BR102022004303A2 - Construção e estrutura de máquinas diretas rotativas elétricas com rotor de disco e de máquinas diretas elétricas em forma de segmentos circulares para aumentar a densidade de potência - Google Patents

Abstract

Ao usar núcleos de enrolamento polar uniformes para construir máquinas rotativas e de segmento circular direto, há faixas proibidas que surgem do fato de que os passos dos polos só podem aumentar por um múltiplo inteiro das larguras dos núcleos dos polos. Usando uma segunda forma de núcleo de polo com metade ou 1,5 vezes a largura, todas as faixas intermediárias podem ser ocupadas. Como resultado, a área ativa envolvida na formação do torque pode ser quase duplicada. Além disso, quase a mesma densidade de fluxo magnético prevalece em cada área do segmento polar.

Description

Campo da Invenção

[001] A invenção refere-se à construção e à estrutura de motores elétricos de torque e de segmentos circulares ou de geradores diretos.

Características conhecidas do estado da técnica

[002] Teoria, desenho, construção e estrutura de máquinas elétricas são conhecidas suficientemente.

[003] Em geral, os estatores de máquinas elétricas são construídos com pacotes de lâminas, nas ranhuras das quais se instalam os enrolamentos dos tipos mais variados.

[004] Máquinas rotativas compõem-se de estator e rotor. Em função da forma das lâminas do pacote de lâminas, resulta um tipo de máquina definido pela altura de construção, quer dizer, aplica-se num pacote de lâminas com divisão por classes de potência por meio do comprimento do estator/rotor.

[005] Na maioria dos casos, máquinas elétricas convencionais têm uma construção alongada (comprimento superior do furo de estator e do rotor, em relação ao diâmetro correspondente, relativamente poucos pares de polo, o que resulta em altas velocidades e pequenos torques, o que requer na maioria dos casos uma engrenagem). A inércia de massa do rotor, em comparação com o motor de torque, é mais reduzida, e também a proporção da atividade de dispersão é mais reduzida devido à cabeça de enrolamento, em relação a partes ativas de enrolamento, menor

[006] Em relação ao comprimento do furo de estator, motores de torque têm um diâmetro interno maior do estator e muito mais pares de polo, más produzem do outro lado velocidades mais reduzidas e podem ser utilizados na maioria dos casos sem redutor mecânico. Usa-se no caso de motores de torque a superfície do manto do furo interno do pacote estator (ou do cilindro de rotor curto) como superfície ativa. Existem também construções em desenho de sino ou de panela, onde o rotor móvel na forma de uma panela (superfície ativa no interior da panela) cobre o estator fixo.

[007] Em relação à flexibilidade de parâmetros de potência, todas as construções de máquinas elétricas são limitadas pela forma e pelo tamanho do pacote de lâminas e, na maioria dos casos, não podem ser montadas em cascata arbitrária.

[008] Apresenta-se no escrito de divulgação DE000002143752A um motor de rotor de disco. Más diferentemente à invenção presentada, as bobinas são planas e têm uma forma de disco. É uma desvantagem que se usa só um polo dos imãs de rotor, precisando-se de um jugo de ferro suave.

[009] No caso de uma construção em pilha conforme à invenção, podem-se usar ambos os polos não só do enrolamento más também dos imãs.

[0010] O DE000002423665A apresenta uma construção muito interessante na qual os imãs estão dispostos num jugo a panela ferromagnético de modo que os dentes das bordas da panela representam os polos sul e norte para o enrolamento de campo do excitador. Contudo, a disposição de bobinas não funcionará deste modo num sistema de tensão trifásica já que os polos magnéticos sempre têm que alternar-se na construção circular.

[0011] Apresenta-se no DE000002533187A1 e DE000007927633U1 uma construção relativamente complicada na qual se precisa também de um jugo magnético para o rotor, com os imãs a disponibilizar então somente um polo para a geração do torque. Contrariamente à invenção, o enrolamento do estator não é ferroso.

[0012] Mostra-se no DE102010060482B4 e DE202010009004U1 uma disposição de rotor duplo. Neste caso é uma desvantagem que igualmente não se dispõe de todo o volume magnético para a geração do torque.

