ES2977115T3

ES2977115T3 - Máquinas eléctricas

Info

Publication number: ES2977115T3
Application number: ES17752424T
Authority: ES
Inventors: David Brenton Gehlert; Matthew Burden Smith; Nesimi Ertugrul
Original assignee: Intelligent Electric Motor Solutions Pty Ltd
Current assignee: Intelligent Electric Motor Solutions Pty Ltd
Priority date: 2016-08-03
Filing date: 2017-08-02
Publication date: 2024-08-19
Anticipated expiration: 2037-08-02
Also published as: EP3494627A1; CN110546856B; US20190273406A1; AU2017305647A1; CN110546856A; WO2018025035A1; AU2017305647B2; US10951076B2; EP3494627B1

Abstract

Un estator o rotor para una máquina eléctrica tal como un motor o generador que comprende: al menos un anillo formado por una pluralidad de segmentos polares, en el que cada segmento polar comprende una base arqueada y al menos un polo magnetizable que se extiende radialmente desde la base arqueada; y al menos una tapa de extremo que comprende, o consiste esencialmente en, un material no conductor. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Máquinas eléctricas

La presente invención se refiere a máquinas eléctricas, tales como motores y generadores. La invención también se refiere al ensamblaje, fabricación y uso de tales máquinas.

Convencionalmente, los estátores para motores eléctricos, por ejemplo, motores eléctricos de DC o AC sin escobillas, comprenden una pluralidad de chapas de acero laminado. Las chapas de acero laminado están aisladas unas de otras. Las chapas de acero laminado se perforan, recuecen y apilan durante un proceso de fabricación para formar un marco de estátor principal. El marco de estátor principal típicamente es sustancialmente cilíndrico en forma y comprende un número de miembros de polo magnetizables. Cada miembro de polo tiene una bobina enrollada alrededor de él.

El prensado de un marco de estátor de acero sustancialmente laminado no solamente tiene problemas de costes asociados con el desperdicio de acero cortado, sino que también puede presentar dificultades para bobinas de bobinado alrededor de los miembros de polo magnetizables del marco de estátor.

Alternativamente, los estátores para motores eléctricos se pueden fabricar usando un material compuesto magnético blando, tal como hierro en polvo.

El documento WO2011/047425 describe un motor eléctrico que tiene una serie de miembros de polo magnetizables de estátor independientes hechos de material compuesto magnético blando, en donde el o cada miembro de polo magnetizable de estátor independiente se puede colocar adyacente a otro miembro de polo magnetizable de estátor independiente para proporcionar una forma cilíndrica dentro de un cuerpo de carcasa; en donde antes de que cada miembro de polo magnetizable individual esté configurado en la forma cilíndrica, dicho miembro de polo magnetizable de estátor está bobinado previamente con una bobina a la que se puede pasar corriente a través de la misma.

El documento WO 2010/058284 describe una máquina eléctrica giratoria, dotada con una cubierta de extremo de bobina y una pluralidad de hilos de conexión. La cubierta de extremo de bobina forma unos pasos de aceite de refrigeración alrededor de las partes de extremo de bobina, y un paso de comunicación de aceite de refrigeración que comunica los pasos de aceite de refrigeración en el interior del núcleo de estátor. La pluralidad de hilos de conexión se proporciona en uno de los pasos de aceite de refrigeración. La dirección en la que fluye el aceite de refrigeración en dicho paso de aceite de refrigeración es la misma que la dirección en la que los hilos de conexión se extienden en un ángulo desde el exterior radial hasta el interior radial del núcleo de estátor. El caudal de aceite de refrigeración en el paso de aceite de refrigeración dotado con hilos de conexión se establece mayor que el caudal de aceite de refrigeración en el otro paso de aceite de refrigeración.

El documento US 2013/294899 describe un conjunto de estátor anular, que incluye una pluralidad de segmentos de estátor. Cada segmento de estátor incluye una pluralidad de laminados que tienen propiedades permeables magnéticas; una pluralidad de laminados térmicamente conductores colocados entre los laminados permeables; y una tubería de refrigeración que se extiende a través de los laminados para transferir calor desde los laminados al refrigerante que fluye a través de la tubería de refrigeración. Los segmentos de estátor se construyen de manera independiente. Se bobinan bobinas en cada segmento. Los segmentos de estátor con las bobinas bobinadas se disponen posteriormente para formar el conjunto de estátor anular.

Durante la operación de un motor o generador eléctrico, pueden ocurrir corrientes parásitas indeseables, que pueden tener un efecto negativo en la operación del motor o generador perturbando el acoplamiento entre las piezas del rotor y estátor. Las llamadas corrientes de cojinete también pueden ocurrir, lo que puede afectar negativamente a los cojinetes del rotor/estátor. Estos problemas pueden ocurrir generalmente independientemente de cómo y/o a partir de qué materiales se fabriquen las piezas componentes (rotor o estátor).

Por lo tanto, sería deseable proporcionar una máquina eléctrica y/o una pieza componente de la misma, en la que se disminuya el efecto de corrientes parásitas y/o corrientes de cojinete indeseadas.

Las piezas componentes, por ejemplo, rotor y estator, de tal máquina eléctrica, por ejemplo, un motor, tal como un motor eléctrico de DC o AC sin escobillas, típicamente se calentarán, en uso. Un aumento demasiado grande de temperatura puede dar como resultado el sobrecalentamiento de las piezas afectadas, lo que puede comprometer el rendimiento o incluso causar un fallo de la máquina eléctrica. Este problema puede ocurrir generalmente independientemente de cómo y/o de qué materiales se fabriquen las piezas componentes.

Por lo tanto, sería deseable proporcionar una máquina eléctrica y/o una pieza componente de la misma, que sea menos propensa a sobrecalentarse, en uso.

La fabricación y/o ensamblaje de piezas componentes, por ejemplo, rotores y estátores de máquinas eléctricas, tales como motores o generadores, pueden ser complicados y llevar mucho tiempo.

Existe una necesidad constante de métodos más rápidos y/o menos complicados y/o más rentables de fabricación de tales componentes.

