ES2993893A1 - Motor de imanes - Google Patents

Abstract

Motor de imanes (1), consistente en un motor eléctrico de corriente continua, caracterizado por disponer de un inductor que conforma el estator (2), compuesto de cuatro bobinas (2.1) con devanado de hilo de cobre (2.2) y núcleo ferromagnético (2.3), disponiendo también de un inducido que conforma el rotor (3), giratorio sobre un eje (3.2), equipado de cuatro imanes de neodimio (3.1), solidarizados en una placa de forma circular, dispuestos con orientación radial y colocados de manera equidistante y uniforme a 90 grados sexagesimales con idéntica orientación de sus polos magnéticos. El motor tiene un medio especial de conmutación del flujo magnético en las bobinas (2.1) en el que interviene un sensor de efecto Hall (4.4) y está controlado por una placa electrónica (4) que incorpora, al menos, un conector (4.1), un interruptor (4.2), una fuente de alimentación (4.3) estabilizada, un microcontrolador del tipo PIC (4.5) y un puente de transistores tipo Darlington (4.6), además de otros componentes que completando el circuito electrónico, permiten variar la velocidad de rotación.

Description

DESCRIPCIÓN

Motor de imanes

Objeto técnico de la invención

El objeto de la presente invención se refiere a un motor eléctrico que tiene un rotor equipado con imanes de neodimio y un estator formado por bobinas que conmutan secuencialmente su polaridad por estar comandadas por un circuito electrónico especial que incorpora un sensor de efecto Hall y un microcontrolador del tipo PIC (Programmable Integrated Circuit).

La potencia entregada por el motor se puede aplicar a cualquier mecanismo que produzca trabajo, con un consumo considerablemente inferior al de los motores eléctricos convencionales.

Sector de la técnica al que se refiere la invención

La invención que se presenta afecta a la Sección de Electricidad de la Clasificación Internacional de Patentes (CIP), capítulo de conversión de la energía eléctrica en lo concerniente a Motores Eléctricos incidiendo, desde el punto de vista industrial, en la fabricación de motores eléctricos especiales.

Antecedentes de la invención

Los motores eléctricos forman parte, hoy día, de múltiples máquinas o aparatos de uso doméstico cotidiano. Existen, por tanto, numerosos antecedentes de motores registrados en la Oepm y otras Oficinas de Patentes, que se incorporan en diversos proyectos técnicos dependiendo de la utilidad que se les vaya a dar. No solo por su tipo sino también por su tamaño y su potencia.

No corresponde a este documento la enumeración de los distintos tipos de motores existentes en el mercado, pero, con carácter general, podemos decir que existen motores de corriente continua y de corriente alterna, rotativos y lineales.

Entre los primeros, donde se encuadra el de esta invención, existen los de excitación independiente, los de excitación en serie, los de excitación en paralelo y los de excitación compuesta. En todos los casos cuentan con un rotor y un estator, que pueden estar devanados o no, formando lo que se conoce como el inductor y el inducido.

Lo habitual es que tanto el rotor como el estator, estén devanados requiriendo el montaje de colectores de delgas y escobillas rozantes, pero es muy normal y frecuente el contar con motores que equipan imanes permanentes en el estator teniendo el rotor devanado. Estos también necesitan colectores de delgas y escobillas.

Se conocen asimismo soluciones de motores de continua de estator bobinado y rotor de imanes permanentes, aunque no es lo normal. Esta disposición tiene la ventaja de que elimina el colector y las escobillas pues la corriente de alimentación se conecta a un elemento estático.

En función de su tamaño, también existe gran diversidad; desde los que se incorporan en máquinas fotográficas o teléfonos móviles, hasta los que equipan las grandes locomotoras ferroviarias, parques de transformación de energía y otros.

La invención que se presenta en este documento es de las que tienen un rotor de imanes y un estator devanado, teniendo la particularidad de que las bobinas están situadas en el tramo interpolar de los imanes no conociéndose ninguna solución como la que aquí se propone por lo que es una interesante novedad, en el estado actual de la técnica, resultando muy adecuada para motores de pequeño tamaño.

