ES2305424T3 - Motor compacto para ascensores. - Google Patents

Abstract

Motor compacto para ascensor, síncrono y con fluctuaciones reducidas de par, compuesto por: a) un rotor (10) de imanes permanentes de coercitividad elevada y de un número elevado de polos, con los imanes permanentes orientados axialmente y colocados sobre la superficie radial exterior de un núcleo del rotor, en el que el perímetro de la cara exterior curvada de cada uno de dichos imanes no tiene el mismo radio de curvatura que la circunferencia exterior del conjunto de núcleo del rotor-imanes, y b) un estator (20) liso con un número de ranuras y de dientes en función del número de polos de la máquina, caracterizado porque el perímetro de la cara exterior de cada uno de dichos imanes permanentes del rotor (10) no tiene el mismo centro de curvatura que la circunferencia exterior del conjunto de núcleo del rotor-imanes, siendo la relación entre el radio de curvatura de la circunferencia exterior del conjunto de núcleo del rotor-imanes (Rr) y el de la cara exterior de cada uno de los imanes permanentes (r1) de aproximadamente 1,6 para obtener los mejores resultados en lo que respecta a la reducción de las fluctuaciones; igualmente, el número de dichas ranuras del estator por polo del rotor y fase es un número irracional o fraccionario que tiene el valor de 1,4167; mientras que el número de dientes del estator por polo del rotor es también un número fraccionario y tiene un valor de 3,35 para obtener una reducción de la fluctuación del par por el efecto "cogging".

Description

Motor compacto para ascensores.

La presente invención como su propio título indica se refiere a un motor compacto, síncrono, de imanes permanentes, de reducidas fluctuaciones de par, para su uso en ascensores. Así pues, la invención está relacionada con las máquinas eléctricas en general y con los motores síncronos de imanes permanentes en particular; también está relacionada con los sistemas de elevación sin reductora para ascensores sin cuarto de máquinas.

Hay una gran cantidad de motores eléctricos, por tanto, también existen muchas posibilidades de tracción para los ascensores. Muchas de estas posibilidades presentan problemas como necesitar corriente de excitación, un sistema de control complicado, o bajo rendimiento. Se ha obtenido el mejor resultado en tamaño y rendimiento para el motor síncrono de imanes permanentes, con la ventaja adicional de tener unas posibilidades excelentes para su control. Además este motor presenta un suave funcionamiento y precisión de parada que aportan al usuario una gran comodidad y confort de marcha.

En un motor síncrono de imanes permanentes, colocados de forma axial, que es la disposición más habitual, el rotor cilíndrico dispone de tantos imanes permanentes como sean necesarios para conformar el número de polos de la máquina. Normalmente, los imanes presentan un polo de un signo en la parte más exterior del rotor y el contrario en la más interior. Además, los imanes están salteados para proporcionar los polos "N" y "S" de la máquina.

En un motor de estas características, rodeando al rotor se encuentra el estator, que es liso y con un número indeterminado de ranuras para alojar las bobinas. A éstas se les alimenta mediante un sistema trifásico de corrientes para proporcionar un campo magnético giratorio que interactúa con el del rotor para producir finalmente el movimiento del motor.

El circuito magnético de una máquina síncrona de imanes permanentes está compuesto por las chapas del rotor (más los imanes permanentes), el entrehierro y las chapas del estator. Sin embargo, por la propia rotación de la máquina, el entrehierro no es siempre totalmente homogéneo y por ello la reluctancia del camino por el aire es mayor o menor en función de la posición relativa de los imanes y las ranuras. Aunque esto ocurre habitualmente en todas las máquinas, por muy cercanas a la forma cilíndrica que quieran construirse, en las de imanes permanentes aparece este efecto de forma mucho más acusada. Así, el fenómeno se traduce en una par fluctuante, denominado de reluctancia "cogging" "pico" que perturba el funcionamiento redondo de las máquinas y crea fluctuaciones en la velocidad de giro y en el par de arrastre de la carga. Aunque habitualmente el par de reluctancia o "cogging" es bastante pequeño y sus efectos no suelen apreciarse demasiado por los usuarios de los sistemas, hay ciertas aplicaciones, como la elevación de una cabina de ascensor con una máquina síncrona de imanes permanentes sin reductor (sistema de elevación compacto), en las que esas fluctuaciones afectan al confort de marcha y se amplifican en el sistema mecánico. En dichas aplicaciones, la reducción del par de reluctancia es fundamental para que el sistema sea
adecuado.