Según un primer aspecto de la presente invención, se proporciona un estátor o rotor para una máquina eléctrica como se describe en la reivindicación 1. Los rasgos opcionales o preferidos se describen en las reivindicaciones dependientes. Las realizaciones, ejemplos o aspectos mencionados en los siguientes párrafos de la descripción están cubiertos por la presente invención, a menos que se mencione explícitamente de otro modo.

La invención proporciona un estátor o rotor para una máquina eléctrica, tal como un motor o generador que comprende: una pluralidad de anillos dispuestos axialmente unos de otros formados por una pluralidad de segmentos de polo, en donde cada segmento de polo comprende una base arqueada y al menos un polo magnetizable que se extiende radialmente desde la base arqueada; y al menos una tapa de extremo que comprende, o consiste esencialmente en, un material no conductor. Cada segmento de polo comprende uno o más canales longitudinales que se extienden a través de la base. Los segmentos de polo comprenden además, cada uno, una tubería dispuesta al menos parcialmente en los canales longitudinales de al menos dos anillos axialmente adyacentes.

La al menos una tapa de extremo comprende uno o más canales de tapa para enlazar en comunicación fluida con el uno o más canales longitudinales de uno o más segmentos de polo.

El uno o más canales de tapa pueden comprender un canal de tapa lateral, que enlazan entre sí más de un canal de refrigeración longitudinal. Más de un canal lateral se puede proporcionar en cada tapa de extremo. El canal de tapa lateral puede actuar como un colector para dirigir un flujo de fluido de refrigeración a través de los canales longitudinales.

La tapa o tapas de extremo pueden superponerse axialmente a uno o más, por ejemplo, todos, los segmentos de polo en el anillo o anillos extremos del estátor o rotor. La tapa de extremo puede comprender una tapa anular o una tapa circular. La tapa de extremo puede estar hecha, al menos en parte, de un material polimérico, por ejemplo, un plástico.

Ventajosamente, la presencia de la tapa o tapas de extremo no conductoras puede ayudar a limitar el efecto de las corrientes parásitas en los devanados de extremo de estátor o rotor. Además, se ha descubierto que la tapa o tapas de extremo mitigan los efectos de las corrientes de cojinete en los segmentos de polo. En consecuencia, la tapa o tapas de extremo pueden permitir que el estátor o rotor o un motor o generador que comprende el estátor o rotor se coloque en una carcasa relativamente compacta, con distancias reducidas entre componentes y/o dando como resultado una longitud axial más corta. Además, debido a la mitigación de los efectos de las corrientes de cojinete, se puede mejorar la vida útil en servicio de los segmentos de polo y/o de los cojinetes.

Ventajosamente, uno o más canales longitudinales que se extienden a través de la base de cada uno de los segmentos de polo proporcionan, en uso, un canal o canales a través o a lo largo de los cuales puede fluir un fluido de refrigeración. Típicamente, el fluido de refrigeración puede comprender o consistir esencialmente en un gas, tal como aire, o un líquido, tal como agua. El flujo del fluido de refrigeración a lo largo de uno o más canales longitudinales que se extienden a través de la base del segmento de polo se puede forzar, por ejemplo, usando una bomba o compresor.

Cada segmento de polo puede comprender al menos uno (en algunas realizaciones, hasta 10 o más) canales longitudinales que se extienden a través de la base, por ejemplo, uno, dos, tres, cuatro, cinco, seis, siete, ocho, nueve o 10 canales longitudinales que se extienden a través de la base. Puede haber uno o más canales longitudinales por polo del segmento de polo.

El uno o más canales longitudinales pueden extenderse en cualquier dirección generalmente longitudinal a través de la base. En una realización, el canal o canales longitudinales pueden extenderse en una dirección sustancialmente paralela a un eje longitudinal alrededor del cual se curva la base arqueada. Alternativamente, el canal o canales longitudinales pueden extenderse en un ángulo con respecto al eje longitudinal alrededor del cual se curva la base arqueada.

El canal o canales longitudinales pueden ser sustancialmente rectos o pueden comprender una o más curvas.

Uno o más de los canales longitudinales pueden comprender un canal abierto, por ejemplo, un surco, una ranura o un canal, a lo largo de al menos una parte de su longitud.

Además o alternativamente, uno o más de los canales longitudinales pueden comprender un canal cerrado, por ejemplo, un orificio pasante o abertura, a lo largo de al menos una parte de su longitud.

En una realización, el o cada canal longitudinal puede comprender un orificio pasante.

La base arqueada puede extenderse a través de 180° de arco, 90° de arco, 72° de arco, 60° de arco, 45° de arco, 36° de arco, 30° de arco, 20° de arco o 15° de arco.

En cada segmento de polo, el polo o polos pueden extenderse radialmente hacia dentro o hacia fuera desde la base arqueada.

Cada segmento de polo puede comprender una pluralidad de polos. Cada segmento de polo puede comprender hasta 10 polos. Cada segmento de polo puede comprender, por ejemplo, uno, dos, tres, cuatro, cinco, seis, siete, ocho, nueve o 10 polos.

Cada polo puede tener una sección transversal sustancialmente uniforme a lo largo de una parte mayor, por ejemplo, sustancialmente toda, su longitud.

Cada segmento de polo puede comprender un material compuesto magnético blando. Por ejemplo, la base arqueada y/o el uno o más polos pueden comprender el material compuesto magnético blando. El material compuesto magnético blando puede comprender hierro, por ejemplo, hierro en polvo.

Cada polo puede comprender un borde situado distalmente de la base arqueada.

Cada segmento de polo puede comprender una bobina eléctricamente conductora bobinada alrededor de cada polo. En cada segmento de polo, la base arqueada puede estar dotada con al menos un rasgo de ubicación, tal como una formación de enchavetado, que se puede configurar de manera que un segmento de polo dado pueda enchavetarse, en uso, con otro segmento de polo, por ejemplo, un segmento de polo similar o idéntico según la invención. El rasgo o rasgos de ubicación, por ejemplo, formación o formaciones de enchavetado, pueden permitir que un segmento de polo dado se enchavete con otro segmento de polo o una pluralidad de segmentos de polo en una dirección axial (longitudinal) y/o en la dirección de arco (es decir, circunferencialmente).

