MÁQUINAS ELÉCTRICAS CON RELUCTANCIA REDUCIDA.

La presente invención se refiere a máquinas eléctricas rotativas de corriente alterna (ca) basadas en imanes permanentes y la minimización del par de reluctancia exhibido por tales máquinas. En particular, se refiere a máquinas eléctricas con reluctancia reducida debido al desplazamiento de sus polos magnéticos. Técnica antecedente Un problema común que se da en el funcionamiento de las máquinas eléctricas es la reluctancia. La reluctancia es la presencia de un par magnético no lineal durante el funcionamiento de la máquina debido al efecto de la geometría del rotor y el estator en el entrehierro en la distribución de flujo y las fuerzas entre el rotor y el estator. Específicamente, este es causado por que rotor que tiene posiciones preferidas de baja energía potencial respecto del rotor, donde la atracción entre el rotor y el estator está al máximo, y posiciones correspondientes de alta energía potencial entre cada una de las posiciones de baja energía. Es la diferencia en energía potencial entre estas posiciones la que determinan la magnitud del par de reluctancia. La reluctancia durante el funcionamiento de máquinas eléctricas puede dar como resultado una menor eficiencia y una menor fiabilidad, así como causar una vibración y un ruido no deseados, y en casos extremos un fallo total. La reluctancia es bien conocida en las máquinas en las que el estator, el rotor o ambos el rotor y el estator exhiben cierta importancia. El efecto es también bien conocido en las máquinas de inducción en las cuales los polos magnéticos y las ranuras de bobinado interactúan para causar una reluctancia seria para numerosas ranuras de bobinado particulares. La reluctancia es particularmente pronunciada en las máquinas que tienen un número de ranuras de bobinado que es un múltiplo integral del número de polos magnéticos y donde tanto las ranuras de bobinado como los polos magnéticos están uniformemente espaciados alrededor de la circunferencia de los cuerpos en los cuales están formados. Esto es así, debido a la simetría de tales máquinas, cuando un polo magnético está en su posición de energía potencial más baja respecto de las ranuras de bobinado, todos los otros polos magnéticos estarán también en su posición de energía potencial más baja y el rotor estará de este modo en su posible posición de energía potencial más baja respecto del estator. Además, esto significar que si hay n ranuras de bobinado, el rotor tendrá n posiciones de baja energía potencial respecto del estator y la frecuencia de reluctancia durante el funcionamiento de la máquina será un producto de la frecuencia de rotación del rotor y n. Las máquinas eléctricas típicas basadas en imanes permanentes están formadas de tal manera que el rotor está montado giratoriamente dentro del estator, los polos magnéticos están uniformemente espaciados alrededor de la circunferencia de la superficie exterior del rotor y las ranuras de bobinado están espaciadas uniformemente alrededor de la circunferencia de la superficie interior del estator. Sin embargo, otras consideraciones son también posibles. Por ejemplo, es posible que el rotor esté montado giratoriamente en el exterior del estator. Es también posible que los polos magnéticos esté fijado al estator y las ranuras de bobinado estén formadas en el rotor. Respecto de la reluctancia, las consideraciones de diseño para máquinas eléctricas basadas en imanes permanentes según cualquiera de estas construcciones son sustancialmente las mismas. Los factores que se deben considerar cuando se decide sobre el número de ranuras de bobinado en una máquina eléctrica son generalmente bien conocidos. Por ejemplo, es conocido que cuando una máquina eléctrica tiene un número de ranuras de bobinado que es un múltiplo integral del número de sus polos magnéticos, la fuerza magnetomotriz (f.m.m) creada por el bobinado de estator de la máquina durante el funcionamiento contendrá un número minimizado de harmónicos pero la máquina también experimentará una reluctancia pronunciada durante su funcionamiento. Se han propuesto numeroso procedimientos de minimización de reluctancia y se han implementado con diversos grados de éxito. Para algunos tipos de máquinas es posible minimizar la reluctancia teniendo un número de ranuras de bobinado que no es un múltiplo integral del número de polos magnéticos. Generalmente se hace referencia a tales bobinados como que comprenden ranuras fraccionales por polo por fase y son bien conocidos por el experto en la técnica. Sin embargo, en algunos casos esto no puede ser preferido o ni siquiera posible. Por ejemplo, en las máquinas eléctricas de grandes dimensiones, las opciones de tener diferentes números de ranuras de bobinado que no sean múltiplos del número de polos magnéticos son muy limitadas ya que los modelos de flujos no síncronos que resultan de tales cambios en el número de ranura de bobinado conducen inevitablemente a pérdidas adicionales en los