ES2322356T3 - Motor de rotor de campo unico. - Google Patents
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Abstract
Un motor con rotor de campo único que comprende, en combinación, una caja (106) de estator que tiene regiones extremas separadas axialmente, un árbol (105) que se extiende rotativamente a través de las citadas regiones extremas, un rotor (107) laminado magnético montado sobre el citado árbol (105), que se extiende entre las citadas regiones extremas y que tiene lados radiales dispuestos adyacentes a las citadas regiones extremas y que tiene polos salientes separados definidos en la periferia del citado rotor (107), teniendo los citados polos de rotor una anchura periférica, un medio magnético que crea campos magnéticos en las citadas regiones extremas de la caja de estator de polaridad axial que crea una polaridad única de campo en todos los polos periféricos de rotor induciendo flujo axialmente en los lados del rotor (107) a través de un entrehierro no cambiante que se encuentra constantemente en un mínimo entre el citado medio magnético en la citada caja (106) de estator y los citados lados del rotor, un estator (108) que circunscribe el citado rotor (107) y que tiene una circunferencia interior, una pluralidad de polos de estator definidos sobre la citada circunferencia interior del estator, que tienen caras que tienen una anchura circunferencial, habiendo dos veces el número de polos de estator que polos de rotor, siendo sustancialmente igual la anchura circunferencial de los citados polos de estator a la anchura periférica de los citados polos de rotor y existiendo un pequeño entrehierro radial entre los citados polos de rotor y de estator, teniendo cada uno de los citados polos de estator una bobina (110) para crear una fuerza magnética de polo en el interior de la citada bobina (110) de estator, y un medio de circuito para cambiar alternativamente las citadas bobinas (110) de estator para cambiar alternativamente la polaridad de un polo de estator dado para que atraiga y repela alternativamente los citados polos de rotor para producir la rotación del citado rotor (107).
Description
Motor con rotor de campo único.
La invención se refiere a un motor con rotor de
campo único en el que se crea un mínimo de campos de flujo
alternantes en el circuito total de flujo del motor que produce el
par motor. El resultado es que la creación de un campo de flujo de
no inversión en una porción principal de las piezas de estator y de
rotor crea menos pérdidas y produce una eficiencia mayor en la
operación general del motor.
En la construcción y teoría de un motor
eléctrico típico, se crean campos de flujo alternantes, y se
utilizan distintos sistemas para descompensar estos campos de flujo
de manera que se pueda producir una rotación del rotor del motor.
Se crean campos de flujo de inversión en dispositivos de motores
eléctricos convencionales, y debido a la necesidad de superar los
campos de flujo de no trabajo, la eficiencia del motor queda
afectada de manera adversa. A lo largo de los años, se han
producido varios sistemas estructurales y teóricos en la técnica de
los motores eléctricos para superar tales ineficiencias
convencionales, pero hasta la presente, las eficiencias de los
motores eléctricos no son altas, especialmente en motores de
potencia pequeña, que comúnmente no alcanzan más del 50% como
máximo, y los motores eléctricos conocidos son ineficientes en la
conversión de la electricidad en energía mecánica.
La patente norteamericana número 4.348.605 de
Török desvela una máquina de reluctancia que comprende un rotor que
tiene una pluralidad de polos de rotor salientes no devanados, y un
estator con un número par de grupos mutuamente iguales de polos de
estator salientes distribuidos homogéneamente alrededor de la
circunferencia interior de la unidad de estator, estando rodeado
cada polo de estator por una bobina de trabajo respectiva. Los
polos de estator que pertenecen al mismo grupo tienen la misma
polaridad y también tienen la misma premagnetización.
El documento US 4.348.605 desvela las
características de la reivindicación 1, excepto en lo que sigue:
- los medios magnéticos crean una única polaridad de campo en todos los polos de rotor periféricos por medio de inducción de flujo axialmente en los laterales de rotor,
- el motor comprende un único rotor de campo.
La Patente Europea número 1 304 790 A1 desvela
un generador/motor eléctrico de imán permanente que comprende un
estator, un rotor, un eje de rotación y un entrehierro entre el
estator y el rotor, de manera que el flujo magnético a través del
citado entrehierro esté orientado esencialmente a lo largo del
citado eje de rotación. El generador/motor comprende un disco, una
pluralidad de núcleos magnéticos que están fijados al citado disco,
comprendiendo los núcleos bobinas devanadas alrededor de las patas
de los citados núcleos.
La Patente PCT número 03/003546 A1 desvela una
máquina eléctrica de imán permanente que tiene un rotor y un
estator anular. El rotor tiene dos discos montados sobre un árbol de
rotor común, uno en cada lado de estator que incorpora devanados de
campo. Cada disco de rotor tiene dos imanes permanentes opuestos
diametralmente uno respecto al otro sobre su cara adyacente al
estator, y dos piezas de polo de material ferromagnético no
magnetizado opuestos diametralmente uno respecto al otro sobre la
misma cara del disco de rotor.
