ES2566177T3 - Minimización del rizado del par de torsión - Google Patents

Abstract

Un motor eléctrico (100) que comprende: un primer actuador lineal (110a) que incluye una primera bobina (115a); un segundo actuador lineal (110b) que incluye una segunda bobina (115b); un vástago de rotación (145); una unidad de leva (135/105) montada sobre dicho vástago de rotación para traducir el movimiento lineal de los primero y segundo actuadores lineales en movimiento rotacional del vástago de rotación, la unidad de leva (135/105) que comprende dos o un número par mayor de levas desplazadas de forma giratoria; un controlador programado para generar durante la operación una primera señal de accionamiento para la primera bobina y una segunda señal de accionamiento para la segunda bobina, en donde la primera señal de accionamiento provoca que el primer actuador lineal, a través de la interacción con la unidad de leva, genere un primer par de torsión en el vástago de rotación que varía periódicamente tras una rotación completa del vástago y la segunda señal de accionamiento provoca que el segundo actuador lineal, a través de la interacción con la unidad de leva, genere un segundo par de torsión en el vástago de rotación que varía periódicamente tras la rotación completa del vástago, y en donde una señal de accionamiento adecuada se aplica a las bobinas para generar los primero y segundo pares de torsión, la suma de cuyos pares de torsión produce un par de torsión total que está sustancialmente libre de rizado durante la rotación completa del vástago.

Description

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DESCRIPCION

Minimizacion del rizado del par de torsion Campo tecnico

Esta invencion se refiere generalmente al control de motores electricos y mas espedficamente al control de motores lineales de actuadores tipo Lorentz.

Antecedentes de la invencion

Los motores de tipo Lorentz explotan el principio basico de que una partfcula cargada que se mueve en un campo magnetico experimenta una fuerza en una direccion perpendicular a la direccion del movimiento. Expresado matematicamente: F=qvxB, donde F es la fuerza, q es la carga de la partfcula cargada, v es la velocidad instantanea de la partfcula, y B es el campo magnetico. De esta forma, si una corriente fluye a traves de un alambre y se aplica un campo magnetico en direccion perpendicular, el alambre experimenta una fuerza que trata de moverlo lateralmente.

Una simple configuracion que aprovecha este principio es una bobina que rodea un nucleo magnetico hecho de imanes permanentes. La bobina, referenciada como el actuador, se dispone para ser capaz de deslizarse hacia delante y hacia atras a lo largo de la longitud del nucleo magnetico o estator magnetico. En esa configuracion, el flujo de una corriente a traves de la bobina resulta en una fuerza en la bobina que la empuja en una direccion a lo largo de la longitud del nucleo magnetico. La inversion de la direccion del flujo de corriente provoca que la bobina se mueva en la direccion opuesta. La magnitud de la corriente determina la intensidad de la fuerza y la forma de onda de la corriente determina como cambia la fuerza con el tiempo. Con tal disposicion, mediante la aplicacion de una forma de onda de corriente apropiada a la bobina, puede hacerse que la bobina se mueva hacia delante y hacia atras a lo largo del nucleo magnetico de una manera controlada. El movimiento controlado del actuador puede, a su vez, usarse para realizar trabajo.

El documento GB-A-2344223 describe un motor electrico que comprende una pluralidad de actuadores electricos dispuestos radialmente alrededor de un eje de rotacion, una superficie de levas que se extiende alrededor del eje y se acopla por las armaduras de los actuadores para convertir el movimiento lineal de este en movimiento giratorio, y medios de control para operar los actuadores secuencialmente.

El documento US-A-2007120432 describe una leva magnetica axial que comprende al menos uno de un primer elemento de iman permanente soportado para el movimiento rotacional a lo largo de un eje, cuyo elemento de iman proporciona un area de trabajo y trayectoria de area de campo magnetico circular continuo en donde dicha trayectoria incluye una pendiente magnetica. Al menos uno de un segundo elemento de iman permanente que tiene un campo magnetico se soporta para el movimiento alternativo dentro de la proximidad operacional de al menos un primer elemento magnetico; en donde dicho movimiento alternativo es practicamente paralelo con dicho eje de salida. El al menos uno de un primer elemento magnetico y el al menos uno de un segundo elemento magnetico alternativo proporcionan una fuerza magnetica constante entre estos.

El documento US-A-2007120432 describe un motor electrico que utiliza una pluralidad de elementos magneticos linealmente alternativos comparables con los pistones en un motor de fluido y un elemento de conversion de movimiento lineal a giratorio que comprende un miembro sinusoidal que acopla los elementos magneticos alternativos.

El documento US-A-2011108339 describe un dispositivo de movimiento giratorio y lineal que incluye una unidad de estator magnetico, actuadores electromagneticos opuestos y un convertidor lineal a giratorio (por ejemplo, leva). Cada actuador electromagnetico incluye una bobina que se configura para moverse alternadamente con relacion a la unidad de estator magnetico o para trasladarse linealmente en una direccion comun con relacion a la unidad de estator magnetico. Los actuadores electromagneticos se acoplan al convertidor lineal a giratorio y despues del movimiento alternativo o de traslacion lineal, accionan el convertidor lineal a giratorio en el movimiento giratorio o lineal.

