WO2014023991A1

WO2014023991A1 - Motor

Info

Publication number: WO2014023991A1
Application number: PCT/IB2012/001540
Authority: WO
Inventors: Julian ROMERO-BELTRAN; Rodrigo ROMERO-PEREZ
Original assignee: Romero-Beltran Julian; Romero-Perez Rodrigo
Priority date: 2012-08-09
Filing date: 2012-08-09
Publication date: 2014-02-13
Also published as: CN104823372B; CN104823372A; MX342018B; MX2015001832A; US10164507B2; US20150372574A1

Abstract

La presente invención está relacionada con un motor de inducción monofásico de polos sombreados, convertible a motor de imán permanente, del tipo que comprende una carcasa frontal, un elemento de estator, un elemento de rotor, una pluralidad de devanados colocados sobre los polos salientes del elemento de estator y una carcasa posterior, en donde el elemento de estator presenta una configuración cuadrada con los cuatro polos salientes girados 45° con respecto a los ejes de simetría horizontal y vertical a manera de quedar alineados con las cuatro esquinas del elemento estator. La configuración nueva del estator permite optimizar el uso del material de laminación durante la fabricación y ensamble de los paquetes de láminas del elemento de estator y del elemento de rotor; además, al estar girados 45° los polos salientes en el elemento de estator, se logra una reducción en las pérdidas eléctricas en sus devanados y una disminución en la temperatura de operación, tanto del elemento de estator como del elemento de rotor, lo que permite un incremento en la eficiencia de operación del motor. Asimismo, la reducción en la temperatura de operación del elemento de estator, hace posible el empleo de materiales plásticos para sus componentes.

Description

"MOTOR DE INDUCCION MONOFÁSICO PE POLOS SOMBREADOS.

CONVERTIBLE A MOTOR DE IMAN PERMANENTE"

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención está relacionada con las técnicas para la fabricación de motores eléctricos dentro de la industria electromecánica, y más específicamente se encuentra relacionada con un motor de inducción monofásico de polos sombreados, convertible a motor de imán permanente, cuyo diseño permite mejorar su eficiencia energética y un mejor aprovechamiento de los materiales de construcción.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Como es bien conocido, los motores eléctricos son aparatos que se utilizan para convertir la energía eléctrica en mecánica utilizando medios electromagnéticos.

Gracias a dos principios eléctricos descubiertos a mediados del siglo XIX es que se puede lograr el funcionamiento de un motor eléctrico. El primer principio es el de inducción descubierto por Faraday, el cual menciona que si un conductor se mueve a través de un campo magnético, se induce una corriente eléctrica en dicho conductor. El segundo principio fue observado por Ampére y menciona que si una corriente pasa a través de un conductor situado en el interior de un campo magnético, éste ejerce una fuerza mecánica sobre el conductor.

Para que funcionen, los motores cuentan con dos unidades básicas: el inductor que crea el campo magnético y la armadura o inducido, que es la estructura que sostiene los conductores que cortan el campo magnético y transporta la corriente de excitación del motor.

Dependiendo del tipo de energía eléctrica que empleen los motores, éstos se clasifican en motores de corriente directa y motores de corriente alterna. Haciendo especial énfasis a los motores de corriente alterna, cabe mencionar que existen dos clases: motores síncronos y motores de inducción (asincronos). En los motores síncronos la corriente del campo magnético es suministrada por una fuente de potencia de corriente alterna externa mientras que en el motor de inducción, la corriente de campo magnético es suministrada a sus devanados por medio de inducción magnética.

Precisamente de ésta característica es que el motor de inducción toma su nombre, ya que las corrientes que fluyen en el rotor, se inducen por las corrientes que fluyen en el estator. Las corrientes del rotor se inducen por la acción de los campos magnéticos generados por el devanado del estator sin que exista conexión eléctrica entre el circuito del estator y el rotor.

El estator de un motor de inducción consiste de un armazón que aloja una estructura anular cilindrica magnéticamente activa, un apilamiento de laminaciones troqueladas de acero eléctrico con un conjunto de devanados colocado en ranuras internas equidistantemente espaciadas.

El rotor de un motor de inducción es una estructura cilindrica magnéticamente activa (apilamiento de laminaciones), montada sobre un eje. El devanado del rotor puede ser de dos tipos: jaula de ardilla o rotor devanado. El rotor de tipo jaula de ardilla consiste de una serie de barras conductoras (aluminio o cobre) dispuestas entre ranuras labradas en la periferia del rotor y cortocircuitadas en cada extremo por anillos de cortocircuitado (aluminio o cobre). Un devanado jaula de ardilla puede formarse bien por fundición, por inyección a presión o por un proceso de fabricación. La variación del diseño de las barras del rotor es un método primario para alterar las características par-velocidad del motor.

Cabe hacer mención que los motores de inducción monofásico presentan dificultades en el arranque. Para solventar dicho inconveniente, se puede emplear un capacitor de arranque que se encarga de desfasar la corriente para lograr el par que requiere el rotor para comenzar a girar. Asimismo se puede emplear un devanado de sombra (también conocido como devanado auxiliar o de arranque) el cual difiere física y eléctricamente del devanado principal o de trabajo ya que éste último está formado de un conductor más delgado y tiene más espiras que el devanado de arranque.

Los motores de inducción con devanados auxiliares (o de polos sombreados, como también se les conoce) tienen la ventaja de ser de construcción sencilla, tener una alta confiabilidad y robustez, además de que tienen un bajo costo de producción. A diferencia de otro tipo de motores de inducción monofásicos, dichos motores no requieren de partes auxiliares como capacitores o interruptores centrífugos, lo que se traduce en un mínimo mantenimiento.

Los motores de inducción monofásicos de tipo jaula de ardilla a pesar de no contar con un par de arranque grande, son utilizados en diversas aplicaciones como: ventiladores, bombas centrífugas, bombas de combustible, aplicaciones en ambientes polvosos, compresores, lavadoras y electrodomésticos en general, etc.

Con relación a lo anteriormente descrito, a lo largo de los años se han implementado mejoras en la construcción y configuración de los motores eléctricos para lograr mejores resultados en lo que respecta a su consumo energético. En especial en aquellos motores de inducción monofásicos. Un ejemplo de lo anterior es el motor de inducción monofásico de polos sombreados descrito en la Patente Estadounidense No. US 2,773,999 que se caracteriza por tener un rotor conformado por una pluralidad de barras cortocircuitadas por un pequeño anillo; un estator con cuatro polos salientes, cada uno de ellos teniendo una forma idéntica; dicha forma se encuentra conformada por dos porciones: una porción de cuello y una porción de cara; dicha porción de cara comprende una primer y segunda parte. La primer parte posee una ranura donde se coloca un devanado de sombra. Cada una de las segundas partes tiene una superficie semi-plana o divergente que se une a la porción parcial cilindrica de la porción de la cara en un determinado punto. Las superficies semi-planas son preferiblemente tangenciales a las superficies cilindricas y se extienden hasta la punta de los lados de las caras.

El rotor posee preferiblemente un entrehierro muy pequeño con relación a las porciones de la cara. Sin embargo, ya que el rotor es cilindrico, el entrehierro es uniforme en la zona adyacente a las primeras partes y adyacente a la porción central principal de las porciones de la cara. Sin embargo adyacente a las superficies semi- planas, un entrehierro diferente se forma, el cual continuamente se incrementa hacia las puntas de las caras. Asimismo dichas superficies semi-planas se encuentran preferiblemente a 50° eléctricos.

El motor antes descrito presenta el inconveniente de que la forma geométrica del estator es circular, por lo que gran cantidad de material es desperdiciado al momento de hacer el troquelado para obtener la forma final, ya que se parte de una laminación cuadrada. Es otro inconveniente que las cavidades que se forman entre un polo y otro son de forma ovoidal, lo que limita el espacio útil para colocar el devanado principal de cada polo.