Además, también aparecen otros problemas de fluctuación del par que no están tan relacionados con éste, pero que afectan al confort de los pasajeros del ascensor. En concreto, es importante que no haya armónicos bajos en la curva de par; de manera que las fluctuaciones, si las hubiera, fueran de alta frecuencia y probablemente, sin efecto apreciable sobre el par medio. Es importante, por tanto que el bobinado y el número de ranuras, así como la forma de los polos del rotor sean tales que la forma de onda de la fuerza magnetomotriz de la máquina tenga el menor número de armónicos posible y con la menor amplitud.

Por todo lo anterior, es preciso reducir al mínimo posible las fluctuaciones de par en los motores síncronos de imanes permanentes para ascensores. Para ello, en esta invención se presenta un nuevo motor síncrono de imanes permanentes en que se reducen estos problemas mediante el cambio de la forma de la cara externa de los imanes permanentes, así como por la elección de una relación especial entre el número de ranuras por fase y polo y el número de polos de la máquina.

El documento JP63161856 se refiere a un motor compacto, síncrono y con bajas fluctuaciones de par, que comprende un rotor de imanes permanentes de coercitibidad elevada y número elevado de polos y con los imanes permanentes axialmente dispuestos, en el que el perímetro de la superficie exterior no tiene el mismo radio de curvatura que la sección del eje motor; y, un estator liso, con número de ranuras y dientes dependiendo del número de polos de la máquina, siendo la relación entre el número de ranuras por polo y número de dientes por polo números fraccionarios para minimizar el efecto cogging en el par de la máquina.

Por su parte el documento JP2001157428 describe un motor sincrono de imanes permanentes que tiene de bajas fluctuaciones en su par, provisto de un rotor en el que se instalan los imanes permanentes y un estator que comprende dientes colocados en una parte de las respectivas posiciones divididas en intervalos casi iguales para encarar al rotor mediante un espacio y que se extiende a lo largo toda la circunferencia en la dirección circunferencial. La relación entre el número de polos de P y el número de divisiones o número de dientes es de en p/Q>0.8, y una relación entre la anchura bt1 en la punta de los dientes y un extremo del polo p se establece en bt1/&tau p<=0.8.

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La patente DE4133723 describe un motor que comprende un estator dentado en el que se coloca un rotor, en que los imanes permanentes no están igualmente colocados sobre la superficie de la cubierta del rotor, y por lo tanto los momentos de parada de los imanes permanentes individuales en buena parte se compensan unos a otros.

El invento que se presenta es un motor síncrono de imanes permanentes, de 12 o 16 polos, que proporciona un par a la carga con reducidas fluctuaciones gracias a las especiales características de la forma de las caras externas de los imanes permanentes y a la relación entre el número de ranuras por fase y polo y el número de polos de la máquina.

Para eliminar en lo posible la fluctuación de par debida a los efectos de los armónicos en la onda de fuerza magnetomotriz se utiliza un bobinado de doble capa, con una disposición distribuida y asimétrico, fraccionario y de paso cortado. Estas características del arrollamiento son las que presentan la mejor solución puesto que pueden llegar a suprimir armónicos de las frecuencias que producen fluctuaciones apreciables.

