BR112020026616A2

BR112020026616A2 - Uma máquina de indução elétrica

Info

Publication number: BR112020026616A2
Application number: BR112020026616-7A
Authority: BR
Inventors: Mikael Heikel; Mark Szucs-Bartfai; Aron Szucs; Blanka Szucs-Bartfai; Zsolt Kovacs; Jan Westerlund
Original assignee: Abb Schweiz Ag
Priority date: 2018-06-29
Filing date: 2019-06-28
Publication date: 2021-03-30
Also published as: WO2020002591A1; EP3588753B1; PT3588753T; CN112368919B; US11888366B2; KR20210015894A; CN112368919A; EP3588753A1; KR102524404B1; US20210119521A1

Abstract

uma máquina de indução elétrica. a revelação diz respeito a uma máquina de indução elétrica (1) na qual uma região de chanfro (9) é fornecida entre cada ranhura de rotor (7) e a respectiva barra de rotor (8) em uma posição correspondendo a uma região de canto interno radialmente externo (7a) da ranhura de rotor. adequadamente, a região de chanfro (9) tem uma permeabilidade magnética relativa menor que aquela da estrutura de rotor (6), e uma resistividade elétrica maior que aquela da barra de rotor (8). além disso, um diâmetro mínimo da região de chanfro (9) é adequadamente maior que uma folga máxima derivada de tolerâncias de fabricação entre a ranhura de rotor (7) e a respectiva barra de rotor (8), caso exista.

Description

“UMA MÁQUINA DE INDUÇÃO ELÉTRICA” CAMPO DA REVELAÇÃO

[001] A presente revelação diz respeito às máquinas de indução, e mais particularmente a motores e geradores elétricos. A presente revelação diz respeito adicionalmente ao arranjo de barras de rotor e ranhuras de rotor de tais máquinas de indução.

ANTECEDENTES DA REVELAÇÃO

[002] Em máquinas de indução, particularmente nas máquinas tendo uma montagem de rotor do tipo gaiola de esquilo, barras de rotor são encaixadas rigorosamente dentro de ranhuras de rotor correspondentes da estrutura de rotor. O fluxo magnético usado para induzir uma corrente nas barras de rotor e consequentemente magnetizar o rotor também abrange harmônicos de fluxo magnético, os quais têm sido descobertos como responsáveis por induzir correntes parasitas que não contribuem para a operação das máquinas de indução, mas que aumentam perdas e reduzem eficiência das mesmas.

[003] Uma região de densidade alta de tais correntes parasitas tem sido descoberta como sendo induzida em uma área de canto radialmente externa da barra de rotor. Tentativas anteriores para atenuar estas correntes parasitas têm sido focalizadas em remodelar a área de canto, enquanto que mantendo a configuração de ter a barra de rotor encaixada rigorosamente com a ranhura de rotor. Entretanto, tais tentativas não têm sido capazes de fornecer resultados ideais.

DESCRIÇÃO RESUMIDA DA REVELAÇÃO

[004] Um objetivo da presente revelação é fornecer uma máquina de indução capaz de aliviar indução de correntes parasitas em regiões de cantos das barras de rotor de uma máquina de indução como esta.

[005] O objetivo da revelação é alcançado pela máquina de indução caracterizada pelo que é relatado na reivindicação independente. As modalidades preferidas da revelação são reveladas nas reivindicações dependentes.

[006] A revelação é baseada na ideia de fornecer uma região de chanfro em uma posição onde correntes parasitas tipicamente são induzidas, isto é, uma região de canto interno radialmente externo da ranhura de rotor. Fornecer as regiões de chanfros impede, ou pelo menos reduz, efetivamente a indução de correntes parasitas na região de canto interno radialmente externo da ranhura de rotor. Simultaneamente, uma região de chanfro como esta mantém a saliência magnética da ranhura de rotor, quando comparada aos arranjos de técnica anterior, contribuindo assim para criação de torque.

[007] Adequadamente, a região de chanfro tem uma permeabilidade magnética relativamente baixa em relação à estrutura de rotor e uma resistividade elétrica relativamente alta em relação à barra de rotor.

[008] Uma vantagem de uma máquina de indução como esta é que perdas causadas por correntes parasitas são reduzidas significativamente sem reduzir substancialmente o desempenho da máquina de indução.