Otro ejemplo de lo anterior es el motor descrito en la Patente Estadounidense No. US. 2,149,569 que es de tipo reversible de polos sombreados, el cual comprende en combinación un estator conformado de una pluralidad de laminaciones de material magnetizable; dichas laminaciones estando abiertas dentro de sus bordes marginales para definir la cavidad del rotor rodeada por una pluralidad de polos de forma rectangular dispuestos simétricamente; un rotor montado en dicha cavidad para inducir la rotación, el cual incluye un núcleo cilindrico magnetizable que posee un devanado y configuración de jaula de ardilla; las caras de dichos polos se forman integralmente de dichas laminaciones para tener una forma congruente con el contorno de dicho rotor; miembros de enlace en forma de U de porciones de láminas de metal magnéticas altamente permeables abrazando alternadamente cada polo y sujetándolo firmemente con las patas de dichos miembros de enlace; las caras de las patas de dichos miembros de enlace son congruentes en forma y contorno con dicho rotor; medios para sombrear permanentemente algunos de los polos y medios para energizar los devanados principales localizados en cada uno de los polos.

Sin embargo, el motor antes descrito a pesar de que el estator es de forma cuadrangular, no existe una optimización del espacio destinado a los devanados principales por lo que para lograr el campo magnético necesario se emplea un alambre de menor tamaño. Por lo que dicho motor no resulta eficiente en su consumo energético ya que a menor área de un conductor, mayor será su resistencia al paso de corriente eléctrica.

Otro motor de inducción de polos sombreados del estado del arte se encuentra descrito en la Patente Estadounidense No. US 2,591 ,117 el cual se compone de un rotor jaula de ardilla, un estator alrededor de dicho rotor localizado de forma concéntrica; dicho estator siendo simétrico y estando dividido en por lo menos 4 polos salientes opuestos, los cuales forman entrehierros radiales con dicho rotor; cada uno de los polos estando separado de su polo adyacente por entrehierros circunferenciales de por lo menos 5% y no más de 15% de la longitud de la cara arqueada de cualquiera de dichos polos; cada uno de dichos polos teniendo una porción de su cara escalonada para proveer un entrehierro adicional al entrehierro radial; la curvatura acumulada de dichas porciones escalonadas de las caras de los polos siendo por lo menos un 20% de un círculo completo con el cual dichas caras de los polos coinciden; la reluctancia de dichos entrehierros circunferenciales siendo sustancialmente mayor que la reluctancia de los entrehierros adicionales.

Sin embargo presenta los mismos inconvenientes de los motores mencionados anteriormente, la configuración del estator no es óptima ya que existe mucho desperdicio de material troquelado además de no presentar una superficie adecuada para la transferencia de energía térmica entre el estator y el ambiente.

El motor de la Patente Estadounidense No. US 3,697,842 es un motor de inducción monofásico el cual incluye un núcleo del estator teniendo por lo menos un par de polos. Dichos polos comprenden una primera y segunda porción, la primera porción tiene una bobina de sombra en el lado remoto de la segunda porción con lo cual se forman secciones con sombra y sin sombra de la primera porción del polo. Una primera bobina abraza cada uno de los polos y una segunda bobina abraza solamente la primera porción de cada polo. Las primeras bobinas se encuentran conectadas en serie para formar un primer devanado y las segundas bobinas también se encuentran conectadas en serie para formar un segundo devanado; tanto el primer como segundo devanado se encuentran conectados en serie.

Se encuentra provisto un interruptor que responde a la velocidad, el cual presenta una primera y segunda posición. Cuando el interruptor se encuentra en su primera posición, se acopla al primer devanado para energizar mediante una fuente de corriente alterna al motor y comenzar su funcionamiento. Asimismo el interruptor actúa en su segunda posición cuando el motor alcanza determinada velocidad en donde, tanto el primer devanado como el segundo se encuentran acoplados en serie para energizar a través de la fuente.

El motor de inducción antes descrito presenta la desventaja de utilizar un interruptor centrífugo para habilitar tanto el primer devanado como el segundo devanado una vez que dicho motor se encuentra en operación. El empleo de componentes adicionales, como lo es el interruptor, encarece el costo final del dispositivo además de que requiere de un mantenimiento periódico para asegurar su correcto funcionamiento.

Otro ejemplo de motor eléctrico se encuentra descrito en la Patente Estadounidense No. US 5,036,237 el cual comprende un motor eléctrico de polos sombreados que tiene un estator y un rotor, los cuales interactúan a través de un entrehierro. Dicho estator tiene un polo saliente con un cuello de flecha y una base del polo ancha. La ranura de la bobina de sombra se extiende dentro del polo saliente desde el entrehierro y define una porción de sombra del polo. El lado expuesto de la porción de sombra es relativamente continuo, ya que comprende una bobina de sombra que tiene un lado dentro de la ranura de la bobina de sombra y otro lado en la abertura del polo cerca pero distanciado del lado expuesto. Esto facilita el aislamiento de la superficie del polo saliente para recibir el devanado del estator.

Presenta la desventaja de que los polos salientes al estar conformados por dos secciones separadas una de la otra cierta distancia, se tiene una mayor área para los devanados pero se limita en gran medida la cantidad de polos que se pueden disponer radialmente en el estator. Cuando se troquela el estator, existe desperdicio de material troquelado que no es aprovechado en las siguientes etapas de la construcción del motor.

En las patentes arriba mencionadas, se hace referencia esencialmente a un estator y a un rotor, en donde el estator es un módulo a base de un conjunto apilado de láminas de acero, las cuales han sido troqueladas ó cortadas con un diseño específico para alojar en las cavidades que se troquelan, a las espiras (devanado) de alambre de magneto, dichas cavidades caracterizándose por estar dispuestas en una posición diagonal con respecto a un eje simétrico horizontal y vertical de un cuadrado. La laminación del estator en estos motores de inducción puede ser cuadrada ó redonda; sin embargo, el diseño de este tipo de motores presenta los siguientes inconvenientes:

• Cuando la laminación es del tipo cuadrada, el material sobrante de las esquinas no contribuye a mejorar el flujo magnético del motor; y, cuando la laminación es del tipo redonda, presenta un desperdicio de lámina en el contorno de sus esquinas, considerando que el troquelado se realiza a partir una lámina cuadrada.

• Las cavidades troqueladas al estar dispuestas en una posición alineada con las esquinas de la lámina eléctrica cuadrada, no permiten incrementar el área de espacio libre entre los polos salientes, en la cual se inserta el embobinado.

• El área útil en la laminación cuadrada de un motor estándar del arte anterior (3.3 frame) y que conforma a las cavidades troqueladas para alojar la "bobina", presenta un área de aproximadamente 406.62 mm², lo cual limita la capacidad de área para el devanado.

• De igual manera el área útil de la laminación redonda dispone de un área aún más reducida con respecto a la cuadrada de aproximadamente 318.18 mm².

Por lo que se refiere al rotor, éste consiste de un conjunto de láminas de acero grado eléctrico, con un diámetro menor al diámetro interior del estator y con una multitud de ranuras troqueladas, en donde se alojan las barras conductoras que forman la jaula de ardilla del arte anterior.

El solicitante ha desarrollado un nuevo motor monofásico de polos sombreados, que para un mismo tamaño de área externa del estator del arte previo y menor grosor del paquete de laminación del estator, es decir con menos material usado para su fabricación y por consecuencia más ligero, entrega la misma potencia de salida con un consumo menor de energía eléctrica.

Por otra parte, existen diferentes técnicas para la fabricación y diseño de motores que permiten proveer un motor más eficiente en sus resultados, pero que son más costosos en su fabricación, tal como los motores de capacitor permanente. El motor de la presente invención, por su diseño, presenta una menor resistencia eléctrica en sus embobinados, así como el aprovechamiento del material de desperdicio durante el troquelado en el circuito magnético; por lo tanto, permite proveer un motor más económico y más eficiente que los motores de polos sombreados del arte anterior.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

A fin de suprimir las desventajas de la técnica anterior, se ha desarrollado un motor de inducción de polos sombreados, convertible a motor de imán permanente, el cual presenta una configuración novedosa del elemento de estator, la cual se caracteriza por presentar una laminación cuadrada y con los polos salientes girados 45° con respecto a los ejes de simetría horizontal y vertical. Esta configuración presenta aspectos nuevos con respecto a la posición tradicional de los polos salientes del arte previo, la cual se ubica precisamente sobre los ejes de simetría horizontal y vertical.

