BR102014006547A2 - compressor alternativo de refrigeração e método de montagem de um compressor alternativo de refrigeração - Google Patents
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Abstract
resumo "compressor alternativo de refrigeração e método de montagem de um compressor alternativo de refrigeração" o compressor compreende: um bloco (b) carregando um cilindro (11) e um cubo de mancal (50) que aloja um eixo de manivela (60); uma placa de válvulas (40) fechando um extremo do cilindro (11); um pistão (20) reciprocante no cilindro (11) e acionado pelo giro do eixo de manivela (60); um motor elétrico (m) tendo um estator (70) fixado ao bloco (b) e provido de ranhuras de enrolamento (71) e de dentes (72), cada um carregando uma respectiva sapata (72a), e um rotor (80) fixado ao eixo de manivela (60) e carregando segmentos de imã (81). o estator (70), o rotor (80) e o eixo de manivela (60) são montados indexados para apresentarem, entre si, um posicionamento relativo que produz, quando da parada do motor elétrico (m) e estando o eixo de manivela (60) e o rotor (80) na condição de ponto morto superior do pistão (20), um cogging torque capaz de afastar o pistão do ponto morto superior. 1/1
Description
"COMPRESSOR ALTERNATIVO DE REFRIGERAÇÃO E MÉTODO DE MONTAGEM DE UM COMPRESSOR ALTERNATIVO DE REFRIGERAÇÃO" Campo da invenção [001] A presente invenção diz respeito a um compressor de refrigeração do tipo provido de um pistão que é acionado, em movimento linear reciprocante no interior de um cilindro, por uma biela acoplada ao excêntrico de um eixo de manivela fixado ao rotor de um motor elétrico, sendo o conjunto eletromecânico do compressor, incluindo o eixo de manivela, o motor elétrico, a biela e o pistão, construido e montado de modo a evitar a parada do pistão no ponto morto superior ou em suas proximidades, quando do desligamento do motor elétrico para parada do compressor.
Antecedentes da invenção [002] Nos compressores de refrigeração de pistão reciprocante, a câmara de compressão é definida no interior do cilindro, entre o topo do pistão e uma placa de válvulas, contendo as válvulas de sucção e de descarga, fixada ao bloco do compressor e fechando um dos extremos do cilindro.
[003] No tipo de compressor aqui considerado, a parada do pistão no ponto morto superior, ou nas suas proximidades, reduz a capacidade de vedação da ou das válvulas de descarga, elevando significativamente o retorno de fluido refrigerante, do condensador do sistema de refrigeração, para a região do compressor mantida a baixa pressão.
[004] O gráfico, representado na figura 1 dos desenhos anexos, mostra a redução de pressão na região de descarga do compressor, em função da posição do excêntrico do eixo de manivela, após o desligamento do motor, para parada do compressor. A posição de 180° representa o ponto morto superior do pistão, enquanto que as posições 0o e 360° representam o ponto morto inferior.
[005] Pode ser observado que a taxa de queda de pressão, que representa o vazamento através da(s) válvula(s) de descarga, é pelo menos cinco vezes maior nas situações em que o compressor para com o pistão no ponto morto superior (180°) ou nas suas proximidades.
[006] A redução da capacidade de vedação da(s) válvula(s) de descarga, devido à parada do pistão no ponto morto superior ou nas suas proximidades, é explicada pelas condições de pressão reinantes na região da descarga do compressor, conforme esquematicamente representado na figura 2 dos desenhos anexos. Na situação em que o pistão 20 para no ponto morto superior ou nas suas proximidades, a diferença de pressão entre o interior da câmara de compressão Ceo lado de jusante da(s) válvula(s) de descarga 40a, no interior da tampa 41 do cilindro 11, é pequena, reduzindo a força resultante do necessário diferencial de pressão com a função de fechar a{s) válvula (s) de descarga 40a, pressionando-a (s) contra a respectiva sede de descarga definida na placa de válvulas 40. Não havendo um diferencial de pressão mínimo entre os dois lados da(s) válvula(s) de descarga 40a, a força de fechamento da (s) válvula(s) de descarga 40a será insuficiente para garantir um fechamento mais eficiente à passagem de gás através da respectiva sede na placa de válvulas 4 0.
