Máquina eléctrica síncrona que comprende:

- un estator (10),

y

- por lo menos un rotor (20) de imanes permanentes (21),

siendo el rotor (20) un rotor de concentración de flujo, estando los imanes permanentes (21) del rotor dispuestos entre unas piezas polares (22), comprendiendo cada una de las piezas polares (22) del rotor (20) una parte sobresaliente (27) que se extiende en dirección del estator (10) y que presenta una cara vuelta hacia el estator (10) que presenta una parte convexa (24) y dos bordes radiales (28) que están desplazados angularmente con respecto a unos bordes (29) radiales de los imanes permanentes (21) adyacentes a cada una de dichas piezas polares (22), formando las partes sobresalientes de dos piezas polares sucesivas entre sí una muesca que presenta dos de dichos bordes radiales (28) opuestos y un fondo parcialmente formado por una cara circunferencial de por lo menos un imán permanente, situándose dicho imán permanente (21) radialmente retirado hacia atrás de extremos circunferenciales de partes convexas (24) de dos piezas polares adyacentes (22),

presentando la parte convexa (24) de una pieza polar (22) del rotor un radio de curvatura comprendido entre el 20% y el 30% del radio interior (R) del estator,

provocando dicha forma de las piezas polares una asimetría entre las reactancias directa Xd y en cuadratura Xq y una diferencia positiva entre las reactancias directa y en cuadratura tal que Xd >Xq

Máquina eléctrica síncrona que comprende un estator y por lo menos un rotor y dispositivo de control asociado.

La presente invención se refiere al campo de las máquinas eléctricas giratorias.

La invención se refiere más particularmente aunque no exclusivamente a las máquinas síncronas de imanes permanentes que pueden funcionar a potencia sustancialmente constante en un amplio intervalo de velocidades, por ejemplo, las máquinas de elevación o de tracción eléctrica. Se describen unas máquinas de imanes permanentes por ejemplo en el documento DE 30 16540.

En el marco de la elevación, es útil adaptar la velocidad de elevación a la carga elevada con el fin de reducir el tiempo de elevación cuando esta carga es pequeña al tiempo que se permite garantizar la elevación de las piezas más pesadas.

En el marco de la tracción eléctrica, en el arranque o cuando el vehículo aborda una subida, el motor debe proporcionar un fuerte par a baja velocidad. En cambio, en un recorrido horizontal, los esfuerzos que debe proporcionar son menores, y el vehículo puede rodar más rápido sin necesitar más potencia del motor.

Las máquinas síncronas pueden funcionar a par constante hasta una determinada velocidad denominada velocidad de base. Hasta esta velocidad de base, la potencia crece de manera sustancialmente proporcional a la velocidad de rotación del rotor. Más allá de la velocidad de base, el par disminuye a potencia sustancialmente constante.

Las fases del inducido se pueden modelizar cada una mediante una inductancia que agrupa los términos de autoinducción, de mutuas entre fases y de fuga. Esta inductancia depende de la posición angular del rotor con respecto al estator, y presenta como componentes en un sistema de referencia vinculado a la pulsación eléctrica la inductancia directa L d y la inductancia en cuadratura L q. La reactancia directa Xd designa el producto de la inductancia directa Ld por la pulsación eléctrica , y la reactancia en cuadratura Xq designa el producto de la inductancia Lq en cuadratura por la pulsación eléctrica . La velocidad de rotación del rotor esta vinculada a la pulsación eléctrica por la relación = z , en la que z designa el número de pares de polos.

En el sistema de referencia vinculado a la pulsación eléctrica, la inductancia directa Ld de una fase del inducido es el valor de la inductancia en el eje d denominado directo, es decir, cuando el eje de los polos inductores coincide con el de las bobinas del estator de esta misma fase. La inductancia en cuadratura Lq es el valor de la inductancia en el eje q denominado en cuadratura, es decir cuando el eje de los polos inductores es perpendicular al eje de las bobinas del estator para esta misma fase.

Las máquinas eléctricas giratorias de imanes permanentes conocidas para la elevación y la tracción eléctrica son mayoritariamente unas máquinas denominadas de polos lisos, para las cuales la reactancia directa Xd es sustancialmente igual a la reactancia en cuadratura Xq.

