MXPA04012138A - Motor electrico de iman permanente giratorio que tiene zapatas polares de estator de dimensiones variables. - Google Patents

Abstract

Los motores de iman permanente giratorio tienen polos de estator de saliente con un grosor polar no uniforme en la direccion radial para compensar los efectos del momento de torsion de desbaste. Las porciones de base de polo terminan en las zapatas polares en el hueco radial de aire. Las zapatas polares se extienden en la direccion circunferencial desde las porciones de base mas voluminosas. La variacion del grosor de la zapata polar cambia la concentracion del flujo efectivo en el punto de acoplamiento entre los polos de estator y las zapatas polares de iman permanente. Dado que no hay cambio en el area de interfase activa de las zapatas polares se mantiene un hueco uniforme de aire. La firma de momento de torsion para cada interfase de iman permanente de rotor/polo de estator puede cambiarse selectivamente a fin de suavizar la operacion del motor al configurar el grosor de la zapata polar de estator para variar a lo largo de su extension circunferencial segun sea apropiado. Las zapatas polares pueden tener bordes ahusados posteriores o delanteros con respecto a una base de polo para cambiar la densidad de flujo efectivo en el hueco de aire a una separacion especifica de giro. Adicionalmente, la zapata polar puede desplazarse del centro con respecto a la base de polo.

Description

"MOTOR ELÉCTRICO DE IMÁN PERMANENTE GIRATORIO QUE TIENE ZAPATAS POLARES DE ESTATOR DE DIMENSIONES VARIABLES CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a motores eléctricos giratorios, más particularmente a motores de imán permanente que tienen zapatas polares de grosor variable en la dirección radial.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN La solicitud de patente de E.U. relacionada copendiente anteriormente identificada de Maslov et al., No. 09/826,423, identifica y aborda la necesidad de un motor mejorado tratable para una elaboración simplificada y capaz de características operativas eficientes y flexibles. En un ambiente de manejo de vehículos, por ejemplo, es altamente deseable alcanzar una operación suave sobre un amplio rango de velocidad, mientras mantiene una capacidad de salida de momento de torsión alto con un consumo de potencia mínimo. Tal accionamiento de motor vehicular debe proporcionar ventajosamente una pronta accesibilidad con los diversos componentes estructurales para el reemplazo de partes con un mínimo de inconveniencia. Las solicitudes de E.U. relacionadas copendientes anteriormente identificadas describen la formación de segmentos de núcleo de electroimán como estructuras aisladas permeables magnéticamente configuradas en un aro anular. Con tales arreglos, el flujo puede concentrarse para proporcionar efectos ventajosos en comparación con modalidades de la técnica anterior. Como se describe en las solicitudes de Maslov et al. anteriormente identificadas, el aislamiento de los segmentos de núcleo de electroimán permite la concentración individual de flujo en los núcleos magnéticos, con un mínimo de pérdidas de flujo o los efectos nocivos de interferencia del transformador derivados de la interacción con otros miembros de electroimán. Las ventajas operacionales pueden obtenerse al configurar un solo par de polos como un grupo aislado de electroimán. El aislamiento de trayectoria magnética del par de polos individuales de los demás grupos polares elimina un efecto de transformador de flujo sobre un grupo adyacente cuando se enciende la energización de los devanados del par de polos. La falta de polos adicionales dentro del grupo evita cualesquier efectos nocivos en un grupo. Los beneficios adicionales se describen a partir de la utilización de tres aspectos dimensionales de estructura de motor, tal como una configuración estructural donde los polos de estator alineados axialmente y los imanes de rotor alineados axialmente proporcionan una distribución de densidad de flujo altamente concentrada en el hueco activo de aire de la máquina. Tal configuración proporciona un gran número de polos con las mismas áreas superficiales individuales de hueco activo de aire y/o un área superficial de hueco activo de aire total mayor que los motores convencionales que tienen el mismo diámetro de hueco de aire. Además de los beneficios de concentración de flujo obtenibles con las configuraciones descritas con anterioridad, los materiales magnéticos de neodimio-hierro-boro (NdFeB) recientemente introducidos pueden producir densidades de flujo más grandes que otros materiales magnéticos permanentes anteriormente utilizados en máquinas sin escobillas, incrementando consecuentemente la capacidad de salida de momento de torsión. El uso de imanes permanentes de producción de alta densidad en motores que comprenden un gran número de polos presenta una preocupación para mejorar los efectos indeseables que pueden introducirse por el momento de torsión de desbaste. El momento de torsión de desbaste se produce por la atracción magnética entre los imanes permanentes instalados en el rotor y aquellos polos de estator que no se encuentran en un estado magnetizado selectivamente. Esta atracción tiende a mover el imán de rotor hacia una posición de equilibrio opuesta a un polo de estator a fin de minimizar la reluctancia entre ellas. A medida que el rotor se acciona para girar por la energización del estator, la magnitud y dirección del momento de torsión de desbaste producido por la interacción de imán con los segmentos de electroimán no energizados cambia periódicamente para oponerse y, alternativamente, para agregar al momento de torsión producido por los segmentos de estator energizados. En ausencia de la compensación, el momento de torsión de desbaste puede cambiar la dirección