BR102014019219B1

BR102014019219B1 - Máquina de imã permanente interno e método para dispor em conjunto uma máquina de imã permanente interno

Info

Publication number: BR102014019219B1
Application number: BR102014019219-0A
Authority: BR
Inventors: Patel Bhageerath Reddy; Ayman Mohamed Fawzi El-Refaie; James Pellegrino Alexander; Kum-Kang Huh
Original assignee: General Electric Company
Priority date: 2013-08-05
Filing date: 2014-08-04
Publication date: 2021-08-10
Also published as: KR20150016906A; US20150035402A1; BR102014019219A8; EP2840692A2; CN110224567A; CN104393730A; EP2840692A3; US9287742B2; CN104393730B; KR101911978B1; BR102014019219A2; JP2015033329A; EP2840692B1

Abstract

MÁQUINA DE IMÃ PERMANENTE INTERNO, MÉTODO PARA DISPOR EM CONJUNTO UMA MÁQUINA DE IMÃ PERMANENTE INTERNO E CONJUNTO DE ROTOR PARA USO EM UMA MÁQUINA DE IMÃ PERMANENTE INTERNO Trata- se de uma máquina de ímã permanente interno que inclui um conjunto de rotor que tem uma haste que compreende uma pluralidade de protrusões que se estendem radialmente para fora de um corpo de haste principal e que é formado circunferencialmente ao redor do corpo de haste principal e ao longo de um comprimento axial do corpo de haste principal. Uma pluralidade de pilhas de laminações são dispostas circunferencialmente ao redor da haste para receber a pluralidade de protrusões na mesma, em que cada pilha de laminações inclui uma pluralidade de grupos de laminação dispostos axialmente ao longo de um comprimento da haste e sendo que ímãs permanentes são dispostos entre as pilhas de laminações. Cada uma das laminações inclui um corte de protrusão de haste formado na mesma para receber uma respectiva protrusão de haste e, para cada uma das pilhas de laminações, os cortes de protrusão de haste formados nas laminações de um respectivo grupo de laminação são angularmente compensados dos cortes de protrusão de haste formados nas (...).

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] As realizações da invenção referem-se geralmente a máquinas elétricas e, mais particularmente, a máquinas elétricas de ímã permanente de rotor com eixo nas quais laminações de rotor são deslocadas ao longo de um comprimento axial da máquina para reduzir ondulação de torque, enquanto ainda fornece o uso de uma única haste de rotor extrudado e ímãs de bloco.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[002] Máquinas de ímã permanente interno (IPM), como motores ou geradores de IPM têm sido amplamente usadas em uma variedade de aplicações, incluindo aeronave, automóveis e uso industrial, e são atualmente a máquina preferencial empregada em aplicações automotivas híbridas. Portanto, uma exigência para máquinas de IPM de densidade de alta potência e peso leve tem resultado no projeto de motores e geradores de maior velocidade para maximizar as razões entre potência e peso. Portanto, a tendência é a crescente aceitação de máquinas de IPM que oferecem alta velocidade de máquina, alta densidade de potência, massa e custo reduzidos.

[003] Em uma máquina de IPM convencional, múltiplos ímãs permanentes são embutidos dentro de múltiplas laminações de um rotor. As tensões mecânicas no rotor são concentradas em múltiplas pontes e colunas centrais. Para aplicações de maiores velocidades, a espessura das múltiplas pontes e colunas centrais precisa ser aumentada para resistência estrutural acentuada do rotor e várias outras partes. A maior espessura leva a mais vazamento de fluxo de ímã para as múltiplas pontes e colunas centrais, em que tal vazamento reduz significativamente a densidade de potência de máquina, de modo a resultar em menor eficácia da máquina.

[004] O uso de rotores de eixo em máquinas de IPM pode desacoplar exigências eletromagnéticas e mecânicas em uma máquina de IPM eliminando-se a necessidade de pontes e colunas centrais. Isso aumenta substancialmente a densidade de potência de máquina. Além disso, a configuração de eixo tem efeitos de concentração de fluxo, o que aumenta ainda mais a densidade de potência de máquina. Encaixar em forma de cauda de andorinha laminações de rotor sobre a haste permite maiores velocidades do raio externo do rotor, que aumenta ainda mais a densidade de potência de máquina. O conjunto de rotor e os vários componentes associados podem ser configurados para fornecer máxima densidade de potência e mínimas perdas de corrente parasita. Adicionalmente, máquinas de IPM que tem rotores de eixo são vantajosas em termos de baixo volume, massa e custo. Máquinas de IPM de rotor com eixo permitem, assim, máquinas de ímã permanente altamente eficazes.

[005] Entretanto, motores elétricos com eixo com enrolamentos distribuídos encontram o problema de alta ondulação de torque. Ondulação de torque é indesejável em motores elétricos visto que leva a perdas transientes e aumenta a complexidade do controle da máquina, assim como problemas mecânicos no sistema de transmissão. Motores que tem estatores com enrolamentos distribuídos normalmente encontram alta ondulação de torque, enquanto que o uso de rotores de eixo com estatores que tem enrolamentos distribuídos acrescentam harmônicas adicionais, aumentando ainda mais a ondulação de torque.

[006] Uma abordagem padrão para reduzir ondulação de torque inclui deslocamento de estator pelo passo de entalhe, e técnicas padrão introduzem deslocamento de estator por metade de entalhe. Infelizmente, deslocamento de estator ou escalonamento ao longo do eixo geométrico pode colocar tensão sobre o material de isolamento nos entalhes e reduz o teor de torque na máquina. Além disso, deslocamento de estator cria bordas pontiagudas que podem cortar no isolamento de entalhe, afetando a robustez e confiabilidade do motor.

[007] Outro método para reduzir ondulação de torque, conhecido como deslocamento de rotor, elimina problemas com isolamento, mas o deslocamento de rotor é difícil, visto que complica a construção do rotor, o que leva a uma haste mais complicada, assim como inserção manual de ímãs em laminações de rotor deslocadas. O uso de hastes extrudadas em construção de rotor podem reduzir complicações de fabricação, mas podem exigir ainda inserção manual de ímãs em diferentes locais axiais ou extrusão para diferentes comprimentos axiais.

