ES2336016T3 - Motor electrico. - Google Patents

Abstract

Un motor eléctrico (10) que un incluye un estátor (13) dotado de al menos dos devanados (12) del estátor dispuestos para formar fases del estátor; un rotor (14) de polos salientes dentro del estátor, rotor que está separado del estátor por un entrehierro, estando formado y configurado dicho rotor para definir un camino de reluctancia magnética superior e inferior por dicho entrehierro entre el rotor y el estátor, rotor que incluye además un devanado inductor (17) en torno a los polos salientes del rotor, devanado inductor que está configurado para formar un par de polos, terminando dicho devanado inductor en un conmutador eléctrico selectivo (18) que determina la continuidad eléctrica de dicho devanado inductor para que una polarización inversa de voltaje impuesta entre los extremos del conmutador resulte en que el devanado inductor sea un circuito abierto; y un medio (40-58) de control que está configurado para regular la magnetización del devanado inductor aplicando un voltaje a la fase del estátor vinculada con el devanado inductor por medio del camino de reluctancia inferior para que la fase del estátor excitada imponga a su vez una polarización inversa de voltaje entre los extremos del conmutador mediante inducción, evitando esta polarización inversa el flujo de corriente en el devanado inductor, pero aumentando el voltaje aplicado a la fase del estátor la densidad del flujo magnético en el rotor, suprimiendo a continuación el medio de control dicho voltaje aplicado una vez que se alcanza una densidad predeterminada de flujo en el rotor, para que la supresión del voltaje aplicado induzca una inversión del voltaje a una polarización directa de voltaje entre los extremos del conmutador, permitiendo que la corriente fluya en el devanado inductor, corriente que evita el decaimiento de la densidad de flujo en dicho rotor, y medio de control que además está configurado para regular la producción de un par en el motor aplicando un voltaje a otra fase del estátor no responsable de la excitación del devanado inductor, en ese instante, para que, en cualquier momento dado, una fase del estátor pueda utilizarse para magnetizar el devanado inductor, mientras que otra fase o fases es/son responsable/s de la producción del par, para que, en rotación, todas las fases del estátor se alternen en la función de producir el par y regular la magnetización del devanado inductor del rotor.

Description

Motor eléctrico.

Campo de la invención

La presente invención versa acerca de un motor eléctrico.

Antecedentes de la invención

Un motor sincrónico tiene ventajas inherentes sobre los motores de inducción y de CC. En un motor sincrónico, la velocidad del rotor es exactamente proporcional a la frecuencia del sistema que suministra energía eléctrica al motor sincrónico. En consecuencia, el motor sincrónico está caracterizado además por el hecho de que funciona a velocidad constante (para una frecuencia constante del suministro) a un factor de potencia en servicio y tiene una intensidad de arranque reducida. La eficiencia de un motor tal es generalmente más elevada que la de otros tipos de motor
eléctrico.

Un inducido de un motor sincrónico se construye por lo general con un conjunto de devanados polifásicos de CA distribuidos, normalmente sobre el estátor o corona externa del motor. Como tal, el devanado inductor del motor se encuentra habitualmente en el rotor, y típicamente consiste en más de un par de polos. Se entiende generalmente que los polos inductores se excitan con corriente continua. La configuración y el procedimiento de excitación de los devanados inductores del rotor determinan el tipo de motor sincrónico. En general, se requieren un excitador, anillos colectores y escobillas aparte.

El excitador, los anillos colectores y las escobillas se eliminan en el motor sincrónico de inducción que tiene un rotor diseñado con caminos diferentes de reluctancia a través del entrehierro que separa el estátor y el rotor para facilitar el desarrollo del par de reluctancia. No hay devanados inductores en el rotor y, por lo tanto, no se requiere ninguna fuente de excitación. Por ello, los devanados del inducido del estátor están alimentados directamente con la línea de suministro de CA.

El motor de inducción es simple y barato de fabricar, pero no ofrece el rendimiento del motor sincrónico. Por un lado, los motores sincrónicos con anillo colector son más complejos y caros, debido al excitador, a los anillos colectores y a las escobillas requeridos para su funcionamiento. Esto también aumenta los requerimientos de mantenimiento, mientras que el motor de inducción casi no necesita mantenimiento. Los motores de CC con escobillas tienen inconvenientes similares, aunque son más fáciles de controlar y tienen excelentes características de tracción. Los anillos colectores y las escobillas se eliminan en los motores sincrónicos sin escobillas, pero la configuración del excitador de CA sin escobillas sigue conllevando costo, espacio y complejidad adicionales.

