MXPA02000728A

MXPA02000728A - Maquina electrica de flujo axial.

Info

Publication number: MXPA02000728A
Application number: MXPA02000728A
Authority: MX
Inventors: Karl-Heinz Knorzer
Original assignee: Perm Motor Gmbh
Priority date: 1999-08-09
Filing date: 2000-08-04
Publication date: 2003-07-14
Also published as: AU6257300A; SI1203436T2; US6674214B1; DK1203436T3; JP2003510993A; EP1203436B1; EP1203436A1; SI1203436T1; CA2379037A1; EA200200237A1; CN1359555A; DE50002098D1; CA2379037C; ATE240004T1; PT1203436E; WO2001011755A1; ES2197874T5; CN1178362C; KR20020033741A; EP1203436B2

Abstract

La invención se refiere a una máquina eléctrica de flujo axial que comprende un rotor sin hierro en forma de disco 1, el cual estáconfigurado sobre unárbol de máquina 2 y comprende a dos estatores 3, 4 los cuales están configurados en proximidad al rotor 1. El rotor 1 comprende unos imanes permanentes 11 que se encuentran incrustados dentro de un plástico reforzado por fibra 12. Los imanes permanentes 11 están, cada uno, unidos con un ajuste positivo con el plástico circundante12. El plástico 12 forma, junto con los imanes permanentes 11 y elárbol de máquina 2, una unidad estable dimensionalmen

Description

MÁQUINA ELÉCTRICA DE FLUJO AXIAL DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a una máquina eléctrica de flujo axial, como se define en la cláusula precaracterizante de la reivindicación 1 independiente de la patente . Se entiende que una máquina eléctrica de flujo axial comprende un motor ó generador con un rotor y un estator, en la cual tiene lugar un flujo magnético entre el rotor y el estator, paralelo al eje de rotación del rotor. Las máquinas de flujo axial de este tipo también son conocidas por las designaciones, motor de corriente directa (DC) sin escobillas, motor síncrono de campo permanente ó servomotor de armadura de disco. Un motor DC sin escobillas eficiente con un rotor sin acero configurado alrededor de un árbol y que tiene imanes permanentes se describe, por ejemplo, en DE-U-298 16 561. En el caso de éste motor DC, configurado alrededor de un árbol, en ambos lados del rotor en forma de disco y en paralelo al rotor, existe en cada caso, Ref.: 135459 una unidad electromagnética a manera de un estator. El rotor tiene unos imanes permanentes, los cuales están configurados en una manera circular alrededor del árbol, que se encuentran incrustados, por ejemplo, dentro de un plástico y la dirección de magnetización de estos se encuentran en paralelo con el árbol. Dos imanes permanentes vecinos tienen, respectivamente, una dirección inversa de magnetización. Se provee a un estator con unas primeras regiones electromagnéticas y se provee al otro estator con unas segundas regiones electromagnéticas, cuyo número corresponde al número de imanes permanentes, dos primeras regiones electromagnéticas vecinas y dos segundas regiones electromagnéticas vecinas en cada caso, que tienen direcciones inversas de magnetización, las cuales se cambian alternativamente. Las primeras y segundas regiones electromagnéticas están configuradas de una manera desfasada entre sí y tienen una diferencia de fase de 900. Una desventaja de este motor DC es que el rotor, por su naturaleza, es relativamente inestable y en consecuencia, es adecuado únicamente para rotaciones a baja velocidad. US-A-5 619 087 describe una máquina eléctrica de flujo axial que comprende, al menos, dos rotores en forma de disco sin acero con unos imanes relativamente pequeños, permanentes y en forma de barra, los cuales se encuentran incrustados dentro de un plástico reforzado por fibra ó por tela. Una pluralidad de imanes permanentes magnetizados de igual manera, configurados uno después del otro forman respectivamente un grupo, el cual forma a un polo magnético. El hecho de que varios imanes permanentes relativamente pequeños se encuentren configurados dentro del plástico, en lugar de que un número de imanes grandes tengan el efecto de reducir el área magnética efectiva y consecuentemente, el flujo magnético es compensado por el uso de por lo menos dos rotores. Adicionalmente , el anclaje de muchos imanes permanentes individuales dentro del plástico, presenta problemas en términos de producción y fuerza. En vista de las desventajas de los motores y generadores de flujo axial conocidos previamente, la invención se basa en el siguiente objetivo. La finalidad es la de proporcionar una máquina eléctrica de flujo axial del tipo mencionado al principio, cuyo motor comprende unas masa e inercia tan bajas como sean posibles y aún así, sea estable y de la misma manera adecuado para altas velocidades rotativas. Este objetivo es alcanzado por la máquina eléctrica de flujo axial de conformidad con la invención, tal y como se define en la reivindicación de patente independiente 1. La reivindicación de patente 10 se relaciona con un método de conformidad con la invención, para producir un rotor para una máquina eléctrica de flujo axial de este tipo. Las variantes de diseño preferidas se desprenden a partir de las reivindicaciones de patente dependientes. La esencia de la invención es que, una máquina eléctrica de flujo axial con un rotor sin acero en forma de disco, está configurada sobre un árbol y tiene unos imanes permanentes que se encuentran incrustados dentro de un plástico reforzado por fibra ó por tela, los imanes permanentes se encuentran, cada uno, unidos con un ajuste positivo con el plástico reforzado por fibra ó por tela circundante y éste último, junto con los imanes permanentes y el árbol de máquina, forman una unidad estable dimensionalmente . Existe en cada caso un estator en la configuración próxima al rotor en ambos lados. El simple hecho de que el plástico sea reforzado por fibra ó tela, quiere decir que el rotor tiene gran rigidez. Esto es además incrementado por el hecho de que los imanes permanentes se encuentran, cada uno, unidos por un ajuste positivo con el plástico reforzado por fibra ó por tela circundante y éste último, junto con los imanes permanentes y el árbol de máquina, forman una unidad estable dimensionalmente. Esto último puede obtenerse mediante una configuración adecuada de los imanes permanentes y del árbol de máquina, así como el moldeado del plástico reforzado por fibra ó por tela. El diseño del rotor de conformidad con la invención, hace que los imanes permanentes rígidos sirvan al mismo tiempo como elementos de endurecimiento, esto asegura mediante la conexión positiva con el plástico circundante, que los imanes permanentes no se desprendan . Una pluralidad de imanes permanentes se encuentran configurados ventajosamente en una manera circular, alrededor del árbol y del plástico, en particular un material termoestable , se extiende ventajosamente entre los imanes permanentes juntos en por lo menos un 10%, preferentemente entre 15% y 20%, por encima del círculo. Al configurar e incrustar los imanes permanentes de esta manera, el rotor puede ser diseñado óptimamente en términos de fuerza y eficiencia.

