BR112021010379A2

BR112021010379A2 - Bomba de água com motor de fluxo axial

Info

Publication number: BR112021010379A2
Application number: BR112021010379-1A
Authority: BR
Inventors: Vigel Russalian; Stephen Matthew Reaburn; George Spehar; Michael Cox
Original assignee: Gates Corporation
Priority date: 2018-12-04
Filing date: 2019-11-21
Publication date: 2021-08-24
Also published as: CN113167279B; WO2020117485A2; KR102605990B1; JP7180925B2; AU2019391769B2; MX2021006614A; US20200173339A1; KR20210097766A; CA3121727A1; EP3891400A2; AU2019391769A1; WO2020117485A3; CN113167279A; JP2022511021A

Abstract

BOMBA DE ÁGUA COM MOTOR DE FLUXO AXIAL. A presente invenção refere-se a uma bomba de água com motor de fluxo axial que compreende um alojamento, uma tampa acoplada ao alojamento, um estator montado dentro do alojamento, o estator compreendendo uma pluralidade de polos de estator montados em um anel, cada polo de estator compreendendo um enrolamento de fio elétrico, um rotor assentado no alojamento em relação de cooperação com o estator em um rolamento único, um impulsor fixado a uma extremidade do rotor, uma pluralidade de ímãs montados em uma extremidade do rotor em relação de cooperação com os polos de estator, uma vedação entre o rotor e o alojamento em que o estator e os ímãs estão em uma zona seca, o estator revestido em encapsulamento térmico dentro do alojamento; e eletrônica de potência contida na tampa.

Description

“BOMBA DE ÁGUA COM MOTOR DE FLUXO AXIAL” CAMPO DE INVENÇÃO

[001]A invenção refere-se a uma bomba de água com motor de fluxo axial e, mais particularmente, a uma bomba de água com motor de fluxo axial compreendendo uma vedação mecânica.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[002]A invenção refere-se a uma bomba de água para bombear um fluido, em particular um líquido de refrigeração em um motor de combustão interna ou outra aplicação que requer uma bomba de circulação de fluido de refrigeração. Os motores de fluxo axial para uso com bombas de água são conhecidos a partir da técnica relacionada. Em um motor de fluxo axial, as linhas de fluxo magnético se estendem no espaço de ar do motor em uma direção axial. Os estatores tipicamente compreendem enrolamentos de fio redondos.

[003]O pedido de patente US 2015/0030479 é representante da técnica, que descreve uma bomba de rotor úmido com um motor de fluxo axial que inclui um estator e um rotor. O estator é disposto em uma zona seca, enquanto o rotor em um impulsor é disposto em uma zona úmida. O rotor é formado por um ou mais ímãs permanentes de samário cobalto (SmCo).

[004]A técnica representativa inclui ainda o pedido de patente US 2017/0016449 que descreve uma bomba que compreende um alojamento definindo parcialmente uma cavidade, um impulsor disposto na cavidade, o impulsor incluindo um primeiro disco, e uma palheta disposta no primeiro disco, o impulsor operando para rotacionar em torno um eixo de rotação, um primeiro núcleo de estator disposto no alojamento, enrolamentos dispostos no primeiro núcleo de estator, e uma primeira entrada definida pelo alojamento, em que a primeira entrada, o impulsor e o alojamento definem parcialmente um caminho de fluxo de fluido.

[005]O que é necessário é uma bomba de água com motor de fluxo axial compreendendo uma vedação mecânica e encapsulamento térmico em torno do estator. A presente invenção vai ao encontro desta necessidade.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[006]O aspecto principal da invenção é fornecer uma bomba de água com motor de fluxo axial que compreende uma vedação mecânica e encapsulamento térmico em torno do estator.

[007]Outros aspectos da invenção serão apontados ou tornados óbvios pela seguinte descrição da invenção e os desenhos que a acompanham.