Los motores sincrónicos de imanes permanentes parecen ser los más atractivos. Sin embargo, la fabricación y el elevado costo de los imanes permanentes de intensidad de campo elevada, así como el procedimiento de unión de estos imanes al rotor, especialmente para máquinas grandes, llegan a ser un reto de diseño. La intensidad de campo máxima de los imanes permanentes está limitada también por el estado actual de la técnica. Aunque es de construcción muy simple, el motor sincrónico de inducción no es muy eficiente y es generalmente mucho mayor que un motor sincrónico de anillo colector de rendimiento similar. En la práctica, los motores sincrónicos de inducción no se usan mucho por encima de algunos kilovatios.

Resumen de la invención

Conforme a un aspecto de la presente invención, se proporciona un motor eléctrico tal como se define en la Reivindicación 1.

Ha de observarse que el conmutador selectivo en el devanado inductor mejora la eficiencia del motor al capturar de forma efectiva la densidad del flujo magnético en el rotor cuando se permite que fluya la corriente por el devanado inductor. Esto ya no requiere que el devanado del estátor suministre continuamente corriente magnetizadora, al igual que corriente de par, como ocurre, por ejemplo, en los motores de inducción existentes.

El uso de un rectificador (conmutador selectivo) es conocido por la publicación "NOVEL PWM-VSI FED BRUSHLESS THREE-PHASE SYNCHRONOUS MOTOR", SAKUTARO NONAKA ET AL, CONFERENCE RECORD OF THE INDUSTRY APPLICATIONS SOCIETY ANNUAL MEETING (IAS), PITTSBURGH, OCT. 2 - 7, 1988, NUEVA YORK, IEEE, US, VOL. 1 CONF. 23, 2 de octubre de 1988 (1988-10-02), páginas 11-14.

Ha de observarse además que el motor emplea un principio de alimentación de muy alta tensión en modo conmutado para magnetizar el rotor.

El estátor puede incluir una pluralidad de láminas metálicas apiladas con hendiduras para reducir las corrientes parásitas en el estátor. El rotor puede incluir una pluralidad de láminas metálicas apiladas con hendiduras para reducir las corrientes parásitas en el rotor.

El conmutador selectivo puede incluir un diodo de circulación libre. El conmutador selectivo puede incluir un dispositivo de estado sólido, por ejemplo un transistor, un tiristor o similares.

El medio de control puede incluir un microprocesador. El medio de control puede incluir conmutadores electrónicos para controlar la excitación de la fases del estátor. Los conmutadores electrónicos pueden incluir transistores. En consecuencia, los conmutadores electrónicos pueden disponerse en un circuito de puente en H.

El medio de control puede incluir sensores para captar la posición del rotor con respecto a las fases del estátor para regular la excitación de las fases en los instantes precisos.

El medio de control puede estar configurado para determinar la posición del rotor a partir de las características de la corriente y el voltaje de fase del estátor.

El medio de control puede estar configurado para regular la densidad del flujo magnético en el rotor dependiendo de la velocidad del motor; por ejemplo, a velocidad elevada el devanado inductor solo precisa ser magnetizado cada pocas revoluciones del rotor, mientras que a velocidad reducida el devanado inductor puede requerir múltiples momentos de magnetización durante una revolución del rotor.

El medio de control puede estar configurado para controlar el motor como un generador en las circunstancias adecuadas.

Puede dedicarse una fase del estátor para magnetizar el devanado inductor. En consecuencia, puede dedicarse una fase del estátor para la producción de un par en el motor.

Breve descripción de los dibujos

La invención se describe ahora, a título de ejemplo no limitante, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que

la Figura 1 muestra, en una vista de corte transversal radial, un motor eléctrico conforme a la presente invención;

la Figura 2 muestra, en una vista de corte transversal axial, el motor eléctrico de la Figura 1;

la Figura 3 muestra, en una vista esquemática, un diagrama de circuitos que representa una interacción de la fase del inducido con el devanado inductor a través del camino de reluctancia magnética inferior;

las Figuras 4a y 4b muestran, en una vista de corte transversal radial, el rotor del motor en posiciones diferentes con respecto al inducido;

la Figura 5 muestra gráficos de la densidad de corriente y de flujo de diferentes devanados de inducción y de inducido durante el funcionamiento del motor mostrado en la Figura 1;

la Figura 6 muestra, en una vista esquemática, una realización del medio de control;

la Figura 7 muestra, en una vista de corte transversal radial, un motor alternativo; y

la Figura 8 muestra gráficos de las corrientes de los devanados del inducido durante el funcionamiento del motor mostrado en la Figura 7.