Es conocido que si se mantiene pequeña el área
en el interior de un motor eléctrico donde el flujo alternante
utilizado en el estator del motor, se experimentará una eficiencia
incrementada, puesto que hay menos masa metálica implicada en el
área del flujo alternante, y los trayectos del flujo que está siendo
alternado son más cortos, y por lo tanto, se producen menos
pérdidas de núcleo que en un motor en el que áreas grandes del
circuito de par motor de flujo total son alternadas.
Para conseguir estos objetivos, es necesario que
se utilice una configuración de motor que se desvía de manera
importante con respecto a las configuraciones de par comunes y de la
manera en que se establece y se manipula el flujo en las piezas de
estator y de rotor con el fin de crear un campo magnético giratorio
que no tenga una polaridad cambiante.
La presente invención proporciona un motor de
rotor de campo único que tiene una caja de estator con regiones
extremas separadas axialmente. Un árbol se extiende rotativamente a
través de las regiones extremas de la caja de estator. Un rotor
ferromagnético laminado se monta sobre el árbol y se extiende entre
las regiones extremas de la caja de estator y tiene lados radiales
dispuestos adyacentes a las regiones extremas, habiendo polos
salientes separados que están definidos en la periferia del rotor,
teniendo los polos de rotor una anchura periférica. Un medio
magnético crea campos magnéticos en las regiones extremas de la caja
de estator de polaridad axial, creando un campo de polaridad única
en todos los polos de rotor por medio de la inducción axialmente de
un flujo en los lados del rotor, a través de un entrehierro no
cambiante que se mantiene constantemente en un mínimo entre el
medio magnético en la caja de estator y los lados del rotor. Un
estator circunscribe el rotor que tiene una circunferencia
interior. Una pluralidad de polos de estator definidos sobre la
circunferencia interior del estator tienen caras que tienen una
anchura circunferencial, en el que hay dos veces el número de polos
de estator que polos de rotor. La anchura circunferencial de los
polos de estator es sustancialmente igual a la anchura periférica
de los polos de rotor y un pequeño entrehierro existente entre los
polos de rotor y de estator. Cada uno de los polos de estator tiene
una bobina para crear una fuerza magnética de polo con la bobina de
estator. Un medio de circuito cambia alternativamente las bobinas de
estator para cambiar alternativamente la polaridad de un polo de
estator dado para atraer y repeler alternativamente los polos de
rotor para producir la rotación del rotor.
El rotor de campo único de la presente invención
puede hacer que la separación periférica entre los polos de rotor
adyacentes sea igual. La separación circunferencial interior entre
los polos de estator adyacente también puede ser igual. El medio
magnético que crea campos magnéticos en las regiones extremas de la
caja puede comprender imanes permanentes o puede comprender bobinas
eléctricas devanadas alrededor de un núcleo de ferrita y puede ser
energizado por una corriente continua, siendo inducido el flujo
resultante en los lados del rotor axialmente a través de un
entrehierro no cambiante que se mantiene constantemente en un mínimo
entre el medio magnético en la región extrema de la caja de estator
y los lados del rotor.
El medio magnético de la presente invención
produce campos magnéticos en las regiones extremas de la caja a
través de un entrehierro entre las regiones extremas de la caja de
estator y los lados del rotor. El entrehierro siempre se encuentra
en un mínimo y no se expande y también proporciona un incremento de
las superficies de ferrita opuestas en ambos lados del entrehierro,
en comparación con la superficie de los polos de rotor y de estator
para la finalización de los circuitos de flujo en la caja de estator
y en el rotor del motor. El medio magnético puede establecer
circuitos de flujo en la caja de estator y en el rotor que se
originan en las regiones extremas de la caja de estator e inducen
un campo en el rotor cruzando axialmente el entrehierro entre las
regiones extremas de estator y los lados del rotor, pero el campo
entonces se orienta radialmente en las laminaciones de rotor y
ejerce un par motor radialmente entre los polos de rotor y los polos
de estator, y el circuito de flujo es completado axialmente
utilizando la caja de estator y las regiones extremas de la caja de
estator.
