ES2937413T3 - Rotores predeformados para controlar de un espacio entre un imán y un estator en máquinas de flujo axial - Google Patents
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Abstract
Un conjunto para usar en un motor o generador de flujo axial incluye una placa de rotor y un imán, teniendo el imán una superficie que es ortogonal a una dirección de magnetización del imán. La placa del rotor está adaptada para enganchar un eje del rotor que gira alrededor de un eje de rotación, y el imán está unido a la placa del rotor. La placa del rotor y el imán están configurados y dispuestos de tal manera que, si la placa del rotor y el imán están separados de todos los demás componentes generadores de campo magnético, entonces la distancia entre un primer plano que intercepta un primer punto en la superficie y al cual el eje de la rotación es normal y un segundo plano que intercepta un segundo punto en la superficie y al cabrestante el eje de rotación es normal es sustancialmente mayor que cero. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Rotores predeformados para controlar de un espacio entre un imán y un estator en máquinas de flujo axial
Solicitudes relacionadas
Esta solicitud reivindica la prioridad para cada una de (A) solicitud de U.S. n.° de serie 15/983.985, titulada ROTORES PREFORMADOS PARA CONTROL UN ESPACIO ENTRE UN IMÁN Y UN ESTATOR EN MÁQUINAS DE FLUJO AXIAL, presentada el 18 de mayo de 2018, (B) Solicitud de Patente Provisional de U.S. n.° 62/515.251, titulada ROTORES PREFORMADOS PARA CONTROL UN ESPACIO ENTRE UN IMÁN Y UN ESTATOR EN MÁQUINAS DE FLUJO AXIAL, presentada el 5 de junio de 2017, y C) Solicitud de Patente Provisional de U.S. n.° 62/515.256, titulada CIRCULACIÓN DE AIRE EN MÁQUINAS DE FLUJO AXIAL, presentada el 5 de junio de 2017.
Antecedentes
Los motores y generadores de flujo axial comúnmente emplean un estator que se coloca en un espacio formado entre un par de imanes opuestos que generan flujo magnético y un rotor que soporta los imanes y les permite girar al unísono en relación con el estator. Un ejemplo de dicho motor o generador de flujo axial 100 se muestra en las figuras 1 y 2. Como se muestra, el motor o generador 100 incluye un par de imanes anulares 102a, 102b colocados a cada lado de un estator 104. Los imanes 102a, 102b están soportados por respectivas placas de rotor 106a, 106b que están unidas de forma fija a un árbol 108. Los imanes 102a, 102b, el estator 104 y las placas del rotor 106a, 106b están contenidos dentro de una carcasa 110. La periferia del estator 104 está fijada entre dos partes 110a, 110b de la carcasa 110, por lo que el estator 104 permanece estacionario con respecto a la carcasa 110.
Juntos, los imanes 102a, 102b, las placas del rotor 106a, 106b y el árbol 108 forman un "conjunto de rotor" que puede girar con respecto al estator 104 y la carcasa 110. Como se muestra en la figura 2, un ligero espacio libre 112a entre la parte superior de la placa del rotor 106a y una superficie interior de la mitad superior de la carcasa 110a y un ligero espacio libre 112b entre la parte inferior de la placa del rotor 106 y una superficie interior de la mitad inferior de la carcasa 110b permite que el rotor ensamblado para girar con respecto a la carcasa 110. De manera similar, un ligero espacio libre 114a entre la parte inferior del imán 102a y la parte superior del estator 104 (así como entre la porción inferior expuesta de la placa del rotor 106a y la parte superior del estator 104) y un ligero espacio libre 114b entre la parte superior del imán 102b y la parte inferior del estator 104 (así como entre la porción superior expuesta de la placa del rotor 106b y la parte inferior del estator 104) permite que el conjunto del rotor gire en relación con el estator 104. Los cojinetes de soporte 116a, 116b entre el árbol 108 y la carcasa 110 permiten que el conjunto del rotor gire libremente con respecto al estator 104 y la carcasa 110 de forma controlada.
El documento US2005/194855 A1 se refiere a una máquina eléctrica rotativa de espacio axial provista de imanes permanentes y núcleos en un rotor. Los imanes permanentes están orientados de manera que las superficies de magnetización miren en la dirección circunferencial del rotor. Los núcleos están dispuestos alternativamente con los imanes permanentes en la dirección circunferencial del rotor. La cantidad de flujo magnético en el exterior en la dirección radial del rotor se hace mayor que la cantidad de flujo magnético en el interior en la dirección radial del rotor. Como resultado, la densidad de flujo magnético en los núcleos del rotor puede hacerse sustancialmente constante en la dirección radial del rotor y se mejora el par de salida con respecto al tamaño de los imanes permanentes evitando la saturación magnética de los núcleos.
El documento JP4639632B2 se refiere a un motor de espacio axial que comprende un estator donde un núcleo y una bobina constituyen un electroimán, un rotor enfrentado al estator en la dirección axial de un árbol de rotor a través de un espacio de aire mientras que tiene un imán permanente y es deslizable en la dirección axial, y un miembro de resorte para impulsar el rotor en la dirección para agrandar el espacio de aire en la dirección axial.
El documento JP2008301666A se refiere a un motor axial diseñado con un rotor y un estator dispuestos uno frente al otro en la dirección axial de un árbol de rotación. Un espacio de aire estructurado entre el rotor y el estator está inclinado contra un plano perpendicular al árbol de rotación. Además, las porciones de dientes del estator y un núcleo magnético de un cuerpo principal de estator provisto de porciones de dientes están configurados con un material de moldeo de polvo magnético blando.
