MXPA00007854A - Motor de corriente directa sin escobilla de potencia constante - Google Patents

Abstract

Se proporciona un motor de corriente directa sin escobilla de potencia constante, que incluye un estator que se enrolla en paralelo mediante fases y polaridades y estáconfigurado por n fases múltiples, teniendo el rotor un número determinado de polaridades, el cual se requiere que concentre el flujo magnético en suárea, un codificador de conmutación que incluye regiones sensoras y regiones no sensoras, y dos fotosensores fijos en cada fase, estando los dos sensores conectados a un controlador, para excitar solamente (n- ) fases entre n fases, arrancando y girando el motor, mediante lo cual se produce un motor de corriente directa de potencia constante sin conmutador, el cual es efectivo para ahorrar energía, tiene buena característica de conversión de velocidad continua y configuración compacta. La figura más representativa de la invención es la número 1.

Description

o MOTOR DE CORRIENTE DIRECTA SIN ESCOBILLA DE POTENCIA CONSTANTE CAMPO TÉCNICO La presente invención se relaciona con un nuevo sistema de motor, y en particular, con un motor de corriente directa sin escobilla de potencia constante, el cual es efectivo para ahorrar energía, tiene buenas características de conversión de velocidad a partir de una baja velocidad a una alta velocidad, no tiene ondulación del momento de torsión, produce alta potencia con bajo voltaje, tiene excelentes características de velocidad estable y alta eficiencia, tiene configuración compacta que no requiere un sistema de enfriamiento, y es capaz de ser fabricado de manera completamente automatizada con bajo costo de producción. ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Un motor de corriente directa convencional tiene problemas porque su escobilla y conmutador se desgastan con el paso del tiempo, su configuración es complicada, y requiere un alto costo de producción. Especialmente, es difícil obtener una alta velocidad por arriba de 6000 rpm usando un motor de potencia convencional. Con un motor invertidor de corriente alterna, su momento de torsión de arranque es débil, el controlador necesita alto costo, y no se puede producir potencia constante. Además, un motor de reluctancia es inferior a otros motores en términos de costos de fabricación, tamaño y peso, y no produce potencia constante. En general, un motor de corriente directa sin escobilla se usa ampliamente en motores de tamaño pequeño. Sin embargo, es difícil fabricar la superficie del permanente sobre el cual se fija el rotor, su controlador lleva a cabo el control de cuatro cuadrantes, requiriendo alto costo, y no se puede producir potencia constante. Más aún, el motor de corriente directa sin escobilla no puede resolver completamente problemas de rotación no uniforme, ondulación del momento de torsión y generación de calor. DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN De conformidad con lo anterior, la presente invención se dirige a un motor de corriente directa sin escobilla de potencia constante que sustancialmente resuelve uno o más de los problemas debidos a las limitaciones y desventajas de la técnica anterior. Un objeto de la presente invención es proporcionar un motor de corriente directa sin escobilla de potencia constante, el cual no tenga ondulación de momento de torsión, produzca alta potencia con un voltaje bajo, tenga excelentes características de velocidad estable y alta eficiencia, tenga configuración compacta que no requiera un sistema de enfriamiento, y sea capaz de ser fabricado de manera completamente automatizada con bajo costo de producción.