Dentro de los parámetros de diseño más significativos se encuentran la distribución del arrollamiento, el número de ranuras por polo y fase del motor, el espesor de los dientes y ranuras y la forma de los imanes de la máquina. Estos factores no son independientes entre sí, sino que eligiendo alguno de ellos quedan fijados los demás; por ejemplo, si se adopta un número de ranuras y un tamaño determinado para el motor, se está también estableciendo el espesor de los dientes y las ranuras, además se limita en gran medida la disposición que podrá adoptar el bobinado.

Los motores de imanes permanentes de los que se trata en esta invención presentan el menor contenido de armónicos al haberse utilizado un número de ranuras por fase y polo de la máquina lo más fraccionario posible. De esta manera se ha contribuido a que la asimetría suprima armónicos (las distorsiones de las ranuras no se producen siempre en el mismo punto de la onda total de flujo). Los armónicos son preferentemente de orden impar y de menor magnitud, debido a que no hay tanta frecuencia de repetición en las distorsiones.

Para discriminar entre los valores concretos de número de ranuras, hay que tener en cuenta que conforme mayor sea el espesor del diente mayor es la superficie en la que se produce la variación de flujo, conforme cambia la posición relativa entre el rotor y el estator. Así, se acusa más el efecto de las ranuras y los esfuerzos laterales de vaivén que pueden originarse serán de mayor magnitud, tendiendo a incrementar el nivel de armónicos en la máquina. Además, el espesor del diente debe ser suficiente para canalizar el flujo total de la máquina sin alcanzar la saturación.

Teniendo en cuenta lo anterior, se ha determinado el valor óptimo de ranuras para una aplicación determinada. En el caso de 12 polos, se utilizan 51 ranuras y un bobinado de doble capa, con una disposición distribuida, asimétrico, fraccionario y de paso acortado. En el caso de 16 polos, se usan 69 ranuras y un bobinado de doble capa, distribuido, asimétrico, fraccionario y de paso acortado.

Por otra parte, se ha estudiado la reducción de los armónicos modificando la cara exterior de los imanes y creando un entrehierro variable. Con esta medida se ha conseguido disminuir los efectos de borde que también forman parte del fenómeno del "cogging". Se ha tomado una curvatura tal que el radio exterior de los imanes sea:

Radio=Radio rotor/1.6

Con este imán se consigue disminuir la distorsión provocada por los armónicos y en cambio, el rendimiento global del motor apenas se ve afectado.

Una exposición detallada de un ejemplo práctico de realización permitirá una mejor comprensión del mismo; dicha descripción se realiza en base a los dibujos del plano anexo, en los que:

La figura 1 muestra una perspectiva de un motor (30) que se ajusta a la presente invención.

La figura 2 representa una sección transversal del motor, formado por el estator (20) y el rotor (10).

La figura 3 muestra una vista en la que se ve el número de dientes enfrentados a cada polo.

La figura 4a muestra una sección transversal del rotor y los imanes.

La figura 4b representa un detalle de un imán (11), con sus dimensiones.

La figura 5 muestra un ejemplo de un arrollamiento asimétrico y fraccionario.

La figura 6 muestra una curva de par donde se observan las fluctuaciones.

Aún cuando los resultados pueden extenderse a un motor muy similar de 16 polos, solamente se presentan los de un motor de 12 polos. Tal como se dice, la extensión de las conclusiones es trivial.

En la figura 1 aparece un motor (30) acorde a la presente invención. El conjunto del motor está formado por un estator (20) dentro del que va montado el rotor (10). En la figura 2 se muestra una sección transversal del conjunto montado. El rotor va acoplado a un eje (0) que debe transmitir el giro del rotor. Sobre la chapa del rotor van montados los imanes. Para mayor facilidad en la fijación de los imanes al rotor, éste debe tener forma dodecagonal con unos salientes en el lugar de los vértices que dotan al conjunto de una mayor consistencia. Los imanes tienen forma de cuadrilátero excepto en su cara exterior que es curvada (figura 4b) y tienen la misma anchura que las caras del rotor de forma que encajan perfectamente.

