BR102013012881A2 - Veículo, máquina elétrica acoplada a um dispositivo acionado em um veículo, e, método de resfriamento de uma máquina elétrica acoplada a um dispositivo acionado em um veículo - Google Patents
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Abstract
Veículo, máquina elétrica acoplada a um dispositivo acionado em um veículo, e, método de resfriamento de uma máquina elétrica acoplada a um dispositivo acionado em um veículo. Um motor elétrico acoplado a um dispositivo acionado de um veículo. O motor elétrico inclui um rotor e um eixo acoplado ao rotor. O rotor possui pelo menos uma cavidade orientada radialmente e pelo menos um canal de fluido. O canal de fluido se estende em uma direção em geral axial. O canal de fluido é conectado de maneira a fluida a pelo menos uma cavidade orientada radialmente. O eixo possui um trajeto de passagem de fluido nele. A pelo menos uma cavidade orientada radialmente possui uma conexão de fluido para o trajeto de passagem de fluido do eixo. A pelo menos uma cavidade orientada radialmente leva a uma saída radial a partir do rotor para um fluxo de fluido no mesmo.
Description
“VEÍCULO, MÁQUINA ELÉTRICA ACOPLADA A UM DISPOSITIVO
ACIONADO EM UM VEÍCULO, E, MÉTODO DE RESFRIAMENTO DE
UMA MÁQUINA ELÉTRICA ACOPLADA A UM DISPOSITIVO ACIONADO EM UM VEÍCULO” CAMPO DA INVENÇÃO A presente invenção se refere a geradores e motores elétricos, e, mais particularmente, a um método e aparelho para resfriar o rotor de uma máquina elétrica.
FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO
Um motor elétrico é um dispositivo eletromagnético/mecânico que converte energia elétrica em energia térmica. Reciprocamente, um gerador elétrico é um dispositivo eletromagnético/mecânico que converte energia mecânica em energia elétrica. Máquinas elétricas tais como motores e geradores operam através da interação de campos magnéticos e condutores que portam corrente geram a força ou a eletricidade, respectivamente.
Motores elétricos são encontrados em aplicações tão diversas como bombas, sopradores, ventiladores, ferramentas de máquina, aplicações domésticas, ferramentas de energia, acionadores de disco em computadores e semelhantes.
Motores elétricos vêm em vários tamanhos a partir de motores elétricos que são utilizados em relógios até grandes geradores/motores elétricos utilizados em motores de locomotivas.
Um rotor de um motor elétrico é tipicamente a parte rotativa do motor e ele gira pois os campos magnéticos são arranjados no motor de forma que o torque é desenvolvido em tomo do eixo geométrico do rotor.
Sistemas elétricos tipicamente incluem motores e geradores de energia elétrica que possuem rotores eletromagnéticos ou de imã permanente. Calor é gerado no rotor devido à alteração de campos magnéticos, que estão presentes r no rotor fazendo com que a temperatura se eleve no rotor. E desejável resfriar o rotor para proteger os imãs ou eletroímãs a partir de danos e aumentar a densidade de energia de máquina elétrica para permitir mais energia a partir de um motor elétrico dimensionado fisicamente menor. Métodos de resfriamento convencionais incluem a circulação de óleo ou ar convectiva através do motor. Uma estrutura de resfriamento de rotor é ilustrada na Patente dos EUA No. 5.283.488 na qual um tubo de calor conformado de maneira cilíndrica é usado para resfriar um rotor. O tubo de calor possui uma câmara de vapor interna com uma extremidade de evaporador, uma extremidade de condensador e uma pluralidade de aletas radiais regularmente espaçadas na periferia do tubo de calor. Cada uma das aletas define uma câmara interna que se comunica com e se estende radialmente a partir de uma câmara de vapor. Um líquido que pode ser vaporizado é disposto dentro do tubo de calor e o trocador de calor está em contato térmico com uma extremidade de condensador do tubo de calor.