[0013] O US000004761590A apresenta igualmente uma disposição de rotor duplo muito interessante, que tem, no entanto, uma desvantagem tal que outra vez não se dispõe de todo o volume magnético. Em geral a indução de um imã permanente é substancialmente superior àquela de uma disposição de bobina. A densidade de potência limitada desta disposição é mais uma desvantagem dela, é o fato que aqui se formam supostamente momentos parasitários muito fortes (que causam torques de engrenagem), sujeita à eletrônica de controle a exigências elevadas.

[0014] O FR000002076493A6 apresenta uma disposição de rotor duplo com uma densidade de potência reduzida devido às grandes distâncias entre os imãs. A disposição de estatores simples apresentada nele não usa todo o volume magnético para a geração do torque

[0015] A disposição apresentada no GB000000977014A parte de um enrolamento impresso concatenado que só pode oferecer vantagens no campo de potências muito reduzidas e tem a desvantagem de não ser extensível radialmente. Elimina-se esta desvantagem com o uso, conforme a invenção, de enrolamentos de dente de material ferromagnético.

[0016] US000003579277A mostra uma disposição de rotor duplo que também não usa todo o volume magnético e não é extensível universalmente devido à forma especial das bobinas e dos imãs.

[0017] Segundo a invenção, pode-se realizar com os mesmos núcleos de polo quase qualquer disposição rotativa e linear, o que não é o caso com a máquina dessa publicação.

[0018] Contrariamente à pilha de gerador presentada no WO002004017497A1, segundo a invenção não se usa núcleos de bobinado especialmente moldados. Também aqui a densidade de potência de uma disposição de polo-imã é baixa (o fluxo magnético partilha-se isto, mesmo ao ser compensado globalmente, reduz no entanto a densidade de potência). Também se perde no núcleo de bobinas múltiplas uma grande parte do fluxo, a não ser de permitir a interação de polos de orientação idêntica, de modo que o fluxo dos polos idênticos se concentra num só dente. Mas mesmo aqui se desperdiça potência.

[0019] Além disso, tem-se de considerar uma desvantagem os discos ferromagnéticos nos quais os imãs de rotor são montados e funcionam como jugo magnético. De uma parte gera-se um curto-circuito dos fluxos que não formam parte da geração de forças, de outra parte também aqui de novo se usa só um lado do imã. Não há nenhuma proteção contra a influência da força centrífuga.

[0020] Conforme à invenção, tem-se de integrar por isso os imãs num disco de estator magnético não ferroso de tal forma que não só o polo norte, más também o polo sul do mesmo imã participe na geração de força/torque.

[0021] No caso de núcleos de bobina especialmente moldados (p.ex. em forma de segmento circular), há além disso a desvantagem que a indução (densidade de fluxo) na area externa do polo ser mais reduzida (a superfície é maior) do que na parte interna do polo.

[0022] No DE 10 2019 000 724 A1, apresenta-se uma disposição em motores rotativos de torque com rotor de disco que tem a vantagem que se usam núcleos de polo da mesma construção para usar nos motores de rotor de disco uma grande parte das superfícies laterais e para poder aplicar cascatas na direção de raios crescentes. Já que as superfícies laterais dum cilindro crescem em forma quadrada com o raio a aumentar, tais motores podem ser construídos muito planos, comparado com motores de torque convencionais, nos quais se usa só a superfície externa do manto como superfície ativa. A partir de um certo raio e com largura estável, o volume, a massa e a inércia de massa são mais reduzidos do que no caso de motores de torque convencionais com superfície externa ativa do manto equivalente, já que esta cresce só de forma linear versus o comprimento de furo ou motor.

[0023] Mas a desvantagem da disposição descrita no DE 10 2019 000 724 A1 existe no fato que a disposição das faixas de polo só pode aplicar-se em forma proibida.

[0024] Na distância r do centro do eixo rotativo, as disposições de núcleo de polo são N- S-N-S (norte e sul); na distância 2* r as disposições de núcleo de polo são N-N-S-S-N- N-S-S etc. Isto significa que o número dos núcleos de polo por polo, os raios das faixas sequenciais externas só podem crescer numa relação de múltiplo inteiro para poder garantir a mesma relação entre divisão de polos e raio com uma velocidade tangencial definida.

