ES2426015A2 - Máquina electromecánica rotativa universal de rotor bobinado - Google Patents

Abstract

Máquina eléctrica rotativa universal caracterizada porque las escobillas y el colector de delgas se sustituyen por unos rodamientos de características especiales aislados eléctricamente (3) y (7), y por un circuito electrónico (5). Además el circuito electrónico (5) puede incorporar mejoras para la optimización del funcionamiento de la máquina.

Description

MÁQUINA ELÉCTRICA ROTATIV A UNIVERSAL SIN ESCOBILLAS

SECTOR DE LA TÉCNICA

La invención se encuadra en el ámbito de las máquinas eléctricas que transfonnan la
energía eléctrica en energía mecánica o viceversa, centrados en métodos para el aumento de su rendimiento, durabilidad y rentabilidad.

ESTADO DE LA TÉCNICA

Llamamos máquina eléctrica rotativa universal a aquella capaz de trabajar tanto como motor de corriente eléctrica continua o alterna, así como generaüor de corriente eléctrica continua o alterna.

En la actualidad existen diferentes tipos de máquinas eléctricas que no utilizan escobillas, basándose en las propiedades de la corriente alterna (motores inducción o máquinas síncronas con rotor de imanes pennanentes) y otras como los motores brushless que emplean sistemas de conmutación electrónicos en el estator e imanes pennanentes en el rotor. Sin embargo no existe ninguna máquina del tipo reversible y rotor bobinado que no empleen escobillas, anillos rozantes o colector de delgas.

Este tipo de máquina universal es interesante para aplicaciones en medios de transporte porque se puede controlar fácilmente su potencia, puede trabajar como motor o generador (son capaces de emplear energía para luego recuperarla en un compromiso de aprovechamiento y rendimiento) y además es razonablemente económica. Sin embargo presenta el problema del desgaste de sus escobillas porque limitan su tiempo de funcionamiento sin mantenimiento, ensucian y contaminan su entorno de trabajo por los residuos que se desprenden en su desgaste, provocan ruidos eléctricos, pierde potencia en ellas o necesita bobinados de compensación para minimizar el desfase de la línea neutra magnética de la máquina respecto de su línea neutra geométrica.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

La presente invención pretende dotar a una máquina eléctrica rotativa universal con rotor bobinado (conocido frecuentemente como motor universal) de un sistema de alimentación eléctrica del rotor bobinado a través de unos rodamientos de apoyo mecánico optimizados para tal fin y transmitir así al rotor la energía necesaria para su trabajo, en lugar de hacerlo con escobillas y colectores de delgas o anillos rozantes.

El eje del rotor bobinado irá apoyado sobre dos o más rodamientos de manera clásica, pero deberán estar aislados galvánicamente para un correcto funcionamiento y evitar la electrificación de las masas. Los rodamientos portarán un par de bornes eléctricos, uno en la parte fija y otro en la parte móvil.

5 El rotor deberá incorporar un sistema de control, preferiblemente electrónico, que excite el par de polos correspondiente del bobinado del rotor en función de su posición relativa con respecto del bobinado del estator, de igual manera que clásicamente lo hace un par de escobillas sobre el colector de delgas.

Para el funcionamiento de la máquina, los rodamientos deben contener al menos un par

10 de contactos eléctricos, uno en la parte fija y otro en la parte móvil y un tipo de lubricante de alta conductividad eléctrica que optimice su vida útil en función de la intensidad eléctrica que el rodamiento va a soportar.

Con todo esto será posible que la máquina funcione como motor o como generador, con corriente continua o alterna, eliminando el colector de delgas y las escobillas, reduciendo así la 15 caída de tensión en las mismas, el ruido tanto eléctrico como mecánico y su fricción.

El sistema de conmutación podrá incorporar funciones adicionales como compensación del desplazamiento de la línea neutra magnética de la máquina respecto de su línea neutra geométrica, en función de si está trabajando como generador o motor, la carga soportada o el sentido de giro. También, por ejemplo, acumulación de carga eléctrica que garantice la

20 continuidad de alimentación del sistema de control ante un control de potencia PWM externo a la máquina.

DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Para la mejor compresión de todo lo expuesto en la memoria se acompañan tres figuras que, sólo a modo de ejemplo, ilustran una aplicación del sistema objeto de invención.

Figura 1

Se ilustra un rotor completo donde existe una polea de transmisión final (1), el eje (2), un primer rodamiento especial (3), el armazón magnético con bobinado (4), el sistema de control por conmutación (5), un soporte para el circuito de control (6) y otro rodamiento especial final (7). Tal y como está representado y sin tener en cuenta el equipamiento aislante eléctrico, los contactos eléctricos de ambos rodamientos o el sistema de referencia de posición del rotor respecto del estator, podemos afirmar que lo representado estará conectado eléctricamente tal y como se representa en la figura 3.

