BR102017011470A2 - electromechanical battery with electrodynamic magnetic bearing - Google Patents

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  • Connection Of Motors, Electrical Generators, Mechanical Devices, And The Like (AREA)
  • Magnetic Bearings And Hydrostatic Bearings (AREA)

Abstract

bateria eletromecânica compreendida por um motor/gerador enclausurado em capsula(11), com rotor (6) posicionado coaxial e envolvendo o estator (8) e possui ímãs permanentes (12) localizados junto a superfície cilíndrica interna do corpo do rotor (6), e possui anéis de cobre (1) posicionados na parte superior e na parte inferior da superfície cilíndrica interna do corpo do rotor (6), e possui mancal de sustentação em forma de imãs (5) posicionados na base do rotor (6) formando pares com os imãs (5) fixados na estrutura (13) de apoio do estator (8), e o estator (8) formado por troncos de cilindros alinhados axialmente possui ímãs em anel (2) e material ferromagnético (3) fixos na superfície cilíndrica externa do estator (8) e alinhados radialmente com os anéis de cobre(1), e o estator (8) possui enrolamentos (4) brushless alinhados radialmente com os ímãs permanentes (12), e o estator (8) possui na base superior sensor de posição angular (7), e o estator (8) possui, ao longo do eixo, canal de passagem (10), e a superfície cilíndrica interna do rotor (6) esta espaçada da superfície cilíndrica externa do estator (8) por rolamentos (9).electromechanical battery comprising a capsule-enclosed motor / generator (11) with a rotor (6) positioned coaxially and surrounding the stator (8) and has permanent magnets (12) located near the inner cylindrical surface of the rotor body (6), and has copper rings (1) positioned at the top and bottom of the inner cylindrical surface of the rotor body (6), and has magnet-shaped support bearing (5) positioned at the base of the rotor (6) forming pairs with the magnets (5) attached to the stator support structure (13), and the stator (8) formed by axially aligned cylinder trunks has ring magnets (2) and ferromagnetic material (3) attached to the cylindrical surface stator (8) and radially aligned with the copper rings (1), and the stator (8) has brushless windings (4) radially aligned with the permanent magnets (12), and the stator (8) has on the upper base angular position sensor (7), and the stator (8) has, along the axis, passage channel (10), and the inner cylindrical surface of the rotor (6) is spaced from the outer cylindrical surface of the stator (8) by bearings (9).

Description

BATERIA ELETROMECÂNICA COM MANCAL MAGNÉTICO ELETRODINÂMICO [001] A inovação proposta pertence à área da energia, particularmente aos equipamentos de armazenamento e recuperação de energia, que possibilita o manejo de energia entre o sistema elétrico e um volante (flywheel). Possui sistema de levitação e guiamento do rotor, obtido por efeito de levitação eletrodinâmica, através de mancais de escora magnéticos.ELECTROMECHANICAL BATTERY WITH ELECTRODYNAMIC MAGNETIC BEARING [001] The proposed innovation belongs to the area of energy, particularly energy storage and recovery equipment, which enables energy management between the electrical system and a flywheel. It has a system of levitation and guidance of the rotor, obtained by electrodynamic levitation effect, through magnetic strut bearings.

Análise do estado da arte [002] A crescente utilização de energias limpas e renováveis demanda um sistema flexível de armazenamento de energia. Atualmente os sistemas que gerenciam o sistema elétrico não contam com uma boa disponibilidade de equipamentos que executam esse tipo de papel, particularmente equipamentos compactos que possuam alta densidade de energia por volume ocupado. Percebe-se assim que diversos dispositivos vêm sendo desenvolvidos em diferentes configurações para manejar a energia de forma eficiente. A seguir são descritos trabalhos que em alguma medida têm semelhanças com aquele descrito neste relatório.State of the art analysis [002] The growing use of clean and renewable energy demands a flexible energy storage system. Currently, the systems that manage the electrical system do not have a good availability of equipment that performs this type of paper, particularly compact equipment that has a high energy density per occupied volume. It is clear that different devices have been developed in different configurations to manage energy efficiently. The following describes works that to some extent have similarities to that described in this report.

[003] A referência WO96/24981, Flywheel Based Energy Storage System depositada por Jack G Bitterly e Steven E Bitterly em 06 de fevereiro de 1995, descreve um sistema compacto para armazenamento de energia com um flywheel rotativo de alta velocidade e uma unidade de motor/gerador. Os componentes rotativos estão sob ação do vácuo para diminuir perdas de energia devido a ação do ar. O perfil do rotor é axial para maximizar a densidade de energia e o volume de eficácia do sistema. A configuração do rotor apresenta[003] The reference WO96 / 24981, Flywheel Based Energy Storage System deposited by Jack G Bitterly and Steven E Bitterly on February 6, 1995, describes a compact system for energy storage with a high speed rotary flywheel and a motor unit /generator. The rotating components are under vacuum to reduce energy losses due to the action of air. The rotor profile is axial to maximize the energy density and the volume of system efficiency. The rotor configuration features

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2/15 regiões ocas em cada extremidade axial de modo a permitir o encaixe de mancais magnéticos. O motor/gerador está localizado numa extremidade do rotor, depois do conjunto de mancais magnéticos. O estator é montado em um conjunto de translação para permitir o movimento axial. Para operação normal esse estator estará alinhado com o eixo do rotor do flywheel. Porém, se não for necessária operação nem como motor nem como gerador o estator pode ser colocado em uma posição na qual estaria desacoplado do rotor. Uma blindagem magnética é montada ao redor do rotor, sendo capaz de manter o fluxo magnético nesse espaço, minimizando perdas de energia que poderiam diminuir a velocidade do flywheel em períodos ociosos.2/15 hollow regions at each axial end to allow the fitting of magnetic bearings. The motor / generator is located at one end of the rotor, after the set of magnetic bearings. The stator is mounted on a translation set to allow axial movement. For normal operation, this stator will be aligned with the rotor axis of the flywheel. However, if no operation is required, either as a motor or generator, the stator can be placed in a position where it would be decoupled from the rotor. A magnetic shield is mounted around the rotor, being able to maintain the magnetic flux in this space, minimizing energy losses that could decrease the flywheel's speed in idle periods.

