BR102014018546A2

BR102014018546A2 - Electric machine

Info

Publication number: BR102014018546A2
Application number: BR102014018546-1A
Authority: BR
Inventors: Huang Hao; Jia Xiaochuan
Original assignee: Ge Aviation Systems Llc
Priority date: 2013-08-02
Filing date: 2014-07-28
Publication date: 2017-10-10
Also published as: US9590460B2; US20150035406A1; FR3009456A1; CA2857674A1; IN2014CH02918A; GB2518049A; CN104348283A; CN110401286A; GB2518049B; GB201413373D0; JP2015033323A

Abstract

máquina elétrica trata-se de uma máquina elétrica que inclui um rotor, um estator que tem um revestimento de ranhura que inclui um isolante elétrico que se estende para além das extremidades do estator e um elemento de reforço fornecido em cada uma das extremidades de revestimento de ranhura, em que a tira de reforço reduz a divisão da extremidade de revestimento de ranhura correspondente.

Description

“MÁQUINA ELÉTRICA” Campo da Invenção [001] Materiais de revestimento de ranhura são usados nos estatores de máquinas elétricas, tais como geradores e/ou motores, para fornecer isolamento entre o núcleo do estator e os enrolamentos do estator. Em uma máquina elétrica giratória, tal como o gerador ou o motor, o revestimento de ranhura irá separar os enrolamentos do estator, localizados nas ranhuras de um núcleo do estator, do núcleo. Quando em funcionamento, o revestimento de ranhura fornece o isolamento elétrico dos enrolamentos do estator em relação ao núcleo, permitindo ao mesmo tempo que o calor gerado nos enrolamentos do estator devido à corrente seja transferido dos enrolamentos do estator para o núcleo do estator.

Breve Descrição da Invenção [002] Em um aspecto, uma máquina elétrica inclui um rotor, um estator que tem um núcleo com pelo menos uma ranhura de enrolamento que tem uma parte superior aberta e que termina em extremidades abertas opostas, um revestimento de ranhura fornecido dentro da ranhura de enrolamento e que tem um elemento de isolamento elétrico que define uma parte superior aberta e que termina em extremidades abertas opostas, que se estendem além das extremidades abertas de ranhura, e uma tira de reforço fornecida em cada uma das extremidades de revestimento de ranhura e somente em uma superfície externa do elemento de isolamento elétrico, em que a tira de reforço reduz a divisão da extremidade de revestimento de ranhura correspondente durante um processo de enrolamento automático.

[003] Em outros aspectos, uma máquina elétrica que inclui um rotor, um estator que tem um núcleo com pelo menos uma ranhura de enrolamento que tem uma parte superior aberta e que termina em extremidades abertas opostas, um revestimento de ranhura fornecido dentro de uma ranhura de enrolamento e que tem um elemento de isolamento elétrico que define uma parte superior aberta e que termina em extremidades abertas opostas, que se estendem para além das extremidades abertas de ranhura, e uma tira de reforço fornecida em cada uma das extremidades de revestimento de ranhura e que se envolve ao redor da extremidade de revestimento de ranhura correspondente de uma superfície interna para uma superfície externa, permanecendo ao mesmo tempo inteiramente além da extremidade de ranhura correspondente, em que a tira de reforço reduz a divisão da extremidade de revestimento de ranhura correspondente durante um processo automático de enrolamento.

[004] Em outro aspecto, uma máquina elétrica que inclui um rotor, um estator que tem um núcleo com pelo menos uma ranhura de enrolamento que tem uma parte superior aberta e que termina em extremidades abertas opostas, um revestimento de ranhura fornecido dentro da ranhura de enrolamento e que tem um elemento de isolamento elétrico que define uma parte superior aberta e que termina em extremidades abertas opostas, que se estendem para além das extremidades abertas de ranhura, e uma tira de reforço fornecida em cada uma das extremidades de revestimento de ranhura, em que o elemento de isolamento elétrico tem uma condutividade térmica de pelo menos 290 mWatt/metro K e a tira de reforço tem pelo menos uma medição Elmendorf Tear de 9,0.