El documento EP-A-1098429 describe un motor que incluye al menos dos elementos de accionamiento electromecanicos accionados por piezoactuadores. Al menos un anillo de accionamiento circular se excita a un desplazamiento giratorio mediante un golpe radial de los elementos de accionamiento electromecanicos. Un vastago se encuentra en el anillo de accionamiento de manera que el desplazamiento del anillo de accionamiento provoca que el vastago gire con este.

El documento US-A-6575078 describe un motor de fluido que tiene una pluralidad de pistones accionados por fluido que se extienden radialmente hacia fuera desde un estator y cada uno que tiene un cojinete de seguidor de leva en su extremo externo. Un rotor rodea el estator e incluye un perfil de levas de accionamiento orientado hacia dentro acoplado por los cojinetes de los seguidores de levas para hacer avanzar el rotor con relacion al estator. El perfil de levas de accionamiento es sustancialmente sinusoidal como resultado de lo cual se logra un par de torsion sustancialmente constante.

Resumen de la invencion

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La presente invencion comprende un motor electrico como se define por la reivindicacion 1, con elementos opcionales como se define en las reivindicaciones dependientes 2 a la 13 y 15. Un aspecto de la invencion es el metodo de operacion de un motor electrico como se define en la reivindicacion 14.

Breve descripcion de los dibujos

Las Figs. 1A-1B ilustran un motor giratorio en una rueda.

La Fig. 1C ilustra una unidad de estator magnetico.

Las Figs. 2A-2C ilustran componentes del motor giratorio de la Fig. 1 en varias etapas de movimiento,

La Fig. 2D ilustra una forma ejemplar de una leva.

La Fig. 3 es un perfil de leva basado en una espiral de Arqmmedes

La Fig. 4 es un grafico de la posicion radial de la leva como una funcion del angulo.

La Fig. 5 es un perfil de leva sinusoidal.

La Fig. 6 es un grafico de la posicion radial de la leva como una funcion del angulo para la leva mostrada en la Fig. 5.

Las Figs. 7A-7B ilustran una disposicion de dos motores con concentradores para una rueda.

Las Figs. 8A-8B ilustran vistas de dos levas desplazadas de forma giratoria.

Las Figs. 9A-9B ilustran un disco de un ejemplo de dispositivo giratorio acoplado a un borde de una rueda.

La Fig. 10 ilustra dos perfiles de levas en cuadratura.

La Fig. 11 ilustra las caractensticas de simetna de una funcion del par de torsion.

La Fig. 12 ilustra una funcion del par de torsion cuadratica por tramos.

La Fig. 13 ilustra un perfil cuadratico por tramos para la primera derivada del perfil de leva.

La Fig. 14 ilustra una funcion de fuerza no trigonometrica comparada con una funcion de fuerza trigonometrica.

La Fig. 15 ilustra un perfil de levas no trigonometrico comparado con un perfil de levas trigonometrico.

La Fig. 16 es un sistema de control ejemplar para proporcionar un par de torsion constante.

La Fig. 17 muestra una celda de carga para medir directamente la fuerza de Lorentz.

La Fig. 18 es un sistema de control ejemplar el cual emplea realimentacion para la generacion del perfil de fuerza. Descripcion detallada

El objeto de esta solicitud es el diseno y operacion de una unidad de motor montada en un concentrador para asf minimizar el rizado del par de torsion. El motor montado en un concentrador es un motor lineal de actuador tipo Lorentz. Antes de discutir el diseno y operacion de la unidad de motor montada en un concentrador, se presentara una breve revision del motor lineal de actuador tipo Lorentz. Una discusion mas detallada puede encontrarse en el documento WO- A-2011/057070 (US-A-2011108339).

El motor lineal de actuador tipo Lorentz

El motor lineal de actuador tipo Lorentz es un dispositivo giratorio 100 que se monta dentro de una rueda en un vehnculo, como se ilustra en la Fig. 1A. El dispositivo giratorio 100 incluye una unidad de estator magnetico 120, los actuadores electromagneticos opuestos 110a, 110b, y un convertidor lineal a giratorio (por ejemplo, leva en forma de ovalo) 105. El dispositivo giratorio 100 se une a la carrocena de un vehnculo, por ejemplo, en un punto en el lado lejano de la rueda (no mostrado). El dispositivo giratorio 100 se une a la rueda a traves de la leva 105 mediante el uso de una placa de soporte circular, por ejemplo, la cual se ha removido para mostrar el interior de la rueda. Tal placa se une al borde de la rueda y la leva 105 mediante el uso de sujetadores, tales como pernos. La rueda y la placa de soporte circular giran con relacion a un concentrador 145 alrededor de un cojinete 150.

La Fig. 1B muestra el dispositivo giratorio 100 desde el lado de la rueda 140 con el neumatico y algunos otros componentes retirados. El nucleo del dispositivo giratorio 100 incluye la leva 105, dos actuadores electromagneticos opuestos 110a, 110b, y una unidad de estator magnetico 120. Los actuadores electromagneticos 110a, 110b cada uno aloja una bobina 115a, 115b que rodea la unidad de estator magnetico 120. Los actuadores magneticos 110a, 110b se disponen para el movimiento alternativo con relacion a la unidad de estator magnetico 120 cuando una senal de accionamiento adecuada se aplica a las bobinas 115a, 115b. Un actuador electromagnetico 110a se muestra que tiene un alojamiento 155a que rodea su bobina 115a y el otro actuador electromagnetico 110b se muestra con su alojamiento retirado para mostrar su bobina 115b.