[004] A referência US006806605B1, Permanent Magnetic Bearings depositada por Christopher W Gabrys em 19 de outubro de 2004, descreve um sistema de mancais magnéticos para suporte de corpos de rotação com raio de rotação vertical através do centro de massa - o texto cita um possível exemplo de aplicação (flywheel) para o armazenamento de energia. O sistema de mancais incluiria uma parte rotativa e uma parte estacionária em cada lado do centro de massa rotativo. Numa superfície axial ao corpo rotativo são colocados pelo menos dois anéis de pólos axiais concêntricos. Esses anéis são organizados dentro de um compartimento na base do rotor com anéis adjacentes tendo polaridades magnéticas inversas. Em relação à parte estacionária, pelo menos dois anéis de ímãs permanentes concentricamente magnetizados interagem com os anéis rotativos de modo a produzir uma força de atração axial e uma força centrífuga radial.[004] The reference US006806605B1, Permanent Magnetic Bearings deposited by Christopher W Gabrys on October 19, 2004, describes a system of magnetic bearings to support rotating bodies with a vertical rotation radius through the center of mass - the text mentions a possible application example (flywheel) for energy storage. The bearing system would include a rotating part and a stationary part on each side of the rotating center of mass. At least two concentric axial pole rings are placed on an axial surface of the rotating body. These rings are arranged within a compartment at the base of the rotor with adjacent rings having inverse magnetic polarities. Regarding the stationary part, at least two permanent magnet rings concentrically magnetized interact with the rotating rings in order to produce an axial attraction force and a radial centrifugal force.

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3/15 [005] A referência US005398571A, Flywheel Storage System With Improved Magnetic Bearings depositada por David W. Lewis em 21 de março de 1995 descreve um sistema flywheel para armazenamento de energia pensado para rodar com orientação horizontal. Tal sistema é montado a partir de um conjunto motor/gerador com o rotor externo ao estator, sendo o rotor sustentado por mancais magnéticos em cada ponta. Cada um desses mancais magnéticos comprime um único atuador principal capaz de suportar de 80 a 99% da carga de gravidade nas extremidades do rotor. O restante da carga deve ser sustentada por atuadores menores. O flywheel é construído com material de alta densidade em formato de aros conectados de forma radial, dessa maneira o flywheel pode ser posicionado para rotacionar num eixo horizontal. A parte laminada desse rotor com boa magnetibilidade é colocada no eixo central de rotação de modo a diminuir relativamente a força centrífuga durante a rotação. A capacidade de armazenamento de energia desse flywheel está associada com uma característica construtiva que permite que mais material seja colocado em áreas com maior probabilidade de estresse e altas velocidades [006] A referência US005703423, “Energy Storage Flywheel System”, depositada por Fukao, Matsukazedai et al, em 30 de dezembro de 1997, mostra um volante de inércia que é um rotor que gira em torno do estator. O objeto desta invenção é capaz de ter altas velocidades de rotação e pequenas perdas de energia em uma estrutura reduzida. O sistema de armazenamento de energia é formado por um estator e um rotor externo que funciona como o volante de inércia para armazenamento de energia. No estator possui um conjunto de enrolamentos responsáveis pela propulsão do rotor. Um segundo conjunto de3/15 [005] The reference US005398571A, Flywheel Storage System With Improved Magnetic Bearings deposited by David W. Lewis on March 21, 1995 describes a flywheel energy storage system designed to run in horizontal orientation. Such a system is assembled from a motor / generator set with the rotor external to the stator, the rotor being supported by magnetic bearings at each end. Each of these magnetic bearings compresses a single main actuator capable of supporting 80 to 99% of the gravity load at the ends of the rotor. The rest of the load must be supported by smaller actuators. The flywheel is built with high density material in the shape of radially connected hoops, so the flywheel can be positioned to rotate on a horizontal axis. The laminated part of this rotor with good magnetibility is placed on the central axis of rotation in order to decrease the centrifugal force during rotation. The energy storage capacity of this flywheel is associated with a constructive characteristic that allows more material to be placed in areas with a higher probability of stress and high speeds [006] The reference US005703423, “Energy Storage Flywheel System”, deposited by Fukao, Matsukazedai et al, on December 30, 1997, shows a flywheel that is a rotor that rotates around the stator. The object of this invention is capable of having high speeds of rotation and small losses of energy in a reduced structure. The energy storage system consists of a stator and an external rotor that acts as the flywheel for energy storage. The stator has a set of windings responsible for propelling the rotor. A second set of

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4/15 enrolamentos, com um número de polos diferente, são instalados. O fornecimento de energia será o fornecimento de corrente para o primeiro conjunto de enrolamentos para fazer o rotor girar, e o controle será feito pelas correntes no segundo enrolamento que produz forças radiais que agem sobre o rotor para evitar o contato com o estator. O controle elimina os distúrbios sobre o volante. A invenção pode ser usada também com dois rotores e estatores ligados em um sistema trifásico, de modo que uma das fases seja invertida e um conversor de potência seja utilizado para entregar a corrente aos enrolamentos. Com as correntes no sentido contrário, os rotores giram em sentido contrário e anulam os vetores de momento de giro produzidos no volante de inércia.4/15 windings, with a different number of poles, are installed. The power supply will be the current supply for the first set of windings to make the rotor rotate, and the control will be made by the currents in the second winding that produce radial forces that act on the rotor to avoid contact with the stator. The control eliminates disturbances on the steering wheel. The invention can also be used with two rotors and stators connected in a three-phase system, so that one of the phases is inverted and a power converter is used to deliver the current to the windings. With the chains in the opposite direction, the rotors rotate in the opposite direction and cancel the turning moment vectors produced in the flywheel.