Además o alternativamente, la base arqueada de uno o más de los segmentos de polo puede estar dotada con al menos un rasgo de ubicación radial. El rasgo o rasgos de ubicación radial pueden permitir, por ejemplo, en uso, el enchavetado con una carcasa.

En cada segmento de polo, la base arqueada puede comprender un surco que se extiende en la dirección del arco. Convenientemente, cada segmento de polo se puede formar como un único cuerpo. Alternativamente, por ejemplo, el polo o polos se pueden unir a la base arqueada, por ejemplo, usando un adhesivo o un medio de fijación mecánico tal como un tornillo o mediante una técnica de unión tal como soldadura blanda, soldadura electrógena o soldadura fuerte.

Convenientemente, cada polo se puede formar como un único cuerpo. Alternativamente, cada polo se puede formar por una pluralidad de segmentos unidos entre sí para formar el polo, por ejemplo, usando un adhesivo o un medio de fijación mecánico, tal como un tornillo o mediante una técnica de unión, tal como soldadura blanda, soldadura electrógena o soldadura fuerte.

En una realización, el anillo o anillos pueden estar formados por una pluralidad de segmentos de polo sustancialmente idénticos.

En un ejemplo, los segmentos de polo se pueden unir entre sí mediante cualquier medio adecuado, por ejemplo, usando un adhesivo, mediante soldadura electrógena, mediante soldadura blanda o soldadura fuerte. Por ejemplo, los segmentos de polo se pueden unir entre sí mediante soldadura de arco metálico con gas (GMAW) (por ejemplo, soldadura con gas inerte metálico (MIG) o soldadura con gas activo metálico (MAG)).

En un ejemplo, el anillo o anillos se pueden disponer dentro de una banda, manguito o carcasa.

En una realización, el estátor o rotor puede comprender una pluralidad de anillos dispuestos axialmente unos de otros.

Cualquier canal o canales longitudinales que se extiendan a través de las bases de los segmentos de polo en un anillo dado pueden estar en comunicación, por ejemplo, comunicación fluida, con el canal o canales longitudinales que se extienden a través de las bases de los segmentos de polo en un anillo axialmente adyacente al anillo dado. Cada canal longitudinal que se extiende a través de la base de un segmento de polo en un anillo dado puede estar en comunicación, por ejemplo, comunicación fluida, con un canal longitudinal que se extiende a través de la base de un segmento de polo en un anillo axialmente adyacente al anillo dado.

En un estátor o rotor que comprende una pluralidad de anillos dispuestos axialmente unos de otros, puede haber comunicación, por ejemplo, comunicación fluida, entre el canal o canales longitudinales extendiéndose a través de las bases de los segmentos de polo en la pluralidad de anillos.

El canal o canales longitudinales que se extienden a través de las bases de los segmentos de polo en un anillo dado pueden estar en registro con el canal o canales longitudinales que se extienden a través de las bases de los segmentos de polo en un anillo axialmente adyacente al anillo dado. El canal o canales longitudinales que se extienden a través de las bases de los segmentos de polo pueden estar en registro a través de dos o más, por ejemplo, todos, de la pluralidad de anillos.

Según la invención, una pluralidad de anillos están dispuestos axialmente unos de otros, en la que el canal o canales longitudinales a través de las bases de los segmentos de polo están en registro a través de dos o más de la pluralidad de anillos, una o más tuberías se reciben, al menos parcialmente, en al menos uno del canal o canales longitudinales que se extienden a través de la base de un segmento de polo dado y al menos parcialmente en el canal o canales longitudinales que se extienden a través de la base de un segmento de polo axialmente adyacente. De este modo, la tubería o tuberías se reciben, al menos parcialmente, en un canal o canales longitudinales que se extienden a través de las bases de segmentos de polo en al menos dos, por ejemplo, todos, anillos axialmente adyacentes.

El canal o canales longitudinales que se extienden a través de las bases de los segmentos de polo proporcionan, en uso, canales a través o a lo largo de los cuales puede fluir un fluido de refrigeración, por ejemplo, un gas, tal como aire o un líquido. Se puede hacer que el fluido de refrigeración fluya a través o a lo largo del canal o canales longitudinales, por ejemplo, el fluido de refrigeración se puede bombear o aspirar a través o a lo largo del canal o canales longitudinales.

El canal o canales longitudinales que se extienden a través de las bases de los segmentos de polo se usan en la fijación entre sí de anillos axialmente adyacentes de segmentos de polo. Según la invención, las tuberías que se extiende desde el canal o canales longitudinales que se extienden a través de las bases de los segmentos de polo en un anillo dado hasta el canal o canales longitudinales que se extiende a través de las bases de los segmentos de polo en un anillo que es axialmente adyacente al anillo dado pueden proporcionar, en uso, conductos para un fluido de refrigeración, que ayudan a fijar los anillos entre sí.

En una realización, la o cada tubería puede actuar como un rasgo de localización para facilitar el enchavetado con una carcasa. Además o alternativamente, uno o más de los canales longitudinales que se extienden a través de las bases de los segmentos de polo pueden actuar como un rasgo de localización para facilitar el enchavetado con una carcasa.

Un segundo aspecto de la invención proporciona una máquina eléctrica tal como un motor o un generador que comprende un estátor o rotor del primer aspecto de la invención.

El motor o generador puede ser un motor o generador de imán permanente. El motor puede ser un motor eléctrico de DC o AC sin escobillas.