[008] Portanto, é desejável fornecer uma máquina de ímã permanente de eixo que tem uma construção que reduz ondulação de torque, enquanto elimina as preocupações associadas a técnicas e construção de deslocamento de estator e deslocamento de rotor existentes.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[009] Em conformidade com um aspecto da invenção, uma máquina de ímã permanente interno inclui um conjunto de estator que compreende um núcleo de estator, incluindo uma pluralidade de dentes de estator e enrolamentos de estator enrolados ao redor da pluralidade de dentes de estator para gerar um campo magnético de estator quando excitados com correntes alternadas. A máquina de ímã permanente interno inclui ainda um conjunto de rotor disposto dentro de uma cavidade definida pelo conjunto de estator e configurado para girar em relação ao conjunto de estator, sendo que o conjunto de rotor inclui ainda uma haste que compreende uma pluralidade de protrusões que se estendem radialmente para fora a partir de um corpo de haste principal e que são formadas circunferencialmente ao redor do corpo de haste principal e ao longo de um comprimento axial do corpo de haste principal, uma pluralidade de pilhas de laminações dispostas circunferencialmente ao redor da haste para receber a pluralidade de protrusões na mesma e em que cada uma compreende uma pluralidade de grupos de laminação dispostos axialmente ao longo de um comprimento da haste, e sendo que cada um dentre a pluralidade de grupos de laminação compreende uma pluralidade de laminações; e uma pluralidade de ímãs permanentes configurados para gerar um campo magnético que interage com o campo magnético de estator para produzir um torque, sendo que cada ímã permanente é disposto entre um respectivo par de pilhas adjacentes de laminações. Cada uma dentre a pluralidade de laminações inclui um corte de protrusão de haste formado na mesma para receber uma respectiva protrusão de haste, e sendo que, para cada uma dentre a pluralidade de pilhas de laminação, os cortes de protrusão de haste formados nas laminações de um respectivo grupo de laminação são angularmente compensados a partir dos cortes de protrusão de haste formados nas laminações em um grupo de laminação adjacente.

[010] Em conformidade com outro aspecto da invenção, um método para dispor em conjunto uma máquina de ímã permanente interno inclui fornecer um conjunto de estator que compreende um núcleo de estator que tem uma pluralidade de dentes de estator com enrolamentos de estator enrolados nos dentes de estator para gerar um campo magnético de estator quando excitados com correntes alternadas e fornecer um conjunto de rotor que é girável dentro de uma cavidade formada pelo conjunto de estator. A etapa de fornecer o conjunto de rotor inclui ainda fornecer uma haste que compreende uma pluralidade de protrusões que se estendem radialmente ao longo de um comprimento axial da haste giratória e são formadas circunferencialmente ao redor da haste e colocar uma pluralidade de pilhas de laminações sobre a pluralidade de protrusões de haste da haste de modo que a pluralidade de pilhas de laminações sejam posicionadas circunferencialmente em torno da haste, e de modo que cada uma dentre a pluralidade de pilhas de laminações seja disposta em uma pluralidade de grupos de laminação ao longo do comprimento axial da haste, sendo que a pluralidade de pilhas de laminações é colocada sobre a pluralidade de protrusões de haste da haste de modo que grupos de laminação adjacentes em cada pilha de laminações sejam posicionados na haste para ter uma compensação angular, um em relação ao outro. A etapa de fornecer o conjunto de rotor ainda inclui também prender uma pluralidade de ímãs permanentes em aberturas definidas pela pluralidade de pilhas de laminações, em que a pluralidade de ímãs permanentes gera um campo magnético que interage com o campo magnético de estator para produzir um torque.

[011] Em conformidade com ainda outro aspecto da invenção, um conjunto de rotor para uso em uma máquina de ímã permanente interno inclui uma haste que tem um corpo de haste e uma pluralidade de protrusões que se estendem radialmente para fora do corpo de haste, sendo que a pluralidade de protrusões é formada ao longo de um comprimento axial da haste e circunferencialmente ao redor da haste. O conjunto de rotor inclui ainda uma pluralidade de pilhas de laminações disposta nas protrusões radiais, em que cada uma dentre a pluralidade de pilhas de laminações compreende uma pluralidade de grupos de laminação dispostas axialmente ao longo da haste e sendo que cada um dentre a pluralidade de grupos de laminação compreende uma pluralidade de laminações e uma pluralidade de ímãs permanentes dispostas entre a pluralidade de pilhas de laminações. Um formato das laminações em cada um dentre a pluralidade de grupos de laminação de uma pilha de laminações é diferente do formato das laminações em outras da pluralidade de grupos de laminação em uma pilha de laminações.

[012] Vários outros recursos e vantagens se tornarão aparentes a partir da descrição detalhada e dos desenhos a seguir.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[013] Os desenhos ilustram realizações preferenciais atualmente contempladas para realizar a invenção.

NOS DESENHOS:

[014] As Figuras 1A e 1B são vistas em corte transversal de uma máquina de ímã permanente interno (IPM), incluindo um conjunto de estator e um conjunto de rotor, em conformidade com realizações da invenção.

[015] A Figura 2 é uma vista em corte transversal parcial da máquina de IPM da Figura 1A em conformidade com uma realização da invenção.

[016] A Figura 3 é uma vista em perspectiva da máquina de IPM da Figura 1A em conformidade com uma realização da invenção.

[017] As Figuras 4 e 5 são vistas de uma laminação de rotor que tem um corte de protrusão de haste formado na mesma que é angularmente compensado desde o centro em uma primeira direção para uso na máquina de IPM da Figura 3 em conformidade com uma realização da invenção.

[018] As Figuras 6 e 7 são vistas de uma laminação de rotor que tem um corte de protrusão de haste formado na mesma centralizado para uso na máquina de IPM da Figura 3 em conformidade com uma realização da invenção.

