ES2347130T3 - Inducido para un dispositivo electromotriz. - Google Patents

Abstract

Un procedimiento para fabricar una bobina inductora a partir de un par de chapas conductoras (10, 12) que comprende: cortar cada chapa referida (10, 12) con un patrón para producir una serie de bandas conductoras (18, 22) y muescas; enrollar dichas chapas cortadas (10, 12) para dar tubos telescópicos interno y externo; envolver dicho tubo interno; insertar dicho tubo interno envuelto dentro de dicho tubo externo; envolver dicho tubo externo; acoplar dichas bandas conductoras (18, 22) de dicho tubo interno a dichas bandas conductoras (18, 22) de dicho tubo externo para formar la bobina helicoidal de inducción; y después de las anteriores etapas, dotar a las envolturas y a las muescas de un material aislante de encapsulación.

Description

Inducido para un dispositivo electromotriz.

Campo de la invención

La presente invención versa acerca de dispositivos electromotrices y más en particular acerca de un inducido de núcleo no magnético para un motor eléctrico.

Antecedentes de la invención

Los fabricantes de electromotores y, en particular, los fabricantes de motores de CC han empleado tradicionalmente técnicas de bobinado de hilo o de bobina de circuito impreso para fabricar inducidos de núcleo no magnético, que se mueven en un flujo magnético en el entrehierro. Sin embargo, existen varios problemas asociados con estos diseños. Los motores de núcleo magnético tienen hilo enrollado a través de un núcleo de material permeable magnéticamente y se corta el núcleo magnético para minimizar el entrehierro, pero los motores de núcleo magnético tienen más masa en el inducido que los motores de núcleo no magnético.

En el receptáculo del bobinado de hilo, se enrolla el hilo aislado en una configuración de múltiples capas para formar la bobina que lleva la corriente con una relación específica de conductor con respecto al volumen de aislamiento conocida como densidad de empaquetamiento. Con un hilo circular típico de bobina, el material de aislamiento y las oquedades inherentes en esta construcción de bobina conllevan una densidad de empaquetamiento del conductor que no llega a ser óptima. Si se utilizan conductores cuadrados o rectangulares para el bobinado del inducido, se aumentan tanto la densidad de empaquetamiento de la bobina como el volumen total del conductor dentro del entrehierro magnético. Normalmente, el hilo de bobina es hilo circular que consiste en un conductor eléctrico (cobre o aluminio) rodeado por una capa de aislamiento encima de la cual hay una capa de unión para una estabilidad estructural. En la mayoría de bobinados de hilo del inducido de este tipo de la técnica anterior, la densidad de empaquetamiento del conductor es de aproximadamente el 60%. Si se utiliza hilo cuadrado en la producción tradicional de inducido en vez de hilo circular, se aumenta la densidad de empaquetamiento del conductor hasta el 70-80%. Sin embargo, los fabricantes prefieren utilizar hilo circular debido a su menor coste de material y de mano de obra y la facilidad para fabricarlo. Por lo tanto, existe una necesidad de un nuevo diseño de inducido que sea rentable para producir y que tenga como resultado una mayor densidad de empaquetamiento del conductor al igual que un mayor volumen de conductor en el entrehierro magnético. Algunos inducidos de núcleo no magnético están enrollados con hilo de forma angular, permitiendo una unión de conductor a conductor para facilitar la fabricación y la integridad estructural, que es menos eficaz debido a que el flujo de electrones debería ser a 90 grados con respecto al recorrido del flujo magnético para una máxima eficacia. Los inducidos enrollados de forma angular exhiben menos par por el seno del ángulo de la corriente con respecto al campo magnético. La estructura de los inducidos envueltos con hilo hace que sea difícil producir inducidos largos de pequeño diámetro con una resistencia adecuada para soportar fuerzas centrífugas destructivas de aplicaciones de altas RPM.

Los inducidos construidos mediante técnicas de fabricación de circuito impreso implican que se formen devanados del rotor como circuitos impresos flexibles. Los circuitos impresos son circuitos en los que se aplica el material conductor a una base aislada de soporte por medio de adhesivos y son grabados desde un lado. Sin embargo, la cantidad de conductor eléctrico en este caso se ve comprometida, dado que múltiples capas de trazas aisladas de circuito impreso tienden a tener como resultado una pared más gruesa del inducido y una menor densidad de empaquetamiento del conductor. La densidad de empaquetamiento de este tipo de inducido se ve reducida debido al volumen de material de aislamiento del circuito impresor flexible utilizado para soportar los bucles conductores durante su fabricación. La reducción del grosor de la pared del inducido con envolturas delgadas de trazas de circuito impreso tiende a debilitar las paredes del inducido y producir una mayor resistencia eléctrica debido a las trazas más estrechas y delgadas del conductor. Una mayor resistencia eléctrica tiene como resultado un aumento no deseado del calor y de la disipación de energía del motor, provocando por lo tanto pérdidas de potencia iguales a P = I'-R. De forma alternativa, trazas más anchas de circuito impreso mejoran el rendimiento del motor al reducir la resistencia eléctrica de la traza, pero permiten corrientes parásitas, que reducen la ganancia total al aumentar de nuevo la resistencia eléctrica efectiva. Se puede hallar una construcción de circuito impreso en motores con un mayor entrehierro en la que se utilizan múltiples capas para crear bobinas de múltiples vueltas, para aumentar la longitud del conductor en el campo magnético. Esto tiene como resultado una estructura más gruesa del inducido y un mayor entrehierro magnético. Estos circuitos flexibles se utilizan principalmente en aplicaciones de motores sin escobillas en los que se mantienen estacionarios los bobinados y se gira el imán. El mayor número de bobinados crea un inducido de mayor inductancia y de mayor resistencia eléctrica.