[0025] Devido a isto e pelo fato que o número dos núcleos de polo sempre tem que ser divisível pelo número das fases multiplicado por 2 (isto é, com 3 fases por 6), causam- se entre as faixas de polo zonas proibidas que não podem ser ocupadas (primeira pista - um núcleo de polo por fase e polo, TI, ri; segunda pista - dois núcleos de polo por fase e polo,, terceira pista - três núcleos de polo por fase e polo, etc.) Isto resulta em zonas proibidas, por isso não se pode usar toda a superfície do manto do disco de rotor.

[0026] As desvantagens indicadas devem ser eliminadas pela invenção.

[0027]

[0028] Catálogo de produtos da empresa Heinzmann, https://www.heinzmann- electric-motors.com/component/jdownloads/send/33-allgemein/14-produktkatalog

[0029]

[0030] CH0000004985i6A

[0031] DE00000i907822B

[0032] DE000002i43752A

[0033] DE000002i65087A

[0034] DE0000022407i7A

[0035] DE000002345i50C2

[0036] DE000002423665A

[0037] DEi020ii078475B4

[0038] DE102016122794A1

[0039] DE202010009004U1

[0040] EP000002638618B1

[0041] FR000002076493A6

[0042] GB000000977014A

[0043] US000003402333A

[0044] US000003579277A

[0045] US000004761590A

[0046] WO002004017497A1

[0047] DE 10 2019 000 725 A1

Descrição do objeto de Invenção

[0048] A “CONSTRUÇÃO E ESTRUTURA DE MÁQUINAS DIRETAS ROTATIVAS ELÉTRICAS COM ROTOR DE DISCO E DE MÁQUINAS DIRETAS ELÉTRICAS EM FORMA DE SEGMENTOS CIRCULARES PARA AUMENTAR A DENSIDADE DE POTÊNCIA”, o objetivo da invenção de aumentar a densidade de potência de motores modulares elétricos de torque e segmentais ou de geradores diretos, construídos de elementos de enrolamento polar.

[0049] Problema: No uso de núcleos uniformes como elementos de um enrolamento de dente, há zonas proibidas numa superfície circular. Se a primeira faixa de polo se compõe da sequência das polaridades N-S-N-S.., e a segunda da sequência N-N-S-S- N-N-S-S..., isto significa que a divisão de polos da segunda pista equivale o dobro da primeira faixa. O raio efetivo da segunda faixa deve ser exatamente o dobro da primeira faixa de polo para conservar a relação onde T-divisão de polos (mm); r- raio efetivo da faixa (mm); p - número de polos. Resultam disto, em função do comprimento dos núcleos de polo, zonas proibidas, isto é, não toda a superfície circular é utilizável para a geração do torque.

[0050] Solução: Introduzindo uma segunda forma de núcleo de polo, com ou metade da largura da forma básica ou 1,5 vezes da sua largura, pode-se usar também as zonas até agora proibidas. O comprimento da segunda forma de núcleo de polo pode ser idêntico àquele da primeira, más também maior ou menor, em função da definição da primeira faixa de polo mais próxima ao centro do disco de rotor. Com o número dos núcleos de polo devendo ser divisível por 2*p*m.

Exposição do princípio da Invenção

[0051] O Princípio da “CONSTRUÇÃO E ESTRUTURA DE MÁQUINAS DIRETAS ROTATIVAS ELÉTRICAS COM ROTOR DE DISCO E DE MÁQUINAS DIRETAS ELÉTRICAS EM FORMA DE SEGMENTOS CIRCULARES PARA AUMENTAR A DENSIDADE DE POTÊNCIA” é o uso adicional de núcleos de polo de metade da largura ou 1,5 vezes da largura para máquinas elétricas rotativas ou em forma de segmentos circulares com rotor de disco para ocupar as faixas intermediarias até agora proibidas. Com isto, a relação [*] é idêntica em todas as faixas. Assim o número dos polos de cada faixa é idêntico; uma condição prévia para a interligação dos polos; ao mesmo tempo tem-se de introduzir uma nova forma de imã, cuja largura na direção da circunferência de uma faixa de motor resulta ser a metade ou 1,5 vezes do seu valor.

