ES2320199T3 - Maquina electrica de corriente continua excitada por imanes permanentes, en particular motor de corriente continua. - Google Patents

Abstract

Máquina de corriente continua excitada por imanes permanentes, en particular motor de corriente continua, con un estátor (11; 11''), que tiene un yugo de estátor (12) ferromagnético y polos de estátor (13) que sobresalen radialmente hacia el interior del estátor y están dispuestos con igual desplazamiento angular perimetral junto al yugo de estátor (12), cuyos polos están compuestos por imanes planos (14), en forma de paralelepípedo rectangular, adyacentes a la superficie interior del yugo de estátor (12) y hechos de material de trabajo magnético, y por zapatas polares (15) ferromagnéticas con una superficie curvada en forma circular que recubren los imanes planos (14), en que el grosor (d) de imán plano, medido en la dirección de magnetización, de un polo de estátor (13) está variado con respecto al de otro polo de estátor (13), caracterizada porque cada polo de estátor (13) individual tiene varios imanes planos (14) magnetizados en el mismo sentido y dispuestos uno junto a otro en la dirección perimetral, cuyo grosor (d) es variado, y porque al menos los dos imanes planos (141) que están colocados en los extremos, vistos en la dirección perimetral del yugo de estátor (12), de una zapata polar (15) tienen un grosor (d) menor que los restantes imanes planos (14).

Description

Máquina eléctrica de corriente continua excitada por imanes permanentes, en particular motor de corriente continua.

La invención se refiere a una máquina de corriente continua excitada por imanes permanentes, en particular a un motor de corriente continua excitado por imanes permanentes, conforme al preámbulo de la reivindicación 1.

Los motores de corriente continua de pequeña potencia, en particular para el sector de automoción, tienen casi exclusivamente excitación por imanes permanentes, en que los campos magnéticos permanentes son generados o bien con imanes anulares, que están magnetizados en una anchura de polo correspondiente, o bien mediante cubiertas segmentadas en forma de arco de circunferencia. Los imanes permanentes que forman los polos del estátor están dispuestos con igual desplazamiento angular perimetral relativo, junto a la superficie interior, orientada hacia el rotor, inducido o armadura del motor de corriente continua, del yugo ferromagnético del estátor, y limitan junto con el rotor una rendija de aire de trabajo radial constante en la dirección perimetral del yugo del estátor.

En un motor de corriente continua conocido (documento US 2 610 993) los polos del estátor están compuestos respectivamente por dos imanes permanentes, cuyas superficies que se extienden transversalmente a su dirección de magnetización siguen superficies cilíndricas concéntricas. Una de las superficies de los dos imanes permanentes está situada sin rendijas de aire adyacentemente a la superficie interior del yugo anular del estátor. Una zapata polar curvada en forma de arco de circunferencia, que está sujeta con tornillos al yugo del estátor, abraza las dos superficies, curvadas y apartadas del rotor, de los imanes permanentes y aprieta éstos contra el yugo del estátor.

En un motor de corriente continua igualmente conocido (documento DE 1 160 080, figura 3), cada polo del estátor del motor de corriente continua por ejemplo tetrapolar está compuesto por dos imanes planos en forma de paralelepípedo rectangular y conformados de igual modo, que se apoyan en sectores de superficie planos conformados sobre la superficie interior del yugo del estátor y que están recubiertos por una zapata polar, que se apoya igualmente de forma plana, con sectores de superficie conformados sobre su lado trasero, sobre cada imán plano. Una estructura así de los polos del estátor del motor de corriente continua excitado por imanes permanentes tiene la ventaja de que los imanes permanentes tienen una forma que es particularmente sencilla y puede fabricarse sin tratamiento posterior con un intervalo de tolerancia suficiente, y con ello tales así denominados imanes planos pueden obtenerse a bajo precio en el mercado.

