BR102017015688A2 - Motor do tipo sem escovas e rotor para um motor - Google Patents

Abstract

a presente invenção refere-se a um motor do tipo sem escovas e a um rotor (2) para motor do tipo ?brushless? com ímãs de superfície (3). o rotor possuindo uma extensão axial (8) na qual é inserido o eixo tendo a extensão axial (8) uma altura maior do que a do pacote do estator (1), e a extensão axial (8) caracterizada também por possuir uma extensão radial (9) na base inferior dos imãs (3), tendo a extensão radial (9) um raio externo maior ou igual ao o raio da extensão axial (8), porém menor ou igual ao raio externo dos ímãs (3). as extensões axial (8) e radial (9) sendo utilizadas para fixação do eixo, aumento do momento de inércia, aumento do fluxo magnético gerado pelos ímãs (3) e também servindo como base para a montagem dos ímãs.

Description

Relatório descritivo de patente de invenção para “MOTOR DO TIPO SEM ESCOVAS E ROTOR PARA UM MOTOR”

CAMPO TÉCNICO [001] A presente invenção refere-se a um motor com um rotor projetado para motores do tipo “Brushless” (sem escovas) utilizados em compressores herméticos de capacidade variável para refrigeração. Outros tipos de motores, como por exemplo, motores de relutância, ou qualquer outro que não precise de gaiola pode se beneficiar da presente invenção.

DESCRIÇÃO DO ESTADO DA TÉCNICA [002] Compressores herméticos de capacidade variável normalmente utilizam um sistema mecânico do tipo biela e pistão, conectados ao eixo por um pino excêntrico. Para movimentar este mecanismo normalmente são utilizados motores do tipo “Brushless”, que normalmente são compostos de um estator e um rotor, sendo este último composto de um núcleo de aço elétrico laminado e ímãs de superfície (embora também possam ser encontradas versões de rotores com ímãs inseridos internamente). O estator é normalmente fixado ao bloco através de parafusos, e também fixado às molas de suspensão. Já o rotor é fixado ao eixo excêntrico através de interferência mecânica durante o processo de montagem.

[003] O motor brushless, ao contrário do motor DC com escovas, tem ímãs permanentes colados no rotor. Ele possui geralmente 4 ímãs em torno do perímetro e o estator do motor é composto por bobinas, geralmente 6 delas, colocadas em cruz formando um ângulo de 60° entre elas. Acredita-se que a maior vantagem dos motores brushless é que, devido ao fato de o rotor conter somente os ímãs permanentes, não precisa de alimentação e, dessa forma, não é necessária nenhuma ligação para o rotor. Tal característica proporciona vantagens sobre os motores de corrente contínua com escovas, dentre as quais destacam-se a confiabilidade mais elevada, o ruído reduzido, uma vida útil mais longa devido à ausência de desgaste da escova e a eliminação da ionização do comutador. Além disso, os motores brushless são mais eficientes em termos de consumo de energia.

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2/8 [004] Compressores herméticos para refrigeração são utilizados em freezers, refrigeradores, bebedouros, ar-condicionado e outras aplicações. Uma característica importante dos compressores é o seu tamanho, pois existe um espaço limitado dentro do sistema aonde será aplicado, e, portanto, quanto menor for o compressor, maior será a gama de sistemas de refrigeração em que este pode ser aplicado.

[005] Desta forma, é desejável que o tamanho do compressor, e principalmente sua altura, seja a menor possível, a fim de maximizar a utilização do produto em sistemas de refrigeração.

[006] A altura do compressor é ditada, principalmente, pela distância entre o topo do bloco e a parte inferior da suspensão. Portanto, seria interessante que esta distância fosse reduzida a fim de também reduzir a altura total do compressor.

[007] Para reduzir a distância entre bloco e suspensão, porém, também é necessário que a altura total do mancal radial (mancal entre o eixo e o bloco) seja reduzida. A redução desta altura, entretanto, reduz também a área total de mancalização e potencializa os problemas de desgaste do eixo.

