BR112012026206B1

BR112012026206B1 - Estator para uma máquina elétrica e máquina elétrica

Info

Publication number: BR112012026206B1
Application number: BR112012026206-8A
Authority: BR
Inventors: Robert Chin; Juhani Mantere
Original assignee: Abb Research Ltd.
Priority date: 2010-04-13
Filing date: 2010-04-13
Publication date: 2019-07-09
Also published as: CN102884714B; KR101348545B1; BR112012026206A2; US9590458B2; KR20130027503A; US20130088116A1; EP2559138B1; CN102884714A; DK2559138T3; WO2011127960A1; JP5252607B2; EP2559138A1; JP2013524762A

Abstract

máquina elétrica com polos do rotor ou bobinas do estator circunferencialmente enviesados. a fim de resolver um problema de detenção de rotor (200) para uma máquina elétrica compreende uma pluralidade de seções de polo (201) com polos adjacentes (202) no interior de cada uma das seções de polo (201) sendo distanciados por um primeiro campo do polo uniforme (203). polos adjacentes (202) pertencentes a diferentes seções do polo (201) estão distanciados por um segundo campo do polo (menor) (204), em uma extremidade de cada seção do polo (201), e por um terceiro campo do polo (maior) (205) na outra extremidade de cada seção do polo (201). alternativamente, um ajuste correspondente aos campos da bobina (305, 306, 307) pode ser feito em um estator (300) de uma máquina elétrica.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para ESTATOR PARA UMA MÁQUINA ELÉTRICA E MÁQUINA ELÉTRICA. CAMPO DA TÉCNICA [001] A presente invenção refere-se a máquinas elétricas com um padrão não uniforme de polo do rotor e / ou um padrão não uniforme dos dentes de estator.

ANTECEDENTES DA TÉCNICA [002] De acordo com a figura 1, um rotor 101 de uma máquina elétrica convencional 100 compreende uma pluralidade de polos magnéticos do rotor 102 divididos de modo uniforme ao longo de um perímetro do rotor. As distâncias angulares entre dois polos do rotor adjacentes (linhas centrais) são chamadas passos de polo 103, e todos eles têm um valor igual a α. Da mesma forma, um estator 110 de uma máquina elétrica convencional 100 compreende uma pluralidade de dentes do estator uniformemente distribuídos 111 separados por ranhuras do estator 112. Os condutores 113 se estendem nas ranhuras do estator, as distâncias angulares entre os dois condutores adjacentes (linhas centrais) sendo chamadas de passos de bobina 114. Em uma máquina elétrica convencional de acordo com a figura 1 os condutores são, assim, distanciados pelo passo da bobina uniforme 114 com um valor de β.

[003] Um rotor com polos magnéticos permanentes exibe onda de torque causada por um torque cíclico chamado detenção. A detenção resulta da tendência do rotor e do estator para alinhar-se em posição de relutância magnética mínima, e este fenômeno existe mesmo em uma máquina não energizada.

[004] A detenção ocorre quando os polos do rotor se movem ao longo das bordas dos dentes de estator. A magnitude da detenção é a soma de interação entre os diferentes polos do rotor e os dentes do estator, e que depende da relação entre o número de polos do rotor e

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2/12 os dentes do estator.

[005] O problema de detenção é convencionalmente dirigido ajustando os polos do rotor. Em máquinas de ímã permanente, por exemplo, quando os polos do rotor compreendem vários ímãs dispostos em filas que se estendem na direção axial, é conhecido distorcer os ímãs individuais em relação uns aos outros em direção circunferencial. Também é conhecido moldar os ímãs permanentes a fim de fazer o movimento mais suave ao longo de uma borda de dentes do estator. Além disso, é conhecido ajustar as distâncias angulares adjacentes dos polos do rotor de tal forma que as distâncias tornam-se não uniformes. Medidas de ajuste correspondentes podem também ser aplicadas aos dentes do estator, mas muitas vezes o ajuste de polos do rotor é praticamente mais viável do que o ajuste dos dentes do estator.