Es conocida además una máquina de corriente continua excitada por imanes permanentes, del tipo citado al principio, a partir del documento US-A-3 594 599, en particular en forma de un motor de corriente continua, con un estátor que tiene un yugo ferromagnético de estátor y polos de estátor que sobresalen radialmente hacia el interior del estátor y están dispuestos con igual desplazamiento angular perimetral junto al yugo del estátor, cuyos polos están compuestos por imanes planos, en forma de paralelepípedo rectangular, adyacentes a la superficie interior del yugo del estátor y hechos de material de trabajo magnético, y por zapatas polares ferromagnéticas con una superficie curvada en forma circular que recubren los imanes planos. Cada zapata polar lleva asociado sólo un imán plano. Aquí, el grosor, medido en la dirección de magnetización, de los imanes planos de dos zapatas polares diametralmente opuestas entre sí tiene un valor menor que el grosor de los otros imanes planos de otras dos zapatas polares diametralmente opuestas entre sí. Alternativamente está previsto un motor de corriente continua, en el que no existen zapatas polares, en que ahí respectivamente dos imanes de forma curva, situados de forma diametralmente opuesta entre sí, tienen un grosor menor que otros dos imanes curvos situados igualmente de forma diametralmente opuesta entre sí, y en que los imanes de menor grosor están dispuestos detrás, en la dirección perimetral, de los imanes de mayor grosor, en que los imanes de sección transversal más estrecha están previstos al principio del respecto polo y los imanes de sección transversal más gruesa están previstos al final del respectivo polo, vistos en la dirección de rotación del rotor. Algo similar resulta también en el caso de un imán de forma curva por cada polo, cuyo grosor aumenta desde el extremo delantero hacia el trasero.

A partir del documento DE 22 63 167 resultan máquinas eléctricas con una estructura de alojamiento rectangular, cuando entre las ramas que parten de los núcleos polares opuestos están dispuestos por ejemplo respectivamente dos núcleos polares en forma de cuña en sección transversal, adyacentemente a cuyas superficies de cuña están situadas placas magnéticas. La segunda superficie de cuña de estos núcleos polares está situada, con intercalación de otras placas magnéticas, junto a superficies de apoyo orientadas hacia ellos de las ramas de los núcleos polares opuestos. Estas otras placas magnéticas están conformadas con un grosor de sección transversal aproximadamente doble que el de las placas magnéticas citadas en primer lugar.

La invención tiene como base la tarea de optimizar, en una máquina de corriente continua del tipo citado al principio, el curso del campo magnético en el estátor con vistas a un comportamiento mejorado de par de giro/número de revoluciones y a un mayor rendimiento de la máquina de corriente continua.

La tarea se resuelve conforme a la invención a través de las características de la reivindicación 1.

Conforme a la invención, al menos los dos imanes planos, que están colocados respectivamente en uno de los extremos, vistos en la dirección perimetral del yugo del estátor, de la zapata polar tienen un grosor menor que los restantes imanes planos del polo del estátor. Como la densidad de flujo magnético aumenta tanto en el yugo del estátor como también en la zapata polar desde el centro de cada uno de los polos del estátor hacia su extremo, se evita mediante reducción del grosor de los dos imanes planos más exteriores en cada polo del estátor que la densidad de flujo magnético alcance la saturación magnética. La máquina de corriente continua excitada por imanes permanentes conforme a la invención tiene la ventaja de que, mediante el empleo de imanes planos en forma de paralelepípedo rectangular con dimensiones diferentes en la dirección de magnetización, por lo tanto con grosor o altura diferentes vistos en la dirección radial de la máquina, no sólo se aprovecha la ventaja de precio de los materiales magnéticos que pueden adquirirse a bajo precio en el mercado, tales como neodimio, cobalto y samario, entre otros, sino que también puede optimizarse el flujo magnético en el yugo del estátor y en las zapatas polares de tal modo que por un lado la sección transversal existente en el material de acero del estátor (yugo del estátor y zapatas polares) se aprovecha al máximo para guiar el flujo magnético y por otro lado la densidad de flujo magnético no alcanza la saturación magnética en sectores del material de acero. La elección del grosor de los distintos segmentos planos depende con ello de la densidad de flujo magnético deseada en las zonas de polo, la cual se calcula preferentemente según el método de elementos finitos. Con la optimización en el aprovechamiento de la sección transversal de acero para guiar el flujo magnético mejora el rendimiento de la máquina. El recubrimiento de la multiplicidad de imanes planos por cada polo del estátor mediante una zapata polar de una pieza, cuya superficie polar libre sigue una superficie cilíndrica concéntrica, contribuye a una mejora del guiado del flujo y elimina así las denominadas pulsaciones de ranura, de forma que también mejora el comportamiento de par de giro/número de revoluciones de la máquina.