Descripción detallada de la invención

Con referencia a los dibujos adjuntos, un motor eléctrico conforme a la presente invención es indicado en su conjunto con el número de referencia 10.

Con referencia a las Figuras 1 y 2, el miembro exterior del motor 10 consiste en láminas 11 de acero apiladas con hendiduras para sujetar los devanados 12 del inducido, que constituyen en su conjunto el estátor 13. Los devanados 12 del inducido se dividen además en dos devanados separados 12.1 y 12.2, que constituyen dos fases separadas.

De modo similar, el miembro interior consiste en láminas 15 de acero apiladas fijadas respecto a un eje 16 de motor, terminando un devanado inductor 17 en el conmutador selectivo, que es en esta realización un diodo de circulación libre o rectificador 18, que constituyen colectivamente el rotor 14, que es capaz de girar con respecto al estátor 13.

Debe observarse que, para los fines de la explicación, en la Figura 1 se muestra un sistema de coordenadas de referencia d-q. Este sistema de coordenadas está asociado o referenciado de forma rotativa al rotor 14. En cuanto a la disposición de polos salientes del rotor 14, el entrehierro del eje directo d es mucho menor que el entrehierro en el eje de cuadratura q.

La reluctancia del circuito magnético a lo largo del eje q es, por ello, mucho mayor que la reluctancia a lo largo del eje d. Esta es una característica importante de la presente invención y es integral a su modo de funcionamiento. La mayor reluctancia en el eje q reduce el acoplamiento magnético con el rotor 14 de la fase del inducido que produce el par, lo cual es deseable. El entrehierro mayor a lo largo del eje q también proporciona espacio para el devanado inductor 17, lo que resulta en la estructura de polos salientes.

Debe apreciarse que la invención requiere generalmente que el rotor 14 sea de una naturaleza de polos salientes. La forma de las láminas 15 es similar a la de un motor de reluctancia (no mostrado), pero el motor 10 no funciona con un par de reluctancia; la acción de la combinación del devanado inductor 17 y del diodo 18 está directamente implicada en la producción del par.

En la realización mostrada, el rotor 14 tiene un par de polos, pero en otras realizaciones el rotor puede estar construido con múltiples pares de polos. De modo similar, el estátor 13 puede construirse con más de dos fases en realizaciones adicionales.

Con referencia ahora a la posición del rotor 14 con respecto a los devanados 12.1 y 12.2 de fase del inducido en la Figura 1, un aspecto novedoso de la presente invención es el procedimiento mediante el cual se magnetiza el par de polos del rotor 14, es decir, el procedimiento mediante el cual se excita el devanado inductor 17. Ignorando de momento la acción del devanado inductor 17, la corriente aplicada a la fase 12.1 del inducido producirá un campo magnético en la dirección del eje q. De modo similar, la corriente aplicada a la fase 12.2 del inducido producirá un campo magnético en la dirección del eje d. El campo magnético en el eje d será muchas veces mayor que el del eje q debido a la reluctancia mucho mayor en el eje q.

En funcionamiento, ya sea estacionario o en rotación, mediante la sincronización y la conmutación correctas de las fases 12.1 y 12.2 de las fases del inducido, la excitación del campo magnético del rotor 14 se mantendrá en un máximo a lo largo del eje d y a un mínimo a lo largo del eje q (esencialmente cero).

Cuando el eje central del devanado 12.1 o 12.2 de la fase del inducido se alinea con el eje directo d del rotor 14, entonces el devanado particular del inducido está fuertemente acoplado con el devanado inductor 17. De modo similar, cuando el eje central del devanado 12.1 o 12.2 de la fase del inducido se alinea con el eje de cuadratura q del rotor 14, entonces el devanado particular del inducido está débilmente con el devanado inductor 17.

La Figura 3 muestra un esquema de una representación de un transformador 20 del devanado 12.2 del inducido fuertemente acoplado con el devanado inductor 17 terminado en el diodo 18. El devanado 12.2 del inducido hace de primario del transformador 20, y el devanado inductor 17 hace de secundario del transformador 20. Debe observarse que la representación del transformador 20 es solo válida cuando el eje central del devanado 12.2 de la fase del inducido está alineado con el eje directo d del rotor, es decir, cuando está fuertemente acoplado. Cuando el devanado 12.2 del inducido está en cuadratura con el devanado inductor 17, no hay acción del transformador, debido al hecho de que los ejes centrales de los respectivos devanados son perpendiculares entre sí.

