BR112020017511A2 - Máquina elétrica girante e invólucro para uma máquina elétrica girante - Google Patents
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Abstract
a presente invenção refere-se a um uma máquina elétrica girante tendo um invólucro com um sistema de resfriamento de dupla camada, o qual permite um aumento da área de troca térmica entre o fluido de resfriamento e o ar interno da máquina, reduzindo a temperatura do volume interno da máquina. a máquina elétrica compreende um invólucro (1) com um sistema de resfriamento de dupla camada, onde uma camada interna (7) é formada por uma pluralidade de canais longitudinais de escoamento de líquido e uma camada externa (8) é formada por uma pluralidade de canais longitudinais de escoamento de ar, em que há troca de calor entre camada interna (7) e camada externa (8) mas não há comunicação fluídica entre os canais longitudinais de escoamento de líquido e os canais longitudinais de escoamento de ar.
Description
[0001] A presente invenção refere-se a um uma máquina elétrica girante tendo um invólucro com um sistema de resfriamento de dupla camada.
[0002] Máquinas elétricas são largamente conhecidas da técnica e podem compreender tanto motores elétricos quanto geradores elétricos. Uma preocupação comumente associada a esse tipo de máquina é a necessidade de um sistema de ventilação ou refrigeração, ou seja, um sistema capaz de dissipar o calor gerado pela máquina, mantendo sua temperatura interna dentro de limites de operação preestabelecidos.
[0003] As máquinas elétricas girantes resfriadas por manto d’água possuem amplo uso no ramo industrial e naval devido à sua elevada densidade de potência e dimensões reduzidas. Isso decorre de o trocador de calor do equipamento estar situado em torno da máquina elétrica por meio de canais de escoamento de água, os quais formam o chamado “manto d’água”.
[0004] São conhecidas da técnica diversas construções diferentes para o manto d’água. Em uma construção usual, o manto compreende um invólucro metálico constituído de uma camada interna de escoamento de água, em canais longitudinais paralelos ao eixo principal da máquina elétrica girante ou em um canal helicoidal que envolve todo o comprimento do invólucro. Geralmente, canais helicoidais de escoamento de água podem ser fabricados por meio de fundição ou fresamento, a partir de um cilindro metálico.
[0005] Algumas soluções conhecidas do estado da técnica buscam alcançar uma solução de resfriamento aperfeiçoada.
[0006] O documento PI 1003641-5, por exemplo, mostra uma camisa de refrigeração para motor de acionamento que inclui um corpo de camisa extrudado que tem uma superfície periférica externa, uma superfície periférica interna e uma pluralidade de passagens de refrigeração discretas, localizadas entre as superfícies periféricas internas e externas, sendo que as passagens visam um fluxo multidirecional no interior do corpo extrudado.
[0007] Já o documento US 20130126144 mostra uma camisa de resfriamento para um motor elétrico que tem um ou mais tubos em forma de onda, cobrindo o motor elétrico, para conduzir o fluido de trabalho, em que cada tubo em forma de onda tem uma porção de encaminhamento e uma porção reversa, paralela ao eixo do motor elétrico, para conduzir o fluido de trabalho fluindo em direções opostas, em que a porção de encaminhamento inclui pelo menos dois sub-tubos de encaminhamento, e a porção invertida inclui pelo menos dois subconjuntos invertidos; e uma porção curva, conectada entre a porção de encaminhamento e a porção invertida.
[0008] Embora as soluções de resfriamento conhecidas apresentem boa capacidade de resfriamento, permanece no estado da técnica a necessidade por uma solução que seja dedicada ao ar interno.
[0009] Essa questão é importante pois quando a temperatura do ar interno da máquina elétrica permanece elevada tem-se o aumento das temperaturas de componentes da máquina elétrica que são resfriados totalmente ou parcialmente pelo ar interno.