Para lograr el objeto de la presente invención, se proporciona un motor de corriente directa sin escobilla de potencia constante que incluye: un estator que está enrollado en paralelo mediante fases y polaridades y configurado por n fases múltiples, cada una de las bobinas de enrollamiento del estator que no están conectadas entre sí se conecta con cada uno de n puentes H completos, los n puentes H completos se conectan a un suministro de energía de corriente directa en paralelo; un rotor que tiene un número predeterminado de polaridades, el cual se requiere que concentre flujo magnético en su área; un codificador de conmutación que incluye regiones sensoras y regiones no sensoras, estando el codificador de conmutación puesto externamente a un lado de la flecha del rotor; y dos fotosensores puestos en cada fase, estando los dos fotosensores conectados con la mitad del puente H de cada fase, para encender/apagar la mitad del puente H, la distancia entre las regiones sensoras y el codificador conmutador se determina para permitir que a fases entre n fases sean excitadas todo el tiempo, reconociendo los fotosensores o. a las fases excitadas. Es preferible que el estator tenga ranuras angostas para remover el fenómeno de cancel . El número de fases de las n fases, que serán excitadas, se determina por la distancia entre las regiones sensoras, la distancia entre las regiones sensoras se determina a través de la siguiente expresión, distancia entre las regiones sensoras = (2p x número de fases que se van a excitar) / (número de polaridades de rotor x número de fases del motor) ( ° ) El número de regiones sensoras en el codificador de conmutación se determina a través de la siguiente expresión, número de regiones sensoras = (número de polaridades del rotor) /2 La distancia entre los fotosensores en una placa de sensor se determina por la siguiente expresión, distancia entre los fotosensores = 2p/ (número de polaridades del rotor x número de fases del motor) ( ° ) Entre las n fases, a fases se excitan pero ß no se excitan todo el tiempo. Es preferible que ß=l, correspondiendo ß al número de fases que no están excitadas . El motor de corriente directa sin escobilla de potencia constante de la presente invención, que tiene fases múltiples de 2, 3, 4, 5, 6, ..., n fases, está configurada por 1, 2, 3, 4, 5, ..., Oí fases excitadas y l, 2, 3, 4, 5, ..., ß fases no excitadas, para alternar las fases excitadas y las fases no excitadas, siendo arrancado y girado. El rotor está configurado por un imán permanente, el estator está configurado por enrollado independiente en fases múltiples, y el codificador de conmutación se fija externamente a un lado de la flecha del rotor que se va a rotar. Las n fases incluyen 2n sensores que se conectan a la etapa de interruptor para captar la localización del rotor, indicando la dirección y el intervalo de la corriente, mediante lo cual se arranca y gira el motor. El estator, rotor, sensores y controlador se construyen para ser fabricados automáticamente, reduciendo el costo de fabricación. Se entenderá que tanto la descripción general anterior como la siguiente descripción detallada son ejemplares y explicativas y están destinadas a proporcionar explicación adicional de la invención según se reclama. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Los dibujos acompañantes, que se incluyen para proporcionar un entendimiento adicional de la invención se incorporan y constituyen una parte de esta especificación, ilustran modalidades de la invención y junto con la descripción sirven para explicar los principios de la invención: En los dibujos: La Figura 1 es un diagrama en bloques de un motor de corriente directa sin escobilla de potencia constante de acuerdo con la presente invención. La Figura 2A ilustra la parte trasera del fotosensor del motor de corriente directa sin escobilla de potencia constante de acuerdo con la presente invención. La Figura 2B es una vista en corte transversal del sensor de la Figura 2A. La Figura 3A ilustra las ranuras eliminadas de cancel para remover el fenómeno de cancel del flujo magnético de la armadura. La Figura 3B ilustra el enrollado del estator del motor de polaridad 6 fase 5. La Figura 4A ilustra el rotor interno con polaridad 6 con imán de barra permanente insertado en una placa (acero) de sílice laminado. La Figura 4B ilustra el rotor externo de polaridad 16 con un imán de barra permanente insertado fuera de la placa de (acero) sílice laminado. La Figura 4C ilustra el anillo de deslizamiento del rotor electroimán de polaridad 6. La Figura 5A ilustra el circuito de impulso de motor de fase 5. La Figura 5B ilustra que el codificador de conmutación y los fotosensores del motor de polaridad 6 