[019] As Figuras 8 e 9 são vistas de uma laminação de rotor que tem um corte de protrusão de haste formado na mesma que é angularmente compensado desde o centro em uma segunda direção para uso na máquina de IPM da Figura 3 em conformidade com uma realização da invenção.

DESCRIÇÃO DE REALIZAÇÕES DA INVENÇÃO

[020] Realizações da invenção são direcionadas para a redução de ondulação de torque em uma máquina de IPM, particularmente em máquinas elétricas de rotor com eixo segmentado que tem enrolamentos distribuídos, enquanto fornece tal redução de ondulação de torque sem crescente complexidade na fabricação da máquina. A redução de ondulação de torque ocorre deslocando-se as laminações de rotor e ímãs entre laminações sobre o comprimento axial da máquina. Em uma realização, todo o deslocamento pode ocorrer no lado do rotor, evitando efeitos negativos que o deslocamento de estator tem sobre isolamento de estator e inserção de enrolamento.

[021] A máquina de IPM inclui uma pilha de laminações preferencialmente formatada em uma configuração de encaixe em cauda de andorinha para engate com múltiplos ímãs permanentes, cujas laminações são montadas em múltiplas protrusões circunferencialmente em torno de uma haste em um conjunto de rotor. Conforme usado no presente documento, o termo ‘encaixe em cauda de andorinha’ se refere a recursos em formato de leque que formam uma junta de intertravamento justo entre as laminações de rotor e uma haste. As pilhas de laminação são adicionalmente configuradas em grupos que podem ser angularmente compensados de grupos adjacentes a fim de passar um estator que enrola em diferentes momentos no tempo.

[022] A Figura 1A ilustra uma vista em corte transversal de uma máquina de ímã permanente interno (IPM) 10, incluindo um conjunto de rotor 12 e um conjunto de estator 14. Conforme mostrado na Figura 1A, a máquina de IPM 10 é configurada como uma máquina de ímã permanente de rotor com eixo segmentado. O conjunto de rotor 12 inclui um núcleo de rotor 16 disposto em uma haste de rotor 18, sendo que o núcleo de rotor 16 é configurado para girar ao redor de um eixo geométrico longitudinal 20 da máquina de IPM 10. A haste 18 é construída para ter múltiplas protrusões 22 formadas em um corpo de haste principal 24, sendo que as protrusões 22 são formadas circunferencialmente ao redor do corpo de haste principal 24 e ao longo de um comprimento axial do corpo de haste principal 24. Na realização ilustrada, a haste 18 também inclui múltiplos recursos de fundo 26 alternativamente dispostos em relação às múltiplas protrusões 22.

[023] Conforme mostrado na Figura 1A, o núcleo de rotor 16 é construído como um rotor segmentado formado a partir de uma pluralidade de polos de rotor salientes separados 28. Cada um dos polos de rotor 28 é formado a partir de uma pilha de laminações 30 que é disposta em uma respectiva protrusão 22. As pilhas de laminações 30 que formam os polos de rotor 28 são dispostas (isto é, em formato de cauda de andorinha) circunferencialmente em torno da haste 18, de modo que vãos interpolares 32 (isto é, reentrância em formato de cauda de andorinha) sejam formados entre polos de rotor adjacentes 28. Ímãs permanentes 34 são dispostos entre pilhas adjacentes de laminações 30 dentro do núcleo de rotor 16, com os ímãs permanentes 34 que geram um campo magnético a ser radialmente direcionado em um vão de ar entre o conjunto de rotor 12 e o conjunto de estator 14. O campo magnético gerado pelos ímãs permanentes 34 ainda interage com um campo magnético de estator para produzir um torque. Os ímãs permanentes 34 fornecem uma disposição, que é uma configuração de eixo de encaixe em cauda de andorinha, particularmente bem adequada para aplicações em alta velocidade. A configuração de eixo de encaixe em cauda de andorinha fornece efeitos de concentração de fluxo magnéticos superiores, acentuando, assim, a densidade de potência de máquina. Em uma realização, os ímãs permanentes 34 podem ser produzidos a partir de neodímio-boro-ferro. Em outra realização, os ímãs permanentes 34 são produzidos a partir de samário-cobalto, ou ferrita, ou Alnico, ou qualquer combinação desses ímãs.

[024] De acordo com uma realização, o conjunto de rotor 12 inclui também múltiplas cunhas de fundo 36 dispostas nas estruturas de fundo 26 da haste 18. As múltiplas cunhas de fundo 36 são dispostas para reter as múltiplas pilhas de laminações 30 e os múltiplos ímãs permanentes 34 no conjunto de rotor e impede ainda a deformação durante rotações em alta velocidade. Em uma realização, as cunhas de fundo 36 são cunhas não metálicas para reduzir as perdas de corrente parasita no núcleo de rotor 16, assim como protrusões metálicas em casos com menores perdas de corrente parasita de rotor. Em uma realização particular, o conjunto de rotor 12 é também dotado de múltiplas cunhas de topo 38 que cobrem a periferia externa do conjunto de rotor 12 para impedir que os ímãs permanentes 34 deformem devido a uma força centrífuga gerada no núcleo de rotor em alta velocidade 16.

[025] Conforme ilustrado no presente documento, uma configuração de eixo de encaixe em cauda de andorinha de uma pilha de laminações 30 e ímãs permanentes 34 fornece efeitos de concentração de fluxo magnéticos superiores, acentuando, assim, a densidade de potência de máquina da máquina de IPM 10. As cunhas de fundo 36 são preferencialmente não metálicas e não permitem que a vazão de fluxo magnético se alinhe através das mesmas, impedindo, assim, vazamentos de fluxo magnético. Similarmente, as cunhas de topo 38 são também preferencialmente não metálicas e impedem a vazão de fluxo magnético através das mesmas, evitando, assim, vazamentos de fluxo magnético. Em uma realização, múltiplas cunhas de topo 38 e múltiplas cunhas de fundo 36 são fornecidas nas extremidades lateralmente opostas de múltiplos ímãs permanentes 34. As cunhas de topo 38 e cunhas de fundo 36 não metálicas servem para obstruir a vazão de fluxo magnético e garantir, assim, que o fluxo magnético saia dos ímãs permanentes 34 e acople com os enrolamentos de estator substancialmente sem vazamento.