Se han realizado diversos intentos en la técnica anterior para mejorar el rendimiento de los inducidos de núcleo no magnético. Por ejemplo, la patente U.S. nº 3.944.857 de Faulhaber da a conocer un inducido de núcleo de aire o de núcleo no magnético para máquinas electrodinámicas que tienen una tira aislante alargada enrollada para formar una estructura espiral compuesta de un número de capas sucesivas de forma radial. Un bobinado del inducido comprende al menos una bobina del inducido y cada bobina comprende un número de devanados componentes interconectados eléctricamente. Cada bobina está formada de secciones conductoras interconectadas eléctricamente, impresas en ambos lados de la tira aislante. Por desgracia, esta disposición no optimiza la configuración de los bobinados, de forma que produzcan un par óptimo.

La patente U.S. nº 3.816.907 da a conocer una bobina inductora con las características del preámbulo de la reivindicación independiente 9. Para formar patrones primero y segundo de conductores, se laminó y se grabó un tubo primero y segundo de fibra de vidrio.

La patente U.S. nº 3.805.104 de Margrain está dirigida a un cilindro aislante hueco con conductores que están colocados sobre un soporte tubular metálico interno que está soportado por un disco terminal en un extremo, y está abierto en el otro extremo, estando abocardado el extremo abierto para darle rigidez. El cilindro tiene aislamiento, estando los conductores eléctricos en forma de circuito impreso o laminado. Sin embargo, este tipo de dispositivo hace que el factor de densidad de empaquetamiento se vea comprometido y no produce un par óptimo.

El documento no revela la dotación de un material aislante de encapsulación a una bobina inductora montada.

La ley de Lorentz para dispositivos electromotrices es F = I \times L \times B; en la que F = fuerza, I = corriente, L = longitud del conductor, B = densidad del flujo magnético. La teoría de la ley de Lorentz según se aplica a los motores eléctricos está ilustrada claramente en las Figuras 10a, b y c. La Fig. 10a ilustra el entorno que podemos ver en los inducidos tradicionales enrollados con hilo que están en uso en la actualidad. Los conductores enrollados con hilo deben tener un aislamiento de hilo que reduce la densidad de empaquetamiento del portador y de ese modo la densidad de corriente por unidad de área, y de ese modo la incapacidad de montar de manera uniforme el inducido de tal forma que se cortan un máximo de líneas de flujo. Además, los inducidos enrollados con hilo deben estar enrollados con un ángulo, creando de ese modo un ángulo entre los vectores cruzados de corriente y el flujo magnético que es menor que los noventa grados máximos deseados para producir la mayor fuerza.

La Fig. 10b ilustra los portadores de tira metálica prevista por una realización de la invención dada a conocer en el presente documento. Se puede observar que un corte transversal cuadrado de la Fig. 10b permitirá una mayor proximidad del portador de corriente con lado plano al medio del que emana/termina el flujo magnético en el entrehierro entre el flujo/conductor de corriente y dicho medio en el que existe la mayor densidad de flujo. El corte transversal redondo de un inducido convencional enrollado con hilo no permite tal proximidad estrecha del portador de corriente y del portador de campo magnético. Además, el corte transversal cuadrado puede aumentarse hasta un corte transversal rectangular como se indica en la Fig. 10b para producir una densidad de corriente y un flujo aún mayores en un entrehierro de flujo magnético muy reducido en el que la densidad de flujo se encuentra en su máximo.

Al incorporar el bucle completo de corriente ilustrado en la Fig. 10c, se vuelve muy evidente que la Fuerza de Lorentz doblada resultante de la misma fuerza en cada brazo del conductor y que está impuesta sobre la superficie plana del conductor de la Fig. 10b se aumentará sustancialmente por la mayor densidad de corriente, la mayor densidad de flujo y un ángulo máximo de noventa grados entre la corriente y el flujo. Este es el factor importante en la ecuación de Fuerza de Lorentz. Los inducidos convencionales enrollados con hilo están dispuestos a un ángulo con respecto a la densidad de flujo magnético; por lo tanto, el vector/flujo de corriente (I) se encuentra a un ángulo con respecto al vector de flujo magnético (B) que produce necesariamente una Fuerza de Lorentz (F) resultante más baja.

Los diagramas vectoriales de las Figuras 10a, b y c ilustran claramente que se puede aumentar la fuerza (por lo tanto, par) sobre el inducido del tipo descrito anteriormente al optimizar o al aumentar cada uno de los términos de la ecuación. En particular, se puede maximizar el flujo de corriente (I) al reducir la resistencia eléctrica de la bobina conductora. En un diseño específico de inducido, se pueden obtener aumentos de la longitud (L) del conductor a partir de múltiples bucles del conductor. Se puede maximizar la densidad del flujo magnético (B) al minimizar el entrehierro entre la estructura de retorno de la fuerza magnética y el imán en el que gira el inducido, es decir, cuanto más cerca se encuentre la línea de retorno de fuerza magnética al imán, mayor será la magnitud de la densidad de flujo magnético (B). Para cualquier corriente dada en los bobinados del inducido, que está colocado en el campo magnético más elevado, se aumentará el par. Por lo tanto, para mejorar la eficacia del motor tradicional, un fabricante o diseñador de inducidos debería procurar reducir el grosor de la pared del inducido que tendrá como resultado la capacidad para reducir el tamaño del entrehierro magnético que crea una mayor densidad de flujo, esto debería llevarse a cabo sin sacrificar la longitud del conductor ni aumentar la resistencia del conductor. Colocar la pared del inducido en proximidad estrecha al origen del campo magnético y de la línea de retorno del mismo permitirá un mayor volumen del conductor para una anchura dada de entrehierro, menos resistencia eléctrica y tendrá como resultado un aumento de la densidad del conductor dentro del entrehierro.

Resumen de la invención

La invención proporciona un procedimiento para fabricar una bobina inductora con las características de la reivindicación 1 y una bobina inductora con las características de la reivindicación 9.