La presente invención también proporciona un
procedimiento para producir una fuerza que produce una rotación,
proporcionando un motor eléctrico que tiene un eje de rotación con
un rotor conductor de flujo montado en el eje que tiene una
pluralidad de polos separados circunferencialmente que tienen caras
exteriores. El rotor está montado en el interior de una caja de
estator conductor de flujo magnético que tiene regiones extremas
situadas adyacentes al eje y una periferia interior. El rotor está
situado entre las regiones extremas adyacentes. Un estator está
montado en la periferia interior de la caja y tiene polos devanados
con bobinas interiores, teniendo cada uno de ellos una cara
interior. Las caras de los polos de rotor y del polo de estator son
alineables radialmente. Un medio de circuito controla la
energización de las bobinas de los polos de estator, y el medio
magnético está situado adyacente a las regiones extremas de la caja
de estator. El procedimiento proporciona además, la etapa de crear
un flujo radial de polaridad única en el interior del citado rotor,
con lo cual la energización de las bobinas de los polos de estator
produce fuerzas magnéticas entre los polos de rotor y de estator
para hacer girar el rotor.
Los objetivos y operación de la invención que se
han mencionado con anterioridad se apreciarán con la descripción
que sigue y con los dibujos que se acompañan, en los que:
la figura 1 ilustra una configuración de flujo
típica en un motor con rotor de campo único de acuerdo con la
presente invención,
la figura 2 es una vista en perspectiva tomada
por el plano del eje de rotación de la configuración de flujo de la
figura 1,
la figura 3 es similar a la figura 1 e ilustra
las piezas del motor que son parte del trayecto de flujo si se
utilizan imanes,
la figura 4 es similar a la figura 3, excepto en
que se muestra una bobina de corriente continua (CC) en lugar de
los imanes en el estator,
la figura 5 ilustra una realización de rotor del
motor de campo único de la presente invención utilizando imanes
permanentes,
la figura 6 es el mismo motor que se muestra en
la figura 5, excepto en que los imanes permanentes han sido
reemplazados por núcleos de bobina,
la figura 7 es una vista extrema de un motor con
rotor de campo único típico que utiliza los conceptos de la
presente invención,
las figuras 8A - 8D ilustran el procedimiento de
aplicación de par en el rotor de motor de campo único de la
presente invención,
la figura 9 ilustra un devanado alternativo de
las bobinas de fase en las ranuras de la porción laminada del
estator,
la figura 10 es similar a la figura 9, en la
que se ha realizado un segundo devanado en la dirección opuesta,
la figura 11 es una vista en despiece ordenado
del motor que se ilustra en la figura 6,
la figura 12 es una vista en despiece ordenado
del motor de imán permanente que se ilustra en la figura 5,
la figura 13 ilustra un circuito para utilizarse
con la versión de imán de la invención,
la figura 14 desvela un circuito similar al de
la figura 13 que se puede utilizar con la versión de bobina de CC
de la invención, y
las figuras 15A - 15B muestran circuitos que se
pueden utilizar con el motor de rotor de campo único de la
invención con accionamiento de tipo bifilar.
La figura 1 ilustra esquemáticamente la
configuración y los trayectos del flujo de par primario en el motor
con rotor de campo único de acuerdo con la invención, con
independencia de que el flujo haya sido creado por imanes
permanentes o por bobinas de CC y núcleos de estator. El área
ilustrada y encerrada por las líneas de puntos 101 es el área en
donde se origina el flujo en los imanes o en los núcleos de bobinas
de CC. El área en el recuadro 102 de líneas de puntos es el área de
rotor - par del motor cuando el rotor gira, e ilustra como la
polaridad opuesta del flujo que entra en el área de rotor - par de
los lados opuestos hace que se difunda perpendicular al eje del
motor. Las laminaciones del rotor también están orientadas
perpendiculares al eje, lo cual fomenta además este efecto, y las
laminaciones del rotor se convierten en el trayecto de ferrita para
que el flujo se desplace a la circunferencia de rotor en donde están
formados los polos de rotor. Las áreas 103 representan las áreas
del estator que está laminado con polos y devanado con bobinas de
fase e ilustra como el flujo utiliza esta parte del estator para
pasar al interior de las piezas sólidas, es decir, no laminadas,
del estator, en donde las flechas 104 ilustran el retorno del flujo
a través de la pieza no laminada del estator al lado opuesto de los
imanes o núcleo de bobina de CC desde el cual existía originalmente,
completando de esta manera los circuitos del flujo. El árbol 105 se
muestra en la figura 1 con el fin de proporcionar perspectiva al
observador.
La figura 2 es una vista extrema y axial de
compromiso de los circuitos de flujo ilustrados en la figura 1, e
ilustra la configuración de 360º de los circuitos de flujo, incluso
aunque hay flechas que muestran los trayectos de flujo solamente
cada 90º por motivos de claridad. El flujo 104 y el árbol 105 están
indicados con el fin de proporcionar perspectiva en relación con la
figura 1.
