BR112015022360B1

BR112015022360B1 - Aparelho para o acoplamento de potência mecânica entre o rotor de um motor de corrente contínua sem escovas e uma carga mecânica externa

Info

Publication number: BR112015022360B1
Application number: BR112015022360-5A
Authority: BR
Inventors: Alexander Mostovoy; Victor Shlakhetski
Original assignee: Vastech Holdings Ltd
Priority date: 2013-03-19
Filing date: 2014-03-13
Publication date: 2022-07-26
Also published as: CN105264252B; US20160028299A1; JP2016512945A; EP2976540A4; KR20150131060A; SG11201506948SA; CN105264252A; KR102102325B1; WO2014147612A1; EP3492765B1; CA2907040C; EP3742014A1; EA201591461A1; US10312790B2; PH12015501956B1; IL241276A0; AU2014233758B2; EP2976540B1; PH12015501956A1; MX2015012884A

Abstract

DISPOSITIVO E MÉTODO PARA USAR UMA EMBREAGEM MAGNÉTICA EM MOTORES BLDC Um aparelho para o acoplamento de potência mecânica entre o rotor de um motor de corrente contínua sem escovas, e uma carga mecânica externa compreende: a) dois anéis concêntricos; b) um número igual de magnetos ligados ao anel interior e ao anel exterior; e c) uma orientação oposta dos polos de cada par de magnetos que se faceiam, em que um magneto é colocado sobre o anel interior, e o magneto que o faceia é colocado sobre o anel exterior; em que o primeiro dos referidos dois anéis concêntricos é rotativo em torno de um eixo por meio de da aplicação de uma força aplicada pelo segundo anel, e em que quando o referido primeiro anel concêntrico gira, o segundo anel também gira por ação de forças magnéticas.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[0001] A presente invenção refere-se a uma arquitetura de embreagem magnética concebida para acoplar a força mecânica entre o rotor de motores de corrente contínua sem escovas (BLDC) e uma carga mecânica externa, sem o uso de conexão mecânica direta ou indireta, tais como engrenagens, rodas, lâminas ou outros arranjos semelhantes.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[0002] Em muitos sistemas comuns, a ligação entre as diferentes partes do sistema é realizada por componentes mecânicos. Uma desvantagem significativa da utilização de tais peças de ligação é a perda de energia causada devido à fricção. Outra desvantagem é causada pela fricção do desgaste das superfícies de ligação das peças. Como a velocidade e força entre as partes aumenta, então ocorre o atrito e, portanto, o dano às suas superfícies, até que muitas vezes já não pode funcionar corretamente.

[0003] Em sistemas operacionais em altas velocidades, tais como motores que normalmente operam em velocidades extremamente altas, a fricção e os seus resultados são substanciais, que resultam na necessidade de muitos serviços de manutenção e mudança frequente de peças, que exigem um grande investimento de tempo e de dinheiro.

[0004] A presente invenção refere-se a um dispositivo utilizado em motores BLDC, tais como o motor descrito no pedido de patente de PCT n° PCT/IL2013/050253

[0005] É um objetivo da presente invenção, proporcionar um dispositivo e método que supere os inconvenientes do estado da técnica.

[0006] Outros objetos e vantagens do invento serão evidentes ao longo da descrição.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0007] Um aparelho para o acoplamento de potência mecânica entre o rotor de um motor de corrente contínua sem escovas e uma carga mecânica externa, que compreende: a) dois anéis concêntricos; b) um número igual de imãs ligados ao anel interior e ao anel exterior; e c) uma orientação oposta dos polos de cada par de imãs que se faceiam, em que um imã é colocado sobre o anel interior, e o seu imã que o faceia é colocado sobre o anel exterior; em que o primeiro dos referidos dois anéis concêntricos é rotativo em torno de um eixo por meio da aplicação de uma força aplicada pelo segundo anel, e em que quando o referido primeiro anel concêntrico gira, o segundo anel também gira por ação de forças magnéticas.

[0008] Em uma forma de realização da presente invenção, os anéis são placas planas em forma de anel.

[0009] Em uma outra forma de realização da invenção, cada par de imãs que se faceiam são do mesmo tamanho.

[00010] Em algumas formas de realização da invenção, as forças magnéticas dos dois imãs que se faceiam são essencialmente as mesmas. Em uma outra forma de realização da invenção cada um dos imãs no anel interior tem um imã que o faceia voltado sobre o anel exterior.