[007] A referência US005124605, “Flywheel Based - Energy Storage Methods and Apparatus”, depositada por Jack G Bitterly e Steven E Bitterly., em 23 de junho de 1992, mostra um sistema armazenador de energia e seus métodos de fabricação. A invenção fornece um dispositivo de armazenamento de energia de alta densidade e projetado para girar a velocidades acima de 200.000 RPM, dependendo do seu tamanho radial. São preferencialmente fornecidos com mancais magnéticos e líquidos lubrificantes e atuam dentro de uma câmara de vácuo. O conjunto de eixos é contido dentro da câmara e preferencialmente compreende um conjunto de mancais eletromagnéticos em torno do eixo. O dispositivo é provido de um eixo, um conjunto de tubos e uma borda. O eixo pode ser fabricado de um material rígido e leve, sendo uma luva de mancal magnético oposta ao conjunto de rolamentos. Preferencialmente o eixo tem um canal contendo liquido que em conjunto com uma série de ressaltos na câmara, providenciam um sistema de auto restauro para os rolamentos. A[007] The reference US005124605, “Flywheel Based - Energy Storage Methods and Apparatus”, deposited by Jack G Bitterly and Steven E Bitterly., On June 23, 1992, shows an energy storage system and its manufacturing methods. The invention provides a high density energy storage device designed to rotate at speeds above 200,000 RPM, depending on its radial size. They are preferably supplied with magnetic bearings and lubricating liquids and act within a vacuum chamber. The set of axes is contained within the chamber and preferably comprises a set of electromagnetic bearings around the axis. The device is provided with a shaft, a set of tubes and an edge. The shaft can be made of a rigid and light material, being a magnetic bearing sleeve opposite the set of bearings. Preferably the shaft has a channel containing liquid which, together with a series of shoulders in the chamber, provides a self-restoration system for the bearings. THE

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5/15 borda é fabricada de uma fibra de alta resistência, que geralmente é feita de modo a ter um menor volume de interstício. As formas de realização para armazenamento e liberação energia são através da interação entre imãs permanentes ou materiais magnetizáveis como a luva magnética com o estator eletromagnético como eixo do rolamento.The 5/15 edge is made of a high-strength fiber, which is usually made to have a smaller interstice volume. The embodiments for storing and releasing energy are through the interaction between permanent magnets or magnetizable materials such as the magnetic sleeve with the electromagnetic stator as the bearing axis.

[008] A referência WO2016/107934 A1, “Flywheel Energy Storage System”, depositada por Julio Roca Moncada., em 07 de julho de 2016, mostra um sistema de volante de inércia. O sistema compreende um volante de inércia que gira ao redor de um eixo em uma câmara sob as condições de vácuo. O sistema é caraterizado em um volante de inércia composto por um conjunto de imãs permanentes e um sistema de condução do volante de inércia, girando em torno do mesmo eixo, fora da câmara, mas adjacente à mesma, provido de um jogo de imãs permanentes adequados para provocar o giro do volante de inércia por acoplamento magnético com os imãs do volante de inércia. Um motor elétrico para o acionamento do elemento de condução através de uma transmissão mecânica multiplicadora. A multiplicação e redução da velocidade angular conseguida mediante as transmissões mecânicas redutoras e multiplicadoras permitem que o volante de inércia seja capaz de armazenar maior energia cinética e portanto, tenha mais capacidade para neutralizar as flutuações de velocidade do conjunto do sistema. Uma aplicação do sistema, os meios de alimentação do motor elétrico compreendem um dispositivo ventilador, integrante com ou acionado por um elemento motriz, e uma série de rotores eólicos acoplados a respectivos geradores elétricos auxiliares, propulsionado pela corrente de ar gerada pelo dispositivo ventilador.[008] The reference WO2016 / 107934 A1, “Flywheel Energy Storage System”, deposited by Julio Roca Moncada., On July 7, 2016, shows a flywheel system. The system comprises a flywheel that rotates around an axis in a chamber under vacuum conditions. The system is characterized by a flywheel composed of a set of permanent magnets and a flywheel driving system, rotating around the same axis, outside the chamber, but adjacent to it, provided with a set of suitable permanent magnets to cause the flywheel to rotate by magnetic coupling with the flywheel magnets. An electric motor for driving the driving element through a multiplier mechanical transmission. The multiplication and reduction of the angular velocity achieved through the reduction and multiplier mechanical transmissions allow the flywheel to be able to store greater kinetic energy and therefore, it has more capacity to neutralize the speed fluctuations of the whole system. An application of the system, the electric motor supply means comprise a fan device, integral with or driven by a driving element, and a series of wind rotors coupled to the respective auxiliary electric generators, propelled by the air current generated by the fan device.

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6/15 [009] A referência WO2004/068677 A1, “Energy Storage Flywheel with minimum power magnetic bearing and motor/generator”, depositada por McMullen, Patrick, T; Huynh, Co., Si., em 12 de agosto de 2004, mostra um sistema armazenador de energia. A invenção fornece um sistema de armazenamento de energia otimizado, utilizando mancais magnéticos, um motor/gerador de imãs permanentes e um disco de alta resistência, preferencialmente construído usando um disco de aço para o armazenamento da energia cinética, mancais magnéticos configurado como duplo impulso e uma combinação ativa entre os mancais magnéticos e um imã permanente radial, e um motor/gerador de imãs permanentes.6/15 [009] Reference WO2004 / 068677 A1, “Energy Storage Flywheel with minimum power magnetic bearing and motor / generator”, deposited by McMullen, Patrick, T; Huynh, Co., Si., On August 12, 2004, shows an energy storage system. The invention provides an optimized energy storage system, using magnetic bearings, a permanent magnet motor / generator and a high-resistance disc, preferably constructed using a steel disc for kinetic energy storage, magnetic bearings configured as double thrust and an active combination between magnetic bearings and a permanent radial magnet, and a permanent magnet motor / generator.