[008]A invenção compreende uma bomba de água com motor de fluxo axial que compreende um alojamento, uma tampa acoplada ao alojamento, um estator montado dentro do alojamento, o estator compreendendo uma pluralidade de polos de estator montados em um anel, cada polo de estator compreendendo um enrolamento de fio elétrico, um rotor assentado no alojamento em relação de cooperação com o estator em um rolamento único, um impulsor fixado a uma extremidade do rotor, uma pluralidade de ímãs montados em uma extremidade do rotor em relação de cooperação com os polos de estator, uma vedação entre o rotor e alojamento em que o estator e os ímãs estão em uma zona seca, o estator revestido em encapsulamento térmico dentro do alojamento; e eletrônica de potência contida na tampa.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[009]Os desenhos em anexo, que são incorporados e fazem parte da especificação, ilustram modalidades preferenciais da presente invenção e, juntamente com uma descrição, servem para explicar os princípios da invenção.

[010]A Figura 1 é uma seção transversal A-A da bomba da Figura 2.

[011]A Figura 2 é uma vista planificada da bomba.

[012]A Figura 3 é uma vista planificada da bomba.

[013]A Figura 4 é um sistema de refrigeração esquemático.

[014]A Figura 5 é uma vista explodida.

[015]A Figura 6 é uma perspectiva dos ímãs do rotor e da estrutura.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[016]A Figura 1 é uma seção transversal A-A da bomba da Figura 2. A bomba de água compreende um motor elétrico que aciona um impulsor. O motor elétrico compreende um motor de fluxo axial. Em um motor de fluxo axial, o fluxo magnético se estende no espaço de ar do motor na direção axial devido à orientação dos polos e enrolamentos do estator. A bomba de água da invenção é tipicamente usada em um sistema de refrigeração de motor. A bomba de água pressuriza e circula o refrigerante através do sistema de refrigeração de motor.

[017]A bomba de água 1000 compreende um alojamento 10 e uma tampa 50.

O impulsor 150 é acoplado a uma extremidade do eixo do rotor 100. Um estator 200 é disposto dentro do alojamento. Uma pluralidade de polos de estator 201 está disposta em um anel dentro da parte interna 11 do alojamento 10. Como é o caso de um motor de fluxo axial, o eixo B-B de cada polo 201 é paralelo ao eixo de rotação D- D do eixo 100. O motor compreende arquitetura trifásica de nove bobinas. Os polos de estator 201 compreendem um composto de metal macio. Os materiais magnéticos podem ser usados para os polos de estator 201 também.

[018]Os enrolamentos de fio elétrico 202 são enrolados em torno de cada polo

201. Os enrolamentos 202 podem compreender fio plano ou fio redondo em seção transversal. O fio plano pode ter uma seção transversal quadrada ou retangular. O fio plano ou redondo pode compreender cobre ou alumínio. Um plano de enrolamento C- C de enrolamentos 202 estende-se normal ao eixo geométrico do eixo mecânico D-D, de modo que o fluxo magnético se estende na direção axial, paralelo ao eixo D-D. O motor da invenção tem uma classificação de potência de 200 W e até 12 kW.

[019]Uma pluralidade de ímãs permanentes 110 é montada em outra extremidade do eixo 100 na estrutura 115. Os ímãs 110 também podem compreender um único ímã de anel com múltiplos polos. A estrutura 115 é fixada a uma extremidade do eixo 100 e, portanto, rotaciona com o eixo 100. Os ímãs 110 são alinhados radialmente com os polos 201. Um espaço de ar “G” é mantido entre os polos 201 e os ímãs 110, evitando assim o contato entre eles durante a operação. O espaço de ar está na faixa de 0,2 mm a 1,5 mm. O espaço “G” é preferencialmente o menor possível, a fim de obter a eficiência magnética máxima.