Con referencia a la figura 3, que ilustra un
motor con rotor de campo único típico de acuerdo con la presente
invención, y es similar en funcionamiento a la descripción de la
figura 1, y distintas piezas del motor están indicadas, los imanes
permanentes 109 están orientados de manera que hay un campo Norte en
ambas caras interiores hacia el rotor 107, que está laminado de
manera que el flujo se desplace a su circunferencia donde están
formados los polos de rotor. El flujo de los imanes 109 cruza unos
entrehierros mínimos no cambiantes entre sus caras interiores y los
lados del rotor 109, que está montado en el árbol 105, y entra en
las laminaciones de rotor, a continuación gira perpendicular al eje
del motor y se desplaza a lo largo de las laminaciones del rotor a
todos los 360º de la circunferencia del rotor. A continuación se
concentra en los polos de rotor cuando se extienden hasta unas
milésimas de pulgada de las caras de los polos de estator de las
laminaciones 108 del estator. A continuación, el flujo cruza el
entrehierro entre las caras de los polos de rotor en la
circunferencia exterior del rotor y las caras interiores de los
polos de la pieza laminada del estator, que se indica por la parte
108, que tiene bobinas de fase 110 devanadas en todas sus ranuras.
El flujo pasa a través de las laminaciones de 108 a su
circunferencia exterior. La circunferencia exterior de 108 está
ajustada por presión dentro de la circunferencia interior de la
caja 106 de estator, que es sólido y ferromagnético no laminado, o
pieza equivalente de estator y de las campanas extremas. El flujo
utiliza una caja sólida 106 de estator para volver a la cara Sur de
los imanes 109, completando el circuito de flujo.
La figura 4 ilustra un motor que utiliza los
circuitos de la figura 3 en los que los mismos números de referencia
indican las partes que se han descrito previamente. Los imanes de
estator están reemplazados por bobinas de CC 111 y los núcleos de
estas bobinas que se han hecho parte de la caja sólida 106 de
estator.
La figura 5 muestra una realización de rotor del
motor de campo único de la presente invención utilizando imanes
permanentes. La caja sólida 106 de estator y las campanas extremas
asociadas 114 tienen imanes 109 unidos a sus caras interiores de
manera que sitúen adecuadamente las caras interiores de los imanes
próximas a los lados del rotor 107 con un entrehierro mínimo. La
caja sólida/campana extrema izquierda 114 del estator tiene
laminaciones 108 del estator, con bobinas de fase 110 ajustadas por
presión dentro del mismo, de manera que sitúen las caras de los
polos de estator adecuadamente alrededor del rotor, de manera que
los polos de rotor puedan girar unas pocas milésimas de pulgada
desde las caras interiores de los polos de estator y entren en
registro con cada otro polo de estator alternativamente. El rotor
107 está montado sobre el árbol 106 y se mantiene en su posición
por medio de cojinetes 112 ajustados en las cajas de cojinete de la
caja sólida/campanas extremas del estator, o 106 y 114.
La figura 6 es el mismo motor que se ilustra en
la figura 5, excepto en que los imanes 109 han sido reemplazados
por núcleos de bobina que se extienden desde la caja sólida/campanas
extremas 120 y 121 del estator, tal como en 113 indicado por 121.
Las bobinas de CC 111 son entonces devanadas en estos núcleos para
crear el flujo primario de par para el motor y reemplazar los
imanes permanentes 109 de la realización de la figura 5.
La figura 7 es una vista extrema seccionada del
motor con rotor de campo único de acuerdo con la presente invención
que ilustra las piezas del motor desde una sección diferente que la
que se ha descrito previamente. El rotor 203 está ilustrado con
polos salientes 204, que son en número ocho, y están dimensionados y
situados de manera que puedan entrar en registro con cada otra cara
de polo de los polos 202 de estator del estator laminado 241. Los
polos 202 de estator son en número diez y seis y están
proporcionados y separados por igual alrededor de la circunferencia
interior del estator 201, habiendo diez y seis ranuras entre ellos.
Las laminaciones 201 del estator se muestran presionadas dentro de
estator sólido/campana extrema 205. Las caras de los polos de
estator son iguales a la cara interior total de la circunferencia de
estator, menos las aberturas de las ranuras. Las caras de los polos
de rotor son iguales a la cara de cualquier polo de estator, y están
separadas de manera que entren en registro con cada otro polo de
estator, todas al mismo tiempo.