[0010] Nas soluções conhecidas, as máquinas elétricas girantes resfriadas por manto d’água apresentam um ventilador centrífugo na região frontal ou traseira da máquina, responsável pelo escoamento do ar interno, sendo que, em geral, as máquinas apresentam dois dutos longitudinais que ligam a saída de ar do ventilador interno da máquina elétrica com o retorno de ar na extremidade da máquina oposta ao ventilador interno. Geralmente, tais dutos de escoamento de ar apresentam área de seção transversal adequada à vazão de ar que por ela escoa, entretanto, tais dutos possuem baixa área de troca térmica com os canais de escoamento de água. Dessa maneira, a temperatura do ar de ventilação interno do motor atinge temperaturas próximas e até mesmo superiores à temperatura dos enrolamentos de condutores do estator. Como resultado, os mancais de rolamentos do motor têm suas temperaturas elevadas em decorrência da área de troca térmica desses com o ar interno do motor.
[0011] Assim, é um dos objetivos da presente invenção proporcionar uma máquina elétrica girante em que o sistema de resfriamento é capaz de oferecer uma boa capacidade de resfriamento do ar interno.
[0012] É mais um dos objetivos da presente invenção proporcionar uma máquina elétrica girante em que o invólucro possui um sistema de resfriamento que aumenta a área de troca térmica entre o fluido de resfriamento e o ar interno da máquina, reduzindo a temperatura média do ar interno.
[0013] É ainda outro dos objetivos da presente invenção proporcionar uma máquina elétrica girante em que o sistema de resfriamento é capaz de reduzir significativamente a temperatura dos componentes da máquina que são resfriados pelo sistema.
[0014] É mais um dos objetivos da presente invenção proporcionar uma máquina elétrica girante em que o sistema de resfriamento é construído de forma a possibilitar acesso para limpeza dos canais de escoamento do líquido de resfriamento.
[0015] A presente invenção atinge os objetivos acima por meio de uma máquina elétrica girante do tipo que compreende um invólucro que delimita um volume interno e aloja um estator e um rotor concêntrico ao estator e disposto em um eixo principal da máquina, em que o invólucro compreende um sistema de resfriamento de dupla camada, onde uma camada interna é formada por uma pluralidade de canais longitudinais de escoamento de líquido e uma camada externa é formada por uma pluralidade de canais longitudinais de escoamento de ar, em que há troca de calor entre camada interna e camada externa, mas não há comunicação fluídica entre os canais longitudinais de escoamento de líquido e os canais longitudinais de escoamento de ar.
[0016] Em uma concretização da presente invenção, os canais longitudinais de escoamento de líquido e os canais longitudinais de escoamento de ar são alinhados com a direção da linha do eixo principal da máquina elétrica.
[0017] O invólucro compreende uma parede interna, que separa o volume interno da máquina da camada interna, uma parede intermediária, que separa a camada interna da camada externa, e uma parede externa, que separa a camada externa do ambiente externo.
[0018] Os canais longitudinais de escoamento de líquido da camada interna são delimitados lateralmente por barras longitudinais que se estendem radialmente entre a parede interna e a parede intermediária.
[0019] Os canais longitudinais de escoamento de ar da camada externa são delimitados lateralmente por barras longitudinais que se estendem radialmente entre a parede intermediária e a parede externa.
[0020] A máquina elétrica girante compreende ainda dois cabeçotes de extremidade, cada um dos cabeçotes de extremidade possuindo um caminho fluídico interno e um caminho fluídico externo, em que o caminho fluídico interno e o caminho fluídico externo não se comunicam fluidicamente entre si, em que o caminho fluídico interno está em comunicação fluídica com os canais longitudinais de escoamento de líquido da camada interna, em que o caminho fluídico externo está em comunicação fluídica com os canais longitudinais de escoamento de ar da camada externa, e em que o caminho fluídico externo conecta os canais longitudinais de escoamento de ar com o volume interno da máquina.