DESCRIÇÃO RESUMIDA DOS DESENHOS

[009] No exposto a seguir a revelação será descrita com mais detalhes por meio de modalidades preferidas com referência para os desenhos anexos, nos quais: A figura 1 ilustra esquematicamente uma parte de uma máquina de indução de acordo com a presente revelação como uma vista seccional transversal; A figura 2 ilustra esquematicamente uma vista detalhada da figura 1; As figuras 3 a 5 ilustram arranjos alternativos de uma máquina de indução de acordo com a presente revelação como vistas seccionais transversais; e A figura 6 ilustra esquematicamente uma vista seccional transversal de uma máquina de indução elétrica de acordo com a presente revelação.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA REVELAÇÃO

[010] De acordo com a presente revelação, uma máquina de indução elétrica

1 é fornecida. A máquina de indução compreende um alojamento 2 tendo um espaço interno, uma montagem de estator 3 arranjada anularmente dentro do espaço interno do alojamento e um eixo 4 suportado rotativamente a fim de se estender concentricamente através da montagem de estator 3.

[011] Uma montagem de rotor 5 é fornecida como fixada ao eixo 4 e circundando o mesmo dentro do espaço interno, a montagem de rotor 5 sendo disposta concentricamente com a montagem de estator 3 e dentro dela. A montagem de rotor 5 compreende adicionalmente uma estrutura de rotor cilíndrica 6.

[012] Uma pluralidade das ranhuras de rotor longitudinais se estendendo axialmente 7 é espaçada circunferencialmente ao longo da estrutura de rotor 6, e uma pluralidade das barras de rotor longitudinais 8 é acomodada dentro das ranhuras de rotor 7. As ranhuras de rotor 7 e as barras de rotor 8 têm uma forma seccional transversal correspondente de uma maneira geral retangular. Em outras palavras, a forma seccional transversal das ranhuras de rotor 7 e das barras de rotor 8 é retangular, com a adição da(s) região(s) de chanfro(s) 9, discutida(s) com mais detalhes a seguir.

[013] Além disso, uma região de chanfro 9 é fornecida entre cada ranhura de rotor 7 e barra de rotor 8 respectiva, em uma posição correspondendo a uma região de canto interno radialmente externo 7a da ranhura de rotor. No contexto desta revelação, o termo região de canto é usado para indicar a região da ranhura de rotor 7 na qual a superfície da mesma muda de se estendendo de uma maneira geral na direção radial da estrutura de rotor 6 para se estendendo de uma maneira geral na direção tangencial da estrutura de rotor 6. Particularmente, deve ser notado que a região de canto 7a abrange, por exemplo, uma curvatura mudando suavemente entre superfícies se estendendo de uma maneira geral radialmente e se estendendo de uma maneira geral tangencialmente.

[014] A ranhura de rotor 7 pode compreender uma fenda 7b aberta em direção a uma circunferência externa da estrutura de rotor 6. Preferivelmente, mas não necessariamente, a fenda 7b se estende axialmente ao longo do comprimento total da ranhura de rotor 7 correspondente. Isto capacita, por exemplo, a barra de rotor 8 recebida dentro da ranhura de rotor 7 para ser puncionada através da fenda 7b a fim de fazer com que a barra de rotor 8 deforme ligeiramente e pressione pelo menos parcialmente contra as paredes da ranhura de rotor, prendendo desse modo a barra de rotor 8 no lugar.

[015] Em um caso como este, a região de chanfro 9 preferivelmente, mas não necessariamente, pode se estender até a fenda 7b na direção tangencial da estrutura de rotor 6. Em outras palavras, a região de chanfro 9 é posicionada somente em uma região de canto interno radialmente externo 7a da ranhura de rotor entre a ranhura de rotor 7 e a barra de rotor 8, enquanto que deixando a parte da barra de rotor 8 na fenda 7b intacta.

[016] Isto é particularmente vantajoso, porque a parte da barra de rotor 8 na fenda 7b contribui para desempenho da máquina de indução. Para ser mais específico, a parte da barra de rotor 8 na fenda 7b contribui em desempenho de torque de partida e é particularmente, por exemplo, em aplicações de bombeamento onde um motor elétrico é usado para acionar uma bomba.