Descripción sumaria de la invención

La invención consiste en un motor eléctrico de corriente continua pulsatoria con rotor de imanes permanentes de neodimio. El estator incorpora unas bobinas que están alimentadas por una corriente pulsatoria, de onda cuadrada, que va camb9iandop su sentido y, en consecuencia, el del flujo electromagnético de su interior, es decir, cada bobina se comporta como un solenoide estático cuya polaridad va cambiando continuamente al paso de los imanes del rotor, generando los efectos de repulsión o atracción propios de polos del mismo o distinto signo respectivamente.

La característica principal de la invención es que las bobinas no están enfrentadas a los polos de los imanes, como es habitual en todos los motores, sino que se sitúan frente al espacio interpolar de los imanes de neodimio.

Otra característica importante de la invención es que el control del cambio de sentido del flujo en las bobinas se realiza mediante un sensor de efecto Hall que, tiene la propiedad de cambiar de estado, encendido-apagado y viceversa, cada vez que se le acerca secuencialmente un imán que va cambiando su polaridad al revertir su posición.

Para ello se cuenta con una placa electrónica, donde se instalan todos los componentes necesarios para el correcto funcionamiento del conjunto que recibe la energía de la red o de una fuente de alimentación de las habituales.

En este documento, el inventor presenta un motor sencillo de cuatro imanes y cuatro bobinas, pero el funcionamiento es el mismo para cualquier otro número de imanes y bobinas los cuales se instalan según un reparto circular uniforme, es decir, en este caso, a 90 grados sexagesimales.

Los imanes son de sección rectangular, aunque es válida cualquier otra como la cuadrada o la circular. Las bobinas son de núcleo de aire, pero también es válido un núcleo ferromagnético para que las bobinas funcionen como electroimanes. Sus arrollamientos están conectados en serie, por lo que el cambio de flujo en cada una de ellas es simultáneo.

El plano medio de los imanes es paralelo al plano medio de las bobinas por lo que no existe el entrehierro clásico de los motores, sino que existe un entrehierro especial definido por la distancia entre los planos más próximos de imanes y bobinas que, lógicamente, se proyecta con un valor mínimo, que evite posibles rozamientos mutuos, lo cual es fácil de conseguir por estar montado el eje del rotor sobre cojinetes de bronce o preferiblemente de bolas.

En uno de los modos de realización preferidos por el inventor, el motor dispone de dos rotores montados sobre el mismo eje de forma simétrica, uno a cada lado de las bobinas.

En lo que se refiere a la regulación de la velocidad de giro del motor, se consigue regulando la tensión de alimentación pues el efecto de atracción /repulsión entre los imanes del rotor y las bobinas del estator, es proporcional a la intensidad de la corriente que circula por dichas bobinas y por supuesto, la intensidad es proporcional a la tensión de alimentación.

La alimentación de los solenoides es, como ya se ha indicado, en corriente continua realizándose directamente a través de baterías o con corriente alterna de la red convenientemente rectificada y filtrada.

Se consigue así un motor que reúne las siguientes ventajas:

- Calentamiento reducido.

- Poco consumo.

- Buen rendimiento.

- Ausencia de colector y escobillas para la conmutación.

- Mínimo desgaste de piezas móviles.

- Funcionamiento silencioso.

Breve descripción de los dibujos

Se incluyen cuatro figuras y un anexo, que se consideran suficientes para la correcta interpretación de la invención.

Figura 1

Representa la vista esquemática frontal del prototipo experimental que le sirvió al inventor para comprobar la bondad de la solución ideada por él.

Se señalan los siguientes elementos:

1. - Motor

2. - Estator

2.1. - Bobina

2.2. - Núcleo ferromagnético

3. - Rotor

3.1. - Imán

3.2. - Eje

4. - Placa electrónica

4.1- Conector

4.2. - Interruptor

4.3. - Alimentación

4.4. - Sensor Hall

4.5. - Microcontrolador PIC

4.6. - Puente Darlington

Figura 2 y 3

Representan esquemáticamente las vistas frontal (Fig.2) y lateral (Fig.3) del motor de la invención en un modo de fabricación con dos rotores.

5. - Estructura portabobinas

6. - Base soporte

Figura 4

Muestra una vista en perspectiva del motor de la invención.

Anexo

Es el esquema de componentes y conexiones de la placa electrónica.

