MX2008000422A - Motor electrico - Google Patents

Abstract

Un motor eléctrico (10) que incluye un inducido (11) con al menos dos bobinados en par por fase de inducido (12) y un arreglo con rotor con polo saliente (15) que tiene bobinados de campo (17) que terminan en un interruptor eléctrico selectivo que determina la continuidad eléctrica de dichos bobinados de campo (17), de tal forma que en cualquier momento dado, se puede utilizar un par de fase del inducido para magnetizar el bobinado de campo mientras el otro par es responsable de la producción de par de torsión.

Description

MOTOR ELECTRICO Campo de la Invención Esta invención se refiere a un motor eléctrico. Antecedentes de la Invención Un motor sincrónico tiene ventajas inherentes sobre los motores de inducción y de CD. En un motor sincrónico, la velocidad del rotor es exactamente proporcional a la frecuencia del sistema que suministra energía eléctrica al motor sincrónico. En consecuencia, el motor sincrónico está caracterizado además, por el hecho de que funciona a una velocidad constante (para frecuencia constante de suministro) a un factor de energía de conducción y tiene baja corriente de arranque. La eficiencia de tal motor es generalmente mayor que para otros tipos de motores eléctricos. Una armadura de un motor sincrónico se construye generalmente con un conjunto de devanados distribuidos de poli-fases de CA, usualmente en el estator o anillo anular externo del motor. Como tal , el devanado de campo del motor se encuentra usualmente en el rotor, y consiste típicamente de más de un par de polos. Se entiende generalmente que los polos de campo se excitan con corriente directa. La configuración y el método para excitar los devanados de campo del rotor determinan el tipo de motor sincrónico. En general , se requieren un excitador separado, anillos colectores y escobillas. El excitador, los anillos colectores y las escobillas se eliminan en el motor sincrónico de inducción el cual tiene un rotor diseñado con trayectorias de reluctancia diferentes a través del espacio de aire que separa el estator y el rotor para facilitar al desarrollo del par de torsión de reluctancia. No hay devanados de campo en el rotor, y por ende no se requiere fuente de excitación. Los devanados de la armadura del estator se energizan entonces directamente a partir de una l ínea de suministro de CA. El motor de inducción es simple y económico en su fabricación , pero no ofrece el rendimiento del motor sincrónico. Por otra parte, los motores sincrónicos son más complejos y costosos debido al excitador, los anillos colectores y las escobillas requeridos para la operación. Esto aumenta también los requerimientos de mantenimiento, mientras que el motor de inducción es virtualmente libre de mantenimiento. Los motores de CD con escobillas tienen desventajas similares aunque son más fáciles de controlar y tienen excelentes características de tracción. Los anillos colectores y las escobillas se eliminan en los motores sincrónicos sin escobillas, pero la configuración del excitador de CA sin escobillas significa aún un costo, un espacio y una complejidad adicionales. Los motores sincrónicos de imán permanente parecen ser los más atractivos. Sin embargo, la fabricación y el alto costo de los imanes permanentes de alta resistencia de campo, y el proceso de unir estos imanes al rotor, especialmente para máquinas grandes, se vuelve un reto de la ingeniería. La resistencia de campo máxima de los imanes permanentes está limitada también por el estado actual de la técnica. El motor sincrónico de inducción, aunque muy simple en su construcción , no es muy eficiente y generalmente es mucho más grande que un motor sincrónico de anillo colector para un rendimiento similar. En la práctica, los motores sincrónicos de inducción no han encontrado mucho uso por arriba de algunos kilovatios. Breve Descripción de la Invención De acuerdo con un aspecto de la invención , se proporciona un motor eléctrico que incluye: un estator que tiene devanados de estator dispuestos para formar una o más fases de estator; un arreglo de rotor de polo saliente dentro del estator cuyo rotor está separado del estator mediante un espacio de aire, dicho rotor que está formado y configurado de manera que el arreglo de polo saliente define una trayectoria de reluctancia magnética mayor y una inferior a través de dicho espacio entre el rotor y el estator, y cuyo rotor incluye además devanados de campo alrededor de los polos salientes del rotor cuyos devanados de campo están configurados para formar por lo menos un par de polos, dichos devanados de campo que terminan en un interruptor eléctrico selectivo el cual determina la continuidad eléctrica de dichos devanados de campo de manera que una polarización negativa de voltaje de reversaa impuesta a través del interruptor resulta en que el devanado de campo es circuito abierto; y medio de control el cual está configurado para regular la magnetización de los devanados de campo mediante la aplicación de un voltaje a la fase del estator vinculada a los devanados de campo vía la trayectoria