MX2007009295A

MX2007009295A - Estator de bobina distribuida para motores electricos trifasicos de rotor externo.

Info

Publication number: MX2007009295A
Application number: MX2007009295A
Authority: MX
Inventors: Vinay Mehta
Original assignee: Hunter Fan Co
Priority date: 2006-08-01
Filing date: 2007-08-01
Publication date: 2009-01-08
Also published as: CN101127460A; US20080030096A1; US7777388B2; CN101127460B; EP1885041A2; TW200822489A

Abstract

Un estator de bobina distribuida (102) para motores eléctricos de rotor externo incluye un núcleo que tiene una superficie cilíndrica unida por una primera superficie de extremo y una segunda superficie de extremo, en donde un primer conjunto de aberturas (110) alineadas en una primera trayectoria circular (111) se extiende dentro del núcleo desde la primera superficie de extremo a la segunda superficie de extremo, un segundo conjunto de aberturas (114) alineadas en una segunda trayectoria circular (115) colocada concéntricamente dentro de la primera trayectoria circular que se extiende dentro del núcleo desde la primera superficie de extremo a la segunda superficie de extremo, y un tercer conjunto de aberturas (118) alineadas en una tercera trayectoria circular (119) colocada concéntricamente dentro de la segunda trayectoria circular que se extiende dentro del núcleo desde la primer superficie de extremo a la segunda superficie de extremo.

Description

ESTATOR DE BOBINA DISTRIBUIDA PARA MOTORES ELECTRICOS TRIFASICOS DE ROTOR EXTERNO CAMPb DE LA INVENCION La presente invención se refiere a motores eléctricos, y específicamente a un estator de bobina distribuida para motore's eléctricos de rotor externo.

ANTECEDENTES DE LA INVENCION i Los motores eléctricos han existido durante muchos años. Hoy en día, algunos motores eléctricos están diseñados con un rotor colocado radialmente hacia fuera del estator. Estos motores ¡ comúnmente se denominan como motores eléctricos de "dentro Ihacia fuera" o de "rotor externo" y i por lo regular son dél tipo de inducción trifásico. Los motores eléctricos jde rotor externo tienen muchas aplicaciones, por lo 'regular comerciales o industriales, tal como para ventiladores, bombas, accionadores de máquinas, etc. Además,i con la llegada de los convertidores electrónicos de sencillo a trifásico, los motores de rotor externo trifásicos j también se pueden utilizar en aplicaciones residenciales y otros ambientes limitados al servicio eléctrico de ¡fase sencilla. distribuido para motores eléctricos de rotor externo. Una modalidad ejemplar general incluye un núcleo que tiene una superficie cilindrica unida por una primera superficie de extremo y una segunda' superficie de extremo. El núcleo incluye un primer conjunto de aberturas alineadas en una i primera trayectoria circular que se extiende desde la i primera superficie de ,extremo a la segunda superficie de extremo, un segundo conjunto de aberturas alineadas en una segunda trayectoria circular colocada concéntricamente dentro de la primera trayectoria circular que se extiende desde la primera superficie de extremo a la segunda superficie de extremo,1 y un tercer conjunto de aberturas alineadas en una tercera trayectoria circular colocada concéntricamente dentro de la segunda trayectoria circular que se extiende desde la primera superficie de extremo a la segunda superficie de extremo. i Un método ejémplar general incluye configurar la forma o tamaño por loj menos del primer, segundo y tercer conjuntos de aberturas; en el núcleo dependiendo del número de aberturas necesarig para obtener un número deseado de polos magnéticos correspondiente a una velocidad de motor deseada. ; BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS 1 La figura 1 es una vista en partes que incluye el estator de bobina distribuido para motores de rotor externo mostrado en la figura 1(.

La figura 2 es una vista superior del estator de bobina distribuido para motores de rotor externo mostrado en la figura 1.

La figura 3 es otra vista superior del estator de i bobina distribuido para motores de rotor externo mostrado en la figura 1.

DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION i Con referencia a las figuras, se muestra un estator de bobina distribuido 102 para motores de rotor externo en una forma preferida de la invención. Un rotor i 104 está colocado radialmente hacia fuera del estator 102 con un espacio (o "espacio de aire") 103 en medio. En otro sentido, el estator 102 está colocado concéntricamente dentro del rotor 104. ¡ El estator 102 incluye medios de i aseguramiento 106, tal como uno o más ejes, cojinetes, pernos y aberturas correspondientes, arandelas y placas, etc. para asegurar los ¡componentes del estator 102 juntos y asegurar el estator 102 para operación. El rotor 104 i incluye medios de aseguramiento similares 108 para asegurar los componentes del rotor 104 juntos, asegurar el rotor 104 para operación, y asegürar otras partes al rotor 104 tal J como una o más aspas de ventilador, turbinas de bomba, 5 engranajes o correas,; etc. Dichos componentes por lo regular incluyen una pluralidad de hojas de material metálico (tal como hierro) o "laminaciones" que son aseguradas entre sí para formar el estator 102 y/o el rotor I 104 respectivamente. 10 El estator Í02 generalmente es cilindrico en forma con una superficie de extremo superior y una superficie de extremo : inferior. El estator 102 también i incluye varias ranuras! 110, 114, 118 colocadas a lo largo ? de trayectorias circulares transversales concéntricas 111, 15 115, 119 y que se extienden longitudinalmente a lo largo del estator 102. Las ranuras 110, 114, 118 típicamente ; también incluyen aberturas 116 (por ejemplo, lineales) que se extienden radialmenie hacia dentro desde la superficie exterior cilindrica a una abertura más ancha a lo largo de 20 la trayectoria circular 111, 115, 119, lo cual puede facilitar la inserción y el soporte del cableado de la bobina. Cada conjunto o trayectoria circular 111, 115, 119 de ranuras 110, 11¡4, 118 puede tener diferentes características tal como diferentes tamaños (por ejemplo, 25 dimensiones) y/o formajs . Estas características se pueden i j modificar para cambiar el número de ranuras colocadas en el estator 102 (el cualj corresponde al número de polos magnéticos del estator |l02 y, por lo tanto, a la velocidad giratoria del rotor 104¡ durante la operación) para proveer varias opciones de velocidad giratoria utilizando un estator 102 del mismo diámetro. Además, estas características se modifican para producir una cantidad equivalente de flujo magnético entre cada conjunto de ranuras 110, 114, 118 para asegurar la operación deseable del motor (por ej emplo, '· apropiada, eficiente, etc.). Las bobinas (o devanados) 120, 124, 128 de un conductor eléctrico aislado se extiende a través de las ranuras 110, 114, 118 respectivamente. Debido a que las ranuras 110, 114, 118 están separadas a lo largo de trayectorias circulares 111, 115, 119, las bobinas 120, 124, 128 que se extienden a través de las mismas están distribuidas y no están* atadas o se traslapan alrededor de la periferia del estator 102. Cada conjunto de bobinas 120, 124, 128 puede tener diferentes características tal como un número diferente de envolturas o "giros" a través de las ranuras 110, 114, 118; respectivamente y/o un tamaño de conductor diferente (por ejemplo, calibre de alambre) . Estas características ¡también se pueden modificar para producir una cantidad equivalente de flujo magnético entre cada conjunto de ranuras 110, 114, 118 para asegurar la operación deseable del motor. Cada conjunto de bobinas 120, 124, 128 finaliza o termina en una conexión externa de conductores o cables 129 que se extienden desde el estator 102 y que se pueden conectar a una fuente de potencia trifásica tal como un1 sistema o suministro de potencia trifásica. Cada trayectoria circular 111, 115, 119 de ranuras 110, 114, 118 y las bobinas respectivas 120, 124, 128 que se extienden a 'través de las mismas, corresponde a una fase de una conexión de fuente de energía trifásica al estator 102 a través de los cables 129 como parte de un motor de rotor externo. Por ejemplo, la trayectoria i circular mas exterior 111 de las ranuras 110 y las bobinas respectivas 120 pueden corresponder a una primera fase (por ejemplo, fase "1" o "A" ) de una conexión de fuente de energía trifásica. De manera similar, la trayectoria circular media 115 de las ranuras 114 y las bobinas respectivas 124 pueden corresponder a una segunda fase (por ejemplo, fase "2" ó "B" ) de una conexión de fuente de