de manera abrupta con el giro del rotor. Si el momento de torsión de desbaste es de una magnitud significativa, se vuelve un impedimento giratorio, asi como también una fuente de vibración mecánica que es perjudicial a los objetivos de control de velocidad de precisión y de operación suave. Como ilustración del desarrollo del momento de torsión de desbaste, se considera un motor tal como el descrito en la Solicitud copendiente número 09/826,422. La descripción de esa solicitud se ha incorporado en la presente. La Figura 1 es una vista a manera de ejemplo que muestra los elementos de rotor y estator. El miembro 20 de rotor es una estructura de aro anular que tiene imanes permanentes 21 espaciados uno de otro y substancialmente distribuidos uniformemente a lo largo de la placa cilindrica 25 de soporte. Los imanes permanentes son polos de rotor que alternan en la polaridad magnética a lo largo de la periferia interior del aro anular. El rotor rodea un miembro 30 de estator, separándose los miembros de rotor y estator por un hueco radial anular de aire. El estator 30 comprende una pluralidad de segmentos de núcleo de electroimán de construcción uniforme que se distribuyen uniformemente a lo largo del hueco de aire. Cada segmento de núcleo comprende una estructura magnética 36 generalmente en forma de U que forma dos polos que tienen las superficies 32 orientadas hacia el hueco de aire. Los tramos de los pares de polos se bobinan con los devanados 38, aunque el segmento de núcleo puede construirse para alojar un solo devanado formado sobre una porción que enlaza el par de polos. Cada estructura de núcleo de electroimán de estator se separa, y se aisla magnéticamente, de los elementos adyacentes de núcleo de estator. Los elementos 36 de estator se aseguran a una estructura de soporte permeable no magnéticamente, formando asi una configuración de aro anular. Esta configuración elimina la emanación de efectos de flujo de transformador perdido de los grupos adyacentes de polo de estator. La estructura apropiada de soporte de estator, la cual no se ha ilustrado en la presente de manera que los elementos de motor activo sean visibles más claramente, puede observarse en la solicitud de patente anteriormente mencionada. La Figura 2 es una presentación de plano parcial de dos elementos 36 de núcleo adyacentes, con las caras 32 de polo denominadas A-D, con relación a los imanes de rotor, denominados 0-5, durante la operación del motor. Las posiciones de los imanes de rotor se representan gráficamente en (A) -(C) durante tres instantes de tiempo (ti-t3) durante un periodo en el cual el rotor se ha movido de izquierda a derecha. En el tiempo tx, se energiza el devanado para el par de polos de estator A-B con una corriente fluyendo en una dirección para formar un fuerte polo sur en A y un fuerte polo norte en B. El devanado para el par de polos de estator C-D no se energiza. La posición del rotor se muestra en (A) . El imán norte 1 y el imán sur 2 se sobreponen al polo de estator A. El imán sur 2 y el imán norte 3 se sobreponen al polo de estator B. En este momento, el imán 3 se aproxima a una posición de traslape con el polo C. El imán sur 4 se encuentra en alineación substancial con el polo C y el imán norte 5 se encuentra en alineación substancial con el polo D. En este momento el momento de torsión del motor se produce por la fuerza de atracción entre el polo sur A y el imán 1 del polo norte, la fuerza de atracción entre el polo norte B y el imán 2 del polo sur, y la fuerza de repulsión entre el polo norte B y el imán 3 del polo norte. Los polos C y D tienen una magnetización norte y sur respectiva débil ocasionada por la atracción de los imanes 4 y 5. Esta atracción, la cual busca mantener una reluctancia mínima se encuentra en oposición al momento de torsión de accionamiento de motor. En el tiempo t2, el rotor se ha movido a la posición mostrada en (B) . La energización de los devanados de par de polos A-B se ha conmutado a apagado. Los devanados del par de polos C-D no se energizan. Los imanes 1 y 2 se encuentran substancialmente en alineación con los polos A y B respectivamente. El imán norte 3 y el imán sur 4 se sobreponen al polo C. El imán sur 4 y el imán norte 5 se sobreponen al polo D. Los polos A y B tienen una magnetización débil sur y norte respectivamente. Los polos de estator C y D se encuentran influidos por los imanes de rotor norte y sur. El polo C se encuentra en la trayectoria de flujo entre el imán de polo norte 3 y el imán de polo sur 4. El polo D se encuentra en trayectoria de flujo entre el imán de polo sur 4 y el imán de polo norte 5. Consecuentemente, un momento de torsión de desbaste ha desarrollado que se opone al momento de torsión de accionamiento de motor y cambia en magnitud a medida que los imanes de rotor se mueven de la alineación directa con los polos de estator no energizados con la alineación parcial. En el tiempo t3, el rotor se ha movido a la posición mostrada en (C) . La energización de los devanados del par de polos A-B se ha invertido, ocasionando un fuerte polo norte en el polo A y un fuerte polo sur en B. Los devanados del par de polos C-D no se energiza. El imán norte 1 y el imán sur 2 traslapan el polo de estator B. El imán sur 0 y el imán norte 1 traslapan el polo de estator A. En este momento el imán sur 2 se aproxima a una posición de traslape con el polo C. El imán norte 3 se encuentra en alineación substancial con el polo C y el imán sur 4 se encuentra en alineación substancial con el polo D. Como se describió con anterioridad, el momento de torsión de desbaste opuesto efectúa un momento de torsión de automóvil de manera que varia con respecto a una posición angular giratoria a medida que procede el giro. El momento de torsión de desbastes más pronunciado en puntos de transición cuando un