BR112014017890B1 - Máquina elétrica - Google Patents
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Abstract
máquina elétrica. trata-se de máquina elétrica, notadamente um motor (2), que compreende um estator (6), um rotor (8), um primeiro mancal principal (12), projetado para sustentar o rotor (8) em relação ao estator (6) em uma faixa principal de velocidades, e um primeiro mancal secundário (16) projetado para sustentar o rotor em relação ao estator quando o primeiro mancal principal falha. o mancal secundário ou cada mancal secundário (16) é um mancal eletrodinâmico passivo que compreende pelo menos um ímã permanente e um elemento eletricamente condutor móvel. aplicação para máquinas elétricas, notadamente, a motores assíncronos ou síncronos.
Description
[001] A presente invenção refere-se a uma máquina elétrica, mais especificamente a um motor que compreende um estator, um rotor, pelo menos um primeiro mancal principal, em particular um mancal magnético ativo, adequado para sustentar o rotor em relação ao estator em uma faixa de velocidade principal, e pelo menos um primeiro mancal secundário adequado para sustentar o rotor em relação ao estator, caso o mancal principal falhe.
[002] Motores elétricos são conhecidos por terem mancais principais que são mancais magnéticos ativos, de modo a sustentar o rotor em rotação em relação ao estator.
[003] Esses motores também compreendem, para cada mancal principal, um mancal auxiliar adequado para sustentar o rotor em relação ao estator, caso o mancal principal associado falhe.
[004] Os mancais auxiliares usados na técnica somente funcionam em uma dada faixa de velocidade, que é uma faixa de velocidade relativamente baixa. Os mancais auxiliares são mancais lisos.
[005] No entanto, mancais de rolamento não permitem que motores sejam usados sob condições ambientais específicas, por exemplo, em ambientes sujeitos à poluição.
[006] Além disso, mancais de rolamento têm somente um tempo de vida útil limitado.
[007] O propósito da invenção é compensar pelo menos uma das inconveniências acima. O objetivo é propor um motor elétrico que permita o uso em um ambiente sujeito à poluição e/ou que seja seguro.
[008] Para esse efeito, a matéria da invenção é um motor elétrico conforme indicado acima, caracterizado pelo fato de que o mancal secundário ou cada mancal secundário é um mancal eletrodinâmico passivo que compreende pelo menos um ímã permanente e um elemento eletricamente condutor móvel.
[009] Dependendo dos métodos de produção, a máquina elétrica de acordo com a invenção inclui um ou diversos dos seguintes recursos: - um segundo mancal principal, notadamente um mancal magnético, adequado para sustentar o rotor em relação ao estator na faixa de velocidade principal e um segundo mancal secundário adequado para sustentar o rotor em relação ao estator, caso o segundo mancal principal falhe; - o mancal secundário ou cada mancal secundário é adequado para sustentar a haste na faixa de velocidade secundária, e a faixa de velocidade secundária é limitada no limite mais baixo por uma velocidade limiar de estabilidade; - um primeiro mancal auxiliar que é associado ao primeiro mancal principal e/ou, caso seja necessário, a um segundo mancal auxiliar, que é associado a um mancal principal secundário e o mancal auxiliar ou cada mancal auxiliar é adequado para sustentar o rotor em relação ao estator em uma faixa de velocidade auxiliar diferente da faixa de velocidade principal, em particular cujo limite superior da faixa de velocidade auxiliar é maior ou igual à velocidade limiar de estabilidade; - o mancal auxiliar ou cada mancal auxiliar é um mancal liso; - o mancal liso compreende um anel de mancal e é especificamente composto por um anel de mancal, ou um mancal radial de sapata; - o mancal auxiliar ou cada mancal auxiliar compreende pelo menos um mancal de rolamento; - o mancal secundário ou cada mancal secundário compreende um anel fixado ao rotor e dois elementos fixados em relação ao estator, sendo que o anel compreende um elemento eletricamente condutor ou é composto por um elemento eletricamente condutor, e cada elemento fixado compreende um dos ímãs permanentes; - os dois elementos fixados são dispostos em um lado ou outro do anel associado; - pelo menos um dos elementos fixados cobre axialmente o mancal auxiliar associado; - cada mancal auxiliar é deslocado do mancal secundário, de modo que o anel de mancal do mancal auxiliar seja deslocado axialmente de todos os elementos fixados.