[0021] O caminho fluídico interno é formado por cavidades radialmente dispostas de modo a conectar cada canal longitudinal de escoamento de água com seu canal adjacente, formando assim um único canal sinuoso de escoamento de água, o canal sinuoso de escoamento de água possuindo apenas uma entrada de água e apenas uma saída de água.
[0022] Cada cabeçote de extremidade é fixado ao invólucro através de uma união parafusada.
[0023] A presente invenção também contempla um invólucro para uma máquina elétrica girante que compreende uma camada interna formada por uma pluralidade de canais longitudinais de escoamento de líquido, uma camada externa formada por uma pluralidade de canais longitudinais de escoamento de ar, em que a camada externa troca calor com a camada interna, e em que a camada externa é fluidicamente isolada da camada interna.
[0024] O invólucro compreende uma parede interna, que separa o volume interno da máquina da camada interna, uma parede intermediária, que separa a camada interna da camada externa, e uma parede externa, que separa a camada externa do ambiente externo.
[0025] Os canais longitudinais de escoamento de líquido da camada interna são delimitados lateralmente por barras longitudinais que se estendem radialmente entre a parede interna e a parede intermediária.
[0026] Os canais longitudinais de escoamento de ar da camada externa são delimitados lateralmente por barras longitudinais que se estendem radialmente entre a parede intermediária e a parede externa.
[0027] O invólucro compreende ainda dois cabeçotes de extremidade, cada um dos cabeçotes de extremidade possuindo um caminho fluídico interno e um caminho fluídico externo, em que o caminho fluídico interno e o caminho fluídico externo não se comunicam fluidicamente entre si, em que o caminho fluídico interno está em comunicação fluídica com os canais longitudinais de escoamento de líquido da camada interna, em que o caminho fluídico externo está em comunicação fluídica com os canais longitudinais de escoamento de ar da camada externa, e em que o caminho fluídico externo conecta os canais longitudinais de escoamento de ar com o volume interno da máquina.
[0028] A presente invenção será descrita a seguir com mais detalhes, com referências aos desenhos anexos, nos quais:
[0029] Figura 1 – é uma vista em perspectiva em seção transversal de uma máquina elétrica girante que compreende o sistema de resfriamento de acordo com a presente invenção;
[0030] Figura 2 – é uma vista em esquemática mostrando os circuitos de refrigeração do sistema de resfriamento da presente invenção;
[0031] Figura 3 – é uma vista em perspectiva do invólucro da máquina elétrica girante de acordo com a presente invenção;
[0032] Figura 4 – é uma vista em perspectiva da seção transversal do invólucro da máquina elétrica girante de acordo com a presente invenção, onde os cabeçotes de extremidade são mostrados em configuração explodida;
[0033] Figura 5 – é uma vista em seção transversal da porção frontal do invólucro da máquina elétrica girante de acordo com a presente invenção, onde o cabeçote de extremidade é mostrado em configuração explodida;
[0034] Figura 6 – é uma vista ampliada da seção transversal da região de encaixe entre o cabeçote de extremidade e o invólucro da máquina elétrica girante de acordo com a presente invenção, sendo o invólucro e o cabeçote mostrados em configuração não montada;
[0035] Figura 7 – é uma vista ampliada em seção transversal da região de encaixe entre o cabeçote de extremidade e o invólucro da máquina elétrica girante de acordo com a presente invenção, sendo o invólucro e o cabeçote mostrados em configuração montada; e
[0036] Figura 8 – é uma vista da seção transversal da máquina elétrica girante de acordo com a presente invenção, onde o fluxo de água e o fluxo de ar são ilustrados em sombreado.
[0037] A presente invenção será descrita a seguir com base em uma concretização preferida mostrada nas figuras 1 a 8.
[0038] Embora a presente descrição detalhada seja feita com base em uma concretização exemplificativa da invenção onde a máquina elétrica girante é um motor elétrico, deve ser entendido que o sistema de resfriamento da presente invenção poderia ser aplicado a qualquer tipo de máquina elétrica girante.