[026] Embora a realização de conjunto de rotor 12 mostrada na Figura 1A inclua cunhas de fundo 36 dispostas nas estruturas de fundo 26 da haste 18, reconhece-se que, em alguns casos, por exemplo, com menores perdas de corrente parasita, essas cunhas metálicas inferiores 36 possam ser, ao invés disso, ocupadas pela haste 18, como na realização de conjunto de rotor mostrada na Figura 1B. Isto é, em alguns casos, elementos de cunha separados 36 podem não ser necessários e podem ser removidos, e a haste 18 pode ser construída (isto é, se projetar para fora) para reter as múltiplas pilhas de laminações 30 e os múltiplos ímãs permanentes 34 no conjunto de rotor para impedir a deformação durante rotações em alta velocidade.

[027] Referindo-se às Figuras 1A e 1B, e em relação ao conjunto de estator 14 da máquina de IPM 10, o conjunto de estator 14 da máquina de IPM 10 inclui um núcleo de estator 40 que tem múltiplos dentes de estator 44 dispostos circunferencialmente de modo a formar uma cavidade 46 em um centro do núcleo de estator 40. O conjunto de estator 14 gera um campo magnético e se estende ao longo do eixo geométrico longitudinal 20 com uma superfície interna que define a cavidade 46. O conjunto de rotor 12, conforme discutido acima, é disposto dentro da cavidade 46 definida pelo núcleo de estator 40. O conjunto de estator 14 inclui entalhes de estator 48 para receber enrolamentos distribuídos 50 na mesma que são enrolados nos dentes 44. Os enrolamentos 50 podem ser formados como bobinas de cobre, por exemplo, e funcionam para produzir um campo giratório razoavelmente sinusoidal no vão de ar quando excitado por correntes CA. O conjunto de estator 14 inclui ainda um ferro posterior de estator 52.

[028] Referindo-se agora à Figura 2, uma vista em corte transversal parcial de um conjunto de rotor 12 é mostrada, com a estrutura geral de um único polo de rotor saliente 28 que é mostrada em maiores detalhes. Um polo de rotor 28 é formado a partir de uma pilha de laminações 30 dispostas em uma protrusão 22 da haste 18. Conforme ilustrado no presente documento, cada laminação de rotor 30 geralmente tem uma configuração de encaixe em cauda de andorinha, de modo que a pluralidade de polos de rotor 28 que formam o núcleo de rotor esteja em formato de cauda de andorinha circunferencialmente em torno da haste 18. O vão interpolar (isto é, reentrância em formato de cauda de andorinha) 32 entre pilhas adjacentes de laminações 30 recebe um ímã permanente 34, permitindo, assim, que o ímã permanente 34 seja retido radialmente entre pilhas adjacentes contra força centrífuga 54 causada por rotação. Além disso, em uma realização particular, o conjunto de rotor 12 é dotado de múltiplas cunhas de topo 38 que cobrem a periferia externa do conjunto de rotor 12 para restringir positivamente os ímãs permanentes 34. Adicionalmente, cada laminação é dotada de recursos em formato de aba 56 que cobrem parcialmente as cunhas de topo 38. Isso também garante que os ímãs permanentes 34 sejam firmemente retidos na reentrância de encaixe em cauda de andorinha 32 do conjunto de rotor 12.

[029] Em uma realização, o conjunto de rotor 12 é dotado de múltiplas cunhas de fundo 36 dispostas em múltiplas estruturas de fundo 26 da haste 18. Em uma realização preferencial, as cunhas de fundo 36 são não metálicas e impedem vazamentos de fluxo magnético, reduzindo adicionalmente, assim, perdas de corrente parasita. Em ainda outra realização, as cunhas de fundo 36 e as estruturas de fundo 186 são configuradas de modo que uma porção das cunhas de fundo 36 repouse na reentrância em formato de cauda de andorinha 32 entre as pilhas de laminações 30 abaixo dos múltiplos ímãs permanentes 34. Isso impede a deformação das múltiplas pilhas de laminações 30, o que é uma consequência das forças centrífugas que agem sobre as faces inclinadas do recurso de “encaixe em cauda de andorinha” nas laminações 30 e protrusões 22. Reconhece-se, entretanto, que cunhas metálicas inferiores 36 podem ser, ao invés disso, ocupadas pela haste 18(consulte a Figura 1B) com a haste 18 que é construída (isto é, que se projeta para fora) para reter as múltiplas pilhas de laminações 30 e os múltiplos ímãs permanentes 34 no conjunto de rotor para impedir a deformação durante rotações em alta velocidade.

[030] Em relação ao polo de rotor 28 mostrado na Figura 2, pode-se observar que um corte de protrusão de haste 58 é formado nas laminações de rotor - como ao ser cortado por laser nas laminações - que é configurado para receber uma respectiva protrusão de haste 22. De acordo com uma realização da invenção, a posição do corte de protrusão de haste 58 que é formado na laminação 30 pode ser variada dentre as laminações que formam um respectivo polo de rotor 28. Isto é, para uma pilha de laminações 30 que forma um polo de rotor particular 28, o local/posição do corte de protrusão de haste 58 pode ser variado, de modo que seja localizado em um local angular diferente para diferentes laminações 30 na pilha de laminação. Assim, embora o corte de protrusão de haste 58 seja mostrado na Figura 2 como sendo centralizado na laminação 30, outras laminações 30 em uma pilha de laminação polo de rotor 28 irão incluir um corte de protrusão de haste 58 que é angularmente compensado desde o centro. Tal variação angular do corte de protrusão de haste 58 nas laminações de rotor 30 que formam um polo de rotor 28 serve para introduzir um deslocamento de rotor líquido no conjunto de rotor 12 que reduz a ondulação de torque na máquina de IPM 10. A variação angular do corte de protrusão de haste 58 nas laminações de rotor 30 fornece ondulação de torque reduzida enquanto ainda permite o uso de uma única haste de rotor extrudado 18 no conjunto de rotor 12 e “blocos de ímã” que podem ser usados para formar o ímã permanente 34, conforme será explicado adicionalmente abaixo.