La máquina de corriente continua conforme a la invención es particularmente apropiada para el empleo como motor de baja tensión eléctrica en el ámbito de los automóviles, por ejemplo como motor de accionamiento para dispositivos de regulación y como motor del compresor.

Formas de realización ventajosas de la máquina de corriente continua conforme a la invención con perfeccionamientos y desarrollos útiles de la invención están indicadas en las otras reivindicaciones.

Conforme a una forma de realización ventajosa de la invención, cada zapata polar sobresale con sus dos zonas extremas, vistas en la dirección perimetral del yugo del estátor, más allá de los dos imanes planos más exteriores. También esta medida estructural lleva a un guiado optimizado del flujo en las zonas extremas de las zapatas polares y con ello a una mejora del rendimiento de la máquina de corriente continua.

La invención se describe a continuación más detalladamente con ayuda de ejemplos de realización representados en el dibujo. Muestran respectivamente en representación esquemática:

la figura 1 un corte transversal de un motor de corriente continua,

la figura 2 una representación igual, a escala aumentada, con líneas de flujo magnético dibujadas,

la figura 3 un corte transversal de un estátor modificado del motor de corriente continua de la figura 1,

la figura 4 una vista desde arriba sobre una lámina de chapa del estátor de la figura 3.

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El motor de corriente continua bipolar representado esquemáticamente en corte transversal en la figura 1, como ejemplo de realización para una máquina de corriente continua general excitada por imanes permanentes, tiene un estátor 11 con un yugo de estátor 12 anular compuesto por láminas de chapa y hecho de material ferromagnético, y dos polos de estátor 13 dispuestos diametralmente junto a la superficie interior 121 del yugo de estátor y que sobresalen radialmente. Por motivos de claridad de representación se ha renunciado a un sombreado de las superficies de corte. Cada uno de los polos de estátor 13 conformados idénticamente está compuesto por varios, aquí cinco, imanes planos 14 en forma de paralelepípedo rectangular, hechos de material de trabajo magnético, por ejemplo neodimio, y por una zapata polar 15 hecha de material ferromagnético. En la superficie interior 121 del yugo de estátor 12 están conformadas en la zona de polo superficies de apoyo 16, sobre las cuales se apoyan de forman plana con una de sus superficies los imanes planos 14. Las superficies de apoyo 16 están orientadas aquí de tal modo que la normal en el punto central de la superficie, que se extiende transversalmente a la dirección de magnetización, de los imanes planos 14 adyacentes con esta última superficie a las superficies de apoyo 16, está orientada radialmente.

Los en conjunto cinco imanes planos 14 de cada uno de los polos de estátor 13 están recubiertos, por su lado apartado del yugo de estátor 12, por la zapata polar 15, que, vista en la dirección perimetral del yugo de estátor 12, sobresale con sus dos zonas extremas más allá de los dos imanes planos 141 más exteriores. La zapata polar 15 conformada en forma de arco de circunferencia lleva sobre su superficie trasera 151 orientada hacia el yugo de estátor 12 igualmente superficies de apoyo 17 para respectivamente uno de los imanes planos 14 y está curvada por su superficie delantera 152 en forma circular, en que la zapata polar 15 está fijada al yugo de estátor 12 a través de los imanes planos 14 de tal modo que está orientada con su superficie delantera 152 concéntricamente respecto al eje del estátor. Los imanes planos 14 están situados de forma plana y sin rendijas de aire adyacentemente a las superficies de apoyo 16 y 17 de yugo de estátor 12 y zapata polar 15 y están fijados a éstos de modo adhesivo o de otro modo. Los huecos que quedan dado el caso entre los imanes planos 14 son rellenados por inyección de material sintético, mejorando así la adherencia. Al mismo tiempo se consigue con ello una protección frente a la corrosión para los imanes planos 14, en particular cuando la disposición de imanes planos 14 recibe por fuera otro revestimiento de material sintético más. Los imanes planos 14 están magnetizados en dirección radial, es decir transversalmente a sus superficies adyacentes a las superficies de apoyo 16, 17, y más concretamente en el mismo sentido en cada polo de estátor 13. En la figura 1, la magnetización está indicada simbólicamente con SN o respectivamente NS de forma respectiva en el imán plano central 14 de los dos polos de estátor 13.

