BR112021014769A2 - Máquina elétrica de fluxo axial - Google Patents

Abstract

máquina elétrica de fluxo axial. a presente invenção refere-se a uma bobina condutora (12) para um estator (1) de máquina elétrica de fluxo axial sem coroa (yokeless) com enrolamentos e guias de fluxo (30) distribuídos, um estator (1) que compreende uma pluralidade de tais bobinas, uma máquina elétrica de fluxo axial sem coroa (yokeless)(100) que compreende o estator (1) e um método (500) de fabricação de um estator (1). a bobina condutora (12) compreende uma primeira seção ativa (121a) e uma segunda seção ativa (121b), cada seção ativa (121a), (121b) se estendendo em uma direção geralmente radial substancialmente perpendicular a um eixo de rotação da máquina elétrica e compreendendo uma pluralidade de porções de espiras de enrolamento (131a), (131b) empilhadas paralelamente ao eixo de rotação, de modo que uma seção transversal perpendicular à direção radial de cada seção ativa (121a), (121b) seja alongada com uma dimensão principal paralela ao eixo de rotação. a segunda seção ativa (121b) é afastada em uma direção circunferencial e axialmente deslocada da primeira seção ativa (121a).

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÁQUI- NA ELÉTRICA DE FLUXO AXIAL". Campo Técnico

[0001] A presente invenção refere-se a máquinas elétricas de fluxo axial e, em particular, a um conjunto de estator para uma máquina elé- trica de fluxo axial. Antecedentes

[0002] 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 pres- sões 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 elé- tricos, motocicletas, barcos e aeronaves. Elas também são usadas em aplicações de geração de energia, por exemplo, geradores em turbi- nas eólicas.

[0003] Para atender às necessidades destas aplicações, será ne- cessário projetar máquinas elétricas que possuam propriedades de desempenho adequadas, tais como velocidade e torque, e alta eficiên- cia. A eficiência das máquinas elétricas é extremamente importante em quase todas as aplicações: ela pode, por exemplo, aumentar o al- cance 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 eficiên- cia.

[0004] Um tipo conhecido de máquina elétrica é a máquina de flu- xo axial. Conforme o nome sugere, a direção das linhas de fluxo mag- nético 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 exten- são axial relativamente pequena) e propriedades de desempenho (tal como uma elevada proporção torque/peso) são reconhecidos.

[0005] Um exemplo de uma máquina de fluxo axial sem coroa (yo- keless) 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 in- clui dentes de estator distintos circunferencialmente distribuídos, cada um com um material ferromagnético em torno do qual há um enrola- mento 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 rece- ber 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 es- tendem radialmente para dentro da carcaça forneçam alguma estrutu- ra para receber os dentes do estator distintos, há dificuldades associa- das ao posicionamento e ligação de cada dente do estator com preci- são 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

[0006] 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 confe- rem alta eficiência da máquina, facilidade de fabricação e boa condu- ção térmica das bobinas para a carcaça do estator, o que auxilia no resfriamento.

[0007] Ao longo da presente invenção, a menos que qualificado de outra forma, Termos tais como "radial", "axial", "circunferencial" e "ân- gulo" são usados no contexto de um sistema de coordenadas polares cilíndricas (r, 8, 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 di- reção perpendicular ao eixo de rotação, um "ângulo" é um ângulo na direção do azimute 8 e "circunferencial" refere-se à direção do azimute em torno do eixo de rotação.

[0008] 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 di- reção axial. Para ilustrar, embora seja bem sabido que a força de Lo- rentz experimentada por um condutor de corrente em um campo mag- nético 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, por- tanto, não alterarão os princípios básicos de operação.

[0009] 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 primeiro aspecto da presente invenção, é fornecido uma bobina condutora para um estator de máquina elétrica de fluxo axial sem coroa (yokeless) com enrolamentos distribuídos. À bobina condutora compreende uma primeira seção ativa e uma se- gunda seção ativa. Cada seção ativa se estende em uma direção ge- ralmente radial substancialmente perpendicular a um eixo de rotação da máquina elétrica e compreende uma pluralidade de porções de es- pira de enrolamento empilhadas paralelamente ao eixo de rotação, de modo que uma seção transversal perpendicular à direção radial de ca- da seção ativa seja alongada com uma dimensão principal paralela ao eixo de rotação. A segunda seção ativa é afastada em uma direção circunferencial e axialmente deslocada da primeira seção ativa.