La máquina de flujo axial de conformidad con la invención se describe con mayor detalle enseguida, basándose en una modalidad ej emplificativa con referencia a los dibujos adjuntos, en los cuales: la Fig. 1 muestra una máquina de flujo axial de conformidad con la invención, en una vista lateral; la Fig. 2 muestra a la máquina de flujo axial en una vista de sección parcial, a lo largo de la línea E-E de la Fig. 1; la Fig. 3 muestra al rotor con el árbol de máquina y con unos medios para determinar la posición del polo magnético del rotor, en una vista lateral; la Fig. 4 muestra al rotor que incluye al árbol de máquina en una vista de sección parcial, a lo largo de la línea A-A de la Fig. 3; la Fig. 5 muestra una vista alargada de un detalle del rotor de la Fig. 4 ; la Fig. 6 muestra una vista de plano de un imán permanente segmentado; la Fig. 7 muestra una vista de sección del imán permanente segmentado, a lo largo de la línea C-C de la Fig. 6; la Fig. 8 muestra un imán permanente con un primer contorno especial para su conexión positiva con el plástico circundante; la Fig. 9 muestra un imán permanente con un segundo contorno especial para su conexión positiva con el plástico circundante; la Fig. 10 muestra un estator en una vista lateral; y la Fig. 11 muestra una vista de sección del estator, a lo largo de la línea D-D de la Fig. 10.