Ahora se describirán realizaciones de la invención, puramente a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos que se acompañan, en los que:

la Figura 1 es una vista de frente, una vista lateral y una vista en ángulo de un segmento de polo según una primera realización;

la Figura 2 es una vista de frente, una vista lateral y una vista en ángulo de un segmento de polo según una segunda realización;

la Figura 3 es una vista de frente y una vista lateral de un segmento de polo según una tercera realización;

la Figura 4 es una vista de un estátor ensamblado según una realización;

la Figura 5 es una vista de frente y una vista lateral del estátor ensamblado de la Figura 4;

la Figura 6 es una vista en sección detallada de un motor según una realización, en la que cada segmento de estátor comprende un canal de refrigeración longitudinal;

la Figura 7 es una vista en sección detallada de una máquina eléctrica según una realización en la que cada segmento de estátor comprende un canal de refrigeración longitudinal y que incluye un conducto de fluido parcialmente recibido en el canal;

la Figura 8 es una vista en sección detallada de una máquina eléctrica según una realización en la que cada segmento de estátor comprende un canal de refrigeración longitudinal en forma de una ranura en el exterior de la base de cada segmento de estátor;

la Figura 9 es una vista en sección detallada de una máquina eléctrica según una realización en la que cada segmento de estátor comprende un rasgo de ubicación en forma de cresta;

la Figura 10 es una vista en sección detallada del motor según una realización que muestra una carcasa de motor; la Figura 11 es una vista esquemática en sección transversal de un rotor según una realización, en la que unos imanes con sección transversal en cola de milano se retienen en rebajes correspondientes en el rotor;

la Figura 12 es una vista de ejemplo adicional de un rotor que tiene rebajes en cola de milano, cada rebaje para recibir y retener un imán;

la Figura 13 es una vista en sección de un motor según una realización que muestra una carcasa de motor con tapas de extremo, y que incluye el eje de motor; y

la Figura 14 es una ilustración de una operación de bobinado que se lleva a cabo en segmentos de polo que están dispuestos unos al lado de otros.

Las siguientes realizaciones y ejemplos caen bajo del alcance de la presente invención y son aplicables tanto a generadores como a motores, y se entenderá que las realizaciones y rasgos descritas con referencia a un motor en esta descripción también se refieren a un generador. De manera similar, también se debería entender que partes de la descripción que se relacionan con un estátor son igualmente aplicables a un rotor (por ejemplo, un rotor bobinado) para un motor o generador.

La Figura 1 muestra un segmento de polo 10, que comprende polos radiales 16 y una base 12. La base 12 es arqueada y está curvada alrededor de un eje longitudinal (que forma el eje de rotación de un motor ensamblado que comprende el segmento de polo). La base 12 comprende una cara interior 4 (que mira hacia el eje longitudinal), una cara exterior opuesta 6, caras extremas 2 que son normales al eje longitudinal y caras radiales 8. Se proporciona un surco 18 en cada cara extrema 2, cada surco 18 para recibir una arandela de retención. Una cara radial 8 en un extremo de la base 12 está dotada con un rasgo de ubicación macho 20, y una cara radial 8 en el otro extremo de la base 12 está dotada con un rasgo de ubicación hembra 22 correspondiente. El término “correspondiente” en este contexto significa que el rasgo de ubicación hembra 22 está configurado para recibir un rasgo de ubicación macho 20 adicional idéntico (por ejemplo, de un segmento de polo 10 adicional).

Los polos 16 están fijados cada uno a la base 12 en su raíz 26 y se extienden radialmente lejos del eje longitudinal entre la raíz 26 y la punta distal 24 de cada polo 16. Cada polo 16 es sustancialmente rectangular en sección transversal (visto desde la punta 24 hasta la raíz 26), teniendo bordes redondeados. Se proporcionan espacios de bobinado 28 entre cada polo 16, para acomodar un devanado (no mostrado en la Figura 1).

En el ejemplo de la Figura 1, la sección transversal de cada polo 16 es sustancialmente constante entre la raíz 26 y la punta distal 24. Esto permite que un devanado bobinado previamente se deslice sobre el polo 16 (que se puede mantener en su lugar mediante encapsulado posterior del conjunto resultante (es decir, encapsulación, al menos parcial, por un compuesto sólido, tal como una resina epoxi), o mediante cualquier otro método (por ejemplo, aplicando una tapa de extremo, cuya tapa de extremo puede ser no magnética, al polo 16).

En otros ejemplos, la sección transversal del polo 16 puede variar. Por ejemplo, la punta distal 24 puede tener una extensión mayor que la parte media del polo 16, y la punta distal puede terminar en una cara arqueada (curvada alrededor del eje longitudinal), para mejorar el acoplamiento magnético con un rotor adyacente a la punta distal 24. La extensión de cada polo 16 en la dirección longitudinal puede ser menor que la extensión de la base 12 en la misma dirección, por ejemplo, para acomodar un devanado dentado alrededor de cada polo 16.

En este ejemplo, el segmento de polo 10 comprende tres polos 16 unidos a la base 12. En otras realizaciones, el segmento de polo 10 puede incluir solamente un único polo 16, o puede tener un número diferente de polos 16, tal como 2, 4, 5 o más.

En este ejemplo, los polos 16 están fijados, cada uno, a la cara exterior del segmento de polo 10, con la punta distal 24 que está radialmente hacia fuera desde la raíz 26 (es decir, los polos 16 miran hacia fuera). En otras realizaciones los polos 16 se pueden fijar a la cara interior del segmento de polo 10, con la punta distal 24 que está radialmente hacia dentro desde la raíz 26 (es decir, los polos 16 pueden mirar hacia dentro).

Un segmento de polo 10 con polos 16 que miran hacia dentro puede ser adecuado para su uso como parte de un estátor externo (con un rotor en el interior del estátor). Un segmento de polo 10 con polos 16 que miran hacia fuera puede ser adecuado para su uso como parte de un estátor interno (con un rotor fuera del estátor). Un motor con un estátor interno y un rotor externo puede tener hierro trasero reducido, dando como resultado una pérdida de rotor reducida y una eficiencia mejorada.

Una máquina eléctrica según una realización puede comprender un estátor y un rotor de imanes permanentes. El rotor de imanes permanentes puede comprender un anillo de imanes permanentes unidos, para disposición adyacente al exterior del estátor (los imanes unidos al rotor que mira hacia dentro).

Se puede ensamblar una pluralidad de segmentos de polo 10 para formar un cuerpo de estátor (o rotor) completo. En algunas realizaciones, un cuerpo de estátor completo se puede formar a partir de una pluralidad de segmentos de polo 10 idénticos en una matriz polar alrededor de un eje longitudinal, lo que puede simplificar la fabricación y reducir el coste.