Siguiendo la convención, los puntos negros 21.1 y 21.2 indican la "misma" polaridad de los respectivos devanados. Hay dos posiciones del rotor 14 en un ciclo completo de rotación cuando el eje central de la fase 12.2 del inducido se alinea con el eje d del rotor.

En una primera posición, estando cerrado el conmutador 22 de modo que se aplique un voltaje positivo al primario 12.2, el diodo 18 recibirá una polarización inversa, como se muestra en la Figura 3. En una segunda posición, en la que el rotor 14 está girado 180º, aplicándose un voltaje positivo al primario 12.2, el diodo 18 recibirá una polarización directa (no mostrado).

Considerando la primera posición, el conmutador 22 está cerrado, aplicándose así un voltaje positivo al devanado primario 12.2. Se induce un voltaje en el secundario 17 que aplica una polarización inversa al diodo 18, evitando que la corriente fluya en el devanado secundario 17. Sin embargo, la corriente magnetizadora en el devanado primario 12.2 y,
por ende, la densidad del flujo magnético en las láminas 15 del rotor aumentarán o escalarán desde cero conforme a:

1

en las que:

v es el voltaje aplicado en voltios (V)

L es la inductancia primaria en henrios (H)

di es el cambio de la corriente en amperios (A)

dt es el cambio del tiempo en segundos (s).

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El conmutador 22 se abre cuando la densidad del flujo magnético alcanza el valor predeterminado o deseado. Esto interrumpe la corriente del primario, que debe disminuir hasta cero; por lo tanto, el cociente de cambio de la corriente di/dt es negativo y, según la ecuación (1), el voltaje entre los extremos del devanado primario se hace negativo.

En consecuencia, el devanado secundario 17 también experimenta una inversión de voltaje por inducción, lo que hace que el 18 reciba una polarización directa y se haga conductor. La corriente que se hace así que fluya en el devanado secundario 17 será proporcional a la densidad del flujo magnético creado en primer lugar en las láminas 15 de núcleo por el devanado primario 12.2. La corriente en los devanados inductores 17 del rotor captura de manera efectiva la densidad del flujo magnético en las láminas 15 del núcleo.

Debe apreciarse que el voltaje impreso entre los extremos del devanado secundario 17 por el voltaje director del diodo 18 es mucho menor que el voltaje aplicado inicialmente entre los extremos del primario 12.2. Según la ecuación (1), esto significa que la tasa de decaimiento de la corriente di/dt del secundario 17 y, por ende, del decaimiento de la densidad del flujo magnético es mucho menor que la tasa del aumento de la corriente del primario 12.2 y, por ende, que la tasa del aumento de la densidad del flujo magnético.

Como tal, el tiempo de decaimiento de la magnetización del campo puede diseñarse que sea más duradero en órdenes de magnitud que el tiempo del aumento mediante la elección acertada del voltaje aplicado y la proporción de espiras entre el primario y el secundario. Por ejemplo, un voltaje típico aplicado puede ser de 300 V, y el voltaje directo del diodo puede ser de 1 V, y, computando la proporción de espiras, una vez que el campo del rotor está en su magnetización máxima, únicamente precisa cambiarse, digamos, 50 us cada 15 ms para mantener la intensidad de campo dentro de un intervalo del 10% de su máximo.

Entonces, considerando ahora únicamente la magnetización del rotar 14 de la Figura 1 (y no la producción de par), girando el rotor 14 a una velocidad con respecto al estátor 13. El medio de control o la electrónica del sistema de mando (no mostrados) aplican brevemente el voltaje de la debida polaridad a la fase 12.1 o 12.2 particular del inducido siempre que el eje directo d del rotor 14 (con la debida polaridad del diodo 18) se alinea momentáneamente, al pasar, con el eje central de la fase 12.1 o 12.2 para dar al rotor 14 una "carga" magnética.

En el arranque, el tiempo de "carga" magnética será diez veces mayor, digamos, que el tiempo de "carga" cuando funciona a tope, para llevar el campo magnético del rotor 14 hasta su valor máximo inicialmente. Cuando funciona a velocidad elevada, la magnetización del rotor 14 puede requerir recarga únicamente cada pocos ciclos, mientras que a velocidad muy baja puede requerir recarga algunas veces por ciclo.