Descripción del dibujo

Se comprenderán mejor estas y otras características, aspectos y ventajas de la presente invención con respecto a la siguiente descripción, reivindicaciones adjuntas, y dibujos adjuntos, en los que:

Las Figuras 1a y 1b son vistas en planta de un par de chapas metálicas de cobre, mecanizadas con precisión según una realización de la presente invención.

La Figura 2 es una vista en alzado en perspectiva de las piezas de chapa metálica mecanizadas con precisión de la Fig. 1a enrollados en un cilindro según una realización de la presente invención.

La Figura 3 es una vista en alzado en perspectiva de la chapa metálica mecanizada con precisión de la Fig. 1b enrollada en un cilindro que es casi la imagen especular del cilindro de la Fig. 2 según una realización de la presente invención.

La Figura 4 es una vista en alzado en perspectiva del cilindro de la Fig. 2 que está insertado dentro del cilindro de la Fig. 3 para formar una bobina cilíndrica conductora eléctricamente según una realización de la presente invención.

La Figura 4a es una ampliación de una porción de la Fig. 4 que ilustra el detalle de la capa separadora de fibra enrollada y entretejida que proporciona un refuerzo compuesto interno y externo al conjunto completo de la bobina.

La Figura 5 es una ilustración gráfica de la interconexión eléctrica de bucles conductores para formar una bobina conductora eléctricamente continua según una realización de la presente invención.

La Figura 6 es una vista en planta de un conmutador según una realización de la presente invención.

La Figura 7 es una vista despiezada en perspectiva de un inducido de núcleo no magnético que está montado según una realización de la presente invención.

La Figura 8 es una vista en alzado en perspectiva de un inducido de núcleo no magnético montado con el eje conductor y el volante insertados, conectado eléctricamente el conmutador con la bobina conductora eléctricamente según una realización de la presente invención.

La Figura 9 es una vista en corte transversal a lo largo de la línea de corte 9-9 de la Fig. 8.

La Figura 10a es una explicación teórica gráfica de la Fuerza de Lorentz en un inducido convencional enrollado con hilo.

La Figura 10b es una explicación teórica gráfica de la Fuerza de Lorentz según una realización de la presente invención.

La Figura 10c ilustra de forma gráfica la aplicación de la Fuerza de Lorentz en un inducido típico de motor eléctrico.

La Figura 11 ilustra de forma gráfica el corte transversal del inducido.

Descripción detallada de una realización preferente

Una realización de la presente invención está dirigida a un inducido de núcleo no magnético para un motor de CC con escobillas. El inducido tiene una construcción de material compuesto que permite una operación a temperatura elevada, una alta velocidad y un par elevado en comparación con otros motores con escobillas. Preferentemente, el inducido es una chapa metálica rectangular mecanizada con precisión, de cobre o de aleación de cobre, mecanizada con un patrón para producir una serie de bandas conductoras generalmente paralelas, estando separada cada banda de la otra por medio de una fibra delgada y poliimida. Este enfoque permite la construcción de inducidos largos con una relación de diámetro pequeño con respecto a la longitud. Las chapas metálicas mecanizadas, laminadas en frío, revenidas y conductoras están enrolladas para formar un cilindro, representando la orientación del patrón de la banda conductora en un cilindro una mitad de circuito eléctrico y representando la otra mitad del circuito el patrón de la banda conductora del otro cilindro. Un cilindro, también denominado el cilindro interno, tiene un diámetro ligeramente menor que el otro, de forma que quepa dentro del cilindro de mayor diámetro (también denominado el cilindro externo). La superficie externa del cilindro interno está estrechamente envuelta con suficientes capas de hebras de fibra de vidrio similares a hilo u otros filamentos no conductores, lo que proporciona un aislamiento, una separación y una estabilidad estructural. La chapa metálica tiene un revenido estructural, y esta característica de revenido contribuye a la resistencia total de la estructura del inducido. La siguiente tabla muestra el aumento de la rigidez y de la resistencia proporcionado por el cobre revenido, laminado en frío.

1

El cobre estructural proporciona una rigidez y un soporte longitudinal adecuados para el inducido, eliminando la necesidad de un soporte laminado requerido por inducidos convencionales de tipo de placa de circuito impreso. El laminado proporciona un endurecimiento adicional por medios mecánicos mediante una conformación en frío. Los conductores están formados como arcos, creando una forma tridimensional de cada conductor. Esto permite que todos los conductores, que están reforzados mediante el procedimiento de laminado, se vuelvan autoestables.

Se inserta el cilindro interno envuelto con fibra de vidrio dentro del cilindro externo al alinear de forma concéntrica y axial los puntos extremos de las bandas conductoras de cada cilindro en ambos extremos. La superficie externa de la estructura del cilindro externo también está envuelta con varias capas de hebras de fibra de vidrio para impartir una capa entretejida de refuerzo. Entonces, se sueldan las bandas conductoras del cilindro externo e interno, o se fijan eléctricamente de otra manera, en sus puntos respectivos de conexión para formar una bobina conductora eléctricamente continua, proporcionando la fibra sin revestir una separación entre las capas conductoras. Cuando se encapsula subsiguientemente este conjunto con un material no conductor, el resultado final es una bobina conductora eléctricamente de pared delgada, tubular, autoestable que crea una estructura rígida de inducido con un porcentaje elevado de conductor a material no conductor. Este inducido es capaz de velocidades giratorias muy superiores, de mayor temperatura y par que inducidos de núcleo no magnético construidos de forma convencional.