Cada segmento de polo 10 puede ser un elemento monolítico, más que ser ensamblado a partir de una pluralidad de componentes. El segmento de polo se puede formar a partir de un compuesto magnético blando (SMC), por ejemplo, presionando o compactando un polvo en una parte verde y luego calentando la parte verde, por ejemplo, para curar un material aglutinante. El polvo puede comprender un material magnético blando (por ejemplo, que comprende hierro) y un material aglutinante para formar una matriz con baja conductividad eléctrica. El segmento de polo puede ser una pieza de SMC monolítica (por ejemplo, formada a partir de un único prensado de material de SMC). Esto simplifica la fabricación y reduce el coste de una máquina eléctrica que comprende el segmento de polo 10.

En otras realizaciones, el segmento de polo 10 puede comprender un conjunto de piezas (que pueden comprender cada una material de SMC) que se fijan entre sí. El prensado de una pieza de SMC puede llegar a ser más desafiante cuando el tamaño de la pieza es relativamente grande, por lo que algunas veces puede ser apropiado ensamblar una pieza más grande (como un segmento de polo) a partir de subcomponentes más pequeños. En algunas realizaciones, cada polo 16 puede comprender una primera y una segunda pieza de SMC que se fijan entre sí, por ejemplo, siendo apiladas en una dirección radial para proporcionar un polo relativamente largo en la dirección radial, o apiladas en la dirección longitudinal, para producir un polo relativamente largo en la dirección axial. Las piezas de SMC se pueden fijar entre sí de cualquier forma, por ejemplo, mediante unión adhesiva, usando sujetadores, montaje en un marco auxiliar, etc.

La Figura 2 muestra un segmento de polo 10a que es similar al segmento de polo 10 de la Figura 1, pero que también incluye un rasgo de ubicación 21 en la cara interior del segmento de polo 10, para fijar el segmento de polo 10 con relación a una pieza adicional. En este ejemplo, el rasgo de ubicación 21 es macho, en forma de una cresta sobresaliente, pero el rasgo de ubicación 21 podría ser, alternativamente, hembra, comprendiendo un surco, ranura o rebaje en el segmento de polo. El rasgo de ubicación 21 está configurado para ser recibido en (o recibir, dependiendo de si el rasgo de ubicación es macho o hembra) un rasgo de ubicación correspondiente de la pieza adicional, que puede ser parte de una carcasa de motor/generador.

La Figura 3 muestra un segmento de polo 10b que es similar al segmento de polo 10 de la Figura 1, que también incluye un rasgo de ubicación hembra 21 en la cara interior del segmento de polo 10, para fijar el segmento de polo 10 con relación a una pieza adicional. El rasgo de ubicación hembra 21 en esta realización comprende una forma de cola de milano, con bordes cónicos.

Los segmentos de polo 10 pueden estar aislados, listos para bobinar. Una capa o pintura aislante adecuada (que comprende elastómeros de silicona GF 300) se puede aplicar para aislar el espacio de bobinado 28 (es decir, las partes del segmento de polo 10 que pueden entrar en contacto con el devanado). Una forma de aplicar una capa aislante es sumergir cada segmento de polo en un material aislante adecuado. Alternativamente, la capa aislante se puede aplicar con una brocha o pulverizando sobre el segmento de polo 10. Algunas de las superficies del segmento de polo 10 se pueden enmascarar, tales como las caras que hacen contacto con otros segmentos de polo durante el ensamblaje, antes de que se aplique la capa aislante.

Un método alternativo para proporcionar una capa aislante es proporcionar una plantilla de bobinado aislante relativamente delgada (que puede ser flexible), que se ajuste sustancialmente a la superficie del segmento de polo 10 en la región del espacio de bobinado 28. Al menos una plantilla de bobinado aislante se puede proporcionar para cada segmento de polo 10. En algunas realizaciones, se puede proporcionar una plantilla de bobinado aislante en dos mitades, que se apoyan a lo largo de un borde longitudinal de las plantillas de bobinado aislantes. En otras realizaciones, se puede proporcionar una única plantilla de bobinado aislante para el estátor (o rotor) ensamblado. La plantilla de bobinado aislante se puede usar para soportar los segmentos de polo durante una operación de bobinado, por ejemplo, en una configuración desenrollada o de lado a lado, como se muestra en la Figura 14.

Las Figuras 4 y 5 muestran un cuerpo de estátor 30 completo, que comprende cinco segmentos de polo 10 como se muestra en la Figura 1, y un segmento de polo 10a como se muestra en la Figura 2 (para un total de 6x3=18 polos). En disposiciones alternativas, el cuerpo de estátor 30 puede comprender una pluralidad de segmentos de polo 10a (o 10b) idénticos, cada uno que tiene un rasgo de ubicación 21 (o rasgo de ubicación 21 en la Figura 3). El rasgo de ubicación macho 20 en la cara radial de cada segmento de polo 10, 10a se recibe en el rasgo de ubicación hembra 22 correspondiente del segmento de polo 10, 10a adyacente.

Una forma de bobinar los segmentos de polo 10 es colocar los segmentos de polo con los polos 16 mirando sustancialmente en la misma dirección, por ejemplo, colocando los segmentos de polo sobre una superficie sustancialmente plana con los polos mirando hacia arriba (por ejemplo, unos al lado de otros). Esto facilita un bobinado más sencillo de los polos, como se indica esquemáticamente en la Figura 14, que muestra una herramienta de bobinado 60 lista para bobinar los polos 16 de los tres segmentos de polo 10. Se pueden bobinar entre sí, de esta forma, todos los polos 16 de un estátor usando una máquina de bobinado que trabaja desde la parte superior. Opcionalmente, el devanado puede ser un devanado trifásico (con todas las fases bobinadas al mismo tiempo). Los segmentos de polo 10 bobinados se pueden fijar posteriormente entre sí para formar el cuerpo de estátor 30.

Alternativamente, los segmentos de polo 10 se pueden disponer alrededor de una montura cilindrica, y luego cada polo 16 se puede bobinar en secuencia: es decir, situando un polo 16 en una posición de bobinado, bobinando un polo 16 y girando/indexando la montura para situar otro polo 16 en la posición de bobinado. Bobinar los polos 16 de esta forma puede evitar la necesidad de unir entre sí los devanados individuales de cada fase del estátor.