de reluctancia inferior de manera que la fase del estator energizada impone, a su vez, una polarización negativa de voltaje inversa a través del interruptor mediante inducción, esta polarización negativa de reversa que evita el flujo de corriente en los devanados de campo , sino el voltaje aplicado a la fase del estator aumenta la densidad del flujo magnético en el rotor, el medio de control que remueve después dicho voltaje aplicado una vez que se alcanza una densidad de flujo determinada en el rotor de manera que la remoción del voltaje aplicado induce una inversión de voltaje a una polarización negativa de voltaje hacia delante a través del interruptor permitiendo que fluya la corriente en los devanados de campo tal corriente evita la degradación de la densidad de flujo en dicho rotor, y tal medio de control está configurado además para regular la producción de par de torsión en el motor mediante la aplicación de un voltaje a otra fase del estator que no es responsable para energizar los devanados de campo, en ese momento en el curso del tiempo, de manera que, en cualquier momento dado, una fase del estator es utilizable para magnetizar los devanados de campo mientras que otra fase o fases es/son responsable(s) de la producción de par de torsión, de manera que, en rotación , todas las fases del estator alternan en la función de producir par de torsión y regular la magnetización de los devanados de campo del rotor. Se debe apreciar que la conmutación selectiva en el devanado de campo mejora la eficiencia del motor capturando efectivamente la densidad de flujo magnético en el rotor cuando se permite que fluya corriente en el devanado de campo. Esto ya no requiere más que el devanado del estator suministre corriente de magnetización continuamente así como también corriente de par de torsión, como es el caso con, por ejemplo, los motores de inducción existentes. Se debe apreciar además que el motor emplea un principio de tiempo de retorno con el fin de magnetizar el rotor. El estator puede incluir una pluralidad de laminaciones de metal ranuradas empacadas para reducir corrientes parásitas en el estator. El rotor puede incluir una pluralidad de laminaciones de metal ranuradas empacadas para reducir corrientes parásitas en el rotor. La conmutación selectiva puede incluir un diodo de rueda libre.

La conmutación selectiva puede incluir un dispositivo de estado sólido, por ejemplo un transistor, un tiristor, o los similares. El medio de control puede incluir un microprocesador. El medio de control puede incluir conmutadores electrónicos para controlar la energización de las fases del estator. Los conmutadores electrónicos pueden incluir transistores. En consecuencia, los conmutadores electrónicos pueden estar dispuestos en un arreglo de puente en H . El medio de control puede incluir sensores para detectar la posición del rotor con relación a las fases del estator para regular la energización de las fases en las instancias correctas. El medio de control puede estar configurado para determinar la posición del rotor a partir de las características de corriente y voltaje de fase del estator. El medio de control puede regular la densidad de flujo en el rotor dependiendo de la velocidad del motor, por ejemplo a alta velocidad el devanado de campo necesita ser magnetizado solamente cada pocas revoluciones del rotor, mientras que a baja velocidad el devanado de campo puede requerir magnetizado múltiples veces durante una revolución del rotor. El medio de control puede estar configurado para controlar el motor como un generador bajo circunstancias adecuadas. Una fase del estator puede estar dedicada para magnetizar el devanado de campo. En consecuencia, la fase del estator puede estar dedicada a la producción de par de torsión en el motor. Breve Descripción de los Dibujos La invención será descrita ahora, a manera de ejemplo no limitante, con referencia a los dibujos adjuntos, en donde: La Figura 1 muestra, en vista de sección transversal radial , un motor eléctrico, de acuerdo con la invención . La Figura 2 muestra, en vista de sección transversal axial, el motor eléctrico de la Figura 1 . La Figura 3 muestra, en vista esquemática , un diagrama de circuito que representa una interacción de la fase de la armadura con el devanado de campo a través de la trayectoria de reluctancia magnética inferior. Las Figuras 4a y 4b muestran, en vista de sección transversal radial , el rotor del motor en posiciones diferentes con relación a la armadura. La Figura 5 muestra gráficas de la corriente y la densidad de flujo de los diferentes devanados de campo y de armadura durante la operación del motor mostrado en la Figura 1 . La Figura 6 muestra, en vista esquemática, una modalidad del medio de control . La Figura 7 muestra, en vista de sección transversal radial, una modalidad más del motor; y La Figura 8 muestra gráficas de las corrientes del devanado de la armadura durante la operación del motor mostrado en la Figura 7. Descripción Detallada de la Invención Con referencia a los dibujos adjuntos, un motor eléctrico, de acuerdo con la