ES2913805T3

ES2913805T3 - Un motor o generador eléctrico para montar en una rueda para un vehículo de carretera

Info

Publication number: ES2913805T3
Application number: ES13176919T
Authority: ES
Inventors: Martin Boughtwood
Original assignee: Protean Electric Ltd
Current assignee: Protean Electric Ltd
Priority date: 2006-07-13
Filing date: 2007-07-13
Publication date: 2022-06-06
Anticipated expiration: 2027-07-13
Also published as: GB2440251A; EP2658094A3; US8688345B2; CN102324823A; GB2459062A; JP2009543538A; US20130134839A1; EP2658096A2; CN101490926B; GB0913690D0; EP2660953A3; JP2013048551A; EP2658096A3; EP2658094B1; US8688346B2; EP2658094A2; CN101490926A; GB0713695D0; JP5819793B2; GB2440251B

Abstract

Un motor o generador eléctrico para montar en una rueda de un vehículo de carretera que comprende: un estator (252) que tiene una pluralidad de bobinas; un rotor (240) que tiene una pared (220) radial y una pared (221) circunferencial sobre las que se montan una pluralidad de imanes (242) en el interior de la pared (221) circunferencial que rodea las bobinas del estator; un bloque (223) de cojinetes que tiene una primera parte fijada al estator (252) y una segunda parte fijada al rotor (240); una pared radial del estator (252) que tiene una porción (233) central para montar a un vehículo por un lado y para conectar a la primera parte del bloque de cojinetes; la pared radial del rotor que tiene una porción (225) central para montar una rueda en el exterior del rotor y la segunda parte del bloque (223) de cojinetes en el interior del rotor (240); en donde se puede montar una rueda en el motor en la porción (225) central de la pared (220) radial del rotor (240) para la conexión a un vehículo mediante el bloque (223) de cojinetes, en donde el exterior de la pared (221) circunferencial del rotor (240) no tiene porciones de cojinete de carga.

Description

DESCRIPCIÓN

Un motor o generador eléctrico para montar en una rueda para un vehículo de carretera

Campo de la invención

La invención se refiere a motores o generadores eléctricos y a una disposición de montaje de ruedas.

Antecedentes de la invención

Los sistemas de motores eléctricos conocidos normalmente incluyen un motor y una unidad de control para controlar la potencia del motor. Los tipos conocidos de motor eléctrico incluyen el motor de inducción, el motor de imanes permanentes sin escobillas, el motor de reluctancia conmutada y la máquina síncrona de anillos rozantes. Los motores eléctricos trifásicos son el tipo más común de motor eléctrico disponible.

La figura 1 muestra una representación esquemática de un motor trifásico normal. En este ejemplo, el motor incluye tres conjuntos de bobinas. Cada conjunto de bobinas produce un campo magnético asociado con una de las tres fases del motor. En un ejemplo más general, los conjuntos de N bobinas se pueden utilizar para producir un motor eléctrico de N fases, es decir, un motor eléctrico multifásico. Cada conjunto de bobinas puede incluir uno o más subconjuntos de bobinas que se colocan alrededor de una periferia del motor. En el presente ejemplo, cada conjunto de bobinas incluye cuatro de estos subconjuntos: los subconjuntos de bobinas de cada conjunto de bobinas están etiquetados como 14, 16 y 18, respectivamente, en la figura 1. Como se muestra en la figura 1, los subconjuntos de bobinas 14, 16, 18 se distribuyen uniformemente alrededor del motor 10 para cooperar en la producción de un campo magnético giratorio dentro del cual un rotor 12 central, que normalmente incorpora uno o más imanes permanentes, puede girar como lo muestra la flecha etiquetada como C. Los subconjuntos de bobinas de cada conjunto de bobinas están conectados entre sí en serie, como lo muestran las conexiones 24, 26 y 28 en la figura 1. Esto permite equilibrar las corrientes en las bobinas de cada conjunto de bobinas para producir una fase esencialmente común. Los alambres de cada conjunto de bobinas terminan como se muestra en 34, 36 y 38 en la figura 1. Normalmente, un extremo del alambre para cada conjunto de bobinas está conectado a un terminal de referencia común, mientras que el otro alambre está conectado a un sistema de conmutación para controlar la corriente dentro de todas las bobinas de ese conjunto de bobinas. Normalmente entonces, el control de corriente para cada conjunto de bobinas implica controlar una corriente común que pasa a través de un gran número de bobinas.

Como se muestra en la figura 2, cada subconjunto de bobinas puede incluir una o más bobinas. En concreto, la figura 2 muestra las bobinas 24A, 24B en uno de los subconjuntos 14 de bobinas. En este ejemplo, hay dos bobinas por subconjunto de bobinas. Las dos bobinas están enrolladas en direcciones opuestas y están interconectadas de manera que la corriente que fluye en cada bobina es esencialmente la misma. A medida que los polos del rotor 12 recorren las bobinas 24A, 24B, la conmutación de la corriente en las bobinas 24A, 24B puede producir el campo magnético apropiado para atraer y repeler el rotor para el giro continuo del mismo. Es conocido que el campo magnético producido por las dos bobinas 24a , 24B enrolladas de manera opuesta pertenece a la misma fase de este motor trifásico. Cada tercer subconjunto de bobinas dispuesto alrededor de la periferia del motor 10 produce un campo magnético que tiene una fase común. Las bobinas y las interconexiones normalmente pueden comprender una sola pieza de alambre (por ejemplo, alambre de cobre) que discurre alrededor de la periferia del motor y se enrolla en bobinas en las ubicaciones apropiadas.

Para un motor eléctrico trifásico, el sistema de conmutación es casi invariablemente un circuito de puente trifásico que incluye varios conmutadores.

Los conmutadores electrónicos de potencia normales, incluyendo el Transistor de Efecto de Campo de Óxido Metálico Semiconductor (MOSFET) y el Transistor Bipolar de Puerta Aislada (IGBT), presentan dos pérdidas principales: pérdidas de conmutación y pérdidas de conducción.

Si bien las pérdidas de conmutación disminuyen con la velocidad de conmutación, una velocidad de conmutación más rápida también conduce a un aumento del ruido de interferencia electromagnética (EMI). Este equilibrio problemático entre la velocidad de conmutación y el ruido EMI se agrava con potencias nominales más altas (por ejemplo, para un motor más grande), ya que se requieren conmutadores más grandes. La inductancia asociada con un conmutador de potencia y su sistema de conexión aumenta con el tamaño físico del conmutador. Esta inductancia afecta la velocidad de conmutación del dispositivo de potencia y, por lo tanto, la velocidad de conmutación de un dispositivo de potencia normalmente está limitada por su tamaño físico. Por consiguiente, para alta potencia nominal se deben usar conmutadores más grandes, pero los conmutadores más grandes implican velocidades de conmutación más lentas y, por lo tanto, mayores pérdidas de conmutación. Además, el coste de un dispositivo de potencia aumenta aproximadamente con el cuadrado del tamaño del dispositivo. Las pérdidas por conducción también aumentan con el aumento de potencia.

Incluyendo las pérdidas por conmutación y las pérdidas por conducción, las pérdidas totales son aproximadamente proporcionales al cuadrado de la potencia. Esto impone serios problemas de gestión térmica al motor ya que, por ejemplo, una duplicación de la potencia conduce a un aumento de cuatro veces en pérdidas térmicas. Extraer este calor sin elevar la temperatura del dispositivo por encima de su nivel de funcionamiento seguro se convierte en el factor limitante de la potencia que puede manejar el dispositivo. De hecho, hoy en día los dispositivos de potencia más grandes que tienen capacidades de manejo de corriente intrínseca de, por ejemplo, 500A están restringidos a 200A debido a restricciones térmicas.

Si se considera un motor trifásico convencional con una potencia nominal determinada. Si se desea una potencia nominal mayor, se puede lograr produciendo un motor con un diámetro mayor. Para un diámetro de motor mayor, la velocidad periférica del rotor aumenta para una velocidad angular determinada. Para una tensión de alimentación determinada, esto requiere que las bobinas del motor tengan un número reducido de vueltas. Esto se debe a que la tensión inducida es una función de la velocidad periférica del rotor y el número de vueltas en las bobinas. La tensión inducida siempre debe ser igual o inferior a la tensión de alimentación.

Sin embargo, el número reducido de vueltas en las bobinas conduce a una inductancia reducida para el motor, ya que la inductancia del motor es proporcional al cuadrado del número de vueltas.

Casi todas las unidades de control electrónico para motores eléctricos en la actualidad funcionan mediante alguna forma de control de tensión de modulación de ancho de pulso (PWM). El control de PWM funciona utilizando la inductancia del motor para promediar una tensión de pulso aplicada para accionar la corriente requerida en las bobinas del motor. Con el control de PWM, se conmuta una tensión aplicada a través de los devanados del motor durante un período mínimo dictado por la característica de conmutación del dispositivo de potencia. Durante este período, la corriente aumenta en el devanado del motor a una velocidad dictada por su inductancia y la tensión aplicada. Entonces se requiere que el control de PWM se apague antes de que la corriente haya cambiado demasiado para lograr un control preciso de la corriente.

Como se comentó anteriormente, el uso de dispositivos de mayor potencia conduce a una velocidad de conmutación más lenta, mientras que un motor más grande también tiene una inductancia más baja. Para motores de mayor potencia, estos dos factores impiden la eficacia de PWM como sistema de control porque la corriente en las bobinas del motor aumenta más rápidamente (debido a la baja inductancia del motor debido al menor número de vueltas en las bobinas) pero el control de PWM es más inexacto (debido a la velocidad de conmutación lenta que se puede lograr utilizando dispositivos de conmutación de alta potencia).

Una solución conocida a este problema es introducir inductancia adicional en el motor en forma de estranguladores limitadores de corriente en serie con los devanados del motor. Esta inductancia añadida aumenta el tiempo de aumento de la corriente en las bobinas del motor. Sin embargo, los estranguladores suelen ser tan grandes o más grandes que el propio motor y, debido a que transportan toda la corriente, disipan una gran pérdida de calor adicional, además de suponer un volumen, un peso y un coste adicionales considerables.

Otros problemas con los motores conocidos se relacionan con su fabricación. Como se describió anteriormente en relación con la figura 1, la construcción de un motor generalmente involucra el uso de una sola longitud de alambre para producir los devanados para cada fase del motor. El alambre discurre alrededor de la periferia del motor y las bobinas están enrolladas en los lugares apropiados para producir una fase del campo magnético del motor. El enrollado de las bobinas del motor, así como la terminación de las conexiones entre cada subconjunto de bobinas intercaladas alrededor de la periferia del motor, es una tarea que requiere mucha mano de obra. El alambre grueso (por ejemplo, alambre de cobre) que se usa normalmente en los devanados de motores es difícil de manipular y, en muchos diseños de motores, el acceso a las entrañas del motor para instalar las bobinas y sus interconexiones es limitado. Los sistemas de montaje de bobinas conocidos también son voluminosos y tienen capacidades limitadas de dispersión del calor.

El control de tracción del vehículo puede usarse para minimizar el riesgo de derrapes que pueden ocurrir mientras el vehículo está en movimiento. Un vehículo que depende de la tracción de las ruedas para proporcionar una fuerza locomotora resultante sufre el fenómeno del derrape de las ruedas. También pueden ocurrir derrapes en la dirección. En un derrape de dirección, el movimiento del vehículo no está alineado con el de las ruedas delanteras (comúnmente conocido como subviraje) o las ruedas traseras (sobreviraje).

En general, el inicio de un derrape no es un evento repentino, sino que comienza con cierto grado de deslizamiento de las ruedas, que luego se acumula hasta convertirse en un derrape total de las ruedas. La cantidad de fuerza necesaria para producir un deslizamiento o derrape de la rueda se puede calcular multiplicando el peso sobre la rueda por el coeficiente de fricción entre el neumático y la superficie de la carretera. Si se excede esta fuerza, se producirá un deslizamiento o derrape de las ruedas. Con fuerzas justo por debajo de la fuerza a la que puede ocurrir el deslizamiento o derrape de la rueda, se obtiene el máximo rendimiento de conducción mientras la rueda todavía tiene agarre. Los sistemas de control de tracción generalmente tienen como objetivo permitir el funcionamiento en esta zona, por lo que se puede aplicar la fuerza máxima a las ruedas para permitir que ocurra el deslizamiento o derrape de las ruedas.

En sistemas conocidos, el par se aplica a las ruedas de un vehículo desde un motor de combustión interna central a través de un eje de transmisión y engranajes diferenciales. El control de tracción normalmente se aplica mediante la modulación de la presión de los discos de freno (para frenar) o mediante la modulación de un mecanismo de embrague deslizante en cada rueda (para aceleración). Estos sistemas de control de tracción requieren piezas mecánicas costosas y no siempre proporcionan el mejor rendimiento. Por ejemplo, los frenos ABS tienden a vibrar violentamente cuando se hacen funcionar sobre una base ordinaria de encendido/apagado. Los embragues deslizantes tienen un efecto sobre el equilibrio de par izquierdo/derecho del motor.

El documento WO 92/06530 describe un tren de potencia eléctrico para vehículos.

El documento US 5973463 describe un controlador de conducción para un vehículo eléctrico.

El documento JP 2004274838 describe un sistema de tracción de las ruedas.

El documento CN 2750556 describe un motor dinámico para un vehículo.

Resumen de la invención

De acuerdo con la presente invención, se proporciona un motor o generador eléctrico para montar en una rueda para un vehículo de carretera, como se establece en las reivindicaciones 1 a 5 de las reivindicaciones adjuntas.

Todos los modos de realización descritos dentro de la descripción que no están cubiertos por el alcance de las reivindicaciones son solo para fines ilustrativos.

Control de bobina

Esta característica y los modos de realización descritos asociados no forman parte del tema reivindicado y se proporcionan como antecedentes útiles para comprender la invención.

El motor incluye uno o más conjuntos de bobinas separados dispuestos para producir un campo magnético del motor. Cada conjunto de bobinas incluye una pluralidad de subconjuntos de bobinas. Cada subconjunto de bobinas incluye una o más bobinas. El campo magnético producido por las bobinas en cada conjunto de bobinas tiene una fase esencialmente común. El motor también incluye una pluralidad de dispositivos de control, cada uno acoplado a un subconjunto de bobinas respectivo para controlar una corriente en las bobinas de ese subconjunto de bobinas respectivo. Cada dispositivo de control se puede hacer funcionar sin requerir una señal de sincronización de entrada.