Figuras 1 y 2 máquina de flujo axial de conformidad con la invención la cual es la que se muestra, comprende un rotor en forma de disco 1, el cual está conectado afianzadamente con un árbol de máquina 2 y tiene unos imanes permanentes 11, los cuales están incrustados dentro de un plástico reforzado por fibra 12, por ejemplo, un material termoestable . Configurado en ambos lados del rotor 1, existe en cada caso y paralelo al anterior, un estator anular 3 y 4, el cual está asegurado respectivamente con una placa de soporte 6. Los estatores 3, 4 tienen, cada uno, una horquilla 31 y 41 con las ranuras 32 y 42 sobre sus costados que dan hacia el rotor 1, de cuyas ranuras se dirigen unas bobinas de fase múltiple 33 y 43 que tienen unas salientes de bobina externas 331 y 431. Las placas de soporte 6 están elaboradas preferentemente de aluminio y también contienen unas varillas de endurecimiento y enfriamiento 63, con el resultado de que el calor generado se disipe correctamente. Los claros 64 dentro de las placas de soporte 6 tienen el propósito de reducir el peso. Para montar las placas de soporte 6, se proporcionan unos agujeros de perno 61, mientras que los agujeros roscados 62 sirven para asegurar sobre una parte de la máquina, no mostrada, a un mecanismo de engranaje, por ejemplo. Las placas de soporte 6 y una parte de la cubierta anular 8 forman en conjunto, una cubierta para el rotor 1 y los estatores 3, 4. El árbol de máquina 2 está montado giratoriamente sobre las placas de soporte 6 por medio de unos soportes de bola 7. Los dos estatores 3, 4 están desfasados eléctricamente entre sí, en una dirección circunferencial de 180°, dando como resultado que los flujos magnéticos correspondientes, producidos dentro de la dirección circunferencial en el rotor 1, se encuentran orientados y consecuentemente, se cancelen entre sí en la práctica, al menos para la mayor parte. Esto hace posible la administración con acero dentro del rotor 1. La siguiente declaración aplica a la siguiente descripción en su totalidad. Si se encontrasen numerales de referencia contenidos dentro de una figura para el propósito de esclarecer al dibujo, pero que no se mencionasen en el texto asociado directamente de la descripción, ó viceversa, se hará referencia a su explicación en las descripciones previas de las figuras.

Figuras 3 a 5 De acuerdo con la invención, el rotor 1 y el árbol de máquina forman una unidad estable dimensionalmente . El rotor 1 sin hierro en forma de disco tiene ocho imanes permanentes 11, los cuales están configurados de una manera circular alrededor del árbol de máquina 2 y se encuentran incrustados dentro del plástico reforzado por fibra 12. El plástico reforzado por fibra 12 se extiende entre los imanes permanentes 11, todos sobre aproximadamente un 15% y 20% por encima del círculo, para ser precisos de alguna manera en que las mallas uniformes estén formadas. De esta manera, existe suficiente plástico reforzado por fibra 12 entre los imanes permanentes 11 rígidos mecánicamente para qué el rotor 1 sea estable y se obtenga un rotor 1 con el momento de masa de inercia más pequeño posible con una mayor economía, en términos de producción. El árbol de máquina 2 también está incrustado dentro de una región central del plástico reforzado por fibra 12, dos bridas 21 y 22 proporcionan una conexión estable entre el rotor 1 y el árbol de máquina 2. Para absorber las fuerzas centrífugas, se encuentra una banda de endurecimiento 13 fijada a la circunferencia exterior del rotor 1, la cual comprende un material fibroso impregnado previamente que contiene preferentemente fibras de vidrio, carbón ó Kevlar, alineada predominantemente en la dirección circunferencial. La banda de endurecimiento 13 es más ancha que los imanes permanentes 11 y que el plástico reforzado por fibra 12, el cual puede ser visto claramente, en particular, dentro de la Fig. 5. Es una ventaja para propósitos de endurecimiento, que el plástico reforzado por fibra 12 y los imanes permanentes 11 estén también formados de tal manera, que se ensanchen de adentro hacia afuera. Se encuentra una tira magnética 14 fijada adhesivamente sobre la parte exterior que está alrededor de la banda de endurecimiento 13, la cual forma una serie magnetizada radialmente de polos magnéticos, los cuales están configurados respectivamente en una manera que corresponda con los imanes permanentes 11 incrustados dentro de el plástico reforzado por fibra 12, no obstante que el 100% de la circunferencia se encuentra cubierta. Esta tira magnética 14 hace posible determinar la posición del polo magnético del rotor 1 en la periferia, por medio de tres sondas de Hall 5 fijadas en sitio. Las tres sondas de Hall 5 están separadas entre sí en una dirección circunferencial de 30°, cada una se encuentra configurada, por ejemplo, sobre un circuito impreso, el cual está fijado con la parte de cubierta 8. La posición del polo magnético determinada, permite que sea puesto óptimamente el ángulo de disparo para las bobinas de fase múltiple 33, 43 de los estatores 3 , 4. Los imanes permanentes 11 consisten preferentemente de un material magnético sinterizado, por ejemplo NdFeB, con una fuerza flexional de aproximadamente 270 N/mm2 y un módulo de elasticidad de aproximadamente 150kN/mm2. El plástico reforzado por fibra 12 es, por ejemplo, una resina epóxica ó una resina imida con un refuerzo de fibra de vidrio. Los valores de fuerza mecánica alcanzados aquí también caen en la gama del acero 37. La resistencia al calor para la resina epóxica cae alrededor de los 200°C y para la resina imida cae alrededor de los 250°C. Para una mejor expansión térmica y conductibilidad térmica, pueden añadirse adicionalmente substancias minerales a la resina . Para producir al rotor 1, el árbol de máquina y los imanes permanentes 11 son configurados dentro de un molde y subsecuentemente el plástico reforzado por fibra previamente calentado es vertido bajo presión dentro del molde, el cual se encuentra calentado. Dependiendo de la resina, el vertido del plástico reforzado por fibra tiene lugar a una temperatura de, al menos, 200°C ó al menos, 250°C y bajo una presión de 500-1500 bar. Esto provoca la plastificación, lo cual asegura un llenado total del molde y un buen ajuste positivo con los imanes permanentes 11 y el árbol de máquina 2.