La realización descrita del inducido de núcleo no magnético tiene numerosas aplicaciones y puede estar integrado en una variedad de dispositivos. A modo de ejemplo, la bobina conductora eléctricamente autoestable puede estar dotada de un conmutador con forma de disco, que tiene una serie de segmentos radiales conductores que se montan en un extremo de la bobina, que recoge corriente de las escobillas del motor y distribuye la corriente a la bobina inductora. La bobina puede estar dotada adicionalmente de un volante aislado con forma de disco montado dentro de la bobina y unido al conmutador y al diámetro interno de la bobina. Preferentemente, el volante tiene un diámetro diseñado para encajar exactamente dentro del cilindro interno, de forma que se mantiene en contacto el volante con los conductores eléctricos, proporcionando una traslación del par al eje de salida. El inducido también puede tener un eje metálico insertado de forma axial dentro de la bobina desde el centro del volante y el centro del conmutador con una porción del eje sobresaliendo desde al menos un extremo de la bobina. Se puede mantener por medio de fricción el eje en una posición por medio del volante. Entonces, se puede montar el inducido montado por medio de su eje en cualquier motor de CC que tenga escobillas con la bobina girando en su eje en un entrehierro delgado de flujo magnético durante su operación.

Con referencia a las Figuras 1a y 1b, se muestra una realización preferente de la presente invención que tiene una bobina conductora construida a partir de un par de piezas conductoras eléctricamente y mecanizadas con precisión en una imagen casi especular de chapa metálica conductora sin revestimiento, revenida tal como 10 y 12. Preferentemente, la primera chapa metálica 10 está fabricada de cobre revenido de calidad 110 con un patrón mecanizado de forma precisa para producir una serie de bandas conductoras 22 generalmente paralelas, estando cada banda separada entre sí por una muesca alargada mecanizada 14. De forma similar, la segunda chapa metálica 12 está fabricada preferentemente de cobre revenido de calidad 110 y mecanizado con precisión en un patrón para producir una serie de bandas generalmente conductoras 18, estando separada cada banda entre sí por una muesca alargada mecanizada 16. Las muescas mecanizadas son idénticas y son llenadas subsiguientemente con material de encapsulación para evitar el contacto eléctrico entre las bandas adyacentes. El grosor preferente de cada muesca es de aproximadamente 1-1,5 veces el grosor del conductor. En cambio, el ataque químico del inducido de la placa de circuito impreso se lleva a cabo desde un lado del material, lo que tiene un resultado de un grosor de la muesca de 2,5 a 3,0 veces el del conductor. El grosor de la muesca mecanizada según la realización descrita de la presente invención es más estrecho que el encontrado con la tecnología convencional de circuito impreso y se pretende que optimice el flujo de corriente al eliminar menos material y aumentar el número de bandas conductoras que pueden ser mecanizadas con precisión en la chapa metálica de cobre. A modo de ejemplo, para un inducido de 1,27 cm de diámetro por 5,08 cm de longitud, cada chapa metálica de cobre es preferentemente de aproximadamente 5 cm \times 7,5 cm con un grosor de aproximadamente 0,12/0,24 mm y un grosor de la muesca de aproximadamente 0,12/0,36 mm. Como apreciarán los expertos en la técnica se pueden utilizar otras dimensiones y materiales para hacer conductoras las chapas metálicas.

Se puede conseguir el patrón deseado de una variedad de formas, incluyendo a modo de ejemplo, al cortar con precisión la chapa metálica por medio de un mecanizado químico. De forma alternativa, el patrón deseado puede ser mecanizado mediante otras técnicas tal como corte por chorro de agua, corte por láser, corte por haz de electrones, estampación fina en seco o cualquier otro procedimiento convencional de mecanizado. El mecanizado químico permite que ambos lados del conductor sean grabados al mismo tiempo que reduce la cantidad de cobre eliminada en el 50% en comparación con un ataque químico convencional de un único lado de la placa de circuito impreso.

La primera chapa metálica 10 tiene una tira portadora en cada borde 26 y 28. De forma similar, la segunda chapa metálica también tiene una tira portadora en cada borde 30 y 32. Las tiras portadoras soportan las bandas conductoras en cada extremo y son eliminadas subsiguientemente, como se explica a continuación en el presente documento. El patrón conductor para la primera chapa metálica 10 incluye una serie de agujeros relativamente pequeños 34 y 36. De forma similar, el patrón conductor para la segunda chapa metálica 12 también incluye una serie de agujeros relativamente pequeños 38 y 40. El diámetro preferente de cada agujero es de aproximadamente 0,25 mm. El número total preferente de agujeros en cada lado es igual al número de bandas conductoras. Se apreciará que las bobinas del inducido de este tipo pueden estar construidas de piezas de chapa metálica que tienen menos o más bandas conductoras o agujeros, dependiendo de los diversos requerimientos operativos del motor de CC.

En la realización descrita, se enrolla la primera chapa metálica 10 en una forma cilíndrica 42 de pared delgada como se muestra en la Figura 2. La segunda pieza 12 de chapa metálica también está enrollada de forma cilíndrica 44 de pared delgada como se muestra en la Figura 3, pero con su patrón de bandas conductoras y muescas mecanizadas orientadas específicamente para crear una imagen casi especular del patrón de bandas conductoras y muescas de la primera chapa metálica 10. El diámetro preferente del primer cilindro 42 es de aproximadamente 2 cm y el diámetro preferente del segundo cilindro 44 es de aproximadamente 2 cm. El primer cilindro 42 está formado con un diámetro ligeramente menor para permitir una colocación subsiguiente del mismo dentro del segundo cilindro 44 para formar la bobina conductora. Por esta razón, de ahora en adelante se denominará al segundo cilindro 44 como el cilindro externo y, respectivamente, se denominará al primer cilindro 42 como el cilindro interno. Los expertos en la técnica apreciarán que se pueden utilizar otros tamaños de diámetros de cilindros.