Al estar girados 45° los polos salientes en el elemento de estator, se logra una reducción en las pérdidas eléctricas en sus devanados y una disminución en la temperatura de operación, tanto del elemento de estator como del elemento de rotor, lo que se traduce en un incremento en la eficiencia de operación del motor. Asimismo la reducción en la temperatura de operación del elemento de estator hace posible el empleo de materiales plásticos para sus componentes.

OBJETOS DE LA INVENCIÓN

Teniendo en cuenta los defectos de la técnica anterior, es un objeto de la presente invención, proveer un motor de inducción de polos sombreados, convertible a motor de imán permanente, que sea de alta eficiencia en la conversión de energía.

Es un objeto más de la presente invención, proveer un motor de inducción de polos sombreados, convertible a motor de imán permanente, de fabricación y operación económicas.

Un objeto adicional de la presente invención, es proveer un motor de inducción de polos sombreados, convertible a motor de imán permanente, que permita reutilizar el material de desperdicio durante el troquelado.

Es todavía un objeto más de la presente invención, proveer un motor de inducción de polos sombreados, convertible a motor de imán permanente, cuyo elemento de estator requiera un menor grosor del paquete de laminación o un número menor de laminaciones para entregar la misma potencia que un motor de inducción de polos sombreados convencional.

Es un objeto más de la presente invención, proveer un motor de inducción de polos sombreados, convertible a motor de imán permanente, que permita utilizar materiales plásticos para la construcción de sus carcasas o tapas, por el calentamiento mínimo que se tiene durante su operación.

Los objetos anteriores, así como otros objetos y ventajas de la invención, se logran mediante una configuración novedosa del elemento de estator del motor de inducción de polos sombreados convertible a motor de imán permanente de la presente invención, la cual se caracteriza por presentar una configuración cuadrada en su laminación y con los polos salientes girados 45° con respecto a los ejes de simetría horizontal y vertical.

Al estar girados los polos salientes en el elemento de estator, se logra una reducción en las pérdidas eléctricas en sus devanados y una disminución en la temperatura de operación, tanto del elemento de estator como del elemento de rotor, lo que se traduce en un incremento en la eficiencia de operación del motor y en la posibilidad de emplear materiales plásticos para sus componentes.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Los aspectos novedosos que se consideran característicos de la presente invención, se establecerán con particularidad en las reivindicaciones anexas. Sin embargo, las ventajas y otros objetos de la misma, se comprenderán de mejor manera en la siguiente descripción detallada de una modalidad específica, cuando se lea en relación con los dibujos anexos, en los cuales:

La Figura 1 es una vista en perspectiva frontal de un motor de inducción de polos sombreados, convertible a motor de imán permanente, construido de conformidad con los principios de la presente invención.

La Figura 2 es una vista en perspectiva frontal del ensamblado del estator del motor de inducción de la Figura 1 , sin la carcasa frontal y sin el rotor.

La Figura 3 es una vista en perspectiva de la porción interna de la carcasa frontal del motor de inducción de la Figura 1 , con el rotor ensamblado a ella.

La Figura 4 es una vista frontal del motor de inducción de la Figura 1 , sin ambas carcasas (frontal y posterior) y sin las fundas aislantes termoplásticas, para mostrar los detalles internos del troquelado, ensamble y bobinas de sombra del elemento de estator, así como del elemento de rotor del tipo jaula de ardilla.

La Figura 5 es una vista frontal de una modalidad adicional del motor eléctrico mostrado en la Figura 1 , sin ambas carcasas (frontal y posterior), sin las fundas aislantes termoplásticos y sin las bobinas de sombra, para mostrar los detalles internos del troquelado y ensamble tanto del elemento de estator como del elemento de rotor de tipo de imán permanente.

La Figura 6A es una vista en planta de una plantilla para troquelar el elemento de rotor de tipo de jaula de ardilla y el elemento de estator del motor de inducción de la Figura 1 , en donde se muestran los detalles internos para el troquelado. La figura 6B es una vista en planta de una modalidad adicional de la plantilla para troquelar el elemento de rotor de tipo de jaula de ardilla y el elemento de estator del motor de inducción que se muestra en la Figura 6A.

La Figura 7 es una vista en planta de una plantilla para troquelar tanto el elemento de rotor como el elemento de estator del motor de imán permanente de la Figura 5, en donde se muestran los detalles internos para el troquelado.

La Figura 8 es una vista en explosión del elemento de estator del motor eléctrico de la presente invención una vez que ha sido troquelado y listo para su ensamble.

La figura 9A es una vista en planta de las cavidades en donde se alojan los devanados, en donde se muestran detalles del arte previo y detalles de la presente invención para comparar su forma y tamaño.

La figura 9B es una vista en planta de la forma y tamaño de las cavidades en donde se alojan las barras de rotor, en donde se muestran detalles del arte previo y detalles de la presente invención.

La figura 9C es una vista en planta para mostrar el troquelado de la laminación de un elemento de estator cuadrado de un motor de inducción del arte previo.

La figura 9D es una vista en planta para mostrar el troquelado de la laminación de un elemento de estator redondo de un motor de inducción del arte previo.

La figura 10 es una vista en explosión del estator y las fundas aislantes superior e inferior que se muestran en la figura 2.

La figura 11 es una vista en perspectiva superior de un corte parcial del detalle de instalación de un elemento sensor de efecto hall en la funda aislante superior.

La figura 2 es una vista en perspectiva de un rotor del tipo jaula de ardilla, usado en el motor de inducción de la presente invención.

La figura 13A es una vista en perspectiva de un rotor del tipo de imán permanente, usado en el motor de inducción de la presente invención.

La figura 13B es una vista en explosión del rotor del tipo de imán permanente mostrado en la figura 13A.

DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCIÓN

Haciendo referencia a los dibujos que se acompañan, y más específicamente a las FIG. 1 a 3 de los mismos, en ellas se muestra un motor de inducción 100 de polos sombreados, convertible a motor de imán permanente, construido de conformidad con una modalidad particularmente preferida de la presente invención, que debe considerarse como ilustrativa más no limitativa de la misma, en donde dicho motor de ι υ

inducción 100 de polos sombreados, es un motor de inducción eléctrico monofásico de potencia fraccionaria de cuatro polos salientes sombreados, el cual comprende una carcasa frontal 101 ; un elemento de estator 102; un elemento de rotor 103; un par de fundas aislantes frontal 104 y posterior 114 dispuestas entre el elemento de estator 102 y las carcasas frontal 101 y posterior 106 respectivamente; una pluralidad de devanados 105 colocados sobre los cuatro polos salientes del elemento de estator 102; y, una carcasa posterior 106.

En la FIG. 4 se muestra la configuración novedosa del elemento de estator 102 de la presente invención, la cual se caracteriza por presentar una laminación cuadrada y con los polos salientes 107 del elemento de estator 102 girados 45° con respecto al eje de simetría horizontal A-A' y al eje de simetría vertical B-B'. Esta configuración como se podrá observar, es novedosa con respecto a la posición tradicional de los polos salientes del arte previo, la cual se ubica precisamente sobre los ejes de simetría A-A' y B-B' como se puede apreciar en las figuras 9C y 9D, en donde se muestran configuraciones de estatores del arte previo. La nueva configuración permite optimizar el uso del material de lámina de acero grado eléctrico durante la fabricación y ensamble de los paquetes de láminas del elemento de estator 102 y del elemento de rotor 103.

Este cambio de posición con un giro de 45°, permite ubicar los polos salientes 107 del elemento de estator 102 sobre los ejes diagonales C-C y D-D' que cruzan exactamente a 45° los ejes de simetría horizontal A-A' y vertical B-B' de la laminación de forma cuadrada.

