Rotor para máquina de polos modulados.

Rotor para una máquina de polos modulados de rotor interno, estando configurado el rotor para generar un campo magnético del rotor para su interacción con un campo magnético del estator de un estator de la máquina de polos modulados,

en el que dicho rotor está adaptado para rotar alrededor de un eje longitudinal del rotor; en el que el rotor comprende:

- una pluralidad de imanes (422) permanentes dispuestos de manera circunferencial alrededor del eje longitudinal, estando magnetizado cada imán permanente en un sentido de magnetización para generar un flujo magnético o bien radial o bien tangencial,

- una pluralidad de elementos (401) de guiado de flujo axiales cada uno en contacto con dicha pluralidad de imanes permanentes y adaptados para proporcionar una trayectoria de flujo al menos bidimensional para el flujo magnético generado por uno respectivo de la pluralidad de imanes permanentes, comprendiendo la trayectoria de flujo bidimensional una componente axial,

- una estructura de soporte que comprende un elemento (403) de soporte tubular interno dispuesto radialmente hacia dentro de la pluralidad de imanes permanentes y que soporta dichos imanes (422); y

- al menos un elemento (402a, 402b) de guiado de flujo externo dispuesto sobre o rodeando un elemento de guiado de flujo axial correspondiente y adaptado para proporcionar una trayectoria en al menos una dirección radial para el flujo magnético generado por uno o más de la pluralidad de imanes permanentes que dirige dicho flujo hacia el estator, en el que los elementos de guiado de flujo axiales son componentes separados diferentes del elemento de guiado de flujo externo.

Rotor para máquina de polos modulados Campo de la invención

La invención se refiere a un rotor para máquinas de polos modulados tales como un motor, y más particularmente a un rotor para máquinas de polos modulados que pueden fabricarse fácilmente en grandes cantidades y son adecuadas para su funcionamiento a alta velocidad.

Antecedentes de la invención

A lo largo de los años, los diseños de máquinas eléctricas tales como máquinas de polos modulados, por ejemplo máquinas de polos de garras, máquinas de Lundell y máquinas de flujo transversal (TFM), se han vuelto cada vez más interesantes. Las máquinas eléctricas que usan los principios de estas máquinas ya se dieron a conocer aproximadamente en 191 por Alexandersson y Fessenden. Uno de los motivos más importantes para el creciente Interés es que el diseño permite un rendimiento de par motor muy alto en relación, por ejemplo, con las máquinas de Inducción, las máquinas de reluctancia conmutada e incluso las máquinas sin escobillas de imanes permanentes. Además, tales máquinas son ventajosas en cuanto a que la bobina a menudo es fácil de fabricar. Sin embargo, uno de los inconvenientes del diseño es que normalmente son relativamente costosas de fabricar y que experimentan una alta dispersión de flujo que provoca un bajo factor de potencia y una necesidad de más material magnético. El bajo factor de potencia requiere de un circuito electrónico de potencia de mayor tamaño (o fuente de alimentación cuando la máquina se usa de manera síncrona) que también aumenta el volumen, peso y coste del mecanismo total.

El estator de máquina eléctrica de polos modulados está caracterizado básicamente por el uso de una única bobina central que alimentará magnéticamente a múltiples dientes formados por una estructura de núcleo magnético blando. Después el núcleo magnético blando se forma alrededor de la bobina, mientras que para otras estructuras de máquinas eléctricas comunes la bobina se forma alrededor de un diente de la sección de núcleo. Ejemplos de la topología de máquinas de polos modulados se reconocen a veces, por ejemplo, como máquinas de polos de garras, de tres patas, de Lundell o de TFM. La máquina de polos modulados con imanes incrustados está caracterizada además por una estructura de rotor activo que incluye una pluralidad de imanes permanentes que están separados por secciones polares del rotor.

El documento US 26/13254 da a conocer un rotor para una máquina eléctrica que tiene un núcleo de rotor con una pluralidad de polos.

El documento EP 1777795 da a conocer un conjunto de polos de imanes permanentes para un rotor que incluye una pluralidad de laminaciones.

El documento WO 27/24184 da a conocer una estructura de rotor activo construida a partir de un número par de segmentos, en la que la mitad del número de segmentos están compuestos por material magnético blando y la otra mitad del número de segmentos están compuestos por material de imán permanente. Los imanes permanentes están dispuestos de modo que el sentido de magnetización de los imanes permanentes es sustancialmente circunferencial, es decir los polos norte y sur, respectivamente, apuntan en una dirección sustancialmente circunferencial.

Generalmente es deseable proporcionar un rotor para una máquina de polos modulados que sea relativamente económico en cuanto a su producción y ensamblaje. Adicionalmente es deseable proporcionar un rotor de este tipo que tenga buenos parámetros de comportamiento, tales como alta estabilidad estructural, baja reluctancia magnética, guiado eficiente de la trayectoria de flujo, bajo peso e inercia, etc.

