BR112021014759A2

BR112021014759A2 - Máquina elétrica de fluxo axial

Info

Publication number: BR112021014759A2
Application number: BR112021014759-4A
Authority: BR
Inventors: Christopher Roger Lines
Original assignee: Saietta Group PLC
Priority date: 2019-01-29
Filing date: 2020-01-29
Publication date: 2021-09-28
Also published as: CA3128290A1; CN112673559A; WO2020157503A1; KR20210120081A; JP2022518841A; GB2580916A; EP3918701A1; AU2020215311A1; GB2580916B; US20220094230A1; GB201901192D0

Abstract

máquina elétrica de fluxo axial. são fornecidos um estator (10) para uma máquina elétrica de fluxo axial (100), uma máquina de fluxo axial (100) que inclui o estator (10) e um método (500) de fabricação de um estator (10). as bobinas condutoras (12) que formam o estator (10) constituem uma estrutura que inclui espaços (131a, 131b, 131c, 132a, 132b) para guias de fluxo (30), o que melhora a facilidade de fabricação do estator. elas também permitem um grande número de slots por polo por fase, o que fornece um emf-posterior mais senoidal. o estator (10) compreende uma pluralidade de bobinas condutoras (12) circunferencialmente distribuídas, cada uma dentre a pluralidade de bobinas condutoras configurada para ser conectada a uma fase de uma fonte de alimentação multifásica e compreendendo pelo menos um par de seções ativas (121a, 121b), em que cada uma das seções ativas (121a, 121b) se estende em uma direção geralmente radial substancialmente perpendicular a um eixo de rotação da máquina elétrica (100), em que as seções ativas que se estendem de modo geralmente radial (121a, 121b) de cada par são afastadas em uma direção circunferencial e em que bobinas condutoras (12) circunferencialmente adjacentes se sobrepõem circunferencialmente para definir um espaço de um primeiro tipo (131a, 131b, 131c) para receber um guia de fluxo (30), cada espaço do primeiro tipo (131a, 131b, 131c) sendo um espaço circunferencial entre duas seções ativas adjacentes de duas bobinas diferentes.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÁQUINA ELÉTRICA DE FLUXO AXIAL". Campo Técnico

[001] A invenção refere-se a máquinas elétricas de fluxo axial e, em particular, a um conjunto de estator para uma máquina elétrica de fluxo axial. Antecedentes

[002] Máquinas elétricas, incluindo motores elétricos e geradores elétricos, já são muito usadas. No entanto, as preocupações sobre nossa dependência e a poluição causada pelos combustíveis fósseis que alimentam os motores de combustão interna estão criando pressões políticas e comerciais para estender o uso de máquinas elétricas a novas aplicações e expandir seu uso nas existentes. As máquinas elétricas são cada vez mais usadas em veículos, tais como carros elétricos, motocicletas, barcos e aeronaves. Elas também são usadas em aplicações de geração de energia, por exemplo, geradores em turbinas eólicas.

[003] Para atender às necessidades destas aplicações, será necessário projetar máquinas elétricas que possuam propriedades de desempenho adequadas, tais como velocidade e torque, e alta eficiência. A eficiência das máquinas elétricas é extremamente importante em quase todas as aplicações: ela pode, por exemplo, aumentar o alcance de um veículo elétrico e diminuir a capacidade necessária da bateria. Diminuir a capacidade necessária da bateria pode, por sua vez, diminuir o peso do veículo, o que leva a mais ganhos de eficiência.

[004] Um tipo conhecido de máquina elétrica é a máquina de fluxo axial. Conforme o nome sugere, a direção das linhas de fluxo magnético que são cortadas durante a operação de uma máquina de fluxo axial é paralela ao eixo de rotação da máquina. Isto está em contraste com as máquinas de fluxo radial, nas quais a direção das linhas de fluxo magnético que são cortadas durante a operação da máquina é perpendicular ao eixo de rotação da máquina. Embora as máquinas de fluxo radial sejam mais comuns, as máquinas de fluxo axial têm sido usadas para algumas aplicações onde seu fator de forma (uma extensão axial relativamente pequena) e propriedades de desempenho (tal como uma elevada proporção torque/peso) são reconhecidos.

[005] Um exemplo de uma máquina de fluxo axial sem coroa (yokeless) que usa um arranjo de enrolamento concentrado é descrito no Pedido de Patente Internacional com o número de publicação WO 2018/015293 A1. O conjunto de estator da máquina de fluxo axial inclui dentes de estator distintos circunferencialmente distribuídos, cada um com um material ferromagnético em torno do qual há um enrolamento elétrico. Isto é comumente denominado como uma máquina de armadura segmentada e sem coroa (yokeless). Porções alongadas que se estendem radialmente para dentro da carcaça do estator são fornecidas para resfriamento e para fornecer uma estrutura para receber os dentes do estator. Embora as máquinas de fluxo axial deste tipo sejam capazes de atingir altas eficiências, seria desejável melhorar a eficiência, especialmente em uma faixa mais ampla de parâmetros operacionais. Além disso, embora as porções alongadas que se estendem radialmente para dentro da carcaça forneçam alguma estrutura para receber os dentes do estator distintos, há dificuldades associadas ao posicionamento e ligação de cada dente do estator com precisão à carcaça do estator e cada dente do estator deve ser enrolado em torno de uma bobina como uma estrutura que contém o material ferromagnético. Seria desejável fornecer um estator que pudesse ser montado com mais facilidade e precisão. Sumário da Invenção

[006] As modalidades descritas no presente documento fornecem uma bobina condutora e um estator para uma máquina de fluxo axial que compreende uma pluralidade de bobinas condutoras que conferem alta eficiência da máquina, facilidade de fabricação e boa condução térmica das bobinas para a carcaça do estator, o que auxilia no resfriamento.

[007] Ao longo desta descrição, a menos que qualificado de outra forma, Termos tais como "radial", "axial", "circunferencial" e "ângulo" são usados no contexto de um sistema de coordenadas polares cilíndricas (r, ϑ, z), em que a direção do eixo de rotação da máquina elétrica é paralelo ao eixo z. Ou seja, "axial" significa paralelo ao eixo de rotação (ou seja, ao longo do eixo z), "radial" significa qualquer direção perpendicular ao eixo de rotação, um "ângulo" é um ângulo na direção do azimute ϑ e "circunferencial" refere-se à direção do azimute em torno do eixo de rotação.

[008] Termos tais como "que se estende radialmente" e "que se estende axialmente" não devem ser entendidos como significando que um elemento deve ser exatamente radial ou exatamente paralelo à direção axial. Para ilustrar, embora seja bem sabido que a força de Lorentz experimentada por um condutor de corrente em um campo magnético está no máximo quando a direção da corrente é exatamente perpendicular à direção do fluxo magnético, um condutor de corrente ainda experimenta uma força de Lorentz para ângulos menores do que noventa graus. Desvios das direções paralelas e perpendiculares, portanto, não alterarão os princípios básicos de operação.

[009] A invenção é definida nas reivindicações independentes às quais deve ser feita referência agora. As características preferidas são definidas nas reivindicações dependentes.

[0010] De acordo com um aspecto da invenção reivindicada, é fornecido um estator para uma máquina elétrica de fluxo axial. O estator compreende uma pluralidade de bobinas condutoras circunferencialmente distribuídas. Cada uma dentre a pluralidade de bobinas condutoras é configurada para ser conectada a uma fase de uma fonte de alimentação multifásica e compreende pelo menos um par de seções ativas. Cada seção ativa se estende em uma direção geralmente radial substancialmente perpendicular a um eixo de rotação da máquina elétrica. As seções ativas que se estendem de modo geralmente radial de cada par são afastadas em uma direção circunferencial. As bobinas condutoras circunferencialmente adjacentes se sobrepõem circunferencialmente para definir espaços de um primeiro tipo para receber um guia de fluxo. Cada espaço do primeiro tipo é um espaço circunferencial entre duas seções ativas adjacentes de duas bobinas diferentes.

[0011] Os espaços circunferenciais, assim como as seções ativas, se estendem de modo substancialmente radial e podem ser alongados na direção radial.

[0012] As bobinas condutoras de tal estator formam uma estrutura na qual guias de fluxo, tais como pacotes de laminação, podem ser colocados. Isto permite que o estator seja fabricado rapidamente e também com um alto grau de precisão, o que melhora a eficiência da máquina elétrica. Além disso, o número de guias de fluxo e, correspondentemente, slots por polo por fase do estator, pode ser facilmente aumentado e facilmente escalonado com o raio da máquina elétrica. Aumentar o número de slots por polo por fase pode tornar a densidade de fluxo magnético espacial circunferencial dentro do estator e os entreferros da máquina mais senoidal, com menor distorção harmônica. Para correntes de fase com variação senoidal, o torque médio que é produzido pela máquina elétrica resulta mais da interação dos componentes do campo magnético fundamental e não dos componentes harmônicos. Isto é vantajoso, uma vez que os componentes harmônicos na densidade de fluxo magnético espacial circunferencial resultam em maiores correntes parasitas nos ímãs permanentes dos rotores, o que causa maiores perdas e aumento do aquecimento. Além disso, quaisquer componentes harmônicos adicionais na distribuição da força magnetomotriz do enrolamento podem causar perdas aumentadas nos guias de fluxo.

[0013] Em uso, a corrente flui em direções radiais opostas ao longo das seções ativas que formam um par de seções ativas de uma bobina.

[0014] Cada bobina condutora pode compreender uma pluralidade de pares de seções ativas conectadas entre si em série. Pares adjacentes de seções ativas podem se sobrepor circunferencialmente de modo a definir um espaço de um segundo tipo para receber um guia de fluxo. O espaço do segundo tipo pode ser um espaço circunferencial entre duas seções ativas adjacentes da mesma bobina, mas diferentes pares de seções ativas da bobina. O espaço circunferencial, assim como as seções ativas correspondentes, se estendem de modo substancialmente radial e pode ser alongado na direção radial. Cada par adicional de seções ativas por bobina aumenta o número de slots por polo por fase em um, o que pode reduzir as perdas e, portanto, melhorar a eficiência. Vantajosamente, o número de seções ativas por bobina pode ser escalonado com o raio da máquina.

[0015] O número de pares de seções ativas pode ser um múltiplo inteiro de dois. O uso de um múltiplo inteiro de dois pares de seções ativas permite prontamente que cada bobina seja feita de uma pluralidade de elementos condutores idênticos, o que reduz os custos de fabricação.

[0016] A pluralidade de pares de seções ativas que constituem uma bobina pode ser formada integralmente ou formada ao conectar, em série, uma pluralidade de elementos separados, cada um compreendendo um par de seções ativas. A conexão pode ser usando uma virola, através de brasagem ou através de soldagem, por exemplo.

Elementos separados podem ser formados ao enrolar, ligar e formar condutores que podem ser obtidos usando técnicas de enrolamento conhecidas que são relativamente baratas de implementar. Elementos de formação integral podem ser caros, mas também podem permitir topologias de bobinas mais complexas que não podem ser alcançadas ou são difíceis de obter por meio de técnicas de enrolamento usuais. Além disso, com elementos formados integralmente, o número de partes constituintes do estator é reduzido.

[0017] O estator pode compreender ainda guias de fluxo, tais como laminações de aço elétricas, posicionadas nos primeiro e/ou segundo tipos de espaços. Os guias de fluxo canalizam o fluxo axialmente entre os polos magnéticos correspondentes em rotores opostos. Estes guias de fluxo podem ter alta permeabilidade magnética pelo menos na direção axial e, assim, para um arranjo específico de ímãs permanentes, aumenta a densidade do fluxo magnético no estator.