Al estar alineados dichos polos salientes 107 hacia las esquinas 108 del elemento de estator 102, el nuevo diseño de la presente invención permite que las cavidades troqueladas 109 proporcionen un mayor espacio para el alojamiento de los devanados 105.

El hecho de disponer de un área de mayor tamaño, permite obtener un ahorro de energía eléctrica de acuerdo al principio de minimizar el efecto Joule W = I² x R, debido a que se puede usar alambre magneto de un menor calibre; y, por lo tanto con una mayor área conductora; ya que como se sabe a una mayor área de un conductor se disminuye su resistencia al paso de la corriente eléctrica y por consecuencia, al disminuir la resistencia eléctrica, también se reducen las perdidas eléctricas por efecto Joule. Además, al mismo tiempo se obtiene la posibilidad de incrementar el número de espiras o vueltas en el devanado, lo que permite poder realizar un mejor balance de costo- beneficio y eficiencia para seleccionar el mejor devanado según las necesidades del motor; asi como, seleccionar los parámetros de embobinado óptimos. La laminación del elemento de rotor 103 de la presente invención, se caracteriza por tener dos modalidades, la primera modalidad se muestra en las FIG. 4 y 12, las cuales corresponden a un elemento de rotor 103 del tipo de jaula de ardilla que consiste de una pluralidad de barras conductoras 117, un par de anillos 118 colocados en cortocircuito con la pluralidad de barras conductoras 117, un cuerpo de apoyo 119 y un elemento de flecha 120 que atraviesa al cuerpo de apoyo 119 por el centro, estando todos los elementos firmemente unidos entre sí. El elemento de rotor 103 gira durante la operación del motor, debido al principio de inducción de corrientes eléctricas que se inducen por el campo magnético del elemento estator 102, generándose así un torque (par).

La segunda modalidad se muestra en las FIG. 5, 13A y 13B, la cual corresponde a un elemento de rotor 103 del tipo de imán permanente, el cual consiste de un anillo de imán permanente 121 , un cuerpo de apoyo o laminación 122 que se inserta dentro del anillo de imán permanente 121 y un elemento de flecha 124 que atraviesa por el centro al cuerpo de apoyo 122. El cuerpo de apoyo 122 adicionalmente incluye una pluralidad de estrías 123 en toda su circunferencia, para poder acoplarse al anillo de imán permanente 121.

Con relación a las FIG. 6A, 6B y 7, en ellas se muestran plantillas para troquelar el elemento de estator 102 y la laminación 119 y 122 del elemento de rotor 103 del motor eléctrico tanto en su modalidad de rotor del tipo de jaula de ardilla (FIG. 6A y 6B), como en su modalidad de rotor del tipo de imán permanente (FIG. 7) respectivamente.

El diseño de la plantilla, al ser cuadrangular y con un giro de 45° de los polos salientes 107 del elemento de estator 102, con respecto al eje de simetría horizontal A- A' y al eje de simetría vertical B-B', permite optimizar los espacios y aprovechar al máximo el material sobrante para troquelar elementos adicionales para el elemento de estator 102.

El nuevo diseño permite que las cavidades troqueladas 109 proporcionen un mayor espacio para que se alojen los devanados 105 (ver FIG. 4 y 7); además de quedar un material sobrante de desperdicio de la lámina de acero eléctrico, el cual se aprovecha para troquelar un elemento de inserto 110, que se acopla al elemento de estator 102. El elemento de inserto 110 se ensambla al estator 102 mediante elementos de ensamble 111 , preferiblemente del tipo machimbre (ver FIG. 8), en cada uno de los cuatro costados exteriores del estator 102, reforzando y mejorando con ello el circuito magnético de dichos costados. El diseño de la plantilla para troquelar mencionada arriba, permite al momento de troquelar y ensamblar el elemento de estator 102, obtener un incremento de área transversal conductora en los costados de dicho elemento de estator 102, para mejorar la conducción del flujo magnético en dicho estator y a la vez obtener un ahorro de materiales durante su fabricación de aproximadamente el 30% de ahorro en lámina de acero, con un máximo aprovechamiento de la lámina, lo que se refleja directamente en los costos de producción.

Con respecto a la FIG. 6B, en ella se muestra una modalidad adicional de la plantilla para troquelar el elemento de estator 102 y el elemento de rotor 103 del motor eléctrico. El diseño de esta plantilla es muy similar al de las figuras 6A y 7, pero a diferencia de estas, los elementos de inserto 110' están integrados al cuerpo del elemento de estator 102, simplificando de esta manera el troquel progresivo.

En esta modalidad, aunque no se aprovecha el desperdicio obtenido por el espacio ganado al girar los polos 45° usando el eje C-C y D-D', el troquelado se simplifica considerablemente.

Por otra parte, como ya se mencionó, en la FIG. 8 se puede apreciar la forma en que se ensamblan los elementos de inserto 110 al elemento de estator 102 una vez que se han fabricado; así como la manera en que las cavidades troqueladas 109 quedan listas para recibir los devanados correspondientes.

Asimismo, los elementos de inserto 110 se diseñan con una pluralidad de ondulaciones 112 en su cara lateral externa, las cuales en operación normal del motor se encuentran expuestas al medio ambiente, lo que permite incrementar la disipación de calor en el elemento de estator 102, pero principalmente permite decrecer la reluctancia del circuito magnético, obteniéndose un mejor flujo magnético, por lo cual se reducen las pérdidas por corrientes parásitas o corrientes de Eddy en la lámina de acero; además, como ya se mencionó, se tiene una mejor disipación del calor por el incremento del área de disipación de calor en las zonas onduladas 112 desempeñándose éstas como aletas intercambiadoras de calor, sin costo de material adicional, provocando con ello una reducción en la temperatura de trabajo del estator 102 y de los devanados 105, lo que también se traduce en una reducción de las pérdidas eléctricas por el decremento de la temperatura de trabajo en dichos devanados 105 de alambre magneto.

Como se puede observar, la configuración novedosa del elemento de estator 102 permite obtener una temperatura de operación menor en el motor, lo que brinda la posibilidad de aumentar el diámetro del elemento de rotor 103. El elemento de rotor 103 al tener un diámetro mayor en comparación a los motores del arte previo, presenta también una reducción en su temperatura de operación, y, como consecuencia, se tienen menos pérdidas por el efecto Joule W = l²x R en dicho elemento de rotor 103.

En la medida que un motor se hace más eficiente, el calor que se desperdicia disminuye y por consiguiente, la diferencia de temperatura entre el motor y la temperatura del aire ambiente también disminuye (gradiente de temperatura). Al tenerse una temperatura de trabajo más fría tanto en el devanado de cobre 105 del elemento de estator 102, como en las barras conductoras del elemento de rotor 103 se logra que la resistencia óhmica de los embobinados sea menor, ya que como se sabe, los materiales conductores cambian su resistencia óhmica según la temperatura, a mayor temperatura, mayor será la resistencia óhmica del cobre y del aluminio, por lo que el motor de la presente invención, al no desperdiciar energía eléctrica que se convierta en calor, se tendrán menores perdidas por efecto Joule.

Por otro lado, el elemento de estator 102 de la presente invención, incluye también como una característica adicional, que su configuración presenta por lo menos dos huecos troquelados 113 en dos de sus esquinas adyacentes que funcionan como base de apoyo, uno por cada esquina, para insertar por lo menos dos elementos de sujeción, preferiblemente un par de tornillos para poder sujetar el motor. Esta mejora en el ensamble del estator 102, permite que los elementos del sujeción se fijen a una cara lateral del elemento de estator 102 pudiendo ser insertados en el mismo, aún cuando el motor se encuentra completamente ensamblado; lo que permite poder escoger la opción de usar o no este tipo de sujetadores para fijar el motor a una base cuando esto sea requerido, logrando con ello un ahorro en los elementos de sujeción cuando no sean necesarios. Más aún, con esta característica adicional, es posible sustituir en algún sistema o maquinaria, un motor eléctrico convencional por un motor de inducción de la presente invención, sin la necesidad de realizar modificación alguna.