[0011] As bobinas condutoras deste tipo permitem facilidade de fabricação de um estator que é construído usando bobinas condutoras, bem como alta eficiência da máquina. Por exemplo, as bobinas condu- toras podem formar uma estrutura na qual guias de fluxo, tais como pacotes de laminação, podem ser colocados. Isto permite que o esta- tor seja fabricado rapidamente e também com um alto grau de preci- são, o que melhora a eficiência da máquina elétrica. Além disso, o deslocamento axial das seções ativas facilita o empilhamento das bo- binas nas direções axial e circunferencial. O uso de curvas de enrola- mento axialmente empilhadas também atenua os efeitos de aderência e proximidade nas seções ativas. Isto ocorre porque a seção transver- sal de cada espira do enrolamento é menor e, dado que as espiras de enrolamento são conectadas em série, a corrente é deterministicamen- te governada para fluir ao longo de toda a extensão axial de cada se- ção ativa. Isto reduz o aquecimento e melhora a ligação de fluxo.

[0012] De acordo com este primeiro aspecto, a bobina condutora pode opcionalmente compreender uma pluralidade de pares de seções ativas conectadas entre si em série. Pares adjacentes de seções ati- vas podem se sobrepor circunferencialmente de modo a definir um es- paço de um segundo tipo para receber um guia de fluxo. O espaço do segundo tipo é um espaço circunferencial entre duas seções ativas adjacentes de diferentes pares de seções ativas da bobina. O espaço circunferencial, assim como as seções ativas que o definem, se esten- dem de modo substancialmente radial e pode ser alongado na direção radial. Cada par adicional de seções ativas por bobina aumenta, vanta- josamente, o número de slots por polo por fase em um. Isto pode re- duzir as perdas e, portanto, melhorar a eficiência, uma vez que um número maior de slots por polo por fase pode resultar em uma densi- dade de fluxo magnético senoidal mais precisa. Além disso, o número de seções ativas por bobina pode ser dimensionado com o raio da máquina.

[0013] De acordo com um segundo aspecto da presente invenção, é fornecida uma bobina condutora para um estator de uma máquina elétrica de fluxo axial sem coroa. A bobina condutora compreende dois pares de seções ativas. Cada seção ativa se estende em uma direção geralmente radial substancialmente perpendicular a um eixo de rota- ção da máquina elétrica. As seções ativas que se estendem de modo geralmente radial de cada par são afastadas em uma direção circunfe- rencial. Os dois pares de seções ativas se sobrepõem de modo parci- almente circunferencial para definir um espaço de um segundo tipo para receber um guia de fluxo. O espaço do segundo tipo é um espaço circunferencial entre duas seções ativas adjacentes de diferentes pa- res de seções ativas da bobina. O espaço circunferencial, assim como as seções ativas que o definem, se estende de modo substancialmen- te radial e pode ser alongado.

[0014] As bobinas condutoras de acordo com o segundo tipo de aspecto permitem facilidade de fabricação de um estator que é cons- truído usando as bobinas condutoras, bem como alta eficiência da máquina. Por exemplo, quando uma pluralidade de tais bobinas é dis- tribuída circunferencialmente em torno de um anel de estator, a estru- tura de bobina resultante terá espaços circunferencialmente distribuí-