[006] U.S 4.751.416 descreve um motor de ímã permanente com os polos magnéticos do rotor não uniformemente distribuídos. Os polos magnéticos são deslocados através de um ângulo correspondente a uma fração de um passo de ranhura do estator, ou seja, a distância angular entre as extremidades dos dentes adjacentes do estator. Em algumas modalidades do U.S. 4.751.416 as forças magnéticas que atuam sobre o rotor não estão em equilíbrio, enquanto que em outras modalidades as forças magnéticas são compensadas. Nas modalidades em equilíbrio os polos magnéticos são efetivamente ajustados em pares.

[007] U.S. 6.285.104 descreve um motor de ímã permanente e um motor síncrono de relutância com os polos magnéticos do rotor não uniformemente distribuídos. U.S. 6,285,104 descreve ainda um estator com os dentes do estator não uniformemente distribuídos. De acordo com todas as modalidades da US 6.285.104 os polos magnéticos ou os dentes do estator são deslocados de tal modo que as forças magnéticas que atuam sobre o rotor não estão em equilíbrio.

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3/12 [008] As forças magnéticas desequilibradas não são claramente desejáveis uma vez que o desequilíbrio causa vibrações que podem tornar-se inaceitavelmente forte. Também não é desejável ajustar os polos do rotor em pares por causa da complexidade do ajuste do ponto de vista de fabricação. Existe, portanto, um desejo de prover uma alternativa magneticamente equilibrada para o ajuste de pares de polos magnéticos.

[009] JP8251847 descreve uma máquina de ímã permanente com polos magnéticos distribuídos uniformemente no rotor. Os polos são ajustados de uma maneira equilibrada por ajuste simétrico das posições circunferenciais de grupos de polos. O rotor consiste em um segmento único não dividido.

[0010] JP 2005137117 descreve uma máquina de ímã permanente em que o rotor é dividido em uma pluralidade de segmentos discretos.

[0011] JP 3284148 descreve uma máquina elétrica em que uma redução do torque de detenção é alcançada desviando os grupos de passos de polos do estator no sentido horário ou anti-horário enquanto mantendo as bobinas em distâncias uniformes circunferenciais. SUMÁRIO DA INVENÇÃO [0012] Um objetivo da presente invenção consiste em prover um motor elétrico, em que um problema de detenção é dirigido em uma maneira de fabricação amigável.

[0013] Este objetivo é conseguido pelos dispositivos de acordo com a invenção.

[0014] De acordo com um primeiro aspecto da presente invenção é provido um rotor de uma máquina elétrica. O rotor compreende seções do polo nps, nps sendo um número par de pelo menos quatro. Cada seção de polo compreende np polos, np sendo um número inteiro maior que um. Polos adjacentes no interior de cada uma das seções de polos são distanciados por um primeiro passo do polo com um valor

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4/12 de α1. Polos adjacentes pertencentes a diferentes seções do polo estão distanciados por um segundo passo do polo com um valor de α2, em uma extremidade de cada seção do polo, e por um terceiro passo do polo com um valor de α3 na outra extremidade de cada seção do polo. Todos os valores de α1, α2 e α3 são diferentes. Ao fornecer seções do polo com um passo de polo uniforme, e com passos de polo em desvio entre as seções do polo, o problema de detenção pode ser abordado sem a necessidade de ajustar os polos magnéticos individualmente ou em pares.

[0015] De acordo com uma modalidade da invenção, o valor de α2 é menor do que o valor de α1, e o valor de α3 é maior do que o valor de α1. Esta modalidade é feita de uma forma simples de inclinação dos polos magnéticos circunferencialmente em grupos, e provê uma característica de detenção preferida.

[0016] De acordo com uma modalidade da invenção, os polos estão alinhados de um modo substancialmente simétrico em torno do eixo central do rotor. O alinhamento simétrico dos polos permite forças magnéticas equilibradas e, assim, um funcionamento isento de vibrações da máquina.