[010] A referência “US 8,633,625 B2”, “Shaft-Less Energy Storage Flywheel”, consiste no registro de um sistema de armazenamento de energia cinética (flywheel) para diferentes aplicações, mas sem o eixo para transmissão de energia mecânica comum nos flywheels convencionais. Há várias construções apresentadas para o sistema, como o de uma massa girante circular com ímãs permanentes dispostos externamente ou internamente ao redor (rotor), podendo estar posicionados de forma radial ou axial, enrolamentos externos no estator ou internos feitos com fitas finas, ambos os casos alinhados com os ímãs, possibilidade de mancais magnéticos que estabilizam o sistema para que não exista atrito por contato nos sentidos axial, radial e/ou de inclinação e rolamentos reserva que atuam fisicamente quando os mancais magnéticos não estabilizam o sistema. O autor também considera o uso de polos fixos ou móveis distribuídos radialmente ao longo do rotor e do estator com a função de mancal magnético, uma situação que o estator seja único, outra na qual o conjunto[010] The reference “US 8,633,625 B2”, “Shaft-Less Energy Storage Flywheel”, consists of registering a kinetic energy storage system (flywheel) for different applications, but without the shaft for the transmission of mechanical energy common in flywheels conventional. There are several constructions presented for the system, such as a circular rotating mass with permanent magnets arranged externally or internally around (rotor), which can be positioned radially or axially, external windings in the stator or internal made with thin strips, both cases aligned with the magnets, possibility of magnetic bearings that stabilize the system so that there is no friction due to contact in the axial, radial and / or inclination directions and reserve bearings that act physically when the magnetic bearings do not stabilize the system. The author also considers the use of fixed or mobile poles distributed radially along the rotor and the stator with the function of magnetic bearing, a situation that the stator is unique, another in which the set

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7/15 estator-rotor não promova a levitação magnética primária com efeito na massa girante ou ainda cuja rotação da massa ocorra apenas por efeito da interação do campo magnético do estator com o dos ímãs no rotor.7/15 stator-rotor does not promote primary magnetic levitation with effect on the rotating mass or even whose rotation of the mass occurs only due to the interaction of the magnetic field of the stator with that of the magnets in the rotor.

[011] A referência “US 2012/0175985 A1”, “Passive Magnetic Bearing System”, trata-se de um estabilizador unicamente axial para o rotor de um mancal magnético com ímãs permanentes em formato de anel para levitação e controle externo de rigidez através do chaveamento de indutâncias de enrolamentos fixos posicionados entre duas matrizes Halbach acopladas ao rotor. O controle externo possibilita seu uso em mancais magnéticos passivos e ativos e não requer fonte de energia externa e nem sensores de posição, uma vez que pode operar detectando as tensões geradas pelos enrolamentos e as comutando. O estabilizador para desvios transversais ao eixo de rotação requer apenas uma matriz Halbach para operação, eliminando o problema de compensação mecânica das forças centrífugas para os ímãs. A variação do campo magnético dos ímãs com a temperatura é compensada por um conjunto bimetálico acoplado nas matrizes sob levitação que mantem o alinhamento do sistema e evita perdas. O sistema é parte de um projeto em estudo relacionado à flywheels e armazenamento de energia de fontes intermitentes e para fins automotivos.[011] The reference “US 2012/0175985 A1”, “Passive Magnetic Bearing System”, is a uniquely axial stabilizer for the rotor of a magnetic bearing with permanent magnets in a ring shape for levitation and external rigidity control through the switching of inductances of fixed windings positioned between two Halbach matrices coupled to the rotor. The external control allows its use in passive and active magnetic bearings and does not require an external power source or position sensors, since it can operate by detecting the voltages generated by the windings and switching them. The stabilizer for deviations transverse to the axis of rotation requires only a Halbach matrix for operation, eliminating the problem of mechanical compensation of the centrifugal forces for the magnets. The variation of the magnetic field of the magnets with the temperature is compensated by a bimetallic set coupled to the matrices under levitation that maintains the alignment of the system and prevents losses. The system is part of a project under study related to flywheels and energy storage from intermittent sources and for automotive purposes.

[012] A referência “US 2011/0298293 A1”, “Flywheel Energy System”, consiste de um sistema de armazenamento de energia cinética estacionário para fins de fornecimento de energia elétrica. O sistema trata de um volante (flywheel) no qual é constituído um mancal magnético com o acoplamento de um cilindro ferromagnético numa porção de seu eixo rotativo e um imã permanente circular[012] The reference “US 2011/0298293 A1”, “Flywheel Energy System”, consists of a stationary kinetic energy storage system for the purpose of supplying electricity. The system deals with a flywheel, which consists of a magnetic bearing with the coupling of a ferromagnetic cylinder on a portion of its rotating axis and a permanent circular magnet

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8/15 é fixado no estator de forma a atrair esse cilindro e a massa rotórica acoplada ao eixo, sem uso de aparatos eletromagnéticos. São utilizados um ou dois rolamentos de baixa fricção para manter o posicionamento radial do eixo e limitar o movimento axial já suportado, total ou em parte, pelo conjunto ímã e cilindro ferromagnético. A fixação do imã permanente ainda possui uma peça polar para prover um caminho de retorno para o fluxo magnético mantendo o balanço do cilindro ferromagnético no rotor. Dentre as diferentes possibilidades de construção apresentadas pelo autor, estão a utilização de diferentes composições para os ímãs permanentes, o uso de materiais não magnéticos para composição da massa do rotor, diferentes valores de suporte do mancal magnético, diferentes conjuntos motor/gerador para acoplamento ao sistema, a utilização de vácuo, um sistema de resfriamento, especificações de velocidade, massa e potência, etc.8/15 is fixed to the stator in order to attract this cylinder and the rotor mass coupled to the shaft, without the use of electromagnetic devices. One or two low-friction bearings are used to maintain the radial positioning of the shaft and limit the axial movement already supported, in whole or in part, by the magnet assembly and ferromagnetic cylinder. The fixation of the permanent magnet still has a polar piece to provide a return path for the magnetic flux maintaining the balance of the ferromagnetic cylinder in the rotor. Among the different construction possibilities presented by the author, are the use of different compositions for permanent magnets, the use of non-magnetic materials for the composition of the rotor mass, different support values for the magnetic bearing, different motor / generator sets for coupling to the system, the use of vacuum, a cooling system, speed, mass and power specifications, etc.

