BR112017021933B1 - Máquina dinamoelétrica rotativa, gerador de energia eólica, e, instalação de energia eólica - Google Patents
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Abstract
UNIDADE DE ANEL COLETOR, MÁQUINA DINAMOELÉTRICA ROTATIVA, GERADOR DE ENERGIA EÓLICA, E, INSTALAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA. A invenção se refere a uma unidade de anel coletor (2) para um rotor eletricamente excitado de uma máquina dinamoelétrica rotativa (1), a qual pode girar em torno de um eixo geométrico (10) e compreende pelo menos uma superfície de contato deslizante periférica (12), a qual é eletricamente conectada a pelo menos um terminal elétrico (11) que se projeta axialmente a partir de uma face de extremidade da unidade de anel coletor (2); em que uma face de extremidade da unidade de anel coletor (2) é provida com um elemento de suporte eletricamente isolado (4) que substancialmente se associa à seção transversal da unidade de anel coletor (2) e cerca e radialmente suporta o terminal (11).
Description
[001] A invenção se refere a uma unidade de anel coletor de um rotor de uma máquina dinamoelétrica rotativa eletricamente excitada, à máquina dinamoelétrica rotativa, e a suas aplicações em geradores de instalações de energia eólica.
[002] Vários projetos de máquinas dinamoelétricas rotativas são conhecidos, em particular para uso como geradores de energia eólica. Estes incluem um projeto no qual um enrolamento do rotor é eletricamente fornecido através de anéis coletores. As correntes dos rotores destes geradores de energia eólica devem ser levadas para longe do enrolamento do rotor e ligadas à unidade de anel coletor. Fios litz com seções transversais comparativamente grandes maiores que 90 mm2 são usados para este fim.
[003] Devido às crescentes velocidades de disparo dos rotores, o perigo agora existente é que as cavilhas de terminal da unidade de anel coletor podem ser danificadas ou operar frouxas em seus assentamentos devido à tensão centrífuga causada pela massa livre destes fios litz. A consequência seria dano significante e/ou falha do gerador e custos de reparo comparativamente elevados.
[004] Devido às elevadas intensidades de correntes, tais seções transversais de fios litz são agora requeridas a fim de prover a capacidade de carga de corrente elétrica. Portanto as massas agora livremente rotativas são comparativamente elevadas e não podem mais ser ignoradas. Nesse caso, é feito geralmente o uso de um embuchamento de bordo de extremidade a qual tem três perfis de cobre e provê um condutor descendente rígido no interior do eixo, conectando o enrolamento do rotor ao respectivo anel coletor através de cavilhas de pino e tiras laminadas de cobre flexíveis. Isso tem desvantagens com relação aos gastos com o embuchamento de elevada corrente e o custo significativo de manutenção no caso de falha.
[005] Tomando esse como o ponto de partida, o objetivo da invenção é criar uma unidade de anel coletor a qual é capaz de suportar as tensões centrífugas associadas com enrolamentos de rotor de até mesmo elevada corrente.
[006] O objetivo mencionado é alcançado por uma unidade de anel coletor para um rotor eletricamente excitado de uma máquina dinamoelétrica rotativa, a dita unidade de anel coletor sendo giratória em torno de um eixo geométrico e tendo pelo menos uma superfície de contato deslizante circunferencial a qual é eletricamente conectada a pelo menos um terminal elétrico que se projeta axialmente a partir de uma face de extremidade da unidade de anel coletor, em que uma face de extremidade da unidade de anel coletor é provida com um elemento de suporte eletricamente isolado que substancialmente se associa à seção transversal da unidade de anel coletor enquanto que axialmente cerca e radialmente suporta o terminal.
[007] De acordo com a invenção, o reforço centrífugo do elemento de suporte na face de extremidade da unidade de anel coletor suporta o terminal, em particular a cavilha de terminal, contra as tensões centrífugas de um fio litz preso ao mesmo e sua própria tensão centrífuga. O elemento de suporte, portanto alcança dois objetivos, isto é, suportar as tensões centrífugas e reforçar fios litz e cavilhas de terminal por um lado, ao mesmo tempo em que provê um isolamento elétrico em relação à unidade de anel coletor.