[0018] A pluralidade de bobinas condutoras pode ser fornecida em uma pluralidade de grupos, cada grupo correspondendo a um polo do estator. As bobinas condutoras circunferencialmente adjacentes podem ser configuradas para serem conectadas a diferentes fases da alimentação multifásica de modo que, para uma fonte de alimentação de N fases, o estator compreenda uma pluralidade de N grupos de bobinas condutoras, cada grupo de bobinas condutoras compreendendo uma bobina para cada fase da fonte de alimentação de N fases, cada grupo correspondendo a um polo do estator.

[0019] O estator pode ser configurado de modo que, em uso, a corrente flua na mesma direção ao longo das seções ativas adjacentes separadas por um do segundo tipo de espaços para um guia de fluxo. Isto evita que a corrente que flui nestas seções ativas adjacentes seja contraproducente para a produção de torque.

[0020] As seções ativas de cada par de seções ativas podem ser axialmente deslocadas entre si. O deslocamento axial das seções ativas facilita o empilhamento das bobinas na direção axial e circunferencial, o que confere flexibilidade ao espaçamento (passo) entre cada par de seções ativas e também melhora a rigidez estrutural do enrolamento completo em virtude da natureza de intertravamento das bobinas.

[0021] Cada seção ativa pode compreender uma pluralidade de porções de espira de enrolamento empilhadas paralelamente ao eixo de rotação, de modo que uma seção transversal perpendicular à direção radial de cada seção ativa seja alongada com uma dimensão maior paralela ao eixo de rotação. O empilhamento axial das curvas isoladas do enrolamento atenua os efeitos de aderência e proximidade nas seções ativas. Isto ocorre porque a seção transversal de cada espira do enrolamento é menor e, dado que as espiras de enrolamento são conectadas em série, a corrente é deterministicamente governada para fluir ao longo de toda a extensão axial de cada seção ativa. Isto reduz o aquecimento, uma vez que a corrente é dispersa de maneira mais uniforme pela seção transversal condutora e melhora a ligação do fluxo.

[0022] Cada seção ativa pode ter apenas uma única espira de enrolamento de largura. Alternativamente, cada seção ativa pode compreender uma pluralidade de espiras de enrolamento largas. Isto é, cada seção ativa pode compreender uma pluralidade de porções de enrolamento circunferencialmente empilhadas. Se cada seção ativa compreender uma pluralidade de porções de espiras de enrolamento circunferencialmente empilhadas, o número de porções de espiras de enrolamento circunferencialmente empilhadas é, de preferência, menor do que o número de porções de espiras de enrolamento axialmente empilhadas, de modo que a dimensão principal da seção transversal da bobina que é perpendicular à direção que se estende radialmente da seção ativa seja paralela ao eixo de rotação. Por exemplo, as seções ativas podem ter apenas duas porções de espiras de enrolamento de largura, mas compreendem mais de duas porções de espiras de enrolamento na direção axial. Por exemplo, a proporção entre o número de porções de espiras de enrolamento axialmente empilhadas e o número de porções de espiras de enrolamento circunferencialmente empilhadas pode ser maior ou igual a três, de preferência maior ou igual a cinco, mais preferivelmente maior ou igual a sete. Uma bobina que tem mais de uma porção de espiras de enrolamento aumenta o comprimento total do condutor o que, por sua vez, aumenta a impedância da bobina. Uma impedância mais alta pode permitir o uso de um controlador com uma taxa de comutação mais baixa o que pode, em alguns casos, reduzir os custos.

[0023] As porções de espiras do enrolamento das primeira e segunda seções ativas que se estendem de modo geralmente radial podem ter extremidades proximais localizadas em um raio interno e extremidades distais localizadas em um raio externo. As extremidades proximais das porções de espiras do enrolamento podem ser conectadas através de seções de circuito interno e as extremidades distais podem ser conectadas através de seções de circuito externo de modo que, em uso, a corrente flua em direções radiais opostas ao longo do par de seções ativas que se estendem radialmente.

[0024] As seções de circuito externo podem ser configuradas para formar uma parte externa da bobina que é substancialmente paralela ao eixo de rotação. Uma parte axialmente paralela da bobina pode ser inserida axialmente em uma abertura em uma carcaça de estator, o que melhora a facilidade de fabricação do estator. Além disso, a natureza estendida da parte da bobina fornece uma área de superfície maior para travamento mecânico das bobinas e resfriamento na circunferência externa do estator.

[0025] O estator pode compreender ainda uma carcaça de estator que compreende aberturas circunferencialmente distribuídas e que se estendem axialmente para receber as partes externas das bobinas condutoras que são substancialmente paralelas ao eixo de rotação. Conforme observado acima, isto permite uma fabricação mais fácil e precisa e uma transferência térmica aprimorada dos componentes condutores do estator através da carcaça do estator.

[0026] Cada seção de circuito externo pode ter qualquer formato, mas pode, de preferência, ser substancialmente semicircular ou retangular, de modo que a parte externa da bobina seja um meio disco ou superfície retangular. A superfície também pode ser curvada, por exemplo, em formato involuto. Estas superfícies criam uma grande área de superfície, mas também requerem um comprimento relativamente limitado de condutor para uma dada extensão axial da bobina, o que reduz os custos de material.

[0027] As seções de circuito externo podem ser configuradas para formar partes substancialmente involutas da bobina. As partes involutas, as quais mantêm um espaço substancialmente constante entre os elementos condutores adjacentes, fornecem um arranjo de intertravamento radial de bobinas circunferencialmente distribuídas. Pode haver duas partes externas substancialmente involutas da bobina ao conectar a parte externa da bobina às duas seções ativas.

[0028] As seções de circuito interno podem ser configuradas para formar uma parte interna da bobina que é substancialmente paralela ao eixo de rotação. Sendo substancialmente paralela ao eixo de rotação, a parte interna ocupa o mínimo de espaço circunferencial possível. Isto é significativo, uma vez que o espaço físico é escasso no raio interno do estator.

[0029] As seções de circuito interno podem ter qualquer formato, mas podem, de preferência, ser substancialmente semicirculares ou retangulares, de modo que a parte interna seja um meio disco ou superfície retangular. A superfície também pode ser curvada, por exemplo, em formato involuto. Estas formas requerem um comprimento relativamente limitado de condutor para serem implementadas, o que reduz os custos de material.

[0030] As seções de circuito interno podem ser configuradas para formar uma parte substancialmente involuta da bobina. As partes involutas fornecem um arranjo de intertravamento radial para bobinas circunferencialmente distribuídas. Pode haver duas partes internas substancialmente involutas da bobina ao conectar a parte interna da bobina às duas seções ativas.

[0031] O estator pode ainda compreender meios de conexão para conectar as bobinas condutoras à fonte de alimentação multifásica. Os meios de conexão podem ser fornecidos axialmente acima de um plano que é perpendicular ao eixo de rotação e axialmente acima das bobinas condutoras e/ou podem ser fornecidos abaixo de um plano que é perpendicular ao eixo de rotação e axialmente abaixo das bobinas condutoras. O posicionamento dos meios de conexão acima e/ou abaixo das bobinas permite a fácil conexão das bobinas aos meios de conexão e também significa que as conexões podem ser acessíveis mesmo após impregnação do conjunto de estator. Isto evita que uma conexão defeituosa torne todo estator inutilizável.

[0032] Cada uma dentre a pluralidade de bobinas condutoras pode compreender um par de porções de conexão que se estendem substancialmente paralelas ao eixo de rotação para conectar as bobinas condutoras aos meios de conexão. As porções de conexão podem se estender na mesma direção paralela ou em direções paralelas opostas. As porções de conexão que se estendem paralelamente permitem uma conexão muito simples das bobinas aos meios de conexão.

[0033] Os meios de conexão podem compreender uma pluralidade de barramentos, os quais podem ser anulares, ou uma pluralidade de seções de barramentos.

[0034] Para cada fase da fonte de alimentação multifásica, cada segunda bobina do estator que está conectada a esta fase pode ser conectada a um barramento em comum. Desta forma, o enrolamento pode ser dividido em duas partes intercaladas que conectam metade do número total de bobinas por fase a um dos barramentos bifásicos.

[0035] Uma máquina elétrica de fluxo axial sem coroa (yokeless) que compreende qualquer um dos estatores descritos acima também é fornecida.

[0036] A máquina elétrica de fluxo axial sem coroa (yokeless) pode compreender ainda um par de rotores opostos posicionados em lados opostos do estator, cada rotor compreendendo uma pluralidade de ímãs permanentes circunferencialmente distribuídos que definem um passo de polo da máquina elétrica. O ângulo pelo qual cada par de seções ativas é separado pode ser diferente do passo dos polos da máquina elétrica definida pelos ímãs permanentes. Embora o ângulo pelo qual cada par de seções ativas seja separado possa ser o mesmo que o passo de polo, o uso de um ângulo diferente facilita o acorde longo ou curto do enrolamento.

[0037] O ângulo pelo qual cada par de seções ativas pode ser separado é menor do que o passo de polo. Usar um ângulo menor permite acordes curtos, os quais podem ser usados para reduzir ainda mais os harmônicos no campo do estator.

[0038] Um do par de rotores opostos pode ser compartilhado entre o estator e um segundo estator, alinhado axialmente.

[0039] De acordo com outro aspecto da invenção reivindicada, é fornecido um método de fabricação de um estator de uma máquina elétrica de fluxo axial. O método compreende posicionar uma pluralidade de bobinas condutoras em uma carcaça de estator, de modo que a pluralidade de bobinas seja distribuída circunferencialmente em torno da carcaça do estator. As bobinas condutoras são posicionadas de modo que bobinas condutoras circunferencialmente adjacentes se sobreponham circunferencialmente e, assim, definam espaços de um primeiro tipo que recebe um guia de fluxo. Cada espaço do primeiro tipo é um espaço circunferencial na região onde duas bobinas se sobrepõem. O método compreende ainda posicionar guias de fluxo nos espaços do primeiro tipo.

[0040] As bobinas condutoras de tal estator formam uma estrutura na qual guias de fluxo, tais como pacotes de laminação, podem ser colocados. Isto permite que o estator seja fabricado rapidamente e também com um alto grau de precisão, o que melhora a eficiência da máquina elétrica.

[0041] Cada bobina condutora pode compreender uma pluralidade de pares de seções ativas conectadas entre si em série. Pares adjacentes de seções ativas podem se sobrepor circunferencialmente de modo a definir um espaço de um segundo tipo para receber um guia de fluxo. O espaço do segundo tipo pode ser um espaço circunferencial entre duas seções ativas adjacentes da mesma bobina, mas diferentes pares de seções ativas da bobina. Neste caso, o método pode compreender ainda posicionar guias de fluxo nos espaços do segundo tipo. Isto não apenas fornece uma estrutura adicional para colocação de guias de fluxo, mas permite a fabricação de máquinas com maior número de slots por polo por fase. Conforme explicado acima, isto pode reduzir os harmônicos no campo do estator e melhorar a eficiência da máquina.

[0042] A carcaça do estator pode compreender uma pluralidade de aberturas circunferencialmente distribuídas e que se estendem axialmente. Neste caso, o posicionamento da pluralidade de bobinas condutoras na carcaça do estator pode compreender, para cada respectiva bobina condutora, posicionar uma parte que se estende axialmente da respectiva bobina em uma das aberturas que se estendem axialmente. Isto aumenta a facilidade de montagem, precisão de montagem, travamento mecânico e, em uso, resfriamento e eficiência.

[0043] O método pode compreender ainda impregnar pelo menos parte do estator em um composto de ligação, tal como uma resina. Isto fortalece o conjunto de estator, protegendo-o contra as forças mecânicas e eletromagnéticas sofridas durante o uso. Os meios de ligação das bobinas à fonte de alimentação podem não ser impregnados com o composto de ligação permitindo, vantajosamente, o acesso às ligações após a impregnação.