dos (do segundo tipo) nos quais guias de fluxo podem ser fornecidos. Isto permite que o estator seja fabricado rapidamente, com um grande número de guias de fluxo, e também com um alto grau de precisão que melhora a eficiência da máquina elétrica. Além disso, uma vez que cada bobina tem (pelo menos) dois pares de seções ativas afastadas, as bobinas fornecerão um estator com (pelo menos) dois slots por polo por fase, o que torna a densidade de fluxo magnético gerada pelo es- tator mais senoidal, com componentes harmônicos menos significati- vos. Para corrente com variação senoidal, o torque médio produzido pela máquina elétrica resulta 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 corren- tes parasitas nos ímãs permanentes dos rotores o que, por sua vez, causa maiores perdas e aumento do aquecimento. Além disso, quais- quer componentes harmônicos adicionais na distribuição da força magnetomotriz do enrolamento podem causar perdas aumentadas nos guias de fluxo. Além disso, o número de pares de seções ativas por bobina pode ser escalonado com o raio da máquina e/ou pela escolha do espaçamento (passo) entre as seções ativas que formam cada par. Cada par adicional de seções ativas por bobina, portanto, aumenta o número de slots por polo por fase em um, de forma que maiores efici- ências são atingidas, especialmente à medida que o tamanho da má- quina é aumentado.

[0015] De acordo com este segundo aspecto, cada seção ativa pode opcionalmente compreender uma pluralidade de porções de es- piras de enrolamento empilhadas paralelas ao eixo de rotação, de mo- do que uma seção transversal perpendicular à direção radial de cada seção ativa seja alongada com uma dimensão principal paralela ao eixo de rotação. O empilhamento axial das curvas isoladas do enrola-

mento atenua o efeito de aderência e proximidade nas seções ativas. Isto reduz o aquecimento, uma vez que a corrente é melhor dispersa pela seção transversal do condutor e melhora a ligação do fluxo.

[0016] De acordo com o segundo aspecto, cada par de seções ati- vas pode, opcionalmente, ser axialmente deslocado entre si. O deslo- camento axial das seções ativas facilita o empilhamento das bobinas na direção axial e circunferencial, o que confere flexibilidade ao espa- çamento (passo) entre cada par de seções ativas e também melhora a rigidez estrutural do enrolamento completo em virtude da natureza de intertravamento de bobinas. Isto também aumenta a ligação de fluxo no núcleo.

[0017] As seguintes características opcionais também podem se aplicar à bobina condutora do primeiro aspecto e à bobina condutora do segundo aspecto.

[0018] Em uso, a corrente flui em direções radiais opostas ao lon- go das seções ativas que formam o par de seções ativas (ou seja, a corrente flui ao longo da segunda seção ativa em uma direção oposta à corrente que flui ao longo da primeira seção ativa).

[0019] Cada seção ativa pode ter apenas uma única espira de en- rolamento de largura. Alternativamente, cada seção ativa pode com- preender 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, me- nor do que o número de porções de espiras de enrolamento axialmen- te 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 se-

ções ativas podem ter apenas duas porções de espiras de enrolamen- to de largura, mas compreendem mais de duas porções de espiras de enrolamento na direção axial. Por exemplo, a proporção entre o núme- ro 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 impe- dância 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.

[0020] As porções de espiras do enrolamento das primeira e se- gunda seções ativas que se estendem de modo geralmente radial de um par de seções ativas podem ter extremidades proximais localiza- das em um raio interno e extremidades distais localizadas em um raio externo. As extremidades proximais das porções de espiras do enro- lamento podem ser 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 flua em direções radiais opostas ao longo do par de seções ativas que se estendem radialmen- te.

[0021] 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 natu- reza estendida da parte externa da bobina fornece uma área de super- fície maior para travamento mecânico das bobinas e resfriamento na circunferência externa do estator.

[0022] Cada seção de circuito externo pode ter qualquer formato, mas pode, de preferência, ser substancialmente semicircular ou retan- gular, de modo que a parte externa da bobina seja uma superfície se- micircular ou retangular. A superfície da parte externa também pode ser curvada, por exemplo, em formato involuto. Estas superfícies criam uma grande área de superfície, mas também requerem um compri- mento relativamente limitado de condutor para uma dada extensão axial da bobina, o que reduz os custos de material.