Se mejora el control de las corrientes en las bobinas del motor porque la corriente en cada subconjunto de bobinas se puede controlar independientemente de la corriente en otro subconjunto de bobinas. Debido a que todas las bobinas de cada conjunto de bobinas no están conectadas en serie, la bobina o bobinas de cada subconjunto de bobinas pueden tener un mayor número de vueltas. El mayor número de vueltas en cada bobina aumenta la inductancia general del motor. Esto significa que se pueden usar corrientes más bajas en las bobinas de cada subconjunto de bobinas, lo que conduce a menos problemas de disipación de calor y lo que permite usar dispositivos de conmutación más pequeños. A su vez, el uso de dispositivos de conmutación más pequeños permite velocidades de conmutación más rápidas y menores pérdidas de conmutación.

Los dispositivos de control pueden incluir uno o más conmutadores para aplicar una tensión pulsada a la una o más bobinas de un subconjunto de bobinas. El control de PWM de las corrientes en las bobinas del motor se puede mejorar debido al mayor número de vueltas que se pueden incluir en las bobinas. Debido a que se puede usar un dispositivo de conmutación más pequeño, se pueden lograr ahorros significativos en coste, peso y disipación de calor.

Algunos de los dispositivos de control pueden incluir medios para supervisar una EMF inversa dentro de las bobinas de ese subconjunto de bobinas. El dispositivo de control puede ajustar un pulso de la tensión pulsada (por ejemplo, un ancho del pulso) en respuesta a la EMF inversa supervisada para control de potencia de alta velocidad. Los dispositivos de control pueden funcionar independientemente uno de otro porque cada dispositivo de control comprende suficiente lógica para determinar la posición del rotor y así aplicar la tensión apropiada para controlar la corriente en el subconjunto de bobinas respectivo. Los dispositivos de control pueden recibir una señal de demanda de un dispositivo externo, como un sensor de pedal de freno, y aplicar el control de bobina adecuado según las características de la bobina, la posición del rotor y la señal de demanda.

Debido a que se pueden usar componentes más pequeños (por ejemplo, dispositivos de conmutación), se pueden alojar dentro de una cubierta del motor, en contraste con los sistemas conocidos que usan dispositivos de conmutación grandes y voluminosos. Por ejemplo, los dispositivos de control pueden ubicarse adyacentes a sus respectivos subconjuntos de bobinas dentro del motor, lo que simplifica la terminación de los devanados de la bobina. La cubierta del motor puede incluir una o más aberturas dimensionadas de manera que se pueda acceder a los dispositivos de control de uno en uno, dependiendo de la orientación del rotor/cubierta y los dispositivos de control.

Puede proporcionarse un dispositivo de control común que quede fuera del alcance de la invención para coordinar el funcionamiento de la pluralidad de dispositivos de control. Por ejemplo, el dispositivo de control común se puede usar para coordinar los conmutadores dentro de la pluralidad de dispositivos de control para garantizar que la conmutación de las corrientes en cada conjunto de bobinas esté esencialmente en fase. De esta forma, los dispositivos de control pueden funcionar para emular un motor en el que las bobinas de cada conjunto de bobinas están todas conectadas en serie. Como alternativa, cada dispositivo de control puede controlar su relación de fase detectando una posición del rotor del motor y de esta manera proporcionar un funcionamiento en paralelo completo, sin dependencia del controlador central. Esto mejoraría la inmunidad a cualquier fallo individual dentro del motor.

El dispositivo de control común puede funcionar para inhabilitar selectivamente uno o más de los dispositivos de control para permitir el funcionamiento de potencia fraccionada.

De acuerdo con otro aspecto que queda fuera del alcance de la invención, se puede proporcionar un método para hacer funcionar un motor eléctrico del tipo descrito anteriormente. El método incluye el uso de la pluralidad de dispositivos de control para suministrar potencia a las bobinas de los respectivos subconjuntos de bobinas para producir el campo magnético del motor.

Hay que señalar que un generador eléctrico es estructuralmente similar a un motor eléctrico y que algunas de las consideraciones comentadas anteriormente también pueden emplearse en un generador novedoso.

El generador también incluye una pluralidad de salidas de potencia, cada una de las cuales está acoplada a un subconjunto de bobinas respectivo para dar salida a la corriente producida en las bobinas de dicho subconjunto de bobinas respectivo.

Detección de posición

Una característica de apoyo del modo de realización preferido que queda fuera del alcance de la invención es el uso de un anillo de enfoque de hierro para ayudar en la alineación de los campos magnéticos usados para detectar la posición de un rotor con respecto a un estator.

Disposición de frenado

Esta característica y los modos de realización descritos asociados no forman parte del tema reivindicado y se proporcionan como antecedentes útiles para comprender la invención. El motor incluye uno o más conjuntos de bobinas dispuestos para producir un campo magnético. Cada conjunto de bobinas incluye una pluralidad de subconjuntos. Cada subconjunto de bobinas incluye una o más bobinas. El motor también incluye una pluralidad de dispositivos de control, cada uno acoplado a un subconjunto de bobinas respectivo para controlar una corriente en la una o más bobinas del subconjunto de bobinas respectivo. Los dispositivos de control que se pueden hacer funcionar mediante la corriente extraída de las bobinas cuando están en un modo de frenado.

Debido a que los dispositivos de control pueden funcionar a partir de la corriente extraída de las bobinas, se proporciona una disposición de frenado a prueba de fallos ya que los dispositivos de control pueden continuar funcionando (y por lo tanto controlar el frenado) incluso en caso de fallo de la fuente de alimentación. Preferiblemente, cada dispositivo de control está dispuesto de modo que pueda funcionar con la corriente de un subconjunto respectivo de bobinas cuando está en un modo de frenado. Esto asegura que haya redundancia integrada en la disposición de frenado, ya que, en el caso de que falle una bobina, otras bobinas y dispositivos de control aún serían funcionales para proporcionar una fuerza de frenado.

Preferiblemente, el motor también incluye una capacitancia acoplada entre las bobinas y una conexión para una fuente de alimentación. La capacitancia garantiza que se pueda seguir suministrando corriente a los dispositivos de control cuando se produce una transición entre un modo de consumo de potencia y un modo sin consumo de potencia. El motor también incluye una resistencia acoplada selectivamente a los dispositivos de control de manera que en un modo de frenado de emergencia la potencia de las bobinas pueda ser consumida por la resistencia. Un modo de frenado de emergencia es aquel en el que una fuente de alimentación no puede recibir potencia de las bobinas, por ejemplo, porque la fuente de alimentación, como una batería, ha fallado, una batería está llena o una conexión ha fallado. La resistencia se dispone preferiblemente muy cerca de los dispositivos de control y las bobinas, lo que reduce el riesgo de fallos en la conexión.

Conmutación de bobina

La pluralidad de dispositivos de control puede configurarse para proporcionar una conmutación escalonada de las corrientes en las bobinas del motor dentro de un ciclo polifásico del motor. Esto permite mitigar el ruido EMI al distribuir los eventos de conmutación a lo largo de un período de tiempo determinado. Este aspecto funciona haciendo que ocurran eventos de conmutación de PWM en diferentes momentos en diferentes bobinas.

Los modos de realización descritos pueden emplearse para producir, por ejemplo, un motor lineal o giratorio. Por ejemplo, los conjuntos de bobinas pueden disponerse para producir un campo magnético giratorio y el motor puede incluir un imán montado para girar dentro del campo giratorio.

Montaje de bobina

El sistema también incluye una porción trasera para recibir de forma acoplable una pluralidad de los dientes de la bobina.

Los dientes de la bobina proporcionan un medio por el cual se puede preparar un devanado de bobina por separado y lejos del motor y otras bobinas. De esta forma, cada bobina se puede preparar con relativa facilidad, con fácil acceso al diente de la bobina y sin que los otros componentes del motor se interpongan. La porción trasera proporciona un medio por el cual las bobinas del sistema de montaje, una vez enrolladas, pueden unirse en la disposición deseada para producir el campo magnético apropiado.

El diente de la bobina puede incluir un brazo alargado para recibir la bobina de forma enrollable. Nuevamente, esto simplifica la tarea de producir las bobinas.

El diente de la bobina puede incluir una porción de fijación conformada, y la porción trasera puede incluir una porción de recepción con la forma correspondiente. Esto puede proporcionar una unión sencilla y robusta entre los dientes y la porción trasera. La porción de unión del diente de la bobina puede tener dos salientes en una configuración en forma de V. Los salientes pueden inclinarse para discurrir esencialmente a lo largo de las líneas de campo magnético producidas por una bobina enrollada en el diente, para de este modo reducir la interferencia de los salientes con el campo.

Se puede proporcionar una pluralidad de porciones traseras interconectadas. De nuevo, esto proporciona mayor flexibilidad en el diseño y construcción del motor. Por ejemplo, múltiples porciones traseras, cada una con varios dientes, se pueden ensamblar por separado y luego conectar entre sí para formar una porción trasera más grande y una disposición de dientes para el motor. Las porciones traseras se pueden apilar una encima de la otra, y las porciones traseras en cada capa se pueden interconectar de manera que las interconexiones estén escalonadas de modo que no coincidan verticalmente. Esto aumenta la resistencia de la construcción. Las interconexiones entre las porciones traseras se pueden proporcionar a través de los dientes.

La porción trasera se puede moldear y dimensionar para producir una disposición deseada para los dientes de la bobina unidos a la misma. Por ejemplo, la porción trasera puede ser arqueada. Esto permitiría construir un motor circular incorporando el sistema de montaje. La porción trasera y/o el diente de la bobina tienen una construcción laminada.

El método también puede incluir conectar la bobina a un dispositivo de control configurado para proporcionar control de corriente individual para la bobina. Este método se presta a un motor que incluye dispositivos de control de este tipo, ya que no es necesario utilizar un solo conductor para producir los devanados de cada diente. En cambio, la bobina de cada diente puede enrollarse por separado y luego conectarse directamente a un dispositivo de control.

Control de tracción

De acuerdo con otro aspecto del modo de realización preferido, que queda fuera del alcance de la presente invención, se puede proporcionar un sistema de control de tracción para un vehículo que incluye una pluralidad de ruedas, cada rueda que es accionada independientemente por un motor respectivo. El sistema de control incluye sensores para detectar una aceleración en el giro de cada una de las ruedas. El sistema de control también incluye una unidad de control para ajustar un par aplicado a cada rueda por cada motor respectivo en respuesta a la detección de una aceleración predeterminada en el giro de una o más de las ruedas. La aceleración predeterminada es indicativa de un derrape.

Se puede proporcionar una unidad de control respectiva para cada rueda. Cada unidad de control puede funcionar para realizar el control de tracción independientemente de otras unidades de control en el sistema de acuerdo con reglas predeterminadas. Las unidades de control se pueden conectar en red para intercambiar datos de aceleración de las ruedas. Las unidades de control pueden funcionar para proporcionar un ajuste de par continuo para las ruedas.

Control de suspensión

De acuerdo con otro aspecto más del modo de realización preferido, que queda fuera del alcance de la presente invención, puede proporcionarse un sistema de control de suspensión para un vehículo que tenga una pluralidad de ruedas, estando cada rueda montada en un brazo de suspensión del vehículo y que está alimentada independiente por un motor respectivo. El sistema incluye una unidad de control para ajustar selectivamente un par aplicado a cada rueda para aplicar una fuerza a cada brazo de suspensión respectivo.

La unidad de control puede hacerse funcionar para ajustar selectivamente un par aplicado a cada rueda para aplicar una fuerza a cada brazo de suspensión respectivo para alterar la altura del vehículo.

Los motores de los vehículos descritos anteriormente pueden ser motores eléctricos, como los motores eléctricos descritos anteriormente.

De acuerdo con otro aspecto del modo de realización preferido, que queda fuera del alcance de la invención, se puede proporcionar un método de control de tracción para un vehículo que comprende una pluralidad de ruedas, cada rueda que es accionada por un motor independiente. El método incluye detectar una aceleración en el giro de una o más de las ruedas. El método también incluye ajustar un par aplicado a cada rueda por cada motor respectivo en respuesta a la detección de una aceleración predeterminada en el giro de una o más de las ruedas. La aceleración predeterminada es indicativa de un derrape.

La aceleración predeterminada se puede calcular de acuerdo con un límite superior determinado de la aceleración del vehículo.

Se puede utilizar una unidad de control respectiva para ajustar el par aplicado a cada rueda. Cada unidad de control puede realizar el control de tracción independientemente de otras unidades de control en el sistema de acuerdo con reglas predeterminadas. Los datos de aceleración de las ruedas se pueden intercambiar entre las unidades de control. Se puede proporcionar un ajuste de par continuo para las ruedas.

Un programa informático que quede fuera del alcance de la invención puede tener la forma de un programa informático en un medio portador. El medio portador podría ser un medio de almacenamiento, como un medio de almacenamiento de estado sólido, magnético, óptico, magneto-óptico u otro. El medio portador podría ser un medio de transmisión como radiodifusión, teléfono, red informática, por cable, inalámbrico, eléctrico, electromagnético, óptico o, de hecho, cualquier otro medio de transmisión.

Sellado de ajuste

Otro aspecto del modo de realización preferido, que queda fuera del alcance de la invención, es una disposición de motor que comprende un estator y un rotor, el estator que tiene una carcasa de estator y el rotor que tiene una carcasa de rotor, la carcasa de rotor que rodea esencialmente los componentes del estator y el rotor que tiene una disposición de sellado dispuesta entre la carcasa del rotor y la carcasa del estator configurada de manera que un miembro o miembros de la disposición del sellado se pueden mover desde una posición que toca la carcasa del estator a una posición alejada de la carcasa del estator debido a la fuerza centrífuga en el giro de la carcasa del rotor. Esta disposición ofrece la ventaja de que, cuando el rotor está estacionario o gira a bajas velocidades, la disposición del sellado contiene un espacio entre el rotor y el estator, pero cuando gira a velocidades más altas, el sellado no se desgasta por la fricción entre el sellado que se mueve con el rotor y roza contra la carcasa del estator. A altas velocidades, el efecto centrífugo del rotor impide la entrada de material en la carcasa. Este proceso es progresivo por que la presión entre el elemento o elementos móviles del sellado unidos al rotor y la carcasa del estator es máxima cuando está estacionario y se reduce a medida que aumenta la velocidad del rotor hasta un nivel en el que cesa el contacto.