El presente motor tiene 51 ranuras en el estator y para formar 12 polos, la mejor forma de hacer el arrollamiento es la que se muestra en la figura 5. Según esta representación esquemática se tienen tres fases (A), (B), y (C) y su retorno se representa con (A), (B) y (C) respectivamente. Al conectar cada fase a un sistema trifásico se crea en el entrehierro del motor un campo magnético giratorio que tiende a seguir el rotor.

En la figura 3 se representa el número de dientes que se oponen a cada polo. Este número debe ser fraccionario y los mejores resultados se han conseguido para un valor de 3,35. Asimismo el número de ranuras por polo y fase debe ser un número fraccionario o irracional, habiéndose encontrado los mejores resultados para el valor de 1,14167.

La figura 4a muestra la forma de la chapa del rotor y como van montados los imanes sobre ésta. La chapa tiene tantos huecos como polos tiene el motor. Se observa como para conseguir un entrehierro variable basta montar un imán cuyo radio de curvatura (RI) sea menor que el radio máximo del conjunto rotor-imanes (Rr). Tras los análisis realizados se ha llegado a un valor para esta relación entre los radios en torno a 1,6.

En la figura 4b aparece el detalle de la forma de los imanes. Las caras (1), (2) y (3) son las que estarán en contacto con las chapas del rotor. Estas caras son planas de forma que encajan con la forma de las chapas y se fijan por medio de tornillos de forma que se consiga una consistencia suficiente para los esfuerzos que habrán de soportar. La cara 4 es la cara curva y su radio RI será muy importante para disminuir el efecto del "cogging". La relación entre las dimensiones (b) y (c) será función de RI y la anchura (a). Se obtienen los mejores resultados para c/b=1,28.

La figura 6 es una representación de la curva de par del motor de 12 polos. Como se puede ver, las oscilaciones del par no se eliminan pero se consigue reducir su importancia ostensiblemente. El motor representado proporciona un par con una reducción en las oscilaciones de hasta la cuarta parte.

No se considera necesario hacer más extensa esta descripción para que cualquier experto en la materia comprenda el alcance de la invención y las ventajas que de la misma se derivan.

Los términos en los que se ha redactado esta memoria deberán ser tomados siempre en sentido amplio y no limitativo.

Los materiales, forma y disposición de los elementos serán susceptibles de variación siempre y cuando ello no suponga una alteración de las características esenciales del invento, que se reivindican a continuación.

Claims (1)

1. Motor compacto para ascensor, síncrono y con fluctuaciones reducidas de par, compuesto por: a) un rotor (10) de imanes permanentes de coercitividad elevada y de un número elevado de polos, con los imanes permanentes orientados axialmente y colocados sobre la superficie radial exterior de un núcleo del rotor, en el que el perímetro de la cara exterior curvada de cada uno de dichos imanes no tiene el mismo radio de curvatura que la circunferencia exterior del conjunto de núcleo del rotor-imanes, y b) un estator (20) liso con un número de ranuras y de dientes en función del número de polos de la máquina, caracterizado porque el perímetro de la cara exterior de cada uno de dichos imanes permanentes del rotor (10) no tiene el mismo centro de curvatura que la circunferencia exterior del conjunto de núcleo del rotor-imanes, siendo la relación entre el radio de curvatura de la circunferencia exterior del conjunto de núcleo del rotor-imanes (Rr) y el de la cara exterior de cada uno de los imanes permanentes (r1) de aproximadamente 1,6 para obtener los mejores resultados en lo que respecta a la reducción de las fluctuaciones; igualmente, el número de dichas ranuras del estator por polo del rotor y fase es un número irracional o fraccionario que tiene el valor de 1,4167; mientras que el número de dientes del estator por polo del rotor es también un número fraccionario y tiene un valor de 3,35 para obtener una reducción de la fluctuación del par por el efecto "cogging".