En algunas realizaciones, los devanados se pueden formar como bobinas individuales bobinadas previamente. Las bobinas individuales se pueden enlazar manualmente para formar un devanado trifásico y el devanado se puede encapsular junto con el estátor para mantener el devanado en su lugar.

En algunas realizaciones, un devanado trifásico completo se puede hacer por una máquina de bobinado en una operación de bobinado, reduciendo el número de uniones en el devanado. De nuevo, el devanado se puede encapsular junto con el estátor.

En algunas realizaciones, las bobinas individuales se pueden acoplar eléctricamente entre sí usando una disposición de barra colectora preformada o usando una estructura de PCB (placa de circuito impreso).

El devanado puede comprender hilos de sección transversal redonda o hilos de sección transversal cuadrada, lo que puede dar como resultado una relación mayor entre conductor y espacio vacío en el devanado.

Una forma de fijar los segmentos de polo 10 entre sí (ya se hayan bobinado o no), es usar una arandela de retención u otro miembro de retención en al menos uno de los surcos 18. Alternativamente o además, los segmentos de polo 10 se pueden unir entre sí usando adhesivo o similar. Cuando los segmentos de polo 10 miran hacia dentro, se pueden retener en una configuración ensamblada (circular) mediante un ajuste de interferencia dentro de una carcasa. Convenientemente, se puede obtener un ajuste de interferencia calentando la carcasa antes de que se inserte el estátor, para crear un ajuste de holgura que se convierte en un ajuste de interferencia una vez que la carcasa se haya enfriado de nuevo a la temperatura ambiente.

El solicitante ha descubierto que se puede usar soldadura con gas inerte metálico (MIG) para unir entre sí los segmentos de polo. Además, los segmentos de polo unidos entre sí mediante soldadura de MIG pueden estar hechos de un material de SMC que comprenda hierro. Por ejemplo, cuando los segmentos de polo miran hacia dentro (es decir, con el polo o polos que se extienden radialmente hacia dentro), los segmentos de polo se pueden soldar entre sí desde detrás (es decir, desde la cara exterior). Convenientemente, los bordes de la cara exterior de cada segmento de polo pueden estar, al menos parcialmente, biselados de manera que el biselado en segmentos de polo adyacentes forme en conjunto un rebaje para recibir un baño de soldadura. De este modo, seleccionando parámetros de soldadura apropiados, los segmentos de polo se pueden unir entre sí de tal forma que la superficie exterior del anillo formado a partir de los segmentos de polo soldados entre sí siga siendo lo suficientemente lisa para insertar el anillo en una carcasa que se ajuste estrechamente. La carcasa puede estar hecha de plástico o metal. Alternativamente, después de soldar, la superficie exterior del anillo formado a partir de los segmentos de polo soldados entre sí puede no ser lisa, por ejemplo, porque la soldadura sobresale de la superficie exterior o porque hay una depresión en la soldadura, en cuyo caso las protuberancias o depresiones en las soldaduras pueden ayudar a localizar el anillo en la carcasa y evitar la rotación, en uso, del anillo en la carcasa. Soldar los segmentos de polo entre sí puede ser relativamente rápido, por ejemplo, en comparación con usar adhesivo, y/o puede ser muy adecuado para su uso en un proceso de ensamblaje automatizado.

La Figura 6 ilustra una parte de un motor (o generador) 50 con un estátor externo 35. El estátor 35 incluye un cuerpo de estátor 30 que comprende una pluralidad de segmentos de polo 10, con devanados 32 alrededor de cada polo 16. El estátor 35 de la Figura 6 es un estátor externo, con los polos 16 que miran hacia dentro, hacia un rotor 40. El rotor es un rotor de imanes permanentes 40, que comprende un anillo de elementos de imanes permanentes 42. Los polos 16 en el ejemplo de la Figura 6 comprenden además rasgos de tapa acampanados en la punta distal, que sirven ambos para ayudar a retener los devanados y mejorar el acoplamiento magnético a los imanes 42 del rotor 40.

Hay un hierro trasero 44 detrás de los imanes 42. El hierro trasero 44 puede compensar, o consistir esencialmente en un material de compuesto magnético blando (SMC). El SMC se puede usar como hierro trasero para reducir las pérdidas del rotor. El rotor 40 está fijado a un eje 55.

Un problema de los motores es la disipación de calor: los motores pueden ser propensos a sobrecalentarse. Esto se aborda en la realización de la Figura 6 proporcionando dos rasgos para mejorar la pérdida de calor. En primer lugar, se proporciona un vacío de bobinado 34 entre cada bobina bobinada 32 adyacente. En segundo lugar, se proporciona un canal de refrigeración 33 a través de cada segmento de polo 10. Estos rasgos se pueden usar de manera independiente, así como en combinación. En el ejemplo de la Figura 6, el canal de refrigeración 33 comprende un canal longitudinal, con una abertura en cada cara extrema 2 del segmento de polo 10, y un conducto de fluido definido por un orificio a través del material del segmento de polo 10 entre los mismos.

El canal de refrigeración 33 es convenientemente sustancialmente paralelo con el eje longitudinal, pero puede estar en ángulo o tomar una trayectoria curva o tortuosa a través del segmento de polo 10 (lo que puede mejorar el área de superficie para la interacción con el fluido de refrigeración).

El canal de refrigeración 33 en la Figura 6 es sustancialmente circular en sección transversal, pero también se pueden usar otras formas (por ejemplo, cuadrada, etc.). En uso, se puede extraer un fluido (por ejemplo, aire) a través de los canales de refrigeración 33 para transportar calor fuera del estátor 35. En algunas realizaciones, el motor se puede disponer de modo que la rotación del motor accione el aire a través de los canales de refrigeración 33. Como ya se mencionó, el estátor 35 se puede encapsular y los canales de refrigeración 33 pueden proporcionar un mecanismo importante para rechazar el calor.