La acción centrífuga del rotor también crea una diferencia de presión internamente dentro del conjunto del estator del rotor. Esta diferencia de presión es radial y tiene una presión baja en el centro y una presión más alta progresivamente radialmente. Mediante la incorporación de un orificio de entrada adecuadamente protegido ubicado cerca del centro del estator, se permite que el aire ingrese y luego salga en la interfaz del sellado con el estator. Este mecanismo proporciona una película de aire que protege aún más el sellado del desgaste excesivo y también proporciona un beneficio de sellado adicional por que el aire que sale impide la entrada de material. Esta característica también proporciona la eliminación de cualquier cantidad de agua que haya entrado en el motor, por ejemplo, como resultado de la condensación.

El orificio de entrada protegido de manera adecuada puede ser, por ejemplo, un orificio con un tubo conectado externamente al estator. El tubo es lo suficientemente largo para tener su otro extremo abierto ubicado en una posición en la que es seguro que nunca se sumergirá en agua. El extremo abierto estaría provisto además de un filtro de partículas para evitar que partículas de materia mayores que un tamaño seguro entren en el motor.

Otro método para proteger el orificio de entrada sería mediante el uso de una membrana semipermeable. Una membrana de este tipo permitiría la penetración del aire sin permitir el paso de agua o partículas ("Goretex", por ejemplo). Este método se puede ubicar en el estator o de forma remota a través de una tubería como se indicó anteriormente.

Disposición de refrigeración

Otro aspecto del modo de realización que queda fuera del alcance de la invención es un motor que comprende una disposición de refrigeración. El motor incluye una pluralidad de bobinas dispuestas alrededor de una circunferencia y un canal de refrigeración dispuesto inmediatamente adyacente a la pluralidad de bobinas a través del cual puede circular un fluido refrigerante al ser bombeado o por flujo convectivo. Este aspecto utiliza una placa de refrigeración multifacética, que contiene los devanados en tres lados y proporciona caras para la unión de dispositivos electrónicos de potencia, un dispositivo de descarga de potencia y una resistencia de descarga. El conjunto del estator que comprende las bobinas, los dientes y el hierro trasero se ensambla directamente sobre la placa de refrigeración. A continuación, el conjunto se encapsula sobre la placa de refrigeración utilizando un material térmicamente conductor, como, por ejemplo, epoxi relleno con óxido de aluminio o nitruro de aluminio o carbono. Este proceso de encapsulado es importante debido a la integridad mecánica impartida a todo el conjunto, todas las piezas son como una y más capaces de soportar vibraciones y golpes. El encapsulado mejora aún más la resistencia eléctrica del sistema de aislamiento por que evita cualquier bolsa de aire dentro del sistema de devanado. Debido a las altas velocidades de conmutación, dv/dt es alto y esto induce estrés eléctrico en el medio de aislamiento de los devanados. Las bolsas de aire correrían el riesgo de ionización y provocarían un fallo prematuro del aislamiento. En los motores o generadores controlados electrónicamente, esta ruptura del aislamiento provocada por el estrés eléctrico repetido inducido a través de los eventos de conmutación es un problema importante de fiabilidad, el encapsulamiento reduce este riesgo en gran medida. El encapsulado se realiza mejor al vacío, pero se puede usar material de encapsulado de baja viscosidad a presión atmosférica. El encapsulado es importante para mejorar la conductividad térmica entre los devanados generadores de calor y las laminaciones del hierro trasero y la placa de refrigeración del disipador de calor con su fluido refrigerante en el interior. El encapsulado es además de gran beneficio ya que permite que el sistema de devanado se sumerja completamente en agua sin riesgo de fallo eléctrico. Esto es importante debido a la necesidad de hacer que el sistema eléctrico sea inmune a la condensación u otra entrada de agua.

Breve descripción de los dibujos

Para una mejor comprensión de la invención y para mostrar cómo se puede llevar a cabo la misma, se hace ahora referencia a modo de ejemplo a los dibujos adjuntos en los que:

la figura 1 muestra esquemáticamente un ejemplo de disposición para un motor trifásico;

la figura 2 muestra esquemáticamente la disposición de las bobinas en uno de los subconjuntos de bobinas que se muestran en la figura 1;

la figura 3 es una vista en despiece ordenado de un motor realizando la invención;

la figura 4 es una vista en despiece ordenado del motor de la figura 3 desde un ángulo alternativo;

la figura 5 muestra esquemáticamente una disposición de bobinas de ejemplo para un motor trifásico;

la figura 6 muestra esquemáticamente un ejemplo de disposición de bobinas en uno de los subconjuntos de bobinas que se muestran en la figura 3;

la figura 7 muestra esquemáticamente un ejemplo de disposición para un motor trifásico;

la figura 8 muestra esquemáticamente un ejemplo de disposición de bobinas en uno de los subconjuntos de bobinas que se muestran en la figura 7;

la figura 9 muestra esquemáticamente las bobinas del modo de realización en relación con los imanes;

la figura 10 muestra esquemáticamente un ejemplo de un dispositivo de control;

la figura 11 es un diagrama de circuito de la disposición de conmutación;

la figura 12 muestra esquemáticamente una disposición en la que se utiliza un dispositivo de control común para coordinar el funcionamiento de una pluralidad de dispositivos de control;

la figura 13 muestra esquemáticamente una vista frontal de un diente de bobina;

la figura 14 muestra esquemáticamente una vista lateral de un diente de bobina;

la figura 15 muestra esquemáticamente una porción trasera con una serie de dientes de bobina unidos de manera receptora a la misma;

la figura 16 muestra esquemáticamente una vista detallada de una porción trasera y un diente de bobina;

la figura 17 muestra esquemáticamente una vista detallada de una porción trasera y una pluralidad de dientes de bobina;

la figura 18 muestra esquemáticamente una vista detallada de una porción trasera y un diente de bobina;

las figuras 19 muestran esquemáticamente ejemplos de una pluralidad de porciones traseras interconectadas apiladas en una formación escalonada para formar una porción trasera mayor;

la figura 20 muestra esquemáticamente ejemplos de una pluralidad de porciones traseras interconectadas apiladas en una formación escalonada para formar una porción trasera mayor;

la figura 21 muestra una disposición de sellado;

la figura 22 muestra esquemáticamente un ejemplo de un vehículo que tiene cuatro ruedas e indica las fuerzas que inciden sobre esas ruedas;

la figura 23 muestra esquemáticamente un ejemplo de una rueda montada en un brazo de suspensión;

la figura 24 muestra esquemáticamente la disposición de montaje del imán y

la figura 25 muestra esquemáticamente una disposición de refrigeración para las bobinas del estator.

Descripción detallada

El modo de realización de la invención descrito es un motor eléctrico para su uso en una rueda de un vehículo. El motor es del tipo que tiene un conjunto de bobinas que forman parte del estator para acoplarse a un vehículo, rodeado radialmente por un rotor que lleva un conjunto de imanes para acoplarse a una rueda. Para evitar dudas, los diversos aspectos de la invención son igualmente aplicables a un generador eléctrico que tenga la misma disposición. Además, algunos de los aspectos de la invención son aplicables a una disposición que tenga el rotor montado centralmente dentro de bobinas que lo rodean radialmente.

Disposición física

La disposición física del conjunto realizado se comprende mejor con respecto a las figuras 3 y 4. El conjunto se puede describir como un motor con componentes electrónicos y cojinetes integrados o también se puede describir como un motor de buje o accionamiento de buje, ya que está construido para alojar una rueda separada.

Con referencia primero a la figura 3, el conjunto comprende un estator 252 que comprende una porción 230 trasera que forma una primera parte de la carcasa del conjunto, y un disipador de calor y un dispositivo 231 de accionamiento que comprende múltiples bobinas y componentes electrónicos para accionar las bobinas, así como un disipador de calor. La disposición 231 de accionamiento de bobina está fijada a la porción 230 trasera para formar el estator 252 que luego puede fijarse a un vehículo y no gira durante el uso. Las propias bobinas están formadas sobre láminas 235 dentadas que, junto con la disposición 231 de accionamiento y la porción 230 trasera, forman el estator 252.

Un rotor 240 comprende una porción 220 frontal y una porción 221 cilíndrica que forman un recubrimiento, que rodea esencialmente el estator 252. El rotor incluye una pluralidad de imanes 242 dispuesta alrededor del interior de la porción 221 cilíndrica. Por lo tanto, los imanes están muy cerca de las bobinas en el conjunto 231 de modo que los campos magnéticos generados por las bobinas en el conjunto 231 generan una fuerza en los imanes 242 dispuestos alrededor del interior de la porción 221 cilíndrica del rotor 240, haciendo por lo tanto que el rotor 240 gire.

De acuerdo con la invención, el rotor 240 está unido al estator 252 por un bloque 223 de cojinetes. El bloque 223 de cojinetes puede ser un bloque de cojinetes estándar como el que se usaría en un vehículo en el que se va a instalar este conjunto de motor. El bloque de cojinetes consta de dos partes, una primera parte fijada al estator y una segunda parte fijada al rotor. El bloque de cojinetes está fijado a una porción 233 central de la pared 230 del estator 252 y también a una porción 225 central de la pared 220 de la carcasa del rotor 240. El rotor 240 se fija así giratoriamente al vehículo con el que se utilizará a través del bloque 223 de cojinetes en la porción 225 central del rotor 240. Esto tiene la ventaja significativa porque una llanta y un neumático se pueden fijar al rotor 240 en la porción 225 central utilizando los pernos de rueda normales para fijar la llanta a la porción central del rotor y, por consiguiente, firmemente en el lado giratorio del bloque 223 de cojinetes. Los pernos de rueda pueden instalarse a través de la porción 225 central del rotor hasta el propio bloque de cojinetes. Una primera ventaja de esta disposición es que todo el conjunto se puede adaptar fácilmente a un vehículo existente quitando la rueda, el bloque de cojinetes y cualquier otro componente, como la disposición de frenado. El bloque de cojinetes existente se puede instalar entonces dentro del conjunto y toda la disposición se puede instalar en el vehículo en el lado del estator y la llanta y la rueda normales instalar en el rotor de modo que la llanta y la rueda rodeen todo el conjunto del motor. Por consiguiente, la adaptación a lo existente se vuelve muy sencilla.

Una segunda ventaja es que no hay fuerzas para soportar el vehículo en el exterior del rotor 240, especialmente en la pared 221 circunferencial que lleva los imanes en la circunferencia interior. Esto se debe a que las fuerzas para transportar el vehículo se transmiten directamente desde la suspensión fijada a un lado del bloque de cojinetes (a través de la porción central de la pared del estator) a la porción central de la rueda que rodea el rotor fijado al otro lado del bloque de cojinetes (a través de la porción central de la pared del rotor). Esto significa que la pared 221 circunferencial del rotor no está sujeta a ninguna fuerza que pueda deformar la pared provocando así la desalineación de los imanes. No se necesita una disposición de cojinetes complicada para mantener la alineación de la pared circunferencial del rotor.

El rotor también incluye un anillo de enfoque e imanes 227 para la detección de posición que se comenta más adelante.

La figura 4 muestra una vista despiezada del mismo conjunto que la figura 3 desde el lado opuesto que muestra el estator 252 que comprende la pared 230 trasera del estator y el conjunto 231 de bobinas y componentes electrónicos. El rotor 240 comprende la pared 220 exterior del rotor y la pared 221 circunferencial dentro de las cuales se disponen circunferencialmente los imanes 242. Como se describió anteriormente, el estator 252 está conectado al rotor 240 a través del bloque de cojinetes en las porciones centrales de las paredes del rotor y del estator.

Además, en la figura 3 se muestran placas 80 de circuito que llevan los componentes electrónicos de control descritos más adelante. Debido a su forma de cometa, estas placas de circuito pueden denominarse placas de cometa. Además, en las figuras 3 y 4 se proporciona un sellado 350 en forma de V entre la pared 221 circunferencial del rotor y el borde exterior de la carcasa 230 del estator, nuevamente descrito en detalle más adelante. Además, en la figura 4, se proporciona un anillo 227 magnético que comprende un anillo de enfoque de conmutación y una pluralidad de imanes con el fin de indicar la posición del rotor con respecto al estator a una serie de sensores dispuestos en las placas 80 de circuito del estator 252. Esto también se describe con mayor detalle más adelante.

Control de bobina

La figura 5 muestra esquemáticamente un ejemplo de un motor eléctrico de acuerdo con un modo de realización. En este ejemplo, el motor es generalmente circular. Sin embargo, hay que señalar que los modos de realización pueden emplear otras topologías. Por ejemplo, se prevé una disposición lineal de bobinas para producir un movimiento lineal.

El motor 40 en este ejemplo es un motor trifásico. De nuevo, hay que señalar que los motores de acuerdo con esta invención pueden incluir un número arbitrario de fases (N=1,2, 3...). Al ser un motor trifásico, el motor 40 incluye tres conjuntos de bobinas. En este ejemplo, cada conjunto de bobinas incluye dos subconjuntos de bobinas. Los subconjuntos de bobinas de cada conjunto de bobinas están etiquetados como 44, 46 y 48, respectivamente. Los subconjuntos de bobinas 44, 46 y 48 están dispuestos alrededor de la periferia del motor 40. En este ejemplo, cada subconjunto de bobinas se coloca frente al otro subconjunto de bobinas en ese conjunto de bobinas, aunque dicha disposición no es estrictamente esencial para el funcionamiento de la invención. Cada subconjunto de bobinas incluye una o más bobinas, como se describe a continuación en relación con la figura 6.

El motor 40 puede incluir un rotor (no mostrado en la figura 5) colocado en el centro del círculo definido por el posicionamiento de las diversas bobinas del motor, para permitir de este modo el giro del rotor dentro del campo magnético giratorio producido por las bobinas. Preferiblemente, sin embargo, el rotor está dispuesto alrededor de las bobinas como se divulgó anteriormente en las figuras 3 y 4. El rotor normalmente puede comprender uno o más imanes permanentes dispuestos para girar de manera que sus polos recorran los extremos de las bobinas del motor 40. La conmutación apropiada de corrientes en las bobinas de los subconjuntos de bobinas permite la atracción y repulsión sincronizadas de los polos del imán permanente del rotor para producir la acción giratoria del motor 40. Hay que señalar que la figura 5 es muy esquemática y, en la práctica, los subconjuntos de bobinas estarán dispuestos en la periferia exterior del estator con los imanes del rotor rodeando las bobinas.