Breve Descrição dos Desenhos [005] Nos desenhos: A Figura 1 é uma vista em corte de uma montagem de uma máquina elétrica. A Figura 2 é uma vista em perspectiva que ilustra um estator de uma máquina elétrica de acordo com a primeira modalidade da invenção. A Figura 3 é uma vista em corte parcial tomada ao longo da linha Ill-lll da Figura 2 que mostra uma ranhura de enrolamento e um revestimento de ranhura de acordo com a primeira modalidade da invenção. A Figura 4 é uma vista em perspectiva do revestimento de ranhura de acordo com a primeira modalidade da invenção. A Figura 5 é uma vista em corte parcial tomada ao longo da linha V-V da Figura 2 que mostra uma parte do núcleo do estator montada com um revestimento de ranhura e enrolamentos do estator de acordo com a primeira modalidade da invenção. A Figura 6 é uma vista em perspectiva do revestimento de ranhura de acordo com a segunda modalidade da invenção.

Descrição das Modalidades da Invenção [006] A invenção pode ser implantada em qualquer ambiente que use motor elétrico, independentemente se o motor elétrico fornece uma força de acionamento e/ou gera eletricidade. Para os propósitos desta descrição, tal motor elétrico será genericamente chamado de máquina elétrica, montagem de máquina elétrica, ou linguagem similar, que se destine a deixar claro que uma ou mais combinações de estator/rotor podem ser incluídas na máquina. Embora esta descrição seja principalmente direcionada a uma máquina elétrica que fornece geração de energia, esta é também aplicável a uma máquina elétrica que fornece uma força de acionamento e/ou uma máquina elétrica que fornece tanto uma força de acionamento quanto geração de energia. Além disso, embora esta descrição seja principalmente direcionada a um ambiente de aeronaves, a invenção é aplicável em qualquer ambiente que use uma máquina elétrica.

[007] A descrição é, ainda, direcionada principalmente a um ambiente em que a geração de energia é projetada para uma máquina elétrica com densidade de potência alta, alta eficiência e alta temperatura. Desse modo, as modalidades descritas no presente documento definem uma temperatura de funcionamento em estado estacionário superior, tal como uma classe térmica de geração de energia acima de 240 °C. Uma classe térmica de estado estacionário de 300 °C é contemplada, no entanto, temperaturas de funcionamento superiores e/ou inferiores também são contempladas.

[008] Como ilustrado na Figura 1, uma modalidade da invenção é uma máquina elétrica 6 que compreende um rotor 8 e um estator 10. O estator 10 está ilustrado em mais detalhes na Figura 2. O estator 10, conforme apresentado, compreende um núcleo geralmente cilíndrico 12, uma pluralidade de dentes 14, pelo menos uma ranhura de enrolamento 16 e pelo menos um revestimento de ranhura 18 fornecido para pelo menos algumas das ranhuras de enrolamentos 16. A superfície do perímetro interno do núcleo 12 fica voltada para o rotor 8 e tem uma pluralidade de dentes 14 que são radialmente dispostos em um espaçamento predeterminado na direção afastada. O núcleo 12 pode ser formado por uma pluralidade de laminações, mas a alternância da formação ou da usinagem do material está prevista.

[009] O núcleo 12 compreende adicionalmente pelo menos uma ranhura de enrolamento 16, definida pelo espaço entre os dentes adjacentes 14, que tem uma parte superior aberta que fica voltada para o ponto central do núcleo 12 e que termina em extremidades abertas opostas espaçadas axialmente no mesmo comprimento que o núcleo 12. Por exemplo, as extremidades da ranhura de enrolamento 16 podem terminar axialmente ao longo do mesmo comprimento que o núcleo 12. O revestimento de ranhura 18 é colocado ao longo do perímetro interno da ranhura de enrolamento 16 que define uma parte superior aberta que fica voltada para o ponto central circunferencial do núcleo 12 e que termina em extremidades abertas opostas que se estendem além das extremidades abertas da ranhura de enrolamento 16.