[0039] A figura 1 ilustra um motor elétrico do tipo que compreende uma carcaça ou invólucro 1 que aloja um estator 2, com um sistema de enrolamentos de condutores dispostos de forma axial ao longo de ranhuras em um núcleo ferromagnético, e um rotor 3 concêntrico ao estator. O rotor gira com um eixo principal 4 da máquina, sendo que o invólucro 1 fechado por tampas 5, 6 com aberturas para passagem das extremidades do eixo. O funcionamento de máquinas elétricas girantes com estator e rotor é plenamente conhecido pelos técnicos no assunto e, portanto, não será aqui pormenorizadamente descrito.
[0040] O invólucro 1 é, preferencialmente, de um material metálico e compreende um sistema de resfriamento de dupla camada, onde uma camada interna 7 é formada por uma pluralidade de canais longitudinais de escoamento de líquido (geralmente água) e uma camada externa 8 é formada por uma pluralidade de canais longitudinais de escoamento de ar. Preferencialmente, os canais são alinhados com a direção da linha do eixo principal da máquina elétrica.
[0041] Assim, enquanto a camada interna 7 atua como um sistema de resfriamento de manto d’água, a camada externa 8 atua como um sistema de ventilação que possui uma larga área de contato com a camada interna 7 e é capaz de trocar calor com a mesma. Com essa construção, a camada externa 8 é capaz de retirar calor do interior (volume interno) da máquina e trocar calor com a camada de resfriamento interna 7.
[0042] A figura 2 mostra, esquematicamente, o sistema de refrigeração de camada dupla. Como ficará claro a partir da descrição a seguir, os canais da camada interna de líquido 7 não se comunicam fluidicamente com os canais da camada externa de ar 8, há apenas troca de calor entre as camadas.
[0043] Preferencialmente, como melhor ilustrado nas figuras 6 a 8, o invólucro 1 compreende uma parede interna 1a, que separa a cavidade da máquina do sistema de resfriamento em dupla camada, uma parede intermediária 1b, que separa a camada interna de líquido 7 da camada externa de ar 8, e uma parede externa 1c, que promove a separação entre o ar interno da máquina e o ar do ambiente ao seu redor. Na concretização preferida da invenção, as paredes interna, intermediária e externa são metálicas.
[0044] Como melhor ilustrado nas figuras 4 e 5, para formação dos canais de líquido longitudinais, a camada interna 7 possui barras longitudinais 9 paralelas e espaçadas, e para a delimitação lateral dos canais de ar, a camada externa 8 possui barras longitudinais 10 paralelas e espaçadas. Assim, as barras longitudinais 9 estendem-se radialmente entre a parede interna 1a e a parede intermediária 1b, e as barras longitudinais 10 estendem-se radialmente entre a parede intermediária 1b e a parede externa 1c. Na concretização preferida da invenção, as barras longitudinais 9 e 10 são metálicas.
[0045] Como melhor ilustrado nas figuras 3 a 7, de modo a garantir que não haja comunicação fluídica entre a camada interna de líquido 7 e a camada externa de ar 8, o invólucro metálico 1 recebe dois cabeçotes de extremidade 11 que formam, junto com os canais das camadas 7, 8, circuitos de circulação de líquido e de ar fluidicamente independentes.
[0046] O cabeçote 11 compreende dois caminhos fluídicos independentes, o caminho interno 12 e caminho externo 13.
[0047] O caminho interno 12 é formado por cavidades radialmente dispostas de modo a formar curvas de retorno de água conectando cada canal longitudinal de escoamento de água com seu canal adjacente, formando assim um único canal sinuoso de escoamento de água (vide ilustração esquemática da figura 2). Na concretização preferida da presente invenção, o canal sinuoso de escoamento de água inclui apenas uma entrada de água 7a e apenas uma saída de água 7b. Assim, o líquido de resfriamento (geralmente água) entra pela entrada de água 7a, percorre todo o circuito contínuo sinuoso e sai pela saída de água 7b.
