BR102017020416A2 - Rotor para motores do tipo brushless com ímãs de superfície - Google Patents

Abstract

rotor para motores do tipo “brushless” com ímãs de superfície. a presente invenção refere-se a um rotor (2) para motor do tipo ?brushless? (sem escovas) com ímãs (1) de superfície, possuindo batentes radiais (7) para limitar o deslocamento angular dos ímãs durante a montagem do rotor, e possuindo ainda batentes axiais (12) para limitar o deslocamento axial dos ímãs (1) durante a montagem. os batentes (7, 12) garantem o correto posicionamento dos ímãs sem a necessidade de adição de outros componentes, e garantem também boa performance, evitando ainda problemas relativos a ruído ou vibração.

Description

Relatório descritivo de patente de invenção para “ROTOR PARA MOTORES DO TIPO “BRUSHLESS” COM ÍMÃS DE SUPERFÍCIE”

CAMPO TÉCNICO [001] A presente invenção refere-se a um rotor para motores do tipo “Brushless” utilizados em compressores herméticos de capacidade variável para refrigeração que possui características que permitem um correto posicionamento dos ímãs utilizados ali.

DESCRIÇÃO DO ESTADO DA TÉCNICA [002] Compressores herméticos de capacidade variável normalmente utilizam um sistema mecânico do tipo biela e pistão, que são 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] Uma característica específica dos motores do tipo “Brushless”, que utilizam rotores com ímãs de superfície, é o fato de que os ímãs devem ser igualmente espaçados entre si no sentido radial. Uma construção típica deste tipo de configuração é a montagem do rotor com quatro ímãs em formato de canaleta (segmentos de anel), sendo que cada canaleta possui um ângulo de 80 graus de ponta a ponta. Neste caso, o espaço entre ímãs será de 20 graus, o que é suficiente para garantir um bom funcionamento do motor.

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2/10 [004] Outra característica deste tipo de rotor é o fato de que os ímãs devem estar alinhados axialmente, de forma que o fluxo magnético gerado possa ser transmitido ao estator da forma mais otimizada possível.

[005] As maiores dificuldades relativas à produção em massa deste tipo de rotor advêm do fato de que os segmentos de ímã normalmente são fixados ao núcleo de aço elétrico através de colagem e, por esta razão, podem sofrer deslocamentos tanto radiais quanto axiais durante a cura da cola (usualmente realizada através de fornos).

[006] O deslocamento radial dos ímãs pode fazer com que o espaço entre dois segmentos adjacentes seja muito pequeno de um dos lados e, consequentemente, muito grande do lado oposto do mesmo ímã. Este deslocamento pode levar a significativas distorções na forma de onda da tensão induzida, também chamada de força eletromotriz (FEM). Esta distorção gera componentes harmônicos de alta frequência, que além de não contribuir para a geração de torque, podem causar problemas relativos ao controle de velocidade do motor e/ou problemas de vibração e ruído.

[007] Um outro efeito negativo do espaçamento desigual dos ímãs no sentido radial é a perda de fluxo que ocorre nas extremidades de cada segmento. Existem duas consequências negativas relativas a este fato: a primeira é a diminuição do fluxo magnético útil, o que reduz os torques e a eficiência. A segunda é a formação de zonas de saturação magnética no estator, o que também pode reduzir a eficiência elétrica.

[008] O deslocamento axial dos ímãs também pode trazer efeitos indesejáveis para a performance do motor. Entenda-se deslocamento axial como o desalinhamento dos ímãs entre si e/ou o desalinhamento do centro de cada ímã e o centro do pacote de lâminas. Este deslocamento gera forças axiais que podem sobrecarregar os mancais, reduzir a eficiência do motor ou gerar vibração e ruído.

[009] Já são conhecidas técnicas que auxiliam no posicionamento dos ímãs durante a produção em massa de rotores para motores do tipo

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3/10 “Brushless”, tal como no documento WO93/07672, onde o posicionamento dos ímãs é auxiliado através de chanfros na superfície. Este método, contudo, garante apenas parcialmente o posicionamento radial, além de não garantir a posição axial.

[0010] Uma outra técnica mostrada no documento EP1349261A2 utiliza ímãs parcialmente enterrados no núcleo do rotor. Esta configuração possibilita um perfeito posicionamento radial, mas dificulta o processo, já que os ímãs têm que ter grande precisão de fabricação para que se encaixem perfeitamente nos alojamentos. Esta técnica também não garante o posicionamento axial.