[013] Nos dias atuais, há a necessidade de desenvolvimento de sistemas de armazenamento de energia limpa. Uma das maneiras de armazenar esta energia é através das Baterias Eletromecânicas.[013] Nowadays, there is a need to develop clean energy storage systems. One way to store this energy is through Electromechanical Batteries.

[014] O princípio de funcionamento da Baterias Eletromecânica pode ser descrito da seguinte forma: coloca-se uma massa girante em situações em que não esteja sujeita a qualquer força de atrito ou a qualquer outra ação exterior. Converte-se a energia mecânica em energia elétrica e vice-versa, utilizando um motor/gerador elétrico. Para uma mesma massa, quanto maior a velocidade de rotação da mesma, maior é a energia armazenada. Os primeiros sistemas foram desenvolvidos utilizando-se de mancais mecânicos, mas a perda de energia decorrente dos mancais mecânicos e a dificuldade para lidar com rotações[014] The working principle of Electromechanical Batteries can be described as follows: a rotating mass is placed in situations where it is not subject to any frictional force or any other external action. Mechanical energy is converted into electrical energy and vice versa, using an electric motor / generator. For the same mass, the higher the speed of rotation, the greater the stored energy. The first systems were developed using mechanical bearings, but the loss of energy due to mechanical bearings and the difficulty to deal with rotations

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9/15 elevadas, na ordem de 150.000 rpm, inviabilizaram este tipo de solução tecnológica. Os mancais mecânicos são inviáveis para esta rotação, pois provocam perdas e não suportam os grandes esforços físicos que estão submetidos. O desenvolvimento recente de mancais magnéticos possibilita que a massa gire em rotações elevadas, da ordem de 150.000rpm, viabilizando as Baterias Eletromecânicas.High 9/15, in the order of 150,000 rpm, made this type of technological solution unfeasible. Mechanical bearings are not feasible for this rotation, as they cause losses and do not support the great physical stresses that are submitted. The recent development of magnetic bearings allows the mass to rotate at high speeds, in the order of 150,000 rpm, enabling Electromechanical Batteries.

[015] A Bateria eletromecânica com mancal magnético pode ser aplicada como alternativa no armazenamento de energia de forma limpa e com menor impacto ambiental. Considera-se a necessidade de armazenamento de energia para posterior utilização em casos de emergência e na impossibilidade de geração. No caso de um painel solar, só se produz energia durante as horas do dia. Já no caso da energia eólica apenas na presença de vento. Nos dias atuais debate-se o problema de armazenar a energia de uma forma rápida, eficaz, e que não seja prejudicial ao ambiente e que atenda ao pico de demanda. As indústrias podem armazenar energia durante o período da noite, quando esta é mais barata. Hoje em dia utilizam-se acumuladores químicos, mas a razão da densidade de energia por unidade de peso está longe dos objetivos necessários. Além disso, mostram-se agressivos ao meio ambiente devido às substâncias que os compõem (zinco, chumbo, cádmio, mercúrio, ácidos, bases, etc.) e também perdem a sua carga ao longo do tempo (mesmo sem estarem em utilização). Para resolver estes inconvenientes pode-se utilizar a Bateria Eletromecânica. Este dispositivo tem uma densidade de energia por unidade de peso muitas vezes superior à densidade disponível em baterias do tipo chumbo/ácido e seu rendimento pode atingir valores próximos a 96%. A bateria eletromecânica tem[015] The electromechanical battery with magnetic bearing can be applied as an alternative for storing energy in a clean way and with less environmental impact. It is considered the need for energy storage for later use in cases of emergency and when generation is impossible. In the case of a solar panel, energy is only produced during the hours of the day. In the case of wind energy only in the presence of wind. Nowadays there is a debate about the problem of storing energy in a fast, efficient way, which is not harmful to the environment and which meets the peak demand. Industries can store energy during the night, when it is cheaper. Nowadays chemical accumulators are used, but the energy density ratio per unit weight is far from the necessary objectives. In addition, they are aggressive to the environment due to the substances that compose them (zinc, lead, cadmium, mercury, acids, bases, etc.) and also lose their load over time (even without being in use). To solve these inconveniences, the Electromechanical Battery can be used. This device has an energy density per unit weight many times higher than the density available in lead / acid type batteries and its performance can reach values close to 96%. The electromechanical battery has

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10/15 um enorme campo de aplicação. Entre eles: instalações de emergência, instalações industriais, centrais de energia elétrica e veículos híbridos.10/15 a huge field of application. Among them: emergency installations, industrial installations, electric power plants and hybrid vehicles.

[016] A Bateria Eletromecânica abrange partes mecânicas, elétricas e de software necessários ao funcionamento do sistema. O controle é realizado através de controlador digital com unidade central de processamento - UCP e módulos de entrada e saída analógica e digital.[016] The Electromechanical Battery comprises mechanical, electrical and software parts necessary for the functioning of the system. Control is performed through a digital controller with central processing unit - CPU and analog and digital input and output modules.

[017] Considerando-se os documentos de patentes apresentados anteriormente, percebe-se a falta de um sistema constituído por um motorgerador baseado em máquinas sem escovas (“brushless”) acoplado a uma massa girante suspensa através de mancais magnéticos eletrodinâmicos, sendo o controle do motor-gerador implementado em dispositivos digitais denominados dispositivos lógicos programáveis (FPGA - “Field-Programmable Gate Array”) associados a um sistema microprocessado, garantindo grande flexibilidade no desenvolvimento do sistema de controle da máquina.[017] Considering the patent documents previously presented, there is a lack of a system consisting of a motor generator based on brushless machines (“brushless”) coupled to a rotating mass suspended through electrodynamic magnetic bearings, being the control the motor-generator implemented in digital devices called programmable logic devices (FPGA - “Field-Programmable Gate Array”) associated with a microprocessor system, ensuring great flexibility in the development of the machine control system.

