BR112013019584B1 - Motor de relutância assimétrica equilibrada trifásico - Google Patents

Abstract

motor de relutância assimétrica equilibrada trifásico esta patente descreve um motor de relutância trifásico (10) do tipo (10) escalonador, com seis bobinas colocadas em seis posições (15i-156) de um estator (5), n*6 dentes (7) do rotor (5), onde n é um inteiro igual a ou maior do que 3, tipicamente 8 - 16 e onde os dentes (18) do estator (4) são deslocados assimétricos, de modo que o motor (10) pode produzir torque em cada ângulo entre o rotor (5) e o estator (4).

Description

Campo Técnico da Invenção

[001] A presente invenção se refere a um motor de relutância trifásico, compreendendo um rotor disposto para girar em um eixo e um estator na forma de uma coroa circular, o estator sendo provido com uma pluralidade de bobinas e onde tanto a superfície externa do rotor como a superfície interna das bobinas são providas com numerosos dentes. Uma variante, tanto equilibrada como uma desequilibrada, do motor é apresentada. Para a variante equilibrada não há força eletromagnética líquida, que deva ser absorvida pelos rolamentos de esfera, enquanto para a variante desequilibrada há uma considerável força eletromagnética líquida, que deve ser absorvida pelos rolamentos de esfera. A variante desequilibrada pode, entretanto, produzir mais torque.

Fundamentos da Invenção

[002] Em muitas aplicações há necessidade de um motor elétrico que na maior parte do tempo esteja desligado. Um exemplo típico é um motor para abrir e fechar uma válvula. Para tais motores são importantes preço baixo e densidade de torque decente. A eficiência é geralmente de pouca importância, porque o motor está raramente em operação e o custo da energia é, portanto, baixo de qualquer forma.

[003] As partes caras de um motor são os ímãs permanentes e bobinas de cobre. O aço elétrico tem em comparação um baixo preço. Quando se otimizando no preço é, portanto, preferível aumentar o torque se aumentando a quantidade de aço elétrico. Além disso, para reduzir a quantidade de cobre de um motor, é importante manter em mente que a quantidade de fluxo através de uma bobina é dependente da área dentro da bobina. A bobina deve, portanto, ser tão próxima de circular e ter tão longa circunferência quanto possível, para utilizar a corrente ao máximo. As partes do motor devem ser de fácil manufatura com um mínimo de severas tolerâncias e o motor principalmente fácil de montar. Aqui o motor de relutância tem a vantagem de não haver forças entre o rotor e o estator, a menos que passe corrente através das bobinas.

[004] No suprimento de força os transistores de força são uma parte relativamente cara, de modo que é preferível se terem tão poucas pontes quanto possível. Em um motor de relutância geralmente não faz diferença de que maneira a corrente entra na bobina. Isto é interessante porque a ponte que supre a fase com corrente então pode consistir de um transistor em vez de quatro.

[005] Pela Wikipedia™ (Enclosure 1), um motor de passo de quatro fases é descrito, o motor sendo um motor elétrico síncrono, sem escova, que pode dividir uma rotação total em um grande número de etapas. Os motores de passo operam diferentemente dos motores de escova DC, que giram quando voltagem é aplicada em seus terminais. Os motores de passo, por outro lado, efetivamente têm múltiplos eletroímãs “denteados”, dispostos em torno de uma peça de ferro central conformada em engrenagem. Os eletroímãs são energizados por um circuito de controle externo, tal como um microcontrolador. Para fazer o eixo do motor girar, primeiro um eletroímã recebe energia, o que faz com que os dentes de engrenagem sejam atraídos magneticamente para os dentes do eletroímã. Quando os dentes de engrenagem são assim alinhados com o primeiro eletroímã, eles são ligeiramente deslocados do próximo eletroímã. Quando o próximo eletroímã é ligado e o primeiro é desligado, a engrenagem gira ligeiramente para se alinhar com o primeiro e dali o processo é repetido por então quatro fases. Cada uma dessas ligeiras rotações é chamada um “passo”, com um número inteiro de passos compondo uma rotação completa. De tal maneira, o motor pode ser girado por um ângulo preciso.