[0011] Ainda outra técnica utilizada para resolver o problema do posicionamento radial dos ímãs é mostrada no documento US20020135253A1, a qual propõe utilizar partes da própria lâmina do rotor como limitadores para o posicionamento radial. Novamente, isso exigiria uma grande precisão na fabricação dos ímãs, e ainda faz com que parte do fluxo magnético gerado pelos ímãs, que deveria passar pelo entreferro do motor, seja perdido devido ao retorno do fluxo através destes limitadores. A posição axial dos ímãs também não é garantida por esta técnica.

[0012] A presente invenção pretende resolver esses e outros inconvenientes, como será melhor descrito adiante.

OBJETIVOS DA INVENÇÃO [0013] É um objetivo da invenção fazer com que os imãs de um rotor estejam perfeitamente alinhados axialmente.

[0014] É um objetivo da invenção permitir que o fluxo magnético gerado possa ser transmitido ao estator da forma mais otimizada possível.

[0015] É outro objetivo da invenção evitar o deslocamento radial dos ímãs do rotor.

[0016] É outro objetivo da invenção evitar que o espaço entre dois segmentos de imãs adjacentes seja muito pequeno de um dos lados e, consequentemente, muito grande do lado oposto do mesmo ímã.

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4/10 [0017] É outro objetivo da invenção evitar significativas distorções na forma de onda da tensão induzida.

[0018] É ainda outro objetivo da invenção evitar o aparecimento de forças axiais que podem sobrecarregar os mancais e reduzir a eficiência do motor ou gerar vibração e ruído.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO [0019] A presente invenção refere-se a um rotor para motor sem escovas, configurado para o correto posicionamento radial e axial de ímãs durante a montagem dos mesmos. Para a obtenção de um correto posicionamento radial utiliza-se um prolongamento radial no pacote de lâminas do rotor, de forma a criar um batente que limita o deslocamento radial dos imãs. Já para evitar que os ímãs sejam posicionados de forma desalinhada no sentido axial, isso é conseguido através de um ressalto criado nas tampas inferior e superior, limitando o campo de posicionamento do ímã durante a montagem, evitando o referido desalinhamento axial.

[0020] Assim, a presente invenção refere-se a um rotor para motores do tipo “Brushless” com ímãs de superfície possuindo pelo menos uma saliência/batente disposta radialmente no seu núcleo de aço e adjacentemente localizada entre uma das extremidades axiais de pelo menos cada dois de quatro segmentos de ímãs equidistantes entre si no dito rotor. Na verdade, em uma modalidade preferencial, pelo menos uma saliência está localizada entre as todas as extremidades axiais de todos os segmentos de ímãs equidistantes entre si no dito rotor.

[0021] O rotor possui tampas no lado inferior e superior, sendo que as tampas possuem pelo menos um rebaixo axial que se projeta para a região das extremidades radiais dos ímãs. A quantidade de rebaixos deve ser igual à quantidade de segmentos de ímãs do rotor.

[0022] O tamanho (L - largura) do batente deve estar entre 1/2 e 2/3 do espaço médio entre todos os ímãs dispostos no rotor e o batente pode possuir uma altura (H) menor do que 50% da espessura do ímã.

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5/10 [0023] Preferencialmente, o batente pode possuir um comprimento (D) que se estende por todo o comprimento axial da superfície do rotor. Entretanto, o batente também pode se estender em parte do comprimento (D) axial da superfície do rotor.

[0024] O Rotor pode ainda compreender pelo menos dois elementos de batente, de comprimento axial (D) mínimo e de tamanho (L- largura) entre 1/2 e 2/3 do espaço médio entre todos os ímãs, dispostos cada um, preferencialmente, próximos das extremidades do rotor.

[0025] Em outra modalidade, o rotor compreende apenas um batente, entre cada extremidade de imãs, cujo comprimento (D) é inferior ao total da sua superfície na direção axial.

[0026] Em uma modalidade adicional, o batente, entre cada extremidade de imãs, possui um comprimento (D) de 1/3 a 2/3 do total da sua superfície na direção axial.