Las figuras 8A - 8D ilustran el procedimiento de
par en el motor con rotor de campo único de acuerdo con la presente
invención. En la figura 8A, los polos de rotor se muestran en
registro con los polos con números impares de estator. Las flechas
en los polos impares de estator muestran que las bobinas de fase (no
mostradas) han sido energizadas de manera que los polos impares de
estator están desfasados magnéticamente con respecto al flujo de
par motor en los polos de rotor, que es Norte en la cara de todos
los polos de rotor como se indica por las flechas, y provienen de
los imanes o bobinas de CC del estator, mientras que los polos con
números pares de estator están energizados de manera que se
encuentran en fase magnéticamente con el flujo en los polos de
rotor. Esto hará que los polos de rotor sean repelidos
magnéticamente, separándose de los polos con números impares de
estator y atraídos hacia los polos con los con números pares de
estator. Esto hará que los polos de rotor entren en registro y en
fase magnéticamente con los polos con números pares como se ilustra
en la figura 8B. A continuación, como se ilustra en la figura 8C por
el cambio en la orientación de las flechas en los polos de estator,
todas las bobinas de fase invierten sus polaridades haciendo que los
polos de estator con números pares de estator se encuentren
magnéticamente desfasados con el flujo de par motor en los polos de
rotor, que proviene de los imanes o de las bobinas de CC, mientras
que los polos con números impares de estator están energizados de
manera que se encuentren en fase magnéticamente con el flujo en los
polos de rotor. Esto hará que los polos de rotor sean repelidos de
los polos de estator con números pares y atraídos hacia los polos
de estator con números impares. Esto hace que los polos de rotor
entren en registro y en fase magnéticamente con los polos con
números impares como se ilustra en la figura 8D. Esto se repite una
y otra vez por los circuitos de control, produciendo de esta manera
un par motor continuo en el rotor.
La figura 9 ilustra la manera alternativa de
devanar las bobinas de fase en las ranuras de la parte laminada del
estator. El extremo 210 de cable de devanado magnético está devanado
alternativamente a través de las ranuras de los polos de estator,
de manera que forme un bucle alrededor de un lado solamente de cada
polo de estator de forma que realice un bucle alrededor del lado
opuesto de cada otro polo de estator. El número de vueltas en las
ranuras está determinado por el número de veces que el cable de
devanado realiza un recorrido completo a través de todas las
ranuras. Cuando se ha conseguido el número deseado de vueltas, el
cable de devanado finaliza con el extremo 211. Aplicando corriente
de fase única a este tipo de devanado, todos los polos 212 de
estator tendrán polos alternantes Norte y Sur en sus caras en la
media fase positiva e invertirán su patrón en la media fase
negativa.
Devanando un segundo devanado de la misma
manera, solamente que en la dirección opuesta, de manera que los
devanados realicen un bucle alrededor de los lados opuestos de los
polos de estator desde el primer devanado como se ilustra en la
figura 10, se forma una configuración de bobinas de fase bifilar que
puede ser energizada y controlada por un circuito mucho más simple,
que son primariamente dos circuitos de CC energizados
alternativamente, o se crean opciones de multi voltaje si las
bobinas se utilizan en paralelo o en serie con un circuito de tipo
de puente H más tradicional.
La figura 11 es una vista expandida del motor
que se ha ilustrado originalmente en la figura 6, 120 y 121 son un
estator sólido/campanas extremas que tienen núcleos de bobinas
formados en sus caras interiores, como se indica por 113. Las
bobinas de CC 111 estarían devanadas en estos núcleos
respectivamente para crear el flujo primario de par en el motor. El
rotor 107 es un rotor laminado a partir de acero dulce de motor con
polos salientes separados y dispuestos de manera que puedan entrar
en registro con cada otro polo de estator laminado 108 cuando gira.
La pieza laminada de estator 108 está ilustrada con bobinas de fase
110 devanadas en sus polos, que puede ser un devanado de tipo
tradicional con una única bobina alrededor de cada polo o con un
devanado de tipo "Z" ilustrado en las figuras 9 y 10.
La figura 12 es una vista expandida de la figura
5, que es el mismo motor que las figuras 6 y 11, excepto en que los
imanes 109 son utilizados para crear el flujo de par primario en el
motor en lugar de las bobinas de CC. Como consecuencia, la caja
sólida/campanas extremas 106 de estator y 114 están fabricadas sin
los núcleos de bobina de CC que se tienen en la otra versión y en
su lugar tiene los imanes 109 de estator sólido/campana extrema
unidos a la cara interior de estator sólido/campana extrema en lugar
del núcleo y de la bobina de CC.
En la figura 13 se ilustra un circuito en puente
H estándar que se puede utilizar con el motor de la invención, que
tiene un control opcional del circuito, ya sea desde los circuitos
de realimentación de rotor en bucle cerrado o desde un control
abierto por medio de un oscilador de frecuencia variable. Las
eficiencias son ligeramente mayores con el control en bucle
cerrado, pero en muchas aplicaciones, el control abierto proporciona
las características de control deseadas solamente con una
eficiencia ligeramente menor porcentualmente. El control en bucle
cerrado también ofrece control de velocidad por medio de una
circuitería de control de velocidad opcional. Este circuito en la
figura 13 se debe utilizar con la versión de imanes del motor con
rotor de campo único que se ha descrito más arriba.