[0010] A Figura 3 ilustra uma vista em corte de uma configuração de um único estator 10 montado na ranhura de enrolamento 16 que tem enrolamentos do estator 20 de acordo com uma modalidade da invenção. Os enrolamentos do estator 20 compreendem fios condutores (apenas alguns são mostrados para finalidades ilustrativas) que são envolvidos ao redor do núcleo 12 dentro da ranhura de enrolamento 16 de tal modo que conjuntos individuais de enrolamentos 20 possam ser separados de outros conjuntos de enrolamentos 20 encontrados em ranhuras adjacentes 16. Adicionalmente mostrado, o revestimento de ranhura 18 isola a pluralidade de enrolamentos do estator 20 da pluralidade de dentes Meo estator de núcleo 12. Embora apenas um conjunto de enrolamentos do estator 20 seja mostrado, contempla-se que pelo menos um conjunto de enrolamentos 20 é envolvido através de pelo menos duas ranhuras de enrolamento 16 para formar uma configuração em que a rotação de um campo magnético no rotor 8 gera uma tensão correspondente nos enrolamentos do estator 20.

[0011] De volta agora à Figura 4, o revestimento de ranhura 18 compreende uma camada isolante 22 que é eletricamente isolante, ainda termicamente condutora, e se estende ao longo do comprimento do revestimento 18 e uma tira de reforço 24 fornecida em cada uma das extremidades de revestimento 18. Upilex-S® pode ser um exemplo de uma camada isolante 22 devido à sua alta intensidade dielétrica, constante de dielétrica e propriedades de condutividade térmica. Em outro caso, a camada isolante 22 pode compreender uma pluralidade de camadas formadas por laminação ou adesão. Em outro exemplo de camada isolante, Upilex-S® tem uma condutividade térmica de 290 mWatt/metro K, conforme medido pelo método Laser-Flash. Adicionalmente, na camada Upilex-S® de 25 pm de espessura tem uma intensidade dielétrica de 6,8 kV a 200 °C, conforme medido pelo teste de método ASTM D149 em condição de teste de 50 Hz e uma constante dielétrica de 3,3 a 200 °C, conforme medido pelo teste de método ASTM D150 em condição de teste de 10 kHz. Uma camada Upilex-S® de 75 pm de espessura tem uma intensidade dielétrica de 11 kV a 200 °C, conforme medido pelo método de teste ASTM D149 em condição de teste de 50Hz e uma constante de dielétrica de 3,2, conforme medido pelo método de teste ASTM D150 na condição de teste de 10 kHz. Outra camada isolante 22 e as estruturas ou formação da camada 22 são contempladas. Uma outra camada isolante alternativa 22 pode ser uma lâmina de nitreto de boro de poliamida que pode ter uma condutividade térmica de pelo menos 1,0 W/metro K.

[0012] A tira de reforço 24 é mostrada posicionada nas extremidades opostas da camada isolante 22 e somente na superfície externa da camada 22. A tira de reforço 24 é acoplada à camada isolante 22 por laminação, adesivo, acoplamentos mecânicos, tais como fechos, ou por técnicas alternativas de ligação ou materiais tal como um epóxi de alta temperatura e alta força de ligação. A tira de reforço 24 é formada a partir de um elemento ou material que tem propriedades para resistir à laceração, rompimento ou divisão quando exposto a uma força perpendicular. Um exemplo de um material apropriado para a tira de reforço 24 pode ser o papel Nomex® Tipo 410. Nesse exemplo, um papel Nomex® Tipo 410 de 0,381 mm de espessura nominal tem uma medição Elmendorf Tear de 9,0 na direção de máquina de papel e uma medição Elmendorf Tear de 16,7 na direção cruzada do papel. Adicionalmente, nesse exemplo, a mesma espessura nominal do papel Nomex® Tipo 410 tem uma condutividade térmica de 149 mWatt/metro K a 150° Celsius e, dessa forma, a camada isolante 22 é mais termicamente condutora que a tira de reforço 24. Podem ser contemplados materiais alternativos em que a condutividade térmica da camada isolante 22 é maior ou igual à condutividade térmica da tira de reforço 24.