La unidad de estator magnetico 120 representada en la Fig. 1B se orienta verticalmente e incluye una pluralidad de estatores magneticos 125a, 125b, cada uno de los cuales incluye multiples imanes permanentes individuales orientados de manera que sus momentos magneticos son perpendiculares al eje de la unidad de estator magnetico 120. Cuando se aplica corriente a las bobinas 115a, 115b de los actuadores electromagneticos 110a, 110b (por ejemplo, corriente alterna), los actuadores 110a, 110b se fuerzan para moverse verticalmente a lo largo de la unidad de estator magnetico 120 debido a las fuerzas electromagneticas resultantes (es decir, las fuerzas de Lorentz). Como se conoce bien, cuando una bobina que transporta una corriente electrica se coloca en un campo magnetico, cada una de las cargas en movimiento de esa corriente experimentan lo que se conoce como la fuerza de Lorentz, y colectivamente crean una fuerza neta en la bobina. La direccion del movimiento y la fuerza generada se controlan por la polaridad y amplitud de la corriente inducida en la bobina.

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El dispositivo giratorio 100 incluye ademas una pluralidad de vastagos 130a, 130b, acoplados a una estructura de soporte de cojinete 165. Los actuadores electromagneticos 110a, 110b se deslizan a lo largo de los vastagos mediante el uso de, por ejemplo, cojinetes lineales. A cada actuador electromagnetico 110a, 110b se une un par de seguidores 135a-d que interaction con la leva 105 para convertir su movimiento lineal, a movimiento giratorio de la leva. Para reducir la friccion, los seguidores 135a-d giran libremente para as^ rodar sobre las superficies de la leva 105 durante el ciclo de operacion. Los seguidores 135a-d se unen a los actuadores electromagneticos 110a, 110b a traves de, por ejemplo, los alojamientos de los actuadores. Cuando los actuadores electromagneticos 110a, 110b se mueven alternativamente, la fuerza ejercida por los seguidores 135a-d sobre la leva 105 acciona la leva 105 en movimiento giratorio.

La Fig. 1C ilustra la unidad de estator magnetico 120 con dos estatores magneticos 125a, 125b. Los estatores magneticos 125a, 125b cada uno incluye multiples imanes. Por ejemplo, el estator magnetico 125a incluye, sobre una porcion de superficie de extremo, ocho imanes 160a-h. Todos los imanes 160 tienen sus momentos magneticos orientados perpendiculares a la superficie sobre la cual ellos se montan y en la misma direccion.

Las Figs. 2A-C ilustran componentes del dispositivo giratorio 100 en accion, que incluyen los actuadores electromagneticos del dispositivo giratorio 110a, 110b (con las bobinas asociadas 115a, 115b y los seguidores 135a-d) y la leva 105 que se mueve con relacion a la unidad de estator magnetico 120 (que incluye los estatores magneticos asociados 125a, 125b). El borde, la rueda, y los alojamientos mediante los cuales los seguidores se unen a las bobinas no se muestran en estas figuras. Como se ilustra por las Figs. 2A-C, el movimiento alternativo de las bobinas 115a, 115b en oposicion acciona la leva 105 para girar, lo cual, a su vez, provoca que gire una rueda unida a la leva 105. Las bobinas 115a, 115b se muestran en la Fig. 2A como que estan separadas casi a su distancia mas lejana. La Fig. 2B muestra que cuando las bobinas 115a, 115b se mueven mas cerca entre sf, las bobinas 115a, 115b accionan la leva 105 para girar en una direccion en el sentido de las manecillas del reloj, de esta manera que provocan que cualquier rueda unida gire ademas en el sentido de las manecillas del reloj. En el dispositivo de ejemplo, la fuerza ejercida sobre la leva 105 se provoca por los seguidores externos 135a, 135c que se aprietan sobre la leva 105. La Fig. 2C muestra que las bobinas 115a, 115b estan incluso mas cerca juntas lo que provoca el movimiento adicional en el sentido de las manecillas del reloj de la leva 105.

Despues que las bobinas 115a, 115b han alcanzado su distancia mas corta entre sf y la leva 105, en este caso, ha girado noventa grados, las bobinas 115a, 115b comienzan a moverse alejandose entre sf y accionan la leva 105 para continuar girando en el sentido de las manecillas del reloj. Cuando las bobinas 115a, 115b se mueven alejandose entre sf, los seguidores internos 135b, 135d ejercen fuerza sobre la leva 105 mediante el empuje hacia fuera sobre la leva 105.