invención, está indicado generalmente por el número 1 0 de referencia. Haciendo referencia a las Figuras 1 y 2, el miembro externo del motor 1 0 consiste de laminaciones 1 1 de acero ranuradas empacadas para sujetar los devanados 12 de la armadura, los cuales conjuntamente constituyen el estator 1 3. Los devanados 1 2 de la armadura están divididos además en dos devanados 12.1 y 1 2.2 separados que constituyen dos fases separadas. De manera similar, el miembro interno consiste de laminaciones 1 5 de acero empacadas fijadas relativamente a una flecha 1 6 de impulsión con un devanado 1 7 de campo que termina en el interruptor selectivo que es un diodo de rueda libre o rectificador 1 8, en esta modalidad , que constituyen colectivamente el rotor 1 4 que es capaz de girar con relación al estator 1 3. Se aprecia que, para propósitos de explicación, en la Figura 1 se muestra un sistema d-q de coordenadas de referencia. Este sistema de coordenadas está asociado o referenciado de manera giratoria con el rotor 1 4. Con respecto al arreglo de polos salientes del rotor 1 4, el espacio de aire en el eje d directo es mucho más pequeño que el espacio de aire en el eje q de cuadratura. La reluctancia del circuito magnético a lo largo del eje q es entonces mucho más grande que la reluctancia a lo largo del eje d . Éste es un aspecto importante de la invención y es integral con su modo de operación. La reluctancia mayor en el eje q reduce el acoplamiento magnético del par de torsión que produce la fase de la armadura con el rotor 14, lo cual es deseable. El espacio de aire más grande a lo largo del eje q proporciona también espacio para el devanado de campo que resulta en la estructura de polos salientes. Se debe apreciar que la invención requiere generalmente que el rotor 14 sea de una naturaleza de polos salientes. La forma de las laminaciones 1 5 es similar a aquella de un motor de reluctancia (no mostrado), pero el motor 1 0 no opera con par de torsión de reluctancia; la acción de la combinación del devanado 1 7 de campo y el diodo 1 8 está directamente involucrada en la producción de par de torsión. En la modalidad mostrada, el rotor 1 4 tiene un par de polos, pero en otras modalidades, el rotor puede estar construido con múltiples pares de polos. De manera similar, el estator 1 3 puede estar construido con más de dos fases en modalidades adicionales. Haciendo referencia ahora a la posición del rotor 14 con relación a los devanados 12.1 y 12.2 de fase de la armadura en la Figura 1 , un aspecto novedoso de la invención es el método mediante el cual el par de polos del rotor 14 se magnetiza, es decir, el método mediante el cual se excita el devanado 1 7 de campo. Ignorando por el momento la acción del devanado 1 7 de campo: la corriente aplicada a la fase 1 2.1 de la armadura producirá un campo magnético en la dirección del eje q. De manera similar, la corriente aplicada a la fase 1 2.2 de la armadura producirá un campo magnético en la dirección del eje d . El campo magnético en el eje d será muchas veces más grande que aquel en el eje q debido a la reluctancia mucho más grande en el eje q . En operación, ya sea estacionaria o giratoria , mediante la temporización correcta y la conmutación de las fases 12.1 y 1 2.2 de la armadura la excitación del campo magnético del rotor 1 4 se mantendrá en un máximo a lo largo del eje d y un m ínimo a lo largo del eje q (esencialmente cero). Cuando el eje central del devanado 1 2.1 o 1 2.2 de fase de la armadura se alinea con el eje d directo del rotor 1 4, entonces el devanado de la armadura particular se acopla fuertemente con el devanado 1 7 de campo. De manera similar, cuando el eje central del devanado 12.1 o 12.2 de fase de la armadura se alinea con el eje q de cuadratura del rotor 1 4, entonces el devanado de la armadura particular se acopla débilmente con el devanado 1 7 de campo. La Figura 3 un esquema de una representación 20 de transformador del devanado 12.2 de armadura acoplado fuertemente al devanado 1 7 de campo terminado en el diodo 1 8. El devanado 1 2.2 de la armadura sirve como el primario del transformador 20, y el devanado 1 7 de campo sirve como el secundario del transformador 20. Se debe apreciar que la representación 20 de transformador es válida solamente cuando el eje central del devanado 12.2 de fase de la armadura está alineado con el eje d directo de rotor, es decir fuertemente acoplado. Cuando el devanado 1 2.2 de la armadura está en cuadratura con el devanado 1 7 de campo, no hay acción del transformador debido a que el eje central de los devanados respectivos está perpendicular uno con otro. Como convención, los puntos negros 21 .1 y 21 .2 indican la "misma" polaridad de los devanados respectivos. Hay dos posiciones del rotor 1 4 en un ciclo completo de rotación cuando el eje central de la fase 12.2 de la armadura se alinea con el eje d del rotor. En una primera posición, el conmutador 22 se cierra de manera que se aplica voltaje positivo al primario 1 2.2, el diodo 1 8 será polarizado negativamente en reversa, como se muestra en la Figura 3. En una segunda posición, el