Por lo que respecta a la FIG. 9A, en ella se muestran las configuraciones que presentan las áreas libres de las cavidades para colocar el devanado en los elementos de estator convencionales del arte anterior, contrastándolos contra el área libre que se obtiene con la nueva configuración del troquelado para el elemento de estator 102 de la presente invención.

El área libre "a" corresponde a un estator de laminación cuadrada del arte anterior, con un área libre para el devanado de 406.62 mm².

El área libre "β" corresponde a un estator de laminación redonda del arte anterior, con un área libre para el devanado de 338.18 mm². El área libre "γ" corresponde a un estator de laminación cuadrada de la presente invención, con los polos salientes girados 45° con respecto a los ejes de simetría horizontal y vertical, con un área libre para el devanado de 557.84 mm².

Como se podrá observar, la configuración novedosa del elemento de estator 102 incrementa sustancialmente el área libre para el devanado (área de sección útil para alojar el devanado), al contrastarla contra configuraciones de estatores convencionales del arte anterior, tal como se aprecia en la Tabla I:

TABLA I

El desarrollo del elemento de estator 102 de la presente invención, es decir con los polos salientes girados 45° con respecto a los ejes de simetría horizontal y vertical, al compararlo contra el estator convencional del arte anterior, ya sea en troquelado cuadrado o en troquelado redondo, adicional al incremento de área de sección útil para el devanado, ha permitido obtener beneficios únicos y sustanciales:

1. Se aprovecha el desperdicio de las esquinas generado durante el troquelado del arte anterior; además de que al girar 45° el posicionamiento de los polos en el troquel de laminación, se obtiene el beneficio de incrementar el espacio donde se insertan las espiras o bobinas de alambre magneto, lo que también permite una mejor selección del calibre de alambre magneto y una óptima selección del número de vueltas en las espiras de los polos.

2. Se aprovecha el desperdicio que se genera durante la operación de troquelado de la cavidad 109 para el devanado. Muy importante hacer mención que este desperdicio se convierte en el elemento de inserto 110, el cual se agrega a la laminación del estator, como elemento que ayuda a la disipación del calor y en la conducción del flujo magnético en beneficio del mismo motor.

3. El elemento de estator 102 con las características de polos salientes, se puede usar en la versión de motor con rotor de tipo de imán permanente electrónicamente conmutado.

4. Es un motor monofásico de polos sombreados con mejores características de eficiencia, al compararlo contra los motores de su tipo del arte anterior que se encuentran actualmente en el mercado.

Por otra parte, en la FIG. 9B se muestran las configuraciones que presenta el área de sección libre para las barras conductoras 117 del rotor del tipo jaula de ardilla del arte previo, comparado contra el área de sección libre para las barras del rotor que se obtiene con la nueva configuración del troquelado para el elemento de rotor 103 de la presente invención. Asimismo se puede apreciar que para un motor eléctrico con características similares y la misma potencia, debido a la eficiencia energética del elemento de estator 102, se puede emplear un elemento de rotor 103 de mayor diámetro que posee menos pérdidas eléctricas.

El área libre "δ" corresponde a un rotor del tipo jaula de ardilla, ya sea de laminación redonda o laminación cuadrada del arte anterior, con un área libre para las barras de rotor de 22.5906mm² y un diámetro de 1.7421 in.

El área libre "Θ" corresponde a un rotor del tipo jaula de ardilla, de laminación cuadrada de acuerdo a los principios de la presente invención, con un área libre para las barras de rotor de 34.356mm² y un diámetro de 1.9155 in.

Como se podrá observar, la configuración novedosa del elemento de rotor 103 incrementa sustancialmente (hasta el 54%), el área libre para las barras de rotor, tal como se muestra en la FIG 9B y en la Tabla II, además de que también se aumenta el diámetro exterior del rotor: TABLA II

Un aspecto muy importante a considerar, es la mejora que se obtiene en la eficiencia del motor de inducción de la presente invención, al aumentarse el área de los espacios libres "Θ" para las barras conductoras del elemento rotor 103 del tipo de jaula de ardilla, sin crecer el tamaño estándar del motor, pero si incrementando el espacio (diámetro) para el rotor.

Al tener un mayor espacio libre "Θ" en el elemento de rotor 103, se puede aumentar sustancialmente el área transversal de las barras conductoras 117 de la jaula de ardilla, con lo cual se reduce su resistencia óhmica y por consiguiente las pérdidas por efecto Joule "W = I² x R". En la FIG. 9B se observa que el espacio libre "Θ" para la barra conductora 117 del rotor de la presente invención tiene un área de 34.356 mm², mientras que el espacio libre "δ" para la barra conductora 117 del rotor convencional del arte previo solamente tiene 22.56mm², es decir, el elemento de rotor 103 de la presente invención tiene 52% mas área de paso con respecto al área de paso del arte anterior.

Con relación a la FIG. 9C y 9D, en ellas se muestra el troquel para la laminación de dos diferentes motores de inducción del arte previo, en la figura 9C se muestra un elemento de estator 102 cuadrado y en la figura 9D se muestra un elemento de estator 102 redondo, en donde se puede apreciar que el material de desperdicio generado al troquelar ambos estatores a partir de una lámina cuadrada de acero grado eléctrico, no se aprovecha en algún otro componente del motor. También se puede apreciar la reducción en el área libre 109 para colocar los devanados 105 del elemento de estator 102 al estar orientados los polos salientes 107 precisamente sobre los ejes de simetría horizontal A-A' y vertical B-B'.

Por lo que respecta a la FIG. 10, en ella se muestran las fundas aislantes frontal 104 y posterior 114, fabricadas de un material aislante, preferiblemente de un material termoplástico; la funda 104 estando dispuesta en la parte frontal del elemento de estator 102; y, la funda 114 estando dispuesta en la parte posterior del elemento de estator 102. Dichas fundas aislantes sirven además para contener y darle forma al embobinado, lo que permite lograr una longitud mínima posible de espira o vuelta media. Adicionalmente, la funda aislante frontal 104 incluye una cavidad 115 para alojar un elemento sensor 116 de efecto hall, para la modalidad en la que el motor opera con el rotor de imán permanente.

En la FIG. 11 se muestra en detalle la ubicación del elemento sensor 116 de efecto hall, el cual se sitúa en posición angular a un intervalo de desfase variable que va desde 0^o hasta 45° de adelanto con respecto al polo magnético. En una modalidad preferida, dicho elemento sensor 116 se encuentra adelantado aproximadamente 17° con respecto al polo magnético, lo que permite escoger el ángulo de disparo adelantado óptimo en función de la mejor eficiencia del motor.

El elemento sensor 116 se emplea para la medición de la intensidad de los campos magnéticos brindando la posibilidad de realizar un ajuste en el apagado y encendido de las bobinas mediante el desfase en tiempo de la señal de control, incrementando así la eficiencia y la potencia del motor.

La posición del sensor en el arte actual es a 0^o, es decir en el punto neutro entre los dos polos, lo cual sólo permite retrasar el encendido de las bobinas; mientras que la invención de la presente invención (arte nuevo), permite retrasar o adelantar el encendido de las bobinas por medio de la programación de un microprocesador, el cual se instala en una tarjeta de control. El microprocesador permite que se le introduzca un programa de control para mantener la eficiencia del motor.

Por lo que respecta a las FIG. 12, 13A y 13B, en ellas se muestran detalles de la laminación del elemento de rotor 103 de la presente invención, la cual se caracteriza por tener dos modalidades.

La primera modalidad se muestra en la FIG. 12, la cual corresponde a un elemento de rotor 103 del tipo de jaula de ardilla, el cual como ya se mencionó consiste de una pluralidad de barras conductoras 117, un par de anillos 118 colocados en cortocircuito con la pluralidad de barras conductoras 1 7, un cuerpo de apoyo 1 9 y un elemento de flecha 120 que atraviesa al cuerpo de apoyo 119 por el centro, estando todos los elementos firmemente unidos entre sí. El elemento de rotor 103 gira debido al principio de inducción de corrientes eléctricas que se inducen por el campo magnético del elemento estator 102, generándose así un torque o par. Tanto las barras conductoras 117 como el par de anillos 118, se fabrican de material metálico empleándose preferiblemente aluminio inyectado a presión (die casting), mientras que el elemento de flecha 120 se fabrica preferentemente de acero.