[007] Após vazar pela(s) válvula(s) de descarga 40a não completamente fechada(s), o fluido refrigerante segue através da folga radial existente entre o cilindro 11 e o pistão 20 até a região do compressor e do sistema de refrigeração, que se encontra a baixa pressão.
[008] Elevados vazamentos através da(s) válvula (s) de descarga 40a após a parada do compressor são indesejados, pois, ao escoar do condensador para o evaporador do sistema de refrigeração, passando através do compressor, o fluido refrigerante, contido no lado de baixa pressão do sistema de refrigeração, irá absorver a energia térmica contida no corpo do compressor, transferindo a referida energia térmica para o interior do equipamento de refrigeração no qual se encontra instalado o evaporador do sistema. Este processo eleva a carga térmica no evaporador, prejudicando a eficiência energética do sistema de refrigeração.
[009] Adicionalmente, os vazamentos através da(s) válvula(s) de descarga 40a, após a parada do compressor, reduzem a economia de energia obtida pelo uso de válvulas de bloqueio instaladas entre o condensador e o dispositivo de expansão, cuja função é evitar uma nova compressão do fluido refrigerante já armazenado, a alta pressão, no condensador do sistema de refrigeração.
[0010] Diante dos prejuízos à eficiência energética de um sistema de refrigeração, causados quando da parada do compressor com o pistão 20 no ponto morto superior, passa a ser desejável a provisão de uma solução técnica que evite a referida condição operacional.
Sumário da invenção [0011] Considerando os fatos acima comentados e relacionados ao estado atual da técnica, a presente invenção tem o objetivo de prover um compressor alternativo de refrigeração, construído de modo a evitar que, quando da parada do motor elétrico do compressor, o pistão permaneça na posição de ponto morto superior ou em posições próximas a este, nas quais o diferencial de pressão entre o lado de jusante e o lado de montante da(s) válvula(s) de descarga é insuficiente para garantir o fechamento estanque desta última.
[0012] A invenção tem ainda o objetivo de prover um novo método de montagem para o tipo de compressor alternativo aqui considerado.
[0013] Estes e outros objetivos da invenção são alcançados a partir de um compressor alternativo de refrigeração do tipo que compreende: um bloco carregando um cilindro e um cubo de mancai que aloja um eixo de manivela provido de um excêntrico; uma placa de válvulas fechando um extremo do cilindro; um pistão reciprocante no interior do cilindro e acionado por uma biela acoplada ao excêntrico do eixo de manivela; um motor elétrico tendo um estator fixado ao bloco e provido de pluralidade de ranhuras de enrolamento intercaladas por dentes que carregam, cada um, uma sapata adjacente ao entreferro de estator, e um rotor fixado ao eixo de manivela e carregando segmentos de imã, circunferenciais e periféricos.
[0014] De acordo com um aspecto da invenção, o estator, o rotor e o eixo de manivela apresentam, entre si, um posicionamento relativo que produz, quando da parada do motor elétrico e estando o conjunto eixo de manivela e rotor na posição de ponto morto superior do pistão, um cogging torque capaz de afastar o pistão do ponto morto superior, garantindo a vedação das válvulas de descarga. O cogging torque é definido como o torque resultante da variação da relutância à passagem de fluxo magnético útil, gerado pelo imã, entre pelo menos um segmento de imã do rotor e um confrontante dente de estator.
[0015] A invenção prove ainda um método de montagem do compressor acima citado, segundo o qual o rotor é fixado ao eixo de manivela, já alojado no cubo de mancai, com o eixo de manivela retido com seu excêntrico em uma posição correspondente àquela de ponto morto superior do pistão e na qual é gerado um cogging torque capaz de afastar o pistão do ponto morto superior.