Figura 2

Detalle de uno de los rodamientos (3) donde se puede observar un contacto eléctrico (8) para la alimentación del rotor a través del rodamiento (3). Se ha representado un rodamiento (3) sin carcasas aunque el objeto de la patente necesita un rodamiento tipo ZZ o similar, tal y como se ha descrito anteriormente, que evite la penetración de materiales extraños y la fuga de fluido

o grasa lubricante con características eléctricas especiales.

Figura 3

Se trata de una representación de la disposición eléctrica de todos los elementos. En el exterior de la máquina habrá una fuente de energía (9) que suministrará corriente eléctrica al rotor a través de los rodamientos especiales (3) y (7) conectando en los bornes previstos (8), representados también en la figura 2. Dicha energía la gestionará el sistema de control (5) para, como se ha explicado anteriormente, alimentar cada par de polos del bobinado del rotor (4) a través de un conjunto de conductores (11) en función de su posición relativa respecto del bobinado del estator, gracias a una referencia externa y un captador de posición (10) de cualquier tipo, que irá incorporado en el mismo rotor.

Todo este montaje es totalmente dual del funcionamiento de la máquina como generador, cambiando la fuente de tensión externa por una carga y el sistema de control (5) se alimentará de la energía suministrada por el rotor al girar. Para ello la programación del sistema de control ha de contemplar la posibilidad de este funcionamiento exclusivamente o como máquina reversible.

DESCRIPCIÓN DE UNA REALIZACIÓN PREFERIDA

El rotor irá montado sobre un eje de acero (2) que portará el armazón magnético con sus bobinados (4) de manera clásica. El eje se apoyará sobre dos rodamientos especiales (3) y (7) cuyas características serán: ser del tipo ZZ o similar, incorporar un tipo de fluido lubricante con alta conductividad eléctrica, resistencia al desgaste mecánico por el paso de la corriente eléctrica y dos contactos eléctricos (8), uno en la parte fija y otro en ia parte móvil a través de los cuales llegará la energía desde el estator de la máquina al rotor.

Los rodamientos especiales (3) y (7) irán montados sobre el estator de la máquina pero deberán estar aislados eléctricamente tanto del estator como del eje del rotor (2), bien por algún baño de material aislante o por otro método, para evitar la electrificación de las partes metálicas de la máquina y obtener un funcionamiento seguro y óptimo.

De los contactos eléctricos de la parte móvil de los rodamientos (visto desde el estator) o la parte fija (vista desde el rotor), que no están representados en las figuras pero son análogos a los de la parte fija (8) (visto desde el estator), saldrán al menos dos conductores eléctricos que llevarán la corriente eléctrica hasta el sistema de control (5).

El sistema de control (5) controlará, al menos, a qué bobina del rotor deberá llegar la energía en función de la posición del rotor respecto del estator, de igual manera que clásicamente lo han hecho las escobillas junto con el colector de delgas en los motores universales. Para ello necesitará un sistema de referencia de posición externa (por ejemplo el haz luminoso de un diodo led o láser) y un colector de semiconductores fotosensibles que detectarán cada una de las posibles posiciones del rotor respecto del estator, con un alto compromiso de precisión. Estos componentes irán incorporados en el propio bloque del sistema de control, apoyados sobre un soporte mecánico (6) en el propio eje (2) y con dispuesto con simetría angular.

La velocidad máxima de giro del rotor de la máquina estará limitada por la velocidad de conmutación del sistema de control (5) que ha de ser electrónico para conseguir una velocidad elevada. Además el sistema de control (5) tendrá funciones adicionales tales como búsqueda de la línea neutra magnética de la máquina para compensar el ángulo de deslizamiento con el sistema de control, por cualquier método.

Todo este bloque (el representado en la figura 1) girará solidariamente y sólo interactuará con el exterior a través de la alimentación eléctrica por los rodamientos especiales y con sensores ópticos, magnéticos o similares que facilitarán información sobre su posición angular respecto del estator, para evitar fricciones o desgastes adicionales.

Claims (2)

1. REIVINDICACIONES

   1. Máquina electromecánica rotativa universal de rotor bobinado, caracterizada porque el rotor se alimenta a través de unos rodamientos (3) y (7) capaces de conducir el fluido eléctrico necesario.

   5 2. Máquina electromecánica rotativa universal de rotor bobinado, según la reivindicación nO 1, caracterizada porque el rotor incorpora un circuito de control (5) que alimenta los diferentes pares de polos del devanado del rotor (4) en función de su posición relativa respecto el estator.
2. 3. Máquina electromecánica rotativa universal de rotor bobinado, según reivindicación n°

   10 2, caracterizada porque el circuito de control (5) puede incorporar funciones adicionales de control y optimización de la máquina.

   FIGURA 1

   2 3

   FIGURA 2

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   / /

   FIGURA 3

   9-_.-=;::=-[P:O~S~ICI~6N~---r--------1 O 8

   3----~~-,

   I--I~-----5 11--------12

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   4