[0048] O caminho externo 13 compreende uma ou mais cavidades curvas que conectam os canais da camada externa de ar 8 com o volume de ar interno da máquina. Nesse sentido, deve ser ressaltado que o caminho 13 pode incluir uma pluralidade de aberturas que se comunicam, individualmente ou em grupos, com os canais da camada de ar externa 8 ou apenas uma abertura em comunicação com todos os canais da camada de ar. De modo similar, na comunicação do cabeçote com o volume interno da máquina, o caminho 13 pode compreender uma pluralidade de aberturas em comunicação com a cavidade interna ou uma abertura em comunicação com a cavidade interna. Na concretização ilustrada nas figuras, essa comunicação é feita por uma pluralidade de aberturas na direção radial na superfície situada no diâmetro interno do cabeçote.
[0049] Preferencialmente, os cabeçotes são fixados ao involucro 1 por meio de união parafusada 14. Conforme mostrado nos desenhos, os parafusos da união parafusada 14 podem ser inseridos em furos correspondentes formados nas barras longitudinais 9, 10 das camadas 7, 8.
[0050] Assim, os cabeçotes 11 podem ser facilmente removidos, de modo a permitir a limpeza dos canais de escoamento de líquido, quando necessário.
[0051] Na solução de resfriamento da presente invenção, há transferência de calor entre ar e líquido de resfriamento (geralmente água) através da parede cilíndrica intermediária 1b. Essa característica confere à presente invenção maior área de transferência de calor entre ar interno e água, e assim, maior eficiência de resfriamento do volume interno da máquina e, consequentemente, dos componentes internos da máquina.
[0052] Nesse sentido, a figura 8 mostra o fluxo de água como um sombreado mais escuro na camada interna 7 e caminho 12 e o fluxo de ar como um sombreado mais claro na camada externa 8 e caminho 13, sendo que a troca térmica se dá através da parede cilíndrica intermediária 1b.
[0053] Deve ser ressaltado que a parede intermediária 1b poderia ser construída com uma superfície aletada na face em contato com o ar, de modo a aumentar a transferência de calor entre ar e água.
[0054] A redução da temperatura dos componentes internos da máquina apresenta diversas vantagens: - a redução de temperatura dos mancais permite que se utilize mancais menores, além da redução do diâmetro do eixo principal da máquina elétrica; e - a redução de temperatura das cabeças de bobina do estator da máquina elétrica possibilita aumento de potência para a máquina elétrica, mantendo suas dimensões, ou redução dimensional da máquina para uma mesma potência.
[0055] Tendo sido descrito um exemplo de concretização preferida da presente invenção, deve ser entendido que o escopo da presente invenção abrange outras variações possíveis do conceito inventivo descrito, sendo limitadas tão somente pelo teor das reivindicações, aí incluídos os possíveis equivalentes.
Claims (10)
1. Máquina elétrica girante do tipo que compreende um invólucro (1) que delimita um volume interno e aloja um estator (2), um rotor (3) concêntrico ao estator e disposto em um eixo principal (4) da máquina, caracterizada pelo fato de que o invólucro (1) compreende um sistema de resfriamento de dupla camada, onde uma camada interna (7) é formada por uma pluralidade de canais longitudinais de escoamento de líquido e uma camada externa (8) é formada por uma pluralidade de canais longitudinais de escoamento de ar, em que há troca de calor entre camada interna (7) e camada externa (8) mas não há comunicação fluídica entre os canais longitudinais de escoamento de líquido e os canais longitudinais de escoamento de ar.
2. Máquina elétrica girante de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que os canais longitudinais de escoamento de líquido (7) e os canais longitudinais de escoamento de ar (8) são alinhados com a direção da linha do eixo principal (4) da máquina elétrica.
