BR102012005506A2 - Máquina elétrica rotativa de uma turbina eólica - Google Patents
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Abstract
MÁQUINA ELÉTRICA ROTATIVA DE UMA TURBINA EÓLICA. É descrita uma máquina elétrica rotativa de uma turbina eólica tendo um rotor (8), que gira em torno de um determinado eixo (A1) e tem um corpo rotativo (12); uma pluralidade de imâs permanentes (15) montados no corpo rotativo (12); uma pluralidade de canais de resfriamento (22) próximos dos imâs permanentes (15); e uma pluralidade de corpos condutores de calor (23), cada um localizado, pelo menos em parte, em contato com um imã permanente (15) e em parte no interior de um canal de resfriamento (22).
Description
Máquina elétrica rotativa de uma turbina eóiica.
A presente invenção refere-se a uma máquina elétrica rotativa de uma turbina eólica.
Mais especificamente, a presente invenção refere-se a uma máquina elétrica compreendendo um rotor, que gira em torno de um determinado eixo e compreende um corpo rotativo, e uma pluralidade de ímãs permanentes montados no corpo rotativo.
Máquinas elétricas do tipo acima, instaladas normalmente em turbinas eólicas, são grandes, e sua eficiência é inversamente proporcional à temperatura dos ímãs permanentes, pois a força magnética deles diminui à medida que a temperatura aumenta.
É um objetivo da presente invenção prover uma máquina elétrica rotativa projetada para resfriar eficientemente os ímãs permanentes.
De acordo com a presente invenção, é provida uma 15 máquina elétrica rotativa de uma turbina eólica compreendendo um rotor, que gira em torno de um determinado eixo e compreende um corpo rotativo; uma pluralidade de ímãs permanentes montados no corpo rotativo; uma pluralidade de canais de resfriamento próximos dos ímãs permanentes; e uma pluralidade de corpos condutores de calor, cada um situado, pelo menos parcialmente, em contato com um ímã permanente, e 20 parcialmente dentro de um canal de resfriamento.
O calor gerado pelos ímãs permanentes é assim transferido, parcialmente, por condução, para um canal de resfriamento, e é removido por um fluido de resfriamento. A transferência do calor é conseguida tanto pela proximidade do canal de resfriamento com o ímã permanente como pelo corpo condutor de calor.
Os corpos condutores de calor podem ficar posicionados em
contato com os ímãs permanentes, em várias configurações. Por exemplo, cada corpo condutor de calor pode ficar posicionado em contato com um ou mais ímãs permanentes, ou em contato com dois ímãs permanentes axialmente ou radialmente alinhados.
As inúmeras configurações dos corpos condutores de calor disponíveis tornam a presente invenção altamente versátil.
Em uma forma de incorporação preferida da invenção, cada ímã permanente tem um assento para alojar o corpo condutor de calor.
Esta característica proporciona uma extensa superfície de contato do ímã permanente com o corpo condutor de calor, o que melhora a troca de calor por condução entre o ímã permanente e o corpo condutor de calor.
Em outra forma de incorporação preferida da invenção, o corpo condutor de calor é um tubo de calor.
Os tubos de calor provam ser particularmente adequados para este tipo de aplicação, atuando como trocadores de calor e transferindo assim grandes quantidades de calor por unidade de tempo e de área.
De construção já conhecida, o corpo condutor de calor é feito, de uma maneira melhor, de uma haste substancialmente reta e posicionada radialmente, que não produz nenhuma perda de carga apreciável no canal de resfriamento.
Aletas de resfriamento são também convenientemente providas ao longo de parte do corpo condutor de calor alojado no interior do canal de resfriamento. As aletas de resfriamento são de preferência paralelas ao dado eixo, para melhorar a eficiência da troca de calor sem nenhum aumento apreciável da perda de carga do fluido de resfriamento que flui ao longo do canal de resfriamento.
Em uma forma de incorporação preferida da invenção, cada canal de resfriamento estende-se axialmente entre o corpo rotativo e pelo menos um ímã permanente.
Posicionar o canal de resfriamento próximo do ímã
permanente aumenta muito a eficácia do fluido de resfriamento.
Os canais de resfriamento, de preferência, compreendem primeiros canais de resfriamento, cada um estendendo-se axialmente e sendo delimitado por uma fileira de ímãs permanentes, por uma parede cilíndrica do corpo rotativo do rotor, e por dois grampos para suportar os ímãs permanentes.
O contato direto do fluido de resfriamento com a fileira de ímãs permanentes provê a remoção de uma grande quantidade de calor.