[0027] O rebaixo axial possui comprimento radial (C) suficiente para manter os imãs 1 devidamente ajustados no seu correto lugar e sua largura (W) deve possuir, pelo menos, um tamanho pouco maior que o espaço entre os imãs. O rebaixo axial deve possuir comprimento radial (C) entre 1/3 e 1/1 da espessura do imã e possuir o tamanho da largura (W) variando entre 11/10 do espaço entre os imãs até todo o perímetro da tampa.

[0028] O rebaixo axial possui uma profundidade (P) capaz de permitir uma folga entre sua superfície interna e a superfície lateral dos imãs 1 voltada para ele, tal folga pode possuir o tamanho de 1 mm a 5 mm, dependendo do tamanho do rotor a ser utilizado.

[0029] Os batentes radiais do rotor podem ser formados durante a estampagem das lâminas de aço elétrico ou por componentes adicionais fixados ao rotor durante a fabricação. Já as tampas podem ser confeccionadas em material metálico ou material polimérico.

DESCRIÇÃO RESUMIDA DOS DESENHOS

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6/10 [0030] A seguir, a invenção será descrita em maiores detalhes com o auxílio de exemplos apresentados na forma de Figuras.

[0031] Figura 1 - Uma vista em corte transversal de parte de um motor elétrico do estado da técnica e um gráfico ilustrando a FEM correspondente ao alinhamento dos imãs do referido motor.

[0032] Figura 2 - Uma vista em corte transversal de parte de um motor elétrico do estado da técnica, semelhante ao da figura 1, porém com os ímãs deslocados radialmente e um gráfico ilustrando a FEM correspondente ao incorreto alinhamento dos imãs do referido motor.

[0033] Figura 3 - Um mapa de fluxo da configuração mostrada na figura 1.

[0034] Figura 4 - Um mapa de fluxo da configuração mostrada na figura 2.

[0035] Figura 5 - Uma vista em corte radial de um rotor com um batente de limitação de deslocamento de imãs.

[0036] Figura 6 - Uma vista em perspectiva e uma vista plana frontal mostrando um rotor com um deslocamento axial de um dos imãs.

[0037] Figura 7 - Uma vista em perspectiva ilustrando a concretização preferida do rotor da presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DOS DESENHOS [0038] A figura 1 ilustra um corte transversal de parte do motor elétrico, que consiste em um estator laminado 4, um rotor com núcleo laminado 2 e ímãs 1 em formato de canaleta dispostos ao longo da superfície do rotor 2. É possível notar nesta figura que a folga 3 entre ímãs adjacentes é adequada para que não exista perda de performance do motor. Na mesma figura, pode-se verificar um gráfico que ilustra em uma linha 5 a FEM (Força Eletromotriz) que, conforme pode ser vista do referido gráfico, é perfeitamente simétrica, sendo esta a configuração ideal para o bom funcionamento do motor.

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7/10 [0039] Já na figura 2 é mostrado o mesmo corte transversal, semelhante ao da figura 1, porém com os ímãs 1 incorretamente deslocados na direção radial de forma a gerar uma assimetria angular e, por consequência, uma folga 8 muito pequena em uma das extremidades dos ímãs adjacentes. Na mesma figura é possível verificar que a forma de onda da FEM ilustrada por uma linha 9 mostrada no gráfico é bastante assimétrica, gerando potenciais problemas de performance, ruído e vibração, além de dificultar o controle de velocidade do motor.

[0040] O mapa de fluxo da configuração mostrada na figura 1 pode ser visto na figura 3, onde os tons mais escuros representam induções mais altas. Para a configuração em que os ímãs 1 estão corretamente posicionados, o espaço entre os ímãs 3 deve ser substancialmente igual entre eles e suficiente para manter a simetria da FEM 5. Nessa figura é ilustrada uma perda de fluxo de aproximadamente 30% em relação ao fluxo total gerado pelos ímãs. Quanto menor este valor, melhor será a performance do motor.

[0041] Na figura 4 pode ser visto o mapa de fluxo da configuração mostrada na figura 2. Novamente, os tons mais escuros representam induções mais altas. Para a configuração em que os ímãs 1 estão incorretamente posicionados, o espaço entre os ímãs 6 é muito reduzido, gerando saturações localizadas e perda de parte do fluxo gerado pelos ímãs, o que gera uma significativa assimetria da FEM 9. Nessa figura é ilustrada uma perda de fluxo de aproximadamente 50%, o que reduz significativamente a performance do motor.

