ES2207370B1 - Motor de induccion electromagnetica radial y variable sobre inducido de cobre solido con ranuras. - Google Patents
Motor de induccion electromagnetica radial y variable sobre inducido de cobre solido con ranuras.Info
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Abstract
Motor de inducción electromagnética radial y variable sobre inducido de cobre sólido con ranuras que consta de seis partes bien diferenciadas formando un solo conjunto: 1. La cubierta o soporte que permite alojar las bobinas inductoras del estator. 2. El estator o conjunto de bobinas que producen los campos electromagnéticos. 3. El rotor de cobre sólido con ranuras donde aparecen las corrientes inducidas. 4. Las tapas laterales que permiten cerrar el circuito magnético para aprovechar la energía. 5. Los soportes del eje con rodamientos, donde puede girar el rotor y transmitir la potencia al exterior. 6. La base donde se fijan los distintos elementos.
Description
Motor de inducción electromagnética radial y
variable sobre inducido de cobre sólido con ranuras.
La presente invención, según se expresa en el
enunciado de esta memoria descriptiva se refiere a un motor
electromagnético de inducción radial y variable sobre un inducido
de cobre sólido que a lo largo de su perímetro tiene practicadas
ranuras longitudinales cortas y largas.
Concebido para uso industrial y diseñado para
ofrecer numerosas y notables ventajas sobre los motores eléctricos
que se conocen en la técnica actual, bien sean de corriente
continua o de corriente alterna.
En la presente invención, el estator, el rotor,
la cubierta y las tapas, forman un solo conjunto con el fin de que
funcione como un circuito magnético y que aproveche eficazmente la
intensidad del campo que generan las bobinas del estator.
La disposición de las bobinas del estator y el
diseño exclusivo del rotor esta pensado para que la potencia
transmitida al eje sea considerablemente superior a las
contempladas por la técnica actual y, no obstante, reducir el
consumo de energía a niveles suficientes como para que su
funcionamiento sea posible por otros medios, diferentes a una
línea de tendido eléctrico, por ejemplo por medio de baterías
eléctricas.
- Se conocen numerosos y diferentes tipos de
motores de corriente continua y corriente alterna. La diferencia
entre ellos estriba en la forma constructiva y el tipo de
alimentación que se aplica al rotor y al estator.
Entre las desventajas que presentan se puede
apreciar:
- El bajo rendimiento que se obtiene con relación
al consumo que necesitan.
- El peso y las dimensiones que presentan con su
construcción en relación a la potencia que pueden proporcionar, no
los hace aptos para ser instalados como fuerza motriz en medios
móviles.
- La complejidad que presenta su diseño y
posterior ejecución.
- El limite en las revoluciones por minuto queda
establecido por la velocidad con que varia la corriente de
alimentación o por el número de pares de los polos magnéticos que
compone la parte inductora.
No obstante existe un motor de tracción directa
que dispone los ejes de las bobinas del estator perpendiculares al
eje del rotor, formando una corona. Aunque este motor ofrece
ventajas considerables sobre los motores tradicionales que se
encuadran en el apartado anterior, tiene el inconveniente de no
aprovechar suficientemente bien los campos magnéticos generados,
por la disposición de las bobinas que componen el estator,
distribuidas en grupos de bobinas paralelas, verticales y
perpendiculares al eje formando una corona, y por otra parte el
rotor, cuya construcción no permite conseguir las corrientes
inducidas que se consiguen con la aplicación de la nueva
propuesta.
El dispositivo de motor electromagnético que a
continuación describimos, consta de seis partes bien diferenciadas
formando un solo conjunto:
- 1.
- La cubierta (Figs. 1 y 2) o soporte que permite alojar las bobinas inductoras del estator.
- 2.
- El estator (Figs. 3 y 4) o conjunto de bobinas que producen los campos electromagnéticos.
- 3.
- El rotor de cobre sólido con ranuras (Figs. 5 y 6) donde aparecen las corrientes inducidas.