[0023] Adicional ou alternativamente, as seções de circuito externo podem ser configuradas para formar uma parte substancialmente invo- luta da bobina. As partes involutas, as quais mantêm um espaço subs- tancialmente constante entre os elementos condutores adjacentes, fornecem um arranjo de intertravamento radial de bobinas circunferen- cialmente distribuídas. Pode haver duas partes externas substancial- mente involutas da bobina ao conectar a parte externa da bobina às duas seções ativas.

[0024] 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 rota- ção, a parte interna ocupa o mínimo de espaço circunferencial possí- vel. Isto é significativo, uma vez que o espaço físico é escasso no raio interno do estator.

[0025] Cada seção de circuito interno pode ter qualquer formato, mas pode, de preferência, ser substancialmente semicircular ou retan- gular, de modo que a parte interna da bobina seja uma superfície se- micircular ou retangular. A superfície da parte interna também pode ser curvada, por exemplo, em formato involuto. Estas formas requerem um comprimento relativamente limitado de condutor para serem im- plementadas, o que reduz os custos de material.

[0026] As seções de circuito interno podem ser configuradas para formar uma parte substancialmente involuta. As partes involutas, as quais mantêm um espaço substancialmente constante entre os ele- mentos condutores adjacentes, fornecem um arranjo de intertravamen- to radial de bobinas circunferencialmente distribuídas. Pode haver du- as partes internas substancialmente involutas da bobina ao conectar a parte interna da bobina às duas seções ativas.

[0027] 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 plurali- dade de elementos condutores idênticos, o que reduz os custos de fa- bricação.

[0028] A bobina condutora pode ser configurada de modo que, em uso, a corrente flua na mesma direção ao longo das seções ativas ad- jacentes da bobina separadas por um dos espaços para um guia de fluxo. Isto evita que a corrente que flui nestas seções ativas adjacentes seja contraproducente para a produção de torque.

[0029] 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 compre- endendo 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 por condutores de enrola- mento, ligação e formação, o que pode ser realizado usando técnicas que são relativamente baratas de implementar. Elementos de forma- ção integral podem ser caros, mas também podem permitir topologias de bobina mais complexas que não podem ser alcançadas ou são difí- ceis de obter por meio de técnicas de enrolamento usuais. Além disso, com elementos formados integralmente, o número de partes consti- tuintes do estator é reduzido.

[0030] A bobina condutora pode compreender primeira e segunda porções de conexão para conectar a bobina condutora a uma fonte de alimentação. As primeira e segunda porções de conexão podem se estender paralelamente ao eixo de rotação. As porções de conexão podem se estender na mesma direção paralela ou em direções parale- las opostas. As porções de conexão que se estendem paralelamente permitem uma conexão muito simples das bobinas à fonte de alimen- tação.

[0031] As primeira e segunda porções de conexão da bobina po- dem estar localizadas próximo a uma extremidade radialmente externa da bobina. Desta forma, as conexões podem ser feitas próximas ao raio externo do conjunto de estator, onde há mais espaço circunferen- cial do que, por exemplo, no raio interno do conjunto de estator. Isto significa que as conexões são menos compactadas, o que permite fa- cilidade de fabricação e conexões elétricas mais confiáveis.

[0032] Também é fornecido um estator para uma máquina elétrica de fluxo axial, o estator compreendendo uma pluralidade de bobinas condutoras de acordo com o primeiro aspecto. Também é fornecido um estator para uma máquina elétrica de fluxo axial, o estator compre- endendo uma pluralidade de bobinas condutoras de acordo com o se- gundo aspecto. Em qualquer caso, a pluralidade de bobinas conduto- ras pode ser distribuída circunferencialmente em torno do estator.

[0033] A pluralidade de bobinas condutoras pode ser fornecida em uma pluralidade de grupos, cada grupo correspondendo a um polo do estator.

[0034] Cada bobina condutora pode ser configurada para ser co- nectada a uma fase de uma fonte de alimentação multifásica.

[0035] 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 bo-

binas 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.

[0036] 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.

