Noves aportacions al desenvolupament de motors elèctrics sense coixinets.
Authors:   , Prat Ayats Josep 
Published: July 2023

Ens proposem fer girar tubs de material conductor (coure o alumini) de diferents llargades i diàmetres. Aquest tub que hom vol fer girar és el secundari d'una màquina elèctrica d'inducció, i actua de rotor o part mòbil.<br/><br/> L'inductor de la màquina, que actua d'estàtor o part fixa, està alimentat per mitjà d'una font de corrent ideal. Ens trobem, per tant, en un sistema elèctric alimentat per font de corrent, en contraposició al sistema elèctric usual que s'alimenta per font de tensió. En el sistema elèctric de font de corrent, la potència en borns s'aconsegueix per variació de la tensió aplicada a la màquina, mentre que es manté fix el corrent. Cal evitar el circuit obert com calia evitar el curtcircuit en el sistema de font de tensió.<br/><br/>Aquest treball està enquadrat en un marc més ampli que amb els nous materials (nuclis de ferrites, superconductors, electrònica) es qüestiona la mateixa essència constructiva de les màquines elèctriques, de soca-rel. Els resultats són esperats per altres persones que treballen en camins paral.lels i complementaris.<br/><br/>Es contempla aprofitar aquestes noves màquines en una aplicació tèxtil.<br/><br/>Constructivament, es treballa amb un sol conductor per ranura. Fa que aquestes màquines siguin aptes per anar substituint trams de conductor rígid per superconductor. Els conductors de l'inductor van refrigerats per aigua, per així incrementar la densitat de corrent. Quan s'esdevingui la utilització amb superconductors caldrà refrigerar amb nitrogen líquid.<br/><br/>El mètode de treball és experimental, però sense menystenir altres eines (ajustaments teòrics, simulació per elements finits). Es comença per dissenyar un primer prototipus amb les dues úniques exigències de: màxima simplicitat i alimentació per font de corrent. És l'anomenada màquina de "canyeria" o Prat-1.<br/><br/>Els resultats permeten dissenyar dos nous prototipus. De cadascun se'n fan dues variants<br/><br/>Primerament, la màquina de sector d'estàtor. El seu inductor és només un arc d'estàtor (Prat-2.1). El model complet és la màquina de vuitanta conductors (Prat-2.0). De totes dues se'n construeixen i assagen els prototipus pneumàtics. De Prat-2.1 se n' estudia també la part electromagnètica.<br/><br/>Després es construeix una màquina que, alimentada en monofàsic, arrenca per variació de reluctància, i alimentada en bifàsic, arrenca per camp giratori. Es la màquina d'arrencada per reluctància (Prat-3). Se'n construeix una segona versió fent servir estany fos (que per mitjà d'uns utillatges apropiats passa a omplenar els camins destinats a circuit elèctric). Hom l'anomena màquina d'estany colat (Prat-4). Industrialment, es preveu substituir l'estany per alumini. Totes dues tenen vuit conductors de coure refrigerats amb aigua.<br/><br/>Tots aquests resultats previs permeten construir una màquina trifàsica de rotor extern i amb dos inductors (Prat-5).<br/><br/>Aquests prototipus giren sense rodaments mecànics. En el cas de Prat-2.0/ Prat-2.1 es fa servir un coixí pneumàtic. En la màquina de "canyeria" (Prat-1), s'observa un desplaçament axial del rotor cap a fora quan augmentem el corrent. Els altres tres prototipus giren sense rodaments i amb frecs poc importants. Hom no aprofundeix en tot el tema de levitació associat a aquests fenòmens, perquè en aquest treball interessaven més els aspectes constructius.<br/><br/>Destaquem com a fets més representatius haver treballat amb un sol conductor per ranura, la gran importància de les simetries en el disseny d'aquestes màquines, la necessitat d'un transformador d'intensitat sobre la pròpia màquina, i la convicció que hom ha de tendir cap a ranures cada vegada més aplanades. La màquina de "canyeria" sense ranures (pura capa de corrent), és la que millor gira, i a més, levita.