- 4.
- Las tapas laterales (Figs. 9 y 10) que permiten cerrar el circuito magnético para aprovechar la energía.
- 5.
- Los soportes del eje con rodamientos (Figs. 11 y 12), donde puede girar el rotor (Figs. 5 y 6) y transmitir la potencia al exterior.
- 6.
- La base (Figs. 13 y 14) donde se fijan los distintos elementos.
Las ventajas de la presente invención que se
desprenden de esta memoria descriptiva, si bien a continuación
citamos las más esenciales con carácter meramente enunciativo y no
limitativo, a saber:
- _Se consigue mayor potencia en menor espacio.
- _Reducción de consumo.
- _Fácil construcción.
- _Reducción de dimensiones y tamaño.
- _Facilidad de control en ambos sentidos sin perder potencia, utilizando dispositivos electrónicos.
- _El limite de revoluciones viene establecido por los elementos mecánicos que se fijan al eje del rotor.
- _Se puede utilizar en medios móviles por su bajo peso y bajo consumo.
Para mejor comprensión de la memoria se acompañan
los dibujos adjuntos que muestran un ejemplo de realización, no
limitativo, del objeto de la invención y en los que:
La Figura 1. Muestra una vista en sección de la
cubierta, donde se alojarán el rotor y los solenoides.
La Figura 2. Muestra una vista en perspectiva de
la Fig. 1.
La Figura 3. muestra una vista en sección de las
bobinas del estator.
La Figura 4. es una vista en perspectiva de la
Fig. 3.
La Figura 5. muestra una vista en sección del
rotor
La Figura 6. es una perspectiva de la Fig. 5.
La Figura 7 muestra una vista frontal de una de
las aspas del rotor con sus cortes longitudinales largos y
cortos.
La Figura 8. es una perspectiva de la Fig. 7.
La Figura 9. muestra una vista en planta y
sección de las tapas.
La Figura 10. es una perspectiva de la Fig.
9.
La Figura 11. muestra una vista en sección del
soporte para rodamientos.
La Figura 12. es una perspectiva de la Fig.
11.
La Figura 13. muestra una vista en planta de la
base.
La Figura 14. es una perspectiva de la Fig.
13.
La Figura 15. es una vista en sección y planta
del dispositivo en su conjunto.
De acuerdo con los diseños adjuntos la presente
invención consta de una cubierta (Figs. 1 y 2) constituida por un
cilindro hueco de cobre, que permite alojar el rotor (Figs. 5 y 6),
las bobinas solenoides del estator (Figs. 3 y 4) y sirve de
soporte a las tapas laterales (Figs. 9 y 10). La pared (a) de este
cilindro hueco es de tal manera que permite encerrar el conjunto
de bobinas solenoides del estator (Fig. 3 y 4) en cada uno de los
orificios pasantes (c) de la pared que se han practicado en la
misma para tal fin, y cuyo diámetro permite alojar sin holguras las
bobinas solenoides (Figs. 3 y 4) que va a contener. En el ejemplo
que estamos examinando, el número de bobinas y orificios es
preferentemente 30.
El grosor de la pared (a) de la cubierta (Figs. 1
y 2) será el menor posible, suficiente para alojar las bobinas del
estator (Figs. 3 y 4) y dar solidez al conjunto y sin embargo
permitir que el rotor con su eje (Figs. 5 y 6) tenga el mayor
diámetro posible para conseguir la máxima potencia. Además el
entrehierro, es decir la cámara de aire existente entre el interior
de la cubierta y la superficie exterior del disco rotor, ha de ser
lo más pequeño posible, y que no exista roce entre cubierta (Figs.
1 y 2) y rotor (Figs. 5 y 6) a fin de evitar al máximo las pérdidas
de energía.
Además se han de practicar unos canales radiales
en el borde externo de la pared (a) de la cubierta (Fig 1 y 2) a lo
largo del saliente de su circunferencia externa, para permitir la
salida de los hilos de cada solenoide que compone el estator (Figs.