[0044] Qualquer característica em um aspecto da invenção pode ser aplicada a outros aspectos da invenção, em qualquer combinação apropriada. Em particular, os aspectos do método podem ser aplicados aos aspectos do dispositivo e vice-versa. Além disso, uma, algumas e/ou todas as características em um aspecto podem ser aplicadas a uma, algumas e/ou todas as características em qualquer outro aspecto, em qualquer combinação apropriada.

[0045] Também deve ser reconhecido que combinações particulares das várias características descritas e definidas em quaisquer aspectos da invenção podem ser implementadas e/ou fornecidas e/ou usadas independentemente. Breve Descrição dos Desenhos

[0046] As modalidades da invenção serão agora mais descritas a título de exemplo apenas e com referência às figuras em anexo, nas quais:

[0047] a Figura 1A é uma vista lateral de uma máquina de fluxo axial que mostra um conjunto de estator, rotores e um eixo;

[0048] a Figura 1B é uma vista em perspectiva da máquina de fluxo axial da Figura 1A;

[0049] a Figura 2A é uma vista em perspectiva dos rotores e eixo da máquina de fluxo axial das Figuras 1A-1B;

[0050] a Figura 2B é uma vista plana de um rotor da máquina de fluxo axial das Figuras 1A-B e 2A que mostra mais claramente os ímãs permanentes do rotor;

[0051] a Figura 3 é uma vista lateral em corte transversal de uma máquina de fluxo axial que mostra detalhes adicionais não visíveis nas Figuras 1A-1B e 2A-2B;

[0052] a Figura 4A é uma vista em perspectiva dos componentes condutores de um conjunto de estator de uma máquina de fluxo axial que inclui 48 bobinas condutoras;

[0053] a Figura 4B é uma vista lateral dos componentes condutores do conjunto de estator da Figura 4A;

[0054] a Figura 4C é uma vista plana dos componentes condutores do conjunto de estator das Figuras 4A e 4B;

[0055] a Figura 5A mostra vistas planas e inferiores de um único elemento de bobina condutora que tem um único par de seções ativas que se estendem radialmente;

[0056] a Figura 5B mostra duas vistas em perspectiva do elemento de bobina condutora da Figura 5A;

[0057] a Figura 5C mostra duas vistas laterais do elemento de bobina condutora das Figuras 5A e 5B;

[0058] a Figura 5D mostra vistas frontal e posterior do elemento de bobina condutora das Figuras 5A-5C;

[0059] a Figura 5E é uma vista plana de parte de um estator que inclui uma pluralidade dos elementos condutores das Figuras 5A-5D circunferencialmente distribuídos em torno do estator que mostra espaços resultantes de sua sobreposição;

[0060] a Figura 5F é uma vista plana que mostra o estator da Figura 5E;

[0061] a Figura 5G é uma vista plana de um elemento condutor que ilustra como o elemento condutor pode ser enrolado em um plano horizontal;

[0062] a Figura 5H é uma vista lateral do elemento condutor ilustrado na Figura 5G;

[0063] a Figura 5I é uma vista em perspectiva do elemento condutor ilustrado nas Figuras 5G e 5H;

[0064] a Figura 5J é uma vista plana de um elemento de bobina condutora alternativo;

[0065] a Figura 5K é uma vista plana de um estator que usa uma pluralidade dos elementos de bobina condutora da Figura 5J;

[0066] a Figura 6A mostra vistas planas e inferiores de uma bobina condutora que inclui dois pares de seções ativas que se estendem radialmente sobrepostas circunferencialmente e conectadas em série;

[0067] a Figura 6B mostra duas vistas em perspectiva da bobina condutora da Figura 6A;

[0068] a Figura 6C mostra duas vistas laterais do par de bobinas condutoras das Figuras 6A e 6B;

[0069] a Figura 6D mostra vistas frontal e posterior da bobina condutora das Figuras 6A-6C;

[0070] a Figura 7A é uma vista frontal que mostra a bobina condutora das Figuras 6A-6D conectada a um par de barramentos;

[0071] a Figura 7B é uma vista em perspectiva da bobina condutora das Figuras 6A-6D conectada ao par de barramentos;

[0072] a Figura 7C é uma vista plana do par de bobinas condutoras das Figuras 6A-6D conectada ao par de barramentos;

[0073] a Figura 8A é uma vista em perspectiva de oito bobinas condutoras conectadas ao mesmo par de barramentos;

[0074] a Figura 8B é uma vista plana das oito bobinas condutoras conectadas ao mesmo par de barramentos;

[0075] a Figura 9A é uma vista frontal de duas bobinas condutoras circunferencialmente adjacentes conectadas aos respectivos pares de barramentos;

[0076] a Figura 9B é uma vista em perspectiva das duas bobinas condutoras circunferencialmente adjacentes conectadas aos respectivos pares de barramentos;

[0077] a Figura 9C é uma vista plana das duas bobinas condutoras circunferencialmente adjacentes conectadas aos respectivos pares de barramentos;

[0078] a Figura 10 é uma vista em perspectiva de seis bobinas condutoras adjacentes que ilustra uma maneira alternativa de conectar as bobinas condutoras a uma fonte de alimentação trifásica;

[0079] a Figura 11A é uma vista plana de metade dos componentes condutores de um conjunto de estator trifásico de dezesseis polos que inclui 24 bobinas condutoras, cada uma tendo dois pares de seções ativas que se estendem radialmente;

[0080] a Figura 11B é uma vista em perspectiva do conjunto de estator da Figura 11A;

[0081] a Figura 12A é uma vista em perspectiva de um conjunto de estator, incluindo uma carcaça de estator que aloja as bobinas condutoras do conjunto de estator;

[0082] a Figura 12B é uma vista plana do conjunto de estator da Figura 12A que mostra como as bobinas condutoras são recebidas dentro das aberturas da carcaça do estator;

[0083] a Figura 12C é uma vista em perspectiva do conjunto de estator das Figuras 12A e 12B que mostra os barramentos e as conexões de fase;

[0084] a Figura 13 é um fluxograma que ilustra um método de fabricação de um estator; e

[0085] a Figura 14 é um mapa de eficiência que mostra a eficiência de uma máquina de fluxo axial que compreende o conjunto de estator das Figuras 12A-12C para uma faixa de valores de torque e velocidade.

[0086] Números de referência similares são usados para elementos similares em toda a descrição e nas figuras. Descrição Detalhada

[0087] Uma modalidade da invenção será agora descrita com referência a um motor de fluxo axial 100. Embora um motor 100 seja descrito, deve ser reconhecido que a invenção pode, da mesma maneira, ser implementada em outros tipos de máquinas elétricas de fluxo axial, tais como geradores. Visão Geral de uma Máquina de Fluxo Axial

[0088] A Figura 1A e a Figura 1B ilustram os componentes principais de um motor de fluxo axial 100. O motor de fluxo axial 100 inclui um conjunto de estator 1, dois rotores 2a, 2b posicionados em lados opostos do conjunto de estator 1 e um eixo 3. O eixo inclui uma extremidade motriz 3a e uma extremidade não motriz 3b. Os rotores 2a, 2b são montados fixamente no eixo 3. Em uso, o estator 1 do motor de fluxo axial 100 permanece estacionário e os rotores 2a, 2b e o eixo 3 giram juntos em relação ao estator 1. Deve ser reconhecido que vários componentes tipicamente presentes em um motor 100, tais como placas de cobertura do rotor e meios para conectar o estator a uma fonte de energia, foram omitidos das Figuras 1A e 1B para maior clareza.

[0089] Embora as Figuras 1A-1B mostrem dois rotores 2a, 2b e um único estator 1, será reconhecido que outras configurações são possíveis. Por exemplo, um dos rotores 2a, 2b pode ser compartilhado entre dois estatores alinhados axialmente. Ou seja, pode haver dois estatores e três rotores, com um dos três rotores compartilhado entre os dois estatores.

[0090] As Figura 2A e Figura 2B ilustram os rotores 2a, 2b e o eixo 3 do motor 100 sem o conjunto de estator 1. Conforme é particularmente evidente na Figura 2B, cada rotor 2a, 2b inclui uma pluralidade de ímãs permanentes circunferencialmente distribuídos 21, 22, 23, 24. Os ímãs 21, 22, 23, 24 são, por exemplo, ímãs de metais de terras raras, tais como ímãs de NdFeB. Os ímãs circunferencialmente adjacentes, como os ímãs permanentes 21 e 22, têm polaridade oposta. Ou seja, cada polo norte 23 é circunferencialmente adjacente a dois polos sul 22, 24, e cada polo sul 22 é circunferencialmente adjacente a dois polos norte 21, 23.

[0091] Embora não possa ser visto nas Figuras 2A e 2B, os rotores 2a, 2b são montados de modo que ímãs permanentes opostos tenham polos opostos. Ou seja, um polo norte no rotor 2a está voltado para um polo sul no rotor 2b e vice-versa. Consequentemente, os ímãs dos dois rotores 2a, 2b geram um campo magnético com linhas axiais de fluxo magnético entre os dois rotores 2a, 2b.

[0092] Conforme será entendido por aqueles versados na técnica, os conjuntos de estator 1 descritos no presente documento são sem coroa (yokeless), mas não sem ferro. Uma coroa é um elemento estrutural adicional presente em alguns estatores para guiar linhas de fluxo magnético entre polos opostos do campo magnético do rotor. Ou seja, a coroa completa os circuitos magnéticos dentro do estator. Uma vez que as máquinas de fluxo axial 100 descritas no presente documento usam um par de rotores opostos 2a, 2b cujos ímãs permanentes opostos têm polaridade oposta, não há necessidade de uma coroa para completar os circuitos magnéticos, uma vez que o fluxo é unidirecional. Ter um estator sem coroa reduz o peso geral da máquina de fluxo axial, o que é muito benéfico em muitas aplicações práticas. Além disso, melhora a eficiência, uma vez que não há perdas atribuídas a uma densidade de fluxo variável em uma região de coroa.

[0093] A separação circunferencial (angular) α dos centros de dois ímãs permanentes adjacentes 21, 22 do rotor 2a, 2b define o passo de polo do motor de fluxo axial 100. Observe que o espaçamento médio dos ímãs permanentes β pode ser o igual ou menor do que o passo de polo α do motor 100. Nas Figuras 2A-2B, os ímãs adjacentes são separados por um espaçador não magnético e, portanto, o espaçamento médio β dos ímãs permanentes 21-24 é menor do que o passo de polo α do motor 100. Em um exemplo, β é aproximadamente 3/4 de α. A proporção de β para α pode ser escolhida para reduzir a distorção harmônica circunferencial e espacial da densidade de fluxo do ímã permanente no estator 1. Conforme será reconhecido, não é essencial fornecer espaçadores não magnéticos para permitir que o espaçamento β dos ímãs permanentes 21-24 sejam menores do que o passo de polo α do motor 100. Por exemplo, os ímãs permanentes 21- 24 podem ser fixados ao rotor usando um adesivo, ou similar, em suas posições espaçadas necessárias.

[0094] Os rotores 2a, 2b ilustrados nas Figuras 2A-2B têm dezesseis ímãs permanentes circunferencialmente distribuídos 21-24 e, portanto, têm dezesseis polos. No entanto, este é apenas um exemplo e na prática pode haver mais ou menos de dezesseis polos, em parte dependendo da aplicação pretendida. Por exemplo, os polos normalmente existem em pares (portanto, normalmente há um número par de polos) e o número de polos é, até certo ponto, limitado pelo raio dos rotores 2a, 2b, o qual dependerá do tamanho do motor adequado para a aplicação pretendida. O rotor 2a, 2b pode, por exemplo, ter oito ou trinta e dois polos.