rotor 14 que está girado 1 80° con voltaje positivo aplicado al primario 1 2.2, el diodo será polarizado negativamente hacia delante (no mostrado). Considerando la primera posición , el conmutador 22 se cierra aplicando entonces un voltaje positivo al devanado 1 2.2 primario. Se induce un voltaje en el secundario 1 7 el cual aplica una polarización negativa en reversa al diodo evitando que fluya corriente en el devanado 1 7 secundario. Sin embargo, la corriente de magnetización en el devanado 12.2 primario y, por ende, la densidad de flujo magnético en las laminaciones 1 5 del rotor aumentarán o escalarán desde cero, de acuerdo con: v = L. di/dt ( 1 ) di = dt.v/L (2) en donde: v es el voltaje aplicado en voltios (V) L es la inductancia primaria en Henrys (H ) dt es el cambio en tiempo en segundos (s) El conmutador 22 se abre cuando la densidad de flujo magnético alcanza el valor predeterminado o deseado. Esto interrumpe la corriente primaria que debe descender a cero - el régimen de cambio de la corriente di/dt es por lo tanto negativo y a partir de la ecuación ( 1 ) el voltaje a través del devanado primario se vuelve negativo. En consecuencia, el devanado secundario experimenta también una inversión de voltaje mediante inducción, que causa que el diodo 1 8 se polarice negativamente hacia delante y sea conductor. La corriente así causada para fluir en el devanado 1 7 secundario será proporcional a la densidad de flujo magnético creada en las laminaciones 1 5 de núcleo por el devanado 1 2.2 primario en primer lugar. La corriente en los devanados 1 7 de campo del rotor captura efectivamente la densidad de flujo magnético en las laminaciones 1 5 de núcleo. Se debe apreciar que el voltaje impreso a través del devanado 1 7 secundario por el voltaje hacia delante del diodo 1 8 es muy inferior al voltaje aplicado inicialmente a través del primario 12.2. A partir de la ecuación ( 1 ), esto significa que el régimen de caída de la corriente di/dt del secundario 1 7 y por ende la caída de la densidad del flujo magnético es mucho más lenta que el régimen de rampa de la corriente del primario 12.2 y por ende el régimen de rampa de la densidad de flujo magnético. Como tal , el tiempo de caída de la magnetización de campo puede ser designado que es órdenes de magnitud más largo que el tiempo de rampa mediante la selección correcta del voltaje aplicado, y relación de vueltas de primario a secundario. Por ejemplo, un voltaje típico aplicado puede ser de 300 V y el voltaje hacia delante del diodo puede ser de 1 V, y tomando en cuenta la relación de vueltas, una vez que el campo del rotor está en magnetización máxima necesita solamente cargarse durante 50us cada 1 5ms, es decir, para mantener la fuerza del campo dentro del 1 0% de su máximo. Entonces considerando ahora solamente la magnetización del rotor 1 4 de la Figura 1 (y no producción de par de torsión ) con el rotor 14 girando a velocidad relativa con el estator 1 3. El medio de control o electrónica de impulsión con energía (no mostrada) aplica brevemente el voltaje de polaridad correcta a la fase 12.1 o 12.2 de armadura en particular siempre que el eje d directo del rotor 14 (con la polaridad correcta del diodo 1 8) se alinee momentáneamente con, al pasar, el eje central de la fase 1 2.1 o 1 2.2 para dar al rotor una "carga" magnética. En el arranque, el tiempo de "carga" magnética será diez veces más largo, por decir, que el tiempo de "carga" superior de corrida, con el fin de obtener el campo magnético del rotor 1 4 hasta su valor máximo inicialmente. Cuando corre a alta velocidad la magnetización del rotor 14 puede necesitar solamente suplementar cada algunos ciclos mientras que a velocidad muy baja puede necesitar suplementar unas cuantas veces por ciclo. En una modalidad preferida de la invención , se usa un diodo 1 8 como el elemento de conmutación en el devanado del rotor 1 7. Sin embargo, se debe apreciar que se puede usar cualquier tipo de elemento de conmutación que se sincronice adecuadamente con la conmutación de los devanados 1 2.1 y 1 2.2 de fase de la armadura, por ejemplo transistor, tiristor, y o los similares. Adecuadamente una persona experta en la técnica apreciará que se emplea un principio similar a aquel descrito anteriormente en la operación de un transformador de tiempo de retorno en un suministro de energía con modo conmutado. Sin embargo, en el transformador de tiempo de retorno, la energía se transfiere continuamente desde el devanado primario a un devanado secundario fijo conectado a una carga resistiva, mientras que en el motor 1 0 se usa el principio de tiempo de retorno para mantener la densidad de flujo magnético en un rotor giratorio, relativo. Consideremos ahora la producción de par de torsión en el motor 1 0. La fuerza ejercida en un conductor que lleva corriente en y perpendicular a un campo magnético es dada mediante la ecuación de fuerza de Lorentz: F = l .i.B (3) donde: F es la fuerza en Newtons, N . I es la longitud del conductor en metros, m. i es la corriente en el conductor en amperes, A. B es la densidad de flujo magnético en Tesla, T.