3 y 4) a fin de proporcionarles la energía eléctrica, que necesitan
para generar los campos magnéticos.
El estator, (Fig 3 y 4) que en este ejemplo de
realización está formado por treinta bobinas solenoides
introducidas en cada uno de los orificios practicados (c) en la
pared (a) de la cubierta preparados para tal fin.
La disposición de los solenoides que componen el
estator (Figs. 3 y 4) es tal que todos sus ejes se presentan
paralelos al eje del rotor (Fig. 5), mientras que las espiras de
todos ellos se disponen perpendicularmente a dicho eje.
Los planos de los polos norte y sur de los
distintos solenoides están enfrentados respectivamente con cada una
de las dos tapas laterales (Figs. 9 y 10). La intensidad de campo
que sale por el polo norte coincide con la tapa de este lado,
mientras que la intensidad de campo que entra por el polo sur,
después de abrazar el rotor, se encuentra con la tapa opuesta.
El campo que produce cada bobina solenoide del
estator (Figs. 3 y 4) abraza una porción del rotor (Figs. 5 y 6),
dando lugar a las corrientes inducidas en las aspas (Figs. 7 y 8)
que coinciden con la sección del espacio que ocupa dicha bobina
inductora. Este fenómeno se produce simultáneamente en todas las
bobinas que componen el estator (Figs. 3 y 4) y da lugar a un campo
magnético interior variable y radial de mas o menos intensidad que
abraza el rotor (Figs. 5 y 6) a lo largo de toda su circunferencia
y que depende de dos factores, por un lado la mayor o menor
intensidad de campo magnético, dependiente de la alimentación a cada
bobina que se desee suministrar, y por otro lado la forma que
adopta el campo magnético, en su trayectoria parabólica del polo
norte al polo sur abrazando al rotor (Fig. 5 y 6).
Es interesante notar que entre las crestas de
campo magnético que aparecen entre dos solenoides adyacentes existe
un valle magnético que facilita la recuperación de electrones de
las aspas (Figs. 7 y 8) del rotor (Figs. 5 y 6) cuando se
encuentran en el mismo y que fueron desviados hacia el eje por la
acción de la cresta del campo magnético que produce el solenoide
anterior.
El empuje electrónico hacia el eje hace girar el
rotor (Figs. 5 y 6), como consecuencia del conjunto de pares de
fuerza que aparecen en las aspas (Figs. 7 y 8) del disco rotor
(Figs. 5 y 6), mientras que los electrones recuperados vuelven a
ser empujados hacia el eje cuando se encuentran de nuevo con la
siguiente cresta magnética del siguiente solenoide, provocando un
nuevo empuje.
Este proceso continuaría aumentando la velocidad
del rotor (Figs. 5 y 6) y por tanto la potencia, por lo que es
necesario dotarlo de circuitos de control electrónicos para ajustar
sus prestaciones a nuestras necesidades, en cada caso.
Además, el empuje electrónico se realiza
simultáneamente en todas las aspas (Figs.7 y 8) que se encuentran
sometidas a la influencia de las crestas magnéticas, y por que este
empuje se realiza hacia el eje, aparecen pares de fuerza de igual
magnitud, que hacen girar al rotor (Figs. 5 y 6).
El rotor (Figs. 5 y 6) esta formado en este
ejemplo de realización por un disco con trescientas ranuras y un
eje, que forman una sola pieza maciza de cobre.
El eje puede confeccionarse, con un diámetro que
sea la tercera parte del disco. La potencia o velocidad que se
desee conseguir depende de la longitud de las ranuras
longitudinales que se practiquen a lo largo de la circunferencia del
rotor (Figs. 5 y 6). Las ranuras son de dos clases, largas (d) o
cortas (e).