Cada conjunto de bobinas 44, 46, 48 incluye una o más bobinas. Como se muestra en la figura 6, en el presente ejemplo, hay una sola bobina por subconjunto de bobinas. A continuación se describe un ejemplo con más de una bobina por subconjunto de bobinas en relación con las figuras 7 y 8. Cuando se proporciona más de una bobina en un subconjunto de bobinas determinado, estas bobinas generalmente se pueden enrollar en direcciones opuestas de modo que el campo magnético producido por cada bobina esté en una configuración antiparalela con respecto al campo magnético en una bobina adyacente. Como se describió anteriormente, la conmutación adecuada de la corriente en las bobinas hace que los imanes permanentes del rotor giren.

Como se muestra en la figura 5, la bobina o bobinas de cada subconjunto de bobinas se pueden conectar a un dispositivo 80 de control separado. En la figura 5, se muestra esquemáticamente que cada subconjunto de bobinas está conectado a los terminales 54, 56, 58 de los respectivos dispositivos 80 de control. Por consiguiente, las bobinas de los subconjuntos de bobinas correspondientes dentro de un conjunto de bobinas determinado no están conectadas en serie. En cambio, cada subconjunto de bobinas se controla y alimenta individualmente. Las conexiones al dispositivo de control y las bobinas de cada subconjunto de bobinas se pueden formar usando, por ejemplo, una sola pieza de alambre (por ejemplo, alambre de cobre) como se muestra esquemáticamente en la figura 6. Existen numerosas ventajas al proporcionar un control de potencia individual para las bobinas de cada subconjunto de bobinas.

Debido a que no hay necesidad de tender alambres de conexión alrededor de la periferia del motor proporcionando interconexiones en serie para las bobinas de cada subconjunto de bobinas, se utiliza menos alambre en la fabricación del motor. Esto reduce los costes de fabricación así como la complejidad de la construcción del motor. La reducción del alambre también reduce las pérdidas por conducción.

Al proporcionar un control de potencia individual para las bobinas de cada subconjunto de bobinas, y al usar un mayor número de vueltas por bobina de lo que se lograría usando un motor en el que las bobinas de cada subconjunto de bobinas están conectadas en serie, la inductancia total del motor se puede aumentar considerablemente. A su vez, esto permite que pase una corriente mucho más baja a través de cada subconjunto de bobinas, por lo que se pueden usar dispositivos de conmutación que tienen una potencia nominal más baja para el control de corriente. Por consiguiente, se pueden usar dispositivos de conmutación que son más baratos, más ligeros y menos voluminosos para hacer funcionar el motor.

El uso de corrientes más bajas también reduce los problemas de disipación de calor y disminuye las pérdidas de conmutación debido a la mayor velocidad de los dispositivos de conmutación más pequeños que pueden emplearse.

El hecho de que los dispositivos de conmutación más pequeños puedan funcionar a frecuencias más altas permite un control del motor más preciso y sensible. De hecho, el ajuste del par puede tener lugar sobre la base de una manera altamente receptiva, y los ajustes pueden realizarse dentro de un solo período de PWM. Un período de PWM normal es de aproximadamente 50|js.

Otra ventaja del uso de dispositivos de conmutación más pequeños es que pueden ubicarse cerca de las bobinas que controlan. En motores eléctricos previos, en los que se han empleado dispositivos de conmutación relativamente grandes para controlar el funcionamiento de subconjuntos de bobinas conectados en serie, el dispositivo de control es lo suficientemente grande como para que no pueda incluirse con los otros componentes del motor (por ejemplo, estator, rotor, etc.), sino que se ha proporcionado por separado. Por el contrario, debido a que se pueden usar pequeños dispositivos de conmutación, los dispositivos de conmutación y los dispositivos de control en los que se incorporan dichos dispositivos de conmutación pueden ubicarse, por ejemplo, en la misma carcasa/cubierta que los otros componentes del motor. A continuación se proporcionan más detalles sobre un ejemplo de un dispositivo de control que incorpora dispositivos de conmutación en relación con las figuras 10 y 11.

Las figuras 7 y 8 muestran otra disposición de ejemplo para un motor 40. El motor 40 que se muestra en la figura 5 es un motor trifásico. Por lo tanto, el motor tiene tres conjuntos de bobinas. En este ejemplo, cada conjunto de bobinas incluye ocho subconjuntos de bobinas. Los subconjuntos de bobinas de cada conjunto de bobinas están etiquetados como 44, 46 y 48, respectivamente, en la figura 7. En común con el ejemplo descrito anteriormente en relación con la figura 5, cada conjunto de bobinas incluye pares de subconjuntos de bobinas que están dispuestos uno frente al otro alrededor de la periferia del motor 40. De nuevo, sin embargo, ha de tenerse en cuenta que no existe una necesidad expresa de que cada subconjunto de bobinas tenga un subconjunto de bobinas correspondiente ubicado frente al mismo en el lado opuesto de la periferia del motor 40.

Como se describió anteriormente en relación con la figura 7, cada subconjunto de bobinas se puede conectar a un dispositivo 80 de control respectivo. Los terminales para cada subconjunto de bobinas de cada conjunto de bobinas están etiquetados como 54, 56 y 58, respectivamente, en la figura 7. Si bien la disposición que se muestra en la figura 7 incluye un mayor número de subconjuntos de bobinas que, por ejemplo, la disposición que se muestra en la figura 3, esto no aumenta significativamente el tamaño ni el volumen de los medios de conmutación que se utilizan para hacer funcionar el motor como sería el caso si el mayor número de subconjuntos de bobinas estuvieran conectados en serie. En cambio, es simplemente necesario proporcionar un dispositivo 80 de control adicional que incorpore dispositivos de conmutación relativamente pequeños como se describió anteriormente para cada subconjunto de bobinas adicional. Como se describió anteriormente, estos dispositivos 80 de control son lo suficientemente pequeños como para que puedan ubicarse junto a sus correspondientes subconjuntos de bobinas dentro, por ejemplo, de la misma cubierta que el motor 40.

Como se describió anteriormente, cada subconjunto de bobinas puede incluir una o más bobinas. En este ejemplo, cada subconjunto de bobinas incluye tres bobinas, como se muestra esquemáticamente en la figura 8. En la figura 8, estas tres bobinas están etiquetadas como 74A, 74B y 74C. Las tres bobinas 74A, 74B y 74C están enrolladas alternativamente de manera que cada bobina produce un campo magnético que es antiparalelo con su bobina o bobinas adyacentes para una dirección determinada del flujo de corriente. Como se describió anteriormente, a medida que los imanes permanentes del rotor del motor 40 recorren los extremos de las bobinas 74A, 74B y 74C, se puede usar la conmutación apropiada de las corrientes en las bobinas para crear las fuerzas deseadas para proporcionar un impulso al rotor. Como se muestra esquemáticamente en la figura 6, cada bobina en un subconjunto de bobinas se puede enrollar en serie.

La razón por la que las bobinas 74A, 74B y 74C dentro de cada subconjunto están enrolladas en direcciones opuestas para generar campos magnéticos antiparalelos puede entenderse con respecto a la figura 9 que muestra la disposición de los imanes 242 en el rotor que rodea las bobinas 44, 46 y 48 del estator. Para simplificar, la disposición se muestra como una disposición lineal de imanes y bobinas, pero ha de entenderse que en el modo de realización de la invención descrito, las bobinas estarán dispuestas alrededor de la periferia del estator con los imanes dispuestos alrededor del interior de la circunferencia del rotor, como ya se ha descrito.

Los imanes 242 están dispuestos con polaridad magnética alterna hacia los subconjuntos de bobinas 44, 46 y 48. Cada subconjunto de tres bobinas 74A, 74B y 74C presenta por tanto campos magnéticos alternos a las caras polares alternas de los imanes. Por tanto, cuando la bobina de la izquierda de un subconjunto tiene una fuerza de repulsión contra un Polo Norte de uno de los imanes, la bobina central adyacente tendrá una fuerza de repulsión contra un Polo Sur de los imanes y así sucesivamente.

Como se muestra esquemáticamente en la figura 9, la proporción de imanes a bobinas es de ocho imanes a nueve bobinas. La ventaja de esta disposición es que los imanes y las bobinas nunca se alinearán perfectamente. Si se produjera una alineación tan perfecta, el motor podría reposar en una posición en la que no se podrían aplicar fuerzas entre las bobinas y los imanes para dar una dirección clara de en qué sentido debería girar el motor. Al disponer un número diferente de bobinas e imanes alrededor del motor, siempre habría una fuerza resultante en una dirección concreta, independientemente de la posición en que se detengan el rotor y el motor.

Un beneficio concreto del control independiente de los subconjuntos de bobinas por los dispositivos de control separados es que se puede disponer un número de fases mayor que el normal. Por ejemplo, en lugar de un motor trifásico, como se describe en la figura 7, es posible un mayor número de fases, como veinticuatro fases o treinta y seis fases, con diferentes números de imanes y bobinas. Las proporciones de bobinas a imanes, como dieciocho bobinas a dieciséis imanes, treinta y seis bobinas a treinta y dos imanes y así sucesivamente, son perfectamente posibles. De hecho, la disposición preferida, como se muestra en las figuras 3 y 4, es proporcionar 24 placas 80 de "cometa" de control separadas, cada una de las cuales controla tres bobinas en un subconjunto. Proporcionando de este modo un motor de veinticuatro fases. El uso de una disposición multifásica, como veinticuatro fases, proporciona una serie de ventajas. Las bobinas individuales dentro de cada subconjunto pueden tener una inductancia mayor que las disposiciones con un número menor de fases porque cada circuito de control no tiene que controlar un gran número de bobinas (lo que requeriría controlar una gran inductancia añadida). Un alto número de fases también proporciona niveles más bajos de corriente ondulatoria. Por esto se entiende que el perfil de la corriente requerida para hacer funcionar el motor ondula considerablemente menos que el perfil de, digamos, un motor trifásico. Por consiguiente, también se necesitan niveles más bajos de capacitancia dentro del motor. El alto número de fases también minimiza el potencial de transitorios de alta tensión que resultan de la necesidad de transferir grandes corrientes rápidamente a través de la línea de alimentación. A medida que la ondulación es menor, el impacto de la inductancia del cableado de alimentación es menor y, por lo tanto, hay una reducción en los niveles de transitorios de tensión. Cuando se utiliza en una disposición de frenado (descrita más adelante), esta es una gran ventaja, ya que en condiciones de frenado intensas, se deben transferir varios cientos de kilovatios durante varios segundos y la disposición multifásica reduce el riesgo de transitorios de alta tensión en esta situación.

La disposición relativa de imanes y bobinas, que se muestra en la figura 9, puede repetirse dos, tres, cuatro o tantas veces como sea apropiado alrededor de 360 grados mecánicos de la disposición del rotor y el estator. Cuanto mayor sea el número de subconjuntos separados de bobinas con fases independientes, menor será la probabilidad de transitorios de alta tensión u ondulación de tensión considerable.

De acuerdo con un modo de realización, una pluralidad de subconjuntos de bobinas con control de potencia individual pueden colocarse uno al lado del otro en el motor. En uno de esos ejemplos, tres bobinas como las que se muestran en la figura 8 podrían proporcionarse adyacentes entre sí en un motor pero no estarían conectadas en serie al mismo dispositivo 80 de control. En cambio, cada bobina tendría su propio dispositivo 80 de control.

Cuando se proporciona control de potencia individual para cada subconjunto de bobinas, los dispositivos de control asociados se pueden hacer funcionar para que funcione el motor a una potencia nominal reducida. Esto se puede hacer, por ejemplo, apagando las bobinas de una selección de subconjuntos de bobinas.

A modo de ejemplo, en la figura 7, algunos de los subconjuntos de bobinas están resaltados con un '*'. Si estos subconjuntos de bobinas se apagaran, el motor aún podría funcionar, aunque con un rendimiento reducido. De esta forma, la potencia de salida del motor se puede ajustar de acuerdo con los requisitos de una aplicación determinada. En un ejemplo, cuando el motor se usa en un vehículo como un automóvil, se puede usar el apagado de algunos de los subconjuntos de bobinas para ajustar el rendimiento del automóvil. En el ejemplo que se muestra en la figura 7, si cada uno de los subconjuntos de bobinas indicados con un '*' se apagaran, los subconjuntos de bobinas restantes darían como resultado una configuración similar a la que se muestra en la figura 5, aunque, evidentemente, hay tres bobinas por subconjunto de bobinas a diferencia del subconjunto de una sola bobina por bobina que se muestra en la figura 5.

El apagado de uno o más de los subconjuntos de bobinas tiene la ventaja adicional de que, en caso de fallo de uno de los subconjuntos de bobinas, se pueden apagar otros subconjuntos de bobinas del motor 40, lo que da como resultado un funcionamiento continuo del motor 40 de una manera que retiene un perfil de campo magnético equilibrado alrededor de la periferia del motor para un funcionamiento multifásico apropiado. Por el contrario, en los sistemas previos que involucran la interconexión en serie de las bobinas de los subconjuntos de bobinas, es probable que un fallo en las bobinas o interconexiones asociadas con cualquier conjunto de bobinas determinado sea catastrófico y altamente peligroso, debido a las grandes corrientes involucradas. Además, un fallo en cualquier lugar dentro de las bobinas o las interconexiones entre las bobinas de un conjunto de bobinas determinado daría como resultado que el motor no pudiera continuar funcionando de ninguna manera.

En resumen, el control de potencia individual para los subconjuntos de bobinas permite el encendido o apagado independiente de subconjuntos de bobinas seleccionados para reaccionar ante diferentes requisitos de alimentación y/o mal funcionamiento o fallos dentro de los subconjuntos de bobinas.