[010] A invenção será mais bem compreendida a partir da leitura da descrição a seguir, dada somente como um exemplo e feita em referência aos desenhos, nos quais: a Figura 1 mostra muito esquematicamente um motor elétrico, de acordo com a invenção em corte transversal axial; a Figura 2 mostra a faixa de operação dos diferentes mancais de motor, de acordo com a invenção; e a Figura 1 mostra o motor elétrico, de acordo com a invenção, designado pela referência geral 2.
[011] O motor 2 é um exemplo de um motor assíncrono. O motor elétrico 2 é um motor que tem uma velocidade de rotação nominal muito alta. A velocidade de rotação nominal pode ser, por exemplo, maior do que 5.000 rpm e pode ser maior do que 10.000 rpm.
[012] O motor elétrico 2 compreende uma caixa 4, um estator 6, um rotor 8 e uma haste 10.
[013] O rotor 8 e a haste 10 são alojados na caixa 4 ao redor de um eixo geométrico de rotação X-X. A seguir, as expressões "axialmente", "radialmente" e "circunferencialmente" são usadas em relação ao eixo geométrico de rotação X-X. Os eixos geométricos que pertencem aos elementos doravante descritos são considerados como sendo coaxiais ao eixo geométrico de rotação, a menos que seja especificado de outra forma.
[014] A haste (10) e o rotor (8), considerados juntos, têm uma massa maior do que 300 kg e, mais especificamente, maior do que 750 kg.
[015] O motor elétrico 2 também compreende um primeiro mancal principal 12 e um segundo mancal principal 14.
[016] O primeiro e o segundo mancais principais 12,14 são idênticos e sustentam o rotor 8 em relação ao estator 6 em rotação ao redor do eixo geométrico X-X. Os dois mancais principais 12,14 são dispostos axialmente em qualquer um dos lados do rotor 8. Ambos o primeiro mancal principal 12 e o segundo mancal principal 14 são mancais magnéticos ativos. Um mancal magnético ativo é um mancal que compreende eletroímãs e deve ser abastecido com corrente elétrica e continuamente controlado de modo a centralizar a haste 10 e o rotor 8 em relação ao eixo geométrico de rotação X-X.
[017] O primeiro e o segundo mancais principais 12, 14 sustentam a haste em uma faixa de velocidade principal. Essa faixa de velocidade principal é, por exemplo, limitada a 0 rpm. A faixa de velocidade principal também é limitada pela velocidade de rotação nominal do motor elétrico 2 ou por uma velocidade maior do que essa velocidade de rotação nominal (excesso de velocidade ou outros).
[018] O motor elétrico 2 também compreende um primeiro mancal secundário 16 e um segundo mancal secundário 18. O primeiro mancal secundário 16 é adequado para sustentar o rotor 8 em relação ao estator 6, caso o primeiro mancal principal 12 falhe. O segundo mancal secundário 18 é adequado para sustentar o rotor 8 em relação ao estator 6, caso o segundo mancal principal 14 falhe. Cada um dentre o primeiro e o segundo mancais secundários 16, 18 é, portanto, um mancal cuja função corresponde àquela de um mancal de assentamento, sem se falar estritamente de um mancal de assentamento dado que não há nenhum contato físico criado entre a haste 10 e os mancais secundários 16, 18 quando os mancais secundários sustentam a haste.
[019] Os dois mancais secundários 16, 18 são dispostos axialmente em qualquer um dos lados do rotor 8.
[020] Os dois mancais secundários 16, 18 são idênticos e, subsequentemente, somente um dos mancais secundários 16, 18 será descrito.