Se debe notar que la leva 105 se muestra in las figuras como de una forma ovalada, pero puede tener una forma mas compleja, tal como, por ejemplo, una forma que tiene un numero par de lobulos, como se ilustra en la Fig. 2D. Los lados de cada lobulo pueden conformarse en forma de una onda sinusoidal, una porcion de una espiral de Arqmmedes o alguna otra curva, por ejemplo. El numero de lobulos determina cuantos ciclos deben completar las bobinas para provocar que la leva gire un cfrculo completo. Una leva con dos lobulos girara un cfrculo completo despues de dos ciclos de la bobina. Una leva con cuatro lobulos girara un cfrculo completo despues de cuatro ciclos de la bobina. Adicionalmente, mas lobulos en una leva resultan en un mayor par de torsion.

Analisis del par de torsion

El motor consta de un disco circular con una leva externa y una leva interna. Dos seguidores de leva conectados a una bobina pueden crear una fuerza radial sobre la leva. La fuerza ejercida por los seguidores de leva a su vez crean un par de torsion sobre el disco.

La ecuacion idealizada para el par de torsion Tc(0) generado por el seguidor de leva se determina por la siguiente ecuacion:

- dd Ec. 1

donde Fc(0) es la fuerza radial generada por el seguidor de leva, y Rc(0) es la distancia del seguidor de leva desde el centro del disco. Como se noto anteriormente, en el motor, la fuerza se genera a partir de una corriente que corre en una bobina e interactua con un campo magnetico.

Si la fuerza es constante a lo largo de un medio golpe y la pendiente que define la posicion del seguidor de leva como una funcion del angulo de la rueda es ademas constante, eso produce un par de torsion que es constante durante todo el ciclo. La forma bidimensional de la leva sena entonces como se representa en la Fig. 3.

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En la Fig. (1), 0 es la posicion (rotacion) de la rueda en radianes y el disco tiene cuatro lobulos. El seguidor de leva ejerce una fuerza vertical como se indica por la flecha. La posicion de la leva en coordenadas polares se determina por la curva mostrada en la Fig. 4.

Aunque este perfil de leva se presta facilmente a una senal de accionamiento que produce un par de torsion constante, presenta dos grandes inconvenientes: la necesidad de cambiar instantaneamente la velocidad de la bobina en el extremo del movimiento de la leva y la necesidad de cambiar instantaneamente la corriente que genera la fuerza ejercida por la leva.

La ecuacion aproximada que da la fuerza requerida para acelerar y desacelerar la bobina es:

Ec. 2

d2Rc(.9)

donde Mc es la masa de la bobina. En los extremos del movimiento de golpe, el termino d02 es en teoria

infinito, lo que significa en la practica que la bobina experimental un choque inaceptablemente alto debido a la desaceleracion y aceleracion abrupta.

Cambiar instantaneamente la corriente presenta ademas retos tecnicos, dado que la corriente fluye a traves de una bobina con una inductancia significativa. Una aproximacion lineal del voltaje requerido para cambiar la corriente en la bobina se determina por:

imagen1

imagen2

Ec. 3

donde Vc(t) es el voltaje requerido a traves de la bobina como una funcion del cambio requerido en la corriente de la bobina, Ic(t), Rc es la resistencia de la bobina, Lc es la inductancia de la bobina y Vemf(t) es la fuerza electromotriz de retorno generada por la bobina cuando esta se mueve a traves de un campo magnetico variable. Aqrn nuevamente, dada la discontinuidad en la corriente el voltaje a traves de la bobina tendena a infinito.

Una solucion parcial es cambiar el perfil de leva de manera que su segunda derivada sea finita y continua en todos los puntos, es decir, que tenga una derivada de tercer orden. Un ejemplo de tal perfil de leva sena una forma sinusoidal. En tal caso, el perfil de leva se determinana por la ecuacion:

Km -K+A' sen(^i -0)

Ec. 4

donde Ro es el cfrculo alrededor del cual la leva evoluciona (posicion principal), Ac es la amplitud de la leva y ni es el numero de lobulos o numero de golpes por revolucion. El perfil de leva entonces se parece a lo que se muestra en la Fig. 5 y en coordenadas polares, el perfil de leva se muestra en la Fig. 6.

En este caso la fuerza que se va a generar por la bobina se determina por:

imagen3

Ec. 5

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Sin embargo, la derivada de la posicion de la leva Rc(9) es nula en el extremo de los golpes, por lo tanto la fuerza requerida divergena ademas a infinito. Esto continua siendo cierto para cualquier perfil de leva. Si existe solamente una leva, el corolario es que esta no sena de arranque automatico si la posicion inicial ocurre cuando el seguidor de leva esta en el extremo de un golpe.

El uso de multiples levas de manera que sus puntos nulos se separen salva el problema. En el ejemplo mas simple, debenan existir dos levas en un disco, cada una en lados opuestos.