[0095] Voltando à Figura 3, esta mostra uma vista em corte transversal do motor de fluxo axial 100 das Figuras 1-2 com detalhes adicionais. Uma vez que as invenções descritas no presente documento referem-se principalmente aos componentes condutores 10 do conjunto de estator 1, os quais serão descritos em mais detalhes abaixo com referência às Figuras 4-12, apenas uma breve visão geral dos componentes da Figura 3 será fornecida. Aqueles versados na técnica estarão familiarizados com os componentes de uma máquina de fluxo axial, tal como um motor de fluxo axial 100, e também reconhecerão que nem todos os elementos mostrados na Figura 3 são essenciais para uma máquina de fluxo axial, e que os elementos que estão presentes podem ser implementados de várias maneiras diferentes.

[0096] Além do estator 1, rotor de extremidade motriz 2a, rotor de extremidade não motriz 2b e eixo 3, a Figura 3 mostra as placas de cobertura de rotor de extremidade motriz e não motriz 4a, 4b que envolvem os rotores 2a, 2b e, de modo geral, vedam o motor 100 para evitar a entrada de material externo. O anel espaçador do rotor 4c separa os rotores 2a, 2b. As vedações O-ring 8a, 8b e a vedação dinâmica 9 vedam ainda mais as partes internas do motor 100. A rotação dos rotores 2a, 2b é auxiliada pelos rolamentos das extremidades motriz e não motriz 6a, 6b, que mantêm os entreferros 5 entre os ímãs permanentes dos rotores 2a, 2b e do estator 1. Um conjunto de codificador 7 que inclui um codificador de montagem 71, um codificador de posição no eixo 72 e um ímã de sensor de codificador associado 73 também é mostrado. Bobinas Condutoras e Estator

[0097] Os componentes condutores 10, incluindo as bobinas condutoras 12, de um conjunto de estator 1 serão agora descritos com referência às Figuras 4-12. Deve ser reconhecido que, embora exemplos específicos sejam descritos, com números específicos de polos de estator 11, bobinas condutoras 12 e fases de corrente, isto não se destina a limitar o escopo das reivindicações.

[0098] Voltando brevemente às Figuras 12A-12C, é ilustrado um conjunto de estator 1 que pode ser visto como incluindo uma carcaça de estator anular ou em formato de anel 20 que aloja os componentes condutores 10 do estator 1. O núcleo do conjunto de estator 1, onde o fluxo axial fornecido pelos ímãs do rotor interage com a corrente que flui radialmente através dos componentes condutores 10 para gerar o torque que faz com que os rotores 2a, 2b girem, inclui seções ativas que se estendem radialmente a partir dos componentes condutores 10 do estator e guias de fluxo 30 na forma de pacotes de laminação. Os guias de fluxo 30, na forma de pacotes de laminação, os quais podem compreender chapas de aço elétrico orientadas por grãos rodeadas por isolamento elétrico, são posicionadas em espaços entre as seções ativas que se estendem radialmente a partir dos componentes condutores 10 do núcleo. Os guias de fluxo 30, na forma de pacotes de laminação, atuam para canalizar o fluxo magnético produzido pelos ímãs permanentes 21-24 entre os condutores transportadores de corrente.

[0099] Voltando agora às Figuras 4A-4C, os componentes condutores 10 (os quais, daqui em diante, serão simplesmente denominados como o "estator 10") são mostrados sem a carcaça do estator 20 ou os guias de fluxo 30, na forma de pacotes de laminação. Conforme é melhor reconhecido a partir da vista de cima para baixo da Figura 4C, o estator 10 tem enrolamentos distribuídos e compreende uma pluralidade (neste caso dezesseis) de polos de estator circunferencialmente distribuídos 11a, 11b,..., 11p, cada um dos quais compreende um pluralidade de bobinas condutoras 12. Cada bobina condutora12 está conectada a uma fase de uma fonte de alimentação multifásica através de meios de conexão 15, 16 os quais, neste exemplo, tomam a forma de barramentos. Neste exemplo específico, o estator 10 é configurado para uso com uma fonte de alimentação trifásica de modo que haja três bobinas condutoras 12 por polo 11a-11p do estator.

[00100] Será reconhecido que, com dezesseis polos 11a-11p e três bobinas condutoras 12 por polo, o estator 10 das Figuras 4A-C tem um total de 48 bobinas condutoras 12 circunferencialmente distribuídas. No entanto, pode ser visto a partir da vista de cima para baixo da Figura 4C que este estator 10 tem, na verdade, 96 seções ativas que se estendem radialmente. Além disso, pode ser observado a partir da vista lateral da Figura 4B que há duas camadas axialmente deslocadas de seções ativas que se estendem radialmente, dando um total de 192 seções ativas que se estendem radialmente. As razões para isto se tornarão evidentes a partir da descrição das Figuras 5-9. Em suma, cada bobina condutora 12 inclui um ou mais elementos condutores 120, cada um dos quais inclui um par de seções ativas axialmente deslocadas que se estendem radialmente. Cada bobina condutora 12 do estator 10 das Figuras 4A-4B inclui dois destes elementos condutores 120, e uma vez que cada elemento condutor 120 inclui um par de seções axialmente deslocadas que se estendem radialmente, o total de 192 seções ativas que se estendem radialmente é contabilizado.

[00101] Os componentes condutores do estator 10 podem ser feitos de qualquer combinação de um ou mais materiais condutores. No entanto, os componentes condutores 10 são, de preferência, feitos de cobre.

[00102] As Figuras 5A-5D são várias vistas de um elemento condutor 120 único. Conforme observado acima e conforme será explicado em mais detalhes abaixo, cada bobina condutora 12 é composta por um ou mais elementos condutores 120. Será reconhecido que, no caso de um elemento condutor 120 por bobina condutora 12, uma bobina condutora 12 e um elemento condutor 120 são equivalentes. As Figuras 6A-6D ilustram uma bobina condutora 12 que é composta por dois elementos condutores 120 e 120', e será descrita abaixo.

[00103] Voltando às Figuras 5A-5D, conforme é melhor reconhecido a partir das vistas de cima para baixo da Figura 5A na qual o eixo de rotação é perpendicular ao plano da página, um elemento condutor 120 inclui um par de seções condutoras ativas circunferencialmente afastadas que se estendem radialmente 121a, 121b. Estas seções ativas que se estendem radialmente 121a, 121b são denominadas como seções "ativas" porque, quando as bobinas condutoras 12 estão posicionadas no estator, elas estão localizadas dentro do núcleo do estator e, assim, interagem com o campo magnético fornecido pelos ímãs dos rotores 2a, 2b. Será reconhecido que, uma vez que as seções ativas se estendem em uma direção geralmente radial, a qual é aproximadamente perpendicular ao fluxo axial no núcleo, a ligação de fluxo está pelo menos perto de maximizada.

[00104] O ângulo γ pelo qual as duas seções ativas 121a, 121b estão afastadas será denominado como a extensão da bobina. O espaçamento da bobina pode ser igual ou diferente (menor ou maior) do que o passo de polo α (definido pelo ângulo entre os centros dos ímãs permanentes do rotor). De preferência, o espaçamento da bobina γ é menor do que o passo de polo α. Por exemplo, γ pode ser aproximadamente 5/6 de α. Ao tornar γ menor do que α, um acorde curto do enrolamento pode ser implementado, o que reduz o teor de harmônicos espacial da força magnetomotriz do enrolamento (mmf).

[00105] Voltando às Figuras 5E e 5F, estas mostram um estator 10' trifásico de dezesseis polos que é similar ao estator 10 das Figuras 4A- 4C, mas difere pelo fato de que cada bobina 12 do estator 10' tem apenas um elemento condutor 120 (um par de seções ativas 121a, 121b). Ou seja, nas Figuras 5E e 5F, uma bobina 12 e um elemento condutor 120 são equivalentes. Assim como o estator 10, as bobinas condutoras 120a, 120b, 120c do estator 10' estão circunferencialmente distribuídas em torno do estator e as bobinas circunferencialmente adjacentes se sobrepõem circunferencialmente.

[00106] Conforme é particularmente evidente na Figura 5E, a sobreposição circunferencial das bobinas 120a, 120b, 120c define espaços circunferenciais entre as seções ativas das bobinas. Estes espaços circunferenciais, os quais são alongados na direção radial, podem receber guias de fluxo 30. Espaços tais como os espaços marcados 141a, 141b, 141c serão denominados como espaços do primeiro tipo. Conforme pode ser visto, os espaços do primeiro tipo 141a, 141b, 141c são definidos entre as seções ativas de diferentes bobinas. Por exemplo, o espaço 141b está entre uma das duas seções ativas da bobina 120a e uma das duas seções ativas da bobina 120c. No entanto, deve ser reconhecido que as duas bobinas que definem um espaço particular do primeiro tipo 141a, 141b, 141c podem depender de vários fatores, incluindo o número de fases por polo do estator, o número de polos e o espaçamento γ da bobina selecionada.

[00107] Agora, voltando às Figuras 5A-5D, conforme pode ser visto nas Figuras 5B e 5D, as duas seções ativas 121a, 121b são axialmente deslocadas entre si. Isto facilita o empilhamento das bobinas condutoras 12 na direção circunferencial e também facilita o empilhamento circunferencial de elementos condutores 120, onde há vários elementos condutores 120 por bobina condutora 12. Conforme será discutido em mais detalhes com referência à Figura 14, isto permite mais polos do estator e mais slots por polo por fase, os quais podem fornecer maior eficiência. Além disso, o enrolamento pode ser facilmente encurtado.

[00108] Conforme pode ser visto em cada uma das Figuras 5B, 5C e 5D, cada elemento condutor 120 é formado a partir de um comprimento contínuo de condutor enrolado. O enrolamento mais externo do comprimento do condutor termina em uma primeira porção de conexão 128, a qual será denominada como a cauda externa 128. A cauda externa 128 se estende substancialmente paralela à direção axial. Conforme será descrito em mais detalhes abaixo, isto facilita a conexão conveniente das bobinas 12 à fonte de alimentação multifásica. A porção de espira mais interna do enrolamento termina em uma segunda porção de conexão 129, a qual será denominada como a cauda interna

129.

[00109] Conforme também pode ser visto em cada uma das Figuras 5B, 5C e 5D, o comprimento do condutor que forma o elemento condutor 120 é enrolado de modo que haja uma pluralidade de porções de espira do enrolamento 131a, 131b empilhadas paralelamente ao eixo de rotação da máquina elétrica. A seção transversal resultante do elemento condutor 120 que é perpendicular à direção radial de cada seção ativa 121a, 121b é alongada com uma dimensão principal paralela ao eixo de rotação. No exemplo das Figuras 5A-5D, há catorze porções de espira de enrolamento axialmente empilhadas 131a, 131b, embora isto não se destine a limitar a invenção, visto que outros números são igualmente possíveis.

[00110] As Figuras 5G, 5H e 5I ilustram como o elemento condutor 120 pode ser formado ao enrolar um comprimento de condutor. Conforme ilustrado na Figura 5G, o condutor é enrolado em torno de um par de elementos de suporte 301, 302 (os quais se projetam perpendicularmente para fora do plano da página) em um único plano de modo a formar um enrolamento horizontal e plano com um número (neste caso quatorze) de espiras ou camadas. Como o enrolamento é plano é melhor reconhecido nas Figuras 5H e 5I. O enrolamento mais interno termina na cauda interna 129 e o enrolamento mais externo termina na cauda externa 128.

[00111] Tendo formado o enrolamento plano mostrado nas Figuras 5G-5I, o formato tridimensional do elemento condutor 120 é formado ao flexionar ou deformar o enrolamento plano na forma mostrada nas Figuras 5A-5D. A flexão pode ser realizada usando uma ferramenta de flexão, conforme é conhecido na técnica. Por exemplo, uma ferramenta de flexão com blocos de perfil macho interno axialmente deslocados pode empurrar contra formas fêmeas externas para flexionar o enrolamento plano, de modo que as seções ativas sejam axialmente deslocadas entre si. A cauda externa 128 e a cauda interna 129 podem ser dobradas separadamente conforme desejado.