polos magnéticos. Estas pérdidas pueden ser extremadamente altas e incluso hacer que el procedimiento sea inservible. Un procedimiento alternativo para reducir la reluctancia es la incorporación de cuñas magnéticas en las ranuras de bobinado pero este procedimiento es costoso. También es posible usar ranuras de bobinado semicerradas para 2   reducir la reluctancia pero para los tipos de bobinado que comprenden bobinas formadas y que son comunes en las grandes máquinas este tipo de ranura de bobinado puede conducir a un alto coste de bobinado inaceptable. Asimismo se han propuesto máquinas con imanes permanentes que tienen polos magnéticos específicamente conformados para reducir la reluctancia. Típicamente, se propone que las superficies exteriores de los polos magnéticos se formen de tal manera que el entrehierro entre el estator y los polos magnéticos no sea uniforme. Otro procedimiento para minimizar el par de reluctancia en máquinas eléctricas basadas en imanes permanentes es tener los imanes desviados de su disposición convencional. Por ejemplo la patente japonesa 2005-261188 divulga una máquina con reluctancia reducida en la cual los imanes están desviados de tal manera que no son paralelos al eje de la máquina. Un procedimiento adicional para minimizar el par de reluctancia se divulga en la patente de los Estados Unidos 4.713.569. Esta patente divulga un motor eléctrico ca con un rotor de imanes permanentes que contiene una pluralidad de polos magnéticos que están angularmente desplazados de sus posiciones de referencia con una cantidad dependiente del número de polos magnéticos y el número de polos de estator (ranuras de bobinado) en la máquina. Las posiciones de referencia de los polos magnéticos son las posiciones en las cuales se situarían si estuviesen espaciados circunferencialmente de manera regular. Específicamente, en las máquinas eléctricas según esta patente, cada polo magnético está desplazado de su posición de referencia en una cantidad diferente, siendo todas las diferentes cantidades un múltiplo integral de 360º dividido por el producto del número de polos de estator (ranuras de bobinado) y el número de polos magnéticos de manera que ningún polo magnético está desplazado de su posición de referencia en más de un paso de los polos de estator (ranuras de bobinado). El ejemplo específico dado en la memoria es de un motor eléctrico ca con un rotor de imanes permanentes con 8 polos magnéticos y un estator con 24 polos (ranuras de bobinado) y en el cual los polos magnéticos están desplazados de sus posiciones de referencia en múltiplos integrales de 1.875º (360/(24x8)) de manera que no hay dos polos desplazados de sus posiciones de referencia en la misma cantidad y el octavo polo magnético (nominal) es desplazado de su posición de referencia en una cantidad igual al paso del polo del estator (ranura de bobinado). La construcción del rotor divulgada en la Patentes de los Estados Unidos 4.713.569 proporciona una reducción sustancial en par de reluctancia en comparación con las máquinas eléctricas convencionales con polos magnéticos uniformemente espaciados. Sin embargo, en la mayoría de los casos no se prefiere esta construcción del rotor a la construcción convencional, debido a su impacto en otras consideraciones de diseño. Por ejemplo, esta construcción se traduce en asimetría total del posicionamiento de los polos magnéticos alrededor del rotor. Si la máquina eléctrica está diseñada para su uso a alta velocidad, esta asimetría es indeseable, ya que significa que la disposición de los polos magnéticos no está mecánicamente equilibrada. Esta asimetría total también se traduce en un contenido de harmónicos pronunciado ya sea la f.m.m creado por el bobinado de estator, si la máquina es un motor o la fuerza electromotriz (f.e.m) de la forma de onda creada en el bobinado de... [Seguir leyendo]

1.- Máquina eléctrica (1) que incluye un primer cuerpo (5) que tiene una de una pluralidad de ranuras de bobinado circunferencialmente espaciadas (6) y una pluralidad de polos magnéticos espaciados circunferencialmente formados en su superficie radialmente interior, y un segundo cuerpo (2) que se encuentra dentro del primer cuerpo (5) y que tiene la otra de la pluralidad de ranuras de bobinado circunferencialmente espaciadas y la pluralidad de polos magnéticos circunferencialmente espaciados (3) formados en su superficie radialmente exterior, siendo uno del primer cuerpo y el segundo cuerpo un rotor montado de forma giratoria y siendo el otro del primer cuerpo y el segundo cuerpo un estator montado fijamente, teniendo las ranuras de bobinado (6) un paso de referencia angular que es igual a 360º dividido por el número de ranuras de bobinado en la máquina eléctrica (1) comprendiendo los polos magnéticos (3) al menos un primer grupo que incluye al menos cuatro polos magnéticos circunferencialmente adyacentes (3a a 3h) y un segundo grupo que incluye al menos cuatro polos magnéticos circunferencialmente