En este ejemplo las sesenta ranuras largas (d)
cuya longitud llega hasta el eje, evitan las corrientes circulares
superficiales a lo largo de la longitud de la circunferencia del
mismo y por tanto se consigue aprovechar toda la potencia de empuje
que suministran los electrones retenidos dentro de los limites de
cada aspa (Figs. 7 y 8) y que han sido influidos por la inducción
del campo magnético. Asimismo en este caso, las doscientas cuarenta
ranuras cortas (e) permiten crear ciento veinte pares de fuerzas
adicionales. En otras palabras, el rotor esta formado por
trescientas aspas entre largas (d) y cortas (e), que proporcionan
ciento cincuenta pares de fuerzas de igual intensidad actuando
alternadamente.
El objeto de las tapas laterales, (Figs. 9 y 10)
es concentrar mejor los campos magnéticos producidos por el estator
(Figs. 3 y 4) para formar un circuito magnético cerrado.
Y por último los soportes con rodamientos (Figs.
11 y 12) proporcionan al rotor (Figs. 5 y 6) un medio de sujeción y
la posibilidad para girar sobre su eje y transmitir la potencia
mecánica del giro al dispositivo que vaya a accionar.
El dispositivo objeto de esta invención se
construye según se aprecia mediante las piezas que se acoplan entre
sí y se fijan a una base (Fig. 19) para unir el conjunto.
Las bobinas solenoide (Figs. 3 y 4) se introducen
en los agujeros (c) que presenta la cubierta (Figs. 1 y 2) y se
sacan los hilos al exterior por las ranuras practicadas en su
borde (f), para su posterior alimentación.
Se introduce en el hueco de la cubierta (Fig. 1)
el rotor (Figs. 5 y 6), y a continuación se montan las tapas (Figs.
9 y 10), para cerrar el circuito.
El eje, que sobresale por ambos lados de las
tapas (Figs. 9 y 10) se introduce en las dos bases que contienen
los rodamientos (Figs. 13 y 14).
Por último se fijan la cubierta (Figs. 1 y 2) y
los soportes de los rodamientos (Figs. 11 y 12) a una base
mecanizada (Figs. 13 y 14) fijada por tornillos a fin de formar un
solo conjunto (Fig. 15).
Los hilos de todas las bobinas solenoide (Figs. 3
y 4) se trenzan individualmente, y a continuación como conjunto de
manojos, con el fin de obtener dos terminales de alimentación y
suministrar la corriente eléctrica regulada que producirá los
campos magnéticos.
Por último se sitúan los soportes de los
rodamientos del eje del rotor que sujeta todo mediante los
tornillos existentes para tal fin.
Este motor permite variar sus características tan
solo con variar las dimensiones del mismo en escala. La potencia
máxima viene limitada por la resistencia del cobre a la fusión o
por razones de conveniencia en el diseño.
CÁLCULO DE LA POTENCIA MECÁNICA A 120
rpm
r.p.m = 120
velocidad tangencial = 2,676 m/s
velocidad angular = 12,56 rd/s
B = 4 Tesla
longitud del aspa = 0,00333 m.
longitud total de las aspas = 300 x 0,00333 =
0,999 m.
radio medio del rotor = 0,099335 m.
Resistencia del aspa = 0,011494252 x 10^{-2} x
3,33 x 10^{-3} = 3,827585916 x 10^{-7} \Omega
Tensión inducida = B.I.\nu = 4 x 0,00333 x
2,676 = 0,03564 V
Intensidad inducida = Vi: R = 0,03564 :
3,82758591 x 10^{-7} = 93.113 A
Fuerza mecánica = B.It.Ii = 4 x 0,999 x 93.113 =
372.079 New
Potencia mecánica = F x rmed x \omega = 372.079
x 0,098335 x 12,56 = 459.550 W
Potencia mecánica en caballos de vapor =
459.550:736 = 624 cv.