[008] Outro problema relacionado com este tipo de motor é o reduzido momento de inércia do conjunto rotor e eixo. Como a densidade dos ímãs é significativamente mais baixa do que a densidade do aço elétrico, o rotor de motores do tipo “Brushless” pode apresentar problemas relativos ao funcionamento com alta carga e/ou com baixa rotação. Ou seja, qualquer pico de carga poderia causar uma queda muito grande na velocidade fazendo com que o compressor parasse de funcionar.

[009] Outro problema relacionado com este tipo de motor é o reduzido momento de inércia do conjunto rotor e eixo. Como a densidade dos ímãs é significativamente mais baixa do que a densidade do aço elétrico, o rotor de motores do tipo “Brushless” pode apresentar problemas relativos ao funcionamento com alta carga e/ou com baixa rotação. Ou seja, qualquer pico de carga poderia causar uma queda muito grande na velocidade fazendo com que o compressor parasse de funcionar.

[0010] Ainda outro problema relacionado com este tipo de motor é o posicionamento axial dos ímãs no momento da montagem do rotor. O correto posicionamento axial dos ímãs é fundamental para que sejam evitados problemas relativos à desgaste e ruído durante o funcionamento do compressor, pois o mau

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3/8 alinhamento dos imãs provoca o desbalanceamento magnético e gera forças axiais de alta frequência que causam uma vibração indesejada.

[0011] Uma característica desejável para este tipo de motor é a maximização do fluxo magnético gerado pelo ímã, pois quanto maior for o fluxo gerado, menor será a corrente necessária para a geração de torque, e maior será a eficiência do motor. Assim, seria desejável um caminho magnético de baixa relutância magnética de modo a maximizar a eficiência do motor.

[0012] Técnicas anteriores já sugeriam métodos para fixação do rotor ao eixo do compressor, como por exemplo no documento US9188370, onde o rotor é fixado por interferência à uma estrutura de aço conformada. A estrutura da patente citada é útil para motores em que o rotor não necessite ser produzido através de um pacote de lâminas. Como no caso de motores de alta eficiência a utilização de pacotes laminados é mandatória, este método não poderia ser utilizado. Outro problema relativo a este método é a altura de inserção, especialmente nos casos em que esta altura deve ser pequena. Neste caso, a área total de fixação pode não ser suficiente para garantir a sustentação do rotor, podendo causar problemas de confiabilidade para o compressor. Ainda outra desvantagem deste método é a reduzida inércia do conjunto. Como a maior parte da estrutura de aço conformada fica próxima ao eixo, a inércia do rotor é bastante baixa, podendo causar efeitos indesejados tanto na partida do compressor como em situações de alta carga.

OBJETIVOS DA INVENÇÃO [0013] É um objetivo da invenção resolver o problema de uma desejável redução da altura do compressor sem a perda de altura de mancalização.

[0014] É outro objetivo da invenção aumentar o momento de inércia do conjunto rotor e eixo.

[0015] É ainda outro objetivo da invenção facilitar o correto posicionamento dos ímãs durante a sua montagem.

[0016] É um objetivo da invenção maximizar o fluxo gerado pelos ímãs.

[0017] A presente invenção pretende resolver esses e outros inconvenientes, como será melhor descrito adiante.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO [0018] A presente invenção refere-se a um motor do tipo “Brushless” e a um rotor. O referido motor contendo ímãs de superfície, e o rotor compreendendo

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4/8 uma extensão axial que se prolonga para a extremidade oposta à parte de acoplamento do eixo. A extensão axial possuindo uma altura maior do que a do limite do estator, a extensão axial possuindo ainda uma extensão radial que se projeta adjacentemente a uma base inferior dos imãs, tendo a referida extensão radial um raio externo maior que o raio da superfície de rotor adjacente à superfície interna dos imãs, porém menor ou igual ao raio de uma superfície externa dos ímãs. Nota-se que a extensão axial do rotor se estende além das bases inferiores dos imãs e a extensão radial se estende adjacentemente às bases inferiores dos imãs, de modo a criar uma base de referência de alinhamento axial dos ímãs durante a montagem.