[008] O elemento de suporte é incorporado como um anel de suporte e vantajosamente cerca todos terminais e cavilhas de terminal com um encaixe exato, e reforça as cavilhas de terminal em uma direção radial por meio de tamanhos de tolerância restringida. Isso significa que o elemento de suporte agora absorve a força centrífuga atuando nas cavilhas de terminal e, portanto, reduz a carga nos terminais do anel coletor. As cavilhas de terminal na unidade de anel coletor são desse modo inventivamente impedidas de serem danificadas ou saiam de seus respectivos locais. É também vantajoso que uma solução onerosa de um embuchamento de elevada corrente no terminal possa agora ser substituída por uma solução comparativamente mais barata apresentando condutores de fio litz, uma vez que a tensão centrífuga é inventivamente absorvida pelo elemento de suporte.
[009] O uso inventivo do anel coletor em máquinas rotativas dinamoelétricas torna possível concretizar elevadas correntes ao mesmo tempo que elevadas velocidades de máquina, ambas na indústria e no campo de geradores de energia eólica.
[0010] A invenção e modalidades adicionalmente vantajosas da invenção são explicadas em maiores detalhes abaixo com referência a modalidades exemplares esquematicamente ilustradas, em que: FIG 1 mostra uma seção longitudinal básica de uma máquina dinamoelétrica; FIG 2 mostra uma ilustração em perspectiva de uma unidade de anel coletor; e FIGs 3 a 5 mostram seções longitudinais parciais da unidade de anel coletor para diferentes fases.
[0011] A FIG 1 mostra uma ilustração básica de uma seção longitudinal de uma máquina dinamoelétrica 1 com uma unidade de anel coletor 2. A unidade de anel coletor 2 e um rotor 7 são portanto presos de uma maneira não giratória a um eixo 9, sendo coaxialmente alinhados e girando em torno de um eixo geométrico 10 a velocidades idênticas.
[0012] Por meio da unidade de anel coletor 2, um sistema de enrolamento 8 do rotor 7 é fornecido com corrente através de um dispositivo de escova 3 o qual não é ilustrado em detalhes. Além disso, um estator 5 também tem um sistema de enrolamento 6. Os sistemas de enrolamento 6 e 8 formam cada um enrolamentos de extremidade nas faces de extremidade de estator 5 e rotor 7. Os sistemas de enrolamento 6, 8 são dispostos em ranhuras (não mostrado em detalhes) no estator 5 e rotor 7. Uma conexão elétrica entre o sistema de enrolamento 8 do rotor 7 e a unidade de anel coletor 2 é efetuada através de condutores de fio litz 21 os quais são eletricamente conectados ao terminal, em particular a uma cavilha de terminal 11. Nesse caso, um terminal tem respectivamente uma ou mais cavilhas de terminal 11, as quais fazem contato com uma fase elétrica da unidade de anel coletor 2 em cada caso.
[0013] A FIG 2 mostra uma ilustração em perspectiva da unidade de anel coletor 2 com um furo de eixo 13 e um elemento de suporte 4 no lado voltado para o observador, seis cavilhas de terminal 11 que se projetam a partir do mesmo. Em seus comprimentos axiais se projetam a partir da face de extremidade da unidade de anel coletor 2, as cavilhas de terminal 11 são cercadas pelo elemento de suporte 4, o qual é incorporado como um anel de suporte. Com exceção de seus pontos de contato, as cavilhas de terminal 11 são cercadas por um isolamento 34. Nesse caso, uma respectiva superfície de contato 14 é deixada livre nas extremidades axiais das cavilhas de terminal 11 na região do elemento de suporte 4 a fim de permitir que os condutores de fio litz 21 estejam em contato elétrico com as cavilhas de terminal 11.
[0014] Axialmente adjacente ao elemento de suporte 4 é a unidade de anel coletor 2, esta compreendendo uma série axial de elementos de isolamento e superfícies de contato deslizantes 12 as quais são axialmente retidas por placas de extremidade 25, 26. Nesse caso, uma superfície de contato deslizante 12 é provida para cada fase elétrica L1, L2, L3, correspondendo aos sinais de referência 15, 16, 17. Duas cavilhas de terminal 11 por fase 15, 16, 17 são providas nesta modalidade. As superfícies de contato deslizantes 12 têm sulcos 20 os quais são preferivelmente ondulados em uma direção circunferencial a fim de garantir um desgaste uniforme das escovas de carbono.