La segunda modalidad se muestra en las FIG. 13A y 13B, las cuales corresponden a un elemento de rotor 103 del tipo de imán permanente, el cual consiste de un anillo de imán permanente 121 , un cuerpo de apoyo 122 que se inserta dentro del anillo de imán permanente 121 y un elemento de flecha 124 que atraviesa por el centro al cuerpo de apoyo 122. El cuerpo de apoyo 122 adicionalmente incluye una pluralidad de estrías 123 en toda su circunferencia, para poder acoplarse al anillo de imán permanente 121. En esta modalidad, se eliminan las bobinas de sombra 125 del elemento de estator 102 (ver Fig. 5).

De acuerdo a lo anterior, se podrá observar que el diseño del motor de inducción 100 objeto de la presente invención, incorpora un novedoso elemento de estator 102, el cual puede operar tanto con motores del tipo de jaula de ardilla, o bien, con motores de tipo de imán permanente electrónicamente conmutados.

Para éste tipo de motores de imán permanente, el motor 100 debe incluir una tarjeta de control electrónico (no mostrada en las figuras), la cual puede o no incluir la retroalimentación de un elemento sensor 116 de efecto hall como el que se muestra en la FIG. 10 y 11, que se describen arriba. Asimismo el motor 100 electrónicamente conmutado se puede usar también sin el elemento sensor 116, de tal manera que mediante algoritmos computacionales almacenados previamente en la tarjeta de control electrónico se determine la posición de los campos magnéticos y así determinar el tiempo o ángulo de disparo óptimo para el disparo de la señal que prende y apaga cada una de las bobinas.

Cabe mencionar que los motores de imán permanente electrónicamente conmutados resultan ser más eficientes en su operación que los motores de inducción de polos sombreados, debido a que no se tienen las pérdidas generadas en las bobinas de sombra 125, ni las pérdidas eléctricas generadas por las pérdidas en el elemento de rotor 103 del tipo jaula de ardilla.

EJEMPLOS EXPERIMENTO I.

Se sometieron un motor de inducción de polos sombreados de la presente invención (Motor ROBEL Q9-580-690-27-312) y uno de los mejores motores de su tipo y categoría del estado de la técnica que existen en el mercado (Motor ELCO NU9-20-2), a una serie de pruebas para medir el consumo de energía y la velocidad angular a una misma carga de trabajo. Los valores obtenidos se compararon y se llegó a la siguiente conclusión:

• El nuevo motor de inducción comparado contra el motor del arte anterior, presenta un ahorro en promedio de aproximadamente un 55% en consumo de energía eléctrica.

EXPERIMENTO II.

Se sometieron un motor electrónicamente conmutado de la presente invención (Motor ROBEL ECMQ 16WO) y uno de los mejores motores de su tipo y categoría del estado de la técnica que existen en el mercado (Motor A.O. SMITH E128044 16WO), a una serie de pruebas para medir el consumo de energía y la velocidad angular a una misma carga de trabajo. Los valores obtenidos se compararon y se llegó a la siguiente conclusión:

• El motor electrónicamente conmutado (imán permanente) de la presente invención, comparado contra los motores electrónicamente conmutados de su misma capacidad, presenta ahorros de hasta aproximadamente un 28.82% en consumo de energía.

Desarrollo de los experimentos.

Para ambos experimentos, la prueba comparativa consistió en tabular y graficar los resultados de las pruebas de medición de consumo de energía y de medición de velocidad angular a las que se sometieron los motores de la presente invención (ROBEL Q9-580-690-27-312 y ROBEL ECMQ16WO), comparándolos contra los resultados de las pruebas de medición de consumo de energía y medición de velocidad angular a las que se sometieron los motores de la técnica actual (ELCO NU9-20-2 y A.O. SMITH E128044), usando una misma carga de trabajo para ambos tipos de motores al hacer girar una aspa o hélice de idénticas características.

Para el caso de los motores de inducción (experimento I) se utilizó una aspa de tamaño 203.2 mm (8 pulg.)x 30° acoplada al motor; y, para el caso de los motores electrónicamente conmutados (experimento II) se utilizó una aspa de tamaño 254 mm(10 pulg.)x 30° acoplada al motor.

Los puntos que se evaluaron a una escala determinada y con intervalos de voltaje de trabajo fueron los siguientes: a) .- Consumos de energía en WATTS; y,

b) .- Velocidad angular del motor en revoluciones por minuto (RPM).

Los resultados obtenidos para los motores de inducción (experimento I) se muestran en las Tablas III y IV y en las Gráficas 1 y 2; mientras que para los motores electrónicamente conmutados (experimento II), los resultados se muestran en las Tablas V y VI y en las Gráficas 3 y 4.

TABLA III

MOTOR ROBEL 1/70HP MODELO Q9-580-690-27-312 ESPESOR DEL PAQUETE DE LAMINACION 14.73 mm (0.580 pulg) ASPA O HÉLICE DE 203.2 mm (8 pulg.)x 30°, 5 PALAS

POTENCIA

VOLTAJE CORRIENTE CONSUMIDA REVOLUCIONES VAC I W RPM

100 0.248 15.59 1513

105 0.252 16.55 1556

110 0.256 17.38 1586

115 0.261 18.30 1606

120 0.268 19.40 1626

125 0.276 20.41 1638

130 0.286 21.50 1654

135 0.296 22.95 1672

TABLA IV

De los resultados obtenidos en ambas tablas, se puede observar que el motor ELCO NU9-20-2 acoplado a una aspa de 203.2 mm (8 pulg.)x 30° y 5 palas, consume más energía que el motor ROBEL Q9-580-690-27-312 en todas las pruebas realizadas, cuando se someten a un mismo voltaje predeterminado. Por ejemplo al aplicar un voltaje de 115 VAC, el motor ELCO NU9-20-2 consume 28.42 Watts de energía y hace girar el aspa a una velocidad angular de 1588 revoluciones por minuto (RPM), mientras que el motor ROBEL Q9-580-620-27-312 acoplado al mismo tamaño de aspa, al aplicársele un voltaje de 115 VAC consume 18.3 Watts de energía y la hace girar a una velocidad angular de 1606 RPM. Gráfica 1: VOLTAJE POTENCIA CONSUMIDA (Tablas III y IV)

Gráfica 2: VOLTAJE-VELOCIDAD ANGULAR (Tablas III y IV)

GRAFICA VOLTAJE - VELOCIDAD ANGULAR

1700

d£00

o¿

ef

<

o

1500

1400

95 100 105 110 115 120 125 130 135 140

VOLTAJE (V) Los resultados que se muestran en las Tablas III y IV y que se representan en las Gráficas 1 y 2, se obtuvieron como ya se mencionó, al evaluar el desempeño de cada uno de los motores que se probaron, usando la misma carga de trabajo, a saber, una aspa de cinco palas con un diámetro de 203.2 mm (8 pulg) x 30°, a los diferentes voltajes indicados.

Como se podrá observar, el motor de la presente invención (ROBEL Q9-580-620- 27-312) consume menos corriente, menos energía y produce una mayor velocidad angular que el motor de la técnica actual (ELCO NU9-20-2). Ambos motores al estar diseñados para desempeñar el mismo trabajo, entregan una potencia de 9W; sin embargo, presentan diferencias en sus consumos, por lo que se puede concluir de los resultados obtenidos, que el nuevo motor es más eficiente en su desempeño.