[017] Isto é, fornecer a região de chanfro 9 se estendendo até a fenda 7b (mas não para dentro dela) na direção tangencial da estrutura de rotor 6 permite reduzir perdas induzidas por corrente parasita e aumentar desse modo a eficiência do motor, enquanto que mantendo desempenho de torque de partida crítico para aplicações de bombeamento.

[018] De acordo com uma modalidade da presente revelação, a região de chanfro 9 tem uma permeabilidade magnética relativa menor que aquela da estrutura de rotor 6, e uma resistividade elétrica maior que aquela da barra de rotor 8. Isto pode ser alcançado, por exemplo, ao fornecer a região de chanfro 9 como uma folga entre a ranhura de rotor 7 e a barra de rotor 8 respectiva. Alternativamente, ou em adição, a região de chanfro 9 pode ser fornecida como qualquer material tendo propriedades adequadas, tais como descritas acima, tal como resina, particularmente resina epóxi. Portanto, exemplos de materiais adequados para a barra de rotor 8 incluem cobre e alumínio, enquanto que um exemplo de um material adequado para a estrutura de rotor 6 inclui ferro.

[019] Vantajosamente, a permeabilidade relativa da região de chanfro 9 é pelo menos uma ordem de magnitude, preferivelmente múltiplas ordens de magnitude, menor que aquela da estrutura de rotor 6.

[020] Preferivelmente, mas não necessariamente, a região de chanfro 9 tem uma permeabilidade magnética relativa de 0 a 400, mais preferivelmente de 0 a 40, muito mais preferível de 0 a 4. No contexto da presente revelação, o termo permeabilidade magnética relativa é usado para denotar a permeabilidade magnética de um material quando comparada àquela do vácuo.

[021] Vantajosamente, a resistividade elétrica da região de chanfro 9 é pelo menos uma ordem de magnitude, preferivelmente múltiplas ordens de magnitude, maior que aquela da barra de rotor 8.

[022] Preferivelmente, mas não necessariamente, a região de chanfro tem uma resistividade elétrica na faixa de 10-6 a 1021 Ω∙m, mais preferivelmente de 102 a 1021 Ω∙m, muito mais preferível de 1012 a 1021 Ω∙m.

[023] De acordo com uma modalidade da presente revelação, um diâmetro mínimo da região de chanfro 9 é maior que uma folga máxima derivada de tolerâncias de fabricação entre a ranhura de rotor 7 e a barra de rotor 8 respectiva, caso exista. Isto é, qualquer possível folga por causa da fabricação e/ou encaixe entre a ranhura 7 e a barra de rotor 8 respectiva não constitui uma região de chanfro 9. Deve ser notado que o termo diâmetro mínimo é usado neste contexto para denotar o comprimento da menor linha desenhada através da seção transversal da região de chanfro 9, em um ponto central da mesma, tal como visto ao longo da direção axial.

[024] Preferivelmente, mas não necessariamente, a região de chanfro 9 tem uma largura se estendendo tangencialmente e uma altura se estendendo radialmente de pelo menos 1 mm.

[025] De acordo com uma modalidade da presente revelação, um perfil seccional transversal da região de chanfro 9 pode ser fornecido côncavo em um lado adjacente à barra de rotor 8, tal como visto ao longo de uma direção longitudinal da dita barra de rotor 8.

[026] Este é um arranjo particularmente adequado nos casos onde a barra de rotor 8 é fixada à ranhura de rotor 7 ao puncionar a barra de rotor quando no lugar dentro da ranhura de rotor 7, fazendo desse modo com que a barra de rotor 8 deforme ligeiramente e pressione contra as paredes da ranhura de rotor 7. Particularmente, a forma côncava da região de chanfro 9 impede que a região de chanfro 9 seja excessivamente dissipada pela pequena deformação, enquanto que ainda capacitando a região de chanfro para ter uma dimensão seccional transversal relativamente pequena, quando comparada às outras formas seccionais transversais.

[027] De acordo com uma outra modalidade da presente revelação um perfil seccional transversal da região de chanfro 9 é linear em um lado adjacente à barra de rotor 8, tal como visto ao longo de uma direção longitudinal da dita barra de rotor 8.