En una realización preferida de la invención, se usa un diodo 18 como elemento de conmutación en el devanado 17 del rotor. Sin embargo, debe apreciarse que puede usarse cualquier tipo de elemento de conmutación que esté debidamente sincronizado con la conmutación de los devanados 12.1 y 12.2 de la fase del inducido, por ejemplo un transistor, un tiristor, MOSFET y/o similares.

Una persona experta en la técnica apreciará que se emplea un principio similar al descrito más arriba en el funcionamiento de un transformador de líneas en un suministro eléctrico en modo conmutado. Sin embargo, en el transformador de líneas, la energía es transferida continuamente del devanado primario a un devanado secundario fijo conectado a una carga resistiva, mientras que en el motor 10 el principio de alimentación de muy alta tensión se usa para mantener la densidad del flujo magnético en un rotor relativo en rotación.

Consideremos ahora la producción de par en el motor 10. La fuerza ejercida en un conductor que lleva corriente y perpendicular a un campo magnético es dada por la ecuación de fuerza de Lorentz:

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2

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en la que:

F es la fuerza en newtons, N.

l es la longitud del conductor en metros, m.

i es la corriente del conductor en amperios, A.

B es la densidad del flujo magnético en teslas, T.

\newpage

Y el par en un motor estaría dado por:

3

en la que:

r es el radio del rotor.

T es el par en N\cdotm.

F es la fuerza en newtons, N.

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Con referencia a la Figura 1, asumamos que el rotor 14 está completamente magnetizado. Las líneas 19 de flujo magnético que pasan de forma acimutal por el núcleo 13 del estátor no cruzan los conductores de la fase 12.2 del inducido y, por ende, estos conductores no experimentan fuerza alguna. Sin embargo, los conductores de la fase 12.1 del inducido son perpendiculares a las líneas 19 del flujo magnético que cruzan desde el estátor 15 hasta el rotor 14 a través del entrehierro, y yacen directamente en las mismas, y, por ello, experimentan un par conforme a la ecuación (4).

Dado que los conductores del devanado 12.1 de la fase del inducido están fijos en el estátor 13, y dado que el rotor 14 experimenta a su vez una reacción opuesta, el rotor 14 experimentará el par y el movimiento resultantes. Así, el par se producto en el rotor 14 por la corriente que fluye en los conductores 12.1 o 12.2 del estátor que están ubicados en el entrehierro menor o del eje d.

En funcionamiento, las dos fases 12.1 y 12.2 del inducido producirán par alternativamente y carga magnetizadora según gira el motor. La corriente productora del par será aplicada en gran parte del ciclo del rotor, mientras que la magnetización será una fracción del tiempo. Transistores de potencia controlados por un microprocesador, con una detección adecuada de la posición del rotor 14, y realimentación de corriente de fase del inducido pueden lograr la cadencia y el control de corriente requeridos entre las fases.

La posición angular del rotor 14 puede determinarse directamente por medio de elementos sensores montados en el rotor 14 y de circuitos de retroacción. Si no, la posición puede ser determinada indirectamente a partir de las características del voltaje y de la corriente de los devanados del inducido, dado que estos son afectados por la reluctancia variable presentada por el rotor 14 dependiente de su posición angular (debido a la diferencia en el entrehierro en los ejes directo y de cuadratura).

En otras palabras, en una primera posición de rotor mostrada en la Figura 4a, el devanado 12.1 de la fase del inducido produce un par cuando lleva corriente, mientras que, a la vez, el devanado 12.2 de la fase del inducido carga el campo magnético del rotor 14. De modo similar, en una segunda posición del rotor mostrada en la Figura 4b, los papeles se invierten y el devanado 12.2 de la fase del inducido produce un par, mientras que el devanado 12.1 de la fase del inducido carca el campo magnético del rotor 14.

En la Figura 5 se presentan gráficos que muestran las corrientes I_{12 . 1}, I_{12 . 2} e I_{17} para los devanados 12.1, 12.2 de la fase del inducido y el devanado inductor 17 del rotor, respectivamente, y la densidad B_{14} del flujo magnético en función del tiempo a lo largo de un ciclo completo de rotación para una dirección particular de giro. Tal como se indica, las formas de onda de las corrientes I_{12 . 1}, I_{12 . 2} de la fase del inducido consisten en dos segmentos productores de par y dos impulsos magnetizadores en un ciclo completo.

