MX2007016535A - Un rotor para una maquina electrica. - Google Patents

Abstract

Un rotor (1) para un motor electrico con imanes permanentes (10) tiene un eje principal (D), comprende un nucleo laminado (2) delimitado por una primera y segunda pared de extremo (4, 5) y por una superficie lateral (6) y tiene un orificio (7) para acoplarse a una flecha de motor (8) y a una pluralidad de ranuras longitudinales (9) para albergar los imanes (10); el rotor tambien comprende dispositivos de posicionamiento (20) para estabilizar los imanes (10) en las ranuras (9).

Description

JA E ECT? CAMPO TECNDCQ Esta invención se relaciona con un rotor para una máquina eléctrica y, en particular, a un rotor que tiene imanes integrados permanentes, es decir, imanes que se asientan en ranuras hechas en el rotor en sí.

TECN-CA ANTECEDENTE Los rotores de imán integrados de tipo conocido, utilizados especialmente en motores sin cepillo, por lo general consisten en un núcleo laminado, es decir un núcleo conformado de una pluralidad de laminados de material delgado y que tiene un eje principal que coincide con el eje de rotación del motor. El rotor normalmente tiene una pluralidad de ranuras longitudinales paralelas al eje principal, y un orificio o abertura central, también paralelo al eje principal, para albergar los imanes y una flecha motor, respectivamente. El rotor se monta en un estator equipado con polos magnéticos que, cuando se energizan, generan un campo magnético que interactúa con los imanes y hace que el rotor gire.

Una desventaja de motores que utilizan rotores de este tipo se debe a la tracción magnética entre los imanes en el rotor y los poros en el estator que generan o que se conoce "par de torsión de detención" o "par de torsión de retención". El par de torsión de detención ocasiona inestabilidades en la velocidad angular del rotor, el cual tiende a girar en una serie de pequeños movimientos "a jalones" en vez de funcionar uniforme y continuamente. Los rotores de imán integrados también son difíciles de equilibrar y ensamblar, en especial cuando los imanes se insertan en las ranuras longitudinales. Las dimensiones interiores de las ranuras son ligeramente mayores que las dimensiones exteriores de los imanes para que estos últimos puedan insertarse en las ranuras. El resultado es que en rotores de la técnica antecedente, sin importar qué tan pequeña sean estas diferencias dimensionales entre ranuras e imanes, los imanes no se mantienen firmemente en su sitio y la fuerza centrífuga que se crea mediante el movimiento de rotación los empuja contra la pared más radialmente externa de la ranura. Esto quiere decir que la distribución de peso y forma del espacio de aire cuando el rotor está en reposo difiere de la distribución en peso y forma de espacio de aire cuando está girando.

En otras palabras, la posición de los imanes en relación con el núcleo de rotor cambia cuando el motor se arranca, dificultando optimizar los flujos y geometría en el diseño de motor. La optimización de la geometría también se dificulta más por errores de concentricidad en las en las diferentes láminas que conforman el rotor debido al hecho que las láminas se cortan en momentos diferentes. Estos errores ocasionan desequilibrios del rotor.

BREVE DESCR-PCION DE LA INVENCIÓN En este contexto, el propósito principal de la presente invención es proponer un rotor de ¡manes integrados que sea fácil de ensamblar y en el cual la posición de los imanes cuando el rotor está en reposo no cambia cuando el motor se enciende y el rotor empieza a girar. Otro objeto de la invención es proporcionar un rotor con una distribución de peso equilibrada baja condiciones estáticas y giratorias. Incluso otro objeto de la invención es proporcionar un rotor, en especial para motores sin cepillo, que reduzca el par de torsión de detención durante la operación del motor. El propósito y objetivos mencionados arriba se logran sustancialmente mediante un rotor para una máquina eléctrica que tiene las características definidas en las reivindicaciones independientes 1 y 15 y en una o más de las reivindicaciones dependientes de la presente.