[0017] De acordo com uma modalidade da invenção, o rotor está dividido em uma pluralidade de segmentos discretos ao longo interfaces entre as diferentes seções de polo. Por esta medida, as partes do rotor tornam-se menores e mais leves e, assim, mais fáceis de manusear.

[0018] De acordo com uma modalidade da invenção, todos os segmentos de rotor têm uma construção substancialmente idêntica. Esta condição pressupõe que o rotor está dividido em segmentos ao longo de eixos de simetria da seção transversal do rotor, e que o rotor é simétrico na direção axial. Ao prover os segmentos de rotor com construção idêntica à do número diferentes partes do rotor torna-se

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5/12 menor.

[0019] De acordo com um segundo aspecto da invenção é provido um estator de uma máquina elétrica. O estator compreende seções de bobina ncs, ncs sendo um número par de pelo menos quatro. Cada uma das seções de bobina compreende nc condutores, nc sendo um número inteiro maior que um. Condutores adjacentes no interior de cada uma das seções de bobina estão distanciados por um primeiro passo da bobina com um valor de β1. Condutores adjacentes pertencentes a diferentes seções da bobina estão distanciados por um segundo passo da bobina com um valor de β2 a uma extremidade de cada seção da bobina, e por um terceiro passo da bobina com um valor de β3 na outra extremidade de cada seção da bobina. Todos os valores β1, β2 e β3 são diferentes. Ao prover as seções da bobina com uma bobina de passo uniforme, e com passos da bobina de desvio entre as seções de bobina, o problema de detenção pode ser tratado de uma maneira simples.

[0020] De acordo com uma modalidade da invenção, o valor de β2 é menor do que o valor de β1, e o valor de β3 é maior do que o valor de β1. Esta modalidade é feita de uma forma simples de enviesar as bobinas do estator circunferencialmente em grupos, e provê uma característica de detenção preferida.

[0021] De acordo com uma modalidade da invenção, os condutores estão alinhados de um modo substancialmente simétrico em torno do eixo central do estator. O alinhamento simétrico dos condutores permite forças equilibradas magnéticas e, assim, um funcionamento isento de vibrações da máquina.

[0022] De acordo com uma modalidade da invenção, o estator está dividido em uma pluralidade de segmentos discretos ao longo de interfaces entre as diferentes seções helicoidais. Por esta medida, as peças de estator tornam-se menores e mais leves e, portanto, mais

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6/12 fáceis de manusear.

[0023] De acordo com uma modalidade da invenção, todos os segmentos do estator possuem uma construção substancialmente idêntica. Esta condição pressupõe que o estator está dividido em segmentos ao longo de eixos de simetria da seção transversal do estator, e que o estator é simétrico na direção axial. Ao fornecer segmentos do estator com construção idêntica o número de peças de estator diferentes torna-se menor.

[0024] De acordo com uma modalidade da invenção, os condutores adjacentes distanciados por um primeiro passo da bobina estão separados por um primeiro dente do estator e os condutores adjacentes distanciados por um segundo passo da bobina são separados por um segundo dente do estator, o segundo dente do estator sendo mais estreito do que o primeiro dente do estator, ou o segundo dente do estator sendo omitido. Ajustar as larguras dos dentes do estator é uma forma simples de enviesar as bobinas do estator circunferencialmente. Ao omitir um dente do estator uma fabricação de dente do estator impraticavelmente estreito é evitada.

[0025] De acordo com uma modalidade da invenção, os condutores adjacentes distanciados por um primeiro passo da bobina estão separados por um primeiro dente do estator e os condutores adjacentes distanciados por um terceiro passo da bobina são separados por um terceiro dente do estator, o terceiro dente do estator sendo mais largo que o primeiro dente do estator. Ajustar as larguras dos dentes do estator é uma forma simples de enviesar as bobinas do estator circunferencialmente.