Debe apreciarse que la dirección de rotación del rotor 14 se invierte fácilmente cambiando la polaridad de una de las corrientes de la fase del inducido, I_{12 . 1} o I_{12 . 2}, o simplemente intercambiando la secuencia temporal de I_{12 . 1} e I_{12 . 2}.

El motor 10 funcionará como un generador invirtiendo la polaridad de los segmentos productores de par de la corriente I_{12 . 1} e I_{12 . 2} de la fase del inducido, pero con la misma temporización y polaridad del impulso de la corriente magnetizadora que se muestran en la Figura 5.

Ya funcione como motor o como generador, en dirección directa o inversa, la temporización de las corrientes se sincroniza con la posición del rotor 14.

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En la Figura 6 se muestra un circuito electrónico para el medio de control para accionar el motor 10. Se incluye una representación esquemática del motor 10 que muestra los devanados 12.1 y 12.2 del inducido, el rotor 14, el devanado inductor 17 del rotor y el diodo 18 de circulación libre.

En la realización mostrada, una fuente de alimentación de CC (no mostrada) suministra energía al bus principal 45.1 y 45.2 de CC del motor 10. Se usa un circuito de "puente en H" de transistores MOSFET 40.1, 40.2, 40.3, 40.4 para conmutar la corriente requerida al devanado 12.2 de la fase del inducido.

Esto permite que cualquiera de las dos fases sea controlada de manera independiente, en pro de una polaridad positiva o negativa de la corriente y, por medio del empleo de la modulación de la anchura del impulso, que haya un control independiente de las magnitudes de la corriente.

Un microprocesador 52 controla la conmutación de los MOSFET por medio de una interfaz 50 de control de MOSFET y, por ende, controla directamente la sincronización, la magnitud y la polaridad de las corrientes I_{12 . 1}, I_{12 . 2} e I_{17}. Los elementos sensores 41.1, 41.2, 41.3, 41.4 de corriente proporcionan señales de realimentación al microprocesador 52 por medio de un convertidor 54 de analógico a digital para el control de la magnitud de la corriente.

Conforme a la Figura 5, la posición del rotor 14 con respecto al estátor 13 hace falta para que el microprocesador controle las corrientes I_{12 . 1} e I_{12 . 2} de la fase y la corriente inductora I_{17} del rotor, en magnitud y sincronización. Se muestra un ejemplo de medio detector de posición del rotor por medio de un disco 30 fijado de forma rotativa al rotor 14 y de cuatro sensores 31.1, 31.2, 31.3, 31.4 reflectores ópticamente fijados con respecto al estátor del motor. El disco 30 tiene un segmento de 90º coloreado de forma reflectora (blanco), tal como se muestra, siendo no reflector el segmento de los 270º restantes.

Las señales de los sensores ópticos 31.1, 31.2, 31.3, 31.4 son devueltas al microprocesador 52 por medio de un circuito intermedio o de un elemento 56 de preparación de la señal. Estando posicionado el disco 30 tal como se muestra, con el elemento reflector blanco bajo el sensor óptico 31.2, la señal devuelta por el sensor 31.2 sería, por ejemplo, un "1" digital, y las señales devueltas por los sensores restantes 31.1, 31.3, 31.4 sería un "0" digital. Así, el microprocesador 52 controla la corriente aplicada a los devanados 12.1 y 12.2 de la fase del inducido, sincronizados conforme a la Figura 5 con la posición 14 del rotor, determinada por las combinaciones digitales devueltas por los sensores ópticos 31.

Pueden emplearse también otros medios de detección, como la detección de la posición por acoplamiento magnético, conmutadores de contacto de deslizamiento directo, conmutadores, o similares.

En una realización preferida, el microprocesador 52 monitoriza el estado de los conmutadores y de una resistencia variable incluida en el panel 58 del interfaz de usuario para arrancar, detener o cambiar la dirección del motor. Al arrancar el motor 10, el rotar 14 está inicialmente completamente desmagnetizado, es decir, no fluye corriente I_{17} alguna por el devanado inductor 17 y el diodo 18 de circulación libre.