Además de las máquinas de polos lisos, el artículo “Salient-Rotor PM synchronous motors for an extended fluxweakening operation range” de Bianchi N et al. publicado por la IEEE Transactions on Industr y Applications, vol. 36 nº 4 de julio/ agosto de 2000 describe unas máquinas de imanes permanentes para las cuales la reactancia directa Xd es superior a Xq. Se encuentran también unas máquinas denominadas de saliencia inversa, para las cuales la reactancia directa Xd es netamente inferior a la reactancia en cuadratura Xq. Su principal ventaja es que el par de reluctancia, que es proporcional a la diferencia entre las reactancias Xq y Xd, se suma, en funcionamiento normal, al par de fuerza electromotriz generado por los imanes, lo cual permite, a igualdad de par demandado, reducir el volumen de los imanes y por tanto el precio de la máquina. Para este tipo de máquina, existe un desplazamiento óptimo en avance de fase de la corriente con respecto a la fuerza electromotriz para la cual el par es máximo. Este punto de funcionamiento es el que se conserva hasta la velocidad de base.

Más allá de la velocidad de base, la tensión en los bornes de las fases de la máquina se vuelve, permaneciendo el resto igual, superior a la tensión disponible proporcionada por la red a la máquina por medio del dispositivo de control, debido a la fuerza electromotriz que varía proporcionalmente a la velocidad.

Para reducir la tensión en los bornes de las fases de la máquina, se actúa sobre la corriente en los arrollamientos del estator y en su desfase con respecto al flujo inductor, es decir, el de los imanes, para crear un flujo magnético que

se opone parcialmente al flujo inductor. Esta operación se denomina “disminución de flujo” y genera pérdidas

eléctricas tanto más importantes cuanto mayor es la corriente necesaria para la disminución de flujo.

Existe la necesidad de mejorar las máquinas síncronas y permitir que funcionen con un rendimiento elevado a potencia sustancialmente constante en un gran intervalo de velocidades, y en particular más allá de la velocidad de base.

La invención responde a esta necesidad gracias a una máquina eléctrica síncrona según la reivindicación 1. Siendo Xd la reactancia directa y Xq la reactancia en cuadratura, se tiene por ejemplo Xd/Xq > 1, 1, mejor Xd/Xq > 1, 5. Se

puede tener por ejemplo Xd/Xq ≅ 3.

Las ventajas aportadas por la invención son las siguientes.

Por una parte, variando el factor de potencia cos en sentido inverso de la reactancia en cuadratura Xq, un valor pequeño de Xq permite obtener un factor de potencia elevado. Se tiene por ejemplo, según el nivel de factor de potencia buscado, Xq Io/E comprendido entre 0, 33 y 0, 6, en el que Io designa la intensidad máxima de la corriente de línea impuesta por el calibre del variador y E la fuerza electromotriz inducida por fase de la máquina.

Por otra parte, estando orientado el flujo de los imanes en el eje d directo, la disminución de flujo se efectúa inyectando en el inducido una corriente con objeto de generar en el eje directo d un flujo proporcional a la reactancia directa Xd y a la componente Id de la intensidad en el eje directo. Con una reactancia directa Xd elevada, se obtiene una disminución de flujo importante con menos corriente directa Id y por tanto menos pérdidas correspondientes, lo cual tiene como consecuencia reducir el calibre del dispositivo de control y mejorar el rendimiento.

Además, con Xd elevada, se disminuye el riesgo de desmagnetización en caso de cortocircuito, vinculado al valor de la corriente de cortocircuito. Esta corriente es proporcional a la relación entre la fuerza electromotriz y la reactancia directa, y por tanto es pequeña cuando la reactancia directa Xd es grande. Se tiene por ejemplo, según el intervalo de disminución de flujo demandado, Xd Io/E comprendido entre 0, 66 y 1, en el que Io designa la intensidad máxima de la corriente de línea impuesta por el calibre del variador y E la fuerza electromotriz inducida por fase de la máquina.

Hasta la velocidad de base, la máquina puede funcionar con una corriente en fase con la fuerza electromotriz. El par de fuerza electromotriz es máximo y el par de reluctancia es nulo. La velocidad de base puede ser superior a 100 o 200 vueltas por minuto, por ejemplo.

En una forma de realización particular, el estator comprende unos dientes que soportan cada uno por lo menos una bobina individual y estos dientes carecen de expansiones polares. Esto permite en particular la colocación en los dientes de bobinas prefabricadas, lo cual simplifica la fabricación de la máquina.

El rotor es ventajosamente de concentración de flujo, estando los imanes permanentes del rotor dispuestos entre piezas polares. Esto permite disminuir la cantidad de imanes, por tanto, reducir el coste de la máquina.

Se puede determinar los valores de las reactancias directa y en cuadratura por la forma de las piezas polares del rotor, y en particular por la forma de las partes sobresalientes de estas piezas polares.

Las partes sobresalientes de dos piezas polares sucesivas definen entre sí una muesca que presenta dos bordes opuestos que comprenden unas partes radiales y un fondo parcialmente formado por una cara de por lo menos un imán permanente.