fase 5 se fijan en el rotor. La Figura 6 ilustra el momento de torsión generado cuando se excitan tres fases en el motor de polaridad 6 fase 5. La Figura 7A ilustra que la distancia correspondiente a tres fases se conmuta avanzando en el motor de polaridad 6 fase 8. La Figura 7B ilustra que la distancia correspondiente a cinco fases se conmuta avanzando en el motor de polaridad 6 fase 8; y La Figura 8 ilustra la característica de potencia constante del motor de corriente directa sin escobilla de potencia constante de acuerdo con la presente invención. MEJOR MANERA DE LLEVAR A CABO LA INVENCIÓN Ahora se hará referencia en detalle a las modalidades preferidas de la presente invención, ejemplos de las cuales se ilustrarán en los dibujos acompañantes. La configuración del motor de corriente directa sin escobilla de potencia constante de acuerdo con la presente invención se explica más adelante. Su estator, configurado de n fases, se conecta al conmutador electrónico en paralelo, estando cada fase independientemente enrollada. El rotor se configura por un imán permanente que tiene un número predeterminado de polaridades de 2, 4, 6, 8, ... para satisfacer el diseño del estator. El codificador de conmutación tiene una forma cilindrica construida de manera que la placa en forma de anillo se monta sobre la orilla de una placa en forma redonda. El codificador incluye una región sensora captada por un fotosensor y una región no sensora, estando la región sensora formada por el corte de la placa en forma de anillo para excitar (n-ß) fases. Esto es, la región sensora permite que fases entre las n fases se exciten todo el tiempo. Con el fotosensor, cada fase tiene dos fotosensores que operan de acuerdo con el codificador de conmutación. Un fotosensor y el otro fotosensor de una fase se colocan en el ángulo del espacio entre las polaridades del rotor, estando separados entre sí. Los fotosensores de cada fase se acomodan secuencialmente en el ángulo del espacio entre las fases . Con el conmutador electrónico, cada bobina que tiene fases múltiples se conecta con un número predeterminado del puente H completo, correspondiendo al número de fases, y cada uno de los dos fotosensores de cada fase se conecta con una mitad del puente H. El conmutador electrónico y cada puente H se conectan al suministro de energía en paralelo. De acuerdo con la configuración antes mencionada, la presente invención logra el motor de corriente directa sin escobilla de potencia constante que tiene conversión de velocidad continua y eficiencia uniforme. La Figura 1 es un diagrama en bloques del motor de corriente directa sin escobilla de potencia constante de acuerdo con la presente invención, el cual muestra un estator de fase 5, rotor, codificador de conmutación y codificador de control los cuales construyen el rotor (estator y rotor) , controlador y sistema de suministro de energía. Para la operación en ciclo abierto, el motor es controlado mediante solamente modulación de anchura de impulso sin emplear el codificador de control o la lógica de codificador de control . Para la operación en ciclo cerrado, el codificador de control, la lógica del codificador de control y la lógica de la memoria temporal de entrada se comparan con la lógica de control de modulación de anchura de impulso, realizando el control de velocidad o el control de localización con la modulación de la anchura del impulso. El motor es controlado mediante solamente la modulación de anchura de impulso sin usar el control de frecuencia variable o el control de vector, dando como resultado un control fácil del motor y una configuración de circuito simple. Las Figuras 2A y 2B ilustran el sensor de motor de polaridad 6 fase 5. El codificador de conmutación y el codificador de control se fijan externamente a un lado de la flecha del rotor colocado afuera del sujetador en la parte trasera del rotor, siendo girado con el rotor. El tablero sensor en el cual se colocan los fotosensores se fija sobre la circunferencia del sujetador. El tablero sensor se ajusta para ser fijado para permitir la conmutación avanzada. El codificador de control se construye de una manera que las aberturas (o ranuras) se formen en porciones deseadas de la placa en forma de anillo para permitir que el fotosensor emita impulsos, como se muestra en la Figura 1 y 2A. Aquí, el tamaño de las trincheras y el ángulo de partición entre ellas depende de las características del control de velocidad o control de localización del motor. La Figura 3A ilustra la placa de (acero) sílice forjado (o placa laminada) del estator de tipo polaridad 6 fase 5, construido de manera que se formen ranuras angostas entre las ranuras del enrollado. La Figura 3B ilustra el enrollado del