[031] Referindo-se agora à Figura 3, uma vista em perspectiva da máquina de IPM 10 é fornecida, em que um deslocamento de rotor é introduzido pelo uso de laminações de rotor 30 com cortes de protrusão de haste angularmente variados 58 formados na mesma. Conforme visto na Figura 3, o conjunto de rotor 12 inclui uma pluralidade de pilhas 60 de laminações de rotor 30 que formam coletivamente o núcleo de rotor segmentado 16, em que cada pilha 60 de laminações 30 forma um respectivo polo de rotor saliente 28 do núcleo de rotor segmentado. Conforme visto ainda na Figura 3, cada pilha 60 de laminações 30 é dividida em inúmeros grupos de laminação 62, 64, 66 que são dispostos axialmente (direção 68) ao longo da haste de rotor 18 - em que cada um dos grupos de laminação é formado a partir de uma pluralidade de laminações 30. De acordo com uma realização da invenção, cada pilha 60 de laminações 30 que forma um respectivo polo de rotor 28 inclui um primeiro grupo de laminação 62, segundo grupo de laminação 64, e um terceiro grupo de laminação 66 - embora reconhece-se que um número maior de grupos de laminação possa ser definido para cada polo de rotor 28. A estrutura do conjunto de rotor 12 pode ser ainda caracterizada pelo fato de que - para um local axial particular do conjunto de rotor 12 - as laminações de rotor 30 naquele local axial particular podem ser referidas coletivamente como uma “série” 70 de laminações de rotor. Assim, por exemplo, as laminações de rotor anteriores 30 que são visíveis na Figura 3 na extremidade anterior do conjunto de rotor 12 seriam coletivamente referidas como uma série 70 de laminações 30.

[032] De acordo com realizações da invenção, o corte de protrusão de haste 58 formado nas laminações 30 de um respectivo grupo de laminação 62, 64, 66 é angularmente compensado do corte de protrusão de haste 58 formado nas laminações 30 em um grupo de laminação adjacente 62, 64, 66, conforme será adicionalmente detalhado abaixo. Conforme o corte de protrusão de haste 58 formado nas laminações 30 de um respectivo grupo de laminação 62, 64, 66 é angularmente compensado do corte de protrusão de haste 58 formado nas laminações 30 de outros grupos de laminação 62, 64, 66, a posição angular de cada grupo de laminações 62, 64, 66 é deslocada em relação aos outros grupos, de modo a acomodar o uso de uma única haste de rotor extrudado 18. Isto é, ao deslocar angularmente os grupos de laminações 62, 64, 66 em uma pilha de laminação 60, a haste de rotor 18 é permitida a passar através dos cortes de protrusão de haste 58 angularmente compensados formados nos grupos de laminação 62, 64, 66 de uma respectiva pilha de laminação 60 (isto é, polo de rotor 28). Reconhece-se ainda que - para uma série de laminações de rotor 70 em um local axial particular - cada laminação de rotor 30 na série 70 irá incluir um corte de protrusão de haste 58 formado em um local idêntico dentro da laminação.

[033] Conforme adicionalmente mostrado na Figura 3, o ímã permanente 34 inserido entre cada par adjacente de polos de rotor 28 é de fato formado a partir de inúmeros blocos de ímã 72 - com um bloco de ímã 72 que corresponde a cada um dos grupos de laminação 62, 64, 66 (isto é, para cada ímã permanente 34, um bloco de ímã separado 72 é associado a cada grupo de laminação 62, 64, 66). Seguindo o deslocamento angular de cada grupo de laminações 62, 64, 66 de uma pilha de laminação 60 para um polo de rotor 28 em relação aos outros grupos 62, 64, 66 do polo de rotor 28, cada bloco de ímã 72 de um ímã permanente 34 é deslocado em relação aos outros blocos de ímã 72, de modo que, durante a operação da máquina de IPM 10, os blocos de ímã 72 de um ímã permanente particular 34 irão passar pelo mesmo estator que enrola 50 em um tempo diferente enquanto o conjunto de rotor 12 gira, reduzindo, assim, a ondulação de torque na máquina de IPM 10. Conforme pode ser visto na Figura 3, os blocos de ímã 72 para cada ímã permanente 34 são de tamanho e formato uniformes, de modo a simplificar um processo de inserção dos blocos 34 no conjunto de rotor 12.

[034] Referindo-se agora às Figuras 4 a 9, e com referência ainda feita à Figura 3, construções/formatos variados de laminações de rotor 30 que seriam incluídos nos grupos de laminação 62, 64, 66 são mostrados de acordo com realizações da invenção. As laminações 30 podem ser geralmente descritas como tendo uma configuração de laminação “padrão” ou uma configuração de laminação “não padrão”, em que a laminação padrão tem um corte de protrusão de haste 58 centralizado na laminação 30 e as laminações não padrão têm um corte de protrusão de haste 58 compensados desde o centro na laminação 30.

[035] Referindo-se primeiro às Figuras 4 e 5, uma laminação de rotor 74 que tem uma primeira configuração de laminação não padrão é mostrada na qual o corte de protrusão de haste 58 formado na laminação 74 é compensado desde o centro (isto é, linha central 76) em uma primeira direção angular 78. De acordo com uma realização da invenção, as laminações de rotor 74 são usadas para formar o primeiro grupo de laminação 62 em cada uma dentre a pluralidade de pilhas de laminação 60. Como tal, cada laminação de rotor 74 em uma série de rotor 70 que tem um local axial que se encaixa dentro do comprimento axial do primeiro grupo de laminação 62 (isto é, todas as laminações dispostas circunferencialmente ao redor da haste em um local axial particular que se encaixa dentro do primeiro grupo) terá uma primeira configuração de laminação não padrão 74. Conforme mostrado nas Figuras 4 e 5, o corte de protrusão de haste 58 é formado de modo a ser compensado desde o centro por um ângulo - indicado como 80 - que é selecionado durante a fabricação da laminação 74. O ângulo 80 pelo qual o corte de protrusão de haste 58 é posicionado fora do centro tem um valor máximo de cerca de metade do passo de entalhe - que é definido como o ângulo entre dois entalhes multiplicado pelo número de pares de polo. Reconhece-se que a compensação angular 80 do corte de protrusão de haste 58 desde o centro 76 poderia ser menos do que esse valor máximo.