CÁLCULO DE LA POTENCIA MECÁNICA A 60
rpm
r.p.m = 60
velocidad tangencial = 1,338 m/s
velocidad angular = 6,28 rd/s
B = 4 Tesla
longitud del aspa = 0,00333 m.
longitud total de las aspas = 300 x 0,00333 =
0,999 m.
radio medio del rotor = 0,098335 m.
Resistencia del aspa = 0,011494252 x 10^{-2} x
3,33 x 10^{-3} = 3,827585916 x 10^{-7} \Omega
Tensión inducida = B.I.\nu = 4 x 0,00333 x
1,338 = 0,01782 V
Intensidad inducida = Vi : R = 0,01782 :
3,827585916 x 10^{-7} = 46.562 A
Fuerza mecánica = B.It.Ii = 4 x 0,999 x 46.562 =
186.062 New
Potencia mecánica = F x rmed x \omega = 186.062
x 0,098335 x 6,28 = 114.901 W
Potencia mecánica en caballos de vapor =
114.901:736 = 156 cv.
CÁLCULOS ELÉCTRICOS DE LAS
ASPAS
L = 3,3 mm.
A = 100 mm.
g = 1,5 mm.
S = 1,5.10^{-3} x 100.10^{-3} = 150.10^{-6}
mm^{2}
R = \rho : S =
(1,72413793.10^{-8}):(150.10^{-6}) = 0,011494252.10^{-2}
\Omega/m
Rt = 0,011494252.10^{-2} x 3,33.10^{-3} =
3,827585916 x 10^{-7} \Omega
P = 150 x 1000 = 150.000 W
Imáx = 626.012 A; para un aspa de 3,33 mm. de
profundo.
CÁLCULOS ELÉCTRICOS DE LAS BOBINAS SOLENOIDES DEL
ESTATOR
Número de bobinas que lo compone un solenoide:
80
\phi del hilo = 0,05 mm.
S = 19,6349^{-10} mm^{-2}.
R = \rho:s =
1,72413793.10^{-8}:19,6349^{-10} = 8,78 \Omega/m
| Características de las bobinas | Características del solenoide |
| Espiras por capa = 100:0,05 = 2000 | \phi 22 mm. \qquad radio medio 7 mm. |
| Número de capas = 0,1:0,05 = 2 | L 100 mm. \qquad Grueso 8 mm. |
| Número total de espiras = 2000 x 2 = 4000 | radio 11 mm. \quad Núcleo 6 mm. |
| LC = 2\pi x r = 2\pi x 7 = 43,98229715 mm. | Número total de espiras = 4.000 x 80 = 320.000 |
| LH = 43,98229715 x 4000 = 176.000 mm. | |
| It = 0,03236 x 80 = 2,58 A | |
| Rt = 8,78 \Omega/m x 176 m = 1545 \Omega | B =(4\pi x 10^{-7} x N x I):L = |
| = (4\pi x 10^{-7} x 320.000 x 2,58):(100 x 10^{-3} = | |
| = 103.748 Gauss; 10,37 Tesla | |
| Tensión máxima = 50 v. | |
| Intensidad = 50:1.545 = 0,03236A | |
| It = 0,0125 x 80 = 1 A | |
| Tensión máxima = 20 v. | B = (4\pi x 10^{-7} x N x I):L= |
| = (4\pi x 10^{-7} x 320.000 x 1):(100 x 10^{-3})= | |
| Intensidad = 19,3125:1.545 = 0,012944983 A | = 40.212 Gauss; 4 Tesla |
Claims (1)
1. Motor de inducción electromagnética radial y
variable sobre inducido de cobre sólido con ranuras, que siendo del
tipo de los construidos con una parte fija formada por el conjunto
cubierta (Figs. 1 y 2), estator, (Figs. 3 y 4), tapas (Figs. 9 y
10) y soporte para los rodamientos (Figs. 16, 17 y 18), y con otra
parte móvil, el rotor con su eje (Figs. 9 y 10) se
caracteriza porque:
La cubierta (Fig. 1 y 2) es un cilindro hueco, en
cuya pared perimetral (a) se practican unos agujeros (c) para
alojar las bobinas del estator (Figs. 3 y 4), mientras que el
agujero de su centro (b) será ocupado por el rotor con su eje (Figs,
5 y 6). Además esta cubierta se fija con tornillos a una base
(Figs. 13 y 14), con el fin de hacer un conjunto unido y
sólido.