[0026] De acordo com um terceiro aspecto da invenção, é provido um método para resolver um problema de detenção de uma máquina elétrica existente compreendendo um rotor. O método compreendendo as etapas de: dividir o rotor entre os polos do rotor em uma pluralidade

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7/12 de segmentos radiais; remover de um setor de ferro do rotor a partir de uma extremidade do segmento; adicionar um setor de ferro do rotor a uma extremidade oposta do segmento, trazendo os segmentos modificados para formar um rotor. Por esta medida um rotor de uma máquina elétrica existente pode ser modificado de uma maneira simples de resolver o problema de detenção.

[0027] De acordo com um quarto aspecto da presente invenção, é provido um método para resolver um problema de detenção de uma máquina elétrica existente que compreende um estator. O método compreendendo as etapas de remover um setor de ferro do estator a partir de uma extremidade de segmentos radiais; adicionar um sector de ferro do estator a uma extremidade oposta do segmento, trazendo os segmentos modificados para formar um estator. Por esta medida um estator de uma máquina elétrica existente pode ser modificado de uma maneira simples de resolver o problema de detenção.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [0028] A invenção será explicada em maiores detalhes com referência aos desenhos anexos, em que [0029] a figura 1 mostra uma máquina da técnica anterior com um passo de polo elétrico uniforme em um rotor e um passo de bobina uniforme em um estator, [0030] a figura 2 mostra um rotor de acordo com a invenção, e [0031] a figura 3 mostra um estator de acordo com a invenção.

DESCRIÇÃO DAS MODALIDADES PREFERIDAS [0032] Fazendo referência à figura 2, um rotor 200 para uma máquina elétrica é mostrado que compreende quatro seções de polo 201. Cada seção do polo 201 compreende quatro polos magnéticos 202, os polos adjacentes 202 no interior de cada seção de polo 201 sendo distanciados um do outro por um primeiro passo do polo 203 com um valor de α1 = 22,5. Os polos adjacentes 202 pertencentes a diferentes

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8/12 seções do polo 201 estão distanciados por um segundo passo do polo 204 com um valor de α2 = 20 em uma extremidade de cada seção do polo 201, e por um terceiro passo do polo 205 com um valor de α3 = 25 na outra extremidade de cada seção do polo 201. Por conseguinte, pode-se considerar que, em comparação com os polos uniformemente distribuídos 102 da figura 1, todos os polos 202 dentro de cada segunda seção de polo 201 estão deslocados para a direita através de um ângulo de 1,25°, enquanto que todos os polos 202 nas seções do polo restantes 201 são deslocados para a esquerda através do mesmo ângulo.

[0033] O rotor 200 de acordo com a figura 2 pode ser dividido em quatro segmentos discretos ao longo das interfaces entre as diferentes seções do polo 201. Como resultado, quatro segmentos do rotor compreendendo igualmente polos distanciados 202 são atingidos. Na obra, quando a divisão é feita ao longo dos eixos de simetria do rotor de corte transversal, os segmentos adjacentes do rotor resultantes tornam-se imagens especulares. Isto significa que, desde que os segmentos de rotor sejam simétricos em direção axial, todos os segmentos de rotor tornam-se uma construção idêntica. Do ponto de vista da produção, é muito vantajoso colocar o rotor 200 junto de segmentos idênticos com passos de polo uniformes 203 em vez de ajustar cada par de polos individualmente. Dividir o rotor 200 em segmentos tem uma vantagem adicional na medida em que as partes individuais da máquina tornamse menores e, portanto, mais fáceis de manusear e transportar.

[0034] Partindo do rotor convencional 101 da figura 1 o rotor 200 de acordo com a presente invenção é conseguido através das seguintes etapas: dividir o rotor convencional 101 entre polos do rotor 102 em quatro segmentos idênticos; remover um setor em 1,25° de ferro do rotor a partir de cada uma das extremidades do segmento em duas interfaces de divisão opostas; adicionar um setor de 1,25° de ferro do

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9/12 rotor de cada um dos segmentos nas duas interfaces de divisão restantes; trazer os segmentos modificados juntamente de modo a formar um rotor 200 de acordo com a presente invenção. O tamanho dos setores removidos e adicionados de ferro do rotor pode, é claro, variar dependendo da configuração do rotor em questão.