estator de polaridad 6 fase 5. Cada una de las fases 5 se enrolla independientemente en paralelo, estando enrolladas en paralelo para cada polaridad, construyendo el estator. La Figura 4A ilustra un rotor con imán permanente de polaridad 6. Haciendo referencia a la Figura 4A, un imán permanente tipo barra se inserta en la placa (acero) de sílice laminado que se combina con el sostén tipo cola de paloma del cubo no magnético, construyendo el rotor. La Figura 4B ilustra el rotor de imán permanente tipo tortilla de rotor externo, y la Figura 4C ilustra un rotor electroimán tipo anillo deslizable. Las Figuras 5A y 5B ilustran el circuito conmutador electrónico del motor de polaridad 6 fase 5. En la configuración del codificador de conmutación, el número de regiones sensoras, esto es, las partes de reconocimiento de emisión de luz, se determina de acuerdo con la siguiente expresión: número de regiones sensoras = número de polaridades de rotor/2 De conformidad con lo anterior, el número de regiones sensoras en el motor de polaridad 6 fase 5 mostrado en la Figura 5 corresponde a 3. La anchura (ángulo de la flecha) de la región sensora se determina mediante la siguiente expresión. La anchura de la región sensora = {2p/ (número de polaridades x número de fases) } x número de fases que se van a excitar (°) De conformidad con lo anterior, con el motor de polaridad 6 fase 5 mostrado en la Figura 5, sólo tres fases se excitan para hacer el ángulo de la flecha de la región sensora de 36°. Haciendo referencia a las Figuras 5A y 5B, PAX conectado con Ql y Q4 de la mitad del puente cuya fase 1 se excita y PA2 conectado con Q2 y Q3 de otra mitad de puente cuya fase 1 se excita se localizan en la misma posición de diferentes polaridades. De este modo, cuando el circuito se electrifica, PAX de una fase se localiza en la región sensora para emitir un impulso positivo, encendiendo medio puente Ql y Q4 de la Figura 5A. Esto hace que la bobina se electrifique, y la bobina hace un ciclo por Ql y Q4 se excita. Mientras el rotor gira, el intervalo de encendido de medio puente Ql y Q4 es idéntico a la anchura de la región sensora del codificador de conmutación. Esto es, el intervalo de excitación de la mitad del puente Ql y Q4 corresponde al ángulo de la flecha de 36°. Cuando el ángulo de la flecha está cercano a 24° (60° - 36°), PA-L y PA2 se colocan en la región no sensora, apagando Ql, Q4, Q2 y Q3 del medio puente de una fase. Entonces, PA2 como PA-L encienden Q2 y Q3 de acuerdo con la rotación del codificador de conmutación, para permitir que una fase independientemente se electrifique, echando a andar el rotor.

Los fotosensores se fijan sobre la placa sensora de la Figura 5B, teniendo un intervalo de 2p/ (número de polaridades x número de fases) (°) . En la Figura 5B, por ejemplo, se acomodan diez fotosensores, teniendo el intervalo de 12°. El intervalo entre dos fotosensores de cada fase corresponde a 2p/ (número de polaridades del rotor) . De este modo, la distancia entre PAX y PAs es de 60° . Como se muestra en las Figuras 5A y 5B, tres fases se excitan pero dos fases no se excitan todo el tiempo en el motor de polaridad 6 fase 5. De conformidad con lo anterior, el intervalo de excitación y el intervalo de no excitación de cada fase se determinan por las siguientes expresiones. ngulo de excitación p x (número de fases excitadas) / (número de fases) (°) ngulo de no excitación = p x (número de fases no excitadas) / (número de fases) (°) De este modo, el ángulo de excitación y el ángulo de no excitación de cada fase de la Figura 5 son 108° y 72°, respectivamente . La Figura 6 muestra la salida de impulso de cada fotosensor, la dirección de la entrada de corriente y la delineación y el intervalo de momento de torsión del motor de polaridad 6 fase 5. La bobina se electrifica con corriente que tiene el intervalo idéntico al impulso transmitido por cada fotosensor dependiendo de la distancia entre las regiones sensoras del codificador de conmutación, dando como resultado la generación de momento de torsión. De este modo, la onda de corriente cuadrada y parcial se introduce y la potencia del esquema de momento de torsión rectangular se produce. De conformidad con lo anterior, se excitan tres fases y dos fases no se excitan todo el tiempo en el motor de polaridad 6 fase 5 mostrado en la Figura 5. En consecuencia, la suma total del momento de torsión corresponde al esquema de momento de torsión lineal . Como se muestra en las Figuras 5 y 6, el número de fases del motor, el cual será excitado, depende de la distancia entre las regiones sensoras del codificador de conmutación. El motor de la presente invención resuelve todos los problemas que se presentan en el área que cambia de