Circuitos de control

La figura 10 muestra un ejemplo de un dispositivo 80 de control. Como se describió anteriormente, el dispositivo 80 de control incluye una serie de conmutadores que normalmente pueden comprender uno o más dispositivos semiconductores. El dispositivo 80 de control que se muestra en la figura 10 incluye una placa 82 de circuito impreso sobre la que se montan varios componentes. La placa 82 de circuito incluye medios para fijar el dispositivo 80 de control dentro del motor, por ejemplo, adyacente al subconjunto de bobinas que controla directamente a la placa de refrigeración. En el ejemplo ilustrado, estos medios incluyen aberturas 84 a través de las cuales pueden pasar tornillos o similares. En este ejemplo, la placa de circuito impreso tiene esencialmente forma de cuña. Esta forma permite ubicar múltiples dispositivos 80 de control uno al lado del otro dentro del motor, formando una disposición similar a un ventilador.

Montados en la placa 82 de circuito impreso del dispositivo 80 de control se pueden proporcionar terminales 86 para recibir alambres para enviar y recibir señales desde un dispositivo 92 de control como se describe a continuación.

En el ejemplo que se muestra en la figura 10, el dispositivo 80 de control incluye varios conmutadores 88. Los conmutadores pueden incluir dispositivos semiconductores como MOSFETs o IGBTs. En el presente ejemplo, los conmutadores comprenden IGBTs. Se puede emplear cualquier circuito de conmutación conocido adecuado para controlar la corriente dentro de las bobinas del subconjunto de bobinas asociado con el dispositivo 80 de control. Un ejemplo bien conocido de un circuito de conmutación de este tipo es el circuito de puente H. Dicho circuito requiere cuatro dispositivos de conmutación como los que se muestran en la figura 10. Los alambres (por ejemplo, alambres de cobre) de los subconjuntos de bobinas se pueden conectar directamente a los dispositivos 88 de conmutación según corresponda, y las interconexiones entre los dispositivos 88 de conmutación se pueden formar en la placa 82 de circuito impreso. Debido a que los dispositivos 88 de conmutación pueden ubicarse junto a los subconjuntos de bobinas como se describió anteriormente, se facilita la terminación de los alambres de los subconjuntos de bobinas en los dispositivos 88 de conmutación.

Como se muestra en la figura 11, el dispositivo de control incluye conmutadores semiconductores dispuestos en una disposición de puente H. El puente H es, evidentemente, conocido por los expertos en la técnica y comprende cuatro conmutadores 88 semiconductores separados conectados a un suministro de tensión (aquí 300 voltios) y a tierra. Las bobinas de cada bobina secundaria están conectadas a través de los terminales 81 y 83. Aquí se muestra una bobina 44 secundaria conectada entre los terminales. De manera simplificada, para hacer funcionar el motor y suministrar una tensión en una dirección, los conmutadores 88A y 88D se cierran y el otro conmutador se deja abierto, de modo que se hace un circuito con corriente en una dirección. Para hacer funcionar el motor, esta dirección de corriente se cambia en armonía con la polaridad magnética alterna que pasa por la bobina. Para cambiar la dirección de giro del motor, se cambia la sincronización y la polaridad del flujo de corriente en la bobina para provocar las fuerzas resultantes en la dirección opuesta. La dirección del flujo de corriente en la bobina se invierte cuando se cierran los conmutadores 88B y 88C y se dejan abiertos los otros dos conmutadores. En la práctica, la técnica de modulación de ancho de pulso se usa para modular el ancho de pulso de la señal aplicada a la puerta de los conmutadores semiconductores para controlar la tensión aplicada a las bobinas. La disposición de frenado funciona de una manera no conocida en el estado de la técnica y se describirá después de describir la disposición de control general.

Como se muestra en la figura 12, se puede usar un dispositivo 92 de control común para coordinar los funcionamientos de los múltiples dispositivos 80 de control provistos en el motor. En motores previos, en los que la sincronización de los campos magnéticos producidos por las bobinas de cada subconjunto de bobinas se consigue automáticamente gracias a que están conectadas en serie. Sin embargo, cuando se proporciona un control de potencia separado para cada subconjunto de bobinas, no se produce una sincronización automática de este tipo. Por consiguiente, se puede proporcionar un dispositivo 92 de control común como el que se muestra en la figura 12 para garantizar la emulación correcta de un sistema polifásico que incorpora bobinas conectadas en serie. Como se describió anteriormente en relación con la figura 11, los terminales 86 se pueden proporcionar en los múltiples dispositivos 80 de control para permitir que se formen interconexiones 90 entre los múltiples dispositivos 80 de control y el dispositivo 92 de control común.

Las interconexiones 90 pueden pasar señales entre el dispositivo 92 de control común y los dispositivos 80 de control como señales de temporización/sincronización para la emulación apropiada de un sistema polifásico conectado en serie.

En un modo de realización alternativo, cada unidad de control puede funcionar de forma independiente, sin necesidad de un dispositivo de control central. Por ejemplo, cada unidad de control puede tener sensores independientes para detectar una posición de un rotor del motor, lo que prescindiría de la necesidad de proporcionar señales de sincronización del tipo descrito anteriormente. En cambio, cada unidad de control recibiría una señal de demanda que le permitiría controlar la tensión aplicada a sus bobinas asociadas de forma aislada.

Se destaca que el modo de realización preferido no requiere ninguna forma de dispositivo de control central para el funcionamiento de cada rueda que incorpore un motor. Preferiblemente, cada motor es autónomo y, dentro de cada motor, los circuitos 80 de control son autónomos y no dependen más que de una señal de demanda de par para funcionar. Esto significa que los elementos son capaces de continuar funcionando y entregar los niveles de par demandados, independientemente de cualquier otro fallo dentro del sistema de transmisión total. En un sistema que incorpora una pluralidad de ruedas cada una de las cuales tiene un motor, cada motor incorpora toda la inteligencia necesaria para gestionar sus acciones. Cada motor entiende su posición en el vehículo y controla por consiguiente sus acciones. Preferiblemente, a cada motor se le proporciona además información sobre los otros motores, como la velocidad, el par y la situación, y basándose en el conocimiento de cada motor de su posición en el vehículo y el estado y situación de los otros motores, puede determinar el nivel óptimo de par que debe aplicar para un determinado par demandado. Sin embargo, incluso sin esta otra información, el motor puede continuar respondiendo a un par demandado.

Otras señales de control, como las señales de control de encendido/apagado, también se pueden enviar/recibir a través de las interconexiones. Estas señales también pueden incluir señales para ajustar/definir los pulsos de tensión aplicados por el dispositivo 80 de control a las bobinas de su subconjunto de bobinas asociado para alimentar el motor.

Por ejemplo, se pueden proporcionar medios para supervisar una EMF inversa dentro de la bobina o bobinas de un subconjunto de bobinas. La tarea de emular un motor con subconjuntos de bobinas conectadas en serie, como se describió anteriormente, se complica debido a la EMF inversa asociada con el motor. En un sistema conectado en serie, las EMFs inversas también están en serie, y esto da lugar a un perfil de EMF inversa de onda sinusoidal suave. Por consiguiente, en una configuración en serie, la EMF inversa sinusoidal minimiza el ancho de banda requerido de los componentes electrónicos de accionamiento cuando se controla la corriente en las bobinas.

Por el contrario, el número reducido de subconjuntos de bobinas conectados en serie puede dar como resultado una EMF inversa no sinusoidal. Por consiguiente, es deseable un sistema de control más ágil para asegurar que las corrientes en las bobinas permanezcan sinusoidales.

De acuerdo con un modo de realización, se puede proporcionar una compensación casi instantánea para la EMF inversa y un ajuste adicional para cualquier variación en la tensión de alimentación de CC del sistema. Los medios para medir la EMF inversa pueden incluir un dispositivo de detección de corriente instalado para proporcionar información sobre la corriente real que fluye en la bobina o bobinas de cada subconjunto de bobinas. En un ejemplo, se puede emplear una resistencia en serie simple de valor adecuadamente bajo en serie con los dispositivos de conmutación. Por ejemplo, en un modo de realización se pueden proporcionar dos resistencias en el emisor inferior de una etapa de potencia de puente "H".

A medida que la EMF inversa cambia con el ángulo del rotor y la velocidad del rotor, esto da como resultado un cambio en la velocidad de cambio de la corriente en la bobina. Esta velocidad de cambio de corriente se puede detectar a través de una resistencia u otro dispositivo de detección de corriente como un cambio de tensión. Este cambio se puede entonces diferenciar para producir una tensión que sea proporcional a la EMF inversa.

De manera similar, la tensión de alimentación se puede aplicar a un capacitor al comienzo de cada período de PWM. La rampa de tensión resultante se puede agregar a la señal de EMF inversa y combinarse como un término de alimentación anticipada para modificar el período de PWM actual hacia arriba o hacia abajo. Por lo tanto, tanto la variación de alimentación como los cambios de EMF inversa ajustan esencialmente al instante el período de PWM y, por lo tanto, la tensión aplicada a la bobina, lo que da como resultado un ajuste rápido de la corriente de la bobina para seguir el valor demandado.

En otro ejemplo, se puede proporcionar una bobina de detección. Las bobinas de detección se pueden proporcionar alrededor, por ejemplo, de un subconjunto de dientes de bobina del tipo que se describe a continuación. Entonces, la bobina de detección se puede supervisar en los momentos apropiados para la tensión EMF inversa. Esto, a su vez, se puede usar de manera similar a la descrita anteriormente para alimentar anticipadamente un término para ajustar el período de PWM en la mitad del ciclo, en respuesta a la magnitud de la EMF inversa.

En modos de realización en los que cada módulo de accionamiento genera su propia señal de PWM, la corrección de EMF inversa puede tener lugar de una manera que no está sincronizada con los otros módulos, lo que da como resultado un espectro amplio aleatorio distribuido. Como alternativa, los dispositivos de control pueden tener sus generadores de PWM sincronizados por un dispositivo externo como el dispositivo 92 de control común.

El dispositivo de control también puede incluir opcionalmente medios para supervisar una temperatura dentro del motor, por ejemplo, dentro del subconjunto de bobinas asociado con ese dispositivo 80 de control. El dispositivo de control se puede configurar automáticamente para responder a la medición de la temperatura para, por ejemplo, reducir la potencia al subconjunto de bobinas para evitar el sobrecalentamiento. Como alternativa, la medición de temperatura se puede pasar al dispositivo 92 de control común desde cada dispositivo 80 de control, por lo que el dispositivo 92 de control común puede supervisar la temperatura general dentro del motor y ajustar por consiguiente el funcionamiento de los dispositivos 80 de control.

Reducción de ruido

De acuerdo con un modo de realización que queda fuera del alcance de la invención, el ruido EMI se puede reducir proporcionando una conmutación escalonada de los conmutadores dentro de cada dispositivo 80 de control. Al incluir un ligero retraso entre la conmutación de los diversos dispositivos de conmutación en el motor, se puede evitar una situación en la que se produzca una gran cantidad de eventos de conmutación en un período de tiempo corto, lo que lleva a un pico en el ruido EMI. Por tanto, el escalonamiento de la conmutación dentro de los conmutadores 88 de los dispositivos 80 de control puede difundir el ruido EMI asociado con los eventos de conmutación durante el funcionamiento del motor a lo largo de un período de tiempo más amplio evitando de este modo un pico de ruido EMI. Este tipo de difusión de los eventos de conmutación puede coordinarse localmente en los dispositivos 80 de control individuales o, como alternativa, podría coordinarse mediante el dispositivo 92 de control común utilizando señales de temporización ajustadas enviadas a través de las interconexiones 90.

Fuente de alimentación

Aunque los dispositivos 80 de control descritos en esta solicitud pueden proporcionar control de potencia individual para las bobinas de cada subconjunto de bobinas en un motor, y aunque esto se puede lograr usando varios tipos de dispositivos y disposiciones de conmutación, las celdas del sistema de dispositivos de control se pueden acoplar a una fuente de energía común, como una fuente de alimentación de CC. Una disposición especialmente útil para la fuente de alimentación de CC es proporcionar una barra colectora circular. Debido a que el circuito 80 de control está dispuesto en un anillo, la alimentación de potencia de CC también puede estar dispuesta en un anillo. Esto proporciona una mayor seguridad porque hay una ruta de corriente alrededor de cada lado del anillo (de la misma manera que un conductor en anillo doméstico) y, por lo tanto, la interrupción del suministro de CC en un punto no evitará que la potencia llegue a los circuitos de control. Además, debido a que la corriente puede fluir desde el suministro de la fuente de energía a cada circuito de control por dos rutas a través de la barra colectora circular, la demanda de corriente en la barra colectora se reduce a la mitad.

Disposición de frenado

Varias de las características ya descritas proporcionan una ventaja significativa cuando se implementan en un motor dentro de una rueda de vehículo al proporcionar un mecanismo seguro para aplicar una fuerza de frenado y evitar de este modo la necesidad de una disposición de frenado mecánico separada. El propio motor puede proporcionar la fuerza de frenado y, por lo tanto, devolver energía a la fuente de alimentación, de modo que esta disposición puede denominarse frenado "regenerativo". Cuando funciona en este modo, el motor está actuando como un generador.

La disposición de frenado hace uso de la considerable redundancia integrada en el conjunto del motor en su totalidad. El hecho de que cada subconjunto 44 de bobinas separado, mostrado en las figuras 7 y 8, esté controlado independientemente por un circuito 80 de conmutación significa que uno o más de los circuitos de conmutación pueden fallar sin que se produzca una pérdida total de la fuerza de frenado. De la misma manera que el motor puede funcionar con potencia reducida cuando proporciona una fuerza motriz al conmutar intencionalmente algunos de los circuitos de conmutación para que no funcionen, el motor puede funcionar con una ligera reducción en la fuerza de frenado si uno o más de los circuitos de conmutación falla. Esta redundancia es inherente al diseño ya descrito pero hace que el motor sea una disposición muy eficaz para su uso en un vehículo, ya que puede sustituir tanto la disposición de accionamiento como la de frenado.

Otra razón por la que el conjunto de motor puede proporcionar una disposición de frenado eficaz está relacionada con el manejo de la potencia. Como ya se mencionó, el uso de múltiples bobinas controladas independientemente significa que la corriente a través de cada bobina cuando funciona en un modo de generación no necesita ser tan alta como la corriente a través de una disposición equivalente con menos fases. Por lo tanto, es más sencillo devolver la potencia generada por las bobinas a la fuente de energía.