[006] O motor de passo descrito pode ser um motor unipolar ou um bipolar. Os motores de passo operam diferentemente dos motores de escova DC, que giram quando a voltagem é aplicada em seus terminais.

[007] O anexo 2 descreve um motor de passo híbrido, onde ímãs permanentes são usados.

[008] A invenção é motivada pela necessidade de um motor elétrico que tenha baixo preço, torque decente e baixa velocidade de rotação, preferível com características de um motor de passo.

Sumário da Invenção

[009] A presente invenção se refere a um motor de relutância, em que é criado torque entre um número relativamente grande de dentes de um estator e rotor. Em razão do elevado número de dentes, o rotor gira em baixa velocidade, em comparação com a frequência elétrica. Uma vez que os dentes de estator de motores são deslocados em um padrão assimétrico, é somente necessário com seis bobinas criar torque positivo em todas as posições do rotor. As bobinas são conectadas em pares, de modo que o motor é trifásico. O projeto é de modo que a corrente de cada um dos três fios, um para cada fase, somente necessite variar entre zero e positivo. Três extremidades de fio podem, portanto, ser aterradas dentro da máquina, reduzindo o número de fios para fora da máquina para quatro.

[0010] Um objetivo da invenção é prover um motor elétrico que tenha baixo preço, produza um torque decente e tenha as características de um motor de passo, que possa competir com dois motores de passo híbridos trifásicos, que tenha a maior parte deste segmento marcado.

[0011] Outro objetivo da invenção é conseguir um formato mais compacto do rotor e dos dentes de estator, a fim de se obter um uso mais eficaz de um motor de relutância trifásico.

[0012] Os objetivos da presente invenção são alcançados por meio de um motor de relutância assimétrico, como ainda definido pelas reivindicações independentes, enquanto as formas de realização ou alternativas de tal motor sejam definidas pelas reivindicações dependentes. De acordo com a presente invenção, a fenda entre pelo menos duas bobinas consecutivas pode ser diferente da fenda vizinha entre duas bobinas consecutivas.

[0013] De acordo com uma forma de realização principal da invenção, o motor de relutância equilibrada trifásico tem um estator provido com seis fendas de três pares de bobinas do estator e há um número de dentes no rotor indicados nDentes, tal número sendo igual a n*6, onde n é um inteiro positivo igual a ou maior do que três, e o ângulo do centro da primeira fenda da bobina 1 e 2 do estator para o centro do primeiro dente é de 3607nDentes e há ((nDentes/6)-1) dentes com um ângulo de 3607nDentes entre cada dente antes de haver uma segunda fenda da bobina 1 e 3, onde o ângulo entre os dentes de cada lado da fenda é (7/3*3607nDentes, e há (nDentes/6-1) dentes com um ângulo de 3607nDentes entre cada dente antes de haver uma terceira fenda da bobina 2 e 3, onde o ângulo entre os dentes de cada lado da fenda é (4/3)*3607nDentes e há ((nDentes/6)-1) dentes com um ângulo de 3607nDentes entre cada dente antes de haver uma quarta fenda para a bobina 1 e 2, onde o ângulo entre o último dente e o centro da fenda é (4/3)*3607nDentes, e o padrão do centro da primeira fenda ao centro da quarta fenda é repetido uma vez para completar o circulo total.