Figuras 6 y 7 En el caso de la presente modalidad ej emplificativa, los imanes permanentes 11 comprenden, respectivamente, a tres segmentos de imán separados 111, uno enseguida del otro en la dirección circunferencial. Esto permite que se reduzcan las pérdidas de corriente circular. Los segmentos de imán 111 están unidos preferentemente por medio de un adhesivo de metal, pero también pueden estar sujetados conjuntamente por el plástico reforzado por fibra 12.

Figuras 8 y 9 Puesto que una gran rigidez intrínseca del rotor 1 es esencial a altas velocidades rotacionales y con espacios del aire relativamente pequeños entre el rotor 1 y los estatores 3, 4, los imanes permanentes 11 están cada uno, unidos con un ajuste positivo con el plástico reforzado por fibra 12 circundante. Se muestran en las Figs. 8 y 9 a los posibles contornos de imán, los cuales son adecuados para absorber las fuerzas de corte que ocurran . En el caso del rotor 1 mostrado, es posible administrar con la sujeción en ambos costados de las placas conductoras magnéticamente, para sostener a los imanes permanentes 11 ó un tipo similar de diseño emparedado, con lo que la inercia de masa, la cantidad de material magnético y las pérdidas de superficie, puedan ser mantenidas abajo y se puedan evitar los trayectos de filtración entre los imanes permanentes 11 vecinos .

Figuras 10 y 11 La construcción de los dos estatores 3, 4 es explicada enseguida, en base al ejemplo del estator 3. El estator 3 comprende una horquilla anular 31, en la cual se extienden unas ranuras 32 aproximada y radialmente de adentro hacia afuera. La horquilla 31 está hecha de una pluralidad de capas 311 de hojas dínamo de alta calidad, las cuales son plegadas durante la perforación de las ranuras, para formar montajes y son conectadas subsecuentemente mediante un punto de soldadura. Las ranuras 32 son relativamente anchas en el interior de la horquilla 32, pero hacia el rotor 1 tienen una abertura relativamente delgada 321. Como se muestra en la Fig . 2, las bobinas de fase múltiple 33, por ejemplo, bobinas de tres fases, son dirigidas a través de las ranuras 32. Al albergar las bobinas de fase múltiple 33 dentro de las ranuras 32, se permite que el estator 3 sea llevado en proximidad a los imanes permanentes 11 del rotor 1, es decir, existe un espacio de aire muy pequeño, lo cual tiene como consecuencia un flujo magnético muy alto y consecuentemente, una densidad de potencia muy grande. Tomando en cuenta la transposición de las ranuras 32 en la dirección circunferencial y con respecto a los imanes permanentes 11 del rotor 1, se puede minimizar los momentos de cerrado y los ruidos . Pueden realizarse variaciones que de diseño adicionales con respecto a la máquina de flujo axial descrita anteriormente. Lo siguiente también es mencionado expresamente aquí: ? La determinación de la posición del polo magnético del rotor 1 no tiene que tomar lugar necesariamente por medio de la tira magnética 14 y las sondas de Hall 5. También es factible, entre otras cosas, una búsqueda óptica de regiones de luz y oscuridad en la periferia del rotor 1.