BREVE DESCR.PC-QN DE LOS D.BUJOS Características y ventajas adicionales de la presente invención serán más evidentes en la siguiente descripción detallada, con referencia a una modalidad preferida y no restrictiva de un rotor para una máquina eléctrica, como se ilustra en los dibujos adjuntos, en los cuales: La figura 1 es una vista en perspectiva esquemática de un rotor de cuatro polos de conformidad con la presente invención; La figura 2 ilustra el rotor de la figura 1 en una vista frontal esquemática con algunas partes recortadas para mejor ¡lustra otras; La figura 3 ilustra el detalle A de la figura 2 en una vista frontal aumentada y esquemática con algunas partes recortadas para mejor ¡lustrar otras; La figura 3a ilustra el detalle B de las figuras 3 en una vista frontal aumentada esquemática; la figura 3b es una vista lateral esquemática de un elemento elástico que forma parte del rotor de conformidad con la invención; La figura 4 es una vista frontal esquemática con algunas partes recortadas para mejor ilustrar otras, del rotor que se muesíra en los dibujos enlisíados arriba; La figura 5 ¡lustra una parte del rotor de la figura 2 en una vista frontal aumentada esquemática; La figura 6 es una vista frontal esquemática, con algunas partes recortadas para mejor ilustrar otras, de un motor de ocho polos equipado con un rotor de conformidad con la invención; La figura 7 ilustra el patrón de flujo magnético en una modalidad preferida de un motor eléctrico equipado con el rotor de conformidad con la invención; La figura 8 muestra la curva que representa el par de torsión de detención en el motor de la figura 7; La figura 9 ¡lustra una segunda modalidad de un rotor de 4 polos de conformidad con la invención en una vista en perspectiva esquemática; La figura 10 muestra un detalle de otra modalidad de un rotor de conformidad con la invención.

DESCRSPC.QN DETALLADA DE LA IINVENCDQN Con referencia a los dibujos adjuntos, el número 1 denota un rotor, de acuerdo con la presente invención, para un motor eléctrico M. Como se muestra en la figuras 4 y 6, el motor M comprende un estator 200 que alberga el rotor 1. El rotor 1 tiene un eje principal de rotación D, que coincide normalmente con el eje del motor M y comprende un núcleo laminado 2, es decir, que consiste en una pluralidad de laminados delgados 3 unidos firmemente uno con otro mediante elementos de unión 3a (ensamblados de conformidad con lo que se conoce como "tecnología de apilado") delimitado por una primera y segunda pared de extremo 4, 5 y por una superficie lateral 6. El núcleo 2 tiene un orificio longitudinal 7, cuyo eje consiste sustancialmeníe con el eje principal D, para acoplarse con una flecha de motor 8. La primera y segunda pared de extremos 4, 5 preferiblemente son paralelas una con otra. Para garantizar este paralelismo, los laminados 3 agrupan juntos en pila que se unen para formar el núcleo laminado 2. Convenientemente, cada pila gira en relación con la pila adyacente, no sólo para mantener el paralelismo de las paredes de exíremo 4, 5 sino también para corregir el factor de apilamiento que se altera cuando los laminados 3 son cortados. El propósito de la corrección del factor de apilamiento es mantener la resistencia constante a lo largo de todo el núcleo laminado 2. Como se muestra en las figuras 1 y 2, que ilustran un rotor de cuatro polos 1 , el núcleo 2 también tiene cuatro ranuras longitudinales 9, cada una albergando un imán correspondiente 10. Preferiblemeníe, cada imán 10 íiene un peso predeíerminado para facilitar equilibrar el rotor 1. Convenientemente, en modalidades alíernativas que no se ilustran, los imanes 10 son más largos o más cortos que las ranuras correspondientes 9 para optimizar o aumentar al máximo el campo magnético.