Explicación detallada de un modo de realización de la invención

Motor de imanes (1) (Fig.1), consistente en un motor eléctrico que tiene un rotor equipado con imanes de neodimio y un estator formado por bobinas que conmutan secuencialmente su polaridad al estar comandadas por un circuito electrónico especial. En un primer modo de realización preferido por su inventor, comprende un rotor (3), en forma de placa circular, que incorpora cuatro imanes (3,1) de neodimio, uniformemente repartidos en posición radial. Comprende, además, un estator (2) donde se solidarizan cuatro bobinas (2.1), devanadas con hilo de cobre (2.2), cuyos ejes virtuales están orientados según los lados de un cuadrado. El rotor (3) gira libremente sobre el eje (3.2) montado preferiblemente sobre cojinetes de bolas o de bronce.

En este motor, las bobinas no están enfrentadas a los polos de los imanes, como es habitual en todos los motores, sino que se sitúan frente al espacio interpolar de los imanes permanentes.

La disposición esquemática general se muestra en la (Fig.1), que corresponde a un prototipo de ensayo, donde se puede observar la orientación y polaridad de los imanes (3.1) así como las de las bobinas del estator (2.1) con sus devanados de hilo de cobre (2.2) que, para funcionar como electroimanes, disponen de un núcleo ferromagnético (2.3).

También se muestra en dicha (Fig.1) un elemento importante de la invención que es un sensor de efecto Hall (4.4), colocado en un lugar muy preciso para el correcto funcionamiento de la invención. En el proceso de ensayos con los prototipos, se han utilizado dos tipos de sensores. El SS461 C y el TSH481 CT. Ambos han funcionado correctamente, aunque se ha elegido como más conveniente el segundo.

El conjunto del motor (1) está controlado por la placa electrónica (4) representada, de forma esquemática, en la parte inferior de la (Fig.1), donde se han incluido los elementos más importantes del circuito como son:

- La entrada de corriente mediante el conector (4.1)

- El interruptor (4.2)

- La fuente de alimentación (4.3)

- El sensor Hall (4.4)

- El microcontrolador PIC (4.5)

- El puente de transistores Darlington (4.6)

El detalle de montaje de la placa electrónica, con todos sus componentes, se incluye como Anexo complementario a este documento de invención pues se trata del circuito que ha servido para confirmar el buen funcionamiento de esta idea novedosa en el campo de los motores eléctricos. Es evidente que hay partes del circuito sobradamente conocidas en el campo de los montajes electrónicos por lo que no caracterizan la invención. No obstante, se recalca la presencia del transistor que actúa como sensor de efecto Hall (4.4) y su relación con el microcontrolador PIC (4.5) ya que son los que intervienen de una manera decisiva en un proceso de conmutación de muy alta frecuencia.

Una vez mencionadas las partes más importantes del motor (1), se indica a continuación, de forma resumida, el principio de funcionamiento del mismo.

Como en todos los motores de corriente continua se requiere una interacción del estator (2) sobre el rotor (3) de tal manera que el campo magnético del estator (2) actúe sobre el campo magnético del rotor (3) ejerciendo secuencialmente fuerzas de atracción y/o repulsión que son las que hacen girar al rotor (3). Para que el motor funcione es imprescindible que existan elementos de conmutación para que la atracción o repulsión mutua se produzca en el momento oportuno. En los motores tradicionales, esos elementos son un colector de delgas y unas escobillas.

En el motor que aquí se presenta, la conmutación se realiza gracias a la existencia del sensor de efecto Hall (4.4) que tiene la propiedad de cambiar de estado cuando se le aproxima el polo de un imán. Si se le aproxima el polo contrario, el sensor vuelve a cambiar de estado.

Según esto, se comprende que el paso de los imanes de neodimio (3.1) del rotor (3) provoque un cambio de estado repetitivo del sensor Hall (4.4) con el consiguiente cambio del sentido de la corriente que pasa por las bobinas del estator (2.1) y en consecuencia, la inversión del flujo correspondiente. Todo ello ocasiona atracciones y repulsiones sucesivas entre imanes (3.1) y bobinas (2.1) con su núcleo ferromagnético (2.3) que hacen girar al rotor (3). El microcontrolador PIC (4.5) interactúa con el sensor Hall (4.4) para el perfecto funcionamiento de dicha conmutación que es de una frecuencia muy elevada.