En tal situación, el rotor 14 debe empezar siendo magnetizado o "cargado" por cualquiera de los devanados 12.1 o 12.2 del inducido que está fuertemente acoplado con el devanado inductor 17 del rotor (según la Figura 3 y su correspondiente descripción). El microprocesador 52 determina la orientación del rotor 14 con respecto a los devanados 12.1 y 12.2 del inducido a partir de las señales obtenidas de los sensores 31 y selecciona el devanado 12.1 o 12.2 que esté fuertemente acoplado con el devanado inductor 17 del rotor, y determina la dirección requerida de la corriente. El microprocesador 52 conecta el par de transistores MOSFET requerido de los dos "puentes en H" 40 y 42 para cargar la densidad B_{14} del flujo magnético en el rotor 14 hasta el valor requerido.

El rotor 14 permanece estacionario durante este proceso. Una vez que la densidad del flujo magnético ha alcanzado el valor requerido, se desconecta el devanado 12.1 o 12.2 del inducido que está activo o cargando. Entonces se conecta el devanado 12.1 o 12.2 del inducido previamente inactivo para que produzca un par. Si hay una carga razonable o ligera acoplada con el motor 10, acelerará en su velocidad, y la sincronización y el control de las corrientes se asemejarán a los mostrados en la Figura 5. Sin embargo, si la carga es demasiado grande para el motor 10, es decir, un rotor 14 inmovilizado, o una elevada carga de inercia, el primer devanado 12.1 o 12.2 del inducido tendrá que seguir recargando la densidad B_{14} del flujo magnético del rotor 14, mientras que el segundo devanado tendrá que seguir suministrando continuamente una corriente impulsora o de par hasta que el rotor 14 empiece a girar, con lo que los dos devanados 12.1 y 12.2 del inducido comenzarán a suministrar de forma alterna una corriente de par y una corriente magnetizadora según la posición del rotor 14.

La descripción y la mecánica, devanados y electrónica anteriores son la realización preferida de la presente invención. Podría implementarse una alternativa fuera del ámbito de la invención siendo siempre productores de par los devanados 12.1 y 12.2 del inducido, siendo siempre devanados magnetizadores unos devanados adicionales 12.3 y 12.4 ubicados en el estátor. Un esquema de esto se muestra en la Figura 7, y los correspondientes gráficos de corriente se muestran en la Figura 8.

Los gráficos de la Figura 5 son un ejemplo de formas de onda y sincronizaciones posibles de las corrientes I_{12 . 1} e I_{12 . 2} del inducido. Las porciones de corriente productoras de par se muestran, en aras de la simplicidad, como valores constantes para una cuarta parte de un ciclo, o 90º del ángulo mecánico del rotor 14. Esas formas de onda pueden ser modificadas para optimizar el par y reducir los armónicos, por ejemplo, ser escalonadas, sinusoidales o similares.

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La porción del impulso de la corriente magnetizadora de las corrientes I_{12 . 1} e I_{12 . 2} del inducido puede tener una magnitud mucho mayor que la porción productora de par, pero la anchura del impulso será cien veces menor, o más, lo que resulta en un valor medio o eficaz de la corriente magnetizadora mucho menores que el valor medio o eficaz de la corriente del par.

Por ejemplo, el valor eficaz del impulso magnetizador puede ser de solo 0,5 A para un valor de corriente de par eficaz de 10 A. Por lo tanto, la corriente del impulso magnetizador produce muy pocas pérdidas por calentamiento en los devanados 12 del estátor en comparación con la corriente que produce el par. La porción mayor de las pérdidas magnetizadoras ocurren en los devanados 17 del rotor, dado que la corriente I_{17} del devanado inductor del rotor es casi perfectamente continua a un valor razonable.

Debe apreciarse que la corriente de magnetización máxima en un motor de inducción está generalmente limitada por la capacidad de los devanados del estátor para llevar corriente y de la distorsión armónica de la corriente magnetizadora sinusoidal cuando se acerca a la saturación magnética. La magnetización máxima de un motor de imanes permanentes está limitada por el actual estado de la técnica relativa a la producción de imanes.

El motor 10 descrito en el presente documento no padece estos inconvenientes y se obtiene una magnetización del rotor y una corriente de par mucho más elevadas, a eficiencias comparables, lo que resulta en una densidad de potencia y un par más elevados para motores de tamaño similar.

La eficiencia global del motor 10 puede ser optimizada dinámicamente manteniendo las pérdidas óhmicas del rotor 14 iguales a las pérdidas óhmicas del estátor 13. El microprocesador 52 puede ajustar las magnitudes de la corriente del par y la corriente magnetizadora para el logro de una eficiencia óptima en todo el intervalo de velocidad y de carga variable.