[021] O mancal secundário 16, 18 é um mancal eletrodinâmico. Um mancal eletrodinâmico é um mancal passivo, isto é, o mesmo opera sem o fornecimento de uma alimentação de eletricidade externa.
[022] O mancal secundário 16, 18 compreende um anel 20 e dois elementos fixados 22, 24.
[023] O anel 20 é fixado em rotação e em translação à haste 10 e, portanto, ao rotor 8. O anel 20 é, portanto, um anel giratório. O anel 20 compreende um elemento eletricamente condutor, mas não magnético ou fracamente magnético. É, por exemplo, produzido a partir de metal ou liga leve tal como alumínio.
[024] Cada elemento fixado 22, 24 é fixado em relação ao estator 6 e é fixado à caixa 4. Cada elemento fixado 22, 24 é composto por ímãs permanentes.
[025] As propriedades do par condutor por ímã permanente determinam a faixa de operação do mancal eletrodinâmico. A direção de circulação da corrente depende da velocidade de rotação. Essa direção determina o limiar de estabilidade descrito doravante. Um mancal eletrodinâmico é um mancal magnético passivo que combina os ímãs permanentes com as correntes circulantes (corrente de Foucault) geradas nos elementos condutores do anel 20.
[026] Os dois elementos fixados 22, 24 são dispostos em qualquer um dos lados do anel 20 considerado ao longo do eixo geométrico de rotação XX. Os dois elementos fixados 22, 24 cobrem o anel 20 radialmente.
[027] O mancal secundário 16, 18 define a faixa de velocidade secundária na qual é adequado sustentar o rotor 8 e a haste 10 em relação à caixa 4. Essa faixa de velocidade secundária é, por exemplo, limitada na extremidade superior pelo limite de velocidade máximo da faixa de velocidade principal, pela velocidade nominal do motor elétrico 2 ou uma velocidade maior do que essa velocidade nominal. A faixa de velocidade secundária é limitada na extremidade inferior por uma velocidade que é o limiar de estabilidade do mancal secundário 16, 18. A velocidade limiar de estabilidade é estritamente maior do que 0 rpm e se encontra, por exemplo, entre 1.000 rpm e 10.000 rpm.
[028] O motor elétrico 2 também compreende um primeiro mancal auxiliar 30 e um segundo mancal auxiliar 32. O primeiro mancal auxiliar 30 é associado ao primeiro mancal principal 12 enquanto o segundo mancal auxiliar 32 é associado ao segundo mancal principal 14.
[029] Cada um dentre o primeiro e o segundo mancais auxiliares 30, 32 é adequado para sustentar o rotor 8 e a haste 10 em relação ao estator 6, caso o primeiro mancal principal 12 ou o segundo mancal principal 14 falhem e quando os mancais secundários 16, 18 não sustentarem a haste 10, dado que a velocidade de rotação é menor do que a velocidade limiar de estabilidade. Cada um dentre o primeiro e o segundo mancais auxiliares 30, 32 é, portanto, um mancal de assentamento. Cada um dentre o primeiro e o segundo mancais auxiliares 30, 32 é um mancal de assentamento em baixa velocidade de rotação quando a velocidade de rotação for menor do que a velocidade limiar de estabilidade do mancal secundário.
[030] O primeiro mancal auxiliar 30 e o segundo mancal auxiliar 32 são exemplos de mancais lisos. Cada mancal liso compreende um anel de mancal 34 e, em particular, inclui esse anel de mancal 34. O mancal liso também pode ser um mancal radial de sapata. Nesse caso, as sapatas são formadas por segmentos anulares. O anel de mancal 34 ou as sapatas são, por exemplo, produzidos a partir de cobre ou de uma liga à base de cobre ou um material de plástico à base de PEEK (politeretercetona). O anel 34 ou as sapatas também podem ser de um material composto, tal como um material composto de fibra de vidro, carbono ou PEEK.
[031] Cada mancal auxiliar 30, 32 é adequado para sustentar a haste 10 em uma faixa de velocidade auxiliar que é diferente da faixa de velocidade principal.