El documento CN103248182A se refiere a un motor giratorio del tipo de espacio axial y una rueda de vehículo. El motor rotativo de tipo espacio axial comprende estatores utilizados para generar un campo magnético para la rotación, y un primer rotor y un segundo rotor que están dispuestos de forma opuesta a lo largo de una dirección específica y en relación con el estator, y giran tomando la dirección especificada anteriormente como un árbol de rotación con la ayuda del efecto magnético en relación con el campo magnético anterior para la rotación. El primer rotor y el segundo rotor anteriores comprenden respectivamente una pluralidad de elementos en forma de abanico con núcleo de hierro del rotor dispuestos en un estado de separación magnética y en forma de anillo circular a lo largo de la dirección circunferencial del árbol de rotación anterior, cada elemento en forma de abanico con núcleo de hierro del rotor respectivo del primer y segundo rotores anteriores comprenden primeras superficies dispuestas de manera opuesta a lo largo de la dirección del árbol de rotación anterior y en relación con un espacio entre los estatores, y las primeras
superficies dispuestas de manera opuesta de cada elemento en forma de abanico con núcleo de hierro del rotor respectivo del primero y segundo rotores anteriores, y el espacio anterior que se extiende a lo largo de las primeras superficies dispuestas de forma opuesta, están inclinados en un ángulo especificado, con respecto a un plano ortogonal con la dirección del árbol de rotación anterior.
Sumario
En algunas realizaciones, se proporciona un motor o generador de flujo axial según la reivindicación 1.
En algunas realizaciones, el imán es uno de una pluralidad de imanes individuales que están dispuestos sobre la placa del rotor en posiciones angulares respectivas alrededor del eje de rotación.
En algunas realizaciones, la placa del rotor está hecha de un primer material; y la pluralidad de imanes individuales se separan y ubican usando un segundo material que es diferente al primer material.
En algunas realizaciones, se proporciona un método para formar un motor o generador de flujo axial según la reivindicación 12.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 muestra una vista en perspectiva en sección de un motor o generador de flujo axial;
La figura 2 muestra una vista lateral en sección del motor o generador de flujo axial mostrado en la figura 1; La figura 3 muestra una vista lateral en sección de una porción de un motor o generador de flujo axial como el que se muestra en las figuras 1 y 2, con un espacio y una desviación del rotor exagerados;
La figura 4 muestra una vista lateral en sección de un motor o generador de flujo axial que emplea un ejemplo de un elemento de rotor deformado previamente como se divulga en el presente documento;
La figura 5A muestra una vista en perspectiva de un sistema que incluye un controlador además de los componentes del motor o generador que se muestra en la figura 4;
La figura 5B muestra una vista ampliada del sistema que se muestra en la figura 5A;
La figura 6 muestra una vista lateral en sección de un ejemplo de una placa de rotor que tiene una región cónica para permitir la formación de un elemento de rotor deformado previamente como se divulga en el presente documento;
La figura 7 muestra una vista lateral en sección de un ejemplo de un elemento de rotor deformado previamente como se divulga en el presente documento;
La figura 8 muestra una vista desde arriba de un ejemplo de una placa de rotor como la que se muestra en la figura 6;
La figura 9 muestra una vista desde arriba de un imán anular que puede emplearse en algunas realizaciones;
La figura 10 muestra una vista lateral en sección de un par de elementos de rotor deformados previamente, que ilustra cómo los elementos de rotor pueden doblarse en una configuración deseada cuando se incorporan a un conjunto de rotor;
La figura 11 muestra una vista lateral en sección de un ejemplo de un conjunto de motor o generador que incorpora elementos de rotor deformados previamente como los que se muestran en la figura 7, que incluye un espacio exagerado entre los respectivos imanes;
La figura 12 muestra una vista lateral en sección de otro ejemplo de un conjunto de motor o generador que incorpora elementos de rotor deformados previamente como se divulga en el presente documento;
La figura 13 es una fotografía que muestra la parte superior de un elemento de rotor deformado previamente configurado como se describe en el presente documento; y
La figura 14 es una fotografía de un lado del elemento de rotor deformado previamente que se muestra en la figura 13.
Descripción detallada
Motores y generadores de flujo axial descritos por varias patentes, incluyendo la Patente de U.S. n.° 7.109.625 ("la patente '625"), presenta un conjunto de estator de placa de circuito impreso generalmente plano interpuesto entre imanes magnetizados con polos norte-sur alternos. Estos imanes se fijan a un árbol a través de "hierros traseros" para la conexión a la carga mecánica (o fuente de un generador). Dichos hierros traseros proporcionan un camino de retorno de flujo y pueden corresponder, por ejemplo, a las placas de rotor 106a, 106b que se muestran en las figuras 1 y 2. La densidad de flujo magnético en el espacio depende en gran medida del espacio entre los dos imanes. Un espacio más pequeño permite el uso de imanes más pequeños y livianos para la misma densidad de flujo. Se han utilizado tamaños de espacio tan pequeños como 0,02 pulgadas (0,508 cm) desde el estator hasta el imán en cada lado. El inventor ha reconocido y apreciado que cuando los imanes se colocan en esta configuración, los elementos circulares del rotor se doblan debido a la fuerza de atracción magnética entre ellos. Esta flexión reduce el tamaño del espacio en el radio exterior del imán, un área que ya es propensa al roce debido a las variaciones dimensionales en otros lugares. Esto puede provocar un contacto entre el imán y el estator durante el funcionamiento del motor.
Se divulgan aparatos y técnicas para mantener un espacio constante entre el rotor y el estator en un motor o generador de flujo axial sin aumentar la masa total o el espesor del motor o generador. En algunas implementaciones, se puede usar una cara mecanizada en las placas del rotor (por ejemplo, hierros traseros) para lograr un estado deformado previamente de modo que, cuando se ensamblan, la fuerza de los imanes dobla las placas del rotor en la posición que da como resultado el espacio deseado. En algunas realizaciones, se puede mecanizar una conicidad circular en forma de cono sobre la superficie de una placa de rotor previamente plana, creando así una superficie alabeada que, cuando se ensambla en el motor o generador y sobre la que actúa la fuerza magnética, se dobla en un sustancialmente paralelo u otro estado deseado. Alternativamente, las placas de rotor cónicas se pueden formar moldeando las placas de rotor en la configuración cónica deseada.