[0035] Fazendo referência à figura 3, um estator 300 para uma máquina elétrica é mostrado que compreende quatro seções de bobina 301. Cada uma das seções de bobina 301 compreende doze condutores 302 que se estendem em ranhuras do estator definidas entre dentes 303 do estator 304. Estes doze condutores 302 representam bobinas em três fases elétricas, duas bobinas por fase, cada bobina compreendendo um primeiro condutor 302 que se estende a partir de uma primeira extremidade axial do estator 300 e uma segunda extremidade axial do mesmo, e cada bobina compreende ainda um segundo condutor 302 que se estende a partir da segunda extremidade axial do estator 300 para a primeira extremidade axial do mesmo. Na prática, cada bobina é constituída por um único circuito que se estende em duas ranhuras diferentes do estator 303, mas para fins de descrição da presente invenção as partes do circuito único localizadas em diferentes ranhuras do estator 303 são consideradas como condutores separados 302.

[0036] No presente exemplo, condutores adjacentes 302 no interior de cada seção da bobina 301 são distanciados uns dos outros por um primeiro passo da bobina 305 com um valor de β1 = 7,5°. Os condutores adjacentes 302 pertencentes a diferentes seções de bobina 301 estão distanciados por um segundo passo da bobina 306 com um valor de β2 = 5° em uma extremidade de cada seção da bobina 301, e por um terceiro passo da bobina 307 com um valor de β3 = 10° na outra extremidade de cada seção da bobina 301. Por conseguinte, podese considerar que, em comparação com os condutores uniformemente

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10/12 distribuídos 113 da figura 1, todos os condutores 302, dentro de cada segunda seção da bobina 301 são deslocados para a direita através de um ângulo de 1,25°, enquanto que todos os condutores 302 dentro das seções de bobina restantes 301 são deslocados para a esquerda através do mesmo ângulo. Na prática, esse deslocamento resulta a um dente mais estreito do estator 304 a cada segunda interface entre as seções da bobina 301, e um dente do estator correspondentemente maior 304 nas interfaces remanescentes entre as seções da bobina 301. Na figura 3 o dente mais estreito 304 foi completamente omitido. [0037] O número de condutores 302, dentro de cada seção da bobina 301 deve ser escolhido de tal forma que todos os condutores 302 pertencentes a uma mesma bobina estejam dentro da seção de bobina 301. Desta forma, nenhuma bobina está a atravessar uma interface entre duas seções de bobina 301, e o estator 300 pode ser facilmente dividido em segmentos discretos ao longo das interfaces de seção da bobina. No presente exemplo, o estator 300 pode também compreender 8 seções de bobina 301 cada um com 6 condutores 302 ou seja, uma bobina por fase. A divisão do estator 300 em vários segmentos discretos torna os tamanhos das peças individuais da máquina menores e mais fáceis de manusear e transportar. Tal como acontece com o rotor 200, dividindo-se o estator 300 ao longo dos eixos de simetria da seção transversal do estator, a construção dos segmentos de estator resultantes torna-se idêntica desde que o estator 300 seja simétrico na direção axial. Em uma modalidade preferida o estator 300 é dividido em uma pluralidade de segmentos ao longo de interfaces entre as diferentes seções de bobina 301.

[0038] Partindo do estator convencional 110 da figura 1, um estator 300 de acordo com a presente invenção é conseguido através das seguintes etapas: dividir o estator 110 através dos dentes do estator 111 em quatro segmentos idênticos; remover um setor de 1,25° de fer

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11/12 ro do estator a partir de cada uma das extremidades dos segmentos em duas interfaces de divisão opostas; adicionar um sector de 1,25° de ferro do estator de cada uma das extremidades do segmento nas duas interfaces restantes de divisão; trazer os segmentos modificados em conjunto para formar um estator 300 de acordo com a presente invenção. Como um resultado da remoção de ferro do estator os dentes restantes de estator 304 podem tornar-se muito estreitos. Em certos casos, tais como o mostrado na figura 3, estes dentes estreitos 304 podem ser omitidos. A dimensão dos setores de ferro removidos e adicionados do estator pode, é claro, variar dependendo da configuração do estator em questão.