[032] A faixa de velocidade auxiliar também é diferente da faixa de velocidade secundária. Geralmente, a faixa de velocidade auxiliar é menor do que a faixa de velocidade secundária, mas a mesma pode se sobrepor à faixa de velocidade secundária. A faixa de velocidade auxiliar inclui velocidades menores do que a velocidade limiar de estabilidade do mancal secundário associado 16, 18. A faixa de velocidade auxiliar se encontra entre 0 rpm e uma velocidade maior ou igual à velocidade limiar de estabilidade (limite menor de velocidade de mancais secundários). Assim, tem-se uma sobreposição de velocidades entre a faixa de velocidade auxiliar e a faixa de velocidade secundária. Assim, se houver falha dos mancais principais 12, 14, qualquer que seja a velocidade de rotação que está diminuindo, o rotor 8 e a haste 10 serão sustentados pelos mancais secundários e pelos mancais auxiliares até que o motor pare.
[033] Os mancais auxiliares 30, 32 têm, cada um, uma faixa de velocidade de operação menor do que a faixa de velocidade dos mancais secundários 16, 18. O limite superior dessa faixa de velocidade auxiliar dos mancais auxiliares 30, 32 é maior ou igual ao limite inferior da faixa de velocidade dos mancais secundários.
[034] Um ou ambos os elementos fixados 22, 24 cobre axialmente o mancal auxiliar associado 30, 32. No caso ilustrado na Figura, é o elemento 22 que cobre axialmente o mancal auxiliar 30, 32. Assim, as dimensões do motor 2, para uma dada potência são relativamente pequenas.
[035] O motor elétrico 2, de acordo com a invenção, opera da maneira a seguir.
[036] Durante a operação correta dos mancais principais, cada mancal principal 12, 14 sustenta a haste 10 e o rotor 8 em relação ao estator 6 ao redor do eixo geométrico de rotação X-X. Nesse caso, nenhum dos mancais auxiliares 30, 32 sustenta a haste 10 e os mancais secundários 16, 18 contribuem para a sustentação da haste 10. Nesse caso, a haste se encontra a uma distância radial dos mancais auxiliares 30, 32.
[037] Quando o rotor 8 e a haste 10 são acionados a uma velocidade de rotação situada na faixa de velocidade secundária do primeiro mancal secundário 16 e do segundo mancal secundário 18, durante a falha dos mancais principais 12, 14, a haste 10 é primeiramente sustentada somente pelos mancais secundários associados 16, 18, mas não está em contato com os mancais auxiliares 30, 32. Assim, em velocidades de rotação altas, os mancais auxiliares 30, 32 não podem ser danificados, visto que a haste se encontra a uma distância radial dos mancais auxiliares (nenhum contato), fornecendo uma operação segura que é uma das metas da invenção.
[038] Uma vez que a haste 10 e o rotor 8 foram desacelerados de modo que a velocidade de rotação se encontre na faixa de velocidade auxiliar dos mancais auxiliares 30, 32 e, em particular, quando a velocidade deixa a faixa de velocidade secundária, somente os mancais auxiliares 30, 32 sustentam a haste 10.
[039] Os mancais eletrodinâmicos secundários 16, 10 são robustos em seu projeto, visto que nunca há qualquer contato em qualquer que seja a velocidade e rotação, diferentemente de mancais de rolamento de assentamento. Assim, no caso de falha dos mancais principais, a operação é mais confiável por um número possível muito maior de desacelerações de uma alta velocidade, devido aos mancais eletrodinâmicos secundários 16, 18 sem contato, do que as tecnologias atuais que usam mancais de rolamento de pouso. Na verdade, os mancais eletrodinâmicos são sem atrito e não desgastam. Além disso, é por isso que os mancais de rolamento auxiliares 30, 32, que são mancais lisos, são mais adequados para as condições ambientais agressivas descritas abaixo.
[040] Além disso, o motor de acordo com a invenção pode funcionar em condições ambientais que não seriam permitidas para um motor que tem mancais de rolamento de assentamento, tal como a presença de gás úmido, gás sujo ou gás ácido (em particular, presença de H2S, CO2, Hg, etc.). Esse é o segundo objetivo da invenção além da operação segura.