[0013] A Figura 5 ilustra uma vista em corte transversal de um estator 10 da máquina elétrica 6 tomada a partir de uma superfície paralela com e que atravessa o eixo geométrico do estator 10. O revestimento de ranhura 18 se estende na direção axial do núcleo 12, de tal modo que pelo menos um segmento estendido 26 do revestimento 18 se estende para além das extremidades do núcleo 12. Os enrolamentos do estator 20 se estendem adicionalmente a partir do segmento estendido 26 do revestimento de ranhura 18 e são configurados de tal modo que os fios múltiplos no conjunto dos enrolamentos do estator 20 se envolvem ao redor de um segmento do núcleo 12. Como mostrado, a camada isolante 22 se estende sobre todo o comprimento do núcleo 12 bem como sobre todo o comprimento do segmento estendido 26 (ilustrado como uma linha pontilhada no segmento estendido 26). Conforme também mostrado, a totalidade da tira de reforço 24 se assenta apenas além das extremidades de ranhura de enrolamento 16 e de núcleo 12 correspondentes em ambos os lados. Em outras palavras, a tira de reforço 24 apenas se estende pelo comprimento dos segmentos estendidos 26 em cada lado do revestimento de ranhura 18.

[0014] A configuração de envolvimento firme dos enrolamentos do estator 20 ao redor do núcleo 12 do estator 10 gera uma carga de flexão nas extremidades do revestimento de ranhura 18. Mais especificamente, uma grande tensão é gerada no canto do revestimento de ranhura 18 localizado em cada extremidade axial do segmento estendido 26. A tira de reforço 24 resiste e dispersa a tensão gerada pelos enrolamentos do estator 20 envolvidos ao redor do núcleo 12 através do reforço e do suporte do revestimento de ranhura 18. Por exemplo, quando um processo de enrolamento automático envolve os enrolamentos do estator 20 (não mostrado) no sentido do comprimento, ao longo da superfície interna do revestimento de ranhura 18, a tira de reforço 24 sustenta a camada isolante 22 para impedir a laceração, o rompimento ou a divisão da camada 22 e/ou da tira 24 que se estendem para o exterior do núcleo 12 do estator 10 devido à tensão localizada no revestimento de ranhura 18 pela tensão dos enrolamentos do estator 20. Alternativamente, a tira de reforço 24 pode reduzir a possibilidade de laceração, rompimento ou divisão do revestimento de ranhura da camada isolante 22 e/ou da tira 24.

[0015] Durante a operação da máquina elétrica 6, a interação do rotor 8 com o estator 10 gera um fluxo de corrente através dos enrolamentos do estator 20 que, por sua vez, geram calor nos enrolamentos 20. Esse calor é transferido para o núcleo 12, principalmente através da camada isolante 22, que tem uma condutividade térmica alta, conforme descrito acima. Embora o calor adicional possa ser transferido para o núcleo 12, através das tiras de reforço menos termicamente condutoras 24, a transferência térmica total dos enrolamentos do estator 20 para o núcleo 12 não é inibida pelas tiras 24, devido à sua colocação no exterior das extremidades do núcleo 12. Dessa forma, as tiras de reforço 24 se estendem axialmente para fora das extremidades do núcleo 12 com o principal propósito de impedir a laceração, a rompimento ou a divisão durante a tensão colocada no revestimento de ranhura 18 pela tensão do enrolamento do estator 20, porém, não necessariamente uma alta transferência térmica entre o comprimento 20 e o núcleo 12, enquanto a camada isolante 22 se estende ao longo do comprimento axial do núcleo 12 com o principal propósito de impedir uma alta condutividade térmica na interface entre o comprimento 20 e o núcleo 12.

[0016] A Figura 6 ilustra um revestimento de ranhura alternativo 118 de acordo com uma segunda modalidade da invenção. A segunda modalidade é similar à primeira modalidade; portanto, as partes similares serão identificadas com numerais similares aumentados em 100, com isso, fica entendido que a descrição das partes similares da primeira modalidade se aplica à segunda modalidade, a menos que seja indicado de outro modo. Uma diferença entre a primeira modalidade e a segunda modalidade é que a tira de reforço 124 fornecida em cada extremidade do revestimento de ranhura 118 envolve a camada isolante correspondente 22 a partir da superfície interna para a superfície externa em vez de ser fornecida somente na superfície externa da camada 22, como na primeira modalidade.