[0015] O elemento de suporte 4, o qual é incorporado como um anel de suporte integral, vantajosamente cerca todos terminais 11 e cavilhas de terminal com um encaixe exato, e suporta as cavilhas de terminal em uma direção radial por meio de tamanhos de tolerância restringida. Isso significa que o elemento de suporte agora absorve a força centrífuga atuando nas cavilhas de terminal durante operação da máquina elétrica e portanto reduz a carga nos terminais da unidade de anel coletor 2. As cavilhas de terminal na unidade de anel coletor 2 são desse modo agora impedidas de serem danificadas ou saiam de seus respectivos locais.
[0016] É também vantajoso que uma solução onerosa de um embuchamento de elevada corrente no terminal 11 pode agora ser substituída por uma solução comparativamente mais barata apresentando condutores de fio litz 21, uma vez que a tensão centrífuga dos terminais 11, em particular das cavilhas de terminal, é inventivamente absorvida pelo elemento de suporte 4.
[0017] Nesse caso, o embuchamento de elevada corrente onerosa a qual deve ser substituída refere-se em particular a um condutor descendente rígido consistindo em perfis de cobre no interior do eixo e conectando enrolamento do rotor e anel coletor eletricamente juntos através de uma pluralidade de cavilhas de pino e tiras laminadas de cobre flexíveis.
[0018] As FIGs 3 a 5 ilustram modalidades quase idênticas de uma seção longitudinal parcial de uma unidade de anel coletor 2, em que as FIG 3, FIG 4 e FIG 5 diferem apenas em relação ao contato entre a respectiva cavilha de terminal 11 e seu respectivo deslizamento faz contato com a superfície 12. As cavilhas de terminal 11, em particular aquelas da fase L1 indicada pelo sinal de referência 15, passam através do outro contato com superfícies das outras fases com a face de extremidade da unidade de anel coletor 2 de uma maneira isolada. Isso é particularmente claro na comparação das FIG 3 a FIG 5.
[0019] Elementos de isolamento 19 e 24 projetados para impedir a formação de arco elétrico entre as fases são situados entre as superfícies de contato deslizantes 12 individuais das respectivas fases L1, L2, L3.
[0020] Elementos de isolamento 18 e 22 projetados para impedir a formação de arco elétrico entre as fases e componentes aterrados são similarmente situados entre particularmente as asuperfícies de contato deslizantes 12 axialmente externas das fases L1 e L3 e componentes adicionais, por exemplo, placas de extremidade aterradas.
[0021] A fim de estender o trajeto das correntes de fugas entre estes diferentes potenciais elétricos, nervuras 23 são providas nos elementos de isolamento 18, 19, 24 e 22 nesse caso.
[0022] O elemento de suporte 4 é vantajosamente incorporado como um anel de suporte integral de material eletricamente isolante, o qual tem nervuras 29 em sua superfície circunferencial externa 27 e/ou em sua superfície circunferencial interna 28 a fim de estender o trajeto das correntes de fuga. O diâmetro 31 de todo o elemento de suporte corresponde aproximadamente a aquele da unidade de anel coletor 2. Dependendo da compensação requerida em relação à força centrífuga, a extensão radial 29 corresponde a 1,5 a 5 vezes o diâmetro 33 da cavilha de terminal 11 do anel de suporte, como mostrado na FIG 5, por exemplo. A espessura axial 32 do elemento de suporte 4 é dependente entre outros da tensão centrífuga e corresponde a 0,5 a 3 vezes o diâmetro 33 da cavilha de terminal 11.
[0023] O elemento de suporte 4 vantajosamente tem uma espessura axial 32 constante. É no entanto também possível prover saliências axiais no elemento de suporte integral 4 durante fabricação, particularmente nas regiões em torno das cavilhas de terminal 11, a fim de obter reforço radial melhorado. Nesse caso, ditas saliências axiais cercam as cavilhas de terminal 11 com um anel de aproximadamente a mesma espessura que o diâmetro da cavilha de terminal 11.