[00112] Para tornar o processo de flexão mais fácil, o enrolamento plano pode primeiro ser conferido com resistência adicional, de modo que o enrolamento mantenha seu formato durante a flexão. Em um exemplo, o condutor tem uma camada de ligação externa termicamente ativada ou ativada por solvente de modo que, após o enrolamento, as espiras/camadas possam ser unidas para manter o formato.

[00113] Deve ser reconhecido, particularmente a partir das Figuras 5G-5I, que o elemento condutor 120 pode ser enrolado através de uma variedade de maneiras diferentes e o enrolamento particular que é ilustrado não se destina a limitar a invenção. Algumas alternativas incluem: - Embora o enrolamento na Figura 5G tenha sido enrolado em torno dos elementos de suporte 301, 302 no sentido anti-horário, o comprimento do condutor pode, da mesma maneira, ser enrolado no sentido horário. - Embora a espira mais externa do enrolamento termine de modo que a cauda externa 128 conduzisse a uma seção ativa 121a, 121b do elemento condutor 120, este não precisa ser o caso. A espira externa poderia terminar em qualquer ponto da espira, por exemplo, de modo que a cauda externa 128 conduzisse a uma seção de circuito da espira, em vez de uma seção ativa. - Embora quatorze espiras de enrolamento axialmente empilhadas sejam ilustradas na Figura 5, pode haver mais ou menos de quatorze espiras. - Embora o enrolamento tenha uma espira/camada de espessura (consulte a Figura 5H em particular), ele pode ter mais de uma espira/camada de espessura. Neste caso, cada elemento condutor 120 compreenderá uma pluralidade de porções de espira de enrolamento circunferencialmente empilhadas. Embora qualquer número de porções de espiras de enrolamento circunferencialmente empilhadas seja possível, o número será, de preferência, menor do que o número de porções de espiras de enrolamento na direção axial, de modo que a seção transversal do elemento condutor 120 que é perpendicular à direção radial de cada seção ativa 121a, 121b ainda tenha uma dimensão principal que é paralela ao eixo de rotação. Por exemplo, a proporção entre o número de espiras axialmente empilhadas e o número de espiras circunferencialmente empilhadas pode ser maior do que três e pode, de preferência, ser maior do que cinco.

[00114] Conforme será reconhecido acima, em uso, a corrente fluirá ao longo das duas seções ativas 121a, 121b do elemento condutor 120 em direções opostas (isto é, para dentro e para fora paralelas à direção de extensão radial). A reversão da direção da corrente é fornecida pelas seções de circuito externo 122 das porções de espira de enrolamento 131a, 131b e pelas seções de circuito interno 125 das porções de espira de enrolamento 131a, 131b. Cada uma das seções de circuito externo 122 inclui uma primeira porção 123 e um par de segundas porções 124a, 124b (uma para cada par de seções ativas 121a, 121b) que conectam as seções ativas 121a, 121b à primeira porção 123, cada uma das seções de circuito interno 125 inclui uma primeira porção 126 e um par de segundas porções 127a, 127b (uma para cada par de seções ativas 121a, 121b) que conectam as seções ativas 121a, 121b à primeira porção 126.

[00115] Conforme pode ser visto nas Figuras 5B, 5C e 5D, as primeiras porções externas 123 juntas formam uma parte externa 133 do elemento de bobina 120 com uma superfície que é substancialmente paralela ao eixo de rotação. No exemplo específico das Figuras 5A-5D, as primeiras porções externas 123 são substancialmente semicirculares e, portanto, a parte externa 133 é um meio-disco 133 substancialmente plano, mas outros formatos são possíveis. Por exemplo, cada uma das primeiras porções externas 123 pode ter um formato que corresponde a três lados de um retângulo, de modo que juntos formem uma parte externa 133 que tem uma superfície retangular plana. Como outro exemplo, a parte externa 133 do elemento condutor 120 formada pelas primeiras porções externas 123 não precisa ser horizontal ou plana: isto é ilustrado na Figura 5J, a qual mostra um elemento condutor 120'' com uma parte externa 133'' com um perfil curvado e, portanto, uma superfície curvada. A Figura 5K ilustra uma vista plana de um estator 10'' que compreende tais elementos condutores que podem ser comparados à Figura 4C (embora observando que o estator 10'' não mostra nenhum meio de conexão 15, 16).

[00116] A superfície 133 formada pelas primeiras porções externas 123 pode ser usada para facilitar o resfriamento em virtude de sua área de superfície relativamente grande. Além disso, uma vez que a parte externa 133 da bobina 120 é substancialmente paralela ao eixo de rotação, uma carcaça de estator 20 pode ser dotada de aberturas que se estendem axialmente 25 que recebem axialmente a parte externa 133 do elemento de bobina 120', 120'' para permitir travamento mecânico e resfriamento aprimorado. Isto será explicado em mais detalhes abaixo.

[00117] As primeiras porções internas 126 juntas formam uma parte interna 136 do elemento de bobina 120. A parte interna 136 ilustrada nas Figuras 5B-5D é substancialmente a mesma que a parte externa 133 descrita acima e, como a parte externa 133 descrita acima, pode ser paralela ao eixo de rotação e pode ter vários formatos e perfis. No entanto, a parte interna 136 geralmente terá um papel menor no resfriamento e empilhamento das bobinas 12 e, assim, as porções internas 126 podem ser configuradas de modo a reduzir a quantidade total de condutor por elemento condutor 120 para reduzir os custos.

[00118] Em relação às segundas porções externas 124a, 124b e às segundas porções internas 127a, 127b, embora pareçam substancialmente retas nas Figuras 5A-5D, elas são, na verdade, ligeiramente curvadas. Especificamente, o formato de cada uma das primeiras porções externas 124a, 124b é uma seção de um primeiro involuto e, assim, as primeiras porções 124a, 124b juntas formam as partes externas substancialmente involutas 134a, 134b do elemento de bobina 120. Da mesma forma, o formato de cada uma das segundas porções internas 127a, 127b é uma seção de um segundo involuto e, assim, as primeiras partes 127a, 127b juntas formam as partes internas substancialmente involutas 137a, 137b do elemento de bobina 120. O significado dos involutos será descrito com referência às Figuras 6A-6D.

[00119] Embora tenha sido descrito acima que o elemento condutor 120 é formado pelo enrolamento de um comprimento de condutor, isto não é essencial. O elemento condutor 120 pode ser fabricado de outras maneiras, incluindo sendo formado integralmente.

[00120] Além disso, embora os elementos 120 ilustrados sejam enrolados a partir de um comprimento de condutor e compreendam uma pilha de porções de espiras de enrolamento 131a, 131b, isto é preferido, mas não essencial. Por exemplo, em vez de uma pilha que se estende axialmente de porções de espira de enrolamento 131a, 131b, cada elemento condutor 120 pode ser formado por uma única tira condutora que se estende axialmente. Em alguns casos, uma única tira condutora que se estende axialmente pode ser preferível a uma pluralidade de porções de espiras de enrolamento axialmente empilhadas 131a, 131b, mas, conforme será descrito abaixo, o uso de porções de espiras de enrolamento empilhadas 131a, 131b ajuda, vantajosamente, a mitigar os efeitos de aderência e proximidade os quais, de outra forma, podem levar a um aumento nas perdas.

[00121] Conforme observado acima, cada bobina condutora 12 pode incluir apenas um elemento condutor 120. No entanto, por razões que serão explicadas em mais detalhes abaixo, cada elemento condutor inclui, de preferência, dois ou mais elementos condutores circunferencialmente sobrepostos. Um exemplo de uma bobina condutora que inclui dois elementos condutores circunferencialmente sobrepostos 120, 120' será agora descrito com referência às Figuras 6A-6D.

[00122] A Figura 6A mostra vistas superior e inferior de uma bobina condutora 12 que inclui dois elementos condutores 120, 120'. As características de cada um dos dois elementos condutores 120, 120' são as mesmas do elemento condutor 120 único descrito acima com referência às Figuras 5A-5D e, portanto, suas características não serão descritas novamente.

[00123] Para formar a bobina condutora 12, dois elementos condutores idênticos 120, 120' são eletricamente conectados em série em suas caudas internas 129, 129'. Nos exemplos ilustrados no presente documento, as caudas internas 129, 129' são conectadas usando uma virola 130. No entanto, há outras maneiras de conectar as caudas internas 129, 129', tais como brasagem ou soldagem. Para conectar os dois elementos 120, 120', um dos dois elementos condutores 120, 120' é girado 180° em torno do eixo que corre verticalmente no plano da página na Figura 6A, de modo que as caudas externas 128, 128' dos dois os elementos condutores 120, 120' estejam em direções opostas e as caudas internas 129, 129' estejam adjacentes e, portanto, prontamente conectadas através de uma virola 130. Alternativamente, a bobina condutora 12 que compreende dois elementos condutores pode ser formada integralmente como uma única peça.

[00124] A bobina condutora resultante 12 tem dois pares de seções ativas circunferencialmente sobrepostas e afastadas 121a, 121b; 121a',

121b'. Particularmente, a sobreposição dos dois pares de seções ativas define dois espaços 142a, 142b. O primeiro espaço 142a é definido entre uma (uma primeira) seção ativa 121a de um primeiro dos elementos condutores 120 da bobina 12 e entre uma (uma primeira) seção ativa 121a' do segundo dos elementos condutores 120' da bobina

12. O segundo espaço 142b é definido entre a outra (a segunda) seção ativa 121b do primeiro elemento condutor 120 da bobina 12 e entre a outra (segunda) seção ativa 121b' do segundo elemento condutor 120' da bobina 12. Isto é, os dois espaços 142a, 142b são espaços circunferenciais entre as seções ativas adjacentes 121a, 121a'; 121b, 121b' de dois pares diferentes de seções ativas 121a, 121b; 121a', 121b' da mesma bobina 12. Espaços deste tipo serão denominados como espaços do segundo tipo. Assim como os espaços do primeiro tipo, os espaços do segundo tipo 142a, 142b fornecem espaços para guias de fluxo 30, tais como pacotes de laminação. Isto torna mais fácil construir o conjunto de estator 1 e também aumenta o número de slots por polo por fase do conjunto de estator 1, o que pode aumentar a eficiência do motor.

[00125] Tendo agora descritos os espaços 141a-c do primeiro tipo (isto é, espaços definidos entre seções ativas de diferentes bobinas) e espaços 142a-b do segundo tipo (isto é, espaços definidos entre seções ativas da mesma bobina, mas pares diferentes), deve ser observado que, quando uma pluralidade de bobinas 12 que definem espaços do segundo tipo são fornecidas em um estator 10 de modo a definir espaços do primeiro tipo, os espaços dos primeiro e segundo tipos podem coincidir. Isto pode ser visto mais claramente na Figura 11A, a qual ilustra um estator trifásico de dezesseis polos no qual cada bobina 12 compreende dois elementos condutores 120, 120'. Apenas metade das bobinas condutoras 12 são mostradas nas Figuras 11A-B, de modo que os espaços podem ser vistos claramente. Se os espaços do primeiro e do segundo tipo coincidem pode depender de uma série de fatores, incluindo o espaçamento γ selecionado, o número de polos do estator e o número de fases.