Como se muestra en la figura 3, cada ranura 9 íiene una zona ceníral 14 para albergar el imán correspondieníe 10 y un par de porciones de extremo conformadas 15 que se forman en ángulo adecuadamente respecto a la zona central 14. Como se sabe, estás porciones de extremo 15 están vacías y se utilizan, en particular, para evitar el cierre del flujo de fuga creado por el imán 10 albergado en la ranura 9. En las porciones de extremo 15 cada ranura 9 íiene nervaduras 16 para guiar cada imán 10 en la ranura correspondiente 9. El imán 10 se apoya contra nervaduras 16 de manera que eviten que el imán 10 se mueva hacia los costados en la ranura 9. Como se ilustra en las figuras 3a y 10, las nervaduras 16 están hechas respectivamente en una pared radialmente interior 9a de la ranura 9 y en una pared radialmente exterior 9b. Deberá observarse que, en la modalidad preferida e ilustrada, las nervaduras 16 tienen un perfil circular de radio R. La superficie lateral 6 del núcleo 2 se define por una pluralidad de arcos circulares 11 conectados uno con otro y, más específicamente, en el caso de un rotor de cuatro polos 1 , la superficie lateral de cada laminado 3 se define por cuatro arcos 11 de radio R3. Viendo a mayor detalle un laminado individual 3 para simplificar la descripción, las partes superiores 12 de los arcos 11 se ubican en una distancia igual R1 del eje D y cada uno se posiciona lo largo de un eje D1 que es sustancialmente perpendicular al eje principal D y que pasa a través de la línea central de una ranura longitudinal correspondieníe 9. Básicamente, cada arco 11 se posiciona en una ranura correspondiente 9 y arcos adyacentes 11 se unen mediante un segmento recio 13. El laminado individual 3 (y, en consecuencia, el núcleo 2) íiene la forma de un polígono con esquinas redondeadas. Los centros de los arcos 11 están a una distancia igual R2 del eje D. Como se ¡lustra en particular en la figura 2, los ceñiros de los arcos 11 se posicionan sustancialmente en un borde interno 24 del orificio longitudinal 7 para optimizar la distribución de flujo magnético a través del espacio de aire, como se describe en mayor detalle a coníinuación. Como ejemplo y sin restringir el alcance de la invención, cada arco 11 en el rotor de 4 polos y en la modalidad preferida subtiende un ángulo H de entre aproximadamente 55° y aproximadamente 65°, medido con referencia al eje principal D. Más específicamente, el ángulo H subtendido por los arcos 11 en la modalidad preferida es de aproximadamente 60°. Como se ilustra en la figura 5, el núcleo 2 del rotor 1 íiene una serie de porciones susíancialmenle en T o zonas 25. Las zonas 25 son delimiladas por los segmentos de conexión mencionados anteriormente 13 y por el perfil de las porciones de extremo 15 de las ranuras contiguas 9.

Cada zona 25 tiene una extremidad 26 de ancho S que se extiende en una dirección sustancialmente radial a lo largo del eje D1 y un puente 27, de ancho S1 , que une dos arcos consecutivos 11 y que se extiende en una dirección sustancialmente perpendicular a la extremidad 26. Como se ilustra en particular en las figuras 3 y 3b, el rotor 1 , comprende medios de retención elásticos 17 para mantener el imán 10 en la ranura 9 y evitar que se mueva radialmente durante la operación del moíor M. El medio 17 comprende un elemento elástico 18 posicionado entre el imán y el núcleo 2. El elemento elásíico 18 consiste preferiblemente en un resorte de flexión (resorte de hojas). El resorte 18 tiene una porción sustancialmente recta 100 sobre la cual reposa el imán correspondiente 10. Preferiblemente, la porción 100 se extiende para toda la longiíud de la ranura correspondieníe 9 y el imán correspondieníe 10 es soportado a lo largo de toda su longitud por la porción 100. El resorte 18 lambién tiene un par de porciones laterales suslancialmenle curvas 101 que se apoyan contra el núcleo 2. En el resorte 18 se inserta a lo largo dentro del rotor 1 , en particular en una muestra 19 que se extiende en una dirección paralela al eje D y que se ubica en la mitad de lo largo de la ranura correspondiente 9. Cada resorte 18 empuja el imán correspondiente 10 en dirección radial D1 hacia el borde del rotor 1.