Exemplos de execução e de aplicação

[0052] Ilustrações: 1 - Faixa mais interna, sequência +U-V+W-U+V-W (parte secundária conforme a N-S-N-S)... composta de núcleos de polo standard

[0053] 2 - 1a faixa sequencial, faixa intermediaria, sequência +u-v+w-u+v-w (parte secundária conforme a n-s-n-s) ... composta de núcleos de polo com uma largura de 1,5 vezes; raio = 1,5* raio inicial, divisão de polos = 1,5* divisão inicial de polos

[0054] 3 - 2a. faixa sequencial, sequência +U+U-V-V+W+W-U-U+V+V-W-W (parte secundária conforme a N-N-S-S-N-N-S-S)... composta de núcleos de polo standard; raio = 2o raio inicial, divisão de polos = 2* divisão inicial de polos

[0055] 4 - 3a faixa sequencial, faixa intermédia, sequência +U+u-V-v+W-W-U-u+V+v-W- w (parte secundária conforme a N-n-S-s-N-n-S-s) ... composta de núcleos de polo alternos standard e mais largos; raio = 2,5* raio inicial, passos de polos = 2,5* passos de polos inicial

Descrição dos Desenhos e Aplicações

[0056] A Fig. 1 representa uma seção com 4 faixas 1 até 4 de um rotor de disco.

[0057] Basicamente, o objeto da “CONSTRUÇÃO E ESTRUTURA DE MÁQUINAS DIRETAS ROTATIVAS ELÉTRICAS COM ROTOR DE DISCO E DE MÁQUINAS DIRETAS ELÉTRICAS EM FORMA DE SEGMENTOS CIRCULARES PARA AUMENTAR A DENSIDADE DE POTÊNCIA” é que, empregando um tipo de núcleo de polo com uma largura intermediaria, no caso de acionamentos a rotor de disco, a relação entre raio e divisão de polos corresponde sempre àquela da faixa interna, ou seja, sempre iguais para cada faixa.

[0058] Tem-se de diferenciar 2 casos:

[0059] Início da estrutura do núcleo de polo, começando com raios grandes na direção de raios maiores

[0060] Início da estrutura do núcleo de polo, começando com raios pequenos na direção de raios maiores

[0061] Basicamente, nos dois casos assim se podem usar todas as faixas intermediarias (2, 4 etc.) até agora proibidas.

[0062] A associação entre núcleos de polo e imãs é de 2:3, más pode ser qualquer, isso vale para os núcleos de polo standard e intermediarios, vale também na relação correspondente para os imãs standard e intermédiarios.

[0063] Na Fig.1, a faixa inicial 1 compõe-se de núcleos de polo standard da sequência de polos +U-V+W-U+V-V ... O “raio inicial” r1 depende do número das fases, do número dos pares de polos e da largura de um elemento de núcleo de polo segundo a fórmula:

[0064] A segunda faixa (2) compõe-se de núcleos de polo intermediario (9) da largura de 1,5 vezes da sequência de polos. A segunda faixa (2) compõe-se de núcleos de polo intermediarios (9) de 1,5 vezes do raio inicial, a divisão de polos é de 1,5 vezes da largura da sequência de polos e +u-v+w-u+v-w ... O raio é de 1,5* do raio inicial, então a relação [*] é a mesma.

[0065] A terceira faixa (3) de novo compõe-se de núcleos de polo standard (8) da sequência de polos de N-N-S-S ... etc. O raio é de 2* do raio inicial, então a relação [*] é a mesma

[0066] A quarta faixa compõe-se duma mistura de núcleos de polo standard (8) e de núcleos de polo intermediarios (9), que forma a sequência de polos de +U+u-V-v+W+w ... etc. O raio é de 2,5* do raio inicial, a passo de polos é de 2,5* da passo de polos inicial; então a relação [*] é a mesma.