[036] Referindo-se agora às Figuras 6 e 7, uma laminação de rotor 82 que tem um padrão configuração de laminação é mostrada na qual o corte de protrusão de haste 58 formado na laminação é centralizado na laminação - isto é, centralizado ao redor da linha central 76. De acordo com uma realização da invenção, as laminações de rotor 82 são usadas para formar o segundo grupo de laminação 64 em cada uma dentre a pluralidade de pilhas de laminação 60. Como tal, cada laminação de rotor 82 em uma série de rotor 70 que tem um local axial que se encaixa dentro do comprimento axial do segundo grupo de laminação 64 terá um padrão configuração de laminação.

[037] Referindo-se agora às Figuras 8 e 9, uma laminação de rotor 84 que tem uma segunda configuração de laminação não padrão é mostrada na qual o corte de protrusão de haste 58 formado na laminação 84 é compensado desde o centro (isto é, linha central 76) em uma segunda direção angular 86 que é oposta à primeira direção angular 78 (Figura 4). De acordo com uma realização da invenção, as laminações de rotor 84 são usadas para formar o terceiro grupo de laminação 66 em cada uma dentre a pluralidade de pilhas de laminação 60. Como tal, cada laminação de rotor 84 em uma série de rotor 70 que tem um local axial que se encaixa dentro do comprimento axial do terceiro grupo de laminação 66 terá uma segunda configuração de laminação não padrão. Conforme mostrado nas Figuras 8 e 9, o corte de protrusão de haste 58 é formado de modo a ser compensado desde o centro 76 por um ângulo - indicado como 88 - que é selecionado durante a fabricação da laminação. O ângulo 88 pelo qual o corte de protrusão de haste 58 é posicionado fora do centro tem um valor máximo de cerca de metade do passo de entalhe - que é definido como o ângulo entre dois entalhes multiplicado pelo número de pares de polo. Reconhece-se que a compensação angular 88 do corte de protrusão de haste 58 desde o centro poderia ser menos do que esse valor máximo.

[038] De acordo com uma realização da invenção, o corte de protrusão de haste 58 formado nas laminações 74 do primeiro grupo de laminação 62 e nas laminações 84 do terceiro grupo de laminação 66 pode ser compensado desde o centro 76 por um ângulo igual (isto é, ângulo 80 é igual ao ângulo 88) de modo a ser simetricamente formado ao redor do corte de protrusão de haste 58 formado nas laminações 82 do segundo grupo de laminação 64. Alternativamente, de acordo com outra realização da invenção, o corte de protrusão de haste 58 formado nas laminações 74 do primeiro grupo de laminação 62 e nas laminações 84 do terceiro grupo de laminação 66 pode ser compensado desde o centro 76 por um ângulo diferente (isto é, ângulo 80 não é igual ao ângulo 88) de modo a ser assimetricamente formado ao redor do corte de protrusão de haste 58 formado nas laminações 82 do segundo grupo de laminação 64. Considerações de projeto da máquina de IPM 10 podem ditar se o corte de protrusão de haste 58 nas laminações 74, 84 é formado simetricamente ou assimetricamente ao redor do corte de protrusão de haste 58 nas laminações 82.

[039] Vantajosamente, realizações da invenção fornecem, assim, uma máquina elétrica de IPM de rotor com eixo segmentado 10 que tem ondulação de torque reduzida. A incorporação de laminações de rotor 74, 82, 84 que tem cortes de protrusão de haste 58 formados na mesma em ângulos/locais variados serve para introduzir um deslocamento de rotor líquido na máquina de IPM 10 por um ângulo elétrico equivalente igual a um único deslocamento de entalhe de estator. A incorporação das laminações de rotor 74, 82, 84 fornece essa ondulação de torque reduzida enquanto retém as vantagens de permitir o uso de uma haste de rotor com eixo extrudado, uma construção de estator simples (sem deslocamento de estator), e blocos de ímã permanente de formato e tamanho uniforme (ao invés de blocos de ímã variados) - reduzindo, assim, a complexidade na fabricação do conjunto de rotor. Adicionalmente, a fabricação da máquina de IPM 10 é adicionalmente simplificada visto que o corte de laminações nos formatos exigidos é um processo mecanizado, enquanto que outras técnicas para a redução de ondulação de torque têm complexidade de fabricação adicional.

[040] Portanto, de acordo com uma realização da invenção, uma máquina de ímã permanente interno inclui um conjunto de estator que compreende um núcleo de estator, incluindo uma pluralidade de dentes de estator e enrolamentos de estator enrolados ao redor da pluralidade de dentes de estator para gerar um campo magnético de estator quando excitados com correntes alternadas. A máquina de ímã permanente interno inclui ainda um conjunto de rotor disposto dentro de uma cavidade definida pelo conjunto de estator e configurado para girar em relação ao conjunto de estator, sendo que o conjunto de rotor inclui ainda uma haste que compreende uma pluralidade de protrusões que se estendem radialmente para fora de um corpo de haste principal e que é formado circunferencialmente ao redor do corpo de haste principal e ao longo de um comprimento axial do corpo de haste principal, uma pluralidade de pilhas de laminações dispostas circunferencialmente ao redor da haste para receber a pluralidade de protrusões na mesma e em que cada uma compreende uma pluralidade de grupos de laminação dispostas axialmente ao longo de um comprimento da haste, e sendo que cada um dentre a pluralidade de grupos de laminação compreende uma pluralidade de laminações; e uma pluralidade de ímãs permanentes configurados para gerar um campo magnético que interage com o campo magnético de estator para produzir um torque, sendo que cada ímã permanente é disposto entre um respectivo par de pilhas adjacentes de laminações. Cada uma dentre a pluralidade de laminações inclui um corte de protrusão de haste formado na mesma para receber uma respectiva protrusão de haste, e sendo que, para cada uma dentre a pluralidade de pilhas de laminação, os cortes de protrusão de haste formados nas laminações de um respectivo grupo de laminação são angularmente compensados dos cortes de protrusão de haste formados nas laminações em um grupo de laminação adjacente.