A continuación, el cilindro interno 42 está colocado en un eje cilíndrico y hay cuatro o cinco capas de hebras 46 de fibra de vidrio de calidad industrial fina, como se muestra en la Figura 4, que tienen preferentemente un grosor de aproximadamente 0,00038 cm, envueltas y entretejidas sobre toda la superficie externa para un aislamiento y un refuerzo compuesto mientras que al mismo tiempo se evitan las tiras portadoras del cilindro interno 42. Las múltiples capas envueltas de hebras de fibra de vidrio sobre la superficie externa del cilindro interno 42 proporcionan un soporte estructural para la estructura tubular. El tejido de fibra de vidrio también proporciona una separación física entre el cilindro interno 42 y el cilindro externo 44. El grosor preferente de las capas de fibra de vidrio es de aproximadamente 0,00076-0,00191 cm, y es por lo tanto, extremadamente pequeño pero añade una resistencia significativa y una capacidad suficiente de aislamiento.

Entonces, se inserta el cilindro interno 42 envuelto con fibra de vidrio en hebras dentro del cilindro externo 44 (es decir, el cilindro interno 42 y el cilindro externo 44 tienen una longitud idéntica), llevándose a cabo la inserción que garantiza un alineamiento concéntrico y axial de ambos cilindros y emparejamiento de conductores respectivos en cada extremo del cilindro interno 42 con los conductores correspondientes en cada extremo del cilindro externo 44.

La siguiente etapa es envolver y entretejer cuatro o cinco capas de hebras de fibra de vidrio de calidad industrial sobre la superficie externa del cilindro externo 44 de la misma forma que se hizo con el cilindro interno 42. Esta capa de fibra de vidrio se utiliza para proporcionar una separación, resistencia y soporte estructural. El grosor preferente de las capas de fibra de vidrio del cilindro externo es de aproximadamente 0,00076-0,00191 cm. El aislamiento eléctrico y la resistencia estructural del inducido requerido dependen de la aplicación del motor de CC que está siendo producido. Se ha demostrado que el grosor de 0,00191 cm del material junto con el material subsiguiente de encapsulación es suficientemente resistente para soportar fuerzas centrífugas de velocidades giratorias superiores a 45.000 RPM. El material resultante de encapsulación tiene una resistencia dieléctrica de 600 voltios/0,00254 cm, lo que da un 180 voltios de aislamiento en el grosor de 0,00076 cm, suficiente para operaciones a 0-60 voltios.

La soldadura de las almohadillas de interconexión de cada conductor se lleva a cabo utilizando, preferentemente, un material de soldadura de plomo-plata-estaño que puede soportar temperaturas operativas de hasta -12,2ºC. Esta interconexión puede estar soldada a alta temperatura en vez de a baja para crear una interconexión con cobre como el material base de soldadura para permitir temperaturas aún mayores del inducido. Un motor de CC con la realización descrita de la bobina del inducido tolerará una mayor corriente operativa y, por lo tanto, una mayor temperatura operativa debido a la capacidad de temperatura elevada del material de soldadura y de encapsulación utilizado. Se pueden utilizar procedimientos alternativos de unión, tal como engarce, soldadura eléctrica por puntos, soldadura sónica o soldadura por láser. Si se utiliza una de estas técnicas de soldadura, la temperatura operacional del inducido aumenta hasta aproximadamente 315,6ºC, que es la temperatura de utilización de la realización descrita del material de encapsulación.

Las juntas soldadas interconectan eléctricamente todas las bandas conductoras del cilindro externo 44 con las bandas conductoras del cilindro interno respectivo 42, de manera que forman una estructura helicoidal inductora continua como se muestra en la Figura 5. La Figura 5 ilustra en detalle cómo se puede llevar a cabo una porción de la estructura helicoidal. Por ejemplo, la banda conductora 23 del cilindro interno está conectada eléctricamente en el extremo (agujero 33) con la banda conductora 19 del cilindro externo 44 y en el otro extremo (agujero 41) con la banda conductora 21 del cilindro externo. El resto de las bandas conductoras del cilindro interno 42 están interconectadas de forma similar con las bandas conductoras respectivas del cilindro externo 44 siendo el número total de interconexiones en cada extremo el mismo. Esencialmente, las bandas conductoras del cilindro interno 42 proporcionan una mitad del circuito eléctrico y las bandas conductoras del cilindro externo 44 proporcionan la otra mitad del circuito eléctrico. La unión de las dos mitades completa el circuito eléctrico. Normalmente, se denomina a esta construcción un devanado en lazo. También se puede conseguir un devanado en zigzag. Los inducidos de la técnica anterior son a veces más gruesos en los extremos para acomodar problemas de un radio mínimo de doblado del hilo, mientras que la realización descrita del inducido puede estar construida de forma que no es más gruesa en los extremos que en cualquier otro punto a lo largo de la pared del inducido. Esto permite la inserción de la estructura completada a través de un entrehierro estrecho en el conjunto final.

La Fig. 6 muestra un conmutador 50 construido mediante el mecanizado con precisión de una chapa metálica delgada, preferentemente una aleación de cobre endurecida por revenido, como Berilio/Cobre, en el patrón mostrado que reducirá el desgaste de la superficie del conmutador debido a la dureza del material. Las tasas de desgaste de Berilio/Cobre en contacto deslizante son mejores que las de cobre puro para una vida más duradera del inducido. El conmutador 50 tiene un anillo portador 52 que soporta once elementos tales como los segmentos 54, 56 entre otros. Los segmentos del conmutador están soldados a puntos correspondientes de soldadura en el exterior del cilindro externo 44. El conmutador 50 recoge corriente de las escobillas del motor de CC y proporciona energía (o distribuye corriente) al circuito de bobina helicoidal del conjunto de cilindro por medio de sus segmentos conductores de corriente. Se doblan las once pestañas en la abertura 571 y los once segmentos a 90 grados con respecto a la superficie de conmutación utilizando una herramienta de conformación en frío. Esta etapa prepara al conmutador para una fijación de soldadura a la bobina 62 del inducido completada de la Fig. 8. Antes de que se pueda llevar a cabo el montaje del conmutador, se elimina la tira portadora 30 del cilindro externo 44 (Fig. 3) y la tira portante 26 del cilindro interno (Fig. 2) mediante una conformación en frío en preparación para la fijación del conmutador 50. Después de soldar a baja o alta temperatura el conmutador 50 a la bobina 62 del inducido, se elimina el anillo portador 52 (Fig. 6) del conmutador 50 mediante una conformación en frío. Se puede utilizar un sistema convencional de conmutación radial para proporcionar la conmutación necesaria.