[018] A bateria eletromecânica, descrita no presente relatório, consiste em uma Bateria Eletromecânica que vem suprir a necessidade de um sistema eficiente, de baixo custo e confiável para armazenamento de energia. Compreende uma Bateria Eletromecânica de alta eficiência que possa ser utilizada como alternativa no armazenamento de energia de forma limpa e com menor impacto ambiental. Para que se tenha um sistema com alto desempenho, a massa girante que compõe o sistema deve executar o movimento de rotação em alta velocidade, na ordem de 150.000 rpm. Deste modo, como solução, temse os mancais magnéticos que em função do atrito quase nulo, permitem altas rotações. Dentro dos mancais magnéticos tem-se o mancal magnético[018] The electromechanical battery, described in this report, consists of an Electromechanical Battery that fulfills the need for an efficient, low cost and reliable system for energy storage. It comprises a high-efficiency Electromechanical Battery that can be used as an alternative for storing energy in a clean way and with less environmental impact. In order to have a system with high performance, the rotating mass that makes up the system must execute the rotation movement at high speed, in the order of 150,000 rpm. In this way, as a solution, there are the magnetic bearings which, due to the almost zero friction, allow high rotations. Inside the magnetic bearings there is the magnetic bearing

Petição 870170036498, de 31/05/2017, pág. 16/35Petition 870170036498, of 05/31/2017, p. 16/35

11/15 eletrodinâmico homopolar aplicado à bateria, objeto da patente. Este tem a vantagem de ser um mancal passivo e estável em altas rotações, consistindo num dos componentes que diferenciam o motor-gerador da Bateria Eletromecânica, descrita neste relatório.11/15 homopolar electrodynamic applied to the battery, object of the patent. This has the advantage of being a passive and stable bearing at high speeds, consisting of one of the components that differentiate the motor-generator from the Electromechanical Battery, described in this report.

[019] A Bateria Eletromecânica com Mancal Magnético Eletrodinâmico é constituída por um rotor externo que se encontra na parte externa do equipamento, envolvendo o estator, e possui apenas componentes passivos em sua estrutura. Anéis metálicos não-ferromagnéticos são responsáveis pela condução da corrente induzida que deverá gerar as forças de guiamento e estabilização da estrutura em rotação. O rotor é o elemento que armazenará a energia elétrica fornecida pelo motor sem escovas, sendo que a energia é armazenada na forma de energia cinética, que é proporcional ao quadrado da velocidade escalar. A estrutura do estator é fixa na parte central do dispositivo, deste modo a massa do rotor será posicionada na região de maior raio do sistema, garantindo uma maior capacidade de armazenamento de energia. Esta configuração também permite um acesso às bobinas do estator para sua refrigeração.[019] The Electromechanical Battery with Electrodynamic Magnetic Bearing consists of an external rotor that is located on the outside of the equipment, surrounding the stator, and has only passive components in its structure. Non-ferromagnetic metal rings are responsible for conducting the induced current that should generate the guiding and stabilizing forces of the rotating structure. The rotor is the element that will store the electrical energy supplied by the brushless motor, and the energy is stored in the form of kinetic energy, which is proportional to the square of the scalar speed. The stator structure is fixed in the central part of the device, thus the rotor mass will be positioned in the region with the largest radius of the system, ensuring greater energy storage capacity. This configuration also allows access to the stator coils for cooling.

[020] O rotor é estabilizado automaticamente em seu eixo de rotação através de forças de levitação eletrodinâmica geradas por dois mancais eletrodinâmicos homopolares de baixa perda, sem contato mecânico entre a estrutura de apoio do estator e a estrutura do rotor. Estas forças são induzidas quando os anéis condutores metálicos se movem a partir de uma determinada velocidade em relação aos ímãs permanentes. A suspensão do rotor é implementada através do uso de ímãs permanentes.[020] The rotor is automatically stabilized on its axis of rotation by means of electrodynamic levitation forces generated by two low loss homopolyric electrodynamic bearings, without mechanical contact between the stator support structure and the rotor structure. These forces are induced when the metal conductive rings move at a certain speed in relation to the permanent magnets. Rotor suspension is implemented through the use of permanent magnets.

Petição 870170036498, de 31/05/2017, pág. 17/35Petition 870170036498, of 05/31/2017, p. 17/35

12/15 [021] A estrutura terá propulsão baseada em um motor sem escovas acionado por dispositivo lógico programável (FPGA - “Field-Programmable Gate Array”) e circuito de potência. O dispositivo lógico programável permite o processamento paralelo e a rápida reconfiguração dos parâmetros de controle do sistema, atuando de forma a garantir um funcionamento com desempenho superior àqueles obtidos em dispositivos baseados em microcontroladores e microprocessadores.12/15 [021] The structure will have propulsion based on a brushless motor driven by a programmable logic device (FPGA - “Field-Programmable Gate Array”) and power circuit. The programmable logic device allows parallel processing and rapid reconfiguration of the system's control parameters, acting in order to guarantee a performance with superior performance to those obtained in devices based on microcontrollers and microprocessors.

[022] O sistema motor-gerador é baseado em máquinas elétricas sem escovas (brushless) de ímãs permanentes sem núcleo ferromagnético, sendo que o controle de correntes e do fluxo de potência é executado pelos algoritmos implementados no dispositivo lógico programável.[022] The motor-generator system is based on brushless electrical machines (brushless) with permanent magnets without ferromagnetic core, and the current and power flow control is performed by the algorithms implemented in the programmable logic device.

[023] A figura 1 mostra em corte longitudinal o esquema do motorgerador da Bateria Eletromecânica.[023] Figure 1 shows in longitudinal section the schematic of the Electromechanical Battery engine.

[024] A figura 2 apresenta o diagrama de blocos do sistema.[024] Figure 2 shows the block diagram of the system.