Também é conhecido o resfriamento de um rotor através da utilização de orifícios de resfriamento tendo uma forma que é convexa que passa através do rotor, como mostrado na Patente dos EUA No. 7.705.503, em que os orifícios de resfriamento são arranjados tendo um espaçamento predefinido a partir de imãs permanentes pareados. O refrigerante escoa através dos orifícios de resfriamento para remover o calor conduzido através deles. O problema com o método de resfriamento da técnica citada é que eles não resfriam o rotor como é efetivamente necessário. O que é necessário na técnica é um aparelho e um método de resfriamento eficientes para resfriar diretamente os imãs ou eletroímãs de um motor elétrico.
SUMÁRIO A presente invenção provê um método e um aparelho para resfriar um rotor em uma máquina elétrica. A invenção em uma forma é direcionada a um veículo que possui um dispositivo acionado e um motor elétrico acoplado e que aciona o dispositivo acionado. O motor elétrico inclui um rotor e um eixo acoplado ao rotor. O rotor possui pelo menos uma cavidade orientada radialmente e pelo menos um canal de fluido. O canal de fluido se estende em uma direção em geral axial. O canal de fluido é conectado de maneira fluida a pelo menos uma cavidade orientada radialmente. O eixo possui um trajeto de passagem de fluido no mesmo. A pelo menos uma cavidade orientada radialmente leva a uma saída radial a partir do rotor para um fluxo de fluido a partir da mesma. A invenção em outra forma é direcionada para um motor elétrico acoplado a um dispositivo acionado de um veículo. O motor elétrico inclui um rotor e um eixo acoplado ao rotor. O rotor possui pelo menos uma cavidade orientada radialmente e pelo menos um canal de fluido. O canal de fluido se estende em uma direção em geral axial. O canal de fluido é conectado de maneira fluida a pelo menos uma cavidade orientada radialmente. O eixo possui um trajeto de passagem de fluido no mesmo. A pelo menos uma cavidade orientada radialmente possui uma conexão de fluido ao trajeto de passagem de fluido do eixo. A pelo menos uma cavidade orientada radialmente leva a uma saída radial a partir do rotor para um fluxo de fluido da mesma. A invenção em mais uma forma é direcionada a um método para resfriar um motor elétrico acoplado a e que aciona um dispositivo acionado em um veículo. O método incluindo as etapas de mover um fluido, continuar o escoamento, divergir o fluxo e fazer com que o fluido saia do rotor. A etapa de movimentação inclui o movimento do fluido através de um trajeto de passagem de fluido em um eixo. O eixo está acoplado com o dispositivo de acionamento. A etapa de continuação incluindo a continuação do movimento do fluido a partir do trajeto de passagem de fluido em pelo menos uma cavidade orientada radialmente do rotor conectado ao eixo. A etapa de divergência inclui divergir pelo menos uma porção do fluido em pelo menos um canal de fluido no rotor. O canal de fluido se estende em uma direção em geral axial. O canal de fluido é conectado de maneira fluida a pelo menos uma cavidade orientada radialmente. A etapa de fazer com que o fluido saia do rotor inclui fazer com que o fluido saia do rotor por meio de pelo menos uma saída radial no rotor.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
As funcionalidades e vantagens mencionadas acima e outras funcionalidades e vantagens desta invenção, e a maneira de alcançar as mesma, se tomarão mais aparentes e a invenção será mais bem entendida por referência à seguinte descrição de uma modalidade da invenção tomada em conjunto com os desenhos que acompanham, em que: A Fig. 1 ilustra um veículo que utiliza uma modalidade de um motor elétrico que utiliza um método de resfriamento da presente invenção; A Fig. 2 é um motor elétrico utilizado no veículo da Fig. 1; e A fig. 3 é uma vista esquemática de seção transversal do motor elétrico da Fig. 2.
Caracteres de referência correspondentes indicam partes correspondentes através das várias vistas. O conjunto de exemplificação daqui ilustra uma modalidade da invenção, em uma forma, e tal exemplificação não deve ser interpretada como limitante do escopo da invenção de qualquer maneira.
