MOTOR HÍBRIDO ELÉCTRICO DE RELUCTANCIA El presente reporte discute una Patente de Invención que describe un motor eléctrico híbrido del tipo que puede utilizarse en la mayoría de campos variados de la actividad humana. De una manera más general, esta patente también discute una máquina eléctrica con bobinas en oposición y magnetos permanentes en oposición y en paralelo con las bobinas en el estator o rotor. Las máquinas eléctricas en la técnica previa usual están relacionadas a los procesos conocidos como "conversión de energía electromecánica", por lo tanto, una máquina eléctrica y la unión o articulación entre un sistema eléctrico y un sistema mecánico. La conversión es reversible en tales máquinas, es decir, si la conversión es mecánica a eléctrica, la máquina es llamada un generador, por otra parte, si la conversión es eléctrica a mecánica, la máquina es llamada un motor, razón por la cual este tipo de máquinas pueden operarse como un generador o un motor, siendo llamadas máquinas AC si el sistema es Corriente Alterna (Altemating Current) , y máquinas DC si la Corriente es Directa (Direct Current) (generadores o motores) . Dentro de las dos categorías mencionadas, hay una variedad de motores y generadores, incluyendo los que utilizan magnetos permanentes para producir flujos magnéticos . Los magnetos permanentes son utilizados en el estator y las bobinas en el rotor, o los magnetos en el rotor y las bobinas en el estator en una máquina eléctrica (motor o generador) , esto para economizar espacio, en vista de que un magneto permanente ocupa menos espacio que un electromagneto que tiene un núcleo de acero y un embobinado de cobre . Usualmente los magnetos son utilizados en motores o generadores, segmentados por razones de economía de espacio. Los magnetos permanentes también son utilizados para incrementar un poco la eficiencia de los motores, en vista de que los magnetos permanentes no tienen bobina, reduciendo pérdidas por calor debido a la correspondiente 12R para esta parte del motor que tiene magnetos . Generalmente, un problema encontrado en tales motores que tienen en cuenta magnetos permanentes es que el flujo del campo magnético creado por el magneto es estático y permanente, agregado al hecho de que este flujo no puede ser controlado desde un valor mínimo a un valor máximo o viceversa, como es el caso con los electromagnetos que producen flujos totalmente controlables porque corresponden a la corriente y al número de devanados de la bobina. En motores convencionales que utilizan magnetos permanentes, la corriente más baja corresponde a flujo magnético más bajo y la corriente más alta corresponde a un flujo magnético más alto. Por lo tanto, y para ejemplo, es imposible crear un motor en serie cuando el estator está hecho de magnetos permanentes y el rotor está hecho de bobina; lo mismo sucede para el caso inverso. En muchos tipos de motores en serie (bobinas de rotor en serie con bobinas de estator) , de variable velocidad que operan solo con electromagnetos, el amperaje es reducido bajando el voltaje, por esta razón, la velocidad del motor es proporcionalmente reducida, incluyendo, proporcionalmente, la fuerza contraelectromotriz . Inversamente, al incrementar el voltaje, el amperaje es incrementado y por lo tanto la velocidad, incluyendo la fuerza contraelectromotriz, es proporcionalmente incrementado. En motores con magnetos permanentes, localizados en el estator o las bobinas del rotor, o viceversa, la fuerza contraelectromotriz es proporcional al flujo de magneto permanente y no es controlable.
En vista de este problema, no es recomendado que los magnetos permanentes estén colocados en motores de velocidad variable, en vista de que cuando la corriente es cortada en el motor, el rotor, por inercia, continúa girando debido al campo fijo del magneto presente, produciendo fuerza contraelectromotriz, lo cual en la mayoría de los casos es perjudicial. En vista de las inconveniencias anteriores, el objeto de esta patente de invención, que argumenta un motor eléctrico híbrido de reluctancia, cuyo mérito será más evidente con las ilustraciones que se enlistan enseguida, en las cuales: La Figura 1 muestra una sección esquemática de un motor eléctrico híbrido como el que se propone en esta patente de la invención, esta vista corresponde a la sección A-A indicada en la Figura 2 ; La Figura 2 muestra una sección esquemática del motor eléctrico híbrido propuesto por esta patente de invención, que corresponde a la sección B-B indicada en al Figura 1 y donde la flecha A indica el flujo magnético del magneto en el toroide; La Figura 3 muestra una sección C-C tomada de la Figura 1, donde la flecha A indica el flujo del magneto en el toroide;
La Figura 4 muestra una sección D-D también tomada de la Figura 1, en donde la flecha B indica el flujo del magneto y el flujo de la bobina en el espacio de aire produciendo el par de torsión o potencia; La Figura 5 muestra una primera reproducción obtenida basada en un Programa de Elemento Finito; La Figura 6 muestra una segunda reproducción obtenida basada en el mismo Programa de Elemento Finito, que muestra el motor estimulado con 2800 AT a 0 grados. La Figura 7 muestra una tercera reproducción obtenida basada en el Programa de Elemento Finito, el cual representa el estator estimulado con 5000 AT; La Figura 8 muestra una cuarta reproducción obtenida basada en el Programa de Elemento Finito, que muestra el motor estimulado con 2800 AT a 10 grados; La Figura 9 muestra la quinta reproducción basada en el Programa de Elemento Finito, en donde (a) muestra las líneas de flujo y (b) las densidades de flujo,- La Figura 10 muestra una gráfica comparando el par de torsión y la rotación de un motor eléctrico con y sin magnetos ; La Figura 11 muestra otra gráfica representativa de un osciloscopio en un estado sin magneto;