imán de rotor está próximo a afrontar el polo de rotor en el hueco de aire. Un cambio abrupto en el momento de torsión de desbaste tiene lugar a medida que el borde delantero de la superficie generalmente rectangular de un imán permanente se aproxima al borde paralelo del polo de estator rectangular. El uso de materiales de imán permanente de alta densidad de energía tal como materiales magnéticos de neodimio-hierro-boro (NdFeB) , los cuales imparten densidades de flujo grandes en el hueco de aire en las vecindades de los imanes permanentes de rotor, realza este efecto al grado que puede hacerse apreciable una vibración indeseable. Los motores que tienen un gran número de polos de estator y polos de rotor, tales como las hileras alineadas axialmente de polos de estator e imanes de rotor, pueden producir efectos de momento de torsión de desbaste aún mayores. De la misma manera, el momento de torsión de desbaste es producido a un grado variable en motores que tienen núcleos de estator unitario. Se ha utilizado una variedad de técnicas para minimizar los efectos del momento de torsión de desbaste. Tales técnicas intentan reducir la velocidad de cambio de reluctancia con respecto a la posición del rotor, reducir el flujo magnético en la máquina, o desplazar los polos en un núcleo de estator unitario de manera tal que el momento de torsión de desbaste producido por los polos individuales tiende a cancelarse uno a otro. Pueden utilizarse métodos electrónicos para controlar la intensidad de la interacción electromagnética que tiene lugar entre las superficies del imán permanente y del electroimán. Tales métodos tienen desventajas dado que involucran algoritmos de control complejos que se implementan simultáneamente con algoritmos de control de motor y tienden a reducir el rendimiento general del motor. La reducción de flujo magnético disminuye las ventajas obtenidas de los materiales de imán permanente más recientes y las técnicas de concentración de flujo de las solicitudes copendientes anteriormente identificadas. El desplazamiento de la ubicación de polos en una estructura de núcleo de estator unitario convencional supone limitantes al tamaño, posiciones y número de polos, los cuales pueden evitar una configuración que proporcione una operación ópt ima . Otros planteamientos involucran modificar la construcción de la máquina cambiando la forma de los polos de estator. Los polos de estator de la técnica anterior hechos convencionalmente de laminaciones apiladas no son fácilmente obtenibles para la modificación. Los procesos disponibles de maquinación de laminación se limitan a la capacidad de reformar los patrones convencionales, especialmente tridimensionalmente. Un rango substancial de modificación de tales estructuras laminadas es demasiado complejo y costosos de ser factibles. Consecuentemente existe la necesidad de una compensación de desbaste efectiva en motores, particularmente aquellas que tienen magnitudes y concentraciones de densidad de flujo alto, y no denigran la operación y capacidad de control eficientes de los motores mientras proporcionan una capacidad de práctica de costo y aplicación. El número de solicitud copendiente 10/160,257 aborda esta necesidad al conformar superficies de polo de estator de manera que la configuración geométrica de la superficie de los polos de estator y la configuración geométrica de la superficie de imán de rotor se desvian una con respecto a la otra. El efecto de la configuración de desvio es desalentar la velocidad de cambio de momento de torsión de desbaste que se produce por la interacción entre un imán de rotor y un polo de un electroimán de estator no energizado a medida que el imán permanente recorre su trayectoria giratoria. La capacidad de conformar selectivamente los polos de estator se vuelve factible mediante el uso de materiales de núcleo tales como un medio suave magnéticamente permeable que sea capaz de lograr la formación de una variedad de formas particularizadas. Estos materiales también pueden formarse para tener propiedades magnéticas anisotrópicas para aplicaciones destinadas. Por ejemplo, el material de núcleo puede fabricarse a partir de grados de imán suave de material de polvo de Fe, SiFe, SiFeCo, SiFeP, cada uno de los cuales tiene un nivel único de pérdida de potencia, permeabilidad y saturación. Estos materiales pueden formarse inicialmente en cualquier configuración tridimensional deseada, evitando asi el prospecto de maquinizar un material de laminación dura ya formado. El número de solicitud copendiente 10/160,254 aborda la necesidad descrita anteriormente al compensar los efectos de momento de torsión de desbaste producidos en una pluralidad de conjuntos espaciados axialmente de elementos de rotor y estator. Los polos de cada núcleo de estator dispuestos axialmente separados se desvian o compensan con respecto uno con otro en la dirección axial a fin de cancelar los efectos del momento de torsión de desbaste sin limitar las relaciones de posición entre los polos de estator en la dirección circunferencial. Alternativamente, los imanes permanentes de rotor, los cuales se encuentran configurados en arreglos en las direcciones circunferencial y axial se compensan cada uno respecto al otro en la dirección axial a fin de cancelar los efectos del momento de torsión de desbaste sin limitar el número total de imanes permanentes o sus posiciones en la dirección circunferencial. El número de solicitud copendiente 10/160,254 aborda la necesidad descrita con anterioridad al proporcionar polos de estator de grosor variable de polos. Un cambio selectivo en el grosor voluminoso de una zapata polar cambia la concentración del flujo efectivo en el punto de acoplamiento entre los polos de estator y las zapatas polares de imán permanente. Un hueco uniforme de aire se mantiene sin un cambio en el área de inferíase activa de las zapatas polares e imanes de rotor. La minimización de los efectos de momento de torsión de desbaste y vibración de momento de torsión sin afectar perj udicialmente la capacidad de salida del momento de torsión continúa siendo un objetivo importante.