[041] De acordo com outra realização da invenção, um método para dispor em conjunto uma máquina de ímã permanente interno inclui fornecer um conjunto de estator que compreende um núcleo de estator que tem uma pluralidade de dentes de estator com enrolamentos de estator enrolados nos dentes de estator para gerar um campo magnético de estator quando excitados com correntes alternadas e fornecer um conjunto de rotor que é girável dentro de uma cavidade formada pelo conjunto de estator. A etapa de fornecer o conjunto de rotor inclui ainda fornecer uma haste que compreende uma pluralidade de protrusões que se estendem radialmente ao longo de um comprimento axial da haste giratória e são formadas circunferencialmente ao redor da haste e colocar uma pluralidade de pilhas de laminações sobre a pluralidade de protrusões de haste da haste, de modo que a pluralidade de pilhas de laminações seja posicionada circunferencialmente em torno da haste e de modo que cada uma dentre a pluralidade de pilhas de laminações seja disposta em uma pluralidade de grupos de laminação ao longo do comprimento axial da haste, sendo que a pluralidade de pilhas de laminações é colocada sobre a pluralidade de protrusões de haste da haste, de modo que grupos de laminação adjacentes em cada pilha de laminações sejam posicionados na haste para ter uma compensação angular, um em relação ao outro. A etapa de fornecer o conjunto de rotor também inclui ainda prender uma pluralidade de ímãs permanentes em aberturas definidas pela pluralidade de pilhas de laminações, em que a pluralidade de ímãs permanentes gera um campo magnético que interage com o campo magnético de estator para produzir um torque.

[042] De acordo com ainda outra realização da invenção, um conjunto de rotor para uso em uma máquina de ímã permanente interno inclui uma haste que tem um corpo de haste e uma pluralidade de protrusões que se estendem radialmente para fora do corpo de haste, sendo que a pluralidade de protrusões é formada ao longo de um comprimento axial da haste e circunferencialmente ao redor da haste. O conjunto de rotor também inclui uma pluralidade de pilhas de laminações dispostas nas protrusões radiais, em que cada uma dentre a pluralidade de pilhas de laminações compreende uma pluralidade de grupos de laminação dispostos axialmente ao longo da haste e sendo que cada um dentre a pluralidade de grupos de laminação compreende uma pluralidade de laminações e uma pluralidade de ímãs permanentes dispostas entre a pluralidade de pilhas de laminações. Um formato das laminações em cada um dentre a pluralidade de grupos de laminação de uma pilha de laminações é diferente do formato das laminações em outras da pluralidade de grupos de laminação em uma pilha de laminações.

[043] Esta descrição usa exemplos para revelar a invenção, incluindo o melhor modo, e também para permitir que qualquer técnico no assunto pratique a invenção, incluindo produzir e usar quaisquer dispositivos ou sistemas e realizar quaisquer métodos incorporados. O escopo patenteável da invenção é definido pelas reivindicações, e pode incluir outros exemplos que ocorram aos técnicos no assunto. Tais outros exemplos se destinam a estar dentro do escopo das reivindicações se tiverem elementos estruturais que não difiram da linguagem literal das reivindicações, ou se os mesmos incluírem elementos estruturais equivalentes com diferenças insubstanciais das linguagens literais das reivindicações.

Claims

1. MÁQUINA DE ÍMÃ PERMANENTE INTERNO (10) quecompreende:um conjunto de estator (14) que compreende:um núcleo de estator (40) que inclui uma pluralidade de dentes de estator; eenrolamentos de estator enrolados ao redor da pluralidade de dentes de estator para gerar um campo magnético de estator quando excitados com correntes alternadasum conjunto de rotor (12) disposto dentro de uma cavidade (46) definida pelo conjunto de estator (14) e configurado para girar em relação ao conjunto de estator (14), em que o conjunto de rotor (12) compreende:uma haste (18);uma pluralidade de pilhas de laminações (30) dispostas circunferencialmente ao redor da haste (18) para receber a pluralidade de protrusões (22) na mesma, em que cada uma dentre a pluralidade de pilhas de laminações (30) compreende uma pluralidade de grupos de laminação (62, 64, 66) dispostos axialmente ao longo de um comprimento da haste (18) e em que cada um dentre a pluralidade de grupos de laminação (62, 64, 66) compreende uma pluralidade de laminações (30); euma pluralidade de ímãs permanentes (34) configurados para gerar um campo magnético que interage com o campo magnético de estator para produzir um torque, em que cada ímã permanente (34) é disposto entre um respectivo par de pilhas adjacentes de laminações (30);em que cada uma dentre a pluralidade de laminações (30) inclui um corte de protrusão (58) de haste formado na mesma para receber uma respectiva protrusão de haste (22), e em que, para cada uma dentre a pluralidade de pilhas de laminação (30), os cortes de protrusão de haste (58) formados nas laminações (30) de um respectivo grupo de laminação (62, 64, 66) são angularmente compensados dos cortes de protrusão de haste (58) formados nas laminações (30) em um grupo de laminação adjacente (62, 64, 66),caracterizado pela haste (18) compreender uma pluralidade de protrusões (22) que se estendem radialmente para fora de um corpo de haste principal (24), sendo que a pluralidade de protrusões (22) é formada circunferencialmente ao redor do corpo de haste principal (24) e ao longo de um comprimento axial do corpo de haste principal (24), em que a pluralidade de grupos de laminação (62, 64, 66) inclui um primeiro grupo de laminação (62), um segundo grupo de laminação (64) e um terceiro grupo de laminação (66), em que o segundo grupo de laminação (64) é axialmente posicionado entre o primeiro grupo de laminação (62) e o terceiro grupo de laminação (66), os cortes de protrusão de haste (58) formados nas laminações (30) do primeiro grupo de laminação (62) e nas laminações do terceiro grupo de laminação (66) são formados de modo a serem compensados desde o centro nas laminações (30), sendo que os cortes de protrusão de haste (58) formados nas laminações (30) do primeiro grupo de laminação (62) são compensados desde o centro em uma primeira direção angular e os cortes de protrusão de haste (58) formados nas laminações (30) do terceiro grupo de laminação (66) são compensados desde o centro em uma segunda direção angular oposta à primeira direção angular.