Dicha forma de... [Seguir leyendo]

1. Máquina eléctrica síncrona que comprende:

- un estator (10) , y

- por lo menos un rotor (20) de imanes permanentes (21) ,

siendo el rotor (20) un rotor de concentración de flujo, estando los imanes permanentes (21) del rotor dispuestos entre unas piezas polares (22) , comprendiendo cada una de las piezas polares (22) del rotor (20) una parte sobresaliente (27) que se extiende en dirección del estator (10) y que presenta una cara vuelta hacia el estator (10) que presenta una parte convexa (24) y dos bordes radiales (28) que están desplazados angularmente con respecto a unos bordes (29) radiales de los imanes permanentes (21) adyacentes a cada una de dichas piezas polares (22) , formando las partes sobresalientes de dos piezas polares sucesivas entre sí una muesca que presenta dos de dichos bordes radiales (28) opuestos y un fondo parcialmente formado por una cara circunferencial de por lo menos un imán permanente, situándose dicho imán permanente (21) radialmente retirado hacia atrás de extremos circunferenciales de partes convexas (24) de dos piezas polares adyacentes (22) ,

presentando la parte convexa (24) de una pieza polar (22) del rotor un radio de curvatura comprendido entre el 20% y el 30% del radio interior (R) del estator,

provocando dicha forma de las piezas polares una asimetría entre las reactancias directa Xd y en cuadratura Xq y una diferencia positiva entre las reactancias directa y en cuadratura tal que Xd > Xq.

2. Máquina según la reivindicación 1, caracterizada porque Xd/Xq > 1, 1, mejor Xd/Xq > 1, 5.

3. Máquina según la reivindicación 2, caracterizada porque Xd/Xq

3.

4. Máquina según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque Xq Io/E está comprendido entre 0, 33 y 0, 6, en el que Io designa la intensidad máxima de la corriente de línea impuesta por el calibre de un variador y E la fuerza electromotriz inducida por fase de la máquina.

5. Máquina según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque Xd Io/E está comprendido entre 0, 66 y 1, en el que Io designa la intensidad máxima de la corriente de línea impuesta por el calibre de un variador y E la fuerza electromotriz inducida por fase de la máquina.

6. Máquina según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el estator (10) comprende unos dientes (11) que soportan cada uno por lo menos una bobina individual (12) .

7. Máquina según la reivindicación anterior, caracterizada porque los dientes (11) del estator (10) están desprovistos de expansiones polares.

8. Máquina según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque unos extremos circunferenciales (25) de la parte convexa (24) de una pieza polar (22) están desplazados angularmente con respecto a los imanes permanentes (21) adyacentes a esta pieza polar (22) .

9. Máquina según la reivindicación anterior, caracterizada porque el desplazamiento angular de los extremos circunferenciales (25) con respecto a los imanes permanentes (21) adyacentes está comprendido:

80º100º 90º

- entre y siendo en particular de aproximadamente , para una máquina cuya relación

ndientes ndientes ndientes

entre el número de dientes ndientes del estator y el número de polos npolos del rotor es de 3/2 o que verifica la

n 66 n

n 6n

dientes

relación

, siendo n un número entero superior o igual a 2, y

polos

50º70º 60º

- entre y siendo en particular de aproximadamente , para una máquina que verifica la

ndientes ndientes ndientes

n 66 n

n 6n

dientes

relación

, siendo n un número entero superior o igual a 2.

polos

10. Máquina según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la retirada hacia atrás (r) en la dirección radial de los imanes (21) con respecto a unos extremos circunferenciales (25) de las partes convexas (24) está comprendida entre el 10% y el 20% del radio interior (R) del estator (10) .

11. Máquina según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque cada una de las piezas polares (22) del rotor (20) comprende dos rebordes (26) , situándose por lo menos un imán permanente (21) entre los rebordes de dos piezas polares (22) adyacentes.

12. Máquina según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque los imanes permanentes (21)

presentan, cuando se observa la máquina según el eje (X) de rotación del rotor, una sección transversal de forma alargada de eje longitudinal que se extiende en una dirección radial.

13. Máquina según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque los imanes permanentes (21) del rotor (20) presentan, cuando se observa la máquina según el eje (X) de rotación del rotor, una sección transversal rectangular de lado mayor orientado paralelamente a un radio de la máquina.

14. Máquina según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el estator (10) comprende 6n dientes (11) y el rotor (20) 6n 2 polos (22) , siendo n superior o igual a 2. 15. Máquina según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque comprende un solo rotor interior.

16. Máquina según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la potencia de la máquina es 15 superior o igual a 0, 5 kW.

17. Máquina según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque constituye un generador.

18. Máquina según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16, caracterizada porque constituye un motor.