Como se señaló, el espacio entre los imanes en un motor o generador de flujo axial puede ser un parámetro de diseño importante en la máquina. La cantidad de par que se puede producir, para una densidad de corriente dada en el estator, es proporcional al campo magnético en el espacio. El tamaño de este espacio puede tener una gran influencia en la fuerza del campo magnético, por lo que generalmente es deseable reducir el tamaño del espacio tanto como sea posible. Esto presenta el problema de que a medida que se reduce el tamaño del espacio, el mismo aumento del campo magnético ejerce una fuerza mayor sobre las placas del rotor provocando la flexión de las placas. La figura 3 muestra una vista lateral recortada de una porción de un motor o generador de flujo axial simplificado como el que se muestra en las figuras 1 y 2, pero en el que se exageran el tamaño del espacio y la cantidad de deflexión para ilustrar la naturaleza del problema. En las máquinas que buscan reducir el espacio entre el rotor y el estator tanto como sea posible, la flexión de este tipo puede dar como resultado una fuerza de campo magnético inconsistente e incluso el roce de los imanes en el estator. Este roce puede dañar el estator, producir un ruido de raspado audible y reducir la eficiencia.
Las soluciones anteriores han consistido en aumentar el tamaño del espacio o aumentar la resistencia a la flexión de las placas del rotor. Cada una de estas soluciones tiene consecuencias indeseables. La primera solución convencional, es decir, aumentar el tamaño del espacio, por las razones expuestas anteriormente, da como resultado una reducción de la intensidad del campo magnético para un tamaño de imán dado. La segunda solución convencional, es decir, aumentar la resistencia a la flexión del rotor, necesita un aumento en el grosor del rotor que aumenta la masa total de la máquina y reduce el factor de forma delgada deseable. También puede requerir el uso de procesos de fabricación más complejos, lo que aumenta el coste total. En el motor o generador 100 mostrado en la figura 2, por ejemplo, cada una de las placas de rotor 106a, 106b está provista de un reborde 115 y una región 118 de mayor espesor cerca del centro de las placas de rotor 106a, 106b. Estos métodos aún dan como resultado un espacio con un ancho decreciente en función del radio, abordando los síntomas en lugar del problema de un espacio no uniforme.
Como se muestra en las figuras 1 y 2, en algunas máquinas de flujo axial, se utilizan cojinetes 116a, 116b para soportar las placas de rotor 106a, 106b y los imanes 102a, 102b unidos. Estos cojinetes 116a, 116b están soportados por las respectivas partes de carcasa 110a, 110b que se unen, sujetando el estator 104 alrededor de su periferia. La alineación rotor-estator está determinada por la alineación del árbol 108 con los cojinetes 116a, 116b. Los cojinetes 116a, 116b tienen cierta desviación radial, que aumenta a medida que se desgastan los cojinetes. Además, a menudo habrá algún grado de desalineación entre los dos cojinetes 116a, 116b debido a la tolerancia en la carcasa 110. Cuando se ensambla en un motor o generador delgado, como suelen ser estos diseños, los efectos del descentramiento y la desalineación se magnifican en el radio exterior del espacio entre el estator y el imán y pueden provocar el roce mencionado anteriormente. Esta divulgación proporciona un método para abordar directamente este problema sin una reducción del campo magnético o aumento de masa, al menos en algunas realizaciones.
La figura 4 es una vista lateral en corte de una realización de ejemplo de un motor o generador 400 que incorpora elementos de rotor deformados previamente de acuerdo con la presente divulgación. Como puede verse, el motor o generador 400 tiene varios componentes en común con el motor o generador 100 mostrado en las figuras 1 y 2, pero también tiene varias diferencias destacadas. Una diferencia entre los dos diseños se relaciona con la configuración del buje 422 en el motor o generador 400. Como se muestra, el buje 422 se puede usar para unir las placas del rotor 406a, 406b y el árbol 408, con los pasadores 424a, 424b que se usan para indexar las placas del rotor 406a, 406b al buje 422, así como entre sí, y usándose el pasador 426 para indexar el buje 422 al árbol 408. Además, la deformación previa de los elementos del rotor antes del ensamblado (como se analiza con más detalle a continuación) permite que
las placas del rotor 406a, 406b en el motor o generador 400 sean menos voluminosas y/o menos complejas que las placas del rotor 106a, 106b en el motor o generador 100, permitiendo así que el motor o generador 400 logre un factor de forma más delgada y/o sea menos difícil y/o costoso de fabricar. En el ejemplo de realización mostrado en la figura 4, por ejemplo, las placas de rotor 406a, 406b no incluyen el reborde 115 o la región 118 de mayor espesor cerca del centro de las placas de rotor 106a, 106b que se muestran en la figura 2.
Los conjuntos que incluyen elementos de rotor deformados previamente como se describe en el presente documento se pueden emplear en cualquier motor o generador conocido o desarrollado en el futuro, incluidos los motores/generadores de flujo axial descritos en la patente '625, así como los motores y generadores descritos en la Patente de U.S. n.° 9.673.684 y Patente de U.S. n.° 9.800.109.
La figura 5A muestra un ejemplo de un sistema 500 que incluye un controlador 532 además de un conjunto de motor o generador 420 como el que se muestra en la figura 4. Una vista expandida que muestra los componentes del conjunto de motor o generador 420 y la forma en la cual se pueden ensamblar se muestra en la figura 5B. Como se muestra, el estator 104 está dispuesto en un espacio entre dos elementos de rotor deformados previamente 534a, 534b, cada uno de los cuales incluye un imán 102a, 102b unido a una placa de rotor respectiva 406a, 406b. El patrón de polos magnéticos en los imanes 102a, 102b también es evidente en la vista ampliada de la figura 5B. Se pueden usar tornillos u otros sujetadores 528 para asegurar los elementos del rotor 534a, 534b al buje 422 y se pueden usar pasadores 424a, 424b y 426 para indexar los elementos del rotor y el árbol como se discutió anteriormente.