Las máquinas de imanes incrustados pueden usarse para máquinas eléctricas de alta potencia, alta velocidad, por ejemplo máquinas para su uso en vehículos eléctricos e híbridos. Estas máquinas ofrecen unas ventajas de peso, tamaño, eficiencia y coste significativas sobre las tecnologías alternativas. Uno de los beneficios se refiere a la reducción en la potencia de servicio (y por tanto coste) del convertidor usado para accionar la máquina que se acumula a la reducción en la corriente que se produce cuando la máquina tiene un par motor significativo que resulta de los efectos de la reluctancia magnética. El par motor de reluctancia se produce cuando tiene lugar reluctancia magnética diferente en ejes que están separados medio paso polar. Las máquinas que tienen esta característica se describen como que presentan saliencia.

Una configuración común para estas máquinas es que el entrehierro entre el estator y el rotor está situado en un plano circunferencial/axial. Tanto en el estator como en el rotor tienen lugar campos magnéticos cambiantes y por tanto puede ser deseable emplear materiales para el núcleo magnético tanto en el estator como en el rotor que proporcionen aislamiento eléctrico para evitar las altas pérdidas que tendrían lugar por corrientes parásitas inducidas en el núcleo por estos campos cambiantes.

En algunas máquinas de imanes permanentes de alta velocidad que usan imanes incrustados, un factor limitante pueden ser los esfuerzos mecánicos provocados por las fuerzas centrífugas que resultan de la rotación. Las fuerzas se ejercen sobre los ¡manes, que a menudo son débiles en cuanto a tensión, y sobre el núcleo de rotor laminado.

Sumario

Según un primer aspecto, en el presente documento se da a conocer un rotor para una máquina de polos modulados de rotor interno, estando configurado el rotor para generar un campo magnético del rotor para su interacción con un campo magnético del estator de un estator de la máquina de polos modulados, en el que dicho rotor está adaptado para rotar alrededor de un eje longitudinal del rotor, definiendo el rotor durante la rotación una superficie externa cilindrica que rodea el eje longitudinal; en el que el rotor comprende:

- una pluralidad de ¡manes permanentes dispuestos de manera circunferencial alrededor del eje longitudinal, estando magnetizado cada imán permanente en un sentido de magnetización para generar un flujo magnético,

- una pluralidad de elementos de guiado de flujo axiales adaptados cada uno para proporcionar una trayectoria de flujo al menos bidimensional para el flujo magnético generado por uno respectivo de la pluralidad de imanes permanentes, comprendiendo la trayectoria de flujo bidimensional una componente axial;

- una estructura de soporte que comprende un elemento de soporte tubular interno dispuesto radialmente hacia dentro de la pluralidad de ¡manes permanentes; y

- al menos un elemento de guiado de flujo externo adaptado para proporcionar una trayectoria en al menos una dirección radial para el flujo magnético generado por uno o más de la pluralidad de imanes permanentes; en el que los elementos de guiado de flujo axiales son componentes separados diferentes del elemento de guiado de flujo externo.

Por tanto, en el presente documento se dan a conocer realizaciones de un rotor de imanes permanentes que muestran una trayectoria de flujo magnético eficiente en la dirección axial de la máquina en un diseño que usa una trayectoria de flujo de entrehierro principal en la dirección radial.

Además, realizaciones del rotor dadas a conocer en el presente documento tienen una alta saliencia, es decir, muestran una variación significativa de la reluctancia de trayectoria de flujo global entre un eje longitudinal (d) y uno transversal (q) de una representación adecuada, proporcionando por tanto un par motor de reluctancia adicional significativo. En máquinas de ¡manes incrustados la diferencia en reluctancia puede facilitarse usando material magnético laminado para canalizar el flujo magnético a través de los imanes en un eje en ángulo recto (es decir, eléctricamente un ángulo Igual a la mitad de un paso polar) a su magnetización.

Además, realizaciones del rotor descritas en el presente documento proporcionan un entrehierro bien definido, incluso a altas velocidades rotacionales del rotor.

La pluralidad de imanes permanentes puede estar dispuesta de modo que se invierte el sentido de magnetización de uno de cada dos imanes alrededor de la circunferencia. De ese modo secciones polares individuales del rotor sólo pueden interactuar con imanes que muestran la misma polaridad.

En algunas realizaciones los imanes permanentes están montados sobre una superficie de montaje externa del elemento de soporte tubular interno.