[0017] Muitas outras modalidades e configurações possíveis além daquelas mostradas nas figuras acima são contempladas pela presente descrição. Por exemplo, uma modalidade da invenção complementa um revestimento de ranhura 18 em que a tira de reforço 24 é fornecida somente na superfície interna da camada isolante 22. Adicionalmente, o projeto e a colocação de vários componentes podem ser reorganizados de tal forma que um número diferente de configurações em linha possa ser realizado.

[0018] As modalidades descritas na presente invenção fornecem uma máquina elétrica com um revestimento de ranhura aperfeiçoado. Uma vantagem que pode ser realizada nas modalidades acima é que as modalidades acima descritas têm uma operação elétrica e térmica superior em comparação às configurações convencionais de revestimento de ranhura. Com as configurações propostas, uma alta condutividade térmica entre os enrolamentos do estator e o núcleo do estator pode ser alcançada durante a alta condutividade térmica do material da camada isolante descrita acima. Adicionalmente, a alta constante dielétrica e a alta intensidade dielétrica da camada isolante reduzem ou eliminam a probabilidade de um curto-circuito elétrico entre o enrolamento do estator e núcleo do estator, mesmo com uma alta geração de corrente e voltagem gerada pela máquina elétrica. A combinação de alta condutividade, alta constante dielétrica e alta intensidade dielétrica das modalidades descritas na presente invenção resultam em um revestimento de ranhura que pode ser usado em aplicações de classe térmica mais alta, tais como classes térmicas maiores do que 240 °C. Dessa forma, outra vantagem das modalidades acima descritas é que máquinas elétricas que têm os revestimentos de ranhura descritos podem ser acionadas para gerar mais potência e em temperaturas mais altas Ido que as máquinas elétricas convencionais.

[0019] Além disso, quando se projeta sistemas de máquina elétrica, um importante fator a se abordar é a confiabilidade. Uma outra vantagem que pode ser realizada nas modalidades acima é que os revestimentos de ranhuras têm menor probabilidade de romper, rasgar ou lacerar nas extremidades axiais devido à intenéidade aumentada das tiras de reforço além da camada isolante, quando compárada somente à intensidade da camada isolante, tornando todo o sistema inerentemente mais confiável. Através do aprimoramento da geração de potência na máquina elétrica com a camada isolante e da diminuição da probabilidade de laceração ou rompimento do revestimento de ranhura das tiras de reforço, as modalidades acima descreveram um desempenho aumentado e umà confiabilidade aumentada da máquina elétrica.

[0020] Até o ponto em que ainda não fora descrito, os diferentes recursos e estruturas das várias modalidades podem ser usados em combinação uns com os outros, conforme desejado. Esse recurso que pode não ser ilustrado em todas as modalidades não deve ser interpretado como se não o pudesse, porém, tal ilustração tem o propósito de brevidade de descrição. Desse modo, os vários recursos das diferentes modalidades podem ser misturados e combinados conforme dèsejado para formar novas modalidades, as novas modalidades sendo ou não expressamente descritas. Todas as combinações ou permutações de recursos descritas na presente invenção são abrangidas por esta descrição. As] principais diferenças entre as modalidades exemplificativas se referem ao revéstimento de ranhura, e esses recursos podem ser combinados de qualquer maheira adequada para modificar as modalidades descritas acima e criar outras modalidades.

[0021] Esta descrição escrita usa exemplos para descrever a invenção, incluindo o melhor modo, e também para permitir que qualquer pessoa versada na técnica coloque em prática a invenção, incluindo produzir e usar quaisquer dispositivos ou sistemas e executar quaisquer métodos incorporados. O escopo patenteável da invenção é definido pelas reivindicações e pode incluir outros exemplos que ocorram aos elementos versados na técnica. Tais outros exemplos se destinam a estarem incluídos no escopo das reivindicações caso tenham elementos estruturais que não difiram da linguagem literal das reivindicações ou caso incluam elementos estruturais equivalentes com diferenças não substanciais da linguagem literal das reivindicações.

Reivindicações

Claims

1. MÁQUINA ELÉTRICA, caracterizada pelo fato de que compreende: um rotor; um estator que tem um núcleo com pelo menos uma ranhura de enrolamento que tem uma parte superior aberta e que termina em extremidades abertas opostas; um revestimento de ranhura fornecido dentro da ranhura de enrolamento e que tem um elemento de isolamento elétrico que define uma parte superior aberta e que termina em extremidades opostas, o qual se estende para além das extremidades abertas de ranhura, e uma tira de reforço fornecida em cada uma das extremidades de revestimento de ranhura e somente em uma superfície externa do elemento de isolamento elétrico; e em que a tira de reforço reduz a divisão do revestimento de ranhura correspondente durante um processo automático de enrolamento.