En la figura 14, se ilustra el mismo circuito
que se muestra en la figura 13 con la adición de un circuito en
puente en serie con las bobinas de fase para accionar las dos
bobinas de CC en las campanas extremas con la versión de estator
del motor con rotor de campo único que reemplaza los imanes de
estator con bobinas de CC devanadas en núcleos formados en las
campanas extremas del motor como se ha descrito más arriba.
Las figuras 15A y 15B muestran una tercera y
cuarta clase de circuito que puede ser utilizado para accionar el
rotor del motor de campo único. Estos circuitos son circuitos
bifilares. De acuerdo con esto, dos cables idénticos son devanados
en las bobinas de fase al mismo tiempo. Ambos conjuntos de devanados
resultantes están conectados a un controlador de CC que tiene dos
circuitos de CC separados que pueden ser alternados ya sea por
controles en bucle cerrado o abierto. Los dos devanados separados
están conectados eléctricamente 180º en oposición uno con el otro y
se utilizan alternativamente para crear una de las medias fases
opuestas. De esta manera, cuando el primer circuito es energizada
por el controlador, se crea un patrón Norte - Sur como se ha
descrito previamente alrededor de la cara interior de los polos de
estator laminado. Cuando se energiza el segundo circuito, cada polo
es invertido y crea un patrón alternado. Estos son alternados por el
controlador para hacer que el motor gire de la manera normal. Este
circuito bifilar se utiliza en aplicaciones en las que se precisan
circuitos baratos para la aplicación. Estos circuitos también pueden
ofrecer un control de velocidad muy barato.
La diferencia entre las figuras 15A y 15B es que
la figura 15A es para la versión de imanes del motor de rotor de
campo único de la invención, y la figura 15B es para utilizarse con
la versión de bobinas de CC que utiliza bobinas de CC en lugar de
imanes en las campanas extremas de estator. Como se apreciará, la
figura 15B incluye un circuito puente y dos bobinas de CC que no se
ilustran en la figura 15A.
La parte de bobina de fase del motor con rotor
de campo único puede ser devanada de tres maneras diferentes. Todos
los procedimientos son simples y proporcionan en gran medida las
mismas características de eficiencia, pero cada una de ellas es más
adecuada para diferentes demandas de producción y requisitos de
circuitos. El procedimiento más tradicional es devanar una bobina
en cada polo de estator laminado, de manera que cada bobina es
devanada inversamente en relación con cualquier bobina de fase en
ambos lados de la misma a lo largo de la circunferencia interior
del estator. Esto es un simple patrón de devanado alternando en el
sentido de las agujas del reloj y en el sentido contrario a las
agujas del reloj. Normalmente, las bobinas están conectadas en
series eléctricas de manera que todas puedan ser excitadas
conjuntamente por el circuito de control como se muestra en las
figuras 13 y 14. Eso significa que cada otro polo tendrá una porción
magnética Norte en su cara, y cada uno de los polos que intervienen
tendrá una polaridad magnética Sur en su cara. Con un circuito de
control de fase única que suministra una media fase positiva y una
media fase negativa, la polaridad de los dos conjuntos de polos se
alterna como se desee.
El efecto es que cada otro polo de estator se
encuentre en fase o bien desfasado con el flujo primario de par que
está siendo creado por los imanes de estator o por las bobinas de
CC. Esto hace que los polos de rotor, que son la mitad que el
número de los polos de estator, y que están separados de manera que
solamente pueden entrar en registro con cada otro polo de estator
en cualquier posición que permita una posición registrada de los
polos de estator y de rotor, sean repelidos por el conjunto de los
polos de estator debido a que están desfasados con el trayecto de
circuito del flujo primario de par de los imanes de estator, o de
las bobinas de CC, y que sean atraídos por cada otro conjunto de
polos de estator debido a que se encuentran en fase con el flujo
primario de par de la misma fuente. Simplemente alternando las
bobinas de fase entre positivo y negativo con un circuito que
controla primariamente la temporización de esta alteración, se crea
el área de giro en fase de la cara interior de los polos de estator
que siempre es el 50% de la superficie de cada de polo de estator
disponible, que se corresponden a cada otra cara de polo de estator,
Esto hace que el rotor "busque" constantemente estas áreas en
fase que están girando continuamente y repela constantemente las
áreas desfasadas en rotación que también son el 50% de la
superficie disponible de polos de estator y que se corresponden al
otro conjunto de cada otra cara de polo de estator.