3. Máquina elétrica girante de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que o invólucro (1) compreende uma parede interna (1a), que separa o volume interno da máquina da camada interna (7), uma parede intermediária (1b), que separa a camada interna (7) da camada externa (8), e uma parede externa (1c).
4. Máquina elétrica girante de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de que os canais longitudinais de escoamento de líquido da camada interna (7) são delimitados lateralmente por barras longitudinais (9) que se estendem radialmente entre a parede interna (1a) e a parede intermediária (1b); e os canais longitudinais de escoamento de ar da camada externa (8) são delimitados lateralmente por barras longitudinais (10) que se estendem radialmente entre a parede intermediária (1b) e a parede externa (1c).
5. Máquina elétrica girante de acordo com quais uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada pelo fato de que compreende ainda dois cabeçotes de extremidade (11), cada um dos cabeçotes de extremidade possuindo um caminho fluídico interno (12) e um caminho fluídico externo (13), em que: o caminho fluídico interno (12) e o caminho fluídico externo (13) não se comunicam fluidicamente entre si; o caminho fluídico interno (12) está em comunicação fluídica com os canais longitudinais de escoamento de líquido da camada interna (7); e o caminho fluídico externo (13), está em comunicação fluídica com os canais longitudinais de escoamento de ar da camada externa (8), o caminho fluídico externo (13) conectando os canais longitudinais de escoamento de ar com o volume interno da máquina.
6. Máquina elétrica girante de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo fato de que o caminho fluídico interno (12) é formado por cavidades radialmente dispostas de modo a conectar cada canal longitudinal de escoamento de água com seu canal adjacente, formando um único canal sinuoso de escoamento de água, o canal sinuoso de escoamento de água possuindo apenas uma entrada de água (7a) e apenas uma saída de água (7b).
7. Máquina elétrica girante de acordo com a reivindicação 5 ou 6, caracterizada pelo fato de que cada cabeçote de extremidade (11) é fixado ao invólucro (1) através de uma união parafusada (14).
8. Invólucro para uma máquina elétrica girante do tipo que compreende um invólucro (1) que delimita um volume interno e aloja um estator (2), um rotor (3) concêntrico ao estator e disposto em um eixo principal (4) da máquina, caracterizado pelo fato de que compreende uma camada interna (7) formada por uma pluralidade de canais longitudinais de escoamento de líquido, uma camada externa (8) formada por uma pluralidade de canais longitudinais de escoamento de ar, em que a camada externa (8) troca calor com a camada interna (7), e em que a camada externa (8) é fluidicamente isolada da camada interna (7).
9. Invólucro, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que compreende uma parede interna (1a), que separa o volume interno da máquina da primeira camada (7), uma parede intermediária (1b), que separa a camada interna (7) da camada externa (8), e uma parede externa (1c), que separa a camada externa (8) do ambiente externo; em que os canais longitudinais de escoamento de líquido da camada interna (7) são delimitados lateralmente por barras longitudinais (9) que se estendem radialmente entre a parede interna (1a) e a parede intermediária (1b); os canais longitudinais de escoamento de ar da camada externa (8) são delimitados lateralmente por barras longitudinais (10) que se estendem radialmente entre a parede intermediária (1b) e a parede externa (1c).
10. Invólucro de acordo com a reivindicação 8 ou 9, caracterizado pelo fato de que compreende ainda dois cabeçotes de extremidade (11), cada um dos cabeçotes de extremidade possuindo um caminho fluídico interno (12) e um caminho fluídico externo (13), em que: o caminho fluídico interno (12) e o caminho fluídico externo (13) não se comunicam fluidicamente entre si; o caminho fluídico interno (12) está em comunicação fluídica com os canais longitudinais de escoamento de líquido da camada interna (7); e o caminho fluídico externo (13), está em comunicação fluídica com os canais longitudinais de escoamento de ar da camada externa (8), o caminho fluídico externo (13) conectando os canais longitudinais de escoamento de ar com o volume interno da máquina.
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