[0019] A extensão axial e a radial são compostas por aço elétrico laminado, mas também podem ser um componente adicional maciço, preferencialmente composto por material ferromagnético. Ou seja, a extensão axial e/ou extensão radial podem compreender um componente adicional maciço passível de ser destacado.

[0020] Com relação às modalidades, note-se o seguinte:

[0021] A presente invenção, em uma modalidade preferencial, refere-se a um conjunto de rotor e eixo que são posicionados de forma adjacente e fixados de maneira convencional (por cola ou interferência). Sendo que o aumento da extensão axial do pacote de lâminas (núcleo do rotor) é capaz de proporcionar a diminuição da altura do bloco e o aumento do raio da superfície externa do rotor em sua região inferior de maneira a ultrapassar a superfície interna dos imãs adjacentes à superfície externa do rotor, possibilitando assim um aumento de inércia do conjunto rotor eixo. Importante notar que, na modalidade preferida definida nas reivindicações, o raio mais externo da extensão não ultrapassa o raio externo dos imãs, entretanto, isso até poderia acontecer desde que não prejudicasse o funcionamento do motor. Ou seja, uma fixação adequada do estator permitiria tal aumento de raio, o qual melhoraria a inércia sem prejuízo do funcionamento do motor.

[0022] Tais modificações, ou seja, as extensões axiais e radiais, foram capazes de permitir que todo o conjunto rotor e estator pudesse ser deslocado de forma a se aproximar do bloco.

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5/8 [0023] Em uma segunda modalidade, pode ser utilizada uma extensão axial e radial formada por um componente adicional feito com qualquer material que tenha uma rigidez suficiente para inserção do eixo. Tal componente é fixado por maneiras diversas (rebite, cola, parafuso e etc) à parte inferior do rotor, de modo que possibilite o deslocamento do conjunto rotor e eixo.

[0024] Portanto, com a extensão do rotor, é possível manter a altura dos mancais e desta forma evitar possíveis problemas de desgaste do eixo.

[0025] Dessa forma, o problema relativo ao momento de inércia é solucionado pela extensão axial do rotor e pela utilização de extensões radiais na parte inferior do pacote de lâminas.

[0026] A extensão radial na parte inferior do pacote também é benéfica do ponto de vista de fluxo magnético total gerado pelos ímãs, pois reduz a relutância total do circuito magnético.

[0027] A extensão radial na parte inferior do pacote também resolve o problema do posicionamento axial dos ímãs durante a montagem, pois fornece uma base sólida como referência para esta montagem.

DESCRIÇÃO RESUMIDA DOS DESENHOS [0028] Após a descrição resumida, a seguir, a invenção será descrita em detalhes com o auxílio de exemplos apresentados na forma de Figuras.

[0029] Figura 1 - Uma vista em corte transversal de parte do conjunto mecânico e motor elétrico, mostrando um exemplo do conceito que hoje é o mais utilizado para a aplicação em compressores herméticos.

[0030] Figura 2 - Uma vista em corte transversal de um mesmo conjunto mecânico e motor elétrico da Fig. 1, mas neste exemplo com o mancal radial reduzido.

[0031] Figura 3 - Uma vista em corte transversal de parte da solução proposta na presente invenção.

[0032] Figura 4 - Uma vista em corte ilustrando uma modificação adicional que consiste na utilização de extensões radiais da parte inferior do pacote de lâminas do rotor.

[0033] Figura 5 - Uma vista em corte transversal ilustrando a diferença em tamanho dos elementos do compressor.

[0034] Figura 6 - Exemplo de um rotor com mau posicionamento axial de um dos ímãs.

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6/8 [0035] Figura 7 - Uma vista mostrando uma configuração alternativa para a extensão do rotor, a parte estendida sendo composta por um componente adicional.