[020]A vedação mecânica 250 evita que o refrigerante líquido pressurizado entre na parte interna 11 e, assim, entre em contato com o estator 200 e os ímãs do rotor 110, portanto, o estator 200 e os ímãs 110 estão em uma zona seca. A zona seca está tipicamente em pressão atmosférica ambiente. A vedação 250 está disposta entre o eixo 100 e o alojamento 10. A vedação 250 pode compreender qualquer vedação mecânica adequada conhecida na técnica, tal como um fole, cartucho, cartucho balanceado e anel O, cartucho não balanceado e anel O, empurrador e vedações do tipo convencional. Manter um espaço seco para o estator e os ímãs aumenta a eficiência da bomba, reduzindo o atrito causado pelo vento e as perdas viscosas que existiriam de outra forma se a parte interna 11 contivesse refrigerante e, portanto, o refrigerante estivesse presente no espaço “G” entre os polos de estator e os ímãs do rotor.

[021]A câmara e reservatório de condensado 301 compreende um orifício de ventilação 302 e um orifício de drenagem 303. A câmara 301 coleta qualquer fluido que pode vazar pela vedação 250. A ventilação 302 e o dreno 303 estão abertos para o ambiente.

[022]O encapsulamento térmico 12 é usado no alojamento 10 para revestir o estator 200. O encapsulamento térmico faz com que a bomba funcione mais fria, fornecendo um meio confiável de transferência de calor a partir do estator e do alojamento. O aquecimento da bomba tipicamente ocorre por perdas de ferro e cobre e aquecimento de resistência a partir de correntes parasitas induzidas no estator e enrolamentos pelo campo magnético variável, condução para o alojamento a partir do fluido de refrigeração sendo bombeado, bem como do bloco do motor (não mostrado).

O encapsulamento térmico é conhecido nas técnicas elétricas.

[023]O eixo de rotor 100 rotaciona em um rolamento único 120. O rolamento 120 também pode compreender um rolamento integral, em que o eixo 100 compreende a pista interna de rolamento. O conjunto rotativo compreende eixo 100, estrutura 115, ímãs 110 e impulsor 150. O rolamento único 120 pode compreender um rolamento de esferas de duas carreiras ou um rolamento de rolos-esferas de duas carreiras. O rolamento de rolos pode compreender rolos cilíndricos ou cônicos. O uso de um rolamento único é possível devido ao curto comprimento do eixo de bomba fornecido pela configuração do motor de fluxo axial. Os rolamentos compreendem rolamentos vedados. Devido ao curto comprimento total do eixo de bomba 100, o impulsor 150 é montado em cantilever no eixo 100.

[024]O refrigerante flui para a entrada do impulsor 151 e é descarregado a partir da saída 152 à medida que o impulsor rotaciona. Os impulsores são conhecidos na técnica de bomba de água. A pressão de descarga de operação típica pode ser de até aproximadamente 1,5 bar, mas pode variar para mais de 5 bar de acordo com a carga térmica do motor. O volume de fluxo pode ser de até 220 litros por minuto, ou maior até 500 lpm dependendo da aplicação.

[025]A eletrônica de potência está disposta no alojamento de eletrônica 51 na tampa 50. A eletrônica de potência controla a velocidade de rotação do eixo e também pode detectar falhas. A eletrônica de potência do motor de fluxo axial é conhecida na técnica. A tampa 50 serve como dissipador de calor para resfriar a eletrônica de potência. O motor tem velocidade variável, o que permite que o fluxo de fluido refrigerante seja ajustado de acordo com os requisitos de carga térmica do motor. O método de controle compreende PWM, protocolo / barramento LIN ou protocolo / barramento CAN. Um barramento LIN é um sistema de sub-barramento baseado em um protocolo de comunicação serial. O barramento é um barramento de mestre único / múltiplos escravos que usa um único fio para transmitir dados. A Rede de Área de Controle ou protocolo CAN é um método de comunicação entre vários dispositivos eletrônicos, como sistemas de gerenciamento de motor, bombas de água, bombas de óleo, suspensão ativa, ABS, controle de marcha, controle de iluminação, ar condicionado, airbags, travamento central embutido em um automóvel. PWM ou modulação por largura de pulso é um tipo de sinal digital que é usado em uma variedade de aplicações, incluindo conjuntos de circuitos de controle.