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención satisface las necesidades anteriormente descritas, al menos en parte, por la provisión de polos de estator que tienen un grosor variable de polo. Los polos se construyen con porciones de base que terminan en las zapatas polares en el hueco de aire. Las zapatas polares se extienden en la dirección circunferencial de las porciones de base más voluminosas. De acuerdo con la invención, un cambio selectivo en el grosor voluminoso de la zapata polar cambia la concentración del flujo efectivo en el punto de acoplamiento entre los polos de estator y las zapatas polares de imán permanente. Una ventaja de la presente invención es que no hay cambio en el área de interfase activa de las zapatas polares y se mantiene un hueco uniforme de aire. Consecuentemente no existe cambio en la reluctancia magnética de la interfase de circuito magnético localizado ocasionado por el hueco de aire o las áreas superficiales activas. Una ventaja adicional de la invención es que la firma de momento de torsión para cada interfase de polo de estator/imán permanente de rotor puede cambiarse selectivamente para suavizar la operación de motor al configurar el grosor de la zapata polar de estator a fin de variar a lo largo de su alcance circunferencial conforme sea apropiado. Las zapatas polares pueden tener bordes posteriores o delanteros ahusados con respecto a una base de polo para cambiar la densidad de flujo efectivo en el hueco de aire en una separación especifica de giro. De acuerdo con otro aspecto de la invención, los objetivos anteriores pueden alcanzarse al desplazar la zapata polar del centro con respecto a la base de polo. Por ejemplo, la colocación del voluminoso material de polo hacia el borde posterior del polo con respecto a la dirección del giro de imán, con un grosor relativamente constante de extensión de zapata polar, puede proporcionar efectos benéficos. Este efecto puede modificarse adicionalmente variando el grosor de la extensión de la zapata polar. Las características estructurales de la invención se incorporan en un motor que comprende un rotor que tiene una pluralidad de imanes permanentes distribuidos circunferencialmente alrededor de un eje de giro y un estator espaciado del rotor por un hueco radial de aire de dimensiones substancialmente uniformes. El estator comprende una pluralidad de polos distribuidos alrededor del hueco de aire. Cada polo de estator se encuentra configurado con una porción de base y una zapata polar que se encuentra orientada hacia el hueco de aire. La zapata polar puede extenderse en ambas direcciones circunferenciales desde la porción de base. Las extensiones de zapata polar pueden ser de grosor variable en la dirección radial mientras la dimensión del hueco de aire se mantiene substancialmente uniforme. La manera en la cual se varia el grosor de zapata polar y el espaciamiento relativo sea entre el extremo de la zapata polar y la porción de base se selecciona para ajustar las firmas de momento de torsión y fuerza de una máquina determinada para una aplicación deseada. La zapata polar puede ahusarse en grosor a lo largo de cualquiera o ambas porciones de extensión, estrechándose hacia los extremos posteriores y/o delanteros. Alternativamente, la zapata polar puede ahusarse a fin de incrementarse en la misma dirección circunferencial en ambas porciones de extensión de manera que sea substancialmente más gruesa en un extremo que en el otro. Además, la zapata polar puede compensarse con respecto al centro de la porción de base a fin de proporcionar una variación adicional en el grosor efectivo del polo. Si la compensación es suficiente en si misma para proporcionar la suavidad de la vibración de momento de torsión destinada, las extensiones de la zapata polar pueden configurarse con un grosor relativamente uniforme. Preferentemente, los imanes permanentes del rotor son bipolos magnéticos, teniendo cada uno de ellos una sola polaridad magnética en una superficie orientada hacia el hueco de aire, y espaciado uno de otro. El tramo de cada imán en la dirección circunferencial puede ser substancialmente el mismo que el tramo de cada zapata polar de estator en la dirección circunferencial. Pueden proporcionarse las estructuras de polo anteriormente descritas, con resultados ventajosos, en una configuración de estator que tiene una pluralidad de segmentos de núcleo de electroimán separados, ferromagnéticamente aislados. Cada segmento puede formarse de un solo par, tal como el mostrado en la Figura 1. El estator es un aro anular individual que abarca un solo polo en la dirección axial y una pluralidad de pares de polo en la dirección circunferencial. En otras configuraciones, se encuentran espaciados axialmente múltiples aros de polos de estator, formados por una pluralidad de segmentos de núcleo de electroimán separados, ferromagnéticamente aislados. Cada uno de los segmentos de núcleo comprende una pluralidad de polos unidos integralmente por una o más porciones de enlace extendidas generalmente en dirección del eje de giro. Consecuentemente, el estator forma una pluralidad de polos en la dirección axial con un solo polo de cada segmento distribuido en la dirección circunferencial en cada aro. En las últimas configuraciones, el rotor se forma de aros espaciados axialmente de imanes separados dispuestos circunferencialmente a lo largo del hueco de aire, siendo igual el número de aros de rotor al número de polos de estator en un segmento de núcleo de estator.