DESCRIÇÃO DETALHADA DOS DESENHOS [0036] Na figura 1 é ilustrado um corte transversal de parte do conjunto mecânico e do motor elétrico, mostrando um exemplo do conceito que hoje é o mais utilizado para a aplicação em compressores herméticos. Nesta figura, o conjunto é composto por um estator 1, o qual possui um limite 1.1. O estator 1 é fixado em sua parte superior ao bloco 4, e em sua parte inferior pelas molas de suspensão 7. O rotor é composto por um núcleo de aço elétrico laminado 2, e ímãs 3 normalmente de ferrite. O núcleo do rotor 2 é fixado ao eixo 5, fazendo interface com o bloco 4 através do mancal radial 6. A altura convencional do conjunto é ali ilustrada com a letra A.

[0037] Na figura 2, pode ser visto o mesmo conjunto mecânico e motor elétrico, mas neste exemplo o mancal radial 6 foi reduzido para que o rotor 2 e estator 1 pudessem ser deslocados para cima, no sentido de reduzir a altura total do conjunto que agora é ilustrada com a letra B. Apesar de realmente reduzir a altura do compressor, este método pode trazer consequências indesejáveis, tais como desgaste excessivo do eixo 5, aumento do consumo do compressor e, em um caso extremo, do completo travamento do mecanismo. O mancal agora muito curto pode ser visto e é ilustrado pela letra C.

[0038] Na figura 3, pode ser vista parte da solução proposta, que consiste na utilização de uma extensão axial 8 do rotor 2 além do limite 1.1 do estator 1, e ainda estendendo a altura do mancal radial 6 para reduzir o desgaste por atrito e manter a altura B do conjunto. Desta forma, o rotor 2 passa a ser inserido em uma posição mais próxima à parte inferior do eixo 5. Esta extensão do rotor 2 traz também um aumento do momento de inércia do conjunto girante, o que garante uma partida mais efetiva e um funcionamento mais estável. O comprimento da referida extensão axial é variável em função do tamanho do eixo.

[0039] Na figura 4, com a altura B ainda mantida, pode ser vista uma característica adicional que consiste em um prolongamento/extensão radial 9 da parte inferior do pacote de lâminas do rotor 2 (extensão axial 8). Estas extensões ultrapassam a altura 11 do estator 1 e contribuem aumentando ainda mais o

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7/8 momento de inércia do conjunto girante (rotor e eixo), além de proporcionar um aumento no fluxo magnético total gerado pelos ímãs, aumentando a eficiência do motor. Assim, a extensão axial 8 possui ainda uma extensão radial 9 que se projeta adjacentemente a uma base inferior 3.1 dos imãs 3, tendo a referida extensão radial 9 um raio externo 14 (ilustrado na Fig. 5) maior que o raio 13 convencional do rotor 2, porém, preferencialmente, menor ou igual ao raio 15 de uma superfície externa dos ímãs 3, conforme ilustrado na figura 5.

[0040] Na figura 5, pode ser visto que, na solução proposta, a altura 12 do rotor 2 estendido é significativamente maior do que a altura 11 do estator 1. Também pode ser visto que o raio 14 da parte inferior do rotor estendido é, preferencialmente, intermediário ao raio 13 do pacote do rotor e ao raio 15 externo dos ímãs.

[0041] As medidas do raio 14 e da extensão 9 não são fixas e variam em razão da desejada redução da altura total do conjunto e, além disso, do momento de inércia e fluxo magnético que se quer aumentar, respectivamente.

[0042] Na figura 6, a letra F ilustra um exemplo de um rotor 2 com mau posicionamento axial de um dos ímãs 3. Este é um dos problemas que pode ser evitado com a utilização da extensão radial 9 da parte inferior do pacote de lâminas do rotor, já que esta extensão cria uma base de referência que possibilita um alinhamento axial perfeito dos ímãs 3 durante a montagem.