DESCRIÇÃO DETALHADA
Com referência agora aos desenhos, e mais particularmente a Fig. 1, é ilustrado um veículo 10, o qual pode estar na forma de uma máquina agrícola, uma máquina de construção, uma máquina florestal ou outro tipo de equipamento. O veículo 10 inclui um chassi 12 com dispositivos de engate de solo 14 que são acionados tanto diretamente quanto indiretamente por pelo menos uma máquina elétrica, ilustrada como um motor elétrico 16 que é energia elétrica fornecida por meio de uma fonte de energia tal como um motor 18 com um gerador elétrico conectado a ele. A energia elétrica a partir da fonte de energia é aplicada, sob o controle do operador de máquina, ao motor elétrico 16 para acionar dispositivos acionados 14.
Agora, em referência adicionalmente às Figs. 2 e 3 é ilustrado mais detalhe do motor elétrico 16, com as conexões elétricas sendo omitidas para o bem da clareza. A energia mecânica a partir do motor elétrico 16 pode ser suplementar a um acionamento mecânico que provê energia para o dispositivo acionado 14 ou o motor elétrico 16 pode ser o único acionador dos dispositivos acionados 14. O motor elétrico 16 é resfriado por um fornecimento de refrigerante de fluido 20 que possui fluido 22 fornecido a partir dele e pode incluir uma bomba externa, tanque de fornecimento e sistema de resfriamento, não separadamente ilustrados. O motor elétrico 16 inclui um eixo 24, um rotor 26 e um estator 28. Um alojamento engloba estes elementos contendo desta forma fluido 22 e ajuda a prover um trajeto de fluxo de fluido de retomo. O eixo 24 possui um trajeto de passagem de fluido 30 que permite o fluido 22 para escoar para o motor elétrico 16 e através de uma porção de eixo 24 em uma direção axial 38. O rotor 26 é conectado ao eixo 24 e se estende para fora a partir dali em uma direção em geral radial 54. O rotor 26 inclui cavidades orientadas radialmente 32 e 34, um canal fluido 36, saídas fluidas 40 e 42, laminações 44 e tampas de extremidade de rotor 46 e 48. O estator 28 inclui laminações de estator 50 e 52 e curvas de extremidade 52. As cavidades orientadas radialmente 32 e 34 são formadas respectivamente por tampas de extremidade de rotor 46 e 48, as quais estão em contato respectivamente com as laminações de extremidade da pilha de laminação 44. As cavidades orientadas radialmente 32 e 34 podem se estender substancialmente em tomo de uma face das respectivas laminações de extremidade. O fluxo de fluido 22, nas cavidades orientadas radialmente 32 e 34, está em uma direção em geral radial 54 apesar de um trajeto de serpentina também ser contemplado. A forma das cavidades orientadas radialmente 32 e 34 pode ser usada para interromper o fluxo de fluido 22 enquanto ele se aproxima das saídas de fluido 40 e 42. O canal de fluido 36 se estende a partir da cavidade orientada radialmente 32 através da pilha de laminação 44 até a cavidade orientada radialmente 34. As cavidades orientadas radialmente 32 e 34 podem ser substancialmente similares. O fluxo de fluido 22 através do canal de fluido 36 está em uma direção em geral axial 38, mas em uma direção oposta ao fluxo de fluido 22 que entra no eixo 24 e passa através do trajeto de passagem de fluido 30. O fluido 22 escoa através do canal de fluido 36 em uma direção substancialmente normal ao fluxo de fluido 22 nas cavidades orientadas radialmente 32 e 34. As saídas de fluido 40 e 42 podem ser distribuídas em tomo da circunferência do rotor 26 e podem ser segmentadas ou estarem na forma de fendas entre tampas de extremidade de rotor 46 e 48 e laminações 44. Adicionalmente, as saídas de fluido 40 e 42 podem ser perfurações nas tampas de extremidade de rotor 46 e 48 ou algum outro arranjo. As saídas de fluido 40 e 42 podem ser dimensionadas para controlar o fluxo de fluido 22 tal que o fluido 22 irá escoar através do canal de fluido 36. As saídas de fluido 40 e 42 podem ser dimensionadas diferentemente para controlar a quantidade de fluido 22 que passa através do canal de fluido 36. Múltiplos canais de fluido 36 podem ser espaçados em tomo do rotor 26. Adicionalmente, os canais de fluido 36 podem viajar em uma direção espiral ou alguma outra maneira quase em serpentina que viaja em uma direção em geral axial 38 a partir da cavidade orientada radialmente 32 através das laminações 44 para a cavidade orientada radialmente 34. O movimento do rotor 26 pode garantir o fluxo de fluido 22 através do trajeto de passagem 30, a cavidade orientada radialmente 32, o canal de fluido 36 e a cavidade orientada radialmente 34 de tal maneira que quando a velocidade de motor aumenta mais fluido é retirado através do rotor 26.