[0039] É para ser notado que o mesmo efeito de detenção reduzida pode ser conseguido tanto por deslocamento dos polos do rotor 202 e por deslocamento das bobinas do estator de acordo com a descrição acima. Um rotor 200 de acordo com a presente invenção pode ser utilizado juntamente com um estator convencional 110 com uma distribuição uniforme do condutor, e um estator 300 de acordo com a presente invenção pode ser utilizado em conjunto com um rotor convencional 101 com uma distribuição uniforme do polo. Além disso, um rotor 200 de acordo com a presente invenção pode ser utilizado juntamente com um estator 300 de acordo com a presente invenção. Em tal combinação, tanto o rotor 200 e o estator 300 possuem uma distribuição não uniforme dos polos 202 e dos condutores 302, respectivamente. O número de seção do polo pode, além disso, ser diferente do número de seção da bobina.

[0040] A invenção não está limitada às modalidades apresentadas acima, mas a pessoa versada na técnica pode, é claro, modificá-la de uma pluralidade de maneiras dentro do âmbito da invenção como definido pelas concretizações. Assim, a invenção não está limitada às máquinas de ima permanente, mas pode também ser aplicada a máqui

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12/12 nas eletricamente excitadas ou máquinas de relutância. Além disso, o número de seções do polo 201 e de seções da bobina 301, bem como o número de segmentos correspondentes não está limitado aos mencionados nos exemplos anteriores, mas muitas vezes é feito vantajoso ter um número maior de seções.

Claims

reivindicações

1. Estator (300) para uma máquina elétrica, o estator (300) compreendendo ncs seções de bobina (301), ncs sendo um número par de pelo menos quatro, cada seção da bobina (301) compreendendo nc condutores (302), nc sendo um número inteiro maior que um, os condutores adjacentes (302) dentro de cada uma das seções de bobina (301) estando distanciados por um primeiro passo da bobina (305) com um valor de β1, os condutores adjacentes (302) pertencentes a diferentes seções de bobina (301) estão distanciados por um segundo passo da bobina (306) com um valor de β2 em uma extremidade de cada seção da bobina (301), e por um terceiro passo da bobina (307) com um valor β3 na outra extremidade de cada seção da bobina (301), o estator (300) compreendendo ainda uma pluralidade de dentes do estator (304) que, dentro de cada seção da bobina (301), estão distanciados um do outro por uma distância igual ao primeiro passo da bobina (305), os condutores (302) se entendendo em ranhuras do estator (303) definidas entre dentes do estator adjacentes (304), caracterizado pelo fato de que o valor de β2 é menor do que o valor de β1, e o valor de β3 é maior do que o valor de β1.
2. Estator (300), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os condutores (302) estão alinhados em um modo substancialmente simétrico em torno do eixo central do estator (300).
3. Estator (300), de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o estator (300) é dividido em uma pluralidade de segmentos discretos ao longo de interfaces entre diferentes seções de bobina (301).
4. Estator (300), de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que todos os segmentos do estator possuem uma construção substancialmente idêntica.

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5. Estator (300), de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que os condutores adjacentes (302) distanciados por um primeiro passo da bobina (305) estão separados por um primeiro dente do estator (304), e os condutores adjacentes (302) distanciados por um segundo passo da bobina (306) estão separados por um segundo dente do estator (304), o segundo dente do estator (304) sendo mais estreito do que o primeiro dente do estator (304), ou o segundo dente do estator (304) sendo omitido.
6. Estator (300), de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que os condutores adjacentes (302) distanciados por um primeiro passo da bobina (305) estão separados por um primeiro dente do estator (304), e os condutores adjacentes (302) distanciados por um terceiro passo da bobina (307) estão separados por um terceiro dente do estator (304), o terceiro dente do estator (304) sendo mais largo do que o primeiro dente do estator (304).
7. Máquina elétrica, caracterizada pelo fato de que compreende um estator (300), como definido em qualquer uma das reivindicações anteriores.