Para garantizar un funcionamiento seguro de la disposición de frenado, incluso en caso de fallo de la fuente de energía, los circuitos 80 para cada subconjunto de bobinas individuales están alimentados por un suministro de electricidad derivado de la propia rueda. A medida que la rueda gira, genera una corriente cuando los imanes pasan por las bobinas. Si falla la fuente de alimentación, esta corriente se utiliza para suministrar potencia a los conmutadores 80.

Otra medida de redundancia consiste en proporcionar sensores físicos separados conectados al pedal de freno (u otra disposición de freno mecánico) del vehículo, un sensor para cada rueda. Por ejemplo, en un automóvil normal de cuatro ruedas, cuatro disposiciones separadas de sensores de freno estarían físicamente acopladas al pedal de freno con cuatro cables separados que van a los cuatro motores separados. Por consiguiente, uno o más de estos sensores eléctricos separados conectados al pedal de freno mecánico o, de hecho, los cables separados podrían fallar y aún una o más de las ruedas serán controladas para hacer funcionar una fuerza de frenado. Gracias a la capacidad de las unidades de control para comunicarse entre sí, las características del software permiten que el fallo de cualquier sensor o de su cable no tenga efecto en el funcionamiento del motor. Esto se logra porque cada motor puede arbitrar la información del sensor y usar los datos del sensor de los otros motores si los datos del sensor son diferentes a los de los otros tres sensores.

Otra medida de redundancia más es el uso de la llamada resistencia de descarga. En caso de fallo de la fuente de alimentación, la energía generada por la rueda, al proporcionar una fuerza de frenado, necesita disiparse. Para ello se dispone una resistencia a través de la cual se puede disipar en forma de calor la potencia eléctrica generada por la rueda. El uso del diseño multifásico con conmutación eléctrica separada de cada bobina secundaria permite el uso de resistencia distribuida, de modo que cada bobina secundaria puede disipar su potencia a través de una resistencia y, por lo tanto, la resistencia de descarga en su conjunto puede distribuirse alrededor de la rueda. Esto asegura que el calor generado de este modo pueda disiparse uniformemente a través de la masa de la rueda y la disposición de refrigeración.

Con referencia nuevamente a la figura 11, el modo de funcionamiento del conmutador 80 para cada subconjunto 44 de bobinas es como sigue cuando está en un modo de frenado. Los conmutadores superiores 88A y 88B se abren y el conmutador 88C se acciona en modo de pwm encendido/apagado para controlar la tensión generada por la bobina. A medida que el imán pasa por el subconjunto 44 de bobinas, la tensión en el punto 83 de conexión aumenta. Cuando se abre el conmutador 88C como parte del proceso de pwm, la tensión en el punto 83 aumenta para mantener la corriente de la bobina y, por lo tanto, se devuelve energía a la fuente de alimentación (a través del diodo mediante el conmutador 88B). Esta disposición utiliza de manera efectiva las bobinas del propio motor como inductor en una forma de refuerzo de convertidor de CC a CC. La conmutación de los controles en el circuito de puente H controla la tensión de CC que se devuelve a la fuente de energía.

La estrategia de conmutación del convertidor de CC/CC de tipo de refuerzo empleada para el frenado regenerativo tiene una ventaja distinta adicional por que reduce la carga de la batería. En los sistemas conocidos, el modo regenerativo funciona conmutando los conmutadores superiores para proporcionar los voltios de la batería en serie con la bobina del motor y su emf inversa. Esto requiere que la corriente se establezca a través de la batería. Por lo tanto, aunque la bobina esté generando, agota el estado de carga de la batería gracias a que su corriente tiene que fluir a través de la batería en la dirección de descarga. Al emplear la disposición del convertidor de CC a CC descrita anteriormente, la bobina establece su corriente localmente mediante un cortocircuito efectivo a través de la bobina, creado por los conmutadores inferiores. Cuando se establece la corriente generada, se dirige de nuevo a la batería en la dirección de carga. Por lo que, mientras que ambos regímenes recogen la energía transitoria cuando el conmutador inferior se apaga en la secuencia normal de pwm, el sistema convencional consume corriente de la batería mientras establece el flujo de corriente generado, mientras que la disposición aquí descrita no consume corriente de la batería.

Cuando la tensión generada por la bobina cae por debajo de, por ejemplo, cuatro voltios, la corriente ya no puede fluir debido a la caída de la tensión en los conmutadores o diodos utilizados en el circuito de puente H. En el modo de realización se genera una tensión de aproximadamente 1,75 voltios por milla por hora y, por lo tanto, a velocidades inferiores a 3 millas por hora, surge esta situación. A esta velocidad, la estrategia de conmutación cambia a una forma de conexión de CC. En conexión de CC, la fase de todas las tensiones está dispuesta para ser la misma. Esta fase común de todas las tensiones da como resultado la eliminación de la fuerza de giro y la aplicación de una fuerza estática. La fuerza estática intenta mantener el rotor en una posición. Por lo tanto, se usa el control de pwm normal pero cada subconjunto de bobinas tiene su tensión aplicada en fase con todos los demás. Este modo de funcionamiento de CC es especialmente beneficioso a bajas velocidades, ya que garantiza una parada segura del vehículo. Cuando el vehículo se ha detenido por completo, el vehículo permanecerá en reposo, ya que el campo estático resiste cualquier movimiento del rotor. Por lo tanto, no hay riesgo de que el motor se mueva accidentalmente hacia adelante o hacia atrás.

La disposición de resistencia de descarga ya descrita también se puede usar en el caso de que la batería esté sencillamente llena y se necesite disipar energía al frenar. Si la tensión a través del suministro supera un umbral determinado, entonces la energía puede conmutarse a la resistencia de descarga.

Modos de realización como los descritos pueden proporcionar un motor o generador altamente fiable, al menos en parte debido a la separación del control de potencia para los subconjuntos de bobinas como se describió anteriormente. Por consiguiente, un motor o generador, como se describió anteriormente, es especialmente adecuado para aplicaciones en las que se requiere un alto grado de fiabilidad.

Otra característica de seguridad, especialmente beneficiosa cuando se incorpora en un vehículo, es que el motor puede suministrar potencia no solo a los conmutadores dentro del motor, sino también a aspectos remotos de un sistema completo, incluyendo un procesador controlador maestro, que se muestra como un dispositivo 92 de control común, en la figura 12, y a otros sensores, como el sensor del pedal de freno. De esta forma, incluso si se produce un fallo total en la fuente de alimentación dentro del vehículo, la disposición de frenado aún puede funcionar.

Por ejemplo, aplicaciones como las turbinas eólicas dependen de su éxito y asumen el coste y la fiabilidad. Los sistemas normales de turbinas funcionarán durante 25 años y, óptimamente, deberían requerir un mínimo de tiempo de inactividad de servicio para mantenimiento/avería, etc. Al incorporar los componentes electrónicos de accionamiento en una forma compacta con devanados compactos, como se puede lograr de acuerdo con un modo de realización preferido, el coste total del sistema puede ser minimizado. De acuerdo con un modo de realización, el control de potencia independiente de los subconjuntos de bobinas puede permitir el funcionamiento continuado incluso en caso de fallo parcial del sistema.

En concreto, las turbinas de eje vertical cuya popularidad está creciendo recientemente debido a su funcionamiento eficiente pueden beneficiarse de la incorporación de un motor como se describió anteriormente. Esto se debe a la alta relación potencia-peso que se puede lograr, lo que permite una masa más baja en la cabeza de la torre y, por lo tanto, menos coste para la estructura/columna de soporte.

Los sistemas de accionamiento militares, de aeronaves marinas y terrestres son actualmente menos fiables de lo que se desearía debido a la dependencia de la fiabilidad de un solo dispositivo en las topologías clásicas de puente trifásico. De nuevo, utilizando un motor como el descrito anteriormente, podría mejorarse la fiabilidad de los mismos.

Será evidente a partir de la descripción anterior que los motores eléctricos generalmente incluyen una disposición compleja de interconexiones y devanados. Como se describió anteriormente, la fabricación de un motor eléctrico que incorpore dichas características es un proceso laborioso y lento. El tiempo y el esfuerzo que se requiere para construir un motor eléctrico generalmente se ven agravados por el uso de, por ejemplo, alambre de cobre para los devanados y las interconexiones. El alambre de este tipo suele ser relativamente grueso (para poder manejar corrientes elevadas) y es difícil de manipular. El daño al aislamiento eléctrico provisto en el alambre puede ser difícil de evitar durante la construcción del motor, nuevamente debido a la dificultad de manipular el alambre. El acceso a las partes relevantes de un motor para instalar los devanados y las interconexiones a menudo está limitado e impedido por otros componentes del motor.

Montaje de bobinas

Las figuras 13 a 18 muestran esquemáticamente un ejemplo de un sistema de montaje de bobinas para un motor eléctrico o incluso para un generador eléctrico que permite una construcción y montaje más sencillos de un motor. Como se muestra en la figura 15, el sistema de montaje de bobinas incluye una porción 150 trasera y una pluralidad de dientes 100 de la bobina, que se intercalan alrededor de la periferia de la porción 150 de montaje de la bobina. Los dientes están colocados de manera que puedan recibir los devanados de las bobinas del motor para producir el motor de N fases deseado. La disposición de dientes que se muestra en la figura 11, por ejemplo, podría usarse para construir un motor eléctrico trifásico del tipo descrito anteriormente.

Los dientes 100 de la bobina se muestran con más detalle en las figuras 13 y 14. La figura 13 muestra una vista frontal de un diente de bobina y la figura 14 muestra una vista lateral del diente de bobina. El diente 100 incluye un brazo 102 alargado para recibir enrollada una bobina del motor eléctrico. Se puede proporcionar una pestaña 104 en un extremo del brazo 102 alargado del diente 100 de la bobina para evitar que la bobina se desenrolle inadvertidamente del diente de la bobina una vez que se ha enrollado sobre el mismo.

Cada diente de la bobina se puede recibir de forma acoplable en la porción 150 trasera. Por consiguiente, cada diente de la bobina puede incluir medios para unir el diente 100 de la bobina a la porción 150 trasera. En el ejemplo mostrado en las figuras 9 y 10, estos medios incluyen dos salientes 106 alargados. Estos salientes se extienden desde un extremo del brazo 102 alargado opuesto a la pestaña 104 en una configuración generalmente en forma de V. Como se comentará a continuación, la porción 150 trasera puede tener porciones con la forma correspondiente para recibir estos salientes para unir el diente 102 de la bobina a la porción 150 trasera.

Las figuras 16 y 17 muestran la porción trasera y un diente de bobina recibido con más detalle. En los ejemplos que se muestran en las figuras 16 a 17, la porción trasera se compone de una pluralidad de porciones 150 traseras más pequeñas que están unidas entre sí.

La figura 16 muestra un único diente 100 de bobina recibido de forma acoplable en la porción 150 trasera. Como se muestra en la figura 16, la porción 150 trasera puede incluir una pluralidad de aberturas 126 para recibir características con forma correspondiente del diente 100 de la bobina, como los salientes 106 en forma de V mencionados anteriormente, para permitir la unión del diente 100 a la porción 150 trasera.

La figura 16 muestra un ejemplo de cómo el alambre de una bobina de motor puede recibirse enrollado alrededor del brazo 102 alargado del diente 100 de la bobina y terminarse en los terminales 142. El terminal puede comprender, por ejemplo, los terminales de un dispositivo de control del tipo descrito anteriormente. Debido a que el diente 100 se puede acoplar en la porción 150 trasera, los devanados de la bobina pueden ser recibidos por el diente 100 de la bobina en una etapa de fabricación previa a la unión del diente 100 y la porción 150 trasera. Esto permite que el proceso de devanado se realice alejado del resto de los componentes del motor, de forma que estos no puedan impedir el proceso de devanado. Por consiguiente, se puede lograr un fácil acceso al brazo 102 alargado mientras el diente 100 está separado de la porción 150 trasera, y la bobina se puede enrollar con un riesgo mínimo para el aislamiento eléctrico provisto en la misma. Esto permite utilizar alambres que tengan menos material de instalación eléctrica, lo que a su vez permite una mejor disipación de calor por unidad de longitud de bobina. Esto, a su vez, permite maximizar la potencia nominal del motor que comprende el sistema de montaje de bobina.

El sistema de montaje de bobinas descrito en el presente documento se puede usar conjuntamente con motores eléctricos que emplean subconjuntos de bobinas conectadas en serie, como se describió en relación con la figura 1. En dichos ejemplos, la construcción del motor eléctrico puede incluir tomar una sola pieza de alambre y enrollarla alrededor de una pluralidad de dientes de bobina alejándose de la porción trasera, dejando una longitud de alambre entre cada diente para proporcionar las interconexiones en serie apropiadas. Una vez que se ha hecho esto, el diente de la bobina podría unirse a la porción trasera en las posiciones apropiadas.

Sin embargo, el sistema de montaje de bobinas descrito en el presente documento se presta en concreto a un motor en el que los subconjuntos de bobinas se controlan individualmente. Esto se debe a que los controles individuales requieren una terminación separada de los dientes de bobina de cada subconjunto de bobinas, por lo que no es necesario juzgar la longitud adecuada de la pluralidad de interconexiones en serie entre cada subconjunto de bobinas cuando se enrollan los alambres alrededor de los dientes de bobina alejándose de la porción trasera. En su lugar, se puede producir una pluralidad de dientes de bobina y devanados asociados en una primera etapa y luego esos dientes de bobina pueden sencillamente disponerse como se desee en la porción 150 trasera.

Como se describió anteriormente, puede haber más de una bobina por subconjunto de bobinas. La figura 17 muestra que el presente sistema de montaje de bobinas también es compatible con dichos subconjuntos de bobinas. En concreto, la figura 17 muestra un ejemplo de cómo se pueden enrollar y desplegar tres dientes 100 de bobina para formar las bobinas de un subconjunto de bobinas de acuerdo con el presente sistema de montaje de bobinas. La disposición de los devanados que se muestra en la figura 17 corresponde a la disposición de las bobinas que se muestra en la figura 8 como se describió anteriormente.