[0016] A construção em questão proposta não exige nenhuma alteração construtiva relevante no compressor. Entretanto, de acordo com a solução construtiva ora proposta, caso ocorra a parada do motor elétrico do compressor em uma posição do conjunto rotor-eixo de manivela na condição de ponto morto superior do pistão, pelo menos um dos segmentos de imã do rotor produzirá, com um confrontante dente de estator, um cogging torque capaz de afastar o pistão do ponto morto superior e suas proximidades, após a parada do motor, criando uma posição de equilibrio instável, permitindo que os fluxos magnéticos circulantes pelo entreferro forcem o rotor e o eixo de manivela a girarem, em conjunto, para uma posição de relutância mínima à passagem do fluxo magnético, estabilizando o conjunto rotor-eixo em uma posição na qual o pistão é deslocado para fora de seu ponto morto superior, por uma distância capaz de produzir um diferencial de pressão, entre o interior da câmara de compressão do cilindro e o lado de jusante da(s) válvula(s) de descarga, suficiente para garantir o fechamento da válvula de descarga.
[0017] A solução proposta pela invenção transforma o usual sistema de parada do motor elétrico do compressor em posições aleatórias do pistão no interior do cilindro, em um sistema controlado pelo qual, ocorrendo a parada do motor com o pistão na posição de ponto morto superior ou em sua proximidade, o conjunto rotor e eixo de manivela será magneticamente girado para uma posição de equilíbrio estável, afastando o pistão do ponto morto superior.
Breve descrição dos desenhos [0018] A seguir, a invenção será descrita fazendo-se referencia aos desenhos anexos, dados a titulo exemplificativo e nos quais: [0019] A figura 1 representa um gráfico ilustrando a redução de pressão na região de descarga do compressor em função do ângulo de parada do pistão com a parada do motor elétrico do compressor;
[0020] A figura 2 ilustra, de modo esquemático, a condição de elevado vazamento de gás através da válvula de descarga quando da parada do motor elétrico do compressor com o pistão na posição de ponto morto superior;
[0021] A figura 3 representa uma vista em planta esquemática do conjunto formado pelo estator, rotor, eixo de manivela, biela e pistão na posição de ponto morto superior, na qual o rotor tem um par de segmentos de imã definindo, com respectivos dentes e sapatas de estator, uma condição, na qual o cogging torque é capaz de afastar o pistão do ponto morto superior e suas proximidades. ;
[0022] A figura 4 representa uma vista semelhante àquela da figura 3, mas ilustrando o pistão afastado de sua posição de ponto morto superior, com o eixo de manivela girado adicionalmente no sentido horário, a partir da posição de ponto morto superior do pistão, com os segmentos de imã do rotor definindo, com respectivos dentes e sapatas de estator, uma condição estável, ou seja, de relutância mínima à passagem do fluxo magnético útil formado entre ditos segmentos de imã e respectivos dentes e sapatas de estator; e [0023] A figura 5 representa uma vista semelhante àquela da figura 4, mas ilustrando o pistão afastado de sua posição de ponto morto superior com o eixo de manivela girado adicionalmente no sentido anti-horário, a partir da posição de ponto morto superior do pistão, com os segmentos de imã do rotor definindo, com respectivos dentes e sapatas de estator, uma condição estável, ou seja, de relutância mínima à passagem do fluxo magnético útil formado entre ditos segmentos de imã e respectivos dentes e sapatas de estator. Descrição detalhada da invenção [0024] De acordo com o ilustrado e já anteriormente mencionado, a presente invenção é aplicável a um compressor de refrigeração, mais especificamente a um compressor alternativo, hermético ou não, do tipo descrito anteriormente e que apresenta, no interior de uma carcaça (não ilustrada), um bloco B, geralmente formado em ferro fundido e apresentando uma face externa F, usualmente plana.
[0025] O bloco B carrega pelo menos um cubo de pistão 10 que define um cilindro 11 tendo um extremo aberto para a face externa F do bloco e em cujo interior é alojado e deslocado, em movimento linear reciprocante, um pistão 20. O cilindro 11 tem o referido extremo fechado por uma placa de válvulas 40 e por uma tampa de cilindro 41, as quais são assentadas e fixadas, geralmente por parafusos (não ilustrados), contra a face externa F do bloco B, conforme ilustrado na figura 2. A placa de válvulas 40 carrega pelo menos uma válvula de descarga 40a e uma válvula de sucção não ilustrada, ditas válvulas sendo do tipo palheta e apresentando qualquer construção adequada à operação por diferencial de pressão entre seus lados de montante e de jusante, para estabelecerem comunicação fluida seletiva entre uma câmara de compressão C, definida no interior do cilindro 11, entre o pistão 20 e aplaca de válvulas 40, e os lados de sucção e de descarga do compressor.