Em uma forma de incorporação preferida, os canais de resfriamento compreendem segundos canais de resfriamento, cada uma delimitado por duas fileiras radialmente espaçadas de ímãs permanentes.
Esta configuração proporciona o resfriamento simultâneo de duas fileiras de ímãs permanentes.
A máquina elétrica tem, vantajosamente, uma estrutura segmentada. Mais especificamente, o rotor compreende uma pluralidade de setores, cada um estendendo-se paralelamente ao dado eixo e associado à pelo menos um canal de resfriamento.
Cada setor ativo é, portanto, resfriado de forma independente dos outros setores ativos.
Em uma forma de incorporação preferida da invenção, o rotor compreende uma pluralidade de setores ativos, cada um compreendendo dois guias magnéticos; e duas fileiras radialmente espaçadas de ímãs permanentes presas entre os dois guias magnéticos.
Isto também provê um resfriamento eficaz dos guias magnéticos.
A presente invenção pode ser utilizada com vantagem em turbinas eólicas de acionamento direto, em que o cubo que suporta uma pluralidade de pás está ligado diretamente ao rotor da máquina elétrica rotativa. Em grandes máquinas 5 deste tipo, o resfriamento do rotor tem um efeito importante sobre a eficiência global da máquina; e, devido ao projeto das turbinas eólicas, frequentemente o rotor tem resfriamento difícil, especialmente quando ele está localizado no interior do estator.
Um certo número de formas de incorporação não Iimitativas da invenção serão descritas a título de exemplo, com referência aos desenhos anexos, nos quais:
- A figura 1 mostra uma vista lateral em corte parcial, com partes removidas por razões de clareza, de uma turbina eólica compreendendo uma máquina elétrica rotativa de acordo com a presente invenção;
- A figura 2 mostra uma vista frontal em escala ampliada, com partes removidas por razões de clareza, de um detalhe da máquina elétrica rotativa da figura 1;
- As figuras 3 a 5 mostram vistas em perspectiva em escala ampliada, com partes removidas por razões de clareza, de maneiras respectivas para conectar os ímãs permanentes e o corpo condutor de calor;
- A figura 6 mostra uma vista frontal, com partes removidas por razões de clareza, de uma variação da figura 2.
O número 1 na figura 1 indica como um todo uma turbina eólica para produzir energia elétrica. A turbina eólica 1 compreende uma estrutura de suporte 2, uma nacele 3, uma máquina elétrica rotativa 4, um cubo 5, e três pás 6 (somente duas são mostradas na figura 1). A nacele 3 está montada para girar, em 25 relação à estrutura de suporte 2, em torno de um eixo A, e o cubo 5 para girar, em relação à nacele 3, em torno de um eixo A1. A máquina elétrica rotativa 4 compreende um estator 7, definindo em parte a nacele 3 ou, de outro modo, a carcaça externa da nacele 3, e um 8 rotor conectado rigidamente ao cubo 5. Um rolamento 9 está localizado entre o estator 7 e o rotor 8 - no exemplo mostrado, um rolamento 9 está situado próximo 30 da conexão do rotor 8 com o cubo 5.
O estator 7 compreende um corpo tubular 10 e uma pluralidade de setores ativos do estator 11, dispostos em torno do eixo A1 e montados no corpo tubular 10, o rotor 8 compreende um corpo rotativo tubular 12 e uma pluralidade de setores ativos do rotor 13, dispostos em torno do eixo A1 e montados no corpo tubular 12.
Na presente invenção, o corpo tubular 12 tem a vantagem de ser extremamente leve, mas pode ser substituído com qualquer corpo rotativo com uma face projetada para suportar os setores ativos 13. Os setores ativos 11 e 13 estendem-se paralelamente ao eixo A1, ficam posicionados em frente a, e separados por, um espaçamento de ar, e são axialmente inseríveis e removíveis em relação aos respectivos corpos tubulares 10 e 12. No exemplo mostrado, a máquina elétrica rotativa 4 é do tipo síncrono, de imã 5 permanente, e cada setor ativo do estator 11 é definido por um guia magnético acoplado a uma bobina, não mostrada nos desenhos; e, como mostrado na figura 2, cada setor ativo do rotor 13 é definido por guias magnéticos 14, acoplados a ímãs permanentes 15. Mais especificamente, os ímãs permanentes 15 ficam dispostos em duas fileiras radialmente sobrepostas e fixadas entre os dois guias magnéticos 14.
