14,
la placa 30 tiene una orejeta 31 que se extiende radialmente desde
su borde interior, hacia el eje A-A del rotor. Esta
orejeta 31 está situada dentro del rebaje lateral 13 de la parte 9
en forma de vástago de la estructura 7 de soporte del estator.
En el modo de realización ilustrado a modo de
ejemplo, la orejeta 31 de la placa 30 está provista de un ojal 32
dentro del cual hay fijada una placa 33 de soporte de forma alargada
(figura 2), extendiéndose dicha placa paralelamente al eje del
motor hasta el interior de la cavidad del imán permanente anular 5.
El extremo de la placa 33 que mira hacia el imán 5 está provisto de
un sensor 34, por ejemplo del tipo Hall. Durante el funcionamiento,
este sensor permite la detección de la posición angular del
rotor.
La placa 33 tiene también unas pistas para
conectar el sensor 34 a los demás componentes de los circuitos
alojados en la placa 30 de circuito impreso.
La figura 15 muestra una forma constructiva del
imán permanente 5. Este imán está diseñado de manera que, al menos
en su lado plano 5a que mira al estator, tiene una distribución
uniforme de polos magnéticos N, S dispuestos angularmente
alternados alrededor del eje de rotación del rotor.
Preferiblemente, el número de polos magnéticos
generados por el imán 5 sobre su superficie 5a es igual al número
global de brazos externos 18 y brazos internos 19 de la estructura
16 transmisora de flujo.
La disposición es tal en este caso que, cuando
los brazos radialmente más externos 18 de la estructura 16
transmisora de flujo, con sus superficies extremas 18a, miran hacia
partes o segmentos del imán permanente 5 que tienen la polaridad N,
los brazos radialmente más internos 19 de dicha estructura 16, con
sus superficies extremas 19a, miran hacia partes o segmentos del
imán que tienen la polaridad S.
Como puede comprenderse a partir de la
descripción anterior, la presente invención permite el diseño de
máquinas eléctricas rotativas con una estructura extremadamente
simple y compacta, y con un número de piezas extremadamente
pequeño. Estas máquinas pueden ser fabricadas, por tanto, con un
coste muy bajo.
La invención puede ser utilizada también para la
producción de motores eléctricos de corriente continua o corriente
alterna, así como para generadores.
Sin modificar obviamente el principio de la
invención, los modos de realización y los detalles constructivos
pueden ser variados ampliamente con respecto a los descritos e
ilustrados meramente a modo de ejemplo no limitativo, sin salir por
ello del alcance de la invención, como se define en las
reivindicaciones que se acompañan.
Claims (9)
1. Máquina eléctrica rotativa (1) que
comprende:
un rotor (2) con al menos un imán permanente
(5), para producir una distribución anular de polaridades magnéticas
(N, S) de signo angularmente alternado, alrededor del eje de
rotación (A-A) del rotor (2), dentro de una
superficie magnetizada (5) que descansa en un plano esencialmente
perpendicular a dicho eje (A-A);
un estator (3) que incluye: una estructura (16)
transmisora de flujo que tiene una parte (17) de base anular, desde
la cual se extienden unos primeros y segundos brazos (18; 19)
sustancialmente paralelos al eje (A-A) del rotor,
estando situados dichos brazos esencialmente a una primera y una
segunda distancias radiales, respectivamente, desde dicho eje
(A-A) y alternando angularmente cada uno con
respecto a otro; mirando frontalmente los extremos (18a; 19a) de
dichos primeros y segundos brazos (18, 19) opuestos a la parte (17)
de la base, a dicha superficie magnetizada (5a) del rotor (5),
desde la cual están separados por un entrehierro (21); y
un devanado (23) dispuesto coaxialmente con el
rotor (2), en una región anular que descansa entre dichos primeros
y segundos brazos (18; 19) de la estructura (16) transmisora de
flujo;
caracterizada porque dicha estructura
(16) transmisora de flujo está formada como una pieza con una masa
formada a presión de partículas ferromagnéticas aisladas, y porque
los extremos de dichos primeros y segundos brazos (18, 19) de la
misma tienen superficies terminales (18a, 19a) que están inclinadas
todas ellas en la misma dirección con respecto a un plano
transversal a dicho eje (A-A).
2. Máquina eléctrica rotativa según la
reivindicación 1, en la que el número global de dichos primero y
segundo brazos (18, 19) de la estructura (16) transmisora de flujo
es igual al número de polaridades magnéticas (N, S) producidas en
dicha superficie (5a) del rotor (5).
3. Máquina eléctrica según la reivindicación 1 o
2, en la que dicho devanado (23) está montado sobre una bobina (22)
dispuesta en dicha región anular que descansa entre los primeros y
segundos brazos (18; 19) de la estructura (16) transmisora de
flujo.
4. Máquina eléctrica según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en la que los brazos externos (18) y
los brazos internos (19) de la estructura (16) transmisora de flujo
se solapan parcialmente en dirección angular.
5. Máquina eléctrica según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en la que los brazos externos e
internos (18, 19) de la estructura (16) transmisora de flujo tienen
sus respectivas superficies finales (18a, 19a) mirando al imán
permanente (5) e inclinadas en el mismo sentido en una dirección
circunferencial coaxial con dicho imán (5).
6. Máquina eléctrica según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, que comprende también una placa (30)
de circuito impreso que aloja circuitos para controlar el
funcionamiento de la máquina (1) y fijada a las orejetas (25)
integradas con la bobina (22) que soporta el devanado (23) antes
mencionado.
7. Máquina eléctrica según la reivindicación 6,
en la que dicha placa (30) de circuito impreso está dispuesta sobre
el lado opuesto al imán permanente (5), con relación a la estructura
(16) transmisora de flujo.
8. Máquina eléctrica según la reivindicación 7,
en particular para funcionar como un motor, que comprende también
un sensor asociado con el imán permanente (5) antes mencionado para
proporcionar, durante el funcionamiento, unas señales que indican
la parte angular del rotor (2), estando montado dicho sensor (34)
sobre una placa (3) de soporte conectada a la placa (30) de
circuito impreso antes mencionada, y que se extiende paralelamente
al eje (A-A) del rotor (2), hasta una zona cercana a
dicho imán (5).
9. Máquina eléctrica según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en la que el estator (3) comprende
una estructura (7) de soporte que incluye un elemento (9) con forma
tubular, coaxial con el eje de rotación del rotor (2), y en la que
el rotor (2) comprende un eje (6) que se extiende de una manera
emergente dentro de dicho elemento (9) con forma tubular de la
estructura (7) de soporte del estator (3), estando soportado
giratoriamente en él por al menos un casquillo (14; 15) o
dispositivo de soporte similar.
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