En la realización ilustrada, las conexiones eléctricas 530 se toman en el radio exterior del estator 104, y el estator se monta en un bastidor o carcasa en la periferia exterior. Otra configuración útil, la configuración de “corredor exterior”, implica montar el estator 104 en el radio interior, hacer conexiones eléctricas 530 en el radio interior y reemplazar el árbol 408 con un anillo anular (no mostrado) que separa las mitades del rotor. También es posible configurar el sistema con un solo imán, ya sea 102a o 102b, o interponer varios estatores entre conjuntos de imanes sucesivos. Los cables 530 también pueden transmitir información sobre la posición del rotor basándose en las lecturas de los sensores de efecto Hall o similares (ahora mostrados) montados en el estator. Adicionalmente o alternativamente, se puede conectar un codificador (no mostrado) al árbol 408 y proporcionar información de posición al controlador 532.
El sistema 500 en las figuras 5A y 5B pueden funcionar como motor o como generador, según el funcionamiento del controlador 532 y los componentes conectados al árbol 408. Como sistema de motor, el controlador 532 puede operar interruptores para que las corrientes en el estator 104 creen un par alrededor del árbol 408 debido al flujo magnético en el espacio que se origina en los imanes 102a, 102b conectados al árbol 408. Dependiendo del diseño del controlador 532, el flujo magnético en el espacio y/o la posición del rotor pueden medirse o estimarse para operar los interruptores para lograr una salida de par en el árbol 408. Como sistema generador, una fuente de energía rotacional mecánica conectada al árbol 408 crea formas de onda de tensión en los terminales del estator. Estas tensiones pueden aplicarse directamente a una carga o pueden rectificarse con un rectificador trifásico (o polifásico) dentro del controlador 532. La implementación del rectificador puede, por ejemplo, "autoconmutarse" usando diodos en modo generador, o puede construirse usando los interruptores controlados del controlador del motor, pero operado de manera que el par del árbol se oponga al par proporcionado por la fuente mecánica, y la energía mecánica se convierte en energía eléctrica. Así, una configuración idéntica en la figura 5A puede funcionar como generador y como motor, dependiendo de cómo se opere el controlador 532. Además, en algunas realizaciones, el controlador 532 puede incluir componentes de filtro que mitigan los efectos de conmutación, reducen la EMI/RFI de los cables 530, reducen las pérdidas y brindan flexibilidad adicional en la energía suministrada o entregada desde el controlador 532.
Las figuras 6 y 7 ilustran un método de ejemplo para formar un elemento de rotor 534b deformado previamente que incluye una placa de rotor 406b y un imán 102b. Puede emplearse una técnica similar para formar el elemento de rotor deformado previamente 534a ubicado en el otro lado del espacio en el que está dispuesto el estator (por ejemplo, véanse las figuras 10-12). Los ejemplos de técnicas para alinear los imanes 102a, 102b con las placas del rotor 406a, 406b durante el ensamblado se describen, por ejemplo, en la Patente de U.S. n.° 9.673.688.
Como se ve en la figura 6, la placa del rotor 406b se puede formar para incluir una región superficial 604 que es cónica con respecto a un plano al que es normal un eje de rotación 602 del árbol de rotor, así como una región central 606 que tiene una superficie generalmente plana que es paralela a tal plano. Una vista de la placa del rotor 406b, incluyendo la región de superficie cónica 604 y la región central 606, se muestra en la figura 8. La placa del rotor 406b puede incluir adicionalmente orificios 802 para recibir los pasadores 424a, 424b, orificios 804 para recibir los tornillos 528 y un orificio 806 para recibir el árbol 408, todo dentro de la región central 606. La región de superficie cónica 604 puede adoptar cualquiera de numerosas formas y la invención no se limita a ninguna configuración o tipo particular de conicidad. En la realización ilustrativa mostrada, la porción superior de la placa de rotor 406 tiene la forma de un tronco cónico recto, con una parte superior de la región central 606 formando la base superior del tronco. Sin embargo, son posibles y contempladas otras configuraciones.
Como se ilustra en la figura 7, se puede unir un imán 102b a la superficie superior de la placa del rotor 406b para que entre en contacto con al menos una porción de la región de superficie cónica 604. En la realización ilustrada, el imán 102b tiene una forma anular que cubre sustancialmente toda la región cónica (por ejemplo, cónica) 604. En la figura 1 se muestra una vista superior del imán anular 102b. 9. Como se muestra, el orificio circular 902 en el imán 102b tiene
un radio R1 medido desde un punto central 904 y el perímetro exterior circular 906 del imán 102b tiene un radio R2. Fijando el imán anular 102b a la región cónica 604 como se muestra en la figura 7 hará que el imán 102b se deforme y, al menos parcialmente, se adapte a la forma de la región de superficie cónica 604. Esta deformación del imán tensionará y deformará el cuerpo de la placa de rotor 406b.