Com referência à figura 2, o corpo tubular 12 compreende
uma parede cilíndrica 16 e uma pluralidade de grampos 17, concebidos para definir, ao longo da parede cilíndrica 16, uma pluralidade de assentos 18 que alojam uma pluralidade de setores ativos 13 (dos quais apenas um é mostrado na figura 2, por razões de simplicidade). Cada assento 18 alojando um setor ativo 13 estende-se entre dois 15 grampos 17, um em frente ao outro. Os pares de grampos 17 um em frente ao outro, e que definem respectivos assentos 18, ficam igualmente espaçados em torno do eixo A1, separados por espaçamentos axiais 19 cujo tamanho permite que os grampos 17 flexionem-se circunferencialmente, para a inserção e extração dos setores ativos 13 nos, e dos, respectivos assentos 18, e para saltarem para trás a fim de ficarem posicionados e 20 prenderem os setores ativos 13. Os grampos 17 atuam diretamente sobre os dois guias magnéticos 14 opostos.
Cada grampo 17 compreende uma porção de base 20 adjacente à parede cilíndrica 16, e uma porção de extremidade 21 destinada a se acoplar ao setor ativo 13, de modo a definir um canal 22 entre cada par de grampos 17, setor 25 ativo 13 e parede cilíndrica 16. Em outras palavras, o setor ativo 13 ocupa apenas parte, e projeta-se parcialmente para fora, do assento 18. O canal 22 é concebido para permitir que o fluido de resfriamento circule ainda em contato direto com uma fileira de ímãs permanentes 15.
O rotor 8 compreende uma pluralidade de corpos condutores de calor 23 (apenas um é mostrado na figura 2, por razões de simplicidade), cada um posicionado pelo menos parcialmente em contato com um ímã permanente 15, e parcialmente inserido no interior de um canal de resfriamento 22.
O corpo condutor de calor 23 fica posicionado em contato com um ou mais ímãs permanentes 15. Na figura 2, parte do corpo condutor de calor 23 está localizada no interior de dois ímãs permanentes 15 radialmente alinhados.
Nas figuras 3 e 4, o corpo condutor de calor 23 está posicionado entre dois ímãs permanentes 15 axialmente alinhados e, na figura 5, está localizado parcialmente no interior um ímã permanente 15. Nas figuras 4 e 5, os ímãs permanentes 15 têm assentos para os corpos condutores de calor 23. No exemplo da figura 4, cada ímã permanente 15 tem uma ranhura 24 (neste caso, o assento é formado por dois imãs permanentes 15 acoplados), e no exemplo da figura 5, o ímã permanente 15 tem um furo 25.
De preferência, o corpo condutor de calor 23 está conectado
a ímãs permanentes 15 por meio de um formato capaz de maximizar a área de contato entre o corpo condutor de calor 23 e os ímãs permanentes 15, e qualquer folga no interior do assento, entre o corpo condutor de calor 23 e o ímã permanente 15, pode ser eliminada utilizando-se uma pasta condutora de calor.
No exemplo mostrado, o corpo condutor de calor 23 é um
tubo de calor que fica, de preferência, substancialmente reto e posicionado radialmente, conforme mostrado mais claramente na figura 2.
Em uma forma de incorporação preferida da invenção, o corpo condutor de calor 23 tem aletas de resfriamento 26 paralelas ao eixo Al. No exemplo mostrado, as aletas de resfriamento 26 são anelares, ficando alojadas no interior do canal 22, e são integradas com a parte do corpo condutor de calor 23 que fica dentro do canal 22.
Em uma forma de incorporação, as paredes do canal 22 também têm aletas de resfriamento 27 paralelas ao eixo A1, que se estendem a partir da parede cilíndrica 16 e dos grampos 17.
Na variação figura 6, cada setor ativo 13 compreende duas fileiras axiais radialmente espaçadas de ímãs permanentes 15, para definirem um canal de resfriamento adicional 28 entre as duas fileiras de ímãs permanentes 15 e os dois guias magnéticos 14. Neste caso, o ar flui ao longo de duas faces opostas de ímãs 25 permanentes 15 em cada fileira, onde cada fileira de ímãs permanentes 15 está associada com um respectivo corpo condutor de calor 23 - no exemplo mostrado, um tubo de calor - posicionado parcialmente em contato com os ímãs permanentes 15 e parcialmente dentro de um dos canais de resfriamento 22, 28; os corpos condutores de calor 23 são dimensionados de acordo com o espaço disponível, e têm vantajosamente 30 aletas de resfriamento ao longo da parte que fica no interior do canal 22, 28.