[0042] Na figura 5 pode ser visto um batente 7 da presente invenção, o qual é originado como um prolongamento da superfície do rotor e que serve para limitar o deslocamento angular dos imãs 1. Pode ser verificado que o movimento radial é limitado pelo batente 7. O tamanho (L - largura) deste batente deve estar entre 1/2 e 2/3 do espaço médio entre todos os ímãs para possibilitar que a FEM seja simétrica, o que garantirá a folga para

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8/10 que seja possível a montagem dos ímãs 1, considerando a tolerância de suas dimensões. A altura (H) do batente também influencia a simetria da FEM, e não se deve utilizar altura maior do que 50% da espessura do ímã, para que não exista perda de fluxo significativa. Em uma modalidade preferencial o comprimento (D) do batente 7 se estende por todo o comprimento axial da superfície do rotor 2. Os batentes/prolongamentos radiais 7 do rotor podem ser formados durante a estampagem das lâminas de aço elétrico. Os referidos prolongamentos radiais 7 do rotor podem ser formados por componentes adicionais fixados ao rotor durante a fabricação. O referido componente sendo do mesmo material do rotor 2.

[0043] Em uma modalidade alternativa, não é necessário que o batente 7 se estenda por todo o comprimento (D) axial da superfície do rotor 2, mas que tenha um comprimento (D) que seja capaz de dar estabilidade à montagem dos imãs e de limitar o deslocamento angular deles. Na verdade, nessa modalidade adicional, poderiam ser utilizados pelo menos dois elementos de batente 7, de comprimento axial (D) mínimo (por exemplo, 2 mm) e de tamanho (L- largura) entre 1/2 e 2/3 do espaço médio entre todos os ímãs 1, dispostos cada um, preferencialmente, próximos das extremidades do rotor para permitir o correto posicionamento dos imãs e que a FEM seja simétrica. Além disso, a utilização desses pelo menos dois elementos, ao invés de um batente único de comprimento igual ao do tamanho axial do rotor 2, seria eficiente para diminuir o peso do rotor e os custos de fabricação.

[0044] Ainda em uma outra modalidade, o rotor 2 possui apenas um batente 7, entre cada extremidade de imãs 1, cujo comprimento (D ilustrado na figura 7) não é igual ao total da sua superfície na direção axial, mas pelo menos de 1/3 a 2/3 dessa última, de modo a ainda assim permitir uma montagem simétrica dos imãs 1.

[0045] Na figura 6 pode ser visto um exemplo de um rotor com mau posicionamento axial de um dos ímãs 10. Este problema, como já foi

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9/10 mencionado, pode gerar problemas de performance e vibração.Na figura 7 é mostrado um exemplo de rotor da modalidade preferencial da presente invenção com pelo menos uma tampa 11 compreendendo rebaixos 12. Na modalidade preferencial são necessárias duas tampas 11 no rotor 2 e cada rebaixo 12 é posicionado sobre os espaços entre os imãs 1, de modo a evitar que pelo menos dois imãs 1 sejam deslocados axialmente. O rebaixo 12 atua criando uma referência física para facilitar a montagem dos ímãs 1, evitando que sejam montados com desalinhamento axial. O comprimento radial (C) dos rebaixos 12 deve ser o suficiente (geralmente entre 1/3 e 1/1 da espessura do imã 1) para manter os imãs 1 devidamente ajustados no seu correto lugar e sua largura (W) deve possuir, pelo menos, um tamanho pouco maior que o espaço entre os imãs 1. O tamanho da largura (W) pode variar entre 11/10 do espaço entre os imãs 1 até todo o perímetro da tampa