De las Tablas III y IV también se puede observar que el grosor del paquete de laminación del motor ELCO NU9-20-2 es de 19.05 mm (0.750 pulg.), mientras que para el motor de la presente invención, el grosor del paquete de laminación es de 14.73 mm (0.580 pulg.), lo que permite obtener un ahorro en el grosor del paquete de laminación de 4.31 mm (0.170 pulg.). En vista de lo anterior, también se puede concluir que los estatores del arte anterior utilizan un 29% más de material en su laminación.

Por otra parte, al usar un aspa de 5 palas con un ángulo de 30° para ambos casos, el motor de la presente invención (ROBEL Q9-580-690-27-312) con una capacidad de salida de 1/70 HP (9 Watts) presenta a un voltaje de 115 VAC un consumo de 18.3 Watts aproximadamente, entregando 1606 RPM, mientras que el motor de la técnica actual (ELCO NU9-20-2) con una capacidad de salida 1/70 HP (9 Watts) presenta a un voltaje de 115 VAC un consumo aproximado de 28.42 Watts, entregando 1588 RPM, lo que arroja un resultado de 55.30% más de consumo de energía eléctrica y un 1.13% menos en RPM, comparado contra el motor de la presente invención.

Con los resultados los resultados obtenidos en las pruebas realizadas y que se muestran en las Tablas I y II, así como de lo que se observa en las gráficas 1 y 2, se puede concluir que el motor ELCO NU9-20-2 consume en promedio aproximadamente 55% más energía que el motor ROBEL Q9-580-620-27-312 y entrega una potencia ligeramente menor. TABLA V

TABLA VI

MOTOR A.O. SMITH E128044 16WO ESPESOR DEL PAQUETE DE LAMINACIÓN 19.05 mm (0.750 pulg) ASPA O HELICE DE 254 mm (10 pulg.) X 30°, 5 PALAS

VOLTAJE CORRIENTE POTENCIA REVOLUCIONES VAC I CONSUMIDA RPM

W

0.6 22 1545

100

0.597 22.4 1556

105

0.595 24.9 1555

110

0.584 26.5 1557

115

0.589 26.9 1555

120

0.581 27.1 1555

125

0.587 28.1 1558

130

0.584 28.6 1556 35 De los resultados obtenidos en ambas tablas, se puede observar que el motor A.O. SMITH E128044 16WO acoplado a una aspa de 10"x 30° y 5 pétalos, consume más energía que el motor ROBEL Q9-580-690-27-312 en casi todas las pruebas realizadas, cuando se someten a un mismo voltaje predeterminado. Por ejemplo al aplicar un voltaje de 115 VAC, el motor A.O. SMITH E128044 16WO consume 26.50 watts de energía y hace girar el aspa a una velocidad angular de 1557 revoluciones por minuto (RPM), mientras que el motor ROBEL ECMQ 16WO acoplado al mismo tamaño de aspa, al aplicársele un voltaje de 115 VAC consume 21.7 watts de energía y la hace girar a una velocidad angular de 1557 RPM.

Gráfica 3: VOLTAJE POTENCIA CONSUMIDA (tablas V y VI)

9 5 1C )0 1C )5 13 0 1] L5 1. .0 i; 15 11 Í0 11 ¡5 U 10

V< DLTAJE (V)

Gráfica 4: VOLTAJE-VELOCIDAD ANGULAR (tablas V y VI)

GRAFICA VOLTAJE - VELOCIDAD ANGULAR

1700

d£00

o¿

Q

<

O

u

O __

1500

1400

95 100 105 110 115 120 125 130 135 140

VOLTAJE (V)

Los resultados que se muestran en las Tablas V y VI y que se representan en las Gráficas 3 y 4, se obtuvieron como ya se mencionó al evaluar el desempeño de cada uno de los motores que se probaron, usando la misma carga de trabajo, a saber, una aspa de cinco palas con un diámetro de 254 mm (10 pulg) x 30°, a los diferentes voltajes indicados.

Como se podrá observar, el motor de la presente invención (ROBEL ECMQ 16WO) consume menos energía, un poco más de corriente y produce una velocidad angular prácticamente igual que el motor de la técnica actual (A.O. SMITH E128044 16WO).

De las Tablas V y VI también se puede observar que el grosor del paquete de laminación tanto del motor A.O. SMITH E128044 16WO, como del motor ROBEL ECMQ 16WO es de 19.05 mm (0.750 pulg.).

Por otra parte, al usar un aspa de 5 palas con un ángulo de 30° para ambos casos, el motor de la presente invención (ROBEL ECMQ 16WO) presenta a un voltaje de 115 VAC un consumo de 21.7 Watts aproximadamente, entregando 1557 RPM, mientras que el motor de la técnica actual (A.O. SMITH E 28044 16WO) presenta a un voltaje de 115 VAC un consumo aproximado de 26.45 Watts, entregando 1557 RPM, lo que arroja un resultado de 21.88% más de consumo de energía eléctrica, comparado contra el motor de la presente invención. ¿I

Con los resultados obtenidos en las pruebas realizadas y que se muestran en las Tablas V y VI, así como de lo que se observa en las gráficas 3 y 4, se puede concluir que el motor A.O. SMITH ELCO NU9-20-2 consume hasta aproximadamente un 28.82% más energía que el motor ROBEL ECMQ 16WO y entrega una potencia prácticamente igual.

Como se podrá observar finalmente, las Tablas III, IV, V y VI muestran los valores obtenidos al someter los motores de inducción y electrónicamente conmutados de la presente invención, así como los motores del estado de la técnica arriba mencionados, a las pruebas correspondientes, cuyos resultados permiten demostrar objetivamente y dar una idea muy clara del ahorro de consumo de energía que se logra con los motores de inducción y electrónicamente conmutados de la presente invención.

Por otra parte, también es importante mencionar, que el motor eléctrico de la presente invención en su modalidad de rotor de tipo jaula de ardilla, presenta una eficiencia entre 38% a 50%, mientras que en la modalidad de imán permanente su eficiencia supera los 70%. Los motores convencionales de inducción de la técnica actual solo tienen una eficiencia que va entre 18% a 28%, mientras que los motores convencionales electrónicamente conmutados presentan una eficiencia de 55% a 65%.

Por otra parte, con relación a las láminas troqueladas de grado eléctrico, como ya se mencionó previamente, dependiendo de la potencia del motor, se reduce o incrementa el número de láminas (paquete de laminación) tanto en el estator como en el rotor. Importante mencionar que el espesor del paquete de láminas, puede modificar la eficiencia del motor.

Además, el espesor de las láminas mientras más delgado sea, mejores características tendrá el motor, al presentar menores pérdidas generadas por las corrientes parásitas o corrientes de Eddy. El espesor mínimo acostumbrado es de 0.50mm.

El motor de inducción de polos sombreados convertible a motor de imán permanente, objeto de la presente invención, permite una mejor eficiencia energética debido a su nuevo diseño, ya que se logra reducir la resistencia eléctrica del embobinado del estator y rotor, con lo cual se reducen también las pérdidas eléctricas por efecto Joule.

Otra característica muy importante de los motores en ambas versiones, es que el tamaño del motor no varía con el nuevo diseño del motor de inducción, manteniéndose en un tamaño estándar para este tipo de motores.

La aplicación principal de este tipo de motores es en los refrigeradores del tipo comercial para tiendas de autoservicio, paleterías, restaurantes, tiendas de conveniencia, etc., o bien, en la industria que provee sistemas de ventilación, calefacción y aire acondicionado (HVAC por sus siglas en inglés), siendo totalmente compatibles con las características y disposición de los motores eléctricos del estado de la técnica anterior, lo que permite que se puedan hacer cambios o sustituciones sin tener que realizar modificación alguna al equipo o sistema donde se vaya a colocar.

Aún cuando en la anterior descripción se han descrito y mostrado modalidades preferidas de la presente invención, deberá hacerse hincapié en que son posibles numerosas modificaciones a la misma, como puede ser entre otras emplear el diseño del motor de la presente invención a motores de diferentes tamaños, capacidades o potencias, sin apartarse del verdadero alcance de la invención; por lo tanto, la presente invención no debe ser restringida excepto por lo que sea requerido por la técnica anterior y por las reivindicaciones anexas.