[026]A Figura 2 é uma vista planificada da bomba. A voluta de descarga 13 engata com um canal de cooperação em um bloco de motor (não mostrado). O alojamento 10 é montado diretamente em um bloco de motor. O lado de sucção ou admissão 150 engata cooperativamente em um duto de fluido (não mostrado) no motor.

[027]A Figura 3 é uma vista planificada da bomba. Fixadores (não mostrados) engatam nos orifícios de montagem 14 para prender a bomba a uma superfície de montagem, tal como um bloco de motor (não mostrado).

[028]A Figura 4 é um sistema de refrigeração esquemático. A bomba 1000 é montada em um motor (E). O motor (E) compreende três cilindros (1), (2), (3). O motor (E) pode compreender qualquer número de cilindros conforme necessário. A camisa de água (J) envolve os cilindros. O sistema compreende ainda um radiador (R), trocador de calor do óleo de transmissão do motor (OC), trocador de calor auxiliar (AUX), e um trocador de calor do coletor de escapamento (EM).

[029]Um módulo de gerenciamento térmico 2000 é montado no lado de entrada da bomba 1000. O módulo 2000 compreende uma pluralidade de válvulas 2001, 2002, 2003, 2004, 2005 e 2006. Cada válvula controla o fluxo de refrigerante para um componente do sistema. A válvula 2001 controla o fluxo para o radiador R. A válvula 2002 controla o fluxo para o trocador de calor OC. A válvula 2003 controla o fluxo para a troca de calor AUX. A válvula 2004 controla o fluxo de retorno a partir de R, OC, AUX e EM. A válvula 2005 controla o fluxo de recirculação a partir da bomba 1000 e o fluxo para o EM. A válvula 2006 controla o fluxo de retorno a partir de E, EM, AUX, OC e R. A ECU do motor, por meio de múltiplos sensores e sinais de entrada (3001), detecta a condição do motor e do sistema, condições ambientais e solicitações do sistema e de acionador para definir cada válvula na posição desejada para regular o fluxo de refrigerante e, assim, controlar o desempenho térmico do motor e do sistema. Cada uma das válvulas está em comunicação de fluido com a entrada da bomba 151.

[030]A Figura 5 é uma vista explodida. O motor é um motor trifásico. Os enrolamentos 202(a) são uma primeira fase. Os enrolamentos 202(b) são uma segunda fase. Os enrolamentos 202(c) são uma terceira fase. Nesta modalidade, cada fase compreende três polos de estator. No entanto, os enrolamentos para polos individuais com conexão a uma ou múltiplas fases também podem ser usados. Uma gaxeta 15 veda entre o alojamento 10 e um motor E.

[031]A Figura 6 é uma perspectiva dos ímãs de rotor e da estrutura. Os ímãs 220 são montados na estrutura 115. A estrutura 115 é pressionada no eixo 100. A estrutura 115 também pode compreender lâminas para circular o ar refrigerante.

[032]O ímã 110 pode compreender um ímã de anel com polos em torno da circunferência, ou pode compreender uma pluralidade de ímãs individuais com polos em posições alternadas. O ímã pode compreender ferrita, terra rara ou outros materiais conhecidos. Os ímãs são fixados na estrutura usando métodos conhecidos.

[033]Embora formas da invenção tenham sido descritas neste documento, será óbvio para aqueles versados na técnica que variações podem ser feitas na construção e relação das partes sem abandonar o espírito e o escopo da invenção aqui descrita. A menos que especificado de outra forma, os componentes representados nos desenhos não são desenhados em escala. Os exemplos numéricos são usados para ilustrar a invenção e não são destinados a limitar a amplitude das reivindicações.

Além disso, não se pretende que qualquer uma das reivindicações em anexo ou elementos de reivindicação invoque 35 U.S.C. §112 (f) a menos que as palavras “meios para” ou “etapa para” sejam usadas explicitamente na reivindicação particular.