Una modalidad ilustrativa

Una rueda la cual implementa este enfoque se muestra en las Figs. 7A-B. En este caso el neumatico de la rueda, y algunos otros componentes, se han retirado para mayor claridad. Tiene dos dispositivos giratorios, uno montado en cada lado de un disco central 1635. Los dispositivos giratorios son similares a los dispositivos giratorios descritos anteriormente. Un dispositivo giratorio incluye un par de actuadores electromagneticos 1510a, 1510b, y una unidad de estator magnetico 1520. De manera similar, el segundo dispositivo giratorio incluye un par de actuadores electromagneticos 1610a, 1610b, y una unidad de estator magnetico 1620. Cada una de las unidades de estator magnetico 1520, 1620 incluye dos estatores magneticos 1515a, 1515b, 1615a, 1615b, los cuales incluyen las trayectorias de retorno de flujo magnetico 1640a-d y los imanes (por ejemplo, 1630a, 1630b). Los alojamientos que rodean las bobinas de los actuadores electromagneticos 1510a, 1510b, 1610a, 1610b no se muestran. Cada bobina se mueve alternativamente a lo largo de cuatro arreglos de imanes, los cuales, como se describio anteriormente, pueden incluir multiples imanes. Dos de los arreglos de imanes se localizan dentro de la bobina (por ejemplo, el componente de estator magnetico interno 1630b) y dos se localizan fuera de la bobina (por ejemplo, el componente de estator magnetico externo 1630a). Cada conjunto de imanes se monta en una trayectoria de retorno de flujo magnetico 1640a- d.

El disco 1635 incluye dos levas, una en cualquiera de los dos lados del disco 1635. En este ejemplo, cada leva del dispositivo tiene la forma de una ranura que incluye una superficie interna 1605a y una superficie externa 1605b. Acoplados a los actuadores electromagneticos 1510a y 1510b hay dos pares de seguidores 1625a, 1625b, los diferentes seguidores de cada par que interactuan con una superficie respectiva 1605a, 1605b de la leva. Los actuadores electromagneticos 1610a y 1610b se acoplan similarmente a los seguidores. Cuando las bobinas se mueven una hacia la otra, uno de los seguidores de cada actuador electromagnetico 1510a, 1510b ejerce fuerza sobre la superficie interna 1605a de la leva. Cuando las bobinas se mueven alejandose una de la otra, el otro seguidor ejerce fuerza sobre la superficie externa 1605b de la leva.

La Fig. 7B ilustra una vista diferente de los dispositivos giratorios. Debena ser evidente que cada par de actuadores electromagneticos (el par 1510a, 1510b y el par 1610a, 1610b) estan en fases diferentes de movimiento alternativo. Esto es porque en el dispositivo de ejemplo, las levas en cualquier lado del disco 1635 se desplazan de forma giratoria entre sf, por ejemplo, cuarenta y cinco grados. Esto ayuda a evitar que los actuadores paren en un punto sobre las levas a partir del cual sena diffcil comenzar de nuevo. Asf, si un par de actuadores para en un "punto muerto" de su respectiva leva, el otro par de actuadores no estana en un punto muerto. La Fig. 7B ilustra ademas una disposicion de las bobinas y los componentes del estator magnetico. Por ejemplo, los componentes del estator magnetico 1630b y 1630c se localizan dentro de la bobina del actuador 1610a, y los componentes del estator magnetico 1630a y 1630d se localizan fuera de la bobina.

La Fig. 8A ilustra dos levas desplazadas de forma giratoria 1505, 1606. Las levas 1505, 1606 son parte de o se montan sobre un disco 1635. Una leva 1505 esta en un lado del disco 1635, y la otra leva 1606 esta en el lado opuesto, como se indica por la lmea discontinua. En algunos dispositivos la leva puede desplazarse cuarenta y cinco grados, por ejemplo. Las levas 1505, 1606 tienen un numero par de lobulos, por ejemplo 2, 4, 6 etc.. Las levas que tienen dos lobulos se desplazan 45 grados. Las levas que tienen cuatro lobulos se desplazan 22.5 grados.

La Fig. 8B ilustra una seccion transversal vertical de un disco 1635 con dos levas desplazadas de forma giratoria, cada una que tiene una superficie interna 1605a, 1605c y una superficie externa 1605b, 1605d. Debido al desplazamiento, las superficies internas 1605a, 1605c no estan en lmea entra sf. De igual forma, las superficies externas 1605b, 1605d tambien no estan en lmea entra sf

La Fig. 9A ilustra como el disco 1635 del dispositivo giratorio de ejemplo se acopla al borde 1705 de una rueda. El borde 1705 consta de una pieza a la cual el disco 1635 se fija mediante el uso de sujetadores, tal como pernos, a lo largo de un anillo interno 1715. Alternativamente, el borde 1705 puede incluir dos partes 1710a, 1710b que se unen con pernos a lo largo del anillo 1715. Cuando se sujetan juntas, las dos partes 1710a, 1710b forman un borde completo 1705 con el anillo interno 1715. Un neumatico se monta despues al borde 1705. La Fig. 9B muestra como el disco 1635 se sujeta al anillo interno 1715 del disco 1635.

Minimizar el rizado del par de torsion

De vuelta a la descripcion de la tecnica para minimizar el rizado del par de torsion, dirigimos la atencion de los lectores a un ejemplo que usa dos levas de cuatro lobulos, el cual se ilustra en la Fig. 10.

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Cabe destacar que los perfiles no son imagenes espejo pero estan en cuadratura y que constan del mismo perfil basico Rc(x) pero "desplazado" con respecto uno del otro. Mediante la suposicion de quenc es el numero de lobulos en la leva, es decir el numero de veces que una funcion basica Rc(x) se repite dentro de un drculo completo, y que la derivada del perfil de leva se determina por 0c(nc9), la ecuacion para el par de torsion proporcionado por la suma de los pares de torsion 0(9) de las levas individuales sena:

imagen4

Ec. 6

Ec. 7

Y tfpicamente A corresponde a un cuarto de un lobulo, es A .