Una de las formas alternativa de devanar las
bobinas de fase es utilizar lo que se puede dominar un devanado de
bobina en "Z". Se utiliza un devanado de bobina en "Z" con
un número par de polos y es simplemente el paso de un cable de
devanado a través de las ranuras de estator en una manera en zig -
zag, yendo alrededor y alrededor del estator hasta que exista el
número deseado de vueltas en cada ranura. Esto, por supuesto,
significa que hay realmente solamente una bobina que es devanada
hacia delante y hacia atrás entre las ranuras cuando se coloca
alrededor de la circunferencia del interior del estator. Cuando esta
bobina invierte su dirección en relación con cada otra ranura del
estator, produce el mismo patrón de flujo alternado en las caras de
los polos de estator. Puesto que el devanado de bobina en "Z"
solamente pasa alrededor de un lado de cada polo, acorta
efectivamente la longitud total del devanado en fase en serie total
y de esta manera la resistencia total. Este tipo de devanado
también es muy simple en algunos tipos de aplicaciones de producción
de este motor puesto que una única bobina del número requerido de
vueltas puede ser devanada con un diámetro que permite que se
deslice dentro de las ranuras de estator en una manera en
"Z".
El segundo procedimiento alternado de devanar
las bobinas de fase es utilizar dos bobinas en "Z", devanadas
en las mismas ranuras pero 180º en oposición una con la otra de
manera que los bucles laterales de una de las bobinas en "Z"
realice un bucle alrededor de un lado de cada otro polo de estator
(alternando el lado que rodea en cada polo) mientras que la segunda
bobina en "Z" se devana alrededor del lado opuesto de cada
otro polo respecto al de la primera bobina en "Z". Pueden estar
conectados en paralelo para un voltaje, es decir, 115 voltios, y
conectados en serie para un segundo voltaje, es decir, 230 voltios.
Además, con este procedimiento de bobina doble en "Z" para
devanar las bobinas de fase, es fácil usar un circuito de motor de
tipo bifilar en el que dos conjuntos separados de bobinas están
energizados como circuitos de CC siendo uno de ellos positivo y
siendo el otro negativo relativamente entre sí. Esto permite que el
motor con rotor de campo único de esta invención utilice circuitos
de control de motor muy económicos que son baratos en comparación
con los circuitos de control de tipo de puente H, mientras que al
mismo tiempo ofrecen varios procedimientos de control de velocidad
simples que son variables continuamente entre la rotación más lenta
y la más rápida del motor.
El procedimiento de bobina en "Z" única
para devanar las bobinas de fase se muestra en la figura 9 de los
dibujos adjuntos, mientras que el procedimiento de bobina en
"Z" doble para devanar se muestra en la figura 10 adjunta.
Todos los tres procedimientos para devanar las
bobinas de fase en el estator proporcionan en gran medida la misma
eficiencia y se pueden usar de acuerdo con las necesidades de
producción o de circuito.
Por medio de las ilustraciones y descripción
anteriores, se podrá apreciar que se crea un patrón único de flujo
y de fuerza de estator para producir un motor eléctrico rotativo. Se
debe entender que los conceptos novedosos de la presente invención
están definidos por el alcance de las reivindicaciones que siguen, y
se debe considerar que las revisiones y mejoras que puedan ser
evidentes a los expertos en la técnica se encuentran en el alcance
de las reivindicaciones que siguen y en el alcance de la redacción
reivindicada.
Claims (10)
1. Un motor con rotor de campo único que
comprende, en combinación, una caja (106) de estator que tiene
regiones extremas separadas axialmente, un árbol (105) que se
extiende rotativamente a través de las citadas regiones extremas,
un rotor (107) laminado magnético montado sobre el citado árbol
(105), que se extiende entre las citadas regiones extremas y que
tiene lados radiales dispuestos adyacentes a las citadas regiones
extremas y que tiene polos salientes separados definidos en la
periferia del citado rotor (107), teniendo los citados polos de
rotor una anchura periférica, un medio magnético que crea campos
magnéticos en las citadas regiones extremas de la caja de estator
de polaridad axial que crea una polaridad única de campo en todos
los polos periféricos de rotor induciendo flujo axialmente en los
lados del rotor (107) a través de un entrehierro no cambiante que
se encuentra constantemente en un mínimo entre el citado medio
magnético en la citada caja (106) de estator y los citados lados
del rotor, un estator (108) que circunscribe el citado rotor (107) y
que tiene una circunferencia interior, una pluralidad de polos de
estator definidos sobre la citada circunferencia interior del
estator, que tienen caras que tienen una anchura circunferencial,
habiendo dos veces el número de polos de estator que polos de
rotor, siendo sustancialmente igual la anchura circunferencial de
los citados polos de estator a la anchura periférica de los citados
polos de rotor y existiendo un pequeño entrehierro radial entre los
citados polos de rotor y de estator, teniendo cada uno de los
citados polos de estator una bobina (110) para crear una fuerza
magnética de polo en el interior de la citada bobina (110) de
estator, y un medio de circuito para cambiar alternativamente las
citadas bobinas (110) de estator para cambiar alternativamente la
polaridad de un polo de estator dado para que atraiga y repela
alternativamente los citados polos de rotor para producir la
rotación del citado
rotor (107).
rotor (107).