Las ventajas adicionales de la presente invención se volverán fácilmente aparentes para aquellos expertos en esta materia a partir de la siguiente descripción detallada, donde solamente se muestra y describe la modalidad preferida de la invención, simplemente a manera de ilustración del mejor modo contemplado para realizar la invención. Como uno se dará cuenta, la invención es capaz de otras modalidades diferentes, y sus diversos detalles con capaces de modificaciones en diversos aspectos obvios, sin aislarse todos de la invención. De acuerdo con lo anterior, los dibujos y descripción se contemplan como de naturaleza ilustrativa, y no restrictiva.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La presente invención se ilustra a manera de ejemplo, y no a manera de limitación, en las figuras de los dibujos acompañantes en los cuales los números de referencia similares se refieren a elementos similares y en los cuales : La Figura 1 es una vista a manera de ejemplo que muestra los elementos de rotor y estator de un motor tal como se describe en la Solicitud copendiente número 09/826,422. La Figura 2 es una presentación plana parcial de elementos de la Figura 1 que ilustra las posiciones relativas de las superficies de polo de estator y las superficies de rotor durante tres instantes de tiempo durante la operación del motor. La Figura 3 es un diagrama de una presentación plana parcial de los polos de estator con relación a las superficies de imán permanente de rotor de acuerdo con la presente invención . La Figura 4 es un diagrama de una presentación plana parcial de los polos de estator con relación a las superficies de imán permanente de rotor de acuerdo con una variación de la modalidad de la Figura 3. La Figura 5 es un diagrama de una presentación plana parcial de los polos de estator con relación a las superficies de imán permanente de rotor de acuerdo con otra variación de la modalidad de la Figura 3. La Figura 6 es un diagrama de una presentación plana parcial de los polos de estator con relación a las superficies de imán permanente de rotor de acuerdo con otra variación de la modalidad de la Figura 3. La Figura 7 es un diagrama de una presentación plana parcial de los polos de estator con relación a las superficies de imán permanente de rotor de acuerdo con otra variación de la modalidad de la Figura 6. La Figura 8 es una vista despiezada tridimensional de un motor que tiene elementos de estator y rotor axialmente alineados, tales como los descritos en la solicitud copendiente número 10/067,305, que puede incorporar estructuras de polo de estator de las Figuras 3-6.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Los conceptos de la presente invención son aplicables a motores que tienen un solo conjunto de elementos de rotor y estator colocados circunferencialmente configurados concéntricamente alrededor de un hueco radial de aire tal como el motor de la Figura 1, descrito con anterioridad, asi como también a motores que tienen dos o más conjuntos espaciados axialmente de elementos de rotor y estator. La Figura 3 es un diagrama de una presentación plana parcial de un motor tal como se ilustra en la Figura 1, con los polos de estator modificados de acuerdo con la presente invención mostrada con relación a superficies de imán permanente de rotor. Debe comprenderse que esta presentación es representativa de un motor giratorio con rotor y estator en relación concéntrica uno con otro, separados por un hueco radial de aire. Los imanes 21 de rotor, de polaridad magnética alternante sucesiva, se muestran ausentes de estructura de soporte para la clarificación de la configuración. Los elementos 36a y 36n de núcleo de estator comprenden cada uno de ellos un par de polos que tienen porciones 31 de base y porciones 32 de zapata polar. Los polos se enlazan integralmente uno con otro por la porción 33 de enlace. Los devanados de energización, no se muestran, para cada par de polos pueden formarse de manera bien conocida en las porciones de base polar o en la porción de enlace. Cada zapata polar se extiende externamente en ambas direcciones circunferenciales provenientes de la porción de base de polo por las extensiones 37 y 39 de zapata polar. La extensión 37 de zapata polar se ahusa en grosor radial desde la porción de base hasta su dimensión más estrecha al final de la zapata polar. La extensión 39 de zapata polar tiene una porción de grosor uniforme relativamente pequeño. Mientras que solamente dos segmentos de estator se muestran en la Figura para claridad de la ilustración, puede emplearse cualquier número de fases de estator. En esta ilustración, se supone que los imanes del rotor giran en una dirección de izquierda a derecha en operación.

Consecuentemente, los bordes delanteros de los imanes 21 se aproximan primeramente a las extensiones 37 de zapata polar ahusado del estator. Para la clarificación de la descripción, la extensión 37 de zapata polar se designa como una extensión delantera y la extensión 39 de zapata polar se designa como una extensión posterior. Se supone también que el devanado del segmento 36a de estator de mano izquierda no se energiza durante el periodo de tiempo en el cual los imanes 21 se aproximan en alineación con las zapatas polares de estator.