[028] De acordo com uma modalidade adicional da presente revelação, cada ranhura de rotor 7 e barra de rotor 8 respectiva podem compreender duas partes de chanfros 9 simétricas uma em relação à outra ao longo de um eixo de simetria radial. Isto é, cada ranhura de rotor 7 e barra de rotor 8 respectiva podem ter duas regiões de chanfros 9 idênticas em posições correspondendo às duas regiões de cantos internos radialmente externos 7a da ranhura de rotor. Um arranjo como este é particularmente vantajoso se a máquina de indução for para ser operada em ambas as direções de rotação.

[029] De acordo com uma modalidade adicional da presente revelação, cada ranhura de rotor 7 e barra de rotor 8 respectiva podem compreender duas partes de chanfros 9 assimétricas uma em relação à outra ao longo de um eixo de simetria radial. Isto é, cada ranhura de rotor 7 e barra de rotor 8 respectiva podem ter duas regiões de chanfros 9 diferentes em posições correspondendo às duas regiões de cantos internos radialmente externos 7a da ranhura de rotor. Um arranjo como este é particularmente vantajoso se a máquina de indução for para ser operada em ambas as direções de rotação com ênfase diferente com relação à região de chanfro 9 para cada direção de operação. Por exemplo, duas regiões de chanfros 9 com áreas seccionais transversais diferentes podem ser fornecidas para ter ênfase diferente ao atenuar perdas causadas por correntes parasitas ao operar em direções de rotação diferentes.

[030] De acordo com modalidades da presente revelação, múltiplas variações relacionadas com o dimensionamento da região de chanfro 9 podem ser fornecidas. No contexto desta revelação, a região de chanfro 9 tem uma altura na direção radial da estrutura de rotor 6 e uma largura na direção tangencial da estrutura de rotor 6.

[031] A parte de chanfro 9 naturalmente pode ser provida com razões altura/largura diferentes. Por exemplo, a altura do chanfro pode ser de 0,25 a 2 vezes a largura da região de chanfro 9, preferivelmente igual.

[032] Além disso, no contexto desta revelação, a barra de rotor 8 tem uma altura na direção radial da estrutura de rotor 6, e uma largura na direção tangencial da estrutura de rotor 6.

[033] Preferivelmente, mas não necessariamente, a altura da região de chanfro 9 é de 1% a 10% daquela da barra de rotor 8.

[034] Preferivelmente, mas não necessariamente, a largura da região de chanfro 9 é de 10% a 90% daquela da barra de rotor 8.

[035] Deve ser notado que os aspectos discutidos acima com relação ao dimensionamento da região de chanfro 9 podem ser fornecidos independentemente ou em qualquer combinação dos mesmos.

[036] De acordo com uma modalidade da presente revelação, a máquina de indução elétrica é um motor elétrico tendo uma direção de rotação predeterminada.

[037] Em um caso como este, cada ranhura de rotor 7 e a barra de rotor 8 respectiva têm uma única região de chanfro 9 em uma posição correspondendo a uma região de canto interno radialmente externo 7a em um lado posterior da ranhura de rotor 9 em relação à direção de rotação predeterminada.

[038] Este arranjo fornece remoção eficiente de perdas causadas por correntes parasitas quando a máquina de indução é usada como um motor, enquanto que mantendo tanto quanto possível da área seccional transversal efetiva da barra de rotor.

[039] De acordo com uma modalidade da presente revelação, a máquina de indução elétrica é um gerador elétrico tendo uma direção de rotação predeterminada.

[040] Em um caso como este, cada ranhura de rotor 7 e barra de rotor 8 respectiva têm uma única região de chanfro 9 na posição correspondendo a uma região de canto interno radialmente externo 7a em um lado anterior da ranhura de rotor 9 em relação à direção de rotação predeterminada.

[041] Este arranjo fornece remoção eficiente de perdas causadas por correntes parasitas quando a máquina de indução é usada como um gerador, enquanto que mantendo tanto quanto possível da área seccional transversal efetiva da barra de rotor.