Y el par de torsión en un motor estaría dado por: T = F.r = l .i .B . r (de (3)) (4) donde: r es el radio de rotor. T es el par de torsión en N .m. F es la fuerza en Newtons, N . Haciendo referencia a la Figura 1 , suponiendo que el rotor 1 4 está completamente magnetizado. Las líneas 1 9 de flujo magnético que pasan de manera azimutal a través del núcleo 1 3 del estator no cruzan los conductores de la fase 1 2.2 de la armadura y por ende estos conductores no experimentan fuerza. Los conductores de fase 1 2.2 de la armadura, sin embargo, son perpendiculares a, y caen directamente en, las líneas 19 de flujo magnético que cruzan desde el estator 1 5 hasta el rotor 14 a través del espacio de aire y así experimentan un par de torsión de acuerdo con la ecuación (4). Puesto que los conductores del devanado 12.1 de fase de la armadura están fijos en el estator 1 3 y puesto que el rotor 14 a su vez experimenta una reacción opuesta, el rotor 14 experimentará el par de torsión y el movimiento resultantes. Así, el par de torsión es producido en el rotor 14 mediante el flujo de corriente en los conductores 1 2.1 o 12.2 del estator que están ubicados en el espacio de aire más pequeño, o el eje d . En operación, ambas fases 12.1 y 1 2.2 de la armadura producirán alternativamente par de torsión y carga de magnetización a medida que gi ra el motor. La corriente que produce el par de torsión será aplicada d urante una porción grande del ciclo del rotor mientras que la magnetización será una fracción del tiempo . Los transistores de energía controlada del microprocesador, con detección de posición adecuada del rotor, y la retroalimentación de corriente de fase de la armadu ra , pueden realizar la temporización requerida y el control de corriente entre las fases. La posición ang ular del rotor 1 4 puede ser determinada directamente a través de elementos de detección montados en el rotor 1 4 y circuitos de retroalimentación. De otra manera, la posición puede ser determi nada i ndirectamente a parti r de las características del voltaje y la corriente de los devanados de la armad ura puesto que éstos son afectados por la reluctancia variable presentada por el rotor 1 4 dependiendo de su posición angular (debido a la d iferencia en espacio de aire en el eje directo y de cuadratura). En otras palabras, en una primera posición del rotor mostrada en la Figu ra 4a, el devanado 1 2.1 de fase de la armad ura prod uce par de torsión cuando lleva corriente mientras que al mismo tiempo el devanado 1 2.2 de fase de armadura carga el campo magnético en el rotor 1 4. De manera similar, en una segunda posición del rotor mostrada en la Figura 4b, se invierten los papeles y el devanado 1 2.2 de fase de la armadu ra produce par de torsión mientras q ue el devanado 1 2.1 de fase de la armadura carga el campo magnético en el rotor 1 4. Las gráficas q ue muestran las corrientes I 1 2. ? ? 11 2.2 y ' i 7 para los devanados 1 2.1 y 12.2 de fase de la armadura y el devanado 1 7 de campo del rotor, respectivamente, y la densidad B 4 de flujo magnético del rotor 1 4 versus el tiempo en un ciclo completo de rotación se dan en la Figura 5, para una dirección particular de rotación . Las formas de onda de la corriente I 12.1 y U 2.2 de fase de la armadura consisten de dos segmentos que producen par de torsión y dos pulsos de magnetización en un ciclo completo, según se indica. Se debe apreciar que la dirección de rotación del rotor 14 se invierte fácilmente cambiando la polaridad de una de las corrientes l1 2.i o l1 2.2 de fase de la armadura, o simplemente cambiando la secuencia de temporización de I 12.1 y ? 12.2 · El motor 10 operará como un generador invirtiendo la polaridad de los segmentos que producen par de torsión de las corrientes l 2 1 y ? 