En principio, la placa electrónica está alimentada por una tensión máxima de unos 30 Voltios que es la que alimenta al motor conectado al puente Darlington (4.6).

Se puede optar también por independizar las alimentaciones del motor y de la placa, pero son detalles de montaje que no caracterizan la invención.

La misma tensión de entrada, se reduce a 5 Voltios al pasar por el transistor UA7805, que se muestra en el esquema general del Anexo. Esa tensión, precisa y estabilizada es la que se suministra a los diversos componentes de la placa electrónica (4).

El interruptor (4.2) sirve para ordenar el cambio de sentido de giro del rotor (3).

Un segundo modo de realización es el que se indica en las (Figs. 2, 3 y 4). En las dos primeras, se representan las vistas frontal (Fig.2) y lateral (Fig.3) de un motor (1) que tiene dos rotores, uno a cada lado del estator. Los dos rotores (3), son idénticos y tienen los imanes (3.1) dispuestos en la misma posición por lo que es suficiente con instalar un único sensor Hall (4.4) para controlar la conmutación del flujo de las bobinas.

La (Fig.4) es una vista en perspectiva del aspecto que tiene el motor en este segundo modo de realización, más completo y de mayor potencia que el primero.

En cuanto al control de velocidad, se realiza mediante la variación de la tensión que alimenta el motor, aplicando los diversos procedimientos bien conocidos en el estado actual de la técnica.

No se considera necesario hacer más extenso el contenido de esta descripción para que un experto en la materia pueda comprender el alcance y las ventajas derivadas de la invención, así como desarrollar y llevara la práctica el objeto de la misma. Sin embargo, debe entenderse que la invención ha sido descrita según realizaciones preferidas de la misma, pudiendo ser susceptible de modificaciones siempre que ello no repercuta o suponga alteración alguna del fundamento de dicha invención. Es decir, los términos en que ha quedado expuesta esta descripción de la invención deberán ser tomados siempre con carácter amplio y no limitativo.

Claims (6)

REIVINDICACIONES

1. Motor de imanes (1), consistente en un motor eléctrico de corriente continua,caracterizadopor disponer de un inductor que conforma el estator (2), compuesto de cuatro bobinas (2.1) con devanado de hilo de cobre (2.2) y núcleo ferromagnético (2.3), disponiendo también de un inducido que conforma el rotor (3), girando sobre un eje (3.2), equipado de cuatro imanes de neodimio (3.1), solidarizados en una placa de forma circular, dispuestos con orientación radial y colocados de manera equidistante y uniforme a 90 grados sexagesimales con idéntica orientación de sus polos magnéticos. El motor tiene un medio especial de conmutación del flujo magnético en las bobinas (2.1) en el que interviene un sensor de efecto Hall (4.4) y está controlado por una placa electrónica (4) que incorpora, al menos, un conector (4.1), un interruptor (4.2), una fuente de alimentación (4.3) estabilizada, un microcontrolador del tipo PIC (4.5) y un puente de transistores tipo Darlington (4.6), además de otros componentes que completando el circuito electrónico, permiten variar la velocidad de rotación.

2. Motor de imanes, según la reivindicación primera,caracterizadoporque las bobinas (2.1) se sitúan frente al espacio interpolar de los imanes permanentes de neodimio (3.1).

3. Motor de imanes, según la reivindicación primera,caracterizadopor disponer de un segundo rotor (3) idéntico al primero, montado sobre el mismo eje, con idéntica disposición de los imanes (3.1).

4. Motor de imanes, según la reivindicación primera,caracterizadoporque el proceso de conmutación se lleva a cabo mediante la acción conjunta del sensor Hall (4.4), del microcontrolador PIC (4.5) y de los imanes de neodimio (3.1).

5. Motor de imanes, según la reivindicación primera,caracterizadoporque cada uno de los estados del interruptor (4.2) determina un sentido de giro del motor.

6. Motor de imanes, según las reivindicaciones anteriores,caracterizadoporque la regulación de la velocidad de rotación se efectúa modificando la tensión de alimentación de las bobinas.