La Figura 7 ilustra una disposición alternativa de canal de refrigeración, en la que un conducto o tubería de fluido 31 se dispone en una ranura 33 en la cara exterior 6 de cada segmento de polo 10. En este ejemplo, la ranura 33 es semicircular en sección transversal, la tubería 31 es sustancialmente circular y forma un saliente en la cara exterior 6 de cada segmento de polo 10. Por ello, la tubería 31 puede formar un rasgo de ubicación para evitar la rotación relativa entre el estátor 35 y la carcasa (no mostrada).

La Figura 8 muestra un ejemplo adicional en el que el estátor 35 comprende una pluralidad de segmentos de polo 10 idénticos, cada segmento de polo 10 que tiene un rasgo de ubicación 21 en forma de una ranura con sección transversal rectangular (adecuada para recibir una llave sustancialmente rectangular de la carcasa). Al menos un rasgo de ubicación 21 se puede usar alternativamente o además como canal de refrigeración 33.

En la Figura 9, se muestra una disposición similar a la Figura 8, excepto que el rasgo de ubicación 21 toma la forma de una cresta o llave con una sección transversal sustancialmente rectangular.

La Figura 10 ilustra un motor 50, que comprende una carcasa 51, un estátor 35 y un rotor 40. El estátor y el rotor pueden incluir cualquiera de los rasgos descritos en la presente memoria. La carcasa 51 puede ser sustancialmente cilíndrica, y se puede proporcionar una capa no conductora 52 entre el estátor 35 y la carcasa 51, para aislar eléctricamente el estátor 35 de la carcasa 51. Se puede usar cualquier capa no conductora adecuada, tal como un elastómero de silicona GF-300 o un material plástico adecuado.

El rotor 40 (o estátor 35) puede comprender una disposición sin una parte de hierro trasera (ferrosa) 44 convencional: en su lugar, se puede usar material de SMC en su lugar. Alternativamente, se puede usar una parte de hierro trasera ferrosa convencional (o bien en el rotor 40 o bien en el estátor 35).

La Figura 11 ilustra un rotor 40 según una realización que comprende imanes permanentes 42, que están ranurados, cada uno, en un rebaje correspondiente en un cuerpo de rotor de SMC 41, que comprende una parte de hierro trasera 44. Cada rebaje tiene forma de cola de milano, con paredes laterales inclinadas que retienen los imanes 42 radialmente. La superficie interior del rotor 40 puede estar dotada con un chavetero 45 (protuberancia o rebaje) para fijar un eje circunferencialmente con relación al rotor.

La Figura 12 ilustra un rotor 40 de ejemplo, que también tiene rebajes 43 en cola de milano para recibir y retener imanes (no mostrados). El ejemplo no se muestra a escala.

La superficie interior del rotor 40 está dotada con un chavetero 45 que tiene la forma de un saliente (que, alternativamente, podría ser un rebaje) para fijar un eje circunferencialmente con relación a un rotor (no mostrado). En algunas realizaciones, el rotor 40 se puede formar a partir de una pluralidad de segmentos portadores de imanes, cada segmento portador de imanes que comprende una base arqueada y uno o más imanes permanentes fijados a la base. Los imanes permanentes pueden mirar hacia dentro (por ejemplo, para uso como rotor externo) o hacia fuera (por ejemplo, para uso como rotor interno).

Los rasgos descritos anteriormente con referencia a los segmentos de polo también se pueden aplicar a los segmentos portadores de imanes. Cada segmento portador de imanes se puede formar a partir de un SMC, y puede ser monolítico (por ejemplo, formado en una única operación de prensado, como se describe con referencia a los segmentos de polo).

Los imanes permanentes se pueden unir al segmento portador de imanes de cualquier forma, por ejemplo, mediante adhesivo, sujetadores, etc. Cada segmento portador de imanes puede comprender uno o más rebajes, cada rebaje para recibir un imán permanente. Cada rebaje puede comprenden paredes laterales cónicas, que tienen una forma generalmente de tipo “cola de milano”, de modo que un imán conformado correspondiente se retenga radialmente por las paredes laterales del rebaje. El rebaje se puede configurar para recibir un imán ranurando el imán en el rebaje a lo largo de su longitud (en una dirección sustancialmente longitudinal). Cada rebaje puede estar sesgado con relación a la dirección longitudinal, por ejemplo, para reducir el dentado.

Cada sección portadora de imanes puede comprender una pluralidad de imanes y rebajes de imanes correspondientes.

La estructura mostrada en la Figura 12 se puede emplear para ensamblar imanes en un rotor, por ejemplo, como se describió anteriormente en relación con la Figura 11, o para ensamblar segmentos de polo en un anillo, los segmentos de polo que tienen, cada uno, un rasgo de ubicación macho conformado y dimensionado para ser recibido en uno de los rebajes de cola de milano 43.

La Figura 13 muestra un ejemplo adicional de un motor 50, que comprende una carcasa 51, tapas de extremo 53, estátor 35, rotor 40 y eje 55. El rotor 40 está fijado al eje 55, que puede estar soportado por cojinetes portados por las tapas de extremo 53. En algunas realizaciones, las tapas de extremo 53 pueden comprender un material no conductor, tal como un plástico de ingeniería o un material compuesto, por ejemplo, policarbonato, poliamida, acrilonitrilo butadieno estireno (ABS), polietileno de peso molecular ultraalto, polímero reforzado con fibra (por ejemplo, vidrio, Kevlar® y/o fibra de carbono), etc. Las tapas de extremo 53 no conductoras pueden mejorar la eficiencia del motor 50 reduciendo o incluso eliminando las pérdidas por corrientes parásitas debido a los imanes de rotor y los devanados de extremo en las tapas 53, y pueden eliminar aún más las corrientes de cojinetes, que de otro modo darían como resultado fallos prematuros de los cojinetes del eje. También pueden surgir corrientes parásitas en las tapas de extremos conductores como resultado de las corrientes de cojinete relacionadas con el inversor. Además, las tapas de extremo 53 comprenden al menos un canal de tapa y/o tuberías (no mostrados) configurados para conectarse con el canal o canales de refrigeración 33 longitudinales formados en segmentos de polo 10 del estátor 35. Los canales de tapa pueden comprender al menos un canal lateral (por ejemplo, radiales). Cada canal lateral puede enlazar entre sí múltiples canales de refrigeración 33 longitudinales. Se puede proporcionar un sistema de refrigeración para accionar un fluido de refrigeración (por ejemplo, líquido) a través de los canales de refrigeración 33 longitudinales del estátor, conectado a al menos un canal de tapa.