El flujo generado a través del hueco de aire por el imán permanente 21 produce una fuerza atractiva entre el imán y el polo de estator. El borde delantero del imán 21 se aproxima a la extensión 37 de zapata polar en el punto de transición del traslape. Dado que el grosor de la zapata polar ahusada es menor en este punto y que la trayectoria de flujo ferromagnético a través de la zapata polar se encuentra en un mínimo, el momento de torsión de desbaste resultante no se pronuncia abruptamente. Debido a lo ahusado, la trayectoria de flujo por la extensión de polo se incrementa gradualmente, suavizando asi el efecto de momento de torsión de desbaste. El enlace de flujo entre la zapata de estator y el imán permanente se encuentra en su máximo cuando estos elementos se encuentran en posiciones de traslape tales como las mostradas en la figura con respecto al segmento 36b de estator. La extensión 39 de zapata polar posterior, en virtud de su grosor relativamente pequeño, reduce el enlace de flujo efectivo en el borde posterior del imán de rotor de traslape. La estructura de zapata polar proporciona consecuentemente una firma de momento de torsión mejorado a medida que se evitan las oscilaciones severas de momento de torsión de desbaste. La Figura 4 ilustra una variación de la estructura mostrada en la Figura 3. Esta estructura difiere de la de la Figura 3 porque la extensión 39 de zapata polar posterior se ahusa entre la base de polo y su extremo de manera similar a la parte ahusada de la extensión 37 de polo. Consecuentemente, el enlace de flujo posterior se reduce progresivamente hacia el extremo de la extensión 39 de polo de manera que el efecto atractivo del imán de rotor de paso suaviza adicionalmente el efecto de desbaste. La estructura de polo de la Figura 4 tiene las ventajas adicionales de que proporciona subs tancialmente el mismo efecto para cada dirección de giro de motor. A medida que el ángulo de aguzamiento de las extensiones de polo afecta la velocidad de cambio de enlace de flujo en el hueco de aire, puede seleccionarse el ángulo de aguzamiento para proporcionar la firma de momento de torsión óptimo . Con una pluralidad de pares de polo de e s ta t or , s e encuentran disponibles diversas opciones de patrón de energizacion de devanado para obtener características operacionales deseadas para una aplicación de motor en particular y la configuración estructural. La secuencia y la sincronización de energizacion de devanado pueden requerir también que se des-energice una pluralidad de pares de polo en intervalos de traslape. Dado que los efectos individuales de momento de torsión de desbaste de los diversos pares de polos pueden ser aditivos y/o sustractivos , la firma de momento de torsión general debe tomarse en cuenta en la selección de la configuración de polo. La Figura 5 ilustra otra variación de la estructura de la Figura 3. La extensión 39 de zapata polar posterior tiene un grosor radial que se incrementa entre la base de polo y su extremo. Ambas extensiones se ahusan por substancialmente el mismo ángulo en la misma dirección. El grosor incrementado puede proporcionar un efecto contraproducente con respecto al momento de torsión de desbaste generado por la interacción de imán de rotor con los demás polos de estator. Las Figuras 6 y 7 son variaciones adicionales de las estructuras de zapata polar de los ejemplos precedentes ilustrados en las Figuras 3 - 5. En las configuraciones de las Figuras 6 y 7, las zapatas polares se compensan desde la base para formar extensiones 37 delanteras más largas que los ejemplos anteriores y virtualraente sin extensiones posteriores. Las extensiones 37 tienen un grosor radial relativamente pequeño, las cuales son relativamente uniformes en la Figura 6 o ahusadas en la Figura 7. Las extensiones 37 de zapata polar proporcionan un enlace de menos flujo y tienen un efecto significativamente menor sobre el momento de torsión de desbaste que la porción de base más voluminosa. Dado que el punto en el cual el borde delantero del imán 21 llega a una posición de traslape con la porción de base más voluminosa se encuentra retrasado, la magnitud de la forma de onda de momento de torsión de desbaste se desplaza de acuerdo con lo anterior. Los beneficios de las variaciones estructurales de polo de estator descritas con anterioridad son aplicables otras configuraciones de estator/rotor . Por ejemplo, una e s tator que tiene un núcleo de estator continuo integral puede tener polos de saliente formados como se describe con respecto a cualquiera de las Figuras 3 - 7 para proporcionar compensación de momento de torsión de desbaste. Tales formaciones de polo pueden implementarse para aliviar las manifestaciones de momento de torsión de desbaste en motores que tienen una sola hilera de imanes alineada axialmente y polos de estator. La Figura 8 ilustra una vista despiezada tridimensional de un motor tal como el descrito en la solicitud copendiente número 10/067,305. El motor 15 comprende el rotor 20 de imán permanente anular y la estructura 30 de estator anular separada por un hueco radial de aire. Una pluralidad de estructuras 36 de segmento de núcleo de estator aisladas ferromagnéticamente , hechas de material magnéticamente permeable, son soportadas por la estructura 50 de soporte, la cual mantiene el aislamiento ferromagnético de los segmentos. El segmento 36 es una estructura integral formada de un