[0037] Bobinas condutoras circunferencialmente adjacentes po- dem se sobrepor circunferencialmente para definir espaços de um pri- meiro tipo para receber guias de fluxo. Cada espaço do primeiro tipo pode ser um espaço circunferencial entre duas seções ativas adjacen- tes de duas bobinas diferentes. Assim como as seções ativas que os definem, os espaços do primeiro tipo se estendem na direção radial e podem ser alongados na direção radial. Uma vez que as bobinas do estator formam naturalmente uma estrutura para receber guias de flu- xo, O estator pode ser fabricado com rapidez, e também com um alto grau de precisão, o que melhora a eficiência da máquina elétrica.

[0038] O estator pode compreender ainda guias de fluxo posicio- nados nos espaços dos primeiro e/ou segundo tipos.

[0039] O estator pode compreender ainda uma carcaça de estator. A carcaça de estator pode compreender aberturas circunferencialmen- te 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 fa- bricação e transferência térmica mais fáceis e precisas dos componen- tes condutores do estator através da carcaça do estator.

[0040] Também são fornecidas máquinas elétricas de fluxo axial que compreendem tais estatores. As máquinas de fluxo axial podem compreender um par de rotores opostos posicionados em lados opos-

tos do estator. Cada rotor pode ser dedicado exclusivamente a um es- tator, ou um ou mais rotores podem ser compartilhados entre dois es- tatores alinhados axialmente.

[0041] Também é fornecido um método de fabricação de um esta- tor de uma máquina elétrica de fluxo axial. O método compreende po- sicionar uma pluralidade de bobinas condutoras em uma carcaça de estator, de modo que a pluralidade de bobinas seja distribuída circun- ferencialmente em torno da carcaça do estator. Cada bobina conduto- ra compreende uma primeira seção ativa e uma segunda seção ativa, cada seção ativa se estendendo em uma direção geralmente radial substancialmente perpendicular a um eixo de rotação da máquina elé- trica e compreendendo uma pluralidade de porções de espira de enro- lamento 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 principal paralela ao eixo de rotação. A segunda seção ativa é afastada em uma direção circunfe- rencial e axialmente deslocada da primeira seção ativa.

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

[0043] Cada bobina condutora pode compreender 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 pode ser um espaço circunferenci-

al entre duas seções ativas adjacentes da mesma bobina, mas diferen- tes pares de seções ativas da bobina. O método compreende ainda posicionar guias de fluxo nos espaços. Conforme observado acima, vantajosamente, cada par adicional de seções ativas por bobina au- menta o número de slots por polo por fase em um, o que pode reduzir as perdas e, portanto, melhorar a eficiência. Além disso, o número de seções ativas por bobina pode ser dimensionado com o raio da má- quina, de modo que eficiências mais altas são possíveis com máqui- nas maiores.

[0044] Outro método de fabricação de um estator de uma máquina elétrica de fluxo axial é fornecido. O método compreende posicionar uma pluralidade de bobinas condutoras em uma carcaça de estator, de modo que a pluralidade de bobinas seja distribuída circunferencial- mente em torno da carcaça do estator. Cada bobina condutora com- preende dois pares de seções ativas, cada seção ativa se estendendo em uma direção geralmente radial substancialmente perpendicular a um eixo de rotação da máquina elétrica. As seções ativas que se es- tendem de modo geralmente radial de cada par são afastadas em uma direção circunferencial. Os dois pares de seções ativas de cada uma se sobrepõem de modo parcialmente circunferencial para definir um espaço de um segundo tipo para receber um guia de fluxo. O espaço do segundo tipo é um espaço circunferencial entre duas seções ativas adjacentes de diferentes pares de seções ativas da mesma bobina. O método compreende ainda posicionar guias de fluxo nos espaços.

[0045] Neste segundo método, cada seção ativa pode compreen- der uma pluralidade de porções de espiras 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 principal paralela ao eixo de rotação. Isto reduz o aquecimento, uma vez que a corrente é distribuída de maneira mais uniforme através da seção transversal condutora. As seções ativas de cada par podem ser axialmente deslocadas entre si. O deslocamento axial das seções ativas facilita o empilhamento das bobinas nas dire- ções axial e circunferencial, confere flexibiidade ao espaçamento (