[0014] De acordo com outra forma de realização principal da invenção, o motor de relutância desequilibrado trifásico tem seis fendas para três pares de bobinas do estator, o estator tendo numerosos dentes no rotor, indicados nDentes, que são iguais a n*6, onde n é um inteiro positivo igual a ou maior do que três, o ângulo do centro da primeira fenda somente da bobina 1 do estator para o primeiro dente é de 3607nDentes e há (nDentes/6-1) dentes com um ângulo de 3607nDentes entre cada dente antes de haver uma segunda fenda das bobinas 1 e 2, onde o ângulo entre os dentes de cada lado da fenda é (7/3)*3607nDentes e então há ((nDentes/6)-1) dentes com um ângulo de 3607nDentes entre cada dente antes de haver uma terceira fenda somente para a bobina 2, onde o ângulo entre os dentes de cada lado da fenda é de 2*3607nDentes e há ((n-Dentes/6) dentes com um ângulo de 3607nDentes entre cada dente antes de haver uma quarta fenda nas bobinas 2 e 3, onde o ângulo entre o último dente e o centro da fenda é (2/3)*3607nDentes, e o padrão do centro da primeira fenda ao centro da quarta fenda é espelhado através do plano através do eixo geométrico de rotação e centro da primeira/quarta fendas, para completar a coroa circular total.

[0015] De acordo com uma forma de realização de ditas duas variantes do motor de relutância trifásico, todas as variantes ocorrem se qualquer um dos lados do motor for espelhado através dos planos através do eixo geométrico central e do centro das fendas das bobinas.

[0016] Alguns dos dentes de estator podem ser movidos ligeiramente pra fora da posição descrita aqui para obter um efeito inclinante e pode haver um dente adicional nas fendas que é bastante grande para elas. Também alguns dos dentes podem ser removidos da geometria descrita sem alterar o princípio do motor. Além disso, as fendas das bobinas podem ser colocadas ligeiramente irregulares em comparação com a geometria de acordo com as duas formas de realização principais descritas acima, p. ex., reduzir a saturação do ferro antes de os dentes se fecharem nas fendas.

Breve Descrição dos Desenhos

[0017] Uma forma de realização da invenção será descrita mais detalhadamente abaixo, com referência aos desenhos, onde: A Figura 1 mostra esquematicamente em perspectiva, a construção e as várias partes principais de um motor de passo síncrono da agente aromatizante; A Figura 2 mostra esquematicamente uma seção transversal através do estator e rotor da variante equilibrada da invenção descrita, a seção transversal sendo perpendicular ao eixo geométrico de rotação do motor; A Figura 3 mostra, em uma escala ampliada, uma seção transversal através de um setor da seção transversal mostrada na Figura 2; e A Figura 4 mostra a corrente das fases, em função do ângulo elétrico, onda quadrada ligada ou desligada, o ângulo elétrico sendo igual ao ângulo mecânico*nDentes, onde n é o número de dentes do rotor.

Descrição Detalhada da Invenção

[0018] A Figura 1 mostra esquematicamente em perspectiva um motor de passo síncrono da agente aromatizante 15, equipado com uma coroa circular 16 provido com quatro eletroímãs 231-4, dispostos em iguais distâncias da superfície interna 24 da coroa circular 16. Cada eletroímã 231-4 é ainda provido com quatro dentes 22 na superfície faceando o rotor 19. Os eletroímãs 231-4 podem ser sucessivamente energizados, a energização sendo controlada por um circuito de controle externo (não mostrado). Além disso, o motor de passo 15 é provido com um rotor de ferro centralmente disposto 19, provido com um furo centralmente disposto 20 para um eixo (não mostrado). O rotor de ferro 19 é conformado em engrenagem, provido com um grande número de dentes 21. A fim de iniciar a rotação do rotor 19, o eletroímã de topo 231 é ligado, atraindo o dente mais próximo 21 do rotor conformado em engrenagem 21, o dente mais próximo sendo marcado com A na Figura, tal movimento sendo a primeira etapa da rotação. Com os dentes 21 alinhados no eletroímã 23 \ eles serão ligeiramente deslocados do eletroímã 232. O ímã de topo 231 é então desligado e o eletroímã direito, isto é, eletroímã 232, é energizado, puxando o dente mais próximo 21 ligeiramente para a direita. Isto resulta em uma segunda etapa de rotação de 3,6°, de acordo com a forma de realização da técnica anterior mostrada na Figura 1. O eletroímã de base 233 é energizado enquanto o eletroímã 232 é desenergizado, produzindo outra etapa de 3,6° de rotação do rotor 19. O eletroímã esquerdo, isto é, eletroímã 234, e então energizado, enquanto o eletroímã 233 é desenergizado, possibilitando que o rotor 19 seja girado em 3,6°. Quando o ímã de topo 231 é energizado mais uma vez, os dentes da roda dentada 19 terão girados por uma posição de dente. Uma vez que há vinte cinco dentes, levará uma centena de etapas para realizar uma rotação completa da roda dentada de ferro 19, neste exemplo.