adyacentes (3a a 3h), en el cual el grupo primero y el segundo grupo incluyen el mismo número de polos magnéticos y tienen el mismo modelo de desplazamiento; teniendo cada polo magnético (3) una posición de referencia en el cual las posiciones de referencia están espaciadas uniformemente alrededor de la circunferencia del cuerpo en el que se forman los polos magnéticos; caracterizado porque se determina el modelo de desplazamiento de los polos magnéticos en el primer y segundo grupos según la fórmula: en la que: D = el desplazamiento angular (en pasos de ranuras de bobinado angulares de referencia) del polo magnético p de su posición de referencia, N = el número de polos magnéticos en el primer y segundo grupo, y p = el número de polos magnéticos dentro del primer y segundo grupo, contado desde el grupo de polos magnético adyacente más cercano. 2.- Máquina eléctrica según la reivindicación 1, en el cual el estator (5) tiene las ranuras de bobinado (6) y el rotor (2) tiene los polos magnéticos (3). 3.- Máquina eléctrica según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el cual el primer cuerpo (5) es el estator y el segundo cuerpo (2) es el rotor. 4.- Máquina eléctrica según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el cual el primer cuerpo es el rotor y el segundo cuerpo es el estator. 5.- Máquina eléctrica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cual ningún polo magnético (3) está desplazado de su posición de referencia en más del paso angular de referencia de las ranuras de bobinado. 6.- Máquina eléctrica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cual no hay dos polos (3) magnéticos en contacto entre si, o incidiendo entre si. 7.- Máquina eléctrica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cual los polos magnéticos (3) están desplazados de tal manera que su posicionamiento circunferencial tiene al menos una simetría giratoria doble alrededor del eje de rotación del rotor (2). 8.- Máquina eléctrica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cual el primer grupo incluye un número par de polos magnéticos (3) y el segundo grupo incluye un número par de polos magnéticos (3). 9.- Máquina eléctrica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cual el primer grupo incluye ocho polos magnéticos (3a a 3h) y el segundo grupo contiene ocho polos magnéticos (3a a 3h). 10.- Máquina eléctrica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cual las ranuras de bobinado (6) están espaciadas circunferencialmente de manera uniforme. 11   11.- Máquina eléctrica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende, además, bobinas de bobinado que tienen un paso angular igual a un paso angular de referencia de los polos magnéticos. 12.- Máquina eléctrica según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, que comprende, además, bobinas de bobinado que tienen un paso angular igual a dos terceras partes de un paso angular de referencia de los polos magnéticos. 13.- Máquina eléctrica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cual el número de ranuras de bobinado (6) es igual a un múltiplo integral del producto del número de polos magnéticos (3) y el número de fases de bobinado. 14.- Máquina eléctrica según la reivindicación 13, en el cual hay tres veces tantas ranuras de bobinado (6) que polos magnéticos (3). 15.- Máquina eléctrica según cualquiera de las reivindicaciones, en el cual el paso angular de cada uno de los imanes que forman los polos magnéticos (3) es sustancialmente 2,25 veces el paso angular de referencia de las ranuras de bobinado. 16.- Máquina eléctrica según cualquiera de las reivindicaciones, en el cual la anchura de cada ranura de bobinado (6) en un entrehierro (7) entre el rotor (2) y el estator (5) es sustancialmente igual a la mitad del paso angular de referencia de las ranuras de bobinado. 17.- Máquina eléctrica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cual cada polo magnético (3) es sustancialmente paralelo al eje de rotación del rotor (2). 18.- Máquina eléctrica según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el cual cada polo magnético (3) está desviado respecto del eje de rotación del rotor (2). 19.- Máquina eléctrica según cualquiera de las reivindicaciones, en el cual se incorporan cuñas de ranuras magnéticas en las ranuras de bobinado (6). 20.- Máquina eléctrica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cual la superficie exterior (8) de cada polo magnético (3) está conformado de manera que un entrehierro (7) entre el rotor (2) y el estator (5) no es uniforme. 21. Máquina eléctrica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cual un bobinado del estator de la máquina eléctrica define fase de bobinado que están conectadas en uno o más circuitos paralelos, de manera que el número de grupos de polos de bobinado en serie en cada circuito es igual a, o es un múltiplo integral de, el número de polos magnéticos en cada uno del primer y el segundo grupos. 12   13   14