energía trifásica. Y por último, la trayectoria circular más interior 119 dé las ranuras 118 y las bobinas respectivas 128 puede corresponder a una tercera fase (por ejemplo, fase "3" ó "C") de una conexión de fuente de energía trifásica. Lajs fases correspondientes pueden diferentes dependiendo de la conexión de los cables 129 a una fuente de energía trifásica. El rotor 104 incluye ranuras 130 colocadas a lo largo de una trayectoria circular (por ejemplo, su periferia) y que se extienden longitudinalmente a lo largo del rotor 104. Las barras de rotor 131, típicamente conductores metálicos tal como barras de aluminio de fundición a presión, sé extienden a través de las ranuras 130. Estas barras de rotor 131 típicamente están conectadas juntas en los extremos ¡(es decir, en cortocircuito) por uno o más "anillos de extremo" (que no se muestran) , los cuales también son, por lo regular, conductores metálicos tal como barras de aluminio de fundición a presión. En operación; un motor de rotor externo que incluye el estator antes descrito 102 y el rotor 104 típicamente opera sobre los principios de un motor de inducción de corriente alterna trifásico ( "AC" ) · Es decir, la potencia trifásica ¡es suministrada a las bobinas 120, 124, 128 del estator Í02 a través de los cables 129. El flujo de corriente a través de las bobinas 120, 124, 128 induce flujo magnético en el estator 102. El flujo magnético cruza el espa¡cio de aire 103 e interactúa con las barras de aluminio acortadas 131 para crear una fuerza que mueve el rotor 104 alrededor de su eje de rotación, por ejemplo, como se indica con la marca de rotación 140. La rotación 140 del rotorj 104 se puede invertir alterando la I polaridad de la potencia trifásica suministrada a las bobinas 120, 124, 128, , por ejemplo, cambiando dos de las tres conexiones en los cables 129. i En contraste i a un motor de rotor interno que incluye un estator de '"bobina periférica" tradicional, un motor que incluye el estator de bobina distribuida 102 ofrece varios beneficios tal como los siguientes. Se necesita menos alambre ,de bobina (el cual por lo regular es cobre) debido a que no existe un atado o cruce de las bobinas en la periferia del estator (por ejemplo, donde un estator tradicional podría incluir 150 giros de alambre de bobina a través de lasi ranuras para cada fase, un estator de bobina distribuida con capacidades operativas comparables podría incluir 120 giros de alambre de bobina a través de la trayectoria circular más exterior de ranuras, i 100 giros de alambre de bobina a través de la trayectoria circular media de las' ranuras, y 80 giros del alambre de bobina a través de la itrayectoria circular más interior de ranuras) . Se necesita: menos cobre y acero en componentes del motor para disipar1 calor producido durante la operación i del motor debido a quej las bobinas están distribuidas sobre un área de superficie más grande del estator y no se atan o cruzan. Se obtiene una eficiencia de operación electromecánica superior debido a que el diseño del estator de bobina distribuida disminuye las pérdidas de flujo magnético evitando el cruce de la bobina. Se pueden diseñar más opciones de velocidad en el mismo estator de diámetro debido a que las características de las ranuras (tal como el tamaño y/o forma) se ¡pueden modificar (por ejemplo, para cada fase) a fin de variar el número de ranuras que están colocadas en el estator 'y, por lo tanto, el número de polos magnéticos inducidos en ¡el estator. Debido a las ' diferentes trayectorias de flujo, cada bobina ofrecerá diferente reactancia y, por lo tanto, el flujo de corriente variará en cada una de estas bobinas. Esta situación no es deseable, dicho desequilibrio producirá flujo que no es igual en intensidad que el producido en un motor de convención donde las ranuras son de forma y tamaño similar. Este desequilibrio de flujo puede ocasionar ruido y vibración en el motor. Sin embargo, este problema puede ser resuelto fácilmente diseñando cada bobina de manera que produzcan igual flujo seleccionando el número correcto de giros en cada bobina y el calibre apropiado del alambre. ¡Por lo tanto, el devanado de cada bobina, a diferencia del motor convencional, tendrá un i número diferente de giros para crear flujo que sea similar en intensidad en cada 'una de las bobinas de fase cuando pasa a través del espacio de aire. Para un motor; convencional típico se pueden tener 150 giros en cada unaj de las bobinas 120, 124, y 128.