2. En un motor con rotor de campo único como en
la reivindicación 1, en el que la separación periférica entre los
polos de rotor adyacentes es igual.
3. En un motor con rotor de campo único como en
la reivindicación 1, en el que la separación circunferencial
interior entre los polos de estator adyacentes es igual.
4. En un motor con rotor de campo único como en
la reivindicación 1, en el que la separación periférica entre los
polos de rotor adyacentes es igual y la separación circunferencial
interior entre los polos de estator adyacentes es igual.
5. En un motor con rotor de campo único como en
la reivindicación 1, en el que el citado medio magnético que crea
campos magnéticos en las citadas regiones extremas de la caja
comprende imanes permanentes (109).
6. En un motor con rotor de campo único como en
la reivindicación 1, en el que el citado medio magnético que crea
campos magnéticos en las citadas regiones extremas de la caja
comprende bobinas eléctricas (111) devanadas alrededor de un núcleo
de ferrita que son energizadas por una corriente continua, siendo
inducido el flujo resultante en los lados del rotor axialmente a
través de un entrehierro no cambiante que se encuentra
constantemente en un mínimo entre el medio magnético en la región
extrema de la caja del estator y los lados del rotor.
7. En un motor con rotor de campo único como en
la reivindicación 1, creando el citado medio magnético campos
magnéticos en las citadas regiones extremas de la caja a través de
un entrehierro entre las citadas regiones extremas de la caja del
estator y los lados del rotor (107), estando siempre en un mínimo el
citado entrehierro y siendo no expandible y también proporciona un
incremento de las superficies de ferrita opuestas en ambos lados
del entrehierro en comparación con la superficie de los polos de
rotor (107) y de estator (108) para la finalización de los
circuitos del flujo en la caja (106) del estator del motor y el
rotor (107).
8. En un motor con rotor de campo único como en
la reivindicación 1, creando el citado medio magnético campos
magnéticos en las citadas regiones extremas de la caja y
transfiriendo el flujo magnético a través del entrehierro mínimo
constantemente entre las citadas regiones extremas de la caja y los
lados del rotor para producir un rotor polarizado magnéticamente
(107).
9. En un motor con rotor de campo único como en
la reivindicación 1, creando el citado medio magnético campos
magnéticos en las citadas regiones extremas de la caja para
establecer circuitos de flujo en la citada caja (106) del estator y
rotor (107) que se originan en las regiones extremas de la caja de
estator e inducen un campo en el rotor (107) cruzando axialmente
los entrehierros entre las regiones extremas del estator y los
lados del rotor, pero entonces el campo se orienta radialmente en
las laminaciones del rotor y ejerce un par motor radialmente entre
los polos de rotor (107) y los polos de estator (106), siendo
completado axialmente el circuito del flujo utilizando la caja
(106) del estator y las regiones extremas de la caja del
estator.
10. Un procedimiento para producir una fuerza de
producción de rotación, comprendiendo el procedimiento las
siguientes etapas;
- proporcionar un motor eléctrico que tiene un eje de rotación, un rotor (107) conductor de flujo montado sobre el citado eje, que tiene una pluralidad de polos separados circunstancialmente que tienen caras exteriores, estando montado el citado rotor (107) en el interior de una caja (106) de estator conductora de flujo magnético que tiene regiones extremas radiales situadas adyacentes al citado eje y una periferia interior, estando situado el citado rotor (107) entre las citadas regiones extremas adyacentes, un estator (108) montado en la citada periferia interior de la caja que tiene polos devanados de bobina interiores separados, teniendo cada uno de ellos una cara interior, siendo alineables radialmente los citados polos de rotor y los citados polos de estator, un medio de circuito para controlar la energización de las citadas bobinas de los citados polos de estator, y un medio magnético situado adyacente a las citadas regiones extremas de la caja del estator; y
- crear un flujo radial de polaridad única en el interior del citado rotor (107) con lo cual la energización de las citadas bobinas de los polos de estator por el citado circuito produce fuerzas magnéticas entre el citado rotor (107) y los citados polos de estator para hacer girar el citado rotor (107).
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