[0019] A Figura 2 mostra uma seção transversal de um plano perpendicular ao eixo geométrico de rotação do motor 10, de acordo com a presente invenção. A seção transversal é igual através da inteira parte eletromagneticamente ativa do motor 10. O motor 10 compreende um estator 4 consistindo de ferro de estator, partes de bobina 1, 2, 3 e revestimento de bobina 7. O revestimento de bobina 7, falando rigorosamente, não é necessário, porém ele protege o isolamento do fio da chapa de aço elétrico, que tende a ter bordas afiadas. Além disso, o motor 10 compreende um rotor 5 consistindo de ferro de rotor que é comprimido ou colado no eixo 8. O eixo 8 é para transferir o torque mecanicamente para o dispositivo que o motor influenciará. Além disso, o estator 4 é provido com furos 6, configurados para aparafusar o estator 4 em uma estrutura ou similar (não mostrada).

[0020] O estator 4 e o rotor 5 são compostos de uma pilha de chapas de aço elétrico com camadas fina de isolamento entre elas. Estes elementos de motor 4, 5 poderiam também ser feitos de ferro sólido ou limalha de ferro prensado, porém também seria mais cara e forneceriam menos desempenho.

[0021] O par de bobinas 1, 2, 3 é disposto em três fases, isto é, fase 1, fase 2 e fase 3 para a numeração ser consistente com a Figura 2. Os símbolos ® O, mostrados na Figura 2, indicam se a corrente vai para dentro ou para fora do plano de seção transversal da Figura. Somente entra corrente em uma ou duas das fases em qualquer determinado tempo. A corrente das três fases tem um formato como mostrado na Figura 4. Consideráveis modificações do formato de onda quadrada indicadas são possíveis, dependendo de como o motor é otimizado. Para otimizar a potência do motor, um formato de corrente senoidal é provável ser ótimo. Se torque constante em baixa velocidade for necessário, uma curva complexa, que lembraria a letra M, é provável ser ótima.

[0022] Presumindo-se direção anti-horária de rotação do rotor 5, a fase 2 da Figura 2 tem corrente total, a corrente de fase 1 está próxima de ser ligada, enquanto a corrente da fase 3 estará desligada até o motor ter-se movido outros 120°.

[0023] O motor não trabalhará, a menos que a geometria assimétrica esteja correta.

[0024] Há seis bobinas no estator 4, cada uma sendo enrolada em torno de um grande dente 16. Como indicado na Figura 3, cada grande dente 16 terá o mesmo número de pequenos dentes 17, significando que o número total de pequenos dentes 18 no rotor 5 a maior parte é uma potência de 6. É necessário remover seis pequenos dentes 17 no estator 4 para fazer a geometria se adaptar. É possível não remover quatro destes seis dentes com o benefício possível de uma quantidade reduzida de cobre em duas das fases. É também possível se desviar da exigência de um número igual de pequenos dentes em cada dos seis grandes dentes 16 do estator, porém isto é provável causar aumentada ondulação de torque e tornar o motor ligeiramente desequilibrado. Ambas as opções fornecem consideráveis complicações de projeto.

[0025] Com referência ao número de dentes, faz pouco sentido se ter somente um pequeno dente em cada grande dente de estator 16, de modo que a potência menor é 3. O número de dentes do rotor deve então ser nDentes = n*6, n = 3, 4, 5 ... Número superior de dentes fornecerá torque mais elevado porque o motor pode utilizar uma percentagem maior da circunferência do entreferro, pelo menos até o número de dentes tornar-se tão elevado que uma considerável quantidade de fluxo vaza para o rotor através de trajetos que não criam torque.