Claims

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN REIVINDICACIONES

1. - Un motor de inducción monofásico de polos sombreados, convertible a motor de imán permanente, del tipo que comprende una carcasa frontal, un elemento de estator, un elemento de rotor, una pluralidad de devanados colocados sobre los polos salientes del elemento de estator y una carcasa posterior, caracterizado porque el elemento de estator presenta una configuración cuadrada con los cuatro polos salientes girados 45° con respecto a los ejes de simetría horizontal y vertical a manera de quedar alineados con las cuatro esquinas del elemento estator.

2. - Un motor de inducción monofásico de polos sombreados, convertible a motor de imán permanente, de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque al estar girados 45° los polos salientes en el elemento de estator y estar alineados hacia las esquinas del mismo, se permite que las cavidades que se forman para el devanado durante el troquelado, proporcionen un mayor espacio para el alojamiento de los devanados.

3. - Un motor de inducción monofásico de polos sombreados, convertible a motor de imán permanente, de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque al disponer de un área de mayor tamaño para el devanado, se puede utilizar alambre magneto de un menor calibre (mayor diámetro) y por lo tanto con una mayor área conductora, obteniéndose con ello un ahorro de energía eléctrica de acuerdo al principio de minimizar el efecto Joule.

4- Un motor de inducción monofásico de polos sombreados, convertible a motor de imán permanente, de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado además porque al tener una mayor área para el devanado, se incrementa el número de espiras o vueltas en el devanado, lo que permite realizar un mejor balance de eficiencia y de costo- beneficio.

5. - Un motor de inducción monofásico de polos sombreados, convertible a motor de imán permanente, de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque al estar girados 45° los polos salientes en el elemento de estator y estar alineados hacia las esquinas del mismo, se logra una reducción en las pérdidas eléctricas en sus devanados y una disminución en la temperatura de operación, tanto del elemento de estator como del elemento de rotor, lo que se traduce en un incremento en la eficiencia de operación del motor.

6. - Un motor de inducción monofásico de polos sombreados, convertible a motor de imán permanente, de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado además 3U

porque la disminución en la temperatura de operación del elemento de estator y del elemento rotor permite emplear materiales plásticos para sus componentes.

7. - Un motor de inducción monofásico de polos sombreados, convertible a motor de imán permanente, de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado además porque la configuración cuadrada con los cuatro polos salientes girados 45° con respecto a los ejes de simetría horizontal y vertical, permite optimizar el uso del material de lámina de acero grado eléctrico durante la fabricación y ensamble de los paquetes de láminas del elemento de estator y del elemento de rotor.

8. - Un motor de inducción monofásico de polos sombreados, convertible a motor de imán permanente, de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado además porque el material sobrante al troquelar la cavidad para el devanado, se aprovecha para obtener un elemento de inserto que se acopla al elemento de estator por la parte externa de sus cuatro costados.

9. - Un motor de inducción monofásico de polos sombreados, convertible a motor de imán permanente, de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado además porque el elemento de inserto se ensambla en cada uno de los cuatro costados exteriores del estator mediante elementos de ensamble localizados en los extremos del elemento de inserto, preferiblemente del tipo machimbre, con lo cual se refuerza y mejora el circuito magnético de los costados.

10. - Un motor de inducción monofásico de polos sombreados, convertible a motor de imán permanente, de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado además porque el diseño de la plantilla para troquelar, permite al momento de ensamblar por completo el elemento de estator, obtener un incremento de área transversal conductora en los costados de dicho elemento de estator, para mejorar la conducción del flujo magnético en dicho estator y a la vez obtener un ahorro de materiales durante su fabricación de aproximadamente el 30%.

11. - Un motor de inducción monofásico de polos sombreados, convertible a motor de imán permanente, de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado además porque los elementos de inserto incluyen una pluralidad de ondulaciones en su cara lateral externa, lo que permite incrementar la disipación de calor en el elemento de estator y decrecer la reluctancia del circuito magnético para obtener un mejor flujo magnético.

12. - Un motor de inducción monofásico de polos sombreados, convertible a motor de imán permanente, de conformidad con la reivindicación 11 , caracterizado además porque el diseño de la plantilla para troquelar además de permitir obtener una temperatura de operación menor en el motor, permite aumentar el diámetro del elemento de rotor.

13. - Un motor de inducción monofásico de polos sombreados, convertible a motor de imán permanente, de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado además porque el elemento de rotor al ser de un diámetro mayor, presenta también una reducción en su temperatura de operación y menos pérdidas por el efecto Joule.

14. - Un motor de inducción monofásico de polos sombreados, convertible a motor de imán permanente, de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado además porque los elementos de inserto están integrados al cuerpo del elemento de estator, para simplificar el troquelado.

15. - Un motor de inducción monofásico de polos sombreados, convertible a motor de imán permanente, de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque el área libre de las cavidades permite un incremento sustancial de área de sección útil para alojar el devanado.

16. - Un motor de inducción monofásico de polos sombreados, convertible a motor de imán permanente, de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque el elemento de estator incluye por lo menos dos huecos troquelados en dos de sus esquinas adyacentes que funcionan como base de apoyo, uno por cada esquina, para insertar por lo menos dos elementos de sujeción, preferiblemente un par de tornillos para poder sujetar el motor.

17. - Un motor de inducción monofásico de polos sombreados, convertible a motor de imán permanente, de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el elemento de rotor es del tipo jaula de ardilla y debido a la eficiencia energética del elemento de estator, se puede emplear un elemento de rotor de mayor diámetro que posee menos pérdidas eléctricas.

18. - Un motor de inducción monofásico de polos sombreados, convertible a motor de imán permanente, de conformidad con la reivindicación 17, caracterizado además porque al tener un elemento de rotor de mayor diámetro, se aumenta sustancialmente el área de sección libre para las barras conductoras del rotor del tipo jaula de ardilla.

19. - Un motor de inducción monofásico de polos sombreados, convertible a motor de imán permanente, de conformidad con la reivindicación 18, caracterizado además porque el área de sección libre para las barras conductoras tiene un incremento de hasta el 54% con respecto al área de sección para las barras conductoras del arte anterior.

20. - Un motor de inducción monofásico de polos sombreados, convertible a motor de imán permanente, de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque incluye un par de fundas aislantes frontal y posterior dispuestas entre el elemento de estator y las carcasas frontal y posterior respectivamente.

21. - Un motor de inducción monofásico de polos sombreados, convertible a motor de imán permanente, de conformidad con la reivindicación 20, caracterizado además porque las fundas aislantes además sirven para contener y darle forma al embobinado, lo que permite lograr una longitud mínima posible de espira o vuelta media.

22. - Un motor de inducción monofásico de polos sombreados, convertible a motor de imán permanente, de conformidad con la reivindicación 20, caracterizado además porque el motor opera con un elemento de rotor de imán permanente.

23 - Un motor de inducción monofásico de polos sombreados, convertible a motor de imán permanente, de conformidad con la reivindicación 22, caracterizado además porque cuando el motor opera con el elemento de rotor de imán permanente, la funda aislante frontal incluye una cavidad para alojar un elemento sensor de efecto hall.

24. - Un motor de inducción monofásico de polos sombreados, convertible a motor de imán permanente, de conformidad con la reivindicación 23, caracterizado además porque el elemento sensor de efecto hall se sitúa en posición angular a un intervalo de desfase variable que va hasta los 45° de adelanto con respecto al polo magnético.

25. - Un motor de inducción monofásico de polos sombreados, convertible a motor de imán permanente, de conformidad con la reivindicación 24, caracterizado además porque el elemento sensor de efecto hall se encuentra adelantado aproximadamente 17° con respecto al polo magnético como posición preferente.

26. - Un motor de inducción monofásico de polos sombreados, convertible a motor de imán permanente, de conformidad con la reivindicación 25, caracterizado además porque el elemento sensor de efecto hall al tener adelantado la posición del sensor, permite escoger el ángulo de disparo adelantado óptimo en función de la mejor eficiencia del motor.