El estátor 11, estructurado como se ha descrito previamente, rodea un rotor 20, también denominado inducido o armadura, que comprende un árbol de rotor 21 y un cuerpo de rotor 22 asentado de forma solidaria en rotación sobre el árbol de rotor 21. El árbol de rotor 21 está orientado coaxialmente con el eje del estátor y está soportado de forma giratoria en un alojamiento de máquina, no representado aquí, en el que está alojado el estátor 11. El cuerpo de rotor 22 cilíndrico, que consta al igual que el estátor 11 de un paquete de chapas de acero en láminas, tiene de modo conocido una multiplicidad de ranuras axiales 23, que están dispuestas con un desplazamiento angular relativo igual en el perímetro del cuerpo de rotor 22. En las ranuras axiales 23 está insertado un arrollamiento de armadura o rotor 24, que está indicado en la figura 1 mediante sombreado de una ranura axial 23. Entre el perímetro exterior del cuerpo de rotor 22 y las zapatas polares 15 de los dos polos de estátor 13 existe de modo conocido respectivamente una rendija de aire de trabajo 25, que está atravesada por el campo magnético generado por los polos de estátor 13.

Las líneas de campo del campo magnético generado por los polos de estátor 13 están representadas en la figura 2. Para asegurar un buen rendimiento del motor de corriente continua, hay que tener cuidado de que la densidad del campo magnético o flujo magnético generado por los imanes planos 14 no alcance la saturación magnética en ningún punto en el yugo de estátor 12. Lo mismo es válido también para la densidad de flujo magnético en las zapatas polares 15. Para garantizar un guiado óptimo del flujo, en cada polo de estátor 13 los imanes planos 14 están diseñados por ello en lo que respecta a su grosor d (altura radial), visto en la dirección de magnetización, de tal modo que evitando la saturación magnética se alcanza una densidad de flujo máxima en el yugo de estátor 12. Como puede verse en el curso, representado en la figura 2, del campo en el estátor 11 y en el rotor 20, la densidad de flujo en el yugo de estátor 12 aumenta en la zona de cada una de las zapatas polares 15 desde el centro del polo hacia el extremo del polo. Por los motivos anteriormente citados, el grosor d de los dos imanes planos 141 más exteriores, dispuestos simétricamente respecto a la línea central del polo de estátor 13, está realizado con un valor menor, de forma que la contribución de los dos imanes planos 141 más exteriores al campo magnético generado en conjunto por los imanes planos 14 es menor que la de los restantes imanes planos 14.

Es por supuesto posible, de cara a una optimización adicional del guiado de flujo en el yugo de estátor 12 para condiciones de construcción modificadas, variar igualmente también el grosor d de los tres imanes planos 14 restantes, que en la figura 1 aún están realizados de modo igual.