Aunque en el caso de ranuras de tres capas, el devanado del diseño propuesto puede ¡tener 120 giros en la bobina 120, 100 giros en la bobina 124 y 80 giros en la bobina 128. Las bobinas 124 y 128 tendírán menos resistencia y permitirán que más corriente produzca más flujo para superar las pérdidas ocasionadas por la trayectoria de hierro más prolongada . Por lo tanto, 1 se puede apreciar que se provee un estator de bobina distribuida para motores eléctricos de rotor externo a fin de reducir el uso del alambre de bobina evitando el atado y el traslape, disminuir la generación de calor para reducir el cobre y materiales de metal necesarios para la disipación, reducir las pérdidas magnéticas resultando ;en una eficiencia electromecánica mayor, y ofrecer más! opciones de velocidad de motor utilizando el mismo idiámetro de estator. Se debería entender que las descripciones anteriores simplemente se i refieren a modalidades ejemplares ilustrativas de la I invención. Además, var iios elementos de las modalidades i ejemplares descritas se pueden conocer en la técnica o I pueden ser reconocidas ipor aquellos expertos en la técnica i con base en la presente descripción. Por lo tanto, se debería entender que sé pueden hacer varias modificaciones a las modalidades ejemplares aquí descritas que están dentro del espíritu y alcance de la invención tal como se estipula en las siguientes reivindicaciones