Ahora se describirán más detalles de la porción 150 trasera en relación con la figura 18. La porción 150 trasera que se muestra en las figuras es esencialmente arqueada. Esto permite interconectar una pluralidad de porciones traseras para formar una porción trasera circular más grande para construir de este modo un motor circular. Las porciones 150 traseras se pueden interconectar para formar la porción trasera más grande. En el ejemplo que se muestra en la figura 18, las porciones traseras se pueden interconectar usando características del diente 100 de la bobina. En concreto, se puede apreciar que el diente 100 de la bobina que se muestra en la figura 18 une dos porciones 150 traseras, con uno de sus salientes 106 recibido en la abertura 126 receptora de cada una de las porciones 150 traseras. En otros ejemplos, se pueden proporcionar medios alternativos para interconectar las porciones traseras. También se prevé que se pueda proporcionar una porción 150 trasera circular que tenga una construcción de una sola pieza.

Cuando se interconectan varias porciones 150 traseras para formar una porción trasera más grande, a través de uno de los dientes 100 de la bobina, ha de tenerse en cuenta que la unión entre las porciones 150 traseras adyacentes discurre esencialmente paralela al campo magnético producido por una bobina recibida de forma enrollada en el diente 100 de la bobina, por lo que la unión no interfiere considerablemente con el campo magnético producido por la bobina.

Como se muestra en la figura 18, se pueden proporcionar porciones 128 elevadas en la periferia exterior de la porción 150 trasera para adaptarse a la forma de los dientes de la bobina.

La porción 150 trasera también puede estar provista de características para ayudar en la disipación de calor. En el presente ejemplo, la porción 150 trasera está provista de porciones 130 recortadas. Estas porciones recortadas sirven para proporcionar una construcción más ligera para la porción 150 trasera, que normalmente se construye de acero u otro metal. Uno o más pasadores 134 que pueden fabricarse, por ejemplo, de aluminio, pueden insertarse en las porciones 130 recortadas para proporcionar un contacto térmico mejorado entre la porción 150 trasera y otro componente del motor, como el estator.

Como se muestra en la figura 18, la porción 150 trasera puede tener una construcción laminada que comprenda una pluralidad de capas 115. La porción trasera se puede fabricar utilizando un proceso de estampado en el que la pluralidad de capas 115 se estampa de acuerdo con la forma y configuración deseadas de la porción trasera, apilándose juntas como se muestra en la figura 18 y luego uniéndose para formar la porción 150 trasera.

Este sistema de montaje de bobinas que comprende una pluralidad de porciones 150 traseras interconectadas permite utilizar un proceso de estampado eficiente para construir los dientes y/o las porciones 150 traseras usando una construcción laminada. Esto se debe a que se pierde o desperdicia relativamente poco material durante el proceso de estampado, en contraste con el caso en el que se estampa una porción trasera que comprende una construcción laminada de una sola pieza sin interconexiones 126.

Como se describió anteriormente, una pluralidad de porciones 150 traseras pueden interconectarse para formar una porción trasera más grande. Además, una pluralidad de capas de dichas porciones traseras interconectadas se pueden apilar juntas para formar una porción trasera aún más grande. Ejemplos de esto se muestran en las figuras 19 y 20. Las figuras 19 y 20 muestran una vista lateral de las porciones traseras apiladas y sus correspondientes uniones 126. Como se muestra en las figuras 19 y 20, las uniones 126 pueden estar escalonadas en varias configuraciones diferentes, de modo que las capas adyacentes de las porciones 150 traseras interconectadas no tengan interconexiones 126 que coincidan entre sí verticalmente. Esto sirve para aumentar la resistencia de la porción trasera más grande que comprende las porciones 150 traseras interconectadas apiladas.

Una ventaja de usar un gran número de bobinas, junto con la disposición que se muestra en las figuras 13 a 17, se relaciona con el grosor de la porción 150 trasera de hierro necesaria para una aplicación determinada. Normalmente, el grosor de la porción 150 trasera es aproximadamente de un cuarto a la mitad del ancho del imán para hacer frente al flujo magnético. Menos bobinas requerirían imanes más grandes y, por lo tanto, más masa de hierro, lo que conduciría a un diseño de motor más pesado. Mediante el uso de un gran número de bobinas separadas, se puede reducir el grosor de la porción 150 trasera de hierro. También se puede reducir el grosor del hierro que soporta los imanes en el rotor. Es importante que el grosor del rotor, en su conjunto, sea lo más delgado posible, para aplicar la fuerza entre las bobinas y los imanes lo más cerca posible del borde exterior, aumentando de este modo el momento de giro proporcionado.

Disposición de sellado

Las figuras 3 y 4 muestran varias vistas de un ejemplo de motor de acuerdo con un modo de realización de esta invención, y a continuación se describirá el mecanismo para sellar el compartimento. Las figuras 3 y 4 muestran una vista frontal y una vista trasera del motor 210, respectivamente. El motor 210 en este ejemplo incluye una cubierta que tiene una porción 220 delantera y una porción 230 trasera. En la figura 3, la porción 230 trasera y otra porción de recubrimiento se han retirado para revelar los contenidos de la cubierta.

En este ejemplo, el motor 210 incluye un rotor 240 que gira con respecto al estator 252, que puede permanecer estacionario durante el funcionamiento del motor 210. En este ejemplo, el rotor 240 incluye una pluralidad de imanes 242 permanentes, que están dispuestos en círculo dentro del rotor esencialmente circular. Como se describió anteriormente, los campos magnéticos giratorios formados dentro del motor 210 pueden proporcionar las fuerzas de atracción y repulsión necesarias para producir el movimiento giratorio del rotor 240.

El estator 252 puede incluir una disposición de conjuntos de bobinas como se describió anteriormente. En concreto, en el presente ejemplo, las bobinas están dispuestas en subconjuntos de bobinas, cada uno de los cuales está controlado individualmente por un dispositivo 280 de control correspondiente. Estos dispositivos 80 de control son visibles en la figura 3. Debajo de la porción 220 frontal, se puede proporcionar una pluralidad de placas para proteger los componentes de los dispositivos 280 de control del motor 210. Como se describió anteriormente en relación con la figura 7, estos componentes pueden incluir uno o más dispositivos semiconductores como MOSFETs o IGBTs. En el presente ejemplo, los IGBTs están montados en una placa de circuito 82 impreso como se muestra en la figura 10. En este ejemplo, hay cuatro IGBTs 88 por dispositivo 80 de control.

Cada dispositivo 80 de control puede controlar las bobinas de un subconjunto de bobinas respectivo como se describió anteriormente. En el presente ejemplo, el estator 252 incluye una pluralidad de dientes 200 de bobina, que están montados en una porción 250 trasera. Los dientes 200 de bobina y la porción 250 trasera pueden ser del tipo descrito anteriormente en relación, por ejemplo, con las figuras 13 a 20.

Volviendo a la figura 3, se puede apreciar que la porción 220 delantera de la cubierta del motor está provista de una primera y segunda trampillas 222. Estas trampillas 222 permiten el acceso a los dispositivos 80 de control del motor 210 para fines de instalación, mantenimiento y/o reparación. Se pueden proporcionar medios como tornillos 224 para permitir que los recubrimientos de las trampillas 222 se sujeten de forma desmontable a la porción 220 frontal. Al girar la porción 220 frontal de la cubierta del motor con respecto al estator 252 y los diversos dispositivos 80 de control, se puede acceder a la placa apropiada de un dispositivo 280 de control deseado. A continuación, la placa puede retirarse para permitir el acceso al propio dispositivo 80 de control. De esta forma, los dispositivos 80 de control se pueden mantener/reparar, etc. sin tener que quitar completamente la porción 220 delantera del motor 210.

La figura 21 muestra otra parte de la disposición de sellado mediante la cual se evita la entrada de material en la carcasa del conjunto del motor. Esto muestra una porción ampliada de la pared 230 del estator y la pared 221 circunferencial del rotor en el punto en el que se encuentran. Existe necesariamente un pequeño espacio de aire entre la pared del rotor y la pared del estator para permitir el giro de una con respecto a la otra. Este espacio se llena con un sellado 350 en V, como se muestra en las figuras 3 y 4 y se muestra con mayor detalle en la figura 21. El sellado se fija a la pared circunferencial de una de las carcasas del rotor y un extremo libre del sellado se apoya en la pared 230 de la carcasa del estator. A medida que el rotor gira con velocidad creciente, el extremo libre del sellado se desvía, debido a la fuerza centrífuga, alejándose de la pared 230 del estator, minimizando de este modo el desgaste del sellado 350. La fuerza centrífuga provocada por el giro del rotor impide la entrada de suciedad u otros materiales en la carcasa. Además, esto es asistido al permitir un flujo de aire a través de un pequeño orificio 351 en la pared del estator. Esto permite un flujo de aire desde el pequeño orificio a través de la cara interior de la pared 230 del estator y hacia afuera a través del espacio presentado por el sellado 350 desviado, asegurando de este modo que se evite la entrada de suciedad u otro material.

Sera evidente a partir de lo anterior que los modos de realización descritos anteriormente son aplicables a generadores eléctricos así como a motores eléctricos, debido en parte a la similitud estructural y conceptual entre los dos. Por ejemplo, un generador eléctrico puede beneficiarse de la terminación de potencia separada de las bobinas de un subconjunto de bobinas como se describió anteriormente. Además, el sistema de montaje de bobinas descrito anteriormente es igualmente aplicable a la construcción de la disposición de bobinas en un generador y un motor.

Control de tracción

Como se comentó anteriormente, los motores construidos como se describe pueden permitir un control de par altamente sensible. Además, de acuerdo con un modo de realización, cada rueda de un vehículo puede tener su propio motor. Por ejemplo, un motor del tipo descrito anteriormente se puede proporcionar localmente para cada rueda.

El uso de motores separados para cada rueda de un vehículo puede permitir una mayor flexibilidad en el manejo del control de tracción del vehículo. Además, los cortos tiempos de respuesta para el control del par que ofrece un motor de este tipo pueden mejorar esta flexibilidad.

Cada rueda de un vehículo puede ser controlada por su propio motor y el software de conducción correspondiente, lo que permite que cada motor maneje su propio control de tracción. Esto significa que cada motor puede manejar, por ejemplo, una situación de derrape independientemente de las otras ruedas. Además, los rápidos tiempos de respuesta (por ejemplo, dentro de un único período de PWM de, por ejemplo, 50js) proporcionados por los modos de realización descritos pueden permitir un control complejo del par aplicado a cada rueda de forma independiente, para aumentar la eficacia en el manejo de un derrape.

El control del motor se realiza mediante un bucle de par de rango continuo de alta velocidad. Esto puede permitir que la respuesta sea más uniforme y que el agarre logrado sea mayor que un sistema de gestión de derrape modulado mecánicamente. Los accionamientos de motor pueden interconectarse mediante una red de área de controlador (CAN). Esto puede permitir que se intercambie información sobre, por ejemplo, eventos de derrape entre los accionamientos de motor para que se tomen medidas coordinadas. En un ejemplo, esta información incluye datos de aceleración indicativos de la aceleración angular de cada rueda. Un fuerte aumento en la aceleración angular puede interpretarse como un deslizamiento de una rueda o un derrape de una rueda.

Por consiguiente, una parte importante de la gestión de derrape es la detección del inicio de un evento de derrape. Como un vehículo como un automóvil tiene una masa considerable y una rueda tiene una masa mucho más pequeña, se puede colocar un límite superior sobre la velocidad de cambio de la velocidad angular de la rueda, por encima del cual debe estar ocurriendo un derrape. Este límite se puede predeterminar de acuerdo con factores que incluyen los pesos del vehículo y las ruedas.

Se pueden proporcionar sensores como sensores de ángulo magnético interno en el motor de cada rueda o en las propias ruedas. Estos sensores pueden detectar la velocidad angular de cada rueda. Tomando la primera derivada de la velocidad angular determinada por los sensores, se puede determinar la aceleración angular de cada rueda para determinar el derrape de las ruedas.

El derrape de las ruedas se puede detectar comparando la velocidad de cada rueda con la de las otras ruedas.

Como se describió anteriormente, el derrape de una rueda podría detectarse detectando cambios en la velocidad angular de una rueda.

El límite superior para la aceleración de un vehículo se puede definir en términos de la potencia total de todos los motores (P^motores) y la masa del vehículo (m^vehículo):

P_{r ro :o rs s}=F _airev _{v e i c l l í ^ V e V c l lo^ve h ic u k ? ve tiícu lo O í}

donde vvehículo es la velocidad del vehículo y Faire es una medida de la resistencia del aire encontrada por el vehículo. La ecuación (1) se puede reorganizar para formar una expresión para el límite superior de la aceleración alcanzable por el vehículo:

Usando la ecuación (2), una expresión para un límite superior factible en la aceleración de una rueda del vehículo arueda puede ser determinado:

3 vehículo Riotores Faire' Vvehículo

«rueda * (3 )

^{T rueda Trueda "}(m ^{vehículo4 V vehícut0 )}

donde r^ruedaes el radio de la rueda. Esta expresión podría simplificarse suponiendo que la resistencia del aire es despreciable (es decir, F^a¡re“ 0):

Para aceleraciones de rueda superiores al valor definido en la ecuación (3) o en la ecuación (4), se puede concluir que se está produciendo un derrape en esa rueda.

La aceleración angular real de una rueda se puede determinar calculando las derivadas de las posiciones angulares de las ruedas con respecto al tiempo.

De acuerdo con un modo de realización, esto podría lograrse usando un método como el método de elementos finitos de Newton.

De acuerdo con otro modo de realización, esto podría hacerse interpolando a partir de medidas de la posición angular de la rueda y luego tomando derivadas de la función interpolada. En un ejemplo, se puede utilizar una interpolación de Pronney. Usando esta interpolación, las derivadas primera y segunda de una función f(x) se pueden definir como:

/(x Ax)

f(x>= Lim ^{U m / ( x}2^{) - / ( x i ) (}5⁾

Ax-kO Ax X2 X 1

y

/(x ) '= Lim

⁽6⁾

Con respecto a las ecuaciones (5) y (6) se puede definir una fórmula básica para la estimación de la velocidad angular como:

lo que da:

donde k indexa a medida kn de la posición angular de una rueda. Por consiguiente, en un ejemplo, la estimación de la aceleración se puede basar al menos en dos intervalos definidos con tres puntos (donde cada punto constituye una medida kn de la posición angular):

Como se describió anteriormente, la aceleración real determinada de cada rueda se puede comparar con el límite definido, por ejemplo, por los valores determinados por las ecuaciones (3) y/o (4) anteriores para determinar la ocurrencia de un derrape.