[00126] Voltando às Figuras 6A-6D, também pode ser visto nas Figuras 6A e 6B que há um espaço 143a entre as segundas porções 124a, 124a' das seções de circuito externo 122, 122' que formam um par de partes involutas externas 134a, 134a' dos dois elementos condutores 120, 120'. Da mesma forma, há um espaço 143b entre as segundas porções 124b, 124b' das seções de circuito externo 122, 122' que formam o outro par de partes involutas externas 134b, 134b'. Há também um espaço 144a entre as segundas porções 127a, 127a' das seções de circuito interno 125, 125' que formam um par de partes involutas internas 137a, 137a'. Finalmente, há também um espaço 144b entre as segundas porções 127b, 127b' das seções de circuito interno 125, 125' que formam o outro par de partes involutas externas 137b, 137b'. Em virtude das propriedades geométricas dos involutos, a largura destes espaços 143a, 143b, 144a, 144b permanece substancialmente constante ao longo do comprimento das seções involutas dos elementos condutores 120, 120'. Isto reduz, vantajosamente, o diâmetro resultante do motor para uma determinada classificação e perdas nas bobinas.

[00127] Embora uma bobina condutora 12 com dois elementos condutores 120, 120' tenha sido descrita, deve ser reconhecido que uma bobina condutora 12 poderia ter qualquer número inteiro de elementos condutores 120, incluindo mais de dois. Aumentar o número de elementos condutores por bobina condutora 12 aumentará o número de espaços do segundo tipo definido pelas seções ativas circunferencialmente adjacentes dos elementos condutores 120 o que, por sua vez, aumenta o número de slots por polo por fase no estator 1. Isto pode levar à geração de um campo magnético do estator com uma densidade de fluxo magnético sinusoidal mais precisa, com distorção harmônica menos significativa. Isto reduz, vantajosamente, o desenvolvimento de correntes parasitas nos ímãs permanentes dos rotores 2a, 2b o que, por sua vez, reduz as perdas de aquecimento e, portanto, fornece uma maior eficiência do motor. No entanto, será reconhecido que o número de elementos condutores 120 por bobina condutora 12 será, em geral, limitado por restrições de tamanho. Por exemplo, para uma determinada seção transversal do condutor (isto é, a seção transversal do fio a partir do qual os enrolamentos são enrolados) e um dado raio do estator, o número de condutores que podem ser circunferencialmente adaptados em um único espaçamento γ de bobina é limitado.

[00128] Se uma bobina 12 deve ter mais de dois elementos condutores, pode haver várias outras considerações. Por exemplo: - Se as bobinas devem ser formadas ao conectar vários elementos condutores 120 (através de virolas 130, por exemplo), pode ser preferível fornecer vários tipos de elementos condutores para facilitar a conexão mais simples de elementos condutores adjacentes. Por exemplo, os elementos condutores 120 descritos acima podem ser usados para os dois elementos condutores circunferencialmente externos, uma vez que suas caudas externas 128 serão conectadas à fonte de alimentação. No entanto, um ou mais elementos condutores internos que estão entre os elementos condutores externos serão conectados a elementos condutores tanto em suas caudas internas 129 como caudas externas 128, de modo que um segundo tipo de elemento condutor com caudas externas 128 adaptado de forma similar às caudas internas 129 possa ser fornecido para facilidade de conexão. Alternativamente, cada bobina 12 pode ser formada como uma unidade integral, em vez da conexão de três ou mais elementos condutores separados. - Múltiplos inteiros de dois elementos condutores 120 por bobina 12 podem ser preferíveis a um número ímpar de elementos condutores 120 por bobina 12. Se um múltiplo inteiro de dois elementos 120 for usado, as caudas externas 128 dos dois elementos circunferencialmente externos 120 serão direcionadas em direções paralelas opostas, conforme na Figura 6A-6D. Embora isto não seja essencial, ele fornece uma conexão mais direta das bobinas 12 usando os meios de conexão que serão descritos abaixo com referência às Figuras 7-10.

[00129] Embora um estator 10 com uma única camada axial de bobinas 12 circunferencialmente distribuídas (a única camada tendo bobinas 12 com seções ativas axialmente deslocadas) tenha sido descrito, será reconhecido que pode haver múltiplas camadas de bobinas axialmente empilhadas por estator. Neste caso, os espaços do primeiro tipo e/ou os espaços do segundo tipo de cada camada podem, vantajosamente, coincidir de modo substancialmente circunferencial. Isto permitiria, vantajosamente, a inserção de guias de fluxo 30 axialmente mais longos que poderiam se estender ao longo do comprimento axial das múltiplas camadas axialmente empilhadas, proporcionando ganhos adicionais em termos de facilidade e velocidade de montagem. Conexão das Bobinas a uma Fonte de Alimentação Multifásica

[00130] Maneiras de conectar uma pluralidade de bobinas condutoras 12 circunferencialmente distribuídas a uma fonte de alimentação multifásica serão agora descritas. Deve ser reconhecido que, na prática, há muitas maneiras diferentes de fazê-lo, e muitas maneiras diferentes ocorrerão para aqueles versados na técnica. A invenção, portanto, não está limitada a qualquer conexão particular. No entanto, as maneiras descritas para conectar as bobinas condutoras 12, as quais usam meios de conexão 15, 16 que são fornecidos axialmente acima/abaixo de um plano que é perpendicular ao eixo de rotação e axialmente acima/abaixo das bobinas condutoras, constituem um conjunto particularmente limpo e bem organizado de conexões. Além disso, as conexões são fáceis de fazer, o que reduz a probabilidade de uma conexão ruim, e o estator pode ser impregnado com resina sem impregnar os meios de conexão, o que permite que as conexões sejam verificadas e fixadas mesmo após impregnação do conjunto de estator.

[00131] Primeiramente, em referência à Figura 4B, há um primeiro meio de conexão 15 que está posicionado axialmente acima de um plano que é perpendicular ao eixo de rotação do motor 100 e que está axialmente acima das bobinas condutoras 12. Há também um segundo meio de conexão 16 que está posicionado axialmente abaixo de um plano que é perpendicular ao eixo de rotação do motor 100 e que está axialmente abaixo das bobinas condutoras 12. No caso do estator 10, o qual é configurado para uso com uma fonte de alimentação trifásica, os meios de conexão 15 e 16 incluem provisão para cada uma das 3 fases. No entanto, isto pode ser estendido a uma fonte de alimentação multifásica com qualquer número de fases.

[00132] No arranjo de conexão particular das Figuras 4A-4C, o qual será denominado como um arranjo de conexão paralela, cada um dos meios de conexão 15, 16 inclui três conexões de fase e uma conexão em estrela. Ou seja, o primeiro meio de conexão 15 inclui uma primeira conexão de fase 151 para uma primeira fase da fonte de alimentação, uma segunda conexão de fase 152 para uma segunda fase da fonte de alimentação, uma terceira conexão 153 para uma terceira fase da fonte de alimentação e uma conexão em estrela 154. Da mesma forma, o segundo meio de conexão 16 inclui uma primeira conexão de fase 161 para a primeira fase da fonte de alimentação, uma segunda conexão de fase 162 para a segunda fase da fonte de alimentação, uma terceira conexão de fase 163 para a terceira fase da fonte de alimentação e uma conexão em estrela 164.

[00133] Nos exemplos descritos, as conexões de fase 151-153, 161- 163 e as conexões em estrela 154, 164 estão na forma de barramentos anulares cuja circunferência externa (embora também possa ser a circunferência interna) coincide substancialmente com as caudas externas que se estendem axialmente 128, 128' das bobinas condutoras. Os barramentos de conexão de fase 151-153, 161-163 são, em si, conectados à fonte de alimentação por meio das entradas 1510- 1530, 1610-1630.

[00134] No arranjo de conexão paralela ilustrado, cada bobina condutora 12 é conectada a uma fase da fonte de alimentação ao conectar a bobina 12 a uma das conexões de fase de um dos meios de conexão 15, 16 (como um exemplo, conexão de fase 151) e à conexão em estrela do outro dos meios de conexão 15, 16 (no exemplo, conexão em estrela 164). A conexão de uma bobina condutora 12 a uma conexão de fase 151 e uma conexão em estrela 164 é ilustrada e agora será descrita com referência às Figuras 7A-7C.

[00135] As Figuras 7A-7C mostram uma bobina condutora 12 que tem dois elementos condutores 120, 120' conectados a uma primeira conexão de fase 151 do primeiro meio de conexão 15 e à conexão em estrela 164 do segundo meio de conexão 16. Uma vez que as caudas externas 128, 128' da bobina condutora 12 se estendem axialmente e em direções opostas, e uma vez que a circunferência dos barramentos 151, 164 coincide com as caudas externas que se estendem axialmente 128, 128', as caudas externas 128, 128' são facilmente conectadas às conexões 151, 164.

[00136] A fim de tornar a conexão ainda mais fácil, os barramentos anulares 151, 164 são dotados de meios receptores circunferencialmente espaçados 151a-h, 164a-x para receber as caudas externas que se estendem axialmente 128, 128' das bobinas 12. Na conexão paralela trifásica mostrada, cada conexão em estrela 154,

164 será conectada a metade de todas as bobinas 12, enquanto que cada conexão de fase 151-153, 161-163 será conectada apenas a uma em seis bobinas 12. Consequentemente, neste exemplo, a conexão em estrela 164 tem três vezes mais meios receptores igualmente espaçados 164a-x do que a primeira conexão de fase 151.

[00137] Voltando às Figuras 4A-4C, cada polo 11a-11p do estator 10 consiste em uma bobina condutora 12 para cada fase (ou seja, três bobinas condutoras 12 por polo 11a-p, uma vez que o estator é configurado para uso com uma alimentação trifásica), e as bobinas condutoras 12 circunferencialmente adjacentes estão conectadas a diferentes fases. Isto é ilustrado nas Figuras 11A e 11B para um estator de dezesseis polos 10 que está conectado a uma fonte de alimentação trifásica, mas para o qual apenas metade dos condutores são mostrados e, portanto, apenas 24 bobinas condutoras 12 circunferencialmente distribuídas podem ser vistas.

[00138] Em vista disso, no arranjo de conexão paralela trifásica ilustrado nas Figuras 4, 7-9 e 11-12, cada sexta bobina condutora 12 será conectada aos meios de conexão 15, 16 da mesma maneira. Isto é ilustrado nas Figuras 8A e 8B. Pode ser que haja oito bobinas condutoras 12a-g igualmente espaçadas conectadas à mesma conexão de fase 151 e à mesma conexão em estrela 164. Embora não mostrado nas Figuras 8A-8B, será reconhecido que, na metade do trajeto entre cada uma das bobinas, estará outra bobina 12 conectada à mesma fase da fonte de alimentação, mas através de um conjunto complementar de barramentos. Ou seja, para a conexão de fase 161 e a conexão em estrela 154.

[00139] As bobinas condutoras 12 que correspondem às outras fases da fonte de alimentação serão conectadas essencialmente da mesma maneira conforme descrito acima para uma fase. Para ilustrar isto, as Figuras 9A-9C mostram como duas bobinas condutoras 12 circunferencialmente adjacentes estão conectadas no arranjo de conexão paralela.

[00140] As Figuras 9A-9C mostram duas bobinas condutoras 12a, 12b circunferencialmente adjacentes. A bobina condutora 12a é conectada de maneira similar à bobina condutora 12 nas Figuras 7A- 7C. Ou seja, a bobina 12a está conectada à segunda conexão de fase 152 e à conexão em estrela 164. A bobina 12b, sendo circunferencialmente adjacente à bobina 12a, está conectada a uma fase diferente da fonte de alimentação e, portanto, está conectada a um par diferente de barramentos. Especificamente, mas sem perda de generalidade, a bobina 12b circunferencialmente adjacente está conectada à terceira conexão de fase 163 do segundo meio de conexão 16 e à conexão em estrela 154 do primeiro meio de conexão.

[00141] As conexões das bobinas condutoras 12 foram descritas acima com referência a um arranjo de conexão paralela. No entanto, outros arranjos de conexão são possíveis. Para ilustrar isto, a Figura 10 mostra um arranjo alternativo, o qual será denominado como um arranjo de conexão em série.