La Figura 12 muestra una gráfica similar a la de la Figura 11, sin embargo en un estado con magneto; La Figura 13 muestra una gráfica simplificada del controlador del motor discutido a uí; La Figura 14 muestra un diagrama del microcontrolador que es parte del controlador mostrado esquemáticamente en la Figura 13 ; y La Figura 15 muestra un diagrama de un tablero de energía asociado con la operación de este motor, en donde a) indica el "suministro de energía", b) indica la "recuperación de energía", c) indica "del codificador", d) indica el "filtro harmónico", e) indica el "motor", f) indica "del codificador al microcontrolador" y g) indica el "optoacoplador" . como se mostró en las figuras enlistada antes, el motor eléctrico híbrido tratado aquí esta formado de uno o más estatores de placa de acero 1, con bobinas 8 y con sus respectivos rotores de placa de acero 2, el ultimo montado en un eje único 3 y alineado, cada uno con su respectivo estator 1, como se muestra en la figura 1 sección A-A. Los estatores 1 y rotores 2 tienen el mismo número de polos salientes en un número par, como se puede verse en las figuras 1, 2, 3 y 4, representando las secciones A-A, B-B, C-C y D-D.
Las bobinas 8 en este Nuevo tipo de motor, y como puede verse en las figuras 2, 3 y 4, están colocados en el perímetro externo o la corona del estator 1, con los devanados en "oposición", como puede verse en la figura 4, la cual muestra las secciones D-D, donde las flechas muestran la dirección de los flujos de la bobina. Los magnetos permanentes 9 están localizados entre cada polo, como puede verse en la figura 2, la cual muestra la sección B-B, y en paralelo con las bobinas 8, como puede verse en la figura 2, la cual muestra la sección B-B y también en el caso de las bobinas en "oposición", como puede verse en la figura 4, que muestra la sección D-D (dirección del flujo de los magnetos) . Cuando todas las bobinas 8 del estator son energizadas a la vez y, que sus devanados están en "oposición", los flujo creados por ellas debido a que pasa corriente están también en "oposición", como puede verse en la figura 4, la cual muestra la sección D-D. Los flujos producidos por las bobinas 8 pasan a través de la ruta de las patas de los polos y en dirección del "entre hierro"; en esta ruta, los flujos magnéticos encuentran a los flujos magnéticos creados por los magnetos permanentes 9 que están en dirección esteroide, como se muestra en la figura 4, la cual muestra la sección D-D y en la figura 5, la cual es una representación hecha por el programa de computador Elemento Finito (Finite Element computer program) . En vista de que los flujos de los magnetos permanentes 9 están opuestos a los flujos de las bobinas 8, esto debido a que tienen la misma polaridad que los flujos de la bobina, son referidos por ellos, causando que salgan toroides en dirección al "entre hierro", obteniendo como un resultado, en el "entre hierro", la suma de los flujos magnéticos de las bobinas y magnetos, lo cual cierra sus circuitos a través de los polos del rotor hasta los polos del estator, como se muestra en la figura 4, la cual representa la sección D-D. Por consiguiente, los flujos de magnéticos son obtenidos con la misma corriente requerida para producir solo los flujos de la bobina. Esta contribución magnética de los magnetos permanentes 9 incrementa el par de torsión del motor que se trata aquí . Las Figura 6 y 7 , producida por el programa de elemento finito, muestra un estado en donde los polos del rotor 2 están enfrente de los polos del estator 1. Aun observando la figura 1, podemos ver otros componentes básicos del motor en cuestión, que son: el codificador, indicado en esta figura por referencia del número 4, una de las llaves 5, el balero 6, y la caja o cuerpo del motor 7. La figura 8, producida también con el mismo programa de elemento finito, muestra el flujo de los magnetos y electromagnetos cuando los polos del rotor 2 están entrando alineados con los polos del estator 1. Puede verse claramente en la misma figuras 6 y 7 que la densidad magnética en el polo es la misma de la encontrada corona o el núcleo de la bobina 8 , diferente de la sección del polo que es doble de la suma de las secciones de los núcleos de las bobinas que envían sus flujos a este polo. Esta misma densidad magnética en el polo, aunque doble en la sección, es debido a la contribución del flujo de los magnetos 9 que están en paralelo con las bobinas 8, luego enviando sus flujos al polo y al entre hierro. Esto ocurre con el mismo amperaje que se cambia del necesitado solo en las bobinas, como puede verse en la gráfica de la figura 10 (con y sin magnetos) , producido por el Programa de Elemento Finito, en donde el incremento en el par de torsión en función del flujo magnético de los magnetos 9 cuando están en los estados antes mencionados que pueden verse claramente. Cuando se corta la corriente eléctrica en las bobinas 8 del estator 1, los flujos magnéticos creados prácticamente caen a cero en sus polos. Los flujos magnéticos 9 en este estado entran al toroide en proporción a la reducción en las bobinas 8 y finalmente la reducción de los flujos de las bobinas 8 en función del tiempo, como puede verse en la figura 2, la cual representa la sección B-B, también como en la figura 9 producida por el programa de computación de Elemento Finito. Basado en las explicaciones anteriores, los campos magnético de los magnetos 9 son conmutados desde el toroide al polo y desde el polo al toroide, solo como un resultado del control del flujo magnético de las bobinas 8. Luego, el campo magnético o flujo de los magnetos 9 se controla de acuerdo al incremento o reducción de la corriente de la bobina 8 en función del tiempo, como puede verse en las gráficas en las figuras 11 y 12 del osciloscopio, solo la bobina de la figura 11, y la bobina con magneto de la figura 12, producidos con una corriente de onda media en 120c/s. En dichas gráficas y con el ciclo marcado, uno claramente de el incremento marcado en el flujo magnético o el campo cuando el magneto 9 se agrega al sistema; este flujo magnético es del magneto 9, cuando está en el estado antes mencionado y en el estado de esta invención.