Las bobinas del estator (Figs. 3 y 4) son
solenoides individuales y se alojan en cada uno de los agujeros (c)
practicados en la pared (a) de la cubierta (Fig. 1 y 2). Estas
bobinas se fabrican con hilo muy fino y con un diseño capaz de
disminuir al máximo su resistencia y así permitir una buena
relación amperios vuelta con el propósito de producir en el mismo
espacio grandes campos magnéticos y evitar las pérdidas por
histéresis, es decir, no impedir la extinción rápida de los campos
magnéticos en los núcleos.
El rotor (Figs. 5 y 6) está formado por un disco
del mismo grosor que el largo de los solenoides del estator (Figs.
3 y 4) y consta de ranuras que son radiales vistas desde sus
respectivas secciones y longitudinales según se mira a lo largo de
la longitud de la circunferencia exterior, que contiene al eje, el
cual puede ser una tercera parte del diámetro del disco, formando
ambos una sola pieza de cobre sólida. Las ranuras o cortes dan
origen a lo que en apariencia parecen aspas como las de una
turbina (Figs. 7 y 8), y soportan las corrientes que se inducen por
causa del campo magnético variable del estator. El eje ha de
llevar un tope (g) torneado en el mismo para evitar vaivenes
laterales.
Las tapas de cobre (Figs. 9 y 10) son discos que
se fijan a las caras laterales de la cubierta (Figs. 1 y 2), y a
las que se practica un agujero en el centro de su superficie, de
diámetro tal que permita salir el eje del rotor (Figs. 5 y 6) sin
rozar con estas. La parte interior de las tapas (Figs. 9 y 10)
disponen de un saliente circular en su borde externo (h), que
sirve de tope contra la pared de la cubierta (Fig. 1 y 2) y a la
vez crear una cámara interior de aire para impedir el contacto con
el rotor. Esta tapa puede fabricarse con acanaladura para situar
los cables de todas las bobinas solenoides.
La cubierta exterior del rotor (Figs. 1 y 2)
pueden presentar sendas acanaladuras perimetrales y exteriores a
fin de situar los cables o hilos de alimentación de las bobinas
solenoides
Los soportes que contienen los rodamientos (Figs.
11 y 12) son adaptables al tipo de rodamiento que se utilice para
alojar el eje del rotor (Figs 5 y 6) se fijan a la base (Figs. 13
y 14) al igual que la cubierta (Fig. 1 y 2) a fin de conseguir un
conjunto sólido y resistente. El que los soportes para los
rodamientos (Fig, 11 y 12) que permiten el giro al rotor (Figs 5 y
6), se sitúen fuera de las tapas (Figs. 9 y 10) tiene como
objetivo evitar en lo posible la distorsión de los campos magnéticos
generados en el interior de la cubierta (Fig. 1 y 2), o también
darle solidez al conjunto cuando sea necesario. Si los rodamientos
son de un material no magnético pueden alojarse en las tapas
(Figs. 9 y 10) con un diseño diferente y el objeto seria el
mismo.
Los hilos de todas las bobinas solenoides salen
al exterior, formando trenzas, por unos canales que se practican en
el borde (f) superior de la cubierta (Fig. 1 y 2) para su
alimentación.
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2001
- 2001-10-30 ES ES200102405A patent/ES2207370B1/es not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| ES2207370A1 (es) | 2004-05-16 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EC2A | Search report published |
Date of ref document: 20040516 Kind code of ref document: A1 |
|
| FD1A | Patent lapsed |
Effective date: 20100312 |