[00011] Os meios de ligação, em algumas formas de realização da invenção, ligam um dos anéis a um sistema externo. Em outras formas de realização da invenção, um anel que não está ligado ao sistema externo é acionado pela rotação do anel que está ligado ao sistema externo e o anel de acionamento é obrigado a mover-se por causa da força magnética entre os dois imãs acoplados.

[00012] Tipicamente, as distâncias entre os componentes do aparelho são consistentes com as forças desejadas e em algumas formas de realização da invenção, a distância entre dois imãs adjacentes no anel não é a mesma que a distância entre os outros dois imãs adjacentes no mesmo anel.

[00013] A invenção também engloba um motor sem escovas acoplado com uma embreagem que compreende dois anéis concêntricos, um número igual de imãs ligados ao anel interior e ao anel exterior, e uma orientação oposta dos polos de cada par de imãs que se faceiam, em que um imã é colocado sobre o anel interior, e o seu imã que o faceia é colocado sobre o anel exterior, e em que o primeiro dos referidos dois anéis concêntricos é rotativo em torno de um eixo por meio da aplicação de uma força aplicada pelo segundo anel, e em que quando o referido primeiro anel concêntrico gira, o segundo anel também gira por ação de forças magnéticas.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[00014] Nos desenhos:

[00015] A Fig. 1 mostra dois anéis concêntricos, fornecidos com imãs, de acordo com uma forma de realização da invenção, em um estado estático;

[00016] A Fig. 2 mostra os dois anéis da fig. 1 em um estado dinâmico;

[00017] A Fig. 3 mostra as medições da força sobre um único par de imãs montados a uma distância “d” entre si e deslocada linearmente;

[00018] A Fig. 4 mostra as medições da força em um sistema de demonstração, de acordo com outra forma de realização da invenção;

[00019] A Fig. 5 mostra as medidas físicas exemplificativas dos componentes em um sistema de demonstração BLDC, de acordo com uma outra forma de realização da invenção;

[00020] A Fig. 6 mostra uma configuração esquemática de dois imãs, de acordo com outra forma de realização da invenção;

[00021] A Fig. 7 mostra solenóides ilustradas como sendo constituídas por um conjunto de circuitos de corrente infinitesimal, empilhadas uma em cima da outra; e

[00022] A Fig. 8 mostra duas voltas de espessura infinitesimal, cada uma pertencente a um imã.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[00023] A Fig. 1 mostra dois anéis concêntricos rotativos 101 e 102 em repouso. O anel interior 101 consiste no rotor de um motor BLDC (que pode ser, por exemplo, o motor do PCT/IL2013/050253 - WO/2013/140400), e o anel exterior 102 é ligado a uma carga mecânica e proporciona a força para ele. Um certo número de imãs permanentes, igual ao número dos imãs no rotor do motor BLDC, são fixados mecanicamente sobre o anel exterior 102 com os seus eixos S - N orientados tangencialmente para a circunferência.

[00024] Em repouso, cada um dos imãs 104 situados sobre o anel exterior 102, está voltado para o imã correspondente 103 localizado sobre o rotor 101. A orientação do eixo S - N de cada imã 104 sobre o anel exterior 102 é oposta à orientação do eixo S - N do imã correspondente 103 (que o faceia) sobre o rotor 101. Como um resultado, os imãs 104 localizados sobre o anel exterior 102 estão posicionados com polaridade alternada. Deve ser enfatizado que não existe ligação física entre o rotor 101 e o anel exterior 102. Por razões que serão completamente explicadas mais tarde nesta descrição, com base nas leis de estática magnética, a posição relativa do rotor 101 com respeito ao anel exterior 102, depende do estado do sistema - se o sistema está em um estado estático ou um estado dinâmico, tal como será posteriormente descrito.

[00025] Em um estado estático - quando o rotor BLCD está em repouso, cada imã 104 sobre o anel exterior 102 é alinhado exatamente na frente do imã correspondente 103 sobre o rotor 101, como mostrado na Fig. 1. Em um estado dinâmico - quando o rotor BLCD 101 gira, enquanto o anel exterior 102 é ligado a uma carga (não completamente livre para se mover), a posição relativa de cada imã 103 no anel de rotor 101 em relação ao imã correspondente 104 no anel de carga 102, vai mudar e vai se estabilizar a um novo estado.