2. MÁQUINA (10), de acordo com a reivindicação 1,caracterizada pela haste (18) compreender uma única haste contínua (18), sendo que a pluralidade de protrusões (22) é formada integralmente com o corpo de haste principal (24).

3. MÁQUINA (10), de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 a 2, caracterizada por cada ímã permanente (34) disposto entre um respectivo par de pilhas adjacentes de laminações (30) compreender inúmeros blocos de ímã (72), em que um bloco de ímã (72) corresponde a cada um dos grupos de laminação (62, 64, 66).

4. MÁQUINA (10), de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 a 3, caracterizada pela pluralidade de pilhas de laminações (30) formar coletivamente um núcleo de rotor, e por cada uma dentre a pluralidade de pilhas de laminação formar um polo de rotor (28) do núcleo de rotor.

5. MÁQUINA (10), de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 a 4, caracterizada pelos cortes de protrusão de haste (58) formados nas laminações (30) do segundo grupo de laminação (64) serem formados de modo a serem centralizados nas laminações (30).

6. MÁQUINA (10), de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 a 5, caracterizada pelos cortes de protrusão de haste (58) formados nas laminações (30) do primeiro grupo de laminação (62) e nas laminações (30) do terceiro grupo de laminação (66) serem compensados desde o centro por um ângulo igual, de modo a ser simetricamente formado ao redor dos cortes de protrusão de haste (58) formados nas laminações (30) do segundo grupo de laminação (64).

7. MÁQUINA (10), de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 a 6, caracterizada pelos cortes de protrusão de haste (58) formados nas laminações (30) do primeiro grupo de laminação (62) e nas laminações (30) do terceiro grupo de laminação (66) serem compensados desde o centro por um ângulo diferente, de modo a ser assimetricamente formado ao redor dos cortes de protrusão de haste (58) formados nas laminações (30) do segundo grupo de laminação (64).

8. MÁQUINA (10), de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 a 7, caracterizada pela compensação angular entre os cortes de protrusão de haste (58) formados nas laminações (30) de grupos de laminação adjacentes (62, 64, 66) ser igual a ou menor do que metade de um passo de entalhe de estator.

9. MÁQUINA (10), de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 a 8, caracterizada pelo conjunto de estator (14) e pelo conjunto de rotor (12) formarem um motor elétrico de eixo segmentado que tem enrolamentos distribuídos.

10. MÉTODO PARA DISPOR EM CONJUNTO UMA MÁQUINA DE ÍMÃ PERMANENTE INTERNO (10), o método compreende:fornecer um conjunto de estator (14) que compreende um núcleo de estator (40) que tem uma pluralidade de dentes de estator, com enrolamentos de estator enrolados nos dentes de estator para gerar um campo magnético de estator quando excitados com correntes alternadas; efornecer um conjunto de rotor (12) que é girável dentro de uma cavidade (46) formada pelo conjunto de estator (14), em que fornecer o conjunto de rotor (12) compreende:fornecer uma haste (18);colocar uma pluralidade de pilhas de laminações (30) sobre a pluralidade de protrusões de haste (22) da haste (18) de modo que a pluralidade de pilhas de laminações (30) sejam posicionadas circunferencialmente em torno da haste (18), e de modo que cada uma dentre a pluralidade de pilhas de laminações (30) seja disposta em uma pluralidade de grupos de laminação (62, 64, 66) ao longo do comprimento axial da haste (18), sendo que a pluralidade de pilhas de laminações (30) é colocada sobre a pluralidade de protrusões de haste (22) da haste (18) de modo que grupos de laminação adjacentes (62, 64, 66) em cada pilha de laminações (30) sejam posicionados na haste (18) para ter uma compensação angular, um em relação ao outro; e prender uma pluralidade de ímãs permanentes (34) em aberturas definidas pela pluralidade de pilhas de laminações (30), em que a pluralidade de ímãs permanentes (34) gera um campo magnético que interage com o campo magnético de estator para produzir um torque;caracterizado por compreender:fornecer a haste (18) compreendendo uma pluralidade de protrusões (22), em que as protrusões (22) se estendem radialmente ao longo de um comprimento axial da haste (18) giratória e são formadas circunferencialmente ao redor da haste (18);providenciar uma pluralidade de grupos de laminação (62, 64, 66) que inclui um primeiro grupo de laminação (62), um segundo grupo de laminação (64) e um terceiro grupo de laminação (66), em que o segundo grupo de laminação (64) é axialmente posicionado entre o primeiro grupo de laminação (62) e o terceiro grupo de laminação (66);formar os cortes de protrusão de haste (58) nas laminações (30) do primeiro grupo de laminação (62) e do terceiro grupo de laminação (66) de modo a serem compensados desde o centro nas laminações (30),formar os cortes de protrusão de haste (58) nas laminações (30) do primeiro grupo de laminação (62) sendo compensados desde o centro em uma primeira direção angular; eformar os cortes de protrusão de haste (58) nas laminações (30) do terceiro grupo de laminação (66) sendo compensados desde o centro em uma segunda direção angular oposta à primeira direção angular.

11. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por fornecer a haste (18) compreender extrudar a haste (18) como uma única haste integral (18).