Claims

NOVEDAD DE LA INVENCION I j Habiendo descrito el presente invento, se considera como una novedad y, por lo tanto, se reclama como prioridad lo contenido eh las siguientes : i REIVINDICACIONES 1. - Un estator de bobina distribuida para motores eléctricos de rotor externo trifásicos, que comprende un núcleo que tiene una superficie cilindrica unida por una primera superficie de extremo y una segunda superficie de extremo, un primer conjjunto de aberturas alineadas en una primera trayectoria circular que se extiende a lo largo de dicho núcleo entre dicha primera superficie de extremo y dicha segunda superficie de extremo, un segundo conjunto de aberturas alineadas en' una segunda trayectoria circular colocada concéntricamente dentro de la primera trayectoria i circular que se extiende a lo largo de dicho núcleo entre dicha primera superficie de extremo y dicha segunda superficie de extremo, :y un tercer conjunto de aberturas alineadas en una tercera trayectoria circular colocada concéntricamente dentrp de dicha segunda trayectoria circular que se extiende a lo largo de dicho núcleo entre dicha primera superficie de extremo y dicha segunda superficie de extremo. 2. - El estajtor de bobina distribuida de i conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque cada uno de dicho primer, segundo y tercer conjuntos de aberturas incluye aberturas lineales que se extienden radialmente desde dicha superficie cilindrica exterior a dicho primer, segundo y ' tercer conjuntos de aberturas para formar ranuras que se! extienden a lo largo de dicha superficie exterior entre dicha primera superficie de extremo y dicha segunda ¡superficie de extremo. 3. - El estator de bobina distribuida de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque por lo menos uno de , dicho primer, segundo y tercer conjuntos de aberturas! tiene una forma diferente o un tamaño diferente de los : otros conjuntos. 4. - El estator de bobina distribuida de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque dicho primer conjunto' de aberturas corresponde a una primera fase de un sistema de energía trifásica, dicho i segundo conjunto de aberturas corresponde a una segunda fase de dicho sistema de energía trifásica, y dicho tercer conjunto de aberturas ¡corresponde a una tercera fase de dicho sistema de energíja trifásica. 5. - El estator de bobina distribuida de conformidad con la reivindicación 1, que además comprende una primera pluralidad ¡de conductores que se extienden a través de dicho primer' conjunto de aberturas y que se devanan por lo menos alrededor de un bucle entre pares adyacentes de dicho primer conjunto de aberturas para formar un primer conjunto de bobinas de estator, una segunda pluralidad de conductores que se extienden a través de dicho segundo conjunto de aberturas y que se devanan por lo menos alrededor de un bucle entre pares adyacentes de dicho segundo conjunto de aberturas para formar un segundo I conjunto de bobinas de estator, y una tercera pluralidad de conductores que se extienden a través de dicho tercer conjunto de aberturas 1 y que se devanan por lo menos alrededor de un bucle ¡ entre pares adyacentes de dicho tercer conjunto de aberturas para formar un tercer conjunto de bobinas de estator. 6. - El estator de bobina distribuida de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque dicho primer conjunto de bobinas de estator corresponde a i una primera fase de un ¡sistema de energía trifásica, dicho segundo conjunto de bobinas de estator corresponde a una i segunda fase de dicho sistema de energía trifásica, y dicho tercer conjunto de bobinas de estator corresponde a una i tercera fase de dicho sistema de energía trifásica. i 7. - El estjator de bobina distribuida de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque por lo menos uno de dicha primera, segunda y tercera pluralidad de conductores se extiende a través, y se devana entre dichos pares adyacentes de dicho primer, segundo o tercer conjunto de aberturas respectivamente en un número diferente de bucles a las otras pluralidades. 8. - El estator de bobina distribuida de i conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque dicha primera pluralidad de conductores se extiende a través, y se devana entre dichos pares adyacentes de dicho primer conjunto de aberturas en un primer número de bucles, dicha segunda ad de conductores se extiende a través, y se devana entre dichos pares adyacentes de dicho segundo conjunto de aberturas en un segundo número de bucles, y dicha tercera pluralidad de conductores se extiende a través, y se devana entre dichos pares adyacentes de dicho tercer conjunto de aberturas en un tercer número de bucles, dicho primer número de j bucles es mayor que dicho segundo número de bucles, siendo mayor que dicho tercer número de bucles. 9. - El estator de bobina distribuida de conformidad con la rei indicación 5, caracterizado porque dicho núcleo está colojcado concéntricamente dentro de un rotor que comprende j una masa anular que tiene una pluralidad de abertura^ que se extienden longitudinalmente a través de la misma y que están colocadas en una cuarta trayectoria circular, en donde una cuarta pluralidad de conductores se extiende! a través de dicha pluralidad de aberturas y están eléctricamente conectados. i 10.