material magnéticamente permeable con superficies 32 de polo orientadas hacia el hueco de aire. Las caras de polo de cada segmento de núcleo pueden tener diferentes áreas superficiales, como se muestra, o puede tener una configuración superficial idéntica. Cada elemento 36 de núcleo de estator es un electroimán que incluye los devanados 38 formados en el material de núcleo. La inversión de la dirección de corriente energizante, de manera conocida, efectúa la inversión de las polaridades magnéticas de cada uno de los polos. El rotor comprende una sección 21 de imán permanente con tres aros espaciados axialmente de imanes 22-24 de rotor, distribuidos circunferencialmente alrededor del hueco de aire, y un aro 25 de hierro de soporte sobre el cual se instalan los imanes permanentes. La estructura 50 de soporte de estator puede fijarse a un eje estacionario, instalado el rotor dentro de un alojamiento que se articula al eje mediante manguitos aisladores y cojinetes apropiados . Los polos de estator mostrados en la Figura 8 pueden construirse como se muestra en cualquiera de las variaciones de las Figuras 3 -7. A medida que se proporciona un gran número de imanes y polos de estator tanto en la dirección circunferencial como en la dirección axial, se proporciona la compensación para una alteración de momento de torsión de desbaste potencialmente grande. En la descripción se muestran y describen solamente las modalidades preferidas de la invención y solo unos cuantos ejemplos de su versatilidad. Debe comprenderse que la invención es capaz de utilizarse en otras diversas combinaciones y ambientes y es capaz de cambios o modificaciones dentro del alcance del concepto inventivo como se expresa en la presente. Por ejemplo, cada una de las presentaciones ilustradas en los dibujos puede implementarse con núcleos de estator unitarios, en lugar de segmentados, con resultados benéficos. También, aunque los ejemplos ilustrados representan gráficamente la separación del polo de estator por ser substancialmente igual a la separación de polo de rotor por claridad de explicación, la distancia circunferencial entre un par de polos de estator puede ser mayor o menor que la distancia entre un par de imanes de rotor.

Aunque se han ilustrado las configuraciones geométricas especificas de los elementos de núcleo de estator, debe reconocerse que el concepto inventivo en la presente abarca una multitud de variaciones de esas configuraciones dado que virtualmente puede formarse cualquier forma utilizando la tecnología de polvo metálico. Consecuentemente, una configuración de núcleo específico puede ajustarse a la distribución de flujo deseado. Por ejemplo, se encuentra dentro del concepto de la invención que diferentes conjuntos de pares de polos puedan tener zapatas polares respectivamente con diferentes configuraciones. Aunque la descripción de la presente invención representa gráficamente el estator rodeado por el rotor, los conceptos de la invención son igualmente aplicables a los motores en los cuales los rotores se encuentran rodeados por los estatores.

Claims (19)

1. NOVEDAD DE LA INVENCIÓN Habiéndose descrito la invención como antecedente, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones:
2. REIVINDICACIONES 1. Un motor eléctrico giratorio, caracterizado porque comprende: un rotor que tiene una pluralidad de imanes permanentes distribuidos circunferencialmente alrededor de un eje de giro un estator espaciado del rotor por un hueco radial de aire de dimensión subs tancialmente uniforme, teniendo dicho estator una pluralidad de polos distribuidos alrededor del hueco de aire, en el que cada polo de estator comprende una zapata polar orientada hacia el hueco de aire, teniendo la zapata polar un grosor variable en la dirección radial mientras mantiene la dimensión a través del hueco de aire entre una superficie de la zapata polar y una superficie de un imán permanente substancialmente uniforme. 2. Un motor eléctrico giratorio según la reivindicación 1, caracterizado porque la zapata polar se extiende una distancia predeterminada en un dirección circunferencial desde una porción de base del polo y la zapata polar se ahusa en grosor a lo largo de dicha distancia predeterminada.
3. 3. Un motor eléctrico giratorio según la reivindicación 2, caracterizado porque dicho grosor se ahusa en dirección de su dimensión más grande próxima a la porción de base hasta su dimensión más pequeña en un extremo de la zapata polar remota de la porción de base.
4. 4. Un motor eléctrico giratorio según la rei indicación 3, caracterizado porque el grosor de la zapata polar disminuye en una dirección opuesta a la dirección de giro del motor .
5. 5. Un motor eléctrico giratorio según la reivindicación 3, caracterizado porque el grosor de la zapata polar se incrementa en una dirección opuesta a la dirección de giro del motor .
6. 6. Un motor eléctrico giratorio según la reivindicación 3, caracterizado porque la zapata polar se extiende desde la porción de base del polo en una segunda dirección circunferencial hacia un segundo extremo.
7. 7. Un motor eléctrico giratorio según la reivindicación 4, caracterizado porque la zapata polar se ahusa entre la porción de base del polo y el segundo extremo.
8. 8. Un motor eléctrico giratorio según la reivindicación 1, caracterizado porque el grosor de la zapata polar se incrementa desde la porción de base hacia el segundo extremo.