2.2 de fase de la armadura, pero con la misma temporización y polaridad del pulso de corriente de magnetización como se muestran en la Figura 5. Ya sea como motor o generador, en dirección hacia delante o en reversa, la temporización de las corrientes se sincroniza con la posición del rotor 1 4. En la Figura 6 se muestra un circuito electrónico para el medio de control para impulsar el motor 10. Una representación esquemática del motor 1 0 está incluida mostrando los devanados 1 2.1 y 12.2 de la armadura; el rotor 14, el devanado 17 de campo del rotor y el diodo 1 8 de rueda libre. En la modalidad mostrada, una fuente de energía de CD (no mostrada) suministra la barra colectora 45.1 y 45.2 de CD principal para el motor 1 0. Se usa un arreglo de "puente en H" de transistores 40.1 , 40.2, 40.3, 40.4 MOSFET para conmutar la corriente requerida al devanado 12.1 de fase de la armadura y se usa un arreglo de "puente en H" de transistores 42.1 , 42.2, 42.3, 42.4 MOSFET para conmutar la corriente requerida al devanado 1 2.2 de fase de la armadura. Esto permite controlar independientemente cualquier fase, para polaridad de corriente positiva y negativa y, a través del empleo de modulación de ancho de pulso, el control independiente de las magnitudes de la corriente. Un microprocesador 52 controla la conmutación de los MOSFETs vía una interfase 50 de impulsor de MOSFET y por ende controla directamente la temporización , magnitud y polaridad de las corrientes I 1 2.1 . 11 2.2 y 11 7 - Elementos 41 .1 , 41 .2, 41 .3, 41 .4 de detección de corriente proporcionan señales de retroalimentacion al microprocesador 52 vía un convertidor 54 de analógico a digital para control de magnitud de corriente. Se requiere la posición del rotor 1 4 con relación al estator 1 3 para que el microprocesador controle las corrientes l1 2. i y I 12.2 de fase y la corriente l17 de campo del rotor, en magnitud y temporización, de acuerdo con la Figura 5. Un ejemplo de un medio de detección de posición de rotor se muestra mediante el uso de un disco 30 fijado de manera giratoria al rotor 14; y cuatro sensores 31 .1 , 31 .2, 31 .3, 31 .4 reflectores ópticamente fijados con relación al estator del motor. El disco 30 tiene un segmento de 90° coloreado (blanco) de manera reflectora como se muestra, con el restante segmento de 270° que es no reflector. Las señales de los sensores ópticos 31 .1 , 31 .2, 31 .3, 31 .4 son regresadas al microprocesador 52 vía un buffer, o elemento 56 de acondicionamiento de señal . Con el disco 30 colocado como se muestra con el elemento o reflector, blanco, bajo el sensor 31 .2 óptico, la señal regresada por el sensor óptico 31 .2 sería un d ígito "1 " por ejemplo, y la señales regresadas por los sensores 31 .1 , 31 .3, 31 .4 restantes sería un dígito "0". El microprocesador 52 controla así la corriente aplicada a los devanados 1 2.1 y 12.2 de fase de la armadura de acuerdo con la Figura 5 sincronizados con la posición del rotor 1 4, determinado por las combinaciones digitales regresadas por los sensores 31 ópticos. Otro medio de detección puede ser empleado también, tal como detección de posición acoplada magnéticamente, interruptores de contacto deslizante directo, conmutador o los similares. En una modalidad preferida, el microprocesador 52 monitorea el estado de los interruptores y un resistor variable incluido en el panel 58 de interfase de usuario para iniciar, detener o cambiar la dirección el motor. Al arranque del motor 1 0, el rotor 14 se desmagnetiza inicialmente de manera completa, es decir no fluye corriente l 7 a través del devanado 1 7 de campo y el diodo 18 de rueda libre. Como tal , el rotor 14 debe ser magnetizado o "cargado" primero completamente por lo que se acople fuertemente a los devanados 12.1 o 1 2.2 de la armadura con el devanado 1 7 de campo del rotor (como por la Figura 3 y su descripción correspondiente). El microprocesador 52 determina la orientación del rotor 14 con respecto a los devanados 1 2.1 y 12.2 de la armadura a partir de la señales obtenidas de los sensores 31 y selecciona el devanado 12.1 o 12.2 que se acople fuertemente al campo 1 7 del rotor y determina la dirección de la corriente requerida. El microprocesador 52 conmuta en el par de transistores MOSFET requerido a partir de los dos "puentes en H" 40 y 42 para cargar la densidad B14 de flujo magnético en el rotor 1 4 hasta el valor requerido. El rotor 14 permanece estacionario durante este proceso . Una vez que la densidad