[00142] No arranjo de conexão em série da Figura 10, o primeiro meio de conexão 15' que está acima das bobinas condutoras 12 difere dos meios de conexão 15 das Figuras 4, 7-9 e 11-12 pelo fato de que não inclui uma conexão em estrela: inclui apenas uma primeira conexão de fase 151', uma segunda conexão de fase 152' e uma terceira conexão de fase 153'. No entanto, o segundo meio de conexão 16' é o mesmo que o segundo meio de conexão 16 das Figuras 4, 7-9 e 11-12 pelo fato de que tem três conexões de fase 161', 162', 163' e uma conexão em estrela 164'. Para compensar a falta de conexão em estrela no primeiro meio de conexão 15', as bobinas condutoras 12 são conectadas de uma maneira diferente. As conexões de fase 151'-153' do primeiro meio de conexão 15' também atendem duas vezes mais bobinas condutoras 12 e, portanto, têm meios receptores adicionais comparado com os meios receptores do segundo meio de conexão 16' e os primeiro e segundo meio de conexão 15, 16 do arranjo de conexão paralela.

[00143] A Figura 10 ilustra o arranjo de conexão em série para dois polos de estator 11 e 11' circunferencialmente adjacentes. Assim como o arranjo de conexão paralela, cada polo 11, 11' inclui uma bobina condutora por polo, dando três bobinas por polo: o polo 11 consiste nas bobinas condutoras 12a, 12b e 12c e o polo 11' consiste nas bobinas condutoras 12a', 12b' e 12c'. Também conforme com o arranjo de conexão paralela, as bobinas circunferencialmente adjacentes são conectadas a diferentes fases. No entanto, enquanto que as bobinas da mesma fase, mas polos adjacentes (12a e 12a', por exemplo) no arranjo de conexão paralela são essencialmente conectadas de forma independente e formam trajetos de corrente separados, no arranjo de conexão em série suas conexões estão relacionadas e fazem parte de o mesmo trajeto atual.

[00144] Considerando apenas as bobinas 12a, 12a' que estão conectadas à mesma fase, a bobina 12a do primeiro polo 11 é conectada através de suas caudas externas à conexão de fase 153' do primeiro meio de conexão e à conexão de fase 163' do segundo meio de conexão. A bobina 12a' do segundo polo adjacente 11' é conectada à conexão de fase 153' do primeiro meio de conexão 15' e à conexão em estrela 164' do segundo meio de conexão. O trajeto da corrente pode, portanto, ser considerado como ocorrendo a partir da conexão de fase 163' através da bobina 12a, então, ao longo da conexão de fase 153' e, então, através da bobina 12a' para a conexão em estrela 164'.

[00145] Diferentes arranjos de conexão podem ser usados para diferentes aplicações práticas. Por exemplo, o arranjo de conexão em série descrito acima fornece, teoricamente, uma constante de torque da máquina (medida em Nm/A) que é duas vezes mais alta do que aquela fornecida pelo arranjo de conexão paralela descrito acima. Isto será melhor para algumas aplicações práticas, embora certamente não para todas.

[00146] Embora os meios de conexão 15, 15' tenham sido descritos como estando acima das bobinas 12 e os meios de conexão 16, 16' tenham sido descritos como estando abaixo das bobinas, deve ser reconhecido que ambos os pares 15, 16; 15', 16' podem estar acima das bobinas ou ambos os pares 15, 16; 15', 16' podem estar abaixo das bobinas. Neste caso, pode ser preferível produzir bobinas 12 cujas caudas externas 128, 128' se estendam na mesma direção axial, em vez de direções axiais opostas.

[00147] Além disso, embora os meios de conexão 15, 16, 15'e 16' tenham sido descritos como barramentos anulares contínuos, esta é apenas uma maneira de implementar os meios de conexão. Por exemplo, os meios de conexão podem não ser contínuos ou anulares e, em vez disso, podem assumir a forma de uma série de duas ou mais seções de barramento circunferencialmente distribuídas. Muitos outros tipos de meios de conexão ocorrerão para aqueles versados na técnica. Fabricação de Estator

[00148] As características e construção das bobinas condutoras 12 descritas acima permitem uma fabricação particularmente eficiente e eficaz de um estator que inclui uma pluralidade de bobinas 12 circunferencialmente distribuídas. De significado particular é o fato de que as próprias bobinas 12 constituem uma estrutura na qual guias de fluxo 30, por exemplo, na forma de pacotes de laminação, podem ser fornecidos. Isto torna a colocação dos guias de fluxo 30 no conjunto de estator 1 uma tarefa comparativamente simples e precisa, especialmente comparado com muitas técnicas de fabricação conhecidas que podem envolver enrolar bobinas em torno de estruturas similares a carretéis que alojam pacotes de laminação e, em seguida, prender separadamente (usando cola, por exemplo) as estruturas similares a carretéis enroladas em um estator. Várias outras vantagens serão descritas.

[00149] A Figura 13 é um fluxograma que ilustra um método 500 para fabricar um estator.

[00150] O método 500 inclui fornecer 510 uma pluralidade de bobinas condutoras, tais como as bobinas condutoras 12 descritas acima. De preferência, as bobinas condutoras 12 têm uma pluralidade de pares circunferencialmente sobrepostos de seções ativas que se estendem radialmente afastadas circunferencialmente (tal como na bobina 12 das Figuras 6A-6D), de modo que cada bobina 12 forneça espaços do segundo tipo. No entanto, as bobinas 12 podem ter apenas um par separado de seções ativas (conforme na bobina das Figuras 5A- 5D). As bobinas condutoras 12 podem ter sido formadas como uma única peça integral ao conectar vários elementos condutores 120 em série ou de qualquer outra forma.

[00151] Em 520, o método 500 inclui posicionar uma pluralidade das bobinas condutoras 12 em uma carcaça de estator, de modo que a pluralidade de bobinas seja distribuída circunferencialmente em torno da carcaça do estator. De preferência, as bobinas condutoras são posicionadas de modo que as bobinas condutoras circunferencialmente adjacentes se sobreponham circunferencialmente e, assim, definam espaços do primeiro tipo para receber guias de fluxo. A sobreposição circunferencial de bobinas 12 circunferencialmente adjacentes pode ser assegurada ao fornecer um número apropriado de bobinas 12 de um espaçamento de bobinas γ adequado dentro da carcaça. Conforme observado acima, onde as bobinas 12 têm múltiplos pares de seções ativas de modo que cada uma das bobinas define espaços do segundo tipo, os espaços dos primeiro e segundo tipos podem coincidir entre si.

[00152] A carcaça do estator 20 pode ser dotada de uma pluralidade de aberturas circunferencialmente espaçadas que se estendem axialmente 25 para receber as bobinas 12. Isto torna o posicionamento das bobinas 12 na carcaça do estator mais fácil e mais preciso. Vantajosamente, se as bobinas 12 são formadas de modo a ter uma parte externa que se estende axialmente 133, a parte externa que se estende axialmente 133 pode ser recebida dentro das aberturas que se estendem axialmente 25. Uma vez que a parte externa que se estende axialmente 133 tem uma grande área de superfície, elas permitem um bom travamento mecânico das bobinas 12 na carcaça do estator para montagem sem a necessidade de cola (por exemplo) e também constituem uma fonte de resfriamento do estator. As aberturas 25 circunferencialmente distribuídas para receber as bobinas 12 podem ser vistas mais claramente nas Figuras 12A-12C.

[00153] Opcionalmente, em 530, o método 500 inclui posicionar guias de fluxo 30, tais como pacotes de laminação, nos espaços (dos primeiro e/ou segundo tipos) definidos pelas bobinas 12. Conforme explicado acima, a sobreposição de bobinas adjacentes cria espaços do primeiro tipo 141a, 141b, 141c entre seções ativas de diferentes bobinas. Se as bobinas 12 compreenderem, cada uma, mais de um par de seções ativas que se estendem radialmente (conforme nas Figuras 6A-6D), os pares de espaços 142a, 142a' do segundo tipo também serão definidos dentro de cada bobina condutora 12. Em ambos os casos, os guias de fluxo também podem ser posicionados dentro dos espaços. Uma vez que as próprias bobinas 12 constituem uma estrutura com espaços definidos, o posicionamento dos pacotes de laminação na estrutura é simples, rápido e preciso. Em combinação com o fornecimento de aberturas 25 na carcaça do estator 20 para receber as bobinas 12, isto significa que ambos os componentes do núcleo do estator (as seções ativas das bobinas 12 e os guias de fluxo 30) podem ser posicionados de forma rápida e muito precisa comparado com muitas técnicas conhecidas. Será reconhecido que os componentes centrais posicionados com precisão reduzem as perdas e, portanto, melhoram a eficiência da máquina.

[00154] Opcionalmente, em 540, o método 500 inclui conectar a pluralidade de bobinas 12 aos meios de conexão 15, 16 de modo que as bobinas possam ser conectadas à fonte de alimentação multifásica. Isto pode ser feito através de qualquer maneira desejada, por exemplo, conforme descrito acima, usando barramentos nos arranjos de conexão em paralelo ou em série.

[00155] Opcionalmente, em 550, o método 500 em inclui impregnar pelo menos parte do conjunto de estator 1 em um composto de ligação, tal como uma resina. Isto fortalece a estrutura do estator e, portanto, protege o conjunto de estator 1 contra o eletroímã e as forças mecânicas que ele experimenta em uso. Além disso, a condução térmica entre os constituintes do estator pode ser aumentada se o composto de ligação tiver um coeficiente de transferência térmica significativamente maior do que o ar.

[00156] Se os meios de conexão 15, 16 estiveram posicionados axialmente acima e/ou abaixo das bobinas 12 conforme descrito acima, a impregnação do estator pode ocorrer antes ou depois das bobinas serem conectadas aos meios de conexão. Além disso, e vantajosamente, se os próprios meios de conexão 15, 16 não estiverem impregnados, as conexões podem ser testadas, trocadas e, se necessário, substituídas após a impregnação. Isto é altamente desejável, uma vez que uma conexão defeituosa em um estator impregnado de resina pode, de outra forma, tornar todo estator inutilizável e não reparável. Eficiência da Máquina

[00157] Descobriu-se que as máquinas de fluxo axial 100 que compreendem o conjunto de estator 1 descrito no presente documento fornecem não apenas uma alta eficiência de pico, mas uma alta eficiência em uma ampla faixa de parâmetros operacionais. Embora altos picos de eficiência sejam frequentemente citados, eles raramente são alcançados na prática, especialmente em aplicações onde a máquina deve funcionar em uma variedade de parâmetros operacionais. A eficiência em uma ampla variedade de parâmetros é, portanto, uma medida significativa mais prática para muitas aplicações.

[00158] Para ilustrar isto, a Figura 14 é um mapa de eficiência que mostra a eficiência medida de uma máquina de fluxo axial que compreende o conjunto de estator das Figuras 12A-12C para uma faixa de valores de torque e velocidade que são comumente usados em muitas aplicações. Contornos de eficiência constante são incluídos no mapa de eficiência. Conforme pode ser visto, além de uma alta eficiência de pico (93%), a eficiência permanece muito alta para quase toda a área do mapa de eficiência e alta (mais de 80%) mesmo em uma velocidade relativamente baixa de 500 rpm até um torque de 30 Nm.

[00159] Pode haver uma série de razões diferentes para as altas eficiências que o conjunto de estator 1 é capaz de atingir. Algumas delas serão descritas agora.

[00160] Primeiramente, conforme explicado acima, a estrutura quase autoformada dos componentes condutores do estator 10 que é conferida pela geometria das bobinas 12 permite a colocação muito precisa dos componentes do núcleo do estator. O posicionamento preciso dos componentes do núcleo significa que há melhor acoplamento dos campos do estator e do rotor, e um alto grau de simetria em torno da circunferência do estator, o que melhora a geração ou torque.