[0067] A quinta faixa (não representada na Fig.1) então compõe-se ou de 3 núcleos de polo standard por fase U-U-U (ou. N-N do lado do rotor) ou de dois núcleos de polo intermediario u-u (ou n do lado do rotor).

[0068] Em uma ordem superior das faixas, núcleos de polo standard podem ser misturados com núcleos de polo intermediario, idealmente de modo que as distâncias intermediarias entre os grupos de núcleos de polo são mínimas, com o segmento de polo ficando o mesmo.

[0069] Exemplo de faixa 10, Fig. 2, (8), (9), (10), (11)

[0070]

[0071] Disposição 3 polos standard, 2 polos intermediários, então U-U-U-u-u. O ângulo α é sempre o mesmo, a passos de polos em comprimento absoluto é maior, mas, exemplo de faixa 11 (não representado) TII=6*TI, rii=6*ri

[0072] Disposição 4 polos standard, 2 polos intermediarios, então U-U-U-U-u-u, com isto, a sequência de não só núcleos de polo standard e intermediário más também aquela dos imãs standard e intermediários pode ser arbitrária, como também pode diferir a associação aos imãs e entre segmentos de polo Fig. 2, (i2), (i3). Igualmente os polos contíguos do mesmo nome e/ou não do mesmo nome e/ou os polos opostos ou podem ter a mesma sequência dos núcleos de polo ou também outras sequências. Isto não vale só dentro de um segmento circular, dentro de um lado do disco de rotor más também em relação ao estator oposto duma disposição de estator dupla. Tem-se de realizar a disposição e associação durante a otimização da máquina completa, p.ex. de forma que a curva da força eletromotriz (EMK) contenha o mínimo número de harmônicas e de que os torques de engrenagem sejam mínimos.

Claims (3)

1- CONSTRUÇÃO E ESTRUTURA DE MÁQUINAS DIRETAS ROTATIVAS ELÉTRICAS COM ROTOR DE DISCO E DE MÁQUINAS DIRETAS ELÉTRICAS EM FORMA DE SEGMENTOS CIRCULARES PARA AUMENTAR A DENSIDADE DE POTÊNCIA caracterizado por faixas intermediarias da superfície lateral de um disco de rotor até agora proibidas podendo ser ocupadas pela introdução de um tipo adicional de núcleos de polos intermediários e imãs intermediários com uma largura de 0,5 ou 1,5 vezes a largura da forma de núcleo ou de imã standard para a construção destas máquinas já que não só a divisão de polos más também o raio efetivo de uma faixa intermediaria é a média aritmética das duas faixas adjacentes com um múltiplo inteiro do passo polar e múltiplos inteiros do raio efetivo da primeira faixa vista do centro sendo que o número dos polos e a relação do passo de polos ao raio efetivo dos polos são idênticos para todas as faixas circulares

2- CONSTRUÇÃO E ESTRUTURA DE MÁQUINAS DIRETAS ROTATIVAS ELÉTRICAS COM ROTOR DE DISCO E DE MÁQUINAS DIRETAS ELÉTRICAS EM FORMA DE SEGMENTOS CIRCULARES PARA AUMENTAR A DENSIDADE DE POTÊNCIA caracterizado por sequências de núcleo de polo e de imã que são executadas dispostas e organizadas em faixas de ordem superior de modo que resulta uma distância mínima sumária entre os vários núcleos de polo

3- CONSTRUÇÃO E ESTRUTURA DE MÁQUINAS DIRETAS ROTATIVAS ELÉTRICAS COM ROTOR DE DISCO E DE MÁQUINAS DIRETAS ELÉTRICAS EM FORMA DE SEGMENTOS CIRCULARES PARA AUMENTAR A DENSIDADE DE POTÊNCIA caracterizado por sequências de núcleo de polo e de imã em faixas de ordem superior de polos contíguos do mesmo nome e/ou não do mesmo nome e/ou opostos num lado de estator e/ou no outro lado de estator no caso de execuções de estator duplo estão executadas e dispostas de modo que forneçam um resultado ideal em relação às funções objetivas correspondentes como torques de engrenagem mínimas ou harmônicos de ordem superior mínimas ou aproximação máxima à função seno da curva de força eletromotriz (EMK) perdas mínimas