Como se muestra en la figura 7, se puede medir un grado de conicidad de la región de la superficie 604 identificando dos puntos 702, 704 en la superficie de la placa del rotor 406b que contactan con la superficie inferior del imán 720 y determinando una distancia D1 entre dos planos 706, 708 a las que el eje de rotación 602 es normal y que interceptan el primer punto 702 y el segundo punto 704, respectivamente. En el ejemplo que se muestra, la superficie inferior del imán que contacta con la región de superficie cónica 604 es ortogonal a la dirección de magnetización del imán 102b. En algunas realizaciones, se pueden encontrar dos puntos de contacto de imán 702, 704 (en el radio interior R1 y el radio exterior R2 del imán, o en otro lugar) para los cuales la distancia D1 es sustancialmente mayor que cero. El término "sustancialmente" en este contexto pretende excluir ligeras variaciones debidas al procesamiento y/o imperfecciones del material dentro de las tolerancias permitidas. En algunas implementaciones, la distancia D1 puede, por ejemplo, ser superior a 0,003 pulgadas (0,00762 cm), superior a 0,01 pulgadas (0,0254 cm) o incluso superior a 0,02 pulgadas (0,0508 cm). Adicional o alternativamente, en algunas realizaciones, se pueden encontrar dos puntos de contacto de imán 702, 704 de manera que una relación de la distancia D1 a la distancia entre los dos puntos, y/o a la diferencia entre el radio interior R1 y el radio exterior R2 del imán, es sustancialmente mayor que cero. En algunas implementaciones, dicha relación puede, por ejemplo, ser superior a 0,002, o superior a 0,005, o incluso superior a 0,01.
Como también se ilustra en la figura 7, en algunas realizaciones, al menos un punto 710 se puede encontrar en una superficie de la placa del rotor 106b que hace contacto con el imán 102b para el cual un rayo 712 que se extiende desde y es normal a la superficie forma un ángulo a1 con un plano a el cual el eje de rotación 602 es normal que es sustancialmente menor de 90 grados. En algunas implementaciones, el ángulo a1 puede, por ejemplo, ser inferior a 89,9 grados, inferior a 89,7 grados o incluso inferior a 89,5 grados. El punto 710 puede estar ubicado en el radio interior R1 del imán 102b, en el radio exterior R2 del imán 102b, o en algún punto entre esos dos radios.
Adicional o alternativamente, y como también se muestra en la figura 7, se puede medir un grado de conicidad del imán 102b, cuando está unido a la placa del rotor 406b, identificando dos puntos 714, 716 en una superficie del imán 102b que es ortogonal a una dirección de magnetización del imán 102b, por ejemplo , la superficie superior 718 del imán 102b mostrado en la figura 7, y determinando una distancia D2 entre dos planos 726, 728 a los que es normal el eje de rotación 602 y que interceptan el primer punto 714 y el segundo punto 716, respectivamente. En el ejemplo que se muestra, la superficie inferior del imán 720 que contacta con la región de superficie cónica 604 también es ortogonal a la dirección de magnetización del imán 102b. En algunas realizaciones, se pueden encontrar dos puntos 714, 716 de la superficie del imán (en el radio interior R1 y el radio exterior R2 del imán, o en otro lugar) para los cuales la distancia D2 es sustancialmente mayor que cero. En algunas implementaciones, la distancia D2 puede, por ejemplo, ser superior a 0,002 pulgadas (0,00508 cm), superior a 0,005 pulgadas (0,0127 cm) o incluso superior a 0,01 pulgadas (0,0254 cm). Adicional o alternativamente, en algunas realizaciones, se pueden encontrar dos puntos 714, 716 de la superficie del imán de tal manera que una relación de la distancia D2 a la distancia entre los dos puntos, y/o a la diferencia entre el radio interior R1 y el radio exterior R2 del imán, es sustancialmente mayor que cero. En algunas implementaciones, dicha relación puede, por ejemplo, ser superior a 0,002, o superior a 0,005, o incluso superior a 0,01.
Como también se ilustra en la figura 7, en algunas realizaciones, al menos un punto 722 se puede encontrar en una superficie del imán 102b que es ortogonal a una dirección de magnetización del imán 102b, por ejemplo, la superficie superior 718, para la cual un rayo 724 que se extiende desde y es normal a la superficie del imán forma un ángulo a2 con un plano al que es normal el eje de rotación 602 que es sustancialmente inferior a 90 grados. En algunas implementaciones, el ángulo a2 puede, por ejemplo, ser inferior a 89,9 grados, inferior a 89,7 grados o incluso inferior a 89,5 grados. El punto 722 puede estar ubicado en el radio interior R1 del imán 102b, en el radio exterior R2 del imán 102b, o en algún punto entre esos dos radios.
Como se ilustra en la figura 10, cuando los dos elementos de rotor 534a, 534b están unidos a un árbol 408 y un buje 422 (no mostrados en la figura 10), el flujo magnético de los imanes 102a, 102b genera una fuerza de atracción en un espacio 1002 entre los imanes que hace que los elementos del rotor 534a, 534b se deformen de manera que los extremos de los elementos del rotor 534a, 534b se muevan uno hacia el otro. Las líneas discontinuas en la figura 10 ilustran cómo se pueden formar los elementos de rotor 534a, 534b después de ensamblarlos en un motor o generador como el que se muestra en las figuras 4, 5A y 5B. En algunas realizaciones, los elementos del rotor 534a, 534b están deformados previamente antes del ensamblaje de modo que las superficies de los dos imanes 102a, 102b que se enfrentan entre sí sean sustancialmente paralelas en el motor o generador ensamblado 400, lo que hace que el ancho del espacio 1002 sustancialmente uniforme en todas partes. En otras implementaciones, los elementos de rotor 534a, 534b pueden estar ligeramente "sobredeformados" de modo que, una vez ensamblados, se obtenga una conicidad que aumenta en función del radio. Si bien esto puede tener el efecto indeseable de reducir el espacio en radios más grandes, permite el uso de un ancho medio de espacio G más pequeño, aumentando así la intensidad del campo magnético promedio y manteniendo la holgura en el radio exterior de los imanes 102a, 102b.