No exemplo mostrado nos desenhos, a máquina elétrica rotativa é do tipo tubular, com o rotor no interior do estator, sendo entendido, no entanto, que a presente invenção também se aplica a geradores elétricos com o rotor disposto em torno do estator.
Claims (13)
1. Máquina elétrica rotativa, caracterizada pelo fato de compreender uma máquina elétrica rotativa (4) compreendendo um rotor (8), que gira em torno de um determinado eixo (A1) e compreende um corpo rotativo (12); uma pluralidade de ímãs permanentes (15) montados no corpo rotativo (12); uma pluralidade de canais de resfriamento (22; 28) próximos dos ímãs permanentes (15); e uma pluralidade de corpos condutores de calor (23), cada um localizado, pelo menos parcialmente, em contato com um ímã permanente (15) e parcialmente no interior de um canal de resfriamento (22; 28).
2. Máquina elétrica rotativa, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que cada corpo condutor de calor (23) está posicionado em contato com dois ímãs permanentes (15).
3. Máquina elétrica rotativa, de acordo com as reivindicações 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que o corpo condutor de calor (23) está localizado entre dois ímãs permanentes (15) axialmente alinhados.
4.Máquina elétrica rotativa, de acordo com as reivindicações 1, 2 ou 3, caracterizada pelo fato de que o corpo condutor de calor (23) está posicionado em contato com dois ímãs permanentes (15) radialmente alinhados.
5. Máquina elétrica rotativa, de acordo com as reivindicações 1, 2, 3 ou 4, caracterizada pelo fato de que cada ímã permanente (15) tem um assento (24, 25) para alojar o corpo condutor de calor (23).
6. Máquina elétrica rotativa, de acordo com as reivindicações 1, 2, 3, 4 ou 5, caracterizada pelo fato de que o corpo condutor de calor (23) é um tubo de calor.
7. Máquina elétrica rotativa, de acordo com as reivindicações 1, 2, 3, 4, 5 ou 6, caracterizada pelo fato de que o corpo condutor de calor (23) é substancialmente reto e fica posicionado radialmente.
8. Máquina elétrica rotativa, de acordo com as reivindicações 1,2,3, 4, 5, 6 ou 7, caracterizada pelo fato de que o corpo condutor de calor (23) tem aletas de resfriamento (26) alojadas no interior do canal de resfriamento (22; 28).
9. Máquina elétrica rotativa, de acordo com as reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 ou 8, caracterizada pelo fato de que os canais de resfriamento (22; 28) compreendem primeiros canais de resfriamento (22), cada um deles estendendo-se axialmente, delimitado por uma fileira de ímãs permanentes (15), por uma parede cilíndrica (16) do corpo rotativo do rotor, e por dois grampos (17) para suportar os ímãs permanentes (15).
10. Máquina elétrica rotativa, de acordo com as reivindicações 1,2,3, 4, 5, 6, 7, 8 ou 9, caracterizada pelo fato de que os canais de resfriamento (22; 28) compreendem segundos canais de resfriamento (28), cada um deles delimitado por fileiras radialmente espaçadas de imãs permanentes (15).
11. Máquina elétrica rotativa, de acordo com as reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 ou 10, caracterizada pelo fato de que o rotor (8) compreende uma pluralidade de setores ativos (13), cada um estendendo-se paralelamente ao dado eixo (A1) e associado com pelo menos um respectivo canal de resfriamento (22, 28).
12. Máquina elétrica rotativa, de acordo com a reivindicação11, caracterizada pelo fato de que o rotor (8) compreende uma pluralidade de setores ativos (13), cada um compreendendo dois guias magnéticos (14), e duas fileiras radialmente espaçadas de ímãs permanentes (15) fixados entre os dois guias magnéticos (14).
13. Turbina eólica, de acordo com as reivindicações 1, 2, 3,4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 ou 12, caracterizada pelo fato de compreender um cubo (5), uma pluralidade de pás (6) montadas no cubo (6), e uma máquina elétrica rotativa (4).
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Date | Code | Title | Description |
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B03A | Publication of a patent application or of a certificate of addition of invention [chapter 3.1 patent gazette] | ||
B08F | Application dismissed because of non-payment of annual fees [chapter 8.6 patent gazette] |
Free format text: REFERENTE A 3A ANUIDADE. |
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B08K | Patent lapsed as no evidence of payment of the annual fee has been furnished to inpi [chapter 8.11 patent gazette] |
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