de flujo magnético ha alcanzado el valor requerido, el devanado de 12.1 o 12.2 de armadura activo o de carga se apaga. Sí hay una carga razonable o ligera acoplada al motor 0 se acelerará hasta la velocidad y la temporización y el control de corrientes se parecerán a aquellos mostrados en la Figura 5. Sin embargo, sí la carga es muy grande para el motor 1 0, es decir rotor 14 trabado, o una carga de alta inercia, el primer devanado 12.1 o 12.2 de armadura tendrá que mantener suplementada la densidad B 14 de flujo magnético del rotor 1 4, mientras que el segundo devanado tendrá que mantener el suministro de corriente de impulso o par de torsión continuamente hasta que el rotor 14 empieza a regresar con lo que los dos devanados 12.1 y 1 2.2 de la armadura empezarán alternativamente a suministrar corriente de par de torsión y corriente de magnetización de acuerdo con la posición del rotor 14. La descripción general anterior y la mecánica, devanados y electrónica son la modalidad preferida de la invención. Una segunda modalidad podría ser implementada con devanados 1 2.1 y 1 2.2 de armadura que son siempre devanados que producen par de torsión , con los devanados 1 2.3 y 1 2.4 adicionales colocados en el estator siendo siempre devanados de magnetización. Un esquema de esta modalidad se muestra en la Figura 7, y las gráficas de corriente correspondientes se muestran en la Figura 8. Las gráficas en la Figura 5 son un ejemplo de formas de onda y temporización de corrientes de armadura l 2. i y I 12.2 posibles. Las porciones de corrientes que producen par de torsión se muestran como valores constantes para un cuarto de un ciclo, o 90° de ángulo mecánico del rotor 14, por simplicidad. Estas formas de onda pueden ser modificadas para optimizar el par de torsión y reducir los armónicos, por ejemplo escalonada, sinusoidal o los similares. La porción de pulso de corriente de magnetización de las corrientes l12 1 y I 12.2 de la armadura puede tener una magnitud mucho más grande que la porción que produce par de torsión , pero el ancho de pulso será unas cien veces, o más, más angosto resultando en un promedio o valor de RMS de corriente de magnetización mucho menor que el promedio o valor de RMS de corriente de par de torsión. Por ejemplo, el valor de RMS de pulso de magnetización puede ser de solamente 0.5A para un valor de 10A de RMS de corriente de par de torsión. La corriente de pulso de magnetización produce por lo tanto pérdidas por calentamiento muy pequeñas en los devanados 1 2 del estator en comparación con la corriente que produce par de torsión.

La porción principal de las pérdidas de magnetización ocurre en los devanados 1 7 del rotor, puesto que la corriente l1 7 de devanado de campo del rotor es casi continua en un valor razonable. Se debe apreciar que la corriente de magnetización máxima en un motor de inducción está limitada generalmente por la capacidad de transporte de corriente de los devanados de estator y la distorsión armónica de la corriente de magnetización sinusoidal cuando se aproxima a la saturación magnética. La magnetización máxima de un motor de imán permanente está limitada por el estado actual de la técnica que concierne a la producción de imán . El motor 1 0 descrito en la presente no sufre de estas desventajas y se obtiene una magnetización mucho más alta del rotor y mayor corriente de par de torsión, a eficiencias comparables, lo que resulta en mayor densidad de energía y par de torsión de tamaño similar. La eficiencia global del motor 1 0 puede optimizarse de manera dinámica manteniendo las pérdidas de cobre el rotor 14 iguales a las pérdidas de cobre del estator 1 3. El microprocesador 52 puede ajustar las magnitudes de corriente de par de torsión y corriente de magnetización para eficiencia óptima, en el rango completo de velocidad y carga variable. Se debe entender que los ejemplos se proporcionan para ilustrar la invención adicionalmente y para ayudar a una persona experta en la técnica con el entendimiento de la invención y no significa que se interprete como limitando indebidamente el alcance razonable de la invención .