Como se ilustra en la figura 10, la cantidad de deformación que experimenta el elemento de rotor 534b al ensamblarse puede medirse identificando un punto 1004 ubicado en el radio exterior R2 del imán 102b, y determinando una distancia D3 en la que el punto se mueve en una dirección que coincide con el eje de rotación 602 luego del ensamblado. La distancia D3 se puede medir, por ejemplo, identificando un plano que intercepta el punto 1004 y al cual el eje de rotación 602 es normal y determinando una distancia que dicho plano se mueve en relación con otro plano que intercepta un punto en o cerca del centro del elemento rotor 534b y al que también es normal el eje de rotación 602. En algunas realizaciones, la distancia D3 es superior a 0,001 pulgadas (0,00254 cm), o superior a 0,005 pulgadas (0,0127 cm), o incluso superior a 0,01 pulgadas (0,0254 cm). Adicional o alternativamente, en algunas realizaciones, la relación de la distancia D3 al ancho medio G del espacio 1002 es mayor que 0,01, o mayor que 0,05, o incluso mayor que 0,1. Adicional o alternativamente, la relación de la distancia D3 a una distancia de espacio libre promedio entre el imán 102b y una superficie del estator 104 (no mostrado en la figura 10) puede ser mayor que 0,25, 0,5 o incluso mayor que 1. En consecuencia, en algunas realizaciones, el elemento de rotor 534b puede desviarse tanto o más que la distancia promedio de separación entre el imán y el estator.
Haciendo referencia a la figura 7 junto con la figura 10, debe apreciarse que, en algunas realizaciones, los elementos del rotor 534a, 534b pueden configurarse y disponerse de manera que, para cada elemento del rotor, uno o más de los siguientes valores pueden disminuir en un cincuenta por ciento o más cuando los elementos del rotor 534a , 534b se unen al árbol 408 y se desvían como se ilustra en la figura 10: (1) la distancia D1 entre los planos 706 y 708, (2) la relación de la distancia D1 a la distancia entre los puntos 702 y 704, y/o a la diferencia entre el radio interior R1 y el radio exterior R2 del imán , (3) la distancia D2 entre los planos 726 y 728, y (4) la relación de la distancia D2 a la distancia entre los puntos 714 y 716, y/o a la diferencia entre el radio interior R1 y el radio exterior R2 del imán.
La figura 11 muestra un conjunto de motor o generador 420, con un espacio exagerado entre los imanes 102a, 102b, donde los elementos del rotor 534a, 534b fueron deformados previamente antes del montaje para que, al ensamblarse, las superficies 1102, 1104 de los dos imanes 102a, 102b que se enfrentan entre sí son sustancialmente paralelos.
La figura 12 ilustra un conjunto de motor o generador 420 en el que se emplean placas de rotor deformadas previamente 406a, 406b, cada una de las cuales tiene una anchura más uniforme. En tal implementación, cada una de las superficies cónicas a las que se unen los imanes 102a, 102b pueden tener una forma similar al ejemplo que se muestra en las figuras 6 y 7, pero los espesores de las placas de rotor 406a, 406b pueden ser sustancialmente constantes en la dirección radial. En otras realizaciones, se puede emplear la deformación previa mientras se varían los grosores de las placas del rotor 406a, 406b de otras maneras por varias razones, como para optimizar la reluctancia de las placas del rotor 406a, 406b para maximizar el rendimiento del motor o generador 400.
El uso de las técnicas de deformación previa descritas en el presente documento no se limita a los anillos magnéticos descritos y mostrados anteriormente. También podría aplicarse, por ejemplo, a métodos que utilizan imanes segmentados, donde cada elemento del rotor comprende múltiples imanes, cada uno de los cuales forma un único polo magnético. Dichos diseños en máquinas de flujo axial son comunes y sufren el mismo problema de desviación. Se podría usar una placa de rotor circular con una conicidad cónica, o se podría colocar cada imán en su propio bolsillo, cada uno cónico individualmente de modo que cuando se ensamblan en un motor o generador, el tamaño del espacio no se reduce en el radio exterior. En este caso, pueden implementarse, por ejemplo, superficies planas individuales en lugar de una única superficie cónica.
Las figuras 13 y 14 son fotografías de un elemento de rotor 534 ensamblado y configurado como se describe en el presente documento. En el ejemplo que se muestra, la cantidad de conicidad (es decir, el valor D1 descrito en relación con la figura 7) es muy leve, con una desviación del plano de solo 0,005 pulgadas (0,0127 cm) en el radio exterior, lo que es imperceptible en las imágenes. En este caso, se utilizó un modelo informático que incorporaba análisis de elementos finitos (FEA) para determinar tanto la fuerza de la atracción magnética como la curvatura resultante del elemento del rotor 435. La deflexión resultante se calculó en 0,002 pulgadas (0,00508 cm). Las 0,003 pulgadas (0,00762 cm) adicionales de conicidad se agregaron para permitir cierto descentramiento radial y desalineación de los cojinetes 116a, 116b. Se usó una plantilla maquinada para esta aplicación para doblar el rotor a un estado desviado de 0,005 pulgadas (0,0127 cm) en la dirección opuesta que experimentaría en el motor o generador 400. Mientras estaba en este estado, la superficie de apoyo del imán de la placa del rotor 406 se mecanizó plana de manera que cuando se desmontara de la plantilla tendría la conicidad deseada. Luego se ensambló un imán anular plano 102 sobre la placa del rotor 406. Cuando la placa del rotor 406 se acercó al imán 102, la atracción magnética hizo que el imán 406 asumiera la forma desviada de la placa del rotor 406. Debido al módulo de elasticidad mucho más bajo de los imanes en comparación con el acero, la placa del rotor 406 no se desvió significativamente y las tensiones inducidas en el imán fueron mucho menores que el límite elástico.