[00026] Os imãs correspondentes 103 e 104 não serão mais perfeitamente alinhados. A posição relativa dos imãs irá mudar de forma quase - linear, de forma tangencial à circunferência dos anéis 101 e 102. Os imãs 103 e 104 irão chegar a um deslocamento de “h”, como mostrado na Fig. 2, e irão se estabilizar lá. O deslocamento “h” irá depender da força oposta exercida pela carga. Pode ver-se que, sob condições adequadas, o “h” irá aumentar diretamente proporcional à força necessária para fazer o anel de carga 102 girar juntamente com o anel do rotor 101.

[00027] Será apresentado que na gama de interesse, o deslocamento “h” é aproximadamente diretamente proporcional a de transferência de força, e contando que “h” não é muito grande, o anel do rotor 101 será capaz de "puxar ao longo" do anel de carga 102, sem a ocorrência de qualquer contato físico entre os dois anéis 101 e 102.

[00028] Quando o tamanho de “h” se aproxima da largura da abertura entre os imãs 103 e 104, a força transferida cai. A força máxima que o anel do rotor 101 será capaz de aplicar ao anel de carga 102 irá depender da força e da geometria dos imãs permanentes, sobre o número de imãs, bem como no espaço entre os dois anéis de 101 e 102.

[00029] A Fig. 3 mostra as medições da força sobre um único par de imãs montados a uma distância “d” entre si e deslocados linearmente. A área sombreada 301 mostra a gama para o qual a força de tração entre os imãs 103 e 104 é mais ou menos proporcional ao desvio de “h”.

[00030] Para ilustrar a ordem de grandeza das forças envolvidas, dois imãs com frente - a - frente de separação de 29 milímetros, podem fornecer aproximadamente uma transferência de força máxima de 140 N (aproximadamente 14 Kg) em direção tangencial ao anel.

[00031] No sistema de demonstração do motor BLDC construído de acordo com a invenção, existem 8 imãs que foram fornecidos com separação de face - a - face de cerca de 30 mm. O sistema de demonstração é capaz de aplicar uma força de 140 x 8 = 1120 N (cerca de 112 kg). Uma vez que o anel exterior 102 no sistema de demonstração tem um raio de cerca de 420 milímetros, a embreagem magnética deve ser capaz de transferir um torque de cerca de 470N - m.

[00032] Em uma medição levada a cabo no sistema de demonstração BLDC, e como mostrada na Fig. 4, os inventores não tentaram alcançar e medir a transferência de potência máxima, no entanto, eles mostraram medições de transferência de força da ordem de 600 N, o que está em bom acordo com a ordem de grandeza da força máxima possível (1120 N) previsto pelas medições em um par de imãs. Também mostra que a força total é proporcional ao deslocamento relativo.

[00033] As medidas físicas dos componentes do sistema de demonstração BLDC, tal como previsto pelos inventores, são mostradas na Fig. 5. A partir da figura pode-se ver que o sistema inclui 8 imãs, e a separação entre o anel do rotor 101 e o anel de carga 102 é de 30 mm.

[00034] Computações estáticas magnéticas estão entre as tarefas mais difíceis e complexas a serem realizadas analiticamente, e mesmo quando uma expressão analítica de forma fechada pode ser encontrada, as fórmulas resultantes são muitas vezes demasiadamente complexas para fornecer uma compreensão clara dos fenômenos. Além disso, na maioria das vezes, só se pode realizar simulações computadorizadas obtidas por resolver numericamente as equações de campo. Soluções numéricas, no entanto, ainda precisam de uma configuração específica, não fornecem uma visão para o comportamento geral do sistema.

[00035] Felizmente, no caso específico em questão, as conclusões gerais podem ser desenhadas por meio de uma análise matemática relativamente simples. Isto é possível porque, no sistema em consideração, os imãs são livres para mover somente ao longo de uma direção tangencial ao seu eixo S - N, e eles são fixos em todas as outras direções. Portanto, só é necessário calcular a componente da força na direção paralela aos eixos S - N dos imãs, o que resulta em grandes simplificações matemáticas que permitem tirar conclusões sobre as características gerais do sistema, sem a necessidade de, na verdade, a solução de integrais tridimensionais complexas envolvidas.