[0026] Referência é feita à forma de realização mostrada na Figura 2. Com base nas várias fórmulas definidas acima, os vários números de dentes e ângulos serão identificados, as fórmulas correspondentes pertinentes sendo fornecidas entre parênteses. Com referência à Figura 2, o ângulo a entre o centro de dois dentes de rotor 13 é a = 3607nDentes. Uma vez que o número n de dentes de acordo com a forma de realização mostrada na Figura 2 é igual a 72 (nDentes= 72), o ângulo a = 5o, como também indicado na Figura 2. O ângulo b do centro da fenda 151 da bobina 1 e 2 da Figura 2 ao centro do primeiro dente de estator 9 é angulo b = 3607nDentes. Em consequência, de acordo com a forma de realização descrita, tal ângulo é b = 5o, uma vez que o número mostrado n dos dentes do rotor é 72. São assim onze dentes ((nDentes/6)-l), rodeados pela bobina 1 na direção anti-horária da Figura 2 da fenda 151 para a bobina 1 e 3. O ângulo entre o centro do último dente 10, rodeado pela bobina 1, e o primeiro dente 11, rodeado pela bobina 3, é o ângulo b+d, em que b = 5o (360772) e d = 6,67° [(4/3)*360772], isto é, o ângulo b + d = 11,67°, de acordo com a forma de realização mostrada na Figura 2. São então onze dentes ((72/6)-1) entre o centro de cada dente circundado pela bobina 3 entre a fenda 152 e a fenda 153 para a bobina 2 e 3. O ângulo entre os dentes 12, 13 de cada lado da fenda 153 da bobina 2 e 3 é 2*c, onde c = (2/3)*3607nDentes, isto é, c = 6,67°, de acordo com a forma de realização mostrada na Figura 2. E então ((nDentes/6)-l) com 3607nDentes entre o centro de cada dente circundado pela bobina 2. O ângulo do último dente 14 circundado pela bobina 2 ao centro da fenda 154 da bobina 1 e 2 é então d = (4/3)*3607nDentes antes de o padrão ser repetido, com a fenda 154 como a primeira fenda da próxima sequência. O número de dentes totais do rotor 5, de acordo com a forma de realização mostrada na Figura 2, é nDentes = 6*12 = 72.

[0027] A vantagem deste projeto em relação a outros projetos é que as forças de atração entre o estator e rotor são equilibradas porque as bobinas ligadas são opostas entre si. Isto reduz as forças sobre os mancais. Se o rotor for perfeitamente centrado, as forças sobre os mancais seriam zero.

[0028] A desvantagem é que o campo magnético de todas as fases atravessa a inteira máquina e, portanto, interage com cada outra. Como resultado, o contraferro do estator 4 é um tanto espesso porque o campo magnético de duas fases tem que passar através dele. Isto reduz o torque porque reduz o raio do rotor. Também torna mais difícil fazer o motor funcionar “suavemente” com o controle livre de sensor. “Suavemente” significa que o rotor não inicia e para em cada etapa, como seria o caso se a velocidade fosse controlada simplesmente se comutando a corrente para as fases como mostrado na Figura 4 em uma dada frequência.