Como en el ejemplo anterior, se pueden utilizar métodos informáticos como FEA para determinar con precisión tanto la fuerza que actúa sobre la placa del rotor 406 debido al campo magnético como el perfil de deflexión resultante. Por lo general, la geometría simple de un rotor de espesor constante da como resultado una curva de deflexión lineal en función del radio en la región de ensamblado del imán, lo que hace que la conicidad deseada sea una función lineal del radio, como se ve en los ejemplos discutidos anteriormente. Esta conicidad reduce la resistencia a la flexión de la placa del rotor 406 a medida que se elimina algo de material. Si bien sería posible utilizar un método iterativo para tener en cuenta las propiedades cambiantes, el conicidad puede hacerse lo suficientemente ligera como para que esto
no sea necesario. Los modelos de ordenador permiten la predicción de la cantidad de flexión para geometrías simples y complejas de varios materiales.
La plantilla de mecanizado descrita anteriormente proporciona un método repetible y predecible de mecanizar la conicidad en el rotor con el uso de una máquina herramienta que simplemente mecaniza una cara plana. Los futuros rotores cónicos pueden crearse con otros métodos, particularmente si se desea una conicidad no lineal. Las herramientas modernas permiten desarrollar diseños precisos y mecanizar geometrías complejas que pueden utilizarse como parte del proceso de optimización de las máquinas de flujo axial.
Los elementos de rotor cónico del tipo descrito en el presente documento se han utilizado en motores en marcha y se ha demostrado que son un método eficaz y repetible para controlar el tamaño del espacio entre el imán y el estator en máquinas de flujo axial. Las mediciones indican que la conicidad en los elementos de rotor producidos, como los que se muestran en las figuras 13 y 14 son precisos y el ensamblaje ha confirmado que los imanes 102 se alinean con la conicidad cuando se unen a las placas del rotor 406.
Habiendo descrito así varios aspectos de al menos una realización de esta invención, se apreciará que a los expertos en la técnica se les ocurrirán fácilmente diversas alteraciones, modificaciones y mejoras. Dichas alteraciones, modificaciones y mejoras pretenden ser parte de esta divulgación y deben estar dentro del alcance de la invención como se define en las reivindicaciones adjuntas. En consecuencia, la descripción y los dibujos anteriores son sólo a modo de ejemplo.
Varios aspectos de la presente invención se pueden usar solos, en combinación o en una variedad de disposiciones no discutidos específicamente en las realizaciones descritas anteriormente y, por lo tanto, no está limitado en esta aplicación a los detalles y la disposición de los componentes establecidos en la anterior descripción o ilustrada en los dibujos. Por ejemplo, los aspectos descritos en una realización pueden combinarse de cualquier manera con los aspectos descritos. Sin embargo, dichas realizaciones o combinación de realizaciones deben estar dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.
Además, la invención se puede realizar como un método, del cual se ha proporcionado un ejemplo. Los actos realizados como parte del método pueden ordenarse de cualquier manera adecuada según se define en la reivindicación 12 del método.
En consecuencia, se pueden construir realizaciones en las que los actos se realizan en un orden diferente al ilustrado, lo que puede incluir la realización de algunos actos simultáneamente, aunque se muestren como actos secuenciales en las realizaciones ilustrativas.
El uso de términos ordinales como "primero", "segundo", "tercero", etc. en las reivindicaciones para modificar un elemento de reivindicación no implica en sí mismo ninguna prioridad, precedencia u orden de un elemento de reivindicación sobre otro o el orden temporal en qué actos de un método se realizan, pero se utilizan simplemente como etiquetas para distinguir un elemento reivindicado que tiene un nombre determinado de otro elemento que tiene el mismo nombre (pero para el uso del término ordinal) para distinguir los elementos reivindicados.
Además, la fraseología y la terminología utilizadas en el presente documento se utilizan con fines descriptivos y no deben considerarse como limitantes. El uso de "incluyendo", "comprendiendo" o "teniendo", "conteniendo", "involucrando" y variaciones de estos en el presente documento pretende abarcar los elementos enumerados a continuación y sus equivalentes, así como elementos adicionales.
Claims (12)
1. Un motor o generador de flujo axial, que comprende:
un árbol de rotor (408) que gira alrededor de un eje de rotación;
una primera placa de rotor (406a) acoplada con el árbol de rotor (408);
un primer imán (102a) unido a la primera placa de rotor (406a), teniendo el primer imán (102a) una primera superficie (1102) que es ortogonal a una dirección de magnetización del primer imán (102a);
en el que la primera placa de rotor (406a) y el primer imán (102a) están configurados y dispuestos de manera que, si la primera placa de rotor (406a) y el primer imán (102a) están separados de todos los demás componentes generadores de campo magnético, entonces una distancia entre un primer plano que intercepta un primer punto (702) de la primera superficie (1102) y al cual el eje de rotación es normal y un segundo plano que intercepta un segundo punto (704) de la primera superficie (1102) y al cual el eje de rotación es normal es sustancialmente mayor que cero,
y donde el motor o generador de flujo axial comprende, además:
una segunda placa de rotor (406b) acoplada con el árbol de rotor (408); y
un segundo imán (102b) unido a la segunda placa del rotor (406b) de manera que se genera un primer flujo magnético dentro de un espacio (1002) entre el primer (102a) y el segundo (102b) imanes,
en el que la primera (406a) y segunda (406b) placas de rotor están colocadas de manera que el primer flujo magnético hace que la distancia entre el primer y el segundo plano sea sustancialmente igual a cero, y donde el motor o generador de flujo axial comprende además un estator (104) dispuesto dentro del espacio (1002),
en el que el estator (104) está configurado para generar selectivamente un segundo flujo magnético que interactúa con el primer flujo magnético para hacer que el árbol de rotor (408), la primera placa del rotor (406a) y el primer imán (102a) giren al unísono.
2. El motor o generador de flujo axial de la reivindicación 1, en el que una porción de la primera placa de rotor (406a) a la que se une el primer imán (102a) tiene forma de tronco cónico recto.
3. El motor o generador de flujo axial de cualquiera de la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que el primer imán (102a) comprende un imán anular con polos magnéticos alternos.