Como o fluido 22 parte das saídas de fluido 40 e 42 algum fluido entra em contato com as curvas de extremidade de estator 52 bem como as laminações de estator 50. O fluido 22 então é gerado dentro do alojamento do motor elétrico 16 e parte do mesmo portando o calor coletado em sua viagem através do motor elétrico 16 para a dissipação do calor acumulado por meio do fornecimento de refrigerante de fluido 20 por meios convencionais.
Como visto na Fig. 3, o fluido 22 é introduzido em uma extremidade de um eixo de rotor de máquina elétrica 24. O eixo 24 contém um orifício radial que se estende a partir do trajeto de passagem de fluido 30 para introduzir óleo na cavidade orientada radialmente 32 formada pela tampa de extremidade de rotor 46 e laminações 44. Uma vez que o fluido 22 está na cavidade orientada radialmente 32, o fluido 22 pode então escoar radialmente então escoa axialmente no canal de fluido 36 que se estende através das laminações 44 para a cavidade orientada radialmente 34 na extremidade oposta do rotor 26. O fluido em ambas as cavidades 32 ou 34 irá escoar radialmente fora das tampas de extremidade de rotor 46 e 48 através de canais usinados ou fundidos que direcionam fluido 22 para o lado inferior do estator 24. Este fluxo de fluido 22 permite que calor seja portado para longe do rotor 26 e pelo menos uma porção do estator 28 para desta forma efetivamente resfriar o motor elétrico 16 de uma maneira econômica eficiente.
Também é mostrado na Fig. 3 um dispositivo de interface 56 que acopla um tubo de fornecimento de fluido com o eixo rotativo 24 que permite o fluxo de fluido 22 através dele para resfriamento do rotor 26 especificamente e do motor elétrico 16 em geral. Apesar do fluxo de fluido ser ilustrado nas saídas de fluido 40 e 42 no topo da ilustração como uma superfície curvada que se estende a partir do rotor 26, isto não é mostrado no fundo da ilustração, mas o fluido 22 também está se movendo de uma maneira similar no mesmo. Vários canais de fluido 36 podem existir em tomo do rotor 26 para resfriar substancialmente uniformemente o rotor 26. O fornecimento de refrigerante de fluido 20 é esquematicamente mostrado como uma caixa e pode incluir uma bomba, um tanque de armazenamento de fluido, um trocador de calor e um tanque de expansão como é necessário para resfriar o fluido 22 e para fornecer fluido resfriado 22 ao motor elétrico 16.
Enquanto esta invenção foi descrita com relação a pelo menos uma modalidade, a presente invenção pode ser adicionalmente modificada dentro do espírito e escopo desta divulgação. Este pedido portanto tem por intenção cobrir quaisquer variações, usos ou adaptações da invenção utilizando seus princípios gerais. Adicionalmente, este pedido tem por intenção cobrir tais fugas da presente divulgação como vêm dentro da prática costumeira e conhecida na técnica a qual esta invenção pertence e que cai dentro dos limites das reivindicações anexas.