El inventor ve como una ventaja que el motor tenga un desempeño global que excede a aquel del motor sincrónico, el motor de inducción y el motor con escobillas o sin escobillas de CD, mientras que incorpora la simplicidad y la facilidad de fabricación con costo efectivo del motor de inducción. El inventor ve como una ventaja adicional que el motor tiene una densidad de energía y eficiencia mayores en comparación con otros tipos de motores. El inventor ve como una ventaja adicional que el motor tiene par de torsión de arranque elevado para baja corriente de arranque lo cual encuentra aplicación particular en aplicaciones de tracción. El inventor ve también como una ventaja que el control de velocidad y par de torsión dinámicos a eficiencia óptima en el rango de carga completo, con operación de cuatro cuadrantes (motorización , generación, hacia delante y en reversa), es simple de implementar.

Claims (3)

1. REIVIN DICACION ES 1 . Un motor eléctrico que incluye: un estator que tiene devanados de estator dispuestos para formar una o más fases de estator; un arreglo de rotor de polos salientes dentro del estator, tal rotor está separado del estator mediante u n espacio de ai re, dicho rotor que está formado y configurado de manera que el arreglo de polos salientes define una trayectoria de reluctancia magnética superior y una i nferior a través de dicho espacio entre el rotor y el estator, y dicho rotor i ncl uye además devanados de campo alrededor de los polos sal ientes del rotor, tales devanados de campo están configurados para formar por lo menos un par de polos, dichos devanados de campo que terminan en un interruptor eléctrico selectivo que determi na la continuidad eléctrica de dichos devanados de campo de manera que una polarización negativa de voltaje en reversa impuesta a través del interruptor resulta en que se abra el ci rcuito de devanado de campo ; y medio de control que está configurado para reg ular la magnetización de los devanados de campo mediante la aplicación de un voltaje a la fase de estator vinculada a los devanados de campo vía la trayectoria de reluctancia i nferior de manera que la fase de estator energizada i mpone a su vez una polarización negativa de reversa a través del interruptor mediante ind ucción , esta polarización negativa de reversa que evita el flujo de corriente en los devanados de campo , pero el voltaje aplicado a la fase de estator que aumenta la densidad de flujo magnético en el rotor, el medio de control que remueve después dicho voltaje aplicado una vez que se alcanza una densidad de flujo predeterminada en el rotor de manera que la remoción del voltaje aplicado induce una inversión de voltaje a una polarización negativa de voltaje hacia delante a través del interruptor que permite que fluya corriente en los devanados de campo, tal corriente evita la caída de la densidad de flujo en dicho rotor y dicho medio de control está configurado además para regular la producción de par de torsión en el motor mediante la aplicación de un voltaje a otra fase de estator no responsable para energizar los devanados de campo, en ese momento en el tiempo, de manera que, en cualquier momento dado, una fase del estator es utilizable para magnetizar los devanados de campo mientras que otra fase o fases es/son responsable(s) de la producción de par de torsión , de manera que, en rotación, todas las fases de estator alternan en la función de producir par de torsión y regular la magnetización de los devanados de campo del rotor.
2. 2. Un motor como se reivindica en la reivindicación 1 , en donde el interruptor selectivo incluye un diodo de rueda libre. 3. Un motor como se reivindica en la reivindicación 1 , en donde el interruptor selectivo incluye un dispositivo electrónico de estado sólido. 4. Un motor como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde el medio de control incluye un microprocesador. 5. Un motor como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde el medio de control incluye interruptores electrónicos para controlar la aplicación de voltaje a las fases del estator. 6. Un motor como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en donde el medio de control incluye sensores para detectar la posición del rotor con relación a las fases del estator para regular la aplicación de voltaje a las fases en las instancias correctas. 7. Un motor como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en donde el medio de control está configurado para determinar la posición del rotor a partir de las características de corriente y voltaje de la fase del estator. 8. Un motor como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en donde el medio de control regula la densidad de flujo magnético en el rotor dependiendo de la velocidad del motor. 9. Un motor como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en donde el medio de control está configurado para controlar el motor como un generador bajo circunstancias adecuadas. 1 0. Un motor como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en donde la fase de estator está dedicada a magnetizar los devanados de campo. 1 1 . Un motor como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 1 0, en donde la fase de estator está dedicada a la producción de par de torsión en el motor. 12. Un motor como se reivindica en la reivindicación 1 , sustancial mente como se describe que ilustra en la presente. 1
3. 3. Un nuevo motor sustancialmente como se describe presente.