[0029] Na variante desequilibrada deste motor há um ângulo de 3607nDentes do centro da primeira fenda 15'ao centro do primeiro dente. Então há (nDentes/6-l)dentes com 3607nDentes entre centros de cada dente antes de haver uma segunda fenda 152. O ângulo entre centros dos dentes de cada lado da segunda fenda 152 é (7/3)*3607nDentes. Então há (nDentes/6-1) dentes com 3607nDentes entre centros de cada dente antes de haver uma terceira fenda 153. O ângulo entre os dentes de cada lado da terceira fenda 153 é 2*3607nDentes. Então há (nDentes/6-1) dentes com 3607nDentes entre o centro de cada dente antes a quarta fenda 154. O ângulo entre os centros do último dente e o centro da quarta fenda 154 é (2/3)*360°/nDentes. O estator 4 é então espelhado através do plano através dos eixos geométricos de rotação e centro da primeira/quarta fenda 151, 154. Comparada com o motor mostrado na Figura 2, a primeira fenda 151 deste motor somente conterá bobinas da fase 1, a segunda fenda 152 conterá bobinas da fase 1 e 2, a terceira fenda 153 somente conterá bobinas da fase 2, a quarta fenda 154 conterá bobinas da fase 2 e 3, a quinta fenda 155 conterá somente bobinas da fase 3 e a sexta fenda 156 conterá bobinas da fase 1 e 3.

[0030] O torque é maior para a máquina desequilibrada e é mais fácil de fazer o motor funcionar “suavemente”, porém os mancais devem conduzir um enorme torque. Anexos: (1) Wikipedia - Stepper Motor, páginas 1-8, impressão 18.01.2011 (2) Web-Books - Stepper Motors, páginas 1-10, impressão 18.01.2011.

Claims (6)

1. Motor de relutância assimétrica equilibrada trifásico (10), compreendendo um rotor (5), rotativamente disposto em um eixo (8) e um estator (4), na forma de uma coroa circular provida com uma pluralidade de bobinas (1-3), a superfície externa do rotor (5) e a superfície interna das bobinas (1-3) sendo providas com numerosos dentes, caracterizadopelo fato de que: há seis fendas (151 - 156) para as bobinas (1 - 3) no estator (4); há um número n de dentes no rotor (5), doravante nDentes, igual a n*6, onde n é um inteiro positivo igual a ou maior do que três; e, o ângulo b do centro da primeira fenda (151) para a bobina 1 e 2 do estator (4), ao primeiro dente (9) do estator (5) é 3607nDentes, e em que então há [(nDentes/6)-l] dentes com um ângulo de 3607nDentes entre cada dente do estator (4) antes de haver uma segunda fenda (152) para a bobina 1 e 3, onde o ângulo d+b entre os dentes (10, 11) de cada lado da fenda (152) é (7/3)*3607nDentes, e em que então há [(nDentes/6)-l] dentes no estator (4) com um ângulo a de 3607nDentes entre cada dente antes de haver uma terceira fenda (153) para a bobina 2 e 3, onde o ângulo c+c entre os dentes de estator (12, 13) de cada lado da fenda (153) é (4/3)*3607nDentes, e em que há [(nDentes/6)-l] dentes no estator (4) com um ângulo a de 3607nDentes entre cada dente antes de haver uma quarta fenda (154) para a bobina 1 e 2, onde o ângulo d entre o último dente (14) e o centro da fenda (154) é (4/3)*3607nDentes, e em que o estator compreende uma repetição de uma seção do estator (4) entre a linha central da primeira fenda (151) à linha central da quarta fenda (154) para formar o estator por completo, a quarta fenda (154) sendo a primeira fenda da próxima sequência.

2. Motor de relutância trifásico (10) de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que o motor (10) é espelhado através dos planos através do eixo geométrico central (8) e do centro das fendas (151 - 156) para as bobinas, ou girado em torno do eixo geométrico central (8).

3. Motor de relutância trifásico (10) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizadopelo fato de que parte dos dentes (17) de estator (4) é movida para fora da posição.

4. Motor de relutância trifásico (10) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizadopelo fato de que há um dente adicional nas fendas.

5. Motor de relutância trifásico (10) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizadopelo fato de que as fendas (151 - 156) para as bobinas podem ser colocadas ligeiramente irregulares, em comparação com a geometria descrita na reivindicação 1 ou 2, p. ex., para reduzir a saturação do ferro atrás dos dentes próximo das fendas (151 -156).

6. Motor de relutância trifásico (10) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizadopelo fato de que parte dos dentes da geometria é removida.

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