Se entenderá que los ejemplos se proporcionan para ilustrar la invención adicionalmente y para contribuir a que una persona experta en la técnica entienda la invención, y no se plantea que se interpreten como si limitaran indebidamente el ámbito razonable de la invención.

El inventor considera que es una ventaja que el motor tenga un rendimiento global que supera el del motor sincrónico, el del motor de inducción y el del motor de CC con o sin escobillas, a la vez que incorpora la simplicidad y la rentabilidad de fabricación del motor de inducción.

El inventor considera una ventaja adicional que el motor tenga una densidad de potencia y una eficiencia más elevadas en comparación con todos los demás tipos de motor. El inventor considera que tiene aún más ventaja que el motor tenga un par de arranque elevado para una corriente de arranque reducida, lo que encuentra particular aplicación en las aplicaciones de tracción.

El inventor también considera que es una ventaja que el control dinámico de la velocidad y el par con una eficiencia óptima en todo el intervalo de carga plena, con pleno accionamiento en los cuatro cuadrantes (como motor y generador, en marcha directa e inversa) sea simple de implementar.

Claims (9)

1. Un motor eléctrico (10) que un incluye

\quad

un estátor (13) dotado de al menos dos devanados (12) del estátor dispuestos para formar fases del estátor;

\quad

un rotor (14) de polos salientes dentro del estátor, rotor que está separado del estátor por un entrehierro, estando formado y configurado dicho rotor para definir un camino de reluctancia magnética superior e inferior por dicho entrehierro entre el rotor y el estátor, rotor que incluye además un devanado inductor (17) en torno a los polos salientes del rotor, devanado inductor que está configurado para formar un par de polos, terminando dicho devanado inductor en un conmutador eléctrico selectivo (18) que determina la continuidad eléctrica de dicho devanado inductor para que una polarización inversa de voltaje impuesta entre los extremos del conmutador resulte en que el devanado inductor sea un circuito abierto; y

\quad

un medio (40-58) de control que está configurado para regular la magnetización del devanado inductor aplicando un voltaje a la fase del estátor vinculada con el devanado inductor por medio del camino de reluctancia inferior para que la fase del estátor excitada imponga a su vez una polarización inversa de voltaje entre los extremos del conmutador mediante inducción, evitando esta polarización inversa el flujo de corriente en el devanado inductor, pero aumentando el voltaje aplicado a la fase del estátor la densidad del flujo magnético en el rotor, suprimiendo a continuación el medio de control dicho voltaje aplicado una vez que se alcanza una densidad predeterminada de flujo en el rotor, para que la supresión del voltaje aplicado induzca una inversión del voltaje a una polarización directa de voltaje entre los extremos del conmutador, permitiendo que la corriente fluya en el devanado inductor, corriente que evita el decaimiento de la densidad de flujo en dicho rotor, y medio de control que además está configurado para regular la producción de un par en el motor aplicando un voltaje a otra fase del estátor no responsable de la excitación del devanado inductor, en ese instante, para que, en cualquier momento dado, una fase del estátor pueda utilizarse para magnetizar el devanado inductor, mientras que otra fase o fases es/son responsable/s de la producción del par, para que, en rotación, todas las fases del estátor se alternen en la función de producir el par y regular la magnetización del devanado inductor del rotor.

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2. Un motor como se reivindica en la reivindicación 1 en el que el conmutador selectivo incluye un diodo (18) de circulación libre.

3. Un motor como se reivindica en la reivindicación 1 en el que el conmutador selectivo incluye un dispositivo electrónico de estado sólido.

4. Un motor como se reivindica en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3 en el que el medio de control incluye un microprocesador (52).

5. Un motor como se reivindica en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 en el que el medio de control incluye conmutadores electrónicos (40, 42) para controlar la aplicación de voltaje a las fases del estátor.

6. Un motor como se reivindica en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 en el que el medio de control incluye sensores para captar la posición del rotor con respecto a las fases del estátor para regular la aplicación de voltaje a las fases en los momentos precisos.

7. Un motor como se reivindica en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 en el que el medio de control está configurado para determinar la posición del rotor a partir de las características de la corriente y el voltaje de fase del estátor.

8. Un motor como se reivindica en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7 en el que el medio de control está configurado para regular la densidad del flujo magnético en el rotor dependiendo de la velocidad del motor.

9. Un motor como se reivindica en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8 en el que el medio de control está configurado para controlar el motor como un generador en las circunstancias adecuadas.