A presente descrição não deve, de forma alguma, ser limitada às modalidades exemplificativas ou dimensões numéricas ilustradas nos desenhos e descritas neste documento.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Bomba de água com motor de fluxo axial, CARACTERIZADA pelo fato de que compreende: um alojamento; uma tampa acoplada ao alojamento; um estator montado dentro do alojamento, o estator compreendendo uma pluralidade de polos de estator montados em um anel, cada polo de estator compreendendo um enrolamento de fio elétrico; um rotor assentado no alojamento em relação de cooperação com o estator em um rolamento único; um impulsor fixado a uma extremidade do rotor; uma pluralidade de ímãs montados em uma extremidade do rotor em relação de cooperação com os polos de estator; uma vedação entre o rotor e o alojamento em que o estator e os ímãs estão em uma zona seca; o estator revestido em encapsulamento térmico dentro do alojamento; e eletrônica de potência contida na tampa.

2. Bomba de água com motor de fluxo axial, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que o enrolamento de fio elétrico compreende um fio plano.

3. Bomba de água com motor de fluxo axial, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que o enrolamento de fio elétrico compreende um fio redondo.

4. Bomba de água com motor de fluxo axial, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que o rotor é assentado em um rolamento de esferas de duas carreiras.

5. Bomba de água com motor de fluxo axial, de acordo com a reivindicação 1,

CARACTERIZADA pelo fato de que o impulsor é montado em cantilever no rotor.

6. Bomba de água, CARACTERIZADA pelo fato de que compreende: um motor elétrico de fluxo axial tendo um rotor e estator, o rotor assentado em um rolamento único e o estator compreendendo enrolamentos de fio plano; um impulsor montado em cantilever a uma extremidade do rotor; uma vedação no rotor, criando assim uma zona seca dentro do motor elétrico de fluxo axial, o estator contido na zona seca; encapsulamento térmico para revestir o estator; e um circuito eletrônico de potência para controlar a velocidade do motor contido em uma tampa.

7. Bomba de água, de acordo com a reivindicação 6, CARACTERIZADA pelo fato de que o rolamento é um rolamento de duas carreiras.

8. Bomba de água, de acordo com a reivindicação 7, CARACTERIZADA pelo fato de que o rolamento de duas carreiras é um rolamento de esferas.

9. Bomba de água, de acordo com a reivindicação 7, CARACTERIZADA pelo fato de que o rolamento de duas carreiras é um rolamento de rolos.

10. Sistema de refrigeração, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: uma bomba de água com motor de fluxo axial, a bomba de água com motor de fluxo axial configurada para emitir um primeiro sinal para um controlador, e para receber um segundo sinal a partir do controlador pelo qual a velocidade de motor é controlada; um sistema de duto de fluido conectado a uma entrada e saída de bomba de água com motor de fluxo axial; um dispositivo no duto de fluido para ajustar um fluxo de fluido a partir da bomba de água do motor de fluxo axial, o dispositivo configurado para receber um sinal de controle a partir do controlador.

11. Sistema de refrigeração, de acordo com a reivindicação 10, CARACTERIZADO pelo fato de que o dispositivo compreende uma válvula.

12. Sistema de refrigeração, de acordo com a reivindicação 10, CARACTERIZADO pelo fato de que o motor de fluxo axial compreende: um motor elétrico de fluxo axial tendo um rotor e um estator, o rotor assentado em um rolamento único e o estator compreendendo enrolamentos de fio plano; um impulsor montado em cantilever a uma extremidade do rotor; uma vedação no rotor, criando assim uma zona seca dentro do motor elétrico de fluxo axial, o estator contido na zona seca; encapsulamento térmico para revestir o estator; e um circuito eletrônico de potência para controlar a velocidade do motor contido em uma tampa.

13. Sistema de refrigeração, de acordo com a reivindicação 10, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende adicionalmente um ou mais trocadores de calor.

14. Sistema de refrigeração, de acordo com a reivindicação 13, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende adicionalmente uma ou mais válvulas para controlar um fluxo de fluido através de cada trocador de calor.

15. Sistema de refrigeração, de acordo com a reivindicação 14, CARACTERIZADO pelo fato de que cada válvula está em comunicação com o controlador.