Deberá observarse que los resortes 18 se oponen a las fuerzas magnéticas de atracción y de rechazo que actúan sobre los imanes 10 y debido a la operación del motor M previenen así que los imanes 10 se muevan dentro de las ranuras correspondientes 9. Así, no hay cambios en distribución magnética o de peso en el rotor 1 cuando cambia de una configuración estática a una en operación. Los imanes permanecen posicionados contra la pared radialmente más externa de la ranura cuando el rotor se detiene y cuando gira. El medio de retención elástico 17 y las nervaduras de guía 16 conslituyen así medios 20 para colocar los imanes 10 en las ranuras 9 y están diseñados no sólo para facilitar la inserción de los imanes dentro de las ranuras sino también para mantenerlas en la misma posición radial durante la operación del motor. Observe que la modalidad preferida ilustra en la figura 9, los imanes 10 consisíen en una pluralidad de porciones 10a, 10b, 10c, 10d albergadas lado a lado en la ranura correspondieníemeníe 9. Esta solución reduce convenientemente las pérdidas debido a corrientes parásitas en el rotor. En este caso, el resorte 18, que no se ilustra está conformado adecuadamente para empujar todas las porciones 10a, 10b, 10c, 10d en una dirección sustancialmente radial y mantenerlas en la posición correcta.

Convenientemeníe, en oirás modalidades que no se ilusíran cada imán 10 consisíe en cualquier número de porciones, de acuerdo con la necesidad. El roíor 1 también tiene una serie de orificios de equilibrio longitudinales 21. Los orificios 21 preferiblemente se llenan con pesos de equilibrio adecuados 22 utilizados para compensar desequilibrios ocasionados por las diferencias en los imanes 10 en el mismo rotor. Los pesos 22 para equilibrar el roíor íambién son úíiles en casos en donde los laminados individuales 3 no son precisamente concéntricos. En la modalidad preferida del rotor con 4 polos descritos como ejemplo, los arcos 11 del rotor 1 tienen un radio R3 que mide de aproximadamente 12 mm y aproximadamente 15 mm, y específicamente mide aproximadamente 13.1 mm. Los imanes 10 están entre aproximadamente 30 mm y aproximadamente 50 mm en longitud L1 , entre aproximadamente 14 mm y aproximadamente 16 mm en ancho L2 y entre aproximadameníe 2.5 y aproximadameníe 3.5 mm en altura L3. Específicamente, los imanes 10 tienen aproximadameníe 40 mm en longitud L1 , aproximadamente 15.4 mm en ancho L2 y aproximadameníe 3 mm en altura L3.

El radio R de las nervaduras 16 miden entre aproximadameníe OJ mm y aproximadamenle 0.5 mm en longiíud, y específicamenle el radio R mide aproximadamente 0.2 mm. Así, las nervaduras 16 son bajas comparadas con el imán 10 para evitar un corto circuito en este último. El espesor S de la extremidad 26 está entre aproximadamente 0.8 mm y aproximadamenle 2.2 mm, y específicamente es aproximadamente 2 mm, mientras que el espesor S1 del puente 27 esíá eníre aproximadamenle 0.5 mm y aproximadamente 0.8 mm, y es preferiblemente aproximadameníe 0.6 mm. Como se muestra en las figuras 7 y 8, el motor M equipado con el rotor 1 descrito aquí tiene prácticamente no la fuga de flujo y su curva de par de torsión de detención es sustancialmente sinusoide y tiene valores máximos relativamente bajos. En el caso de un motor M con un rotor de 8 polos, como se muestra en la figura 6, la distancia preferida R2, es decir la distancia común entre el eje principal D y los centros de los arcos 11 que definen la superficie lateral 6 es igual a aproximadamente un tercio de la distancia R1 entre las partes superiores de los arcos 11 y el eje principal D. Cada arco 11 subliende un ángulo H de aproximadamente 30 grados y el rotor 1 tiene orificios de ventilación 28. Preferiblemente, en modalidades alternativas, la distancia R2, es decir la dislancia común entre el eje principal D y los centros de los arcos 11 que definen la superficie lateral 6 es igual a aproximadameníe una mitad de la disíancia R1 eníre las partes superiores de los arcos 11 y el eje principal D. La invención acarrea ventajas importantes. El medio de posicionamiento 20 garantiza un equilibrio ópíimo del rotor ya que la distribución de peso no cambia de manera importante cuando el rotor cambia de una configuración estática a una dinámica. La posición estable de los imanes permite optimizar la geometría del rotor al lograr una buena distribución de flujo a través del espacio de aire y una producción significativa del par de torsión de detención. La invención descrita tiene aplicaciones industriales evidentes y puede modificarse y adaptarse de varias formas sin con ello desviarse del alcance del concepto inventivo. Aún más, todos los detalles de la invención pueden sustituirse con elementos técnicameníe equivalentes.