9. 9. Un motor eléctrico giratorio según la reivindicación 6, caracterizado porque un primer tramo de la zapata polar en la dirección circunferencial entre la porción de base y el extremo es diferente de un segundo tramo de la zapata polar en la dirección circunferencial entre la porción de base y el segundo extremo.
10. 10. Un motor eléctrico giratorio según la reivindicación 9, caracterizado porque el primer tramo es mayor que el segundo tramo.
11. 11. Un motor eléctrico giratorio según la reivindicación 1, caracterizado porque los imanes permanentes del rotor se encuentran espaciados uno del otro y cada imán permanente es un bipolo magnético que tiene una polaridad magnética en una superficie orientada hacia el hueco de aire y la polaridad magnética opuesta orientada lejos del hueco de aire; y el tramo de cada imán en la dirección circunferencial es substancialmente el mismo que el tramo de cada zapata polar de estator en la dirección circunferencial.
12. 12. Un motor eléctrico giratorio según la reivindicación 11, caracterizado por la reluctancia magnética de los circuitos magnéticos que comprenden los imanes magnéticos, orientados hacia los polos de estator y el hueco de aire se mantiene substancialmente uniforme.
13. 13. Un motor eléctrico giratorio según la reivindicación 1, caracterizado porque el estator comprende una pluralidad de segmentos de núcleo de electroimán separados, ferromagnéticamente aislados, comprendiendo cada segmento de núcleo al menos uno de dichos polos.
14. 14. Un motor eléctrico giratorio según la reivindicación 13, caracterizado porque cada uno de los segmentos de núcleo comprende una pluralidad de polos articulados integralmente por una o más porciones de enlace extendidas generalmente en dirección del eje de giro; y los imanes permanentes de rotor tienen superficies orientadas hacia el hueco de aire y formando aros espaciados axialmente de imanes separados colocados circunf erencialmente a lo largo del hueco de aire, siendo igual el número de dichos aros al número de polos de estator en un segmento de núcleo de estator.
15. 15. Un motor eléctrico giratorio caracterizado porque comprende: un rotor que tiene una pluralidad de imanes permanentes distribuidos circunferencialmente alrededor de un eje de giro; y un estator espaciado del rotor por un hueco radial de aire de dimensión substancialmente uniforme, teniendo dicho estator una pluralidad de polos distribuidos alrededor del hueco de aire; donde cada polo de estator comprende una zapata polar orientada hacia el hueco de aire, extendiéndose la zapata polar una primera distancia predeterminada en dirección circunferencial desde una porción de base del polo hacia un primer extremo y extendiéndose una segunda distancia predeterminada en una dirección circunferencial desde la porción de base del polo hacia un segundo extremo, y dicha primera distancia predeterminada es mayor que dicha segunda distancia predeterminada.
16. 16. Un motor eléctrico giratorio según la rei indicación 15, caracterizado porque el grosor en la dirección radial de la zapata polar a lo largo de ambas distancias predeterminadas es subs tancialmente uniforme.
17. 17. Un motor eléctrico giratorio según la rei indicación 15, caracterizado porque la dirección circunferencial desde el primer extremo hasta el segundo extremo es la misma que la dirección de giro del rotor.
18. 18. Un motor eléctrico giratorio según la reivindicación 15, caracterizado porque el estator comprende una pluralidad de segmentos de núcleo de electroimán separados, ferromagnéticamente aislados, comprendiendo cada segmento de núcleo al menos uno de dichos polos.
19. 19. Un motor eléctrico giratorio según la rei indicación 18, caracterizado porque cada uno de los segmentos de núcleo comprende una pluralidad de polos unidos integralmente por una o más porciones de enlace extendidas generalmente en dirección del eje de giro; y los imanes permanentes de rotor tienen superficies orientadas hacia el hueco de aire y formando aros espaciados axialmente de imanes separados colocados circunferencialmente a lo largo del hueco de aire, siendo igual el número de dichos aros al número de polos de estator en un segmento de núcleo de estator. RESUMEN Los motores de imán permanente giratorio tienen polos de estator de saliente con un grosor polar no uniforme en la dirección radial para compensar los efectos del momento de torsión de desbaste. Las porciones de base de polo terminan en las zapatas polares en el hueco radial de aire. Las zapatas polares se extienden en la dirección circunferencial desde las porciones de base más voluminosas. La variación del grosor de la zapata polar cambia la concentración del flujo efectivo en el punto de acoplamiento entre los polos de estator y las zapatas polares de imán permanente. Dado que no hay cambio en el área de interfase activa de las zapatas polares se mantiene un hueco uniforme de aire. La firma de momento de torsión para cada interfase de imán permanente de rotor/polo de estator puede cambiarse selectivamente a fin de suavizar la operación del motor al configurar el grosor de la zapata polar de estator para variar a lo largo de su extensión circunferencial según sea apropiado. Las zapatas polares pueden tener bordes ahusados posteriores o delanteros con respecto a una base de polo para cambiar la densidad de flujo efectivo en el hueco de aire a una separación especifica de giro. Adicionalmente, la zapata polar puede desplazarse del centro con respecto a la base de polo .