La Figura 7 ilustra un inducido de núcleo no magnético según una realización preferente de la presente invención que está montada a partir de una bobina 48 (que es el conjunto de cilindro descrito anteriormente), un conmutador 50 y un volante 57 con forma de disco. El volante 57 puede estar dotado de una abertura central circular 60 para encajar un eje 59 y 61 (Fig. 8) y está fabricado, preferentemente, de aluminio de resistencia elevada. El volante 57 puede estar anodizado en su superficie exterior para crear una capa consistente de aislamiento eléctrico sobre la superficie externa. El volante 57 debería tener capacidad de un aislamiento de corriente y de una tensión por medio de un revestimiento anodizado no conductor y aún tener una masa térmica, unas características de transferencia de calor y una rigidez elevadas para transmitir par y fijar firmemente el eje 59 y 61. El diámetro del volante 57 debería tener un encaje entre líneas con el diámetro del cilindro interno 42 para permitir un encaje exacto del volante dentro del cilindro interno 42 cuando se presiona subsiguientemente el volante en un extremo del cilindro interno 42. Se pueden emplear otros materiales tales como cerámica, vidrio de alta resistencia y similares para fabricar el volante.

De nuevo, el orden de montaje de la realización descrita del inducido es encajar a presión en primer lugar el volante 57 en uno de los extremos abiertos de la bobina 48 (Fig. 7). A continuación, se sueldan (utilizando el tipo de material de soldadura descrito anteriormente) las pestañas del conmutador 50 sobre las interconexiones unidas eléctricamente del conjunto 48 de cilindro. En este caso, dado que el número total de segmentos de conmutador es once y el número total de agujeros soldados es de veintidós, un segmento será de utilidad a dos agujeros de soldadura (o interconexiones eléctricas) en el conjunto de cilindro. Este tipo de construcción del conmutador permite que se utilice un número relativamente grande de segmentos de conmutación, lo que tiene como resultado un número reducido de bobinas en cada interruptor del conmutador, reduciendo de esta manera las descargas disruptivas del conmutador.

De la ley de Faraday se sigue la fem inversa, es decir, cuando un bucle conductor eléctricamente se encuentra en movimiento en un campo magnético, se induce una tensión en el bucle. En los motores de CC, el giro del bobinado (o bobina) del inducido en presencia de un campo magnético tiene como resultado una tensión inducida en la bobina del inducido. Esta tensión es denominada "fem inversa" y no es deseable durante el funcionamiento del motor. El uso de un número relativamente grande de segmentos del conmutador (once) es una mejora con respecto a los conmutadores conocidos, que utilizan normalmente 2-9 segmentos. Se debería apreciar que el número de puntos soldados en el conjunto de cilindro según la realización preferente de la presente invención es un múltiplo del número de segmentos del conmutador. En este caso, el número total de agujeros soldados, veintidós, es un múltiplo (es decir, 2 \times 11 = 22) del número total de segmentos del conmutador, once. También se pueden producir otros múltiplos según la presente invención, tal como 3\times, 4\times, etc. El conmutador 50 también puede estar fabricado de un material conductor distinto de cobre puro para resistir la abrasión mecánica en la superficie de contacto de la escobilla/el conmutador y mantener aún así una conductividad elevada.

Los componentes montados proporcionan un inducido completamente montado del motor menos el eje y la encapsulación que contiene únicamente metal y fibra. Entonces, el inducido montado está sometido a una encapsulación con un revestimiento no conductor y a un material de unión para proporcionar una estabilidad estructural adicional, para fijar permanentemente todos los componentes y para proporcionar un aislamiento eléctrico completo del inducido. A modo de ejemplo, se puede sumergir el inducido en una disolución de poliimida que incluye, preferentemente, un 25% de sólido/soluto (poliimida) y un 75% de disolvente. Las poliimidas son conocidas por sus resistencias térmicas elevadas y también son ignífugas debido a su estructura aromática libre de halógeno que se manifiesta con un índice muy elevado de oxígeno limitado (aproximadamente el 38%). Cuando se somete a una llama, la poliimida tiene un nivel muy bajo de formación de humo y de formación de gas tóxico, lo que hace que sea un agente adherente preferente para este inducido. La poliimida también es quimiorresistente a los disolventes orgánicos tales como alcohol, cetonas, hidrocarburos clorados, y tiene una absorción reducida de humedad.

Entonces, se centrifuga el inducido sumergido. La fuerza centrífuga empuja a la poliimida profundamente en el material de fibra para desplazar apropiadamente el aire y empapar todas las superficies, hendiduras y fisuras de la estructura tubular, permitiendo una encapsulación y un aislamiento compuestos permanentes de los componentes.

Preferentemente, el inducido sumergido en poliimida está termocurado a aproximadamente 232,2ºC para eliminar disolventes y para producir una encapsulación endurecida de poliimida del inducido. La limitación a la temperatura de curado es la temperatura de flujo de soldadura de 265,6ºC; sin embargo, la utilización de técnicas de soldadura sin soldante permite un curado de poliimida a 368,3ºC y temperaturas operativas continuas del inducido de 315,6ºC. El material de poliimida está curado hasta un estado de material rígido. La contracción del material a medida que el disolvente es alejado por el calor tensa la estructura. Esto proporciona un inducido rígido capaz de una resonancia, una velocidad y una rigidez a la torsión elevadas. Se pueden utilizar otros materiales de impregnación y de encapsulación tal como cerámica, vidrio, silicatos, siliconas, etc.