[041] Em uma variante não mostrada, cada mancal auxiliar 30, 32 é deslocado do mancal secundário 16, 18 de modo que o anel de mancal 34 seja deslocado de todos os elementos fixados 22 ou 24.
[042] Em outra variante, o mancal auxiliar ou cada mancal auxiliar 30, 32 compreende ou é composto por um ou diversos mancais.
[043] Por fim, a invenção foi descrita com referência a um motor. A mesma poderia ser aplicada a qualquer máquina elétrica giratória, por exemplo, um gerador, um motor síncrono ou assíncrono.
Claims (10)
1. MÁQUINA ELÉTRICA, especificamente motor (2), do tipo que compreende: - um estator (6), - um rotor (8), - pelo menos um primeiro mancal principal (12) e um segundo mancal principal (14), em particular mancais magnéticos ativos, adequados para sustentar o rotor (8) em relação ao estator (6) em uma faixa de velocidade principal, e - pelo menos um primeiro mancal secundário (16) adequado para sustentar o rotor (8) em relação ao estator (6), caso o primeiro mancal principal (12) falhe e um segundo mancal secundário (18) adaptado para suportar o rotor (8) em relação ao estator (6) caso o segundo mancal principal (14) falhe, caracterizada pelos mancais secundários (16, 18) ou cada mancal secundário (16, 18) ser um mancal eletrodinâmico passivo que compreende pelo menos um ímã permanente e um elemento eletricamente condutor móvel.
2. MÁQUINA ELÉTRICA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo mancal secundário (16, 18) ou cada mancal secundário (16, 18) ser adequado para sustentar uma haste na faixa de velocidade secundária, e a faixa de velocidade secundária ser limitada no limite mais baixo por uma velocidade limiar de estabilidade.
3. MÁQUINA ELÉTRICA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizada por ter um primeiro mancal auxiliar (30), que é associado ao primeiro mancal principal (12) e/ou, a um segundo mancal auxiliar (32), que é associado ao mancal principal secundário (16) e o mancal auxiliar ou cada mancal auxiliar (30, 32) é adequado para sustentar o rotor (8) em relação ao estator (6) em uma faixa de velocidade auxiliar diferente da faixa de velocidade principal, em particular cujo limite superior da faixa de velocidade auxiliar é maior ou igual à velocidade limiar de estabilidade.
4. MÁQUINA ELÉTRICA, de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo mancal auxiliar ou cada mancal auxiliar (30, 32) ser um mancal liso.
5. MÁQUINA ELÉTRICA, de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo mancal liso compreender um anel de mancal (34) e ser composto por um anel de mancal, ou é um mancal radial de sapata.
6. MÁQUINA ELÉTRICA, de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelos mancais auxiliares (30, 32) ou cada mancal auxiliar (30, 32) compreender pelo menos um mancal.
7. MÁQUINA ELÉTRICA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizada pelos mancais secundários (16, 18) ou cada mancal secundário (16, 18) compreender um anel (20) fixado ao rotor e dois elementos (22, 24) fixados em relação ao estator, sendo que o anel compreende um elemento eletricamente condutor ou é composto por um elemento eletricamente condutor, e cada elemento fixado compreende um dos ímãs permanentes.
8. MÁQUINA ELÉTRICA, de acordo com a reivindicação 7, caracterizada por ambos os elementos de fixação (22, 24) serem dispostos em qualquer um dos lados do anel associado.
9. MÁQUINA ELÉTRICA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 8, caracterizada por pelo menos um dos elementos de fixação (22) cobrir axialmente o mancal auxiliar associado.
10. MÁQUINA ELÉTRICA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 8, caracterizada por cada mancal auxiliar (30, 32) ser deslocado do mancal secundário (16, 18) de modo que o anel de mancal (34) do mancal auxiliar considerado, seja deslocado axialmente de todos os elementos de fixação (22, 24).
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