[00036] O que foi analisado é a configuração mostrada na Fig. 6 X, P e 7 são mutuamente vetores unitários perpendiculares. Dois imãs cúbicos 601 e 602 são posicionados de modo que os seus eixos S - N são paralelos à direção 7. A sua orientação S - N é oposta, e elas são deslocadas com um deslocamento na direção h. Os imãs 601 e 602 são assumidos cúbicos, para a finalidade desta análise exemplificativa, no entanto, as conclusões gerais são válidas para outras formas bem conhecidas. As medições mostradas na Fig. 3 foram realizadas em uma configuração semelhante. De acordo com esta configuração, enquanto o deslocamento h é pequeno relativamente à dimensão física do espaço entre os imãs 601 e 602, a componente da força que atua em ambos os imãs 601 e 602 na direção de 7, é diretamente proporcional ao deslocamento h. O tamanho de h é relativamente pequeno, aproximadamente h quando o deslocamento é menor do que 1/3 da separação “d” entre os imãs 601 e 602. À medida que o deslocamento se torna maior do que, a força atinge um valor máximo, e, em seguida, diminui com o aumento de “h”.

[00037] Como um primeiro passo, pelo uso do modelo de Amperian, um imã permanente com magnetização M na direção Z, pode ser modelado sob a forma de uma densidade de corrente superficial uniforme Js que flui sobre a superfície do imã na direção perpendicular a Z. M é o momento de dipolo magnético líquido por unidade de volume, e Js é a corrente de superfície equivalente por unidade de comprimento. Portanto, podemos substituir cada imã 601 e 601 na figura 6 por os "equivalentes" solenóides mostrados na Fig. 7, com correntes iguais em direções opostas.

[00038] Cada solenoide 701 na Fig. 7 pode ser representado como sendo constituído por um conjunto de circuitos de corrente infinitesimal, empilhados um em cima do outro, transportando correntes de amplitudes de dl = Jsdz e dl’ = Jsdz, que flui no plano % y em sentidos opostos. Vamos considerar agora, duas voltas de espessura infinitesimal, cada uma pertencente a um dos imãs como mostrado na figura 8.

[00039] A força causada no lado esquerdo da volta L localizada na posição vertical z, pelo lado direito da volta L' localizada na posição vertical z', é diretamente derivada da lei de Ampere da força, e é dada pela expressão

[00040] em que

[00041] e (dl e dl' são comprimentos infinitesimais na direção do fluxo de corrente nos circuitos correspondentes, e, por conseguinte, eles encontram-se no plano x y.

[00042] Agora, referindo-se a Fig.8, ela aponta várias observações preliminares: 1. Sabemos que ly - y’l > d e denotamos que

Daqui resulta que

é independente de z e z’, e podemos escrever

2. Na presente configuração, d é comparável com o tamanho do imã, e supomos deslocamentos pequenos o suficiente para que h2 « d2 (por exemplo, h < d/3). 3. Uma vez que estamos interessados apenas na força na direção z, o único componente relevante do r - r no numerador do integrando, é aquele em direção z . Todas as outras forças não são de interesse, uma vez que os imãs não podem se mover em outras direções. Assim, a fim de calcular a força que atua sobre os imãs na direção z, nós podemos substituir o f-f no numerador do integrando por (z - z') z.

[00043] dl e dl são vetores incrementais no plano. Mais precisamente, no cenário atual de imãs quadrados, o produto escalar (dl.dl) é tanto ± dxdx’ ou ± dydy’. Portanto, z e z’ são constantes no que diz respeito às variáveis de integração, quando a integração ao longo do caminho das espiras. Além disso, se dxdx’ têm sinais opostos, a sua direção de integração está oposta também, e, portanto, o limite das integrais correspondentes é invertido, e da mesma forma para dydy'. O resultado é que o sinal da integral de todos os subintervalos diferentes de integração definido por ( dl e dl) mantém-se inalterada. Por conseguinte, o valor do sinal do integrante duplo ao longo dos caminhos de ansa, é o mesmo que o sinal do integrando.

[00044] Com o entendimento acima, a força ΔFz na direção z que atua sobre a corrente do circuito L, porque a corrente do circuito de L', é o resultado do seguinte integral:

[00045] A força cumulativa ΔFZ,L aplicada por todos os circuitos de corrente no lado em um único circuito atual L sobre o lado esquerdo (ver figura 8) é dada por

[00046] A força total de ΔFZ, (h), que atua sobre o imã localizado na origem é a soma de todas as forças nos seus circuitos.