Claims (20)
1. Veículo, caracterizado pelo fato de que compreende: um dispositivo acionado; e um motor elétrico acoplado e que aciona o dispositivo acionado, o motor elétrico incluindo: um rotor tendo pelo menos uma cavidade orientada radialmente e pelo menos um canal de fluido, o dito canal de fluido se estendendo em uma direção em geral axial, o dito canal de fluido sendo conectado de maneira fluida a pelo menos uma cavidade orientada radialmente; e um eixo acoplado ao dito rotor; o dito eixo tendo um trajeto de passagem de fluido no mesmo, a dita pelo menos uma cavidade orientada radialmente tendo uma conexão de fluido para o dito trajeto de conexão de fluido, a dita pelo menos uma cavidade orientada radialmente levando a uma saída radial configurada para um fluxo de fluido a partir do dito rotor.
2. Veículo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dito motor elétrico inclui um estator posicionado para encontrar pelo menos parte do fluido que sai do dito rotor.
3. Veículo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a dita pelo menos uma cavidade orientada radialmente e dito pelo menos um canal de fluido são configurados de modo que pelo menos parte do fluido na dita pelo menos uma cavidade orientada radialmente seja divergida para escoar através do dito canal de fluido.
4. Veículo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a dita pelo menos uma cavidade orientada radialmente inclui uma primeira cavidade orientada radialmente e uma segunda cavidade orientada radialmente, o dito canal de fluido conectando de maneira fluida a dita primeira cavidade orientada radialmente à dita segunda cavidade orientada radialmente.
5. Veículo de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o fluido escoa no dito trajeto de passagem de fluido em uma primeira direção, o fluido escoando no dito canal de fluido em uma segunda direção, a dita primeira direção e a dita segunda direção sendo substancialmente opostas.
6. Veículo de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o dito rotor inclui adicionalmente: pelo menos uma tampa de extremidade; e uma pluralidade de laminações através das quais o dito canal de fluido se estende, a dita tampa estando em contato com pelo menos uma da dita pluralidade de laminações com a dita pelo menos uma cavidade orientada radialmente estando entre as mesmas.
7. Veículo de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a dita pelo menos uma tampa de extremidade inclui uma primeira tampa de extremidade e uma segunda tampa de extremidade, a dita primeira tampa de extremidade estando em contato com uma laminação em uma extremidade da dita pluralidade de laminações e a dita segunda tampa de extremidade estando em contato com uma laminação em uma extremidade oposta da dita pluralidade de laminações, a dita primeira tampa de extremidade associada com a dita primeira cavidade orientada radialmente e a dita segunda tampa de extremidade estando associada com a dita segunda cavidade orientada radialmente.
8. Veículo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a dita pelo menos uma cavidade orientada radialmente inclui uma primeira cavidade orientada radialmente e uma segunda cavidade orientada radialmente, o dito canal de fluido estando conectado de maneira fluida à dita primeira cavidade orientada radialmente e á dita segunda cavidade orientada radialmente, o dito rotor estando configurado de forma que pelo menos parte do fluido que escoa a partir do dito trajeto de passagem de fluido para a dita primeira cavidade orientada radialmente, então escoa para o dito canal de fluido, então para a dita segunda cavidade orientada radialmente.
9. Máquina elétrica acoplada a um dispositivo acionado em um veículo, caracterizada pelo fato de que compreende: um rotor tendo pelo menos uma cavidade orientada radialmente e pelo menos um canal de fluido, o dito canal de fluido se estendendo em uma direção em geral axial, o dito canal de fluido estando conectado de maneira fluida à dita pelo menos uma cavidade orientada radialmente; e um eixo acoplado ao dito rotor, o dito eixo tendo um trajeto de passagem de fluido no mesmo, a dita pelo menos uma cavidade orientada radialmente tendo uma conexão de fluido para o dito trajeto de passagem de fluido, a dita pelo menos uma cavidade orientada radialmente levando a uma saída radial a partir do dito rotor para um fluxo de fluido.
10. Máquina elétrica de acordo com a reivindicação 9, caracterizada pelo fato de que compreende adicionalmente um estator posicionado para encontrar pelo menos parte do fluido que sai a partir do dito rotor.