2. MÁQUINA ELÉTRICA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a tira de reforço está ligada à superfície externa do elemento de isolamento elétrico.

3. MÁQUINA ELÉTRICA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a totalidade da tira de reforço é posicionada além da extremidade de ranhura correspondente.

4. MÁQUINA ELÉTRICA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o núcleo compreende múltiplas ranhuras de enrolamento, com um revestimento de ranhura fornecido em cada uma das múltiplas ranhuras de enrolamento.

5. MÁQUINA ELÉTRICA, de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo fato de que compreende adicionalmente pelo menos um enrolamento que compreende uma instalação elétrica que se envolve através de pelo menos duas das múltiplas ranhuras.

6. MÁQUINA ELÉTRICA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o elemento de isolamento elétrico é menos termicamente condutor do que a tira de reforço.

7. MÁQUINA ELÉTRICA caracterizada pelo fato de que compreende: um rotor; um estator que tem um núcleo com pelo menos uma ranhura de enrolamento que tem uma parte superior aberta e termina em extremidades abertas opostas; um revestimento de ranhura fornecido em uma ranhura de enrolamento e que tem um elemento de isolamento elétrico que define uma parte superior aberta e termina em extremidades opostas, o qual se estende para além das extremidades abertas de ranhura, e uma tira de reforço fornecida em cada uma das extremidades de revestimento de ranhura e que se envolve ao redor da extremidade de revestimento de ranhura correspondente de uma superfície interna para uma superfície externa, enquanto permanece inteiramente além da extremidade de ranhura correspondente; e em que a tira de reforço reduz a divisão do correspondente extremidade de revestimento de ranhura durante um processo enrolamento automático.

8. MÁQUINA ELÉTRICA, de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelo fato de que a tira de reforço é ligada à superfície externa do elemento de isolamento elétrico.

9. MÁQUINA ELÉTRICA, de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelo fato de que o núcleo compreende múltiplas ranhuras de enrolamento, com um revestimento de ranhura fornecido em cada uma das múltiplas ranhuras de enrolamento.

10. MÁQUINA ELÉTRICA, de acordo com a reivindicação 9, caracterizada pelo fato de que compreende adicionalmente pelo menos um enrolamento que compreende uma instalação elétrica que se envolve além de pelo menos duas múltiplas ranhuras.

11. MÁQUINA ELÉTRICA, de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelo fato de que o elemento de isolamento elétrico é menos termicamente condutor que a tira de reforço.

12. MÁQUINA ELÉTRICA caracterizada pelo fato de que compreende: um rotor; um estator que tem um núcleo com pelo menos uma ranhura de enrolamento que tem uma parte superior aberta e que termina em extremidades abertas opostas; um revestimento de ranhura fornecido dentro da ranhura de enrolamento e que tem um elemento de isolamento elétrico que define uma parte superior aberta e que termina em extremidades abertas opostas, o qual se estende para além da ranhura de extremidade aberta e uma tira de reforço fornecida em cada uma das extremidades de revestimento de ranhura; e em que o elemento de isolamento elétrico tem uma condutividade térmica de pelo menos 290 mWatt/metro-K e a tira de reforço tem pelo menos uma medição Elmendorf Tear de 9,0.

13. MÁQUINA ELÉTRICA, de acordo com a reivindicação 12, caracterizada pelo fato de que a tira de reforço é somente fornecida em uma superfície externa do elemento de isolamento elétrico.

14. MÁQUINA ELÉTRICA, de acordo com a reivindicação 13, caracterizada pelo fato de que toda a tira de reforço é posicionada além da extremidade de ranhura correspondente.

15. MÁQUINA ELÉTRICA, de acordo com a reivindicação 12, caracterizada pelo fato de que o elemento de isolamento elétrico compreende adicionalmente pelo menos um material Upilex-S ou um material de nitreto de boro de poliamida.