[00047] Alterando a ordem de integração obtemos

[00048] Notando que Rx,y é independente de z e z’, e, portanto, é constante ao integrar com relação à dz e dz', as integrais internas podem ser computadas analiticamente, e rendimento

[00049] Onde costumávamos usar

[00050] Desde que

então se

e que pode expandir-se a última expressão em RSy uma série de Taylor de primeira ordem como se segue:

[00051] Desde

, segue-se que a função é uma função negativa de x, x ', y, ano, ou seja, g (x, x', y, y ') = - Ig (x, x', y, y')I. Portanto, recordando que o sinal da integral dupla sobre x, x', y, y’ é o mesmo que o sinal do integrando e definindo

a força total Fy atuando sobre o imã na origem, devido ao deslocamento do outro imã, tem a forma

[00052] onde K é uma constante de proporcionalidade. Por fim, recordando que M = Js é a magnetização líquida por unidade de volume na direção z, e com referência a figura 6, a força que atua sobre o imã esquerdo é

[00053] Assim, para compensar qualquer h < d / 3, a força transferida por meio da embreagem é diretamente proporcional ao deslocamento de h e à magnetização quadrada por unidade de volume. Além disso, a força é na direção do próprio deslocamento.

[00054] Toda a descrição anterior foi fornecida com a finalidade de ilustração e não se destina a limitar a invenção de qualquer maneira. Os cálculos acima apresentados são fornecidos como uma ajuda na compreensão da invenção, e não devem ser interpretados como se pretende para limitar a invenção de qualquer maneira.

Claims

1. Aparelho para o acoplamento de potência mecânica entre o rotor de um motor de corrente contínua sem escovas e uma carga mecânica externa, caracterizado pelo fato de que compreende: um anel interno (101) tendo uma pluralidade imãs permanentes espaçados circunferencialmente acoplado ao mesmo, em que um rotor de um motor de corrente contínua sem escovas é acoplado ao anel interno; e um anel externo (102) concêntrico ao e radialmente espaçado do anel interno (101), e compreendendo um número de imãs acoplado ao mesmo correspondendo à pluralidade de imãs no anel interno (101), e constituindo uma embreagem magnética; em que os imãs permanentes acoplados ao anel externo são circunferencialmente espaçados para alinhar com os imãs permanentes correspondentes espaçados circunferencialmente no anel interno, e uma distância entre dois imãs magnéticos adjacentes nos anéis interno e externo (101, 102) é diferente da distância entre dois imãs magnéticos adjacentes no mesmo anel; e ainda em que cada paar de imãs nos anéis interno e externo (101, 102) possuem polaridades opostas; uma orientação oposta dos polos de cada par de imãs que se faceiam, em que um imã é colocado sobre o primeiro anel, e seu imã que o faceia é colocado sobre o segundo anel; uma pluralidade de solenóides de núcleo de ar (701) circunferencialmente espaçadas e estacionárias que constituem um estator do referido motor de corrente contínua sem escova, através de um interior de cada um dos referidos solenóides de núcleo de ar que podem passar os imãs do primeiro anel que, quando energizado, geram um campo eletromagnético que produz um torque em um campo magnético do imã que passa através de seu interior para fazer com que o primeiro anel gire ao redor de seu eixo, em que quando o primeiro anel concêntrico gira em resposta ao campo eletromagnético gerado, o segundo anel também gira pela ação de forças magnéticas entre cada par dos imãs que se faceiam; e meios de conexão que ligam o segundo anel a uma carga mecânica de um sistema externo.

2. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o primeiro anel (101) e o segundo anel são placas planas em forma de anel.

3. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada par de imãs que se faceia (103, 601; 104, 602) são do mesmo tamanho.

4. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que forças magnéticas dos dois imãs que se faceiam (103, 601; 104, 602) são essencialmente as mesmas.

5. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada um dos imãs (103, 601) no primeiro anel (101) tem um imã que o faceia (104, 602) no segundo anel (102).

6. Aparelho, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que distâncias (d) entre os imãs que se faceiam (103, 601; 104, 602) de cada par é de 30 mm.

7. Aparelho, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a distância (d) entre os imãs que se faceiam (103, 601; 104, 602) de cada par é selecionada entre 18 mm, 22 mm, 29 mm, 30 mm e 35 mm.

8. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a distância entre dois imãs adjacentes sobre o primeiro anel (101) ou segundo anel (102) é diferente da distância entre os outros dois imãs adjacentes sobre o mesmo anel.

9. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os meios de conexão compreendem uma pluralidade de elementos lineares espaçados circunferencialmente que se estendem radialmente a partir do segundo anel (102) para a carga mecânica que está localizada num centro do primeiro e segundo anéis e que estão ligados ao segundo anel e à carga mecânica.