11. Máquina elétrica de acordo com a reivindicação 10, caracterizada pelo fato de que a dita pelo menos uma cavidade orientada radialmente e o dito pelo menos um canal de fluido são configurados de modo que pelo menos parte do fluido na dita pelo menos uma cavidade orientada radialmente seja divergido para escoar através do dito canal de fluido.
12. Máquina elétrica de acordo com a reivindicação 11, caracterizada pelo fato de que a dita pelo menos uma cavidade orientada radialmente inclui uma primeira cavidade orientada radialmente e uma segunda cavidade orientada radialmente, o dito canal de fluido conectando de maneira fluida a dita primeira cavidade orientada radialmente à dita segunda cavidade orientada radialmente.
13. Máquina elétrica de acordo com a reivindicação 11, caracterizada pelo fato de que o fluido escoa no dito trajeto de passagem de fluido em uma primeira direção, o fluido escoando no dito canal de fluido em uma segunda direção, a dita primeira direção e a dita segunda direção sendo substancialmente opostas.
14. Máquina elétrica de acordo com a reivindicação 13, caracterizada pelo fato de que o dito rotor inclui adicionalmente: pelo menos uma tampa de extremidade; e uma pluralidade de laminações através das quais o dito canal de fluido se estende, a dita tampa estando em contato com pelo menos uma da dita pluralidade de laminações com a dita pelo menos uma cavidade orientada radialmente estando entre as mesmas.
15. Máquina elétrica de acordo com a reivindicação 14, caracterizada pelo fato de que a dita pelo menos uma tampa de extremidade inclui uma primeira tampa de extremidade e uma segunda tampa de extremidade, a dita primeira tampa de extremidade estando em contato com uma laminação em uma extremidade da dita pluralidade de laminações e a dita segunda tampa de extremidade estando em contato com uma laminação em uma extremidade oposta da dita pluralidade de laminações, a dita primeira tampa de extremidade associada com a dita primeira cavidade orientada radialmente e a dita segunda tampa de extremidade estando associada com a dita segunda cavidade orientada radialmente.
16. Máquina elétrica de acordo com a reivindicação 9, caracterizada pelo fato de que a dita pelo menos uma cavidade orientada radialmente inclui uma primeira cavidade orientada radialmente e uma segunda cavidade orientada radialmente, o dito canal de fluido estando conectado de maneira fluida à dita primeira cavidade orientada radialmente e á dita segunda cavidade orientada radialmente, o dito rotor estando configurado de forma que pelo menos parte do fluido que escoa a partir do dito trajeto de passagem de fluido para a dita primeira cavidade orientada radialmente, então escoe para o dito canal de fluido, então para a dita segunda cavidade orientada radialmente.
17. Método de resfriamento de uma máquina elétrica acoplada a um dispositivo acionado em um veículo, caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de: mover um fluido através de um trajeto de passagem de fluido em um eixo, o dito eixo estando acoplado com o dispositivo acionado; continuar o movimento do fluido a partir do trajeto de passagem de fluido em pelo menos uma cavidade orientada radialmente de um rotor conectado ao dito eixo; divergir pelo menos uma porção do fluido em pelo menos um canal de fluido no dito rotor, o dito canal de fluido se estende em uma direção em geral axial, o dito canal de fluido estando conectado de maneira fluida à dita pelo menos uma cavidade orientada radialmente; e fazer com que o fluido saia do rotor por meio de pelo menos uma saída radial no dito rotor.
18. Método de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que um estator está posicionado para encontrar pelo menos parte do fluido que sai do dito rotor.
19. Método de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que a dita pelo menos uma cavidade orientada radialmente inclui uma primeira cavidade orientada radialmente e uma segunda cavidade orientada radialmente, o dito canal de fluido conectando de maneira fluida a dita primeira cavidade orientada radialmente à dita segunda cavidade orientada radialmente.
20. Método de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que o fluido escoa no dito trajeto de passagem de fluido em uma primeira direção, o fluido escoando no dito canal de fluido em uma segunda direção, a dita primeira direção e a dita segunda direção sendo substancialmente opostas.
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