[0024] Além disso, as superfícies circunferenciais externa e interna 27, 28 do elemento de suporte 4 são assim projetadas de modo a serem essencialmente paralelas. A altura de nervura radial das nervuras as quais são arranjadas nas superfícies circunferenciais externa e interna 27, 28 é similarmente idêntica.
[0025] Em uma variante adicional da ideia inventiva, superfícies circunferenciais interna e/ou externa 27, 28 do elemento de suporte 4 são assim projetados de modo a serem cônicas. Em outras palavras, o curso axial da superfície circunferencial externa 27, a partir da face de extremidade da unidade de anel coletor 2, é orientada em direção ao eixo geométrico 10. Em adição ou alternativamente, o curso axial da superfície circunferencial interna 28, iniciando da face de extremidade da unidade de anel coletor 2, se afasta do eixo geométrico 10.
[0026] Vista em uma direção circunferencial, isso resulta em uma seção transversal trapezoidal do elemento de suporte 4, isto é, o anel de suporte. Isso é alcançado por conformação do corpo básico do elemento de suporte 4 de acordo, em particular sua superfície circunferencial básica na qual as nervuras 29 são arranjadas, e/ou por variação da altura de nervura destas nervuras circunferenciais 29 se uma pluralidade de nervuras é provida como mostrado nas FIGs 2 a 5, por exemplo. Por exemplo, estas nervuras 29 no elemento de suporte 4 as quais são localizadas na face de extremidade da unidade de anel coletor 2 têm uma maior altura de nervura do que as nervuras as quais são arranjadas mais distantes da face de extremidade.
[0027] Em outras palavras, a altura de nervura das nervuras circunferenciais individuais diminui no curso do eixo geométrico.
[0028] A estrutura simples e eficaz da unidade de anel coletor 2 permite operação confiável e de baixa manutenção de tal máquina elétrica rotativa, particularmente quando usada como um gerador para instalações de energia eólica na costa ou fora da costa.
Claims (5)
1. Máquina dinamoelétrica rotativa (1), com um rotor eletricamente excitado (7), caracterizada pelo fato de que sua extensão axial compreende uma unidade de anel coletor (2) girando em torno do mesmo eixo (10) que o rotor (7), a unidade de anel coletor (2) para o rotor eletricamente excitado de uma máquina dinamoelétrica rotativa (1) sendo giratória em torno de um eixo (10) e possuindo pelo menos uma superfície de contato deslizante circunferencial (12) a qual é conectada de uma forma eletricamente condutiva a pelo menos um terminal elétrico (11) que se projeta axialmente a partir de uma face de extremidade da unidade de anel coletor (2), em que uma conexão elétrica entre um sistema de enrolamento (8) do rotor (7) e a unidade de anel coletor (2) ocorre via condutores de fios (21) que são conectados eletricamente ao terminal, em que uma face de extremidade da unidade de anel coletor (2) é equipada com um elemento de suporte eletricamente isolado (4) o qual substancialmente se associa à seção transversal da unidade de anel coletor (2) enquanto que axialmente cerca e radialmente suporta o terminal (11), em que a unidade de anel coletor (2), compreendendo uma série axial de elementos de isolamento e superfícies de contato deslizantes (12) que são axialmente retidas por placas de extremidade (25,26), é axialmente adjacente ao elemento de suporte (4), em que o elemento de suporte (4) é projetado como um anel de suporte integral.
2. Máquina dinamoelétrica rotativa (1), de acordo com reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o elemento de suporte (4) tem meios para alongar o trajeto das correntes de fuga em sua superfície circunferencial radialmente externa (27) em particular.
3. Máquina dinamoelétrica rotativa (1) de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o elemento de suporte (4) tem nervuras circunferenciais (29) para alongar o trajeto das correntes de fuga.
4. Gerador de energia eólica, caracterizado pelo fato de que tem uma máquina dinamoelétrica rotativa (1) como definida em qualquer uma das reivindicações anteriores.
5. Instalação de energia eólica, caracterizada pelo fato de que tem pelo menos um gerador de energia eólica como definido na reivindicação 4.
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