[00161] Outra vantagem significativa é a geração de um campo de estator com uma densidade de fluxo magnético sinusoidal mais precisa.

Conforme será entendido por aqueles versados na técnica, quanto maior o número de slots por polo por fase no estator, mais sinusoidal pode ser a densidade de fluxo magnético. As bobinas 12 e o estator 10 descritos acima podem fornecer um número aumentado de slots por polo por fase, aumentando o número de elementos condutores 120 por bobina condutora 12, e este número pode ser facilmente aumentado (se, por exemplo, o raio do estator pode ser aumentado para uma aplicação específica). Uma vantagem de uma densidade de fluxo magnético altamente sinusoidal é que a densidade de fluxo tem um teor de harmônicos relativamente baixo. Com um baixo teor de harmônicos, mais do acoplamento dos campos do rotor e do estator envolve os componentes fundamentais da densidade do fluxo, e menos envolve a interação com os componentes harmônicos. Isto reduz a geração de correntes parasitas nos ímãs do rotor o que, por sua vez, reduz as perdas por aquecimento. Em contraste, muitos motores de fluxo axial conhecidos usam um arranjo de enrolamento concentrado que fornece apenas um número limitado (por exemplo, fracionário) de slots por polo por fase, o que gera uma densidade de fluxo muito mais trapezoidal com componentes harmônicos mais significativos.

[00162] Embora as bobinas 12 possam ser implementadas usando tiras que se estendem axialmente, elas são, de preferência, implementadas usando um arranjo de enrolamento axialmente empilhado ilustrado nas Figuras 5A-5D e 6A-6D. Embora muitos fabricantes de motores possam considerar isto uma desvantagem porque pode ser considerado uma redução do fator de enchimento no núcleo do estator, os inventores descobriram que esta desvantagem é compensada pela redução nos efeitos de aderência e proximidade que fazem com que as correntes fluam ao redor do exterior da seção transversal do condutor e predominantemente as porções axialmente externas das seções ativas. O número de enrolamentos na direção axial pode ser selecionado para equilibrar estas duas considerações.

[00163] É descrita acima uma série de modalidades com várias características opcionais. Deve ser reconhecido que, exceto quanto a quaisquer características mutuamente exclusivas, qualquer combinação de uma ou mais das características opcionais é possível.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Estator (1, 10) para uma máquina elétrica de fluxo axial (100), o estator (1, 10) caracterizado pelo fato de que compreende uma pluralidade de bobinas condutoras circunferencialmente distribuídas (12), cada uma dentre a pluralidade de bobinas condutoras (12) configurada para ser conectada a uma fase de uma fonte de alimentação multifásica e compreendendo pelo menos um par de seções ativas (121a, 121b), em que cada seção ativa (121a, 121b) se estende em uma direção geralmente radial substancialmente perpendicular a um eixo de rotação da máquina elétrica (100), em que as seções ativas que se estendem de modo geralmente radial (121a, 121b) de cada par são afastadas em uma direção circunferencial e em que bobinas condutoras circunferencialmente adjacentes (12) se sobrepõem circunferencialmente para definir espaços de um primeiro tipo (141a, 141b, 141c) para receber um guia de fluxo (30), cada espaço do primeiro tipo (141a, 141b, 141c) sendo um espaço circunferencial entre duas seções ativas adjacentes de duas bobinas diferentes (12).

2. Estator, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que, em uso, a corrente flui em direções radiais opostas ao longo das seções ativas de cada par de seções ativas de cada bobina.

3. Estator, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que cada bobina condutora compreende uma pluralidade de pares de seções ativas conectadas entre si em série e em que pares adjacentes de seções ativas se sobrepõem circunferencialmente de modo a definir um espaço de um segundo tipo para receber um guia de fluxo, o espaço do segundo tipo sendo um espaço circunferencial entre duas seções ativas adjacentes da mesma bobina, mas diferentes pares de seções ativas da bobina.

4. Estator, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o número de pares de seções ativas de cada bobina é um múltiplo inteiro de dois.

5. Estator, de acordo com a reivindicação 3 ou 4, caracterizado pelo fato de que a pluralidade de pares de seções ativas de cada bobina são formados integralmente ou formados ao conectar, em série, uma pluralidade de elementos separados, cada um compreendendo um par de seções ativas.

6. Estator, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que compreende ainda guias de fluxo posicionados nos primeiro e/ou segundo tipos de espaços.

7. Estator, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a pluralidade de bobinas condutoras é fornecida em uma pluralidade de grupos, cada grupo correspondendo a um polo do estator.

8. Estator, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que as bobinas condutoras circunferencialmente adjacentes são configuradas para serem conectadas a diferentes fases da alimentação multifásica de modo que, para uma fonte de alimentação de N fases, o estator compreenda uma pluralidade de grupos de N bobinas condutoras, cada grupo de N bobinas condutoras compreendendo uma bobina para cada fase da fonte de alimentação de N fases, cada grupo correspondendo a um polo do estator.

9. Estator, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que, em uso, a corrente flui na mesma direção ao longo de seções ativas adjacentes separadas por um dos espaços do segundo tipo para um guia de fluxo.

10. Estator, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que as seções ativas de cada par de seções ativas são axialmente deslocadas entre si.

11. Estator, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que cada seção ativa compreende uma pluralidade de porções de espira de enrolamento circunferencialmente empilhadas.

12. Estator, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que cada seção ativa compreende uma pluralidade de porções de espira de enrolamento empilhadas paralelamente ao eixo de rotação, de modo que uma seção transversal perpendicular à direção radial de cada seção ativa seja alongada com uma dimensão maior paralela ao eixo de rotação.

13. Estator, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que as porções de espiras de enrolamento das primeira e segunda seções ativas que se estendem de modo geralmente radial têm extremidades proximais localizadas em um raio interno e extremidades distais localizadas em um raio externo, e em que as extremidades proximais das porções de espiras de enrolamento são conectadas através de seções de circuito interno e as extremidades distais são conectadas através de seções de circuito externo de modo que, em uso, a corrente flui em direções radiais opostas ao longo do par de seções ativas que se estendem radialmente.

14. Estator, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que as seções de circuito externo são configuradas para formar uma parte externa da bobina que é substancialmente paralela ao eixo de rotação.

15. Estator, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que cada seção de circuito externo compreende uma seção substancialmente semicircular ou retangular, de modo que a parte externa da bobina seja um meio disco ou superfície retangular.

16. Estator, de acordo com a reivindicação 14 ou 15, caracterizado pelo fato de que compreende ainda uma carcaça de estator que compreende aberturas circunferencialmente distribuídas e que se estendem axialmente para receber as partes externas das bobinas condutoras que são substancialmente paralelas ao eixo de rotação.

17. Estator, de acordo com as reivindicações 13 a 16, caracterizado pelo fato de que as seções de circuito externo são configuradas para formar uma porção substancialmente involuta.

18. Estator, de acordo com qualquer uma das reivindicações 13 a 17, caracterizado pelo fato de que as seções de circuito interno são configuradas para formar uma parte interna da bobina que é substancialmente paralela ao eixo de rotação.

19. Estator, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que cada seção de circuito interno é substancialmente semicircular ou retangular, de modo que a parte interna da bobina seja um meio disco ou superfície retangular.

20. Estator, de acordo com qualquer uma das reivindicações 13 a 19, caracterizado pelo fato de que as seções de circuito interno são configuradas para formar uma seção substancialmente involuta da bobina.

21. Estator, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que compreende ainda meios de conexão para conectar as bobinas condutoras à fonte de alimentação multifásica.

22. Estator, de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato de que o meio de conexão está posicionado axialmente acima de um plano que é perpendicular ao eixo de rotação e axialmente acima das bobinas condutoras e/ou está posicionado abaixo de um plano que é perpendicular ao eixo de rotação e axialmente abaixo das bobinas condutoras.

23. Estator, de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo fato de que cada uma dentre a pluralidade de bobinas condutoras compreende um par de porções de conexão que se estendem de modo substancialmente paralelo ao eixo de rotação para conectar as bobinas condutoras aos meios de conexão.

24. Estator, de acordo com qualquer uma das reivindicações 21 a 23, caracterizado pelo fato de que os meios de conexão compreendem uma pluralidade de barramentos.

25. Estator, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que, para cada fase da fonte de alimentação multifásica, cada segunda bobina do estator que está conectada à dita fase é conectada a um barramento em comum.

26. Máquina elétrica de fluxo axial sem coroa, caracterizada pelo fato de que compreende o estator, como definido em qualquer uma das reivindicações anteriores.

27. Máquina elétrica de fluxo axial sem coroa, de acordo com a reivindicação 26, caracterizada pelo fato de que compreende ainda um par de rotores opostos posicionados em lados opostos do estator, cada rotor compreendendo uma pluralidade de ímãs permanentes circunferencialmente distribuídos que definem um passo de polo da máquina elétrica, em que o ângulo pelo qual cada par de seções ativas é separado é diferente do passo de polo da máquina elétrica definido pelos ímãs permanentes.

28. Máquina elétrica de fluxo axial sem coroa, de acordo com a reivindicação 27, caracterizada pelo fato de que o ângulo pelo qual cada par de seções ativas é afastado é menor do que o passo de polo.

29. Máquina de fluxo axial sem coroa, de acordo com qualquer uma das reivindicações 26 a 28, caracterizada pelo fato de que um do par de rotores opostos é compartilhado entre o estator e um segundo estator axialmente alinhado.

30. Método de fabricação de um estator de uma máquina elétrica de fluxo axial caracterizado pelo fato de que compreende:

posicionar uma pluralidade de bobinas condutoras em uma carcaça de estator, de modo que a pluralidade de bobinas esteja circunferencialmente distribuída em torno da carcaça do estator, em que as bobinas condutoras são posicionadas de modo que bobinas condutoras circunferencialmente adjacentes se sobreponham circunferencialmente e, assim, definam espaços de um primeiro tipo que recebem um guia de fluxo, o espaço do primeiro tipo sendo um espaço circunferencial na região onde duas bobinas se sobrepõem; e posicionar guias de fluxo nos espaços do primeiro tipo.

31. Método, de acordo com a reivindicação 30, caracterizado pelo fato de que cada bobina condutora compreende pelo menos um par de seções ativas, em que cada seção ativa se estende em uma direção geralmente radial substancialmente perpendicular a um eixo de rotação da máquina elétrica, e em que as seções ativas que se estendem de forma geralmente radial a partir de cada par são afastadas em uma direção circunferencial, de modo que cada espaço do primeiro tipo seja um espaço circunferencial entre duas seções ativas adjacentes de duas bobinas diferentes.

32. Método, de acordo com a reivindicação 30 ou 31, caracterizado pelo fato de que cada bobina condutora compreende uma pluralidade de pares de seções ativas conectadas entre si em série, em que pares adjacentes de seções ativas se sobrepõem circunferencialmente de modo a definir um espaço de um segundo tipo para receber um guia de fluxo, o espaço do segundo tipo sendo um espaço circunferencial entre duas seções ativas adjacentes da mesma bobina, mas diferentes pares de seções ativas da bobina, e em que o método compreende ainda posicionar guias de fluxo nos espaços do segundo tipo.

33. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 30 a 32, caracterizado pelo fato de que a carcaça do estator compreende uma pluralidade de aberturas circunferencialmente distribuídas e que se estendem axialmente, e em que o posicionamento de cada uma dentre a pluralidade de bobinas condutoras na carcaça do estator compreende posicionar uma parte que se estende axialmente de uma bobina em uma das aberturas que se estendem axialmente.

34. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 30 a 33, caracterizado pelo fato de que compreende ainda impregnar pelo menos parte do estator em um composto de ligação.