Claims (1)

1. DE -E 1.- Un rotor para un motor eléctrico con imanes permanentes (10), dicho rolor liene un eje principal (D), que comprende un núcleo laminado (2) delimiíado por una primera y segunda pared de exlremo (4, 5) y por una superficie laíeral (6) y que liene un orificio (7) para acoplarse a una flecha de motor (8) y una pluralidad de ranura longitudinales (9) para albergar los imanes (10); en donde el rotor lambién comprende disposiíivos de posicionamiento (20) para estabilizar los imanes (10) en las ranuras (9). 2 - El rotor de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque los medios de posicionamiento (20) comprenden medios de retención elásticos (17) que operan entre el núcleo (2) y los manes (10). 3.- El rotor de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque los medios de retención elásticos (17) comprenden al menos un elemento elásíico (18) posicionado entre cada imán (10) y la ranura correspondiente (9). 4.- El rotor de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado además porque el elemento elástico (18) opera en una dirección (D1 ) que es sustancialmente radial al eje principal (D). 5.- El rotor de conformidad con la reivindicación 3 ó 4, caracterizado además porque el núcleo (2) íiene un muesca (19) para cada elemenlo elásíico (18). 6.- El rotor de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado además porque la muesca (19) se extiende enlre la primera y segunda superficies de extremo (4, 5) y en particular, es sustancialmeníe paralela al eje principal (D). 7.- El rotor de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 3 a 6, caraclerizado además porque el elemento elástico (18) consiste en un resorte de flexión. 8.- El rotor de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque los medios de posicionamiento (20) comprenden nervaduras guía (16) en cada una de las ranuras (9) para guiar los imanes (10) en las ranuras (9). 9.- El rotor de conformidad con la reivindicación 8, caracíerizado además porque las nervaduras (16) íienen un perfil circular de radio (R) que mide enlre aproximadamente OJ mm y 0.5 mm. 10.- El rotor de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado además porque el radio (R) mide aproximadamente 0.2 mm. 11.- El rotor de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque comprende orificios de equilibrio (21 ) que se extienden entre la primera y segunda superficies de extremo (4, 5) y en particular son sustancialmente paralelas al eje principal (D). 12.- El rotor de conformidad con la reivindicación 11 , caracterizado además porque comprende pesos de equilibrio (22) colocados dentro de los orificios (21 ). 13.- El rotor de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones aníeriores de 1 a 12, caracíerizado además porque la superficie lateral (6) se define por una pluralidad de arcos conectados (11 ) cada uno posicionado en una de las ranuras longitudinales (9), los arcos (11 ) tienen partes superiores (12) ubicadas a una distancia igual (R1 ) del eje (D) y centros posicionados sustancialmente en un borde iníerno (24) del orificio longitudinal (7), el rotor, siendo en particular un rotor de cuatro polos. 14.- Un rotor para un motor eléctrico con imanes permanentes (10), dicho rotor tiene un eje principal (D) que comprende un núcleo laminado (2) delimitado por una primera y segunda paredes de extremo (4, 5) y por una superficie laíeral (6) y que tiene un orificio (7) para acoplarse a una flecha de motor (8) y una pluralidad de ranuras longitudinales (9) para albergar los imanes (10), la superficie lateral (6) siendo definida por una pluralidad de arcos conectados (11 ) cuyas partes superiores correspondientes son equidistantes del eje (D) y cada una de estos está ubicada en una ranura correspondiente (9); en donde el rotor se caracteriza porque los ceñiros de los arcos (11 ) se posicionan suslancialmente en un borde interno (24) del orificio (7), el rotor siendo, en particular un rotor de cuatro polos. 