11. Já a profundidade (P) do rebaixo 12 deve ser capaz de auxiliar a montagem adequada dos imãs 1 e manter eles perfeitamente montados e alinhados entre si. A profundidade (P) do rebaixo 12 deve ser suficiente para que ele permita que a montagem dos imãs 1 seja guiada por ele, mas deve ser tomado o cuidado para que a mesma não o encoste nas superfícies laterais dos imãs 1. Em outras palavras, o rebaixo 12 da tampa 11 deve ser capaz de permitir uma folga entre sua superfície interna e a superfície lateral dos imãs 1 voltada para ele, sendo que tal folga deve ser adequada para permitir o correto acoplamento dos imãs 1. Na verdade, o próprio rebaixo 12 é produzido de acordo com a largura do imã 1 que se deseja utilizar no rotor. Apenas para exemplificar, tal folga, geralmente, é de 1 mm a 5 mm, dependendo do tamanho do rotor a ser utilizado. Portanto, durante a montagem, o rebaixo 12 pode, inclusive, ser utilizado como batente para o posicionamento axial dos ímãs 1, sem causar qualquer prejuízo para a performance ou manufatura dos rotores. Ainda na figura 7 pode ser visto o batente 7 com um comprimento (D) na direção axial do mesmo tamanho da superfície do rotor 2.

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10/10 [0046] As tampas podem ser confeccionadas em material metálico ou em material polimérico.

[0047] Tendo sido descritos exemplos de modalidades 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.

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Claims (18)

1. REIVINDICAÇÕES

   1. Rotor (2) para motores do tipo “Brushless” com ímãs de superfície (1), caracterizado pelo fato de possuir pelo menos um batente (7) disposto radialmente no seu núcleo de aço e adjacentemente localizado entre uma das extremidades axiais de pelo menos cada dois de quatro segmentos de ímãs equidistantes entre si no dito rotor (2).
2. 2. Rotor (2) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de pelo menos um batente (7) estar localizado entre todas as extremidades axiais de todos os segmentos de ímãs (1) equidistantes entre si no dito rotor (2).
3. 3. Rotor de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o rotor possuir tampas (11) no lado inferior e superior, sendo que as tampas possuem pelo menos um rebaixo (12) axial que se projeta para a região das extremidades radiais dos ímãs (1).
4. 4. Rotor de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a quantidade de rebaixos deve ser igual à quantidade de segmentos de ímãs do rotor.
5. 5. Rotor (2) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o tamanho (L - largura) do batente deve estar entre 1/2 e 2/3 do espaço médio entre todos os ímãs dispostos no rotor.
6. 6. Rotor (2) de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o batente (7) possui uma altura (H) menor do que 50% da espessura do ímã e possui um comprimento (D) que se estende por todo o comprimento axial da superfície do rotor (2).

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7. 7. Rotor (2) de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o batente se estende em parte do comprimento (D) axial da superfície do rotor (2).
8. 8. Rotor (2) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender pelo menos dois elementos de batente (7), de comprimento axial (D) mínimo e de tamanho (L- largura) entre 1/2 e 2/3 do espaço médio entre todos os ímãs (1), dispostos cada um, preferencialmente, próximos das extremidades do rotor.
9. 9. Rotor (2) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender apenas um batente (7), entre cada extremidade de imãs (1), cujo comprimento (D) é inferior ao total da sua superfície na direção axial.
10. 10. Rotor (2) de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o batente (7), entre cada extremidade de imãs (1), possui um comprimento (D) de 1/3 a 2/3 do total da sua superfície na direção axial.
11. 11. Rotor de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de o rebaixo (12) axial possuir comprimento radial (C) suficiente para manter os imãs (1) devidamente ajustados no seu correto lugar e sua largura (W) possuir, pelo menos, um tamanho pouco maior que o espaço entre os imãs (1).
12. 12. Rotor de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de o rebaixo (12) axial possuir comprimento radial (C) entre 1/3 e 1/1 da espessura do imã (1).
13. 13. Rotor de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de o rebaixo (12) axial possuir o tamanho da largura (W) variando entre 11/10 do espaço entre os imãs (1) até todo o perímetro da tampa (11).

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14. 14. Rotor de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de o rebaixo (12) axial possuir uma profundidade (P) capaz de permitir uma folga entre sua superfície interna e a superfície lateral dos imãs (1) voltada para ele.
15. 15. Rotor de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de a folga, entre sua superfície interna e a superfície lateral dos imãs (1) voltada para ele, ser de 1 mm a 5 mm, dependendo do tamanho do rotor a ser utilizado.
16. 16. Rotor de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os batentes (7) radiais do rotor serem formados durante a estampagem das lâminas de aço elétrico.
17. 17. Rotor de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os batentes (7) do rotor são formados por componentes adicionais fixados ao rotor durante a fabricação.
18. 18. Rotor de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que as tampas (11) serem confeccionadas em material metálico ou material polimérico.