4. El motor o generador de flujo axial de la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que el primer imán (102a) es uno de una pluralidad de imanes individuales que están dispuestos en la primera placa del rotor (406a) en posiciones angulares respectivas alrededor del eje de rotación.
5. El motor o generador de flujo axial de la reivindicación 4, en el que:
la primera placa de rotor (406a) está hecha de un primer material; y
la pluralidad de imanes individuales se separa y ubican usando un segundo material que es diferente al primer material.
6. El motor o generador de flujo axial de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que:
el segundo punto (704) está a una distancia radial del eje de rotación mayor que el primer punto (702), el primer (702) y segundo (704) puntos hacen contacto con una segunda superficie de la primera placa del rotor (406a) en las primera y segunda ubicaciones, respectivamente, y
la primera placa de rotor (406a) y el primer imán (102a) están además configurados y dispuestos de manera que, si la primera placa de rotor (406a) y el primer imán (102a) están separados de todos los demás componentes generadores de campo magnético, entonces un rayo que se extiende desde y es normal a la segunda superficie en la segunda ubicación intercepta el primer plano.
7. El motor o generador de flujo axial de la reivindicación 6, en el que la primera placa de rotor (406a) y el primer imán (102a) están además configurados y dispuestos de manera que, si la primera placa de rotor (406a) y el primer imán (102a) están separados de todos los demás componentes generadores de campo magnético, entonces un ángulo entre el rayo y el primer plano es sustancialmente menor que 90 grados.
8. El motor o generador de flujo axial de la reivindicación 1, en el que:
el segundo punto (704) está a una distancia radial del eje de rotación mayor que el primer punto (702);
el primer (702) y segundo (704) puntos hacen contacto con una segunda superficie de la primera placa de rotor (406a) en las primera y segunda ubicaciones, respectivamente;
la primera (406a) y segunda (406b) placas de rotor están situadas de manera que el segundo plano está en un primer lado del primer plano; y
la primera placa de rotor (406a) y el primer imán (102a) están además configurados y dispuestos de manera que,
si la primera placa de rotor (406a) y el primer imán (102a) se separaran de todos los demás componentes generadores de campo magnético, entonces:
un rayo que se extiende desde y es normal a la segunda superficie en la segunda ubicación interceptaría el primer plano, y
el segundo plano permanecería en el primer lado del primer plano.
9. El motor o generador de flujo axial de la reivindicación 1, que comprende, además:
una carcasa (110) que encierra al menos parcialmente la primera placa del rotor (406a), el primer imán (102a), el estator (104), la segunda placa del rotor (406b), el segundo imán (102b) y una porción del árbol de rotor (408), en el que:
la primera placa del rotor (406a), el primer imán (102a), la segunda placa del rotor (406b), el segundo imán (102b) y el árbol de rotor (408) son móviles con respecto a la carcasa (110), y
el estator (104) está fijo con respecto a la carcasa (110).
10. El motor o generador de flujo axial de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que:
la primera placa de rotor (406a), el primer imán (102a), la segunda placa de rotor (406b) y el segundo imán (102b) están configurados y dispuestos de tal manera que una relación de la distancia entre el primer y segundo plano y una distancia entre el primer (702) y el segundo (704) puntos hay un primer valor; y
la primera placa de rotor (406a) y el primer imán (102a) están además configurados y dispuestos de tal manera que, si la primera placa de rotor (406a) y el primer imán (102a) están separados de todos los demás componentes generadores de campo magnético, entonces la relación de la distancia entre el primer y segundo planos y la distancia entre el primer (702) y segundo (704) puntos es un segundo valor que es al menos dos veces el primer valor.
11. El motor o generador de flujo axial de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que:
el primer imán (102a) tiene un borde interior dispuesto en el primer punto (702);
el primer imán (102a) tiene un borde exterior opuesto al borde interior y dispuesto en el segundo punto (704); y la primera placa de rotor (406a) y el primer imán (102a) están además configurados y dispuestos de manera que, si la primera placa de rotor (406a) y el primer imán (102a) están separados de todos los demás componentes generadores de campo magnético, entonces una relación de la distancia entre el primer y segundo plano y una distancia entre el primer (702) y el segundo (704) puntos es superior a 0,002.
12. Un método para formar un motor o generador de flujo axial, que comprende:
unir un primer imán (102a) a una primera placa de rotor (406a), teniendo el primer imán (102a) una primera superficie (1102) que es ortogonal a una dirección de magnetización del primer imán (102a), y acoplar la primera placa de rotor (406a) con un árbol de rotor (408) que gira alrededor de un eje de rotación, en el que la primera placa de rotor (406a) está configurada de tal manera que, después de que el primer imán (102a) se une a la primera placa de rotor (406a), un distancia entre un primer plano que intercepta un primer punto (702) de la primera superficie (1102) y al cual el eje de rotación es normal y un segundo plano que intercepta un segundo punto (704) de la primera superficie (1102) y al cual el eje de rotación es normal es sustancialmente mayor que cero, y donde el método comprende además acoplar una segunda placa de rotor (406b) con el árbol de rotor (408), en el que un segundo imán (102b) se une a la segunda placa de rotor (406b) y se genera un primer flujo magnético dentro de un espacio (1002) entre el primer (102a) y el segundo (102b) imanes,
en el que la primera (406a) y la segunda (406b) placas del rotor se acoplan con el árbol de rotor (408) de manera que el primer flujo magnético hace que la distancia entre el primer y el segundo plano sea sustancialmente igual a cero,
y donde el método comprende además acoplar la segunda placa del rotor (406b) con el árbol de rotor (408) de tal manera que se dispone un estator (104) dentro del espacio (1002), en el que el estator (104) está configurado para generar selectivamente un segundo flujo magnético que interactúa con el primer flujo magnético para hacer que el árbol de rotor (408), la primera placa del rotor (406a) y el primer imán (102a) giren al unísono.
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