La Figura 11 muestra un corte transversal de la pared del inducido. La estructura del inducido tiene pocos materiales con la capa de separación de aislamiento/fibra un porcentaje muy pequeño del grosor total de la pared. La construcción final de la pared del inducido desde dentro hacia fuera consiste en una chapa metálica 80 de cobre con un material 84 de encapsulación de poliimida que llena las oquedades del conductor, la fibra y la poliimida 81, una chapa metálica 82 de cobre con un material 85 de encapsulación de poliimida que llena las oquedades del conductor, y la fibra y la poliimida 83. Después de que se ha termocurado el inducido sin eje, se permite que se enfríe hasta temperatura ambiente. Tras insertar un eje, el producto final es un inducido resistente, rígido y completamente aislado que puede ser utilizado en cualquier aplicación de motor de CC que tiene escobillas para un contacto eléctrico deslizante. Merece la pena hacer notar que el inducido curado sin eje tiene una absorción muy baja de humedad debido a la composición de sus componentes, concretamente, cobre, un material de soldadura de alta calidad, fibra de vidrio y poliimida. Esto hace que la realización descrita del inducido sea una elección excelente para un motor de CC para un uso médico/dental, dado que procesos repetidos de esterilización por calor o en autoclave no afectarán a la operación del inducido. Además, la temperatura operativa limitante de un motor de CC equipado con el inducido inventivo es de aproximadamente 232,2ºC que es una mejora considerable sobre los motores de CC de la técnica anterior que pueden operar a una temperatura limitante de aproximadamente 162,8ºC.

Las Figuras 8 y 9 ilustran un inducido autoestable 62 de núcleo no magnético completamente montado para un motor de CC con escobillas según una realización preferente de la presente invención. El inducido 62 incluye un eje 58 insertado de forma axial con porciones 59 y 61 que sobresalen fuera de cada extremo para el montaje del motor. Antes de que se pueda montar el eje 58, se cortan la tira portadora 28 del cilindro interno 42 y la tira portadora 32 del cilindro externo 44 (Figuras 2 y 3, respectivamente) mediante una conformación en frío. Esta eliminación de las tiras portadoras completa el aislamiento de los segmentos helicoidales individuales, creando de ese modo un bucle continuo de bobina en torno al inducido. Preferentemente, el eje 58 está fabricado de acero inoxidable endurecido y está encajado a presión de forma axial dentro del cilindro interno 42 pasando a través de la abertura 60 del volante 57 ya montado y a través de la abertura 571 del conmutador 50 ya montado. Las dimensiones preferentes del eje 58 son de 0,32 cm de diámetro \times 6,35 cm de largo. Se pueden utilizar otros materiales y dimensiones para fabricar el eje 58.

La Figura 9 es una vista en corte transversal del inducido 62 que muestra la conexión por fricción del eje 58 dentro de la abertura 60 que se mantiene en su lugar por el volante 57.

Debido a las excelentes propiedades de penetración del material de encapsulación de poliimida y a la pared muy delgada de la bobina de la realización descrita del inducido, se minimiza el entrehierro entre la línea de retorno de fuerza magnética y el imán, lo que optimiza la densidad del flujo magnético en el entrehierro delgado en el que se mueve el rotor produciendo un mayor par motor que los inducidos conocidos de tamaño similar. También se reducen las variaciones de rendimiento debidas a irregularidades del montaje hasta un mínimo utilizando el procedimiento descrito de montaje de la bobina. Las variables del montaje son insignificantes hasta el punto en el que el inducido no requiere un equilibrio dinámico para su funcionamiento, por debajo de las 45.000 RPM. Además, la precisión del montaje permite que las paredes y las paredes del entrehierro del inducido estén colocadas extremadamente cerca con una separación de 0,05/0,12 mm entre las paredes amovibles y no amovibles (superficies del entrehierro y del inducido) lo que aumenta la densidad de empaquetamiento total de conductor a entrehierro. Los materiales utilizados en el diseño de la realización descrita del inducido exhiben todos una resistencia térmica muy elevada, lo que tiene como resultado un inducido estable capaz de operar bajo diversas condiciones de temperatura elevada. Además, el inducido es extremadamente rentable de fabricar cuando se compara con costes competitivos de fabricación de inducidos.

Se concibe que la realización descrita del inducido de la presente invención pueda ser utilizada en una variedad de aplicaciones, tales como en brocas (dental, médico, comercial), en manualidades, en automoción, aeroespaciales, en fotocopiadoras, en impresoras, en robótica, en unidades de disco y dispositivos de control de movimiento, al igual que otros dispositivos conocidos. Por ejemplo, el inducido descrito anteriormente también puede emplearse en motores de CC sin escobillas. En tales aplicaciones, el inducido de los diseños de motor sin escobillas solo tendrá la bobina helicoidal inductora no giratoria de pared delgada autoestable que acciona un conjunto de imán/eje, que se convertiría en el elemento giratorio. En los diseños de motor sin escobillas, se aplican los mismos principios en los que las mejoras en la densidad del entrehierro del flujo magnético y del conductor (cobre) crean un mejor rendimiento del motor.

Aunque se ha descrito una realización preferente de la presente invención, no debería ser interpretado como que limita el alcance de las reivindicaciones adjuntas. Los expertos en la técnica comprenderán que se pueden llevar a cabo diversas modificaciones a la realización descrita. Además, para los expertos en las diversas técnicas, la propia invención sugerirá en el presente documento soluciones para otras tareas y adaptaciones para otras aplicaciones. Por lo tanto, se desea que las presentes realizaciones sean consideradas en todos los aspectos como ilustrativas y no restrictivas, haciendo referencia a las reivindicaciones adjuntas más que a la anterior descripción para indicar el alcance de la invención.