- Un método para proveer un estator de bobina 5 distribuida para motores eléctricos de rotor externo, que comprende : proveer un núcleo que tiene una superficie I cilindrica unida por urja primera superficie de extremo y una segunda superficie de extremo, 10 formar un primer conjunto de aberturas que se extienden dentro de dicho núcleo desde dicha primera superficie de extremo a ¡dicha segunda superficie de extremo a lo largo de una primera trayectoria circular; formar un segundo conjunto de aberturas que se 15 extienden dentro de dicho núcleo desde dicha primera superficie de extremo a1 dicha segunda superficie de extremo j a lo largo de una segunda trayectoria circular concéntricamente colocada dentro de dicha primera trayectoria circular; y' j 20 formar un tejrcer conjunto de aberturas que se i extienden dentro de ,dicho núcleo desde dicha primera superficie de extremo aj dicha segunda superficie de extremo a lo largo de una tercera trayectoria circular concéntricamente colocada dentro de dicha segunda 25 trayectoria circular. I 11. - El método de conformidad con la I reivindicación 10, que además comprende configurar la forma I o tamaño por lo menos de uno de dicho primer, segundo y tercer conjunto de abejrturas dependiendo del número de > aberturas necesarias para obtener un número deseado de polos magnéticos correspondientes a una velocidad de motor deseada. 12. - El método de conformidad con la reivindicación 10, que además comprende: i extender una primera pluralidad de conductores a i través de dicho primeé conjunto de aberturas y devanar dicha primera pluralidad de conductores alrededor por lo i menos de un bucle entrje pares adyacentes de dicho primer I conjunto de aberturas 'para formar un primer conjunto de bobinas de estator; extender una isegunda pluralidad de conductores a través de dicho segunáo conjunto de aberturas y devanar dicha segunda pluralidad de conductores alrededor por lo menos de un bucle entre pares adyacentes de dicho segundo conjunto de aberturas jpara formar un segundo conjunto de bobinas de estator; y ¡ extender una 'tercera pluralidad de conductores a través de dicho tercer conjunto de aberturas y devanar dicha tercera pluralidad de conductores alrededor por lo i menos de un bucle ent're pares adyacentes de dicho tercer conjunto de aberturas para formar un tercer conjunto de bobinas de estator. 13. - El método de conformidad con la reivindicación 12, que' además comprende configurar el número de bucles por ío menos de una de dicha primera, segunda y tercera pluralidad de conductores que se extienden a través, se devanan entre dichos pares adyacentes de dicho primer, segundo o tercer conjunto de aberturas respectivamente dependiendo de la cantidad deseada de flujo magnétjico operativo que va a ser producido por dichas primera, segunda o tercer bobinas de estator respectivamente . 14. - El método de conformidad con la reivindicación 12, que I además comprende: extender a través, y devanar alrededor de dicha primera pluralidad de conductores entre dichos pares adyacentes de dicho primer conjunto de aberturas en un primer número de buclejs; extender a través, y devanar alrededor de dicha I segunda pluralidad de conductores entre dichos pares adyacentes de dicho 'segundo conjunto de aberturas en un segundo número de bucles; y i extender a ¡través, y devanar alrededor de dicha tercera pluralidad ¡de conductores entre dichos pares adyacentes de dicho j tercer conjunto de aberturas en un tercer número de bucles;1 en donde dicho primer número de bucles es mayor que dicho segundo número de bucles, el cual es mayor que dicho tercer número de bucles . 15.- El método de conformidad con la reivindicación 12, que además comprende: proveer un rotor que comprende una masa anular que tiene una pluralidad de aberturas que se extienden longitudinalmente a través de la misma colocadas en una cuarta trayectoria circular y una cuarta pluralidad de conductores que se extienden a través de dicha pluralidad de aberturas y que están eléctricamente conectadas; y colocar dicho núcleo concéntricamente dentro de dicho rotor. 16.- Un estator de bobina que comprende: i un núcleo: un primer arreglo anular de aberturas; un segundo arreglo anular de aberturas colocadas concéntricamente dentjro de dicho primer arreglo anular de aberturas, y un tercer arreglo anular de aberturas colocadas concéntricamente dentro de dicho segundo arreglo anular de aberturas . 17.- El estator de bobina distribuida de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado porque cada uno del primer, segundo y tercer arreglos de aberturas incluye aberturas lineales que se extienden radialmente ¡ desde dichas aberturas; a un borde periférico de dicho estator para formar ranuras . 18. - El estator de bobina distribuida de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado porque dicho primer arreglo de aberturas corresponde a una primera fase de un sistema de energía trifásica, dicho segundo arreglo de aberturas 'corresponde a una segunda fase de dicho sistema de energiía trifásica, y dicho tercer arreglo de aberturas corresponde a una tercera fase de dicho sistema de energía triifásica. 19. - El ejstator de bobina distribuida de conformidad con la reivindicación 16, que además comprende una primera pluralidad de conductores que se extienden a través de dicho prijmer arreglo de aberturas y que se devanan por lo menos alrededor de un bucle entre pares adyacentes de dicho primer arreglo de aberturas para formar i un primer conjunto ide bobinas de estator, una segunda i pluralidad de conductores que se extienden a través de dicho segundo arregló de aberturas y que se devanan por lo j menos alrededor de uñ bucle entre pares adyacentes de dicho segundo arreglo de1 aberturas para formar un segundo conjunto de bobinas de estator, y una tercera pluralidad de conductores que se¡ extienden a través de dicho tercer arreglo de aberturas y< que se devanan por lo menos alrededor de un bucle! entre pares adyacentes de dicho tercer arreglo de aberturas para formar un tercer conjunto de bobinas de estator. 20.- El estator de bobina distribuida de ! conformidad con la reivindicación 19, caracterizado porque dicho primer conjunto de bobinas de estator corresponde a una primera fase de un! sistema de energía trifásica, dicho segundo conjunto de bobinas de estator corresponde a una segunda fase de dicho sistema de energía trifásica, y dicho tercer conjunto de bobinas de estator corresponde a una tercera fase de dicho isistema de energía trifásica.