[0026] O bloco B carrega ainda um cubo de mancai 50 que aloja um eixo de manivela 60 provido de um excêntrico 61 no qual é acoplado um extremo de uma biela 62 cujo extremo oposto é acoplado ao pistão 20, para desloca-lo, em movimento reciprocante, no interior do cilindro 11, entre posições de ponto morto superior e de ponto morto inferior, por meio da aplicação de rotação ao eixo de manivela 40.
[0027] 0 compressor é acionado por um motor elétrico M tendo um estator 70 fixado ao bloco B e provido de pluralidade de ranhuras de enrolamento 71 intercaladas por dentes 72 que carregam, cada um, uma respectiva sapata 72a, e um rotor 80, fixado ao eixo de manivela 60 e carregando segmentos de imã 81, dispostos substancialmente em alinhamento circunferencial periférico.
[0028] De acordo com a invenção, uma das formas para a montagem do conjunto eletromecânico do compressor é feita com a fixação do estator 70 em uma determinada posição de projeto no bloco B do compressor. Estando a posição do estator 70 definida em relação ao bloco B e, consequentemente, ao cilindro 11 que é definido no cubo de pistão 10, o eixo de manivela 60 é montado no cubo de mancai 50 do bloco B e rotativamente posicionando no ponto morto superior do pistão 20 .
[0029] Estando o eixo de manivela 60 montado e angularmente posicionado no cubo de mancai 50, o rotor 80 do motor elétrico M pode ser fixado a uma correspondente extensão do eixo de manivela 60, em um posicionamento angular relativo, no qual, estando o excêntrico 61 do eixo de manivela 60 na posição de ponto morto superior do pistão 20 seja gerado um cogging torque capaz de afastar o pistão do ponto morto superior e suas proximidades^ [0030] De modo mais especifico, a solução proposta provê a fixação do rotor 80 ao eixo de manivela 60 em uma posição relativa na qual o eixo radial de simetria de pelo menos um segmento de imã 81 é coincidente com o eixo radial de simetria de uma correspondente ranhura de enrolamento 71, com ditos eixos radiais de simetria estando posicionados entre os dois dentes 72 adjacentes à referida ranhura de enrolamento 71 .
[0031] De acordo com a invenção, a indexação da fixação do eixo de manivela 60 no rotor 80 e a fixação do estator 70 no bloco B, com a indexação de pelo menos uma ranhura de estator 71, em relação à posição rotacional do conjunto eixo de manivela 60 e rotor 80, correspondente à posição de ponto morto superior do pistão 20, permite que, nesta posição do pistão 20, as forças magnéticas (não ilustradas), presentes no conjunto rotor-estator, sejam utilizadas para evitar que o pistão permaneça estacionado na posição de ponto morto superior, caso esta posição de pistão ocorra quando de uma parada do motor elétrico do compressor.
[0032] Na posição de ponto morto superior do pistão 20, as forças magnéticas atuantes sobre o rotor 80, criam uma condição de grande instabilidade para este último, forçando seu giro adicional, num ou noutro sentido, por um ângulo que corresponde a 1/p da distância angular entre cada duas posições consecutivas de condição de instabilidade do rotor 80, sendo p é o número de polos do rotor.
[0033] Considerando que o rotor 80 apresenta um número par de segmentos de imã 81, a distância angular entre cada duas posições consecutivas de instabilidade magnética do rotor 80 corresponderá à razão de 360° para a metade do produto do número de segmentos de imã 81 pelo número de ranhuras de estator 71. No exemplo ilustrado nas figuras 3, 4 e 5, o rotor apresenta quatro segmentos de imã 81 (quatro polos) e o estator 70 apresenta seis ranhuras de estator 71. Neste caso, o motor M apresenta 12 posições de instabilidade (natureza instável) e 12 posições de estabilidade (natureza estável) magnética do rotor 80, intercaladas entre si, sendo cada duas posições consecutivas, de mesma natureza, angularmente distanciadas entre si por um ângulo de 30° e ainda distanciadas das adjacentes ou consecutivas posições de outra natureza, por um ângulo de 15° .