[025] Conforme mostrado na figura 1, o estator (8) é formado por tronco de cilindros alinhados axialmente e o rotor (6) está posicionado coaxial e envolvendo o estator (8). O rotor (6) possui anéis de cobre (1) posicionados na parte superior e na parte inferior da parede cilíndrica interna do rotor (6). Os ímãs em anel (2) e material ferromagnético (3), que são os itens que formam o mancal magnético eletrodinâmico de sustentação radial do rotor (6) estão fixos no estator (8) e alinhados com os anéis de cobre (1). No corpo do estator (8) do motor/gerador estão presentes os enrolamentos (4) brushless. Os ímãs permanentes (12) do motor/gerador estão localizados junto a superfície cilíndrica interna do corpo do rotor (6). A posição dos enrolamentos (4) do motor/gerador[025] As shown in figure 1, the stator (8) is formed by axially aligned cylinders and the rotor (6) is positioned coaxial and surrounding the stator (8). The rotor (6) has copper rings (1) positioned at the top and bottom of the internal cylindrical wall of the rotor (6). The ring magnets (2) and ferromagnetic material (3), which are the items that form the electrodynamic magnetic bearing for the radial support of the rotor (6), are fixed on the stator (8) and aligned with the copper rings (1). Brushless windings (4) are present in the stator body (8) of the motor / generator. The permanent magnets (12) of the motor / generator are located next to the internal cylindrical surface of the rotor body (6). The position of the motor / generator windings (4)

Petição 870170036498, de 31/05/2017, pág. 18/35Petition 870170036498, of 05/31/2017, p. 18/35

13/15 é fornecida pelo sensor de posição angular (7). Os rolamentos (9) tem a função de garantir o posicionamento do rotor (6), e funcionam como um mancal de retenção do sistema. Conjunto de ímãs (5) formam o mancal de sustentação do rotor (6) e estão posicionados na base do rotor (6) formando pares com os imãs (5) fixados na estrutura (13) de apoio do estator (8). Os enrolamentos (4) do motor/gerador são interligados ao circuito de potência por fiação que passa através do canal de passagem (10), posicionado ao longo do eixo do estator (8). O motor/gerador está enclausurado em uma cápsula (11). O atrito em função do descolamento do rotor é atenuado pela câmara de vácuo formado pela campânula (11).13/15 is provided by the angular position sensor (7). The bearings (9) have the function of ensuring the positioning of the rotor (6), and act as a retaining bearing for the system. Set of magnets (5) form the rotor support bearing (6) and are positioned at the base of the rotor (6) forming pairs with the magnets (5) fixed on the stator support structure (13) (8). The windings (4) of the motor / generator are connected to the power circuit by wiring that passes through the passage channel (10), positioned along the axis of the stator (8). The engine / generator is enclosed in a capsule (11). The friction due to the detachment of the rotor is attenuated by the vacuum chamber formed by the bell (11).

[026] Em baixas rotações o rotor é apoiado pelo mancal de sustentação (5) e pelo mancal de retenção (9). A partir de uma determinada rotação e com as correntes induzidas, o mancal radial (1,2 e 3) passa a atuar através de forças radiais de levitação para o controle do movimento do rotor (6) sem a necessidade de um sistema de controle externo. O aumento da velocidade de rotação leva a um acréscimo na rigidez do mancal e deste modo a uma maior estabilidade. O acionamento adequado das correntes aplicadas às bobinas (4) do motor sem escovas (brushless) pode ser efetuado com precisão pois a posição do rotor (6) é medida através do sensor (7) colocado na parte superior do estator (8). O sistema proposto possui duas características adicionais importantes: as bobinas (4) da máquina sem escovas têm núcleo de ar, o que permite um ganho de eficiência do sistema, além disso o estator (8) possui um núcleo vazado, compreendido pelo canal de passagem (10) que, além de permitir a passagem[026] At low speeds, the rotor is supported by the support bearing (5) and the retaining bearing (9). After a certain rotation and with the induced currents, the radial bearing (1,2 and 3) starts to act through radial levitation forces to control the movement of the rotor (6) without the need for an external control system . Increasing the speed of rotation leads to an increase in bearing stiffness and thus greater stability. The proper activation of the currents applied to the coils (4) of the brushless motor (brushless) can be carried out precisely because the position of the rotor (6) is measured through the sensor (7) placed on the top of the stator (8). The proposed system has two important additional characteristics: the coils (4) of the brushless machine have an air core, which allows an efficiency gain of the system, in addition the stator (8) has a hollow core, comprised by the passage channel (10) which, in addition to allowing

Petição 870170036498, de 31/05/2017, pág. 19/35Petition 870170036498, of 05/31/2017, p. 19/35

14/15 da fiação dos fios das bobinas (4) e do sensor de posição angular (7) do rotor, também permite a adição de um sistema de refrigeração das bobinas (4).14/15 of the coil wire wiring (4) and the rotor angular position sensor (7), also allows the addition of a coil cooling system (4).

[027] A figura 2 apresenta o diagrama de blocos do sistema. O sistema de controle implementado no dispositivo lógico programável (FPGA) envia sinais para o sistema eletrônico de potência, que é responsável pelo controle de fluxo da energia. Dependendo dos acionamentos efetuados no circuito de potência, a energia elétrica será transformada em energia cinética, associada à velocidade de rotação do rotor (6), que atua como volante de inercia (flywheel). O circuito de potência controla as correntes aplicadas ao motor-gerador sem escovas (brushless) de alta eficiência. O acionamento do motor-gerador acelera ou reduz a velocidade do rotor (6), entregando energia a este ou convertendo energia cinética em energia elétrica.[027] Figure 2 shows the block diagram of the system. The control system implemented in the programmable logic device (FPGA) sends signals to the electronic power system, which is responsible for controlling the flow of energy. Depending on the activations made in the power circuit, the electric energy will be transformed into kinetic energy, associated with the rotation speed of the rotor (6), which acts as a flywheel. The power circuit controls the currents applied to the high efficiency brushless motor generator. The activation of the motor-generator accelerates or reduces the speed of the rotor (6), delivering energy to it or converting kinetic energy into electrical energy.