Es por lo tanto importante repetir que debido a la conmutación de las bobinas 8 como se muestra en las gráficas en las figuras 11 y 12 del osciloscopio, de flujo magnético de los magnetos 9 también se están conmutando desde el entre hierro al toroide y del toroide al entre hierro, con la ventaja de que cuando la corriente de la bobina 8 esta activada, producir un flujo proporcional a la corriente y en función del tiempo, el flujo del magneto 9 sale o deja el toroide en la misma proporción que el flujo en la bobina 8 y al mismo tiempo. Como resultado, como previamente se explico en este reporte, el flujo del magneto 9 es combinado con el flujo de la bobina 8, los dos flujos se conducen al entre hierro. Cuando la corriente de las bobinas 8 es desactiva o desenergizada, el campo magnético o flujo de las bobinas 8 se reduce hasta que alcanza cero en función del tiempo, e igual entonces, el flujo magnético el campo de los magnetos 9 entran al toroide al mismo tiempo, reduciendo su flujo en el entre hierro hasta que alcanza cero, en proporción a la reducción de flujo en las bobinas al mismo tiempo. Es importante señalar que la misma configuración de los magnetos permanentes 9 en paralelo con las bobinas 8 puede utilizarse en el estator 1, en el rotor 2, o en el estator y rotor de una máquina eléctrica (motor o generador) . Por lo tanto, y debido a la conmutación del flujo del magneto 9 en los estados antes mencionados, magnetos permanentes 9 pueden aplicarse en el rotor 2 también como en el estator 1, algo que no se había hecho hasta esta propuesta de invención. En la máquina eléctrica denominada motor híbrido de reluctancia con estator o estatores 1, con bobinas 8 y magnetos permanentes 9 (bobinas en oposición y magnetos permanentes en oposición y en paralelo con las bobinas) , y el rotor o rotores de placa de acero 2, la conmutación de los polos se lleva a cabo en el estator o estatores 1 por medio de un conmutador electrónico 10, como se muestra en la Figura 13 , que tiene un codificador 11, sensores de posición para los polos del rotor 12 en relación a los polos del estator, sensores de corriente
13 y microprocesador, mostrados en detalle en la Figura
14 que controla tales parámetros, como se muestra en la Figura 13. La Figura 13 también muestra: a) un bloque contador de pulso 14; b) un bloque de circuito de recuperación de energía 15; y c) el blogue que representa la fuente variable de corriente directa (DC)
16. Este conmutador electrónico es aplicable a un motor similar, pero también tiene magnetos en el rotor en lugar de las placas de acero. En relación al motor con bobinas y magnetos en el estator y también en el rotor, la conmutación se lleva a cabo a través del mismo conmutador electrónico, en el rotor también como en el estator. Cuando el motor tiene varios estatores con sus respectivos rotores (con los rotores ensamblados en un eje único) , la conmutación se lleva a cabo en todos los polos de un estator-rotor a todos los polos del siguiente estator-rotor secuencialmente, como se muestra en la Figura 4, la cual muestra la sección D-D, la posición del los polos del rotor que entran al polo del estator para alinearse . Una vez que este movimiento se completa, la corriente se anula en el estator/rotor y se conmuta al siguiente estator/rotor y los subsecuentes estatores/rotores para obtener el par uniforme, de este modo el motor integra o se integra de estatores con bobinas y magnetos permanentes y rotores de placa de acero, o estatores con bobinas y magnetos permanentes y rotores solo con magnetos, o estatores con bobinas y magnetos permanentes y rotores con bobinas y magnetos permanentes .