Claims (23)

1. Un procedimiento para fabricar una bobina inductora a partir de un par de chapas conductoras (10, 12) que comprende:

cortar cada chapa referida (10, 12) con un patrón para producir una serie de bandas conductoras (18, 22) y muescas;

enrollar dichas chapas cortadas (10, 12) para dar tubos telescópicos interno y externo;

envolver dicho tubo interno;

insertar dicho tubo interno envuelto dentro de dicho tubo externo;

envolver dicho tubo externo;

acoplar dichas bandas conductoras (18, 22) de dicho tubo interno a dichas bandas conductoras (18, 22) de dicho tubo externo para formar la bobina helicoidal de inducción;

y después de las anteriores etapas, dotar a las envolturas y a las muescas de un material aislante de encapsulación.

2. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que el material de encapsulación comprende poliimida.

3. El procedimiento de la reivindicación 1 o 2, en el que la envoltura comprende una hebra (46) de fibra.

4. El procedimiento de la reivindicación 3, en el que la envoltura comprende fibra de vidrio.

5. El procedimiento de la reivindicación 1, que comprende, además, aislar eléctricamente un volante (57) conductor térmicamente, y montar el volante (57) en la bobina.

6. El procedimiento de la reivindicación 5, en el que el aislamiento térmico del volante (57) comprende anodizar una superficie externa del volante (57), y el montaje del volante (57) en la bobina comprende colocar el volante (57) de forma que la superficie exterior anodizada se encuentre en contacto con la porción interna del bobinado (42).

7. El procedimiento de la reivindicación 4, en el que las chapas conductoras (10, 12) están cortadas mediante ataque químico.

8. El procedimiento de la reivindicación 7, en el que las chapas conductoras (10, 12) son grabadas desde ambos lados.

9. Una bobina inductora para un dispositivo electromotriz, que comprende:

un par de chapas metálicas conductoras (10, 12) que comprenden una pluralidad de bandas conductoras (18, 22), estando cada una separada de una banda conductora adyacente por un espacio;

estando formadas las chapas conductoras en cilindros interno y externo;

estando envuelta la superficie externa del cilindro interno por una hebra continua no conductora (46) de fibra una pluralidad de veces para formar una capa de aislamiento,

estando insertado el cilindro interno envuelto dentro del cilindro externo, formando los cilindros interno y externo porciones de bobinado (42, 44), en la que la hebra (46) de fibra forma un entrehierro entre las porciones de bobinado interna y externa (42, 44), estando acoplada eléctricamente cada una de las bandas conductoras (22) de una de las porciones de bobinado (42) a una de las bandas conductoras (18) de la otra porción de bobinado (44) para formar la bobina inductora, caracterizada porque

el cilindro externo está envuelto por una hebra continua no conductora de fibra una pluralidad de veces para formar una capa de aislamiento,

un material aislante de encapsulación que llena el material de fibra de las capas de aislamiento, y llena el espacio entre bandas conductoras adyacentes del cilindro externo y llena el espacio entre bandas conductoras adyacentes del cilindro interno.

10. La bobina inductora de la reivindicación 9, en la que el material de encapsulación comprende poliimida.

\newpage

11. La bobina inductora de la reivindicación 9, en la que la hebra no conductora (46) de fibra comprende fibra de vidrio.

12. La bobina inductora de la reivindicación 9, en la que cada uno de los espacios que separan las bandas conductoras (18, 22) es menos de 1,5 veces el grosor de cada una de las bandas conductoras (18, 22).

13. La bobina inductora de la reivindicación 9, en la que cada una de las porciones de bobinado (42, 44) comprende cobre mecanizado y laminado.

14. La bobina inductora de la reivindicación 9, que comprende, además, un volante (57) conductor térmicamente aislado eléctricamente acoplado dentro de las porciones de bobinado (42, 44).

15. La bobina inductora de la reivindicación 9, en la que el aislamiento eléctrico comprende una superficie externa anodizada del volante (57), haciendo contacto la superficie externa anodizada con las porciones de bobinado (42, 44).

16. La bobina inductora de la reivindicación 9, en la que cada una de las bandas conductoras (18, 22) comprende una resistencia a la tracción superior a 275.790 kPa.

17. La bobina inductora de la reivindicación 9, en la que cada una de las bandas conductoras (18, 22) comprende una carga de fluencia superior a 206.843 kPa.

18. La bobina inductora de la reivindicación 9, en la que cada una de las bandas conductoras (18, 22) comprende un porcentaje de alargamiento menor del 20%.

19. La bobina inductora de la reivindicación 9, en la que cada una de las bandas conductoras (18, 22) comprende una dureza superior al número Brunell de 70.

20. La bobina inductora de la reivindicación 9, en la que la hebra continua no conductora (46) de fibra se extiende en torno a la circunferencia de la porción interna del bobinado (42) desde uno de los extremos de la porción interna del bobinado hasta el otro extremo de la porción interna del bobinado.

21. La bobina inductora de la reivindicación 20, que comprende, además, una segunda hebra continua no conductora de fibra que se extiende en torno a la circunferencia de la capa de aislamiento una pluralidad de veces desde un extremo de la porción interna del bobinado (42) hasta el otro extremo de la porción interna del bobinado (42) para formar una segunda capa de aislamiento entre las porciones de bobinado interna y externa (42, 44).

22. La bobina inductora de la reivindicación 21, en la que el material que encapsula la bobina impregna la segunda capa de aislamiento.

23. La bobina inductora de la reivindicación 9, en la que la hebra continua no conductora (46) de fibra comprende un grosor de entre 0,00762 - 0,01905 mm.