En algunas realizaciones, segmentos de polo 10 idénticos se pueden apilar longitudinalmente antes de bobinar, para extender la extensión longitudinal de cada polo. Por lo tanto, los segmentos de polo de la presente descripción se pueden usar para proporcionar un bloque de construcción modular flexible de un motor de alto rendimiento. En otras realizaciones, los estátores bobinados completos se pueden apilar axialmente, en una configuración en tándem. La base arqueada del segmento de polo puede tener un radio de curvatura interior de al menos 10 mm o al menos 15 mm. La base arqueada del segmento de polo puede tener un radio de curvatura interior de hasta 40 mm o hasta 50 mm. Por ejemplo, la base arqueada del segmento de polo puede tener un radio de curvatura interior de aproximadamente 27 mm.

Los segmentos de polo de la presente invención típicamente pueden tener una anchura máxima de al menos 10 mm o al menos 15 mm. Los segmentos de polo de la presente invención pueden tener una anchura máxima de hasta 40 mm o hasta 50 mm. Por ejemplo, el segmento de polo puede tener una anchura máxima de 30 mm. En algunas realizaciones, la base arqueada puede ser la parte más ancha del segmento de polo.

Típicamente, los polos pueden tener una longitud de al menos 10 mm o al menos 20 mm. Los polos pueden tener una longitud de hasta 100 mm, hasta 80 mm, hasta 60 mm o hasta 50 mm.

Los motores según la presente descripción pueden ser particularmente adecuados para su uso en entornos hostiles, particularmente cuando el motor está encapsulado. Por ejemplo, el motor se puede usar en una bomba, con un estátor encapsulado según esta descripción que proporciona aislamiento eléctrico para evitar el contacto eléctrico con el fluido de la bomba (por ejemplo, agua). El planteamiento descrito en la presente memoria también es particularmente adecuado para motores con un relación de aspecto baja (es decir, longitud de polo en la dimensión axial/paso de polo). Un estátor de longitud axial corta puede proporcionar espacio adicional dentro del cual acomodar la electrónica de control.

Máquinas eléctricas, por ejemplo, motores, según la presente invención, también pueden ser muy adecuadas para su uso en vehículos, por ejemplo, en un sistema de vehículo automóvil. Otra aplicación en vehículos o motores según la invención es en bicicletas eléctricas o e-bicicletas (es decir, una bicicleta con un motor eléctrico integrado que se puede usar para propulsión).

Una serie de modificaciones y variaciones serán evidentes para los expertos, y los ejemplos precedentes no se pretende que limiten la invención, que se debería determinar con referencia a las reivindicaciones adjuntas.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un estátor (35) o rotor (40) para una máquina eléctrica (50) tal como un motor o generador que comprende: una pluralidad de anillos dispuestos axialmente unos de otros formados por una pluralidad de segmentos de polo (10), y al menos una tapa de extremo axial (53) que comprende, o consiste esencialmente en, un material no conductor, en donde:

cada segmento de polo (10) comprende:

una base arqueada (12);

al menos un polo magnetizable (16) que se extiende radialmente desde la base arqueada (12);

uno o más canales longitudinales (33) que se extienden a través de la base (12); y

una o más tuberías (31) para refrigerar fluido y fijar los anillos entre sí, dispuestas al menos parcialmente en los canales longitudinales de al menos dos anillos (33) axialmente adyacentes; y

en donde la al menos una tapa de extremo (53) comprende uno o más canales de tapa para enlazarse en comunicación fluida con el uno o más canales longitudinales (33) del uno o más segmentos de polo (10), y opcionalmente o preferiblemente en donde el uno o más canales de tapa comprenden un canal de tapa lateral, que enlaza entre sí más de un canal de refrigeración longitudinal (33).

2. Un estátor o rotor según la reivindicación 1, en donde la tapa o tapas de extremo (53) se superponen axialmente a uno o más, por ejemplo, todos, los segmentos de polo (10) en el anillo o anillos de extremo del estátor (35) o rotor (40).

3. Un estátor o rotor según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en donde la o cada tapa de extremo (53) comprende una tapa anular o una tapa circular.

4. Un estátor o rotor según la reivindicación 1, la reivindicación 2 o la reivindicación 3, en donde la tapa o tapas de extremo (53) están hechas, al menos en parte, a partir de un material polimérico.

5. Un estátor o rotor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el uno o más canales longitudinales (33) comprenden un canal abierto, y/o un canal cerrado, a lo largo de al menos una parte de su longitud.

6. Un estátor o rotor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la base arqueada (12) se extiende a través de 180° de arco, 90° de arco, 72° de arco, 60° de arco, 45° de arco, 36° de arco, 30° de arco, 20° de arco o 15° de arco.

7. Un estátor o rotor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde:

(i) en cada segmento de polo (10), el polo o polos (16) se extienden radialmente hacia dentro o hacia fuera desde la base arqueada (12); y/o

(ii) cada segmento de polo (10) comprende más de un polo (16).

8. Un estátor o rotor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde:

(i) cada segmento de polo (10) comprende un material compuesto magnético blando; y/o

(ii) cada segmento de polo (10) se forma como un único cuerpo.

9. Un estátor o rotor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde cada segmento de polo (10) comprende un devanado de bobina eléctricamente conductor alrededor de cada polo (16).

10. Un estátor o rotor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde, en cada segmento de polo (10): (i) la base arqueada (12) está dotada con al menos un rasgo de ubicación (21), tal como una formación de enchavetado; y/o

(ii) la base arqueada (12) comprende un surco (18) que se extiende en la dirección del arco.

11. Un estátor o rotor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde:

(i) uno o más de los anillos está formado por una pluralidad de segmentos de polo (10) sustancialmente idénticos; y/o

(ii) el al menos un anillo está dispuesto dentro de una banda, manguito o carcasa.

12. Una máquina eléctrica (50) tal como un motor o un generador que comprende un estátor (35) o rotor (40) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11.