[0034] Na solução em questão, sempre que o rotor 80 parar em uma condição de equilíbrio magnético instável em relação a um par de segmentos de imã 81 diametralmente opostos, ele será magneticamente forçado a girar, num ou noutro sentido, em direção a uma condição de equilíbrio magnético estável, gerada pelo campo magnético (não ilustrado), por um ângulo que dependerá do número de polos do rotor 80 e de ranhuras de estator 71. No exemplo ilustrado, o ângulo será de pelo menos 7,5 graus em qualquer dos sentidos. Em um rotor de seis polos, operando com um estator de nove ranhuras, o referido ângulo de deslocamento magnético adicional será de pelo menos 5 graus.
REIVINDICAÇÕES
Claims (5)
1. Compressor alternativo de refrigeração, compreendendo: um bloco (B) carregando um cilindro (11) e um cubo de mancai (50) que aloja um eixo de manivela (60) provido de um excêntrico (61); - uma placa de válvulas (40) fechando um extremo do cilindro (11) ; - um pistão (20) reciprocante no interior do cilindro (11) e acionado por uma biela (62) acoplada ao excêntrico (61) do eixo de manivela (60); - um motor elétrico (M) tendo um estator (70) fixado ao bloco (B) e provido de pluralidade de ranhuras de enrolamento (71) intercaladas por dentes (72), cada um carregando uma respectiva sapata (72a), e um rotor (80) fixado ao eixo de manivela (60) e carregando segmentos de imã (81), caracterizado pelo fato de o estator (70) , o rotor (80) e o eixo de manivela (60) apresentarem, entre si, um posicionamento relativo que produza, quando da parada do motor elétrico (M) e estando o conjunto eixo de manivela (60) e rotor (80) na condição de ponto morto superior do pistão (20), um cogging torque capaz de afastar o pistão do ponto morto superior.
2. Compressor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de, na condição de ponto morto superior do pistão (20), pelo menos um segmento de imã (81) do rotor (80) tem seu eixo radial de simetria coincidente com o eixo radial de simetria de uma correspondente ranhura de enrolamento (71), ditos eixos radiais de simetria estando posicionados entre os dois dentes de estator (72) adjacentes à referida ranhura de enrolamento (71).
3. Método de montagem de um compressor alternativo de refrigeração do tipo que compreende: - um bloco (B) carregando um cubo de pistão (10), um cilindro (11), e um cubo de mancai (50) alojando um eixo de manivela (60) provido de um excêntrico (61); - uma placa de válvulas (40) e uma tampa (41) fechando um extremo do cilindro (11); - um pistão (20) reciprocante no interior do cilindro (11) e acionado por uma biela (62) acoplada ao excêntrico (61) do eixo de manivela (60); - um motor elétrico (M) tendo um estator (70) fixado ao bloco (B) e provido de pluralidade de ranhuras de enrolamento (71) intercaladas por dentes (72), cada um carregando uma respectiva sapata (72a), e um rotor (80) fixado ao eixo de manivela (60) e carregando segmentos de imã (81), sendo o método caracterizado pelo fato de compreender as etapas de: - fixar o estator (70) ao bloco (B); - montar o eixo de manivela (60) no cubo de mancai (50) do bloco (B), travando rotativamente o eixo de manivela (60) com seu excêntrico (61) na posição de ponto morto superior do pistão (20); fixar o rotor (80) no eixo de manivela (60) em um posicionamento angular relativo, para produzir um cogging torque capaz de afastar o pistão do ponto morto superior. ).
4. Método, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de o rotor (80) ser fixado ao eixo de manivela (60) com o eixo radial de simetria de pelo menos um segmento de imã (81) coincidente com o eixo radial de simetria de uma correspondente ranhura de enrolamento (71), ditos eixos radiais de simetria estando posicionados entre os dois dentes (72) adjacentes à referida ranhura de enrolamento (71).
5. Método, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de o rotor (80) ser fixado ao eixo de manivela (60) com a direção diametral do eixo de manivela (60), passante pelo centro geométrico do excêntrico (61), coincidente com os eixos radiais de simetria de um segmento de imã (81) e da correspondente ranhura de enrolamento (71).
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