Cuando se detecta un derrape, el objetivo del software de accionamiento del motor es sacar la rueda del derrape lo antes posible. Para lograr esto, se puede reducir el par aplicado a la rueda o ruedas que están derrapando. A medida que se reduce el par, la velocidad angular de la rueda disminuirá hasta que la rueda deje de derrapar. Por consiguiente, la tarea del software de accionamiento es reducir el par aplicado a la rueda que derrapa de una manera que permita que el derrape se reduzca rápidamente.

Hay varias formas en las que se puede reducir el par aplicado a una rueda que derrapa para recuperar la tracción. Por ejemplo, podría aplicarse una combinación de una reducción escalonada calculada del par seguida de una reducción lineal hasta que se detecte que se ha recuperado la tracción. Como alternativa, el par se puede reducir a cero o a un valor muy bajo. Entonces podría determinarse el tiempo que tarda la rueda en estabilizarse de nuevo a la velocidad media del vehículo. Esto daría suficiente información para encontrar el coeficiente de agarre del neumático ya que la inercia giratoria de la rueda se conoce de antemano. A su vez, esta medida se puede utilizar para modular el par producido en el motor de la rueda.

Como se describió anteriormente, los accionamientos de motor de un vehículo pueden interconectarse, por ejemplo, mediante una red de área de controlador (CAN). Una conexión en red de este tipo puede permitir que los accionamientos de motor se comuniquen para proporcionar un conocimiento mejorado de cada accionamiento de motor en cuanto a la condición general del vehículo. Por ejemplo, en una configuración de este tipo, los accionamientos de motor pueden proporcionar el mantenimiento del equilibrio de tracción izquierda/derecha en las cuatro ruedas de, por ejemplo, un automóvil. Esto puede permitir que se corrija un desequilibrio significativo izquierda/derecha, que podría alterar la dirección del automóvil o incluso girarlo.

Con referencia a la figura 22, si una rueda detecta derrape, pares de ruedas (por ejemplo, las ruedas 312 y 314, o las ruedas 316, 318) pueden reaccionar tomando una acción similar. Sin embargo, debe evitarse una situación en la que entren en acción ruedas en lados opuestos del vehículo, ya que esto podría provocar el giro del vehículo al crear par. Una fuerza asimétrica en diferentes lados del vehículo (izquierdo o derecho) produciría dicho par. Por ejemplo, si un vehículo estuviera circulando por un arcén blando con las ruedas izquierdas del vehículo sobre hierba y las ruedas derechas sobre asfalto y el conductor frenase repentinamente, entonces el vehículo respondería virando a la derecha, posiblemente hacia el camino del tráfico que se aproxima.

Se puede emplear el equilibrio de tracción que equilibra la tracción de pares de ruedas como se describió anteriormente. Por ejemplo, el equilibrio izquierdo/derecho se puede realizar dentro de un cierto nivel de amortiguación para igualar las cargas de par de los conjuntos de motores izquierdo y derecho. Este tipo de equilibrado puede no ser necesario a bajas velocidades o cuando no se esté frenando de forma significativa. En otro ejemplo, se puede emplear el equilibrio delantero/trasero, esto puede permitir que el vehículo aproveche al máximo la potencia de cada motor.

A modo de ejemplo, en un vehículo como un automóvil de cuatro ruedas, si la rueda delantera izquierda derrapa pero las demás no, el par puede reducirse en la rueda delantera izquierda, pero aumentarse en la trasera izquierda para compensar la diferencia. Sin embargo, en algunas situaciones, es posible que la parte trasera izquierda no pueda compensar por completo la reducción del par motor de la parte delantera izquierda. Si este es el caso, ambos motores del lado derecho podrían reducir su par para igualar el equilibrio de par izquierdo/derecho dentro de una cierta cantidad de 'amortiguación'. Cada motor de accionamiento puede emplear reglas predeterminadas para determinar cómo debe reaccionar en una situación determinada. Debido a que las reglas están predeterminadas, cada motor puede suponer que otros motores de accionamiento del vehículo reaccionarán de la manera definida por esas reglas. De esta forma, los motores de accionamiento pueden actuar de manera coordinada como se describió anteriormente. Además, las reglas predeterminadas pueden modificarse de acuerdo con, por ejemplo, las condiciones de conducción, incluyendo la humedad de la superficie de la carretera y la temperatura de la carretera.

Control de suspensión

El uso de motores separados para cada rueda de un vehículo también puede permitir una mayor flexibilidad en el manejo del control de la suspensión del vehículo. Nuevamente, el corto tiempo de respuesta para el control del par proporcionado por un motor de acuerdo con un modo de realización como el descrito puede mejorar aún más esta flexibilidad.

De acuerdo con un modo de realización que queda fuera de la invención, se puede proporcionar un sistema de control de suspensión para un vehículo que tiene una pluralidad de ruedas. Con referencia a la figura 23, cada rueda 330 en este ejemplo se puede montar en un brazo 340 de suspensión.

En la figura 23, la dirección normal de desplazamiento del vehículo con respecto a la superficie 350 se muestra en la figura 23 mediante la flecha etiquetada como Z. Por consiguiente, como se muestra en la figura 23, la rueda 330 gira en la dirección indicada por la flecha etiquetada como X. Si se aplica un par adicional a la rueda en la dirección indicada por la flecha con la etiqueta X, esto tenderá a impartir una fuerza en el brazo 340 de suspensión, por lo que el brazo 340 de suspensión tenderá a elevarse en la dirección indicada en la figura 23 por la flecha etiquetada como Y. En este ejemplo, la rueda 330 es una rueda delantera de un vehículo como un automóvil. La elevación del brazo 340 de suspensión en la dirección indicada por la flecha etiquetada como Y en la figura 23, por lo tanto, provocaría que la parte delantera del automóvil en el lugar de la rueda 330 también se elevara. De esta forma, ajustando el par a la rueda de un vehículo, se puede implementar un sistema de control de suspensión para un vehículo.

Puede proporcionarse un sistema de control de suspensión en el que el par aplicado a cada rueda de un vehículo puede ajustarse selectivamente para ajustar la suspensión y/o la altura del vehículo. El sistema de control puede implementarse mediante una unidad de control que puede proporcionarse para cada rueda respectiva o que puede proporcionarse como una unidad de control central que se puede hacer funcionar para controlar una pluralidad de ruedas. Cada rueda puede ser accionada, por ejemplo, por un motor eléctrico del tipo descrito anteriormente. En dichos modos de realización, el control preciso y los rápidos tiempos de respuesta proporcionados por el motor descrito anteriormente pueden mejorar la capacidad de respuesta del control de suspensión. Los dispositivos de control para controlar la suspensión se pueden conectar en red utilizando una red de área de controlador (CAN) como se describió anteriormente.

En un primer ejemplo de una situación en la que la capacidad de controlar de forma independiente la suspensión de una pluralidad de ruedas utilizando el control de par es cuando un vehículo circula por una esquina. Cuando un vehículo circula por una esquina, puede ser deseable inclinar el vehículo de manera que el lado del vehículo en el exterior de la esquina se eleve con respecto al lado del vehículo en el interior de la esquina. Esto se puede utilizar para contrarrestar la tendencia del exterior del vehículo a inclinarse hacia la superficie de la carretera. En este ejemplo, se puede proporcionar más par a las ruedas exteriores del vehículo (es decir, las ruedas del vehículo en el exterior de la esquina) para elevar esa parte del vehículo. Por el contrario, se puede proporcionar menos par a las ruedas en el interior de la esquina. Esto bajaría la suspensión del vehículo en el interior de la esquina según se desee.

El ejemplo anterior describe una situación en la que los pares de ruedas del vehículo se controlan juntos para subir o bajar una parte del vehículo. En otro ejemplo, las ruedas delanteras de un vehículo y las ruedas traseras del vehículo pueden controlarse para que actúen unas contra otras con el efecto de elevar el nivel general del vehículo. En concreto, se puede proporcionar más/menos par a las ruedas delanteras/traseras de un vehículo para empujar de forma efectiva los brazos de suspensión de las ruedas de la parte delantera y trasera del vehículo uno hacia el otro, provocando de este modo que ambos se levanten.

Las entradas a un sistema de control como el sistema de control de tracción y/o suspensión se pueden realizar a través de sensores en el volante de dirección y sensores de comportamiento y viraje del vehículo.

En un ejemplo, si un vehículo se encuentra en un estado de gestión de derrape (en el que se ha detectado un derrape en una o más de las ruedas) y el conductor elige mover el volante abruptamente en una dirección, la magnitud de este movimiento y la velocidad de cambio se puede comunicar a los dispositivos de control descritos anteriormente para que los dispositivos de control puedan tomar la acción de compensación apropiada en su estrategia de control de tracción. Por consiguiente, se puede agregar una función de alimentación anticipada de las intenciones de los conductores a la estrategia del software de tracción en las ruedas para manejar mejor un derrape y responder a los comandos de los conductores. Debido a la mayor capacidad de respuesta de un motor eléctrico del tipo descrito anteriormente, la respuesta de las ruedas individuales puede ser mucho más rápida que la de los sistemas existentes. Además, debido a que cada rueda responde de acuerdo con sus condiciones locales, existe la posibilidad de un control más estable en comparación con los sistemas existentes.

Los sistemas de control de suspensión y control de tracción descritos anteriormente pueden implementarse utilizando un software que se ejecuta en un microprocesador. El software se puede proporcionar en un medio portador.

Montaje de imán

En la figura 24 se muestra una manera especialmente eficaz de montar un imán. Como ya se ha descrito, los imanes están montados alrededor de la pared 221 circunferencial interior del rotor 252. Los imanes transfieren toda la fuerza del campo magnético de las bobinas al rotor y, por lo tanto, hay que señalar, que deben montarse de forma segura en la pared 221 circunferencial del rotor.

Una porción de la pared circunferencial, incluyendo los imanes 242, se muestra como ampliación A en la figura 24. En cada posición de imán, en realidad hay tres imanes 401, 402 y 403 separados que se insertan en las ranuras 405 en cola de milano del hierro 407 trasero del rotor. Esta disposición tiene una serie de ventajas. En primer lugar, mediante el uso de porciones de imán separadas para crear un solo imán en cada posición de imán, se pueden reducir las corrientes parásitas en los imanes. Si bien se prefieren tres porciones de imán separadas, otras cantidades serían perfectamente posibles. En segundo lugar, la disposición de montaje en cola de milano asegura la ubicación exacta de los imanes en la pared 221 circunferencial y también asegura que estén montados de forma segura. Serían posibles otras disposiciones de tipo ranura, pero se prefiere la disposición de montaje en cola de milano.

Disposición de refrigeración

En la figura 25 se muestra una configuración especialmente eficaz para refrigerar las bobinas. Esta vista del estator es una sección transversal en el plano del eje del estator. Refiriéndose brevemente a la figura 3, los dientes 235 de bobina de la figura 3 se muestran en sección transversal en la figura 25 con un solo diente 514 de bobina mostrado, que puede recibir devanados, que encajan en los espacios de devanado 510 y 512. Como se describió en relación con las figuras 16 y 17, los dientes están montados sobre un hierro 150 trasero. El hierro trasero está montado directamente sobre una placa 516 de refrigeración que, junto con otras paredes, delimita los canales de refrigeración 502 y 504, a través de los cuales el fluido de refrigeración puede circular por convección o por bombeo. Además, un canal 508 de refrigeración en un lado de las bobinas en el espacio 512 refrigera las bobinas en un lado de los dientes y un canal 506 de refrigeración en el lado opuesto refrigera las bobinas en el espacio 510. Por consiguiente, las bobinas son refrigeradas por esta placa de refrigeración multifacética, que contiene los devanados por tres lados. Además, las caras de los canales de refrigeración permiten la conexión de dispositivos electrónicos de potencia, como los dispositivos 80 de control, resistencia de descarga, etc. Una única disposición de refrigeración de tres lados proporciona por tanto la refrigeración de las bobinas, así como los componentes asociados a partir de los cuales se genera el calor.

El conjunto completo de las bobinas se encapsula sobre la placa de refrigeración utilizando un material térmicamente conductor pero eléctricamente aislante, como epoxi relleno con óxido de aluminio. Esto mejora la conductividad térmica desde las bobinas al hierro trasero y a la placa de refrigeración.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un motor o generador eléctrico para montar en una rueda de un vehículo de carretera que comprende:

un estator (252) que tiene una pluralidad de bobinas;

un rotor (240) que tiene una pared (220) radial y una pared (221) circunferencial sobre las que se montan una pluralidad de imanes (242) en el interior de la pared (221) circunferencial que rodea las bobinas del estator;

un bloque (223) de cojinetes que tiene una primera parte fijada al estator (252) y una segunda parte fijada al rotor (240);

una pared radial del estator (252) que tiene una porción (233) central para montar a un vehículo por un lado y para conectar a la primera parte del bloque de cojinetes;

la pared radial del rotor que tiene una porción (225) central para montar una rueda en el exterior del rotor y la segunda parte del bloque (223) de cojinetes en el interior del rotor (240);

en donde se puede montar una rueda en el motor en la porción (225) central de la pared (220) radial del rotor (240) para la conexión a un vehículo mediante el bloque (223) de cojinetes, en donde el exterior de la pared (221) circunferencial del rotor (240) no tiene porciones de cojinete de carga.

2. Una rueda con el motor eléctrico de la reivindicación 1 montado en su interior, la rueda que está montada en la región (225) central de la pared (220) radial del rotor (240).

3. El motor eléctrico y rueda de la reivindicación 2, en donde hay un espacio entre la rueda y una porción exterior de la pared (220) radial del rotor (240).

4. El motor eléctrico y rueda de la reivindicación 2, en donde existe un espacio entre la pared (221) circunferencial del rotor (240) y la rueda.

5. Un vehículo que tiene un motor eléctrico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde se monta una rueda en el motor eléctrico en la porción (225) central de la pared del rotor (240) para la conexión al vehículo mediante el bloque de cojinetes, en donde una primera parte del bloque de cojinetes se fija al estator (252) y una segunda parte del bloque (223) de cojinetes se fija al rotor (240).