En el estátor 11' modificado representado en corte transversal en la figura 3, las zapatas polares 15 de los polos de estátor 13, situados a su vez de forma diametralmente opuesta entre sí junto al yugo de estátor 12, están unidas directamente al yugo de estátor 12, y más concretamente a través de un alma axial 26 que sobresale de forma respectivamente central de la zapata polar 15. Los imanes planos 14, de los cuales aquí están asignados a un polo de estátor 13 respectivamente seis imanes planos en forma de paralelepípedo rectangular, están insertados entre la superficie trasera 151 de la zapata polar 15 y la superficie interior 121 del yugo de estátor 12 y, de igual modo que en la figura 1, están situados de forma plana y sin rendijas de aire, con sus superficies que se extienden transversalmente a la dirección de magnetización, adyacentemente a las superficies de apoyo 16 y 17 conformadas en la superficie interior 121 del yugo de estátor 12 y en la superficie trasera 151 de la zapata polar 15. Las rendijas axiales en forma de cuña que restan entre los imanes planos 14 son rellenadas por inyección de material sintético, a través de lo cual son fijados los imanes planos 14 y se obtiene al mismo tiempo una protección frente a la corrosión. El material sintético puede cubrir también por motivos de protección frente a la corrosión los lados frontales de los imanes planos 14 y rellenar también el espacio entre el yugo de estátor 12 y los extremos de zapata polar 153. Los extremos de zapata polar 153, orientados uno hacia otro, de las zapatas polares 15 tienen por un lado un resalte 28 orientado hacia la superficie interior 121 del yugo de estátor 12 así como una muesca 27 realizada en la superficie frontal radial. El resalte 28 forma un borde de apoyo para el imán plano 141 más exterior, cuyo borde garantiza una disposición adyacente sin holgura de los imanes planos 14 en la dirección perimetral de la zapata polar 15. Las muescas 27 sirven para la recepción de un dispositivo de apriete 29, que carga los extremos de zapata polar 153 en dirección radial y a través de ello fija por ajuste a presión los imanes planos 14 entre la zapata polar 15 y el yugo de estátor 12. El dispositivo de apriete 29 hecho de acero elástico no magnético tiene dos brazos 291 planos separados entre sí formando un ángulo obtuso. Tras la introducción de los imanes planos 14 en el estátor 11' se introduce respectivamente entre los extremos de zapata polar 153 orientados uno hacia otro de las dos zapatas polares 15 un dispositivo de apriete 29 con sus extremos de brazo dentro de las muescas 27. El dispositivo de apriete 29 se apoya entonces por el centro en la superficie interior 121 del yugo de estátor 12 y genera una fuerza de apriete orientada radialmente hacia fuera sobre los extremos de zapata polar 153. El dispositivo de apriete 29 está realizado en la dirección axial del estátor 11 con una anchura tal que se extiende sobre una parte considerable de la longitud axial del estátor 11'. Alternativamente pueden introducirse varios dispositivos de apriete 29 estrechos con separación axial entre sí en los extremos de zapata polar 153.

El yugo de estátor 12 y las zapatas polares 15 están realizados en láminas también en el ejemplo de realización del estátor 11' conforme a la figura 3 y están compuestos por una multiplicidad de láminas superpuestas axialmente y hechas de material ferromagnético, las denominadas láminas de chapa 30, formando un paquete de chapas. La unión de las láminas de chapa 30 se consigue mediante un denominado empaquetamiento por estampado o mediante soldadura, remachado o similar. Cada lámina de chapa 30 estampada tiene tanto un perfil de estátor 301 como también un perfil de zapata polar 302 de una pieza con el anterior, los cuales están unidos de una pieza entre sí a través de un perfil de alma 303 que discurre por el centro. Cada perfil de zapata polar 302 lleva en su extremo el resalte 28 y la muesca 27. El conjunto de perfiles de yugo de estátor 301 forma el yugo de estátor 12, el conjunto de perfiles de zapata polar 302 las zapatas polares 15 y el conjunto de perfiles de alma 303 las dos almas axiales 26 en el paquete de chapas completado del estátor 11'.

Por supuesto es posible por ejemplo por motivos de resistencia unir las zapatas polares 15 a través de varias almas 26 de una pieza con el yugo de estátor 12. Varias almas axiales son dispuestas aquí de tal modo que entre ellas quedan sujetos sin holgura uno o varios imanes planos 14 en la dirección perimetral del estátor 11'.

El número de polos de estátor 13 ocupados con los imanes planos 14 no está limitado a dos. Así, el estátor 11 puede tener 2p polos de estátor 13, en que p es un número mayor que cero.

Claims (15)

1. Máquina de corriente continua excitada por imanes permanentes, en particular motor de corriente continua, con un estátor (11; 11'), que tiene un yugo de estátor (12) ferromagnético y polos de estátor (13) que sobresalen radialmente hacia el interior del estátor y están dispuestos con igual desplazamiento angular perimetral junto al yugo de estátor (12), cuyos polos están compuestos por imanes planos (14), en forma de paralelepípedo rectangular, adyacentes a la superficie interior del yugo de estátor (12) y hechos de material de trabajo magnético, y por zapatas polares (15) ferromagnéticas con una superficie curvada en forma circular que recubren los imanes planos (14), en que el grosor (d) de imán plano, medido en la dirección de magnetización, de un polo de estátor (13) está variado con respecto al de otro polo de estátor (13), caracterizada porque cada polo de estátor (13) individual tiene varios imanes planos (14) magnetizados en el mismo sentido y dispuestos uno junto a otro en la dirección perimetral, cuyo grosor (d) es variado, y porque al menos los dos imanes planos (141) que están colocados en los extremos, vistos en la dirección perimetral del yugo de estátor (12), de una zapata polar (15) tienen un grosor (d) menor que los restantes imanes planos (14).