[042] A figura 6 ilustra esquematicamente uma vista seccional transversal de uma máquina de indução elétrica 1 de acordo com a presente revelação, tal como vista ao longo de uma direção longitudinal do eixo 4 da mesma. Um alojamento 1 tem um espaço interno no qual uma montagem de estator 3, conhecida para as pessoas versadas na técnica como tal, é arranjada. Além disso, dentro do espaço interno, um eixo 4 é suportado rotativamente a fim de se estender concentricamente através da montagem de estator 3. Uma montagem de rotor 5 é fixada ao eixo 4 e circundando o mesmo dentro do espaço interno. A montagem de rotor 5 é também disposta concentricamente com a montagem de estator 3 e dentro dela.

[043] A figura 1 ilustra uma parte de uma máquina de indução de acordo com a presente revelação como uma vista seccional transversal, vista ao longo da direção longitudinal da barra de rotor 8. Particularmente, uma parte de uma estrutura de rotor 6 dentro de uma montagem de estator 3 está representada. A estrutura de rotor 6 compreende uma pluralidade das ranhuras de rotor idênticas 7, nas quais as barras de rotor 8 estão arranjadas. As ranhuras de rotor 7 têm as regiões de cantos internos radialmente externos 7a, isto é, regiões nas quais a forma seccional transversal da ranhura 7 muda de uma direção de uma maneira geral radial para uma direção de uma maneira geral tangencial. Além disso, uma fenda 7b é fornecida, através da qual a ranhura de rotor 7 abre na direção da circunferência externa da estrutura de rotor 6.

[044] A figura 2 ilustra uma vista detalhada do arranjo de acordo com a figura

1. Particularmente, a forma da região de chanfro 9 está ilustrada mais claramente como uma tendo uma forma seccional transversal linear no lado adjacente à barra de rotor 8. Além disso, a região de chanfro da figura 2 se estende tangencialmente até uma borda correspondente da fenda 7b, isto é, em direção a fenda 7b, mas não para ela.

[045] A figura 3 ilustra um arranjo alternativo similar àquele da figura 1 exceto para cada ranhura de rotor 7 e barra de rotor 8 correspondente tendo duas regiões de chanfros 9, posicionadas em ambas as regiões de cantos internos radialmente externos 7a da respectiva ranhura de rotor. Além disso, as regiões de chanfros 9 da figura 3 são assimétricas uma em relação à outra ao longo de um eixo de simetria se estendendo radialmente. Isto é, as duas regiões de chanfros 9 de uma ranhura de rotor 7 e da barra de rotor 8 respectiva são diferentes uma da outra. Particularmente no caso da figura 3 as respectivas regiões de chanfros 9 diferem umas das outras ao terem razões altura/largura diferentes.

[046] A figura 4 ilustra um outro arranjo alternativo similar a esse da figura 3 exceto para as regiões de chanfros 9 de cada ranhura de rotor 7 e barra de rotor 8 sendo simétricas uma em relação à outra ao longo de um eixo de simetria se estendendo radialmente. Além disso, diferindo do arranjo da figura 3, o perfil seccional transversal das regiões de chanfros 9 é côncavo em um lado adjacente à barra de rotor 8, tal como visto ao longo de uma direção longitudinal da dita barra de rotor. No arranjo da figura 4, a região de chanfro 9 não se estende tangencialmente até a fenda 7b, mas até a uma distância dela.

[047] A figura 5 ilustra um outro arranjo alternativo similar a esse da figura 4 exceto para a região de chanfro 9 se estendendo tangencialmente até uma borda correspondente da fenda 7b, isto é, em direção a fenda 7b, mas não para ela.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Máquina de indução elétrica (1), compreendendo: um alojamento (2) tendo um espaço interno; uma montagem de estator (3) arranjada anularmente dentro do espaço interno do alojamento; um eixo (4) suportado rotativamente a fim de se estender concentricamente através da montagem de estator (3); e uma montagem de rotor (5) fixada ao e circundando o eixo (4) dentro do espaço interno, a montagem de rotor (5) sendo disposta concentricamente com e dentro da montagem de estator (3) , em que a montagem de rotor (5) compreende adicionalmente: - uma estrutura de rotor cilíndrica (6); - uma pluralidade de ranhuras de rotor longitudinais (7) se estendendo axialmente espaçadas circunferencialmente ao longo da estrutura de rotor (6); e - uma pluralidade de barras de rotor longitudinais (8) acomodadas dentro das ranhuras de rotor (7), em que as ranhuras de rotor (7) e as barras de rotor (8) têm uma forma correspondente de uma maneira geral retangular, CARACTERIZADA pelo fato de que uma região de chanfro (9) é formada entre cada ranhura de rotor (7) e barra de rotor (8) respectiva em uma posição correspondendo a uma região de canto interno radialmente externo (7a) da ranhura de rotor, em que a ranhura de rotor (7) compreende uma fenda (7b) aberta em direção a uma circunferência externa da estrutura de rotor (6), e em que a região de chanfro (9) se estende até a fenda na direção tangencial da estrutura de rotor (6).