Esto conduce a la siguiente pregunta: cual es la familia de las funciones 0(9)= Fc(9)0c(9) de manera que el par de torsion total sea constante (es decir, libre de rizado) cuando al menos se usan dos levas fuera de fase y actuadores. Esta ecuacion implica que la funcion 0(9) tiene una periodicidad de 2^A:

imagen5

imagen6

Ec. 8

imagen7

Ec. 9

Sustituyendo:

0(0) = T-(T- 0(0+2 • A)) = 0(0 + 2 • A)

Ec. 10

Que es como se requiere, es decir, la funcion 0(9) es periodica, con un penodo que es el doble del penodo de un ciclo de leva completo. Esto aun deja el conjunto de funciones bastante grande. Por razones de simetna, es razonable requerir que:

imagen8

Ec. 11

Y podemos asumir ademas que la leva alcanza su extremo en 9 = 0 y 9 = A. Por lo tanto, la clase de funciones 0(9) que estamos buscando tiene las propiedades siguientes:

1. 0(0) = 0

2. 0(A) = Tmax donde Tmax es el par de torsion maximo

3. 0(9) es simetrica con respecto al eje vertical 9 = 0

4. 0(9) es simetrica con respecto al punto (A/2, Tmax/2).

5. 0(9) es continua.

La forma general de esta funcion se determina en la Fig. 11.

Se conoce, ademas, que la funcion 0(9) es el producto de otras dos funciones, Fc(9) y 0(9), donde 0(6) debe tener una derivada de primer orden, de manera que el perfil de leva se determina por:

Rc(d) = \'V(G)dO

Ec. 12

Intuitivamente sena deseable ademas que las funciones Fc(9), Rc(9) y 0(9) tengan la misma simetna. Por lo tanto, una cuestion razonable para preguntar es ^existina una funcion de manera que Fc(9) y 0(9) sean la misma funcion? En este caso:

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Ec. 13

que es la ecuacion basica de un triangulo rectangulo.

Aqu los componentes en cuadratura pueden observarse como los lados de un triangulo rectangulo, de manera que uno es un seno de un angulo y el otro el coseno del angulo:

imagen10

COS(^J + A) = COS(0? -f----) = COS(<p) COS(—) - sen ((p) sen (—) = - sen(^j)

2 2 2

imagen11

Ec. 14

Ec. 15

Ec. 16

En conclusion, si la forma de la leva es una funcion seno, su derivada es una funcion coseno, su derivada es una funcion seno, y si la forma de onda de la corriente es ademas una funcion seno entonces los dos componentes en cuadratura se suman hasta un par de torsion constante sin rizado.

En principio, existe un numero infinito de funciones Fc(0), Rc(0) y 0(0) que conducen a un par de torsion constante. En la practica, la seleccion es mas bien limitada, dado que se debe tener:

Ec. 17

imagen12

Y cuando ambas 0(0) y 0(0) tienden a cero, la relacion debe converger ademas a cero. Tambien se requiere una derivada de primer orden. Se vuelve un ejercicio no trivial encontrar otras funciones ademas de la funcion de tipo sinusoidal que reunan estos criterios, y tfpicamente termina muy cerca de una funcion trigonometrica. Sin embargo, en la epoca actual de microprocesador basado en control digital donde el tiempo de calculo es una consideracion principal tales funciones alternativas podnan tener un beneficio.

Uno de los ejemplos mas simples de un enfoque alternativo sena usar funciones cuadraticas por tramos para 01(0) y 01(0), como se determina en esta representacion recursiva en MathCAD, que omite por el momento, el numero de lobulos en las ecuaciones:

imagen13

Ec. (18)

donde 01(0) se muestra en la Fig. 12.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

imagen14

Ec. (19)

donde ^i(9) se muestra en la Fig. 13.

El perfil de la fuerza resultante F1, calculado a partir de la relacion de Oi con ^se indica en la Fig. 14, y se compara con una funcion trigonometrica.

Finalmente, el perfil de leva R1 se calcula a partir de la integral de ^1 y se compara con una funcion trigonometrica en la Fig. 15.

Aunque es diffcil de probar, se espera que todas las formas de levas y perfiles de fuerza que se comporten bien en terminos de simetna y suavidad tengan todos una forma muy cercana a funciones trigonometricas. Solamente dos levas en cuadratura se analizaron aqm, el mismo enfoque podna usarse para otros numeros pares de levas.

En la practica actual, aunque es facil generar una leva con una funcion triangular precisa, es mas diffcil generar un perfil de fuerza que sea una sinusoide. Para un actuador de fuerza de Lorentz idealizado que asume una induccion magnetica constante B, esto se traducina en generar un perfil de corriente exacto con una funcion sinusoidal. Sin embargo, en la practica la induccion magnetica B no es constante y depende de la geometna de los imanes permanentes usados para generar el campo. Ademas, el campo generado por los imanes depende de la temperatura y se influencia tambien por la corriente que fluye en la bobina del motor. Todos estos efectos deben modelarse con cuidado para generar una corriente que realmente minimice el rizado.