Nos proponemos hacer girar tubos de material conductor (cobre o aluminio) de distintas longitudes y diámetros. Este tubo que se quiere hacer girar es el secundario de una máquina eléctrica de inducción, y actúa de rotor o parte móvil.<br/><br/>El inductor de la máquina, que actúa de estátor o parte fija, se alimenta de una fuente de corriente ideal. Nos encontramos, por tanto, en un sistema eléctrico alimentado por fuente de corriente, en contraposición al sistema eléctrico al uso que se alimenta por fuente de tensión. En el sistema eléctrico de fuente de corriente, la potencia en bornes se consigue por variación de la tensión aplicada a la máquina, manteniéndose fija la intensidad. Cabe evitar el circuito abierto, al igual que debíamos evitar el cortocircuito en el sistema de fuente de tensión.<br/><br/>Este trabajo se encuadra en un marco mucho más amplio que con los nuevos materiales (núcleos de ferrita, superconductores, electrónica) se cuestiona la misma esencia constructivas de las máquinas eléctricas. Los resultados los esperan otros que trabajan en caminos paralelos y complementarios.<br/><br/>Se contempla aprovechar estas nuevas máquinas en una aplicación textil.<br/><br/>Constructivamente se trabaja con un solo conductor por ranura. Las hace a estas máquinas aptas para que tramos de conductor rígido puedan ser sustituidos por superconductor. Los conductores del inductor se refrigeran por agua para incrementar las densidades de corriente admisibles. En el caso de superconductores habrá que cambiar el refrigerante a nitrógeno líquido.<br/><br/>El método de trabajo es experimental, sin menoscabro de otros (ajustes teóricos, simulación por elementos finitos). Se diseña un primer prototipo con dos únicas exigencias: máxima simplicidad y alimentación por fuente de corriente. Se le llama máquina de cañeria o Prat-1.<br/><br/>Los resultados permiten diseñar dos nuevos prototipos. Dos variantes de cada uno.<br/><br/>El primero, la máquina de sector de estátor. Su inductor es un arco de estátor (Prat-2.1). El modelo completo es la máquina de ochenta conductores (Prat-2.0). De ambas se construyen y ensayan los prototipos neumáticos. De Prat-2.1 también la parte electromagnética.<br/><br/>Después se construye una máquina que, alimentada en monofásico, arranca por variación de reluctáncia, y alimentada en bifásico, arranca por campo giratorio. Es la máquina de arranque por reluctáncia (Prat-3). Se construye una segunda versión utilizando estaño fundido (mediante unos utillajes apropiados pasa a rellenar los huecos destinados a ubicar el circuito eléctrico). Se la llama máquina de colada de estaño (Prat-4). En la industria se prevé sustituir estaño por aluminio. Ambas tienen ocho conductores de cobre refrigerados por agua.<br/><br/>Estos resultados previos permiten construir una máquina trifásica de rotor externo y dos inductores (Prat-5).<br/><br/>Estos prototipos giran sin rodamientos mecánicos. En Prat-2.0/ Prat-2.1 se utiliza cojín neumático. En la máquina de cañeria (Prat-1), se observa un desplazamiento axial del rotor hacia el exterior si incrementamos la intensidad de corriente. Los tres restantes prototipos giran sin rodamientos y con fricciones de poca monta. No se profundiza en el tema de levitación asociado por tratarse de un trabajo más orientado a aspectos constructivos.<br/><br/>Como hechos más representativos se citan haber trabajado con un solo conductor por ranura, la gran importancia de las simetrías en el diseño de estas máquinas, la necesidad de un transformador de corriente sobre la propia máquina, i la convicción que hay que tender a ranuras cada vez más planas. La máquina de cañeria sin ranuras (pura capa de corriente), es la que mejor gira y encima levita
Our idea is to rotate pipes produced of conductor materials (copper or aluminium) having different lengths and diameters. The pipe to be rotated is secondary in an induction electrical device and acts as rotor, or mobile part.<br/><br/>The inductor of the device, acting as stator or fixed part, is powered by means of an ideal current source. Therefore we deal with an electical system powered by a current source, in contrast to usual electrical systems powered by means of a voltage source. In an electrical system powered by a current source, the terminal power is obtained by varying the voltage applied to the device, the current being fixed. One should avoid open circuits similar to avoiding short circuits in a system powered by a voltage source.<br/><br/>This work fits into a wider framework which, using new materials (ferrite, superconductors, electronics), puts into question the whole essense of electrical devices. The results obtained are as expected by other authors who follow parallel and complementary ways.<br/><br/>The possibility of using these new devices in textil applications is considered.<br/><br/>Constructively, we work with an only conductor per slot. This enables one to replace segments of rigid conductor by superconductors in our devices. The inductor conductors are water-cooled in order to increase the current density. When superconductors are used, cooling by liquid nitrogen will be required.<br/><br/>The working method is experimental; however, other tools are not discarded (theoretical<br/>adjustments, simulations using the finite elements). We begin with designing a first prototype to meet the only two restrictions: maximum simplicity and powering by a current source. This is the so-called "cane"device, or Prat-1.<br/><br/>The results obtained enable us to design two new prototypes. Two variants of each of these prototypes are made. <br/><br/>The first is a stator sector device. The inductor of this device is the one and only stator arc (Prat- 2.1). A complete model is a device containing eighty conductors (Prat-2.0). Pneumatic prototypes of the both devices are made and tested. The electromagnetic part of Prat-2.1 is also studied.<br/><br/>The next step is to construct a device which starts by reluctance variation, if powered in<br/>monophase, and by rotary camp, if powered in biphase. This is the reluctance started device (Prat-3).Another version of this device is constructed using fused tin (which, by means of appropriate tools, fills in the routes designed for the electic circuit). This is the so-called tin-filled device (Prat-4). In industrial applications, tin is suggested to be replaced by aluminium. Both devices have eight water-cooled copper conductors.<br/><br/>All above results enable us to construct a three-phase device having an external rotor and two inductors (Prat-5).<br/><br/>These prototypes rotate without mechanical bearings. In case of Prat-2.0/ Prat-2.1, a pneumatic bearing is used. In the "cane" device, a rotor axial displacement towards outside is observed when the current is increased. The remaining three prototypes rotate without bearings proving to have frictions of minor importance. We do not deal with the topic of levitation related to these phenomena, since our basic focus in this work has been rather on constructive aspects.<br/><br/>Let us indicate as the most significant facts that we have worked with the only conductor per slot, that symmetries are of an utmost importance for designing these devices, that an intensity transformator is required for the device, and that we are sure that there should be a tendency towards more and more plain slots. The "cane" device having no slots (a pure current layer) is the one that rotates better and, moreover, levitates.