[0043] Na figura 7, pode ser vista uma configuração alternativa para a extensão do rotor 2, sendo que nesta configuração a parte estendida axialmente e/ou radialmente é compreendida por um componente adicional 16 composto preferencialmente de material ferromagnético e com boa resistência à deformação. O referido material pode ser diferente do material do núcleo do rotor ou igual, mas é importante que seja qualquer material passível de ser acoplado de maneira destacável ou fixa ao núcleo do rotor. O acoplamento pode ser feito por cola ou por meio de dispositivos de fixação como os rebites 17 mostrados na figura ou outros tipos de fixadores (parafusos, grampos e etc.) de modo que não haja desbalanceamento do eixo 5 do motor e perda de eficiência. A ideia desse componente adicional 16 é a de permitir que rotores convencionais possam ser adaptados para proporcionar as mesmas vantagens do rotor da presente invenção (aumento do momento de inércia, e base para os ímãs 3), o qual em sua modalidade preferida, é feito com um material único.

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8/8 [0044] Tendo sido descritos exemplos de concretizações preferidas, deve ser entendido que o escopo da presente invenção abrange outras possíveis variações, sendo limitado tão somente pelo teor das reivindicações apensas, aí incluídos os possíveis equivalentes.

Claims (12)

1. Motor do tipo sem escovas compreendendo um rotor contendo ímãs de superfície (3), caracterizado pelo fato de o rotor (2) compreender uma extensão axial (8) que se prolonga para a extremidade oposta à parte de acoplamento do eixo (5), a extensão axial (8) possuindo uma altura maior do que a do limite (1.1) do estator (1), a extensão axial (8) possuindo ainda uma extensão radial (9) que se projeta adjacentemente a uma base inferior (3.1) dos imãs (3), tendo a referida extensão radial (9) um raio externo (14) maior que o raio (13) da superfície de rotor adjacente à superfície interna dos imãs (3), porém menor ou igual ao raio (15) de uma superfície externa dos ímãs (3).

2. Motor de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a extensão axial (8) do rotor (2) se estende além das bases inferiores (3.1) dos imãs (3).

3. Motor de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a extensão radial (9) se estende adjacentemente às bases inferiores (3.1) dos imãs criando uma base de referência de alinhamento axial dos ímãs.

4. Motor de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que a extensão axial (8) e extensão radial (9) são compostas por aço elétrico laminado.

5. Motor de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que a extensão axial (8) e/ou extensão radial (9) compreendem um componente adicional (16) maciço, preferencialmente composto por material ferromagnético.

6. Motor de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que a extensão axial (8) e/ou extensão radial (9) compreendem um componente adicional (16) maciço passível de ser destacado.

7. Rotor para um motor contendo ímãs de superfície (3), caracterizado pelo fato de compreender uma extensão axial (8) que se prolonga para a extremidade oposta à parte de acoplamento do eixo (5), a extensão axial (8) possuindo uma altura maior do

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2/2 que a do limite (1.1) do estator (1), a extensão axial (8) possuindo ainda uma extensão radial (9) que se projeta adjacentemente a uma base inferior (3.1) dos imãs (3), tendo a referida extensão radial (9) um raio externo (14) maior que o raio (13) da superfície de rotor adjacente à superfície interna dos imãs (3), porém menor ou igual ao raio (15) de uma superfície externa dos ímãs (3).

8. Rotor de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a extensão axial (8) se estende além das bases inferiores (3.1) dos imãs (3).

9. Rotor de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a extensão radial (9) se estende adjacentemente às bases inferiores (3.1) dos imãs para criar uma base de referência de alinhamento axial dos ímãs durante a montagem.

10. Rotor de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 9, caracterizado pelo fato de que a extensão axial (8) e extensão radial (9) são compostas por aço elétrico laminado.

11. Rotor Motor de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 10, caracterizado pelo fato de que a extensão axial (8) e/ou extensão radial (9) compreendem um componente adicional (16) maciço, preferencialmente composto por material ferromagnético.

12. Rotor de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 10, caracterizado pelo fato de que a extensão axial (8) e/ou extensão radial (9) compreendem um componente adicional (16) maciço passível de ser destacado.