2. Máquina según la reivindicación 1, caracterizada porque el grosor (d) de los imanes planos (14) individuales de un polo de estátor (13) está determinado por la densidad de flujo máxima permitida en la sección transversal de yugo de estátor (12) y zapata polar (15).

3. Máquina según la reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque imanes planos (14) de igual grosor (d) están dispuestos con simetría especular respecto a la línea central del polo de estátor (13).

4. Máquina según una de las reivindicaciones 1 hasta 3, caracterizada porque, vista en la dirección perimetral del yugo de estátor (12), cada zapata polar (15) sobresale con sus dos extremos de zapata polar (153) más allá de los dos imanes planos (141) más exteriores.

5. Máquina según una de las reivindicaciones 1 hasta 4, caracterizada porque los imanes planos (14) están dispuestos junto al yugo de estátor (12) de tal modo que respectivamente la normal en el punto central de la superficie, que se extiende transversalmente a la dirección de magnetización, de los imanes planos (14) está orientada radialmente.

6. Máquina según una de las reivindicaciones 1 hasta 5, caracterizada porque en la superficie interior (121) del yugo de estátor (12) y en la superficie trasera (151), orientada hacia el yugo de estátor (12), de las zapatas polares (15) están conformadas respectivamente superficies de apoyo (16, 17) planas, sobre las cuales se apoyan de forman plana los imanes planos (14) con sus superficies que discurren transversalmente a la dirección de magnetización y están apartadas entre sí.

7. Máquina según la reivindicación 6, caracterizada porque los imanes planos (14) están fijados, preferentemente pegados, sobre las superficies de apoyo (16, 17) en el yugo de estátor (12) y en las zapatas polares (15).

8. Máquina según una de las reivindicaciones 1 hasta 6, caracterizada porque las zapatas polares (15) están unidas a través de respectivamente al menos un alma axial (26) al yugo de estátor (12).

9. Máquina según la reivindicación 8, caracterizada porque la por lo menos un alma axial (26) sobresale centralmente de la zapata polar (15).

10. Máquina según la reivindicación 8 ó 9, caracterizada porque el yugo de estátor (12) y las zapatas polares (15) están formados por un paquete de una multiplicidad de láminas de chapa (30) colocadas axialmente una junto a otra y porque cada lámina de chapa (30) tiene un perfil de yugo de estátor (301) y perfiles de zapata polar (302) de una pieza con el anterior.

11. Máquina según una de las reivindicaciones 1 hasta 10, caracterizada porque en los extremos de zapata polar (153), orientados uno hacia otro, de las zapatas polares (15) se agarra un dispositivo de apriete (29), que se apoya en la superficie interior (121) del yugo de estátor (12).

12. Máquina según la reivindicación 11, caracterizada porque el dispositivo de apriete (29) tiene brazos (291) separados entre sí formando un ángulo obtuso y hechos de un acero elástico no magnético, que se aplican con sus extremos de brazo a los extremos de zapata polar (153) y que con su zona de unión están situados con tensión previa adyacentemente a la superficie interior (121) del yugo de estátor (12).

13. Máquina según la reivindicación 12, caracterizada porque en los extremos de zapata polar (153) están realizadas muescas (27) para la introducción de los extremos de los brazos (291) del dispositivo de apriete (29).

14. Máquina según una de las reivindicaciones 1 hasta 13, caracterizada porque el dispositivo de apriete (29) se extiende sobre una parte considerable de la longitud axial del estátor (11').

15. Máquina según una de las reivindicaciones 1 hasta 14, caracterizada porque la disposición de imanes planos (14) situados uno junto a otro está rellenada y/o rodeada por inyección de material sintético.