? En lugar de la transposición de las ranuras 32 y consecuentemente, guiar las bobinas de fase múltiple 33 dentro de estas, los imanes permanentes 11 también pueden ser transpuestos . ? En lugar de estar reforzado por fibra, el plástico 12 del rotor 1 también puede estar reforzado por tela . Se hace constar que con relación a ésta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.

Claims

REIVINDICACIONES Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones .

1. Una máquina eléctrica de flujo axial con un rotor sin hierro en forma de disco, el cual está configurado sobre un árbol de máquina y tiene unos imanes permanentes que se encuentran incrustados dentro de un plástico reforzado por fibra ó por tela, y en ambos costados junto al rotor en cada caso un estator, la máquina se caracteriza porque los imanes permanentes se encuentran, cada uno, unidos con un ajuste positivo con el plástico reforzado por fibra ó por tela circundante y este último, junto con los imanes permanentes y el árbol de máquina, forman una unidad estable dimensionalmente.

2. La máquina eléctrica de flujo axial de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque la pluralidad de imanes permanentes se encuentra configurada de una manera circular, alrededor del árbol de máquina y del plástico reforzado por fibra ó por tela, en particular que un material termoestable , que se extiende entre los imanes permanentes, todos un 10%, preferentemente entre un 15% y 20%, por encima del círculo .

3. La máquina eléctrica de flujo axial de conformidad con la reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque el rotor tiene sobre la circunferencia exterior ó en proximidad con la circunferencia exterior, una banda de endurecimiento, la cual comprende a un material fibroso impregnado previamente, el cual contiene preferentemente fibras de vidrio, carbón ó Kevlar y para propósitos de endurecimiento, el rotor está formado preferentemente de tal manera que se ensanchen de adentro hacia afuera.

4. La máquina eléctrica de flujo axial de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque comprende medios para determinar la posición del polo magnético del rotor, el cual comprende preferentemente una tira magnética que se encuentra configurada sobre la circunferencia externa del rotor y forma una serie magnetizada de polos magnéticos, la cual está configurada respectivamente, en una manera que corresponda a los imanes permanentes incrustados dentro del plástico reforzado por fibra ó por tela, y unas sondas de Hall fijadas en sitio, que interactúan con los polos magnéticos.

5. La máquina eléctrica de flujo axial de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada porque el plástico reforzado por fibra ó por tela, comprende una resina epóxica ó una resina imida con un refuerzo de fibra de vidrio y preferentemente, comprende adicionalmente substancias minerales para una mejor expansión térmica y conductibilidad térmica.

6. La máquina eléctrica de flujo axial de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque los imanes permanentes comprenden, respectivamente, a por lo menos 2 segmentos de imán separados, seguidos el uno del otro en la dirección circunferencial, los cuales se encuentran unidos preferentemente por medio de un adhesivo de metal.

7. La máquina eléctrica de flujo axial de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizada porque los estatores comprenden, cada uno, una horquilla anular dentro de cuyas ranuras se extienden aproximada y radialmente de adentro hacia afuera, y a través que de cuyas ranuras se guían unas bobinas de fase múltiple.

8. La máquina eléctrica de flujo axial de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada porque los imanes permanentes ó las ranuras se encuentran transpuestas en la dirección circunferencial .

9. La máquina eléctrica de flujo axial de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizada porque los dos estatores se encuentran desfasados eléctricamente entre sí en la dirección circunferencial por 180° , con el resultado de que los flujos magnéticos correspondientes en la dirección circunferencial dentro del rotor, estén orientados opuestamente y consecuentemente, se cancelen entre sí en la práctica en, por lo menos, la mayor parte.

10. Un método para producir un rotor para una máquina eléctrica de flujo axial como se reclama en cualquiera de las reivindicaciones l a 9, caracterizado porque un árbol de máquina y unos imanes permanentes son configurados dentro de un molde y subsecuentemente se vierte bajo presión un plástico reforzado por fibra ó por tela calentado previamente dentro del molde, el cual se encuentra calentado.

11. El método de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado porque el vertido del plástico reforzado por fibra ó por tela tiene lugar a una temperatura de, al menos, 200°C y bajo una presión de 500-1500 bar.