polo. Específicamente, el motor de la presente invención se construye de una manera que más de una de las fases múltiples no se excitan para producir conmutación avanzada, dando como resultado una rotación de alta velocidad uniforme. En el proceso de convertir energía eléctrica en energía mecánica por el motor, el tiempo en que la bobina del estator se electrifica para excitarse para permitir que el flujo magnético activo para generar fuerza motriz magnética se retrasa del tiempo en que es operado el flujo magnético pasivo del rotor que gira a alta velocidad. De conformidad con lo anterior, la conmutación avanzada se requiere para hacer que los tiempos coincidan entre sí. La Figura 7A ilustra el motor de polaridad 6 fase 8 en el cual solamente cinco fases se excitan y la distancia correspondiente a tres fases no excitadas es avanzada-conmutada. La Figura 7B ilustra el motor de polaridad 6 fase 8 en el cual tres fases se excitan y la distancia correspondiente a cinco fases no excitadas es avanzada-conmutada. El motor de la Figura 7A puede girar más rápido que el motor de la Figura 7B. Además, en la construcción de un motor de velocidad muy alta, la lógica del codificador de conmutación realiza combinación electrónica que cambia para cada fotosensor junto con fotosensor avanzado dependiendo en el microprocesador, realizando conmutación avanzada gradual para satisfacer una velocidad deseada. La Figura 8 ilustra la relación entre el momento de torsión y la velocidad del motor de corriente directa sin escobilla de potencia constante. Como se muestra en la Figura 8, el motor de corriente directa de la presente invención tiene características de potencia constante. Además, el motor de corriente directa de la presente invención tiene capacidad CW y CCW y operación bidireccional. Esto es, cuando la lógica del codificador de conmutación en las Figuras 1 y 5 realiza combinación electrónica que cambia para fotosensores duales incluidos en cada fase, el motor suavemente arranca y gira desde la dirección hacia adelante a la dirección en reversa o de la dirección reversa a la dirección hacia adelante. Cuando la combinación electrónica cambiante del fotosensor se lleva a cabo frecuentemente dentro de 5/1000 segundos, la operación bidireccional se activa fácilmente. El motor de corriente directa de la presente invención también tiene función de motor lineal. Específicamente, el motor lineal ideal puede ser realizado cuando el estator del motor se configura del tipo lineal y su rotor se construye para operar linealmente. De acuerdo con la presente invención, la ranura angosta del estator remueve la colisión del flujo magnético el cual se genera cuando la bobina de cada fase se electrifica, mejorando la eficiencia del motor. No hay pérdida de corriente y la electrificación uniforme se lleva a cabo cuando la bobina está adentro electrificada, dando como resultado un motor sin ondulación del momento de torsión y el controlador con estabilidad. Más aún, el estator se enrolla en paralelo mediante fases y polaridades para permitir que el motor produzca una potencia alta con un voltaje bajo. El enrollado paralelo del estator habilita la producción automática del motor, reduciendo el costo y haciendo posible la producción masiva. Más aún, ya que el flujo magnético se concentra en el área de rotor, el flujo magnético pasivo del rotor corresponde al flujo magnético activo del estator, produciendo un motor de potencia alta usando un rotor de imán permanente. La superficie del rotor se maquina para minimizar el espacio vacío, mejorando la eficiencia del motor. Debido a que no hay limitación en el número de polaridad, tamaño forma del rotor, se puede diseñar motor tipo tambor largo, o tipo tortilla sin restricción para los fines. El rotor se ensambla en el motor para permitir la producción automática, reduciendo el costo y habilitando la producción masiva. Mientras tanto, en los motores de conmutación, los motores que usan la onda seno completa o la onda cuadrada completa generan momento de torsión de freno, fuerza electromotriz trasera (FEM) , reactancia (reactancia inductiva y reactancia capacitiva) y onda armónica en área de cambio polar, de manera que se llega a pérdida de hierro y pérdida de cobre en el motor, impactando al controlador. Más aún el calor se genera en el motor, que requiere sistema de enfriamiento y deteriora su eficiencia. Sin embargo, el motor de la presente invención no aplica corriente a la fase que se coloca en el área de cambio de polo, para resolver los problemas anteriores, eliminando la necesidad de sistema de enfriamiento y mejorando la eficiencia del motor. Más aún, la onda cuadrada parcial maximiza la rms capacitancia de momento de torsión y valor de