[028] Considerando as descrições acima, nota-se que a atividade inventiva se caracteriza pela obtenção de um dispositivo com alta eficiência graças às disposições construtivas intrínsecas da solução proposta. Os sistemas eletrônicos utilizados permitem uma rápida reconfiguração do sistema, consistindo numa ferramenta que possibilita a implementação de algoritmos que podem ser executados em paralelo. A velocidade de processamento do sistema eletrônico configurável permite uma ampla flexibilidade no uso de novas técnicas de acionamento. Da mesma forma a máquina elétrica proposta neste sistema converte a energia elétrica em energia cinética e vice-versa com alta eficiência. As tecnologias de ímãs com alta energia magnética que podem ser construídos em diferentes formatos, permitem a construção dos mancais que sustentam e guiam o rotor (6) em altas velocidades, quase sem atrito.[028] Considering the descriptions above, it is noted that the inventive step is characterized by obtaining a device with high efficiency thanks to the intrinsic constructive dispositions of the proposed solution. The electronic systems used allow a quick reconfiguration of the system, consisting of a tool that allows the implementation of algorithms that can be executed in parallel. The processing speed of the configurable electronic system allows ample flexibility in the use of new drive techniques. Likewise, the electrical machine proposed in this system converts electrical energy into kinetic energy and vice versa with high efficiency. The technologies of magnets with high magnetic energy that can be constructed in different formats, allow the construction of the bearings that support and guide the rotor (6) at high speeds, almost without friction.

Petição 870170036498, de 31/05/2017, pág. 20/35Petition 870170036498, of 05/31/2017, p. 20/35

15/15 [029] O principal mercado a se interessar pela tecnologia desenvolvida é aquele em que o de sistemas de energia é intermitente. Isso se dá porque nesse tipo de sistema é necessário armazenar a energia produzida para que possa ser posteriormente devolvida ao sistema, mantendo a rede alimentada. A tecnologia desenvolvida poderia ser aplicada nesse tipo de situação, melhorando a eficácia de aproveitamento energético do sistema. A associação de baterias eletromecânicas com sistemas de geração de energia alternativa, como a solar e a eólica, permite o permanente oferecimento de energia ao sistema, pois a energia eventualmente produzida em excesso durante o dia num sistema de painéis solares pode vir a ser armazenada e reaproveitada através do armazenamento nestas baterias eletromecânicas. Do ponto de vista ambiental cabe ressaltar que estas baterias não apresentam dano ao ambiente, pois não necessitam de reações químicas para o armazenamento e o reaproveitamento da energia, possuindo maior vida útil ao sistema.15/15 [029] The main market to be interested in the technology developed is the one in which the energy systems is intermittent. This is because in this type of system it is necessary to store the energy produced so that it can later be returned to the system, keeping the network powered. The developed technology could be applied in this type of situation, improving the efficiency of the system's energy use. The association of electromechanical batteries with alternative energy generation systems, such as solar and wind, allows the permanent supply of energy to the system, as the energy eventually produced in excess during the day in a solar panel system can be stored and reused through storage in these electromechanical batteries. From an environmental point of view, it is worth mentioning that these batteries do not present damage to the environment, as they do not need chemical reactions for the storage and reuse of energy, having a longer useful life for the system.

[030] Por fim, entende-se que a inovação não está limitada à forma específica apresentada, e que modificações e outras formas são entendidas como inclusas dentro do escopo das reivindicações anexas. Embora termos específicos sejam empregados aqui, eles são usados somente de forma genérica e descritiva e não como propósito de limitação.[030] Finally, it is understood that innovation is not limited to the specific form presented, and that modifications and other forms are understood to be included within the scope of the attached claims. Although specific terms are used here, they are used only in a generic and descriptive manner and not as a limiting purpose.

Claims (1)

REIVINDICAÇÃOCLAIM 1. BATERIA ELETROMECÂNICA COM MANCAL MAGNÉTICO ELETRODINÂMICO compreendida por um motor/gerador enclausurado em capsula(11), caracterizado pelo rotor (6) posicionado coaxial e envolvendo o estator (8) possuir ímãs permanentes (12) localizados junto a superfície cilíndrica interna do corpo do rotor (6), e possuir anéis de cobre (1) posicionados na parte superior e na parte inferior da superfície cilíndrica interna do corpo do rotor (6), e possuir mancal de sustentação em forma de imãs (5) posicionados na base do rotor (6) formando pares com os imãs (5) fixados na estrutura (13) de apoio do estator (8), e o estator (8) formado por troncos de cilindros alinhados axialmente possui ímãs em anel (2) e material ferromagnético (3) fixos na superfície cilíndrica externa do estator (8) e alinhados radialmente com os anéis de cobre(1), e o estator (8) possuir enrolamentos (4) brushless alinhados radialmente com os ímãs permanentes (12), e o estator (8) possuir na base superior sensor de posição angular (7), e o estator (8) possuir, ao longo do eixo, canal de passagem (10), e a superfície cilíndrica interna do rotor (6) estar espaçada da superfície cilíndrica externa do estator (8) por rolamentos (9).1. ELECTROMECHANICAL BATTERY WITH ELECTRODYNAMIC MAGNETIC BEARING comprised of a motor / generator enclosed in a capsule (11), characterized by the rotor (6) positioned coaxially and involving the stator (8) having permanent magnets (12) located next to the internal cylindrical surface of the body rotor (6), and have copper rings (1) positioned at the top and bottom of the internal cylindrical surface of the rotor body (6), and have a bearing in the form of magnets (5) positioned at the base of the rotor (6) forming pairs with magnets (5) attached to the stator support structure (13) (8), and the stator (8) formed by axially aligned cylinder trunks has ring magnets (2) and ferromagnetic material ( 3) fixed on the external cylindrical surface of the stator (8) and radially aligned with the copper rings (1), and the stator (8) has windings (4) brushless aligned radially with the permanent magnets (12), and the stator ( 8) possess on the upper base the angular position sensor (7), and the stator (8) has, along the axis, a passage channel (10), and the internal cylindrical surface of the rotor (6) is spaced from the external cylindrical surface of the stator (8) by bearings (9).
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