2. Máquina de indução elétrica, de acordo com a reivindicação 1,

CARACTERIZADA pelo fato de que a região de chanfro (9) tem uma permeabilidade magnética relativa menor que aquela da estrutura de rotor (6), e uma resistividade elétrica maior que aquela da barra de rotor (8).

3. Máquina de indução elétrica, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, CARACTERIZADA pelo fato de que um diâmetro mínimo da região de chanfro (9) é maior que uma folga máxima derivada de tolerâncias de fabricação entre a ranhura de rotor (7) e a barra de rotor (8) respectiva, caso exista.

4. Máquina de indução elétrica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, CARACTERIZADA pelo fato de que um perfil seccional transversal da região de chanfro (9) é côncavo em um lado adjacente à barra de rotor (8), tal como visto ao longo de uma direção longitudinal da dita barra de rotor (8).

5. Máquina de indução elétrica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, CARACTERIZADA pelo fato de que um perfil seccional transversal da região de chanfro (9) é linear em um lado adjacente à barra de rotor (8), tal como visto ao longo de uma direção longitudinal da dita barra de rotor (8).

6. Máquina de indução elétrica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, CARACTERIZADA pelo fato de que cada ranhura de rotor (7) e barra de rotor (8) respectiva compreendem duas partes de chanfros (9) simétricas uma em relação à outra ao longo de um eixo de simetria radial.

7. Máquina de indução elétrica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, CARACTERIZADA pelo fato de que cada ranhura de rotor (7) e barra de rotor (8) respectiva compreendem duas partes de chanfros (9) assimétricas uma em relação à outra ao longo de um eixo de simetria radial.

8. Máquina de indução elétrica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, CARACTERIZADA pelo fato de que a região de chanfro (9) tem uma altura na direção radial da estrutura de rotor (6) e uma largura na direção tangencial da estrutura de rotor (6), em que a altura do chanfro é de 0,25 a 2 vezes a largura da região de chanfro (9), preferivelmente igual.

9. Máquina de indução elétrica, de acordo com a reivindicação 8, CARACTERIZADA pelo fato de que a barra de rotor (8) tem uma altura na direção radial da estrutura de rotor (6), e em que a altura da região de chanfro (9) é de 1% a 10% daquela da barra de rotor (8).

10. Máquina de indução elétrica, de acordo com a reivindicação 8 ou 9, CARACTERIZADA pelo fato de que a barra de rotor (8) tem uma largura na direção tangencial da estrutura de rotor (6), e em que a largura da região de chanfro (9) é de 10% a 90% daquela da barra de rotor (8).

11. Máquina de indução elétrica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, CARACTERIZADA pelo fato de que a máquina de indução elétrica é um motor elétrico tendo uma direção de rotação predeterminada, em que cada ranhura de rotor (7) e barra de rotor (8) respectiva têm uma única região de chanfro (9) na posição correspondendo a uma região de canto interno radialmente externo (7a) em um lado posterior da ranhura de rotor (9) em relação à direção de rotação predeterminada.

12. Máquina de indução elétrica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, CARACTERIZADA pelo fato de que a máquina de indução elétrica é um gerador elétrico tendo uma direção de rotação predeterminada, em que cada ranhura de rotor (7) e barra de rotor (8) respectiva têm uma única região de chanfro (9) na posição correspondendo a uma região de canto interno radialmente externo (7a) em um lado anterior da ranhura de rotor (9) em relação à direção de rotação predeterminada.