El rotor puede comprender cualquier número de imanes permanentes tal como entre 2 y 2, entre 5 y 6 o entre 1 y 3. El elemento de soporte tubular interno y/o uno externo pueden tener cualquier longitud axial. En algunas realizaciones, la longitud axial del elemento de soporte tubular... [Seguir leyendo]

Rotor para una máquina de polos modulados de rotor interno, estando configurado el rotor para generar un campo magnético del rotor para su interacción con un campo magnético del estator de un estator de la máquina de polos modulados, en el que dicho rotor está adaptado para rotar alrededor de un eje longitudinal del rotor; en el que el rotor comprende:

- una pluralidad de imanes (422) permanentes dispuestos de manera circunferencial alrededor del eje longitudinal, estando magnetizado cada imán permanente en un sentido de magnetización para generar un flujo magnético o bien radial o bien tangencial,

- una pluralidad de elementos (41) de guiado de flujo axiales cada uno en contacto con dicha pluralidad de imanes permanentes y adaptados para proporcionar una trayectoria de flujo al menos bidlmensional para el flujo magnético generado por uno respectivo de la pluralidad de ¡manes permanentes, comprendiendo la trayectoria de flujo bidimensional una componente axial,

- una estructura de soporte que comprende un elemento (43) de soporte tubular interno dispuesto radlalmente hacia dentro de la pluralidad de imanes permanentes y que soporta dichos imanes (422); y

- al menos un elemento (42a, 42b) de guiado de flujo externo dispuesto sobre o rodeando un elemento de guiado de flujo axial correspondiente y adaptado para proporcionar una trayectoria en al menos una dirección radial para el flujo magnético generado por uno o más de la pluralidad de imanes permanentes que dirige dicho flujo hacia el estator, en el que los elementos de guiado de flujo axiales son componentes separados diferentes del elemento de guiado de flujo externo.

Rotor según la reivindicación 1, en el que el elemento de guiado de flujo externo comprende una estructura (62, 92) de soporte tubular externa que rodea los imanes (922) permanentes y los elementos (61, 91) de guiado de flujo axiales.

Rotor según la reivindicación 2, que comprende además una pluralidad de elementos (923) a modo de radios que se extienden radialmente entre la estructura de soporte tubular externa y el elemento (93) de soporte tubular interno.

Rotor según la reivindicación 3, en el que los elementos a modo de radios están formados como partes integrales de al menos uno del elemento de guiado de flujo externo y el elemento (93) de soporte tubular Interno.

Rotor según la reivindicación 3 ó 4; en el que los ¡manes permanentes están separados de manera circunferencial entre sí por respectivos elementos a modo de radios.

Rotor según una cualquiera de las reivindicaciones 3 a 5, en el que los elementos a modo de radios están adaptados además para proporcionar una trayectoria de flujo magnético al menos en una dirección radial.

Rotor según una cualquiera de las reivindicaciones 3 a 6, en el que los elementos a modo de radios están compuestos por chapas metálicas laminadas.

Rotor según la reivindicación 7, en el que las chapas metálicas laminadas que forman los elementos a modo de radios están dispuestas en respectivos planos radiales-circunferenciales.

Rotor según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el elemento de guiado de flujo externo está compuesto por chapas metálicas laminadas.

Rotor según la reivindicación 9, en el que las chapas metálicas laminadas que forman el elemento de guiado de flujo externo están dispuestas en respectivos planos radiales-circunferenciales.

Rotor según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el elemento de soporte tubular interno está compuesto por chapas metálicas laminadas.

Rotor según la reivindicación 11, en el que las chapas metálicas laminadas que forman el elemento de soporte tubular interno están dispuestas en respectivos planos radiales-circunferenciales.

Rotor según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 1, en el que el elemento de soporte tubular interno está compuesto por un material no magnético.

Rotor según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que cada uno de la pluralidad de elementos de guiado de flujo axiales está compuesto por chapas metálicas laminadas.

16.

17.

18.

Rotor según la reivindicación 14, en el que las chapas metálicas laminadas que forman cada uno de la pluralidad de elementos de guiado de flujo axiales están dispuestas en respectivos planos que tienen al menos una extensión axial y una circunferencial.

Rotor según la reivindicación 14, en el que las chapas metálicas laminadas que forman cada uno de la pluralidad de elementos de guiado de flujo axiales están dispuestas en respectivos planos que tienen al menos una extensión axial y una radial.

Rotor según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, en el que cada uno de la pluralidad de elementos de guiado de flujo axiales está compuesto por un material magnético blando que proporciona una trayectoria de flujo tridimensional.

Rotor según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el sentido de magnetización de los ¡manes permanentes tiene al menos una componente radial.

19. Rotor según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el sentido de magnetización de los ¡manes permanentes tiene al menos una componente circunferencial.

2. Máquina eléctrica que comprende un estator y un rotor según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 19.