Un sistema de control ffpico se representa en la Fig. 16. Este incluye la conmutacion de la electronica de potencia 500 la cual suministra una serial de accionamiento de ancho de pulso modulado a las bobinas en el motor para producir el par de torsion y la velocidad deseada. La operacion de conmutacion de la electronica de potencia 500 se controla basado en modelos del motor que incluyen un modelo 502 de la induccion magnetica del motor (es decir, el campo magnetico visto por la bobina como una funcion de la posicion de la bobina, la corriente en la bobina, y la temperatura de la bobina) y un modelo 504 el cual permite determinar el voltaje de una serial de ancho de pulso modulado que es necesaria para producir la corriente de accionamiento deseada en las bobinas. La entrada para los modelos proviene de un codificador giratorio 506 el cual indica la posicion angular de la leva o rueda, un modulo de conversion 508 que convierfe la posicion angular en una posicion de la bobina o el seguidor de leva, y varios sensores en el motor que suministran informacion acerca de las condiciones de operacion del motor. Se debe notar que el modelo cambia en dependencia de las condiciones de operacion y algunas veces el modelo necesita tener esto en cuenta. Los varios sensores incluyen un sensor de temperatura del motor 510, un sensor de corriente 512, un sensor de voltaje de la batena 514, y un sensor de voltaje de la bobina 516.

A partir de un codificador giratorio de rueda 506, se calculan la posicion angular y radial de la bobina y el seguidor de leva. Desde la posicion del seguidor de leva, la fuerza deseada para generarse por la bobina se calcula a partir de una funcion Fc(9). La corriente deseada requerida para producir esta fuerza es igual a la corriente en la bobina por la induccion magnetica. Ya que la induccion magnetica B no es exactamente uniforme, esta tiene que estimarse a partir del modelo 502 mediante el uso de la temperatura del motor, la corriente de la bobina, y la posicion relativa de la bobina con respecto a los imanes permanentes.

La corriente deseada se convierfe a un ancho de modulacion de pulso. Esto se hace en dos etapas. Primero a partir del modelo de la dinamica de la bobina, se calcula el voltaje requerido a traves de la bobina para obtener la corriente deseada en la bobina. Despues, se requiere un modelo de la electronica de potencia para calcular la conmutacion del ciclo de trabajo basado en el voltaje deseado, el voltaje de alimentacion, la corriente actual en la bobina y el voltaje a traves de la bobina.

Hasta ahora el control se basa todo en modelos de alimentacion directa. Sin embargo, los modelos tienen cierfos niveles de inexactitud, por lo que se usa la realimentacion para corregirlos entre la corriente deseada y la corriente medida.

Un enfoque alternativo para generar el perfil de fuerza deseado es medir la fuerza que se genera y controlar directamente esa fuerza mediante el uso de un control de realimentacion en la corriente, como se resume en las Figs. 17 y 18.

La Fig. 17 ilustra como la fuerza de Lorentz generada por la bobina puede medirse directamente. Una celda de carga 700 se inserta entre la bobina 702 y el seguidor de leva 704. El seguidor de leva en sf puede someterse a grandes fuerzas fuera del eje a partir de la reaccion con la leva. Sin embargo, los transductores de fuerza pueden disenarse para ser mayormente insensibles a tales fuerzas laterales. Por lo tanto, una medicion exacta de la fuerza axial puede 10 obtenerse a partir de la celda de carga y despues usarse en varios algoritmos de control para ajustar la corriente de manera que se genera el perfil de fuerza requerido.

La Fig. 18 ilustra una de las muchas estrategias de control alternativas que pueden usarse para obtener el perfil de fuerza requerido. Los algoritmos descritos anteriormente para estimar la corriente necesaria para obtener la fuerza 15 deseada podnan usarse en una manera de alimentacion directa. Despues, el error entre la fuerza deseada y la fuerza de la bobina medida se alimentana a algun otro sistema de control de realimentacion que use la medicion para hacer las correcciones de corriente con el proposito de obtener el perfil de fuerza deseado. La ventaja del enfoque de control de realimentacion es que este tendera a ser mas estable que un enfoque puramente de alimentacion directa.

20 Otras modalidades se encuentran dentro de las reivindicaciones siguientes.

Claims (14)

1. 5

   10

   15

   20

   25

   30

   35

   40

   45

   50

   55

   60

   REIVINDICACIONES

   1. Un motor electrico (100) que comprende:

   un primer actuador lineal (110a) que incluye una primera bobina (115a); un segundo actuador lineal (110b) que incluye una segunda bobina (115b); un vastago de rotacion (145);

   una unidad de leva (135/105) montada sobre dicho vastago de rotacion para traducir el movimiento lineal de los primero y segundo actuadores lineales en movimiento rotacional del vastago de rotacion, la unidad de leva (135/105) que comprende dos o un numero par mayor de levas desplazadas de forma giratoria;