15.- El rotor de conformidad con la reivindicación 13 ó 14, caracterizado además porque los arcos (11 ) subtienden un ángulo (H) entre aproximadamente 55° y aproximadamente 65°. 16.- El rotor de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado además porque los arcos (11 ) subíienden un ángulo (H) de aproximadameníe 60°. 17.- El rotor de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores de 13 a 16, caracterizado además porque los arcos (11 ) tienen un radio (R3) que mide entre aproximadamente 12 mm y aproximadamenle 15 mm, los imanes (10) siendo enlre aproximadamente 30 mm y aproximadamente 50 mm en longitud (L1 ), entre aproximadamente 14 mm y aproximadamente 16 mm en ancho (L2) y entre aproximadameníe 2.5 mm y aproximadameníe 3.5 mm en allura (L3). 18.- El rotor de conformidad con la reivindicación 17, caracterizado además porque los arcos (11 ) tienen un radio (R3) que mide aproximadamente 13.1 mm, los imanes (10) siendo, específicameníe, de aproximadameníe 40 mm en longitud (L1 ), aproximadameníe 15.4 mm en ancho (L2) y aproximadamenie 3 mm en altura (L3). 19.- El rotor de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores de 13 a 18, caracterizado además porque los arcos (11 ) sublienden un ángulo (H) de entre aproximadamente 55° y aproximadamente 65°. 20.- El rotor de conformidad con la reivindicación 19, caracterizado además porque los arcos (11 ) subtienden un ángulo (H) de aproximadamente 60°. 21.- El rotor de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores de 1 a 12, caracterizado además porque la superficie lateral (6) se define por una pluralidad de arcos conectados (11 ) que tienen partes superiores correspondientes (12) ubicadas a una distancia igual (R1 ) del eje (D) y ceñiros a una distancia igual (R2) del eje principa! (D), la distancia (R2) siendo aproximadamente un tercio de la distancia (R1 ), el rotor siendo, en particular un rotor de 8 polos y los imanes (10) estando posicionados en los arcos (11 ). 22.- El rotor de conformidad con la reivindicación 21 , caracterizado además porque los arcos (11 ) subíienden un ángulo (H) de entre aproximadamente 25° y aproximadamente 35°. 23.- El rotor de conformidad con la reivindicación 22, caracterizado además porque los arcos (11 ) subtienden un ángulo (H) de aproximadamenle 30°. 24.- El rotor de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores de 1 a 12, caracterizado además porque la superficie lateral (6) es definida por una pluralidad de arcos conectados (11 ) que tiene partes superiores correspondientes (12) ubicadas a una distancia igual (R1 ) del eje principal (D) y ceñiros a una distancia igual (R2) del eje principal (D), la distancia (R2) siendo aproximadamente una mitad de la distancia (R1 ), el rotor siendo, en particular, un rotor de 8 polos y los imanes (10) estando posicionados en los arcos (11 ). 25.- El rotor de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores de 1 a 24, caracterizado además porque los imanes (10) consisten en una pluralidad de porciones (10a, 10b, 10c, 10d) albergadas lado a lado en la ranura correspondiente (9). 26.- El rotor de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores de 1 a 25, caracterizado además porque cada uno de los ¡manes (10) liene un peso predeterminado. 27.- El rotor de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores de 1 a 26, caracterizado además porque la primera y segunda paredes de extremo (4, 5) son sustancialmeníe paralelas una con otra, el núcleo laminado (2) comprende una pluralidad de laminados (3) que gira por lo menos parcialmente en relación uno con otro alrededor del eje principal (D).