momento de torsión pico. De este modo, el motor se vuelve compacto y su eficiencia mejora. Además, el controlador no requiere un dispositivo de prevención de fuego cruzado para simplificar su circuito con estabilidad, mejorar su confiabilidad y reducir el costo. Las densidades del flujo magnético y la permeabilidad del estator y rotor son idénticos debido a que se configuran del mismo material, placa de acero sílice. De este modo, la característica de la relación entre la corriente y el momento de torsión es perfecta, y la característica de la relación entre la corriente y la velocidad también es excelente. Esto permite al motor producir potencia constante, dando como resultado eficiencia uniforme para todos los rangos de velocidad. El momento de torsión del motor convencional es un esquema de momento de torsión senoidal o esquema de momento de torsión trapezoidal, causando ondulación de momento de torsión. El motor de la presente invención aplica onda cuadrada parcial a la bobina enrollada de cada fase, para permitir que cada fase realice esquema de momento de torsión rectangular, volviéndose el momento de torsión total un esquema de momento de torsión lineal. De conformidad con lo anterior, el motor de acuerdo con la presente invención no tiene ondulación de momento de torsión y arranca y gira suavemente. Además, con el motor de corriente directa sin escobilla de potencia constante de la presente invención, mientras que ß fases entre n fases no se excitan, se realiza la conmutación avanzada para la distancia correspondiente a las ß fases no excitadas. Por lo tanto, la presente invención produce el motor de potencia constante que tiene conversión de velocidad continua y eficiencia uniforme. El motor lleva a cabo conmutación neutra electrónica de acuerdo con el microprocesador, para realizar control CW-CCW suave, control bidireccional con alta velocidad, y control de posición suave . Será aparente para los expertos en la técnica que varias modificaciones y variaciones se pueden hacer en el motor de corriente directa sin escobilla de potencia constante de la presente invención sin apartarse del espíritu o alcance de la invención. De este modo, se pretende que la presente invención cubre las modificaciones y variaciones de esta invención ya que están dentro del alcance de las reivindicaciones anexas y sus equivalentes .

Claims (3)

1. NOVEDAD DE LA INVENCIÓN Habiendo descrito la invención que antecede, se considera como una novedad y, por lo tanto, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes REIVINDICACIONES 1. Un motor de corriente directa sin escobilla de potencia constante, que comprende: un estator que tiene ranuras angostas para remover el fenómeno de cancel que está enrollado en paralelo por fases y polaridades y configurado de n fases múltiples, cada una de las bobinas de enrollado del estator que no están conectadas entre sí se conectan a cada uno de los puentes H completos, n puentes H completos se conectan a un suministro de energía de corriente directa en paralelo; un rotor que tiene un número predeterminado de polaridades, el cual se requiere que concentre flujo magnético en el área de excitación; un codificador de conmutación que incluye regiones sensoras y regiones no sensoras, estando el codificador de conmutación fijo a un lado de la flecha del rotor; y dos fotosensores fijos a cada fase, los dos fotosensores conectados a medio puente H de cada fase, para encender/apagar el medio puente H, la distancia entre las regiones sensoras del codificador conmutador se determina para permitir que fases entre n fases estén excitadas todo el tiempo, reconociendo los o. fotosensores las a fases excitadas.
2. 2. El motor de conformidad con lo reclamado en la reivindicación 1, en donde el número de fase entre las n fases, las cuales estarán excitadas, se determina por la distancia entre las regiones sensoras, estando determinada la distancia entre las regiones sensoras a través de la siguiente expresión: Distancia entre las regiones sensoras = (2_I x número de fases para ser excitadas) / (número de polaridades del rotor x número de fases del motor) (°) El número de regiones sensoras en el codificador de conmutación se determina mediante la siguiente expresión: número de regiones sensoras = número de polaridades del rotor) /2 La distancia entre los fotosensores en una placa de sensor se determina por la siguiente expresión: distancia entre fotosensores = 211 / número de polaridades del rotor x número de fases del motor) (°) entre las n fases, o. fases están excitadas pero ß fases no se excitan todo el tiempo.
3. 3. El motor de conformidad con lo reclamado en la reivindicación 2, en donde ß=l, ß correspondiente al número de fases no excitadas .