   un controlador programado para generar durante la operacion una primera senal de accionamiento para la primera bobina y una segunda senal de accionamiento para la segunda bobina, en donde la primera senal de accionamiento provoca que el primer actuador lineal, a traves de la interaccion con la unidad de leva, genere un primer par de torsion en el vastago de rotacion que varia periodicamente tras una rotacion completa del vastago y la segunda senal de accionamiento provoca que el segundo actuador lineal, a traves de la interaccion con la unidad de leva, genere un segundo par de torsion en el vastago de rotacion que vana periodicamente tras la rotacion completa del vastago, y

   en donde una senal de accionamiento adecuada se aplica a las bobinas para generar los primero y segundo pares de torsion, la suma de cuyos pares de torsion produce un par de torsion total que esta sustancialmente libre de rizado durante la rotacion completa del vastago.
2. 2. El motor electrico de la reivindicacion 1, que comprende ademas:

   una primera unidad de seguidor de leva (135a,b) que acopla el primer actuador lineal (110a) a la unidad de leva (135/105); y

   una segunda unidad de seguidor de leva (135c,d) que acopla el segundo actuador lineal (110b) a la unidad de leva (135/105), en donde la primera unidad de seguidor de leva se dispone para ir a lo largo de una primera superficie de leva (105) dentro de la unidad de leva, dicha primera superficie de leva que tiene un primer perfil de mas de 360 grados de rotacion,

   en donde la segunda unidad de seguidor de leva se dispone para ir a lo largo de una segunda superficie de leva (105) dentro de la unidad de leva, dicha segunda superficie de leva que tiene un segundo perfil de mas de 360 grados de rotacion, y

   en donde los primero y segundo perfiles, asf como tambien las primera y segunda senales de accionamiento, se seleccionan para generar los primero y segundo pares de torsion la suma de los cuales produce un par de torsion total que esta sustancialmente libre de rizado durante la rotacion completa del vastago.
3. 3. El motor electrico de la reivindicacion 2, en donde el primer perfil se describe por n ciclos de una funcion trigonometrica, en donde n es un entero par.
4. 4. El motor electrico de la reivindicacion 3, en donde el segundo perfil se describe por n ciclos de dicha funcion trigonometrica.
5. 5. El motor electrico de la reivindicacion 4, en donde n es igual a 4.
6. 6. El motor electrico de la reivindicacion 5, en donde dicha funcion trigonometrica es una funcion seno.
7. 7. El motor electrico de la reivindicacion 6, en donde el primer perfil se desplaza en fase con relacion al segundo

   JL. radianes perfil por 2ft .
8. 8. El motor electrico de la reivindicacion 2, en donde el primer perfil sigue una curva que es continua por mas de 360 grados y que tiene una primera derivada que es continua por mas de 360 grados.

   5

   10

   15

   20

   25

   30

   35

   40

   45
9. 9.
10. 10. 11.
11. 12.
12. 13.
13. 14.
14. 15.

    El motor electrico de la reivindicacion 2

    360

    grados y cada uno de los primero n es un numero entero par.

    El motor electrico de la reivindicacion 9 en donde n es igual a 4.

    El motor electrico de la reivindicacion 6, en donde los primero y segundo perfiles se alinean en fase y en donde los primero y segundo actuadores lineales se desplazan en orientacion con relacion uno al otro por

    JL. radianes 2n .

    El motor electrico de la reivindicacion 1 separadas.

    El motor electrico de la reivindicacion 1 superficie.

    Un metodo para operar un motor electrico que incluye un primer actuador lineal (110a) que incluye una primera bobina (115a), un segundo actuador lineal (110a) que incluye una segunda bobina (115b), un vastago de rotacion (145), una unidad de leva (135/105), que comprende dos o un numero par mayor de levas desplazadas de forma giratoria, montadas sobre dicho vastago de rotacion para traducir el movimiento lineal de los primero y segundo actuadores lineales en el movimiento rotacional del vastago de rotacion, dicho metodo que comprende:

    accionar la primera bobina (115a) con una primera senal que produce una primera fuerza dirigida radialmente;

    accionar simultaneamente la segunda bobina (115b) con una segunda senal que produce una segunda fuerza dirigida radialmente, en donde la primera fuerza dirigida radialmente se representa por una funcion seno y la

    , n

    ± — radianes

    segunda fuerza dirigida radialmente se representa por la funcion seno con fase desplazada por 2 ,

    de manera que un par de torsion total se vuelve sustancialmente libre de rizado durante la rotacion completa del vastago.

    El motor electrico de la reivindicacion 2, en donde: una primera derivada del primer perfil se representa por V(nc9) una primera derivada del segundo perfil se representa por V(nc-9+ A) una fuerza generada por el primer actuador se representa por Fc(nc9) una fuerza generada por el segundo actuador se representa por Fc(nc9+ A)

    en donde 0 es un angulo de rotacion del vastago, nc es un entero par que representa un numero de ciclos de los primero y segundo perfiles despues de una rotacion completa del vastago, A es un cambio de fase entre los primero y segundo perfiles, y

    en donde Fc(nc9)V(nc-9) + Fc(nc9 + A)V(nc-9 + A) es una funcion constante de 0.

    , en donde las primera y segunda superficies de leva son superficies , en donde las primera y segunda superficies de leva son la misma

    , en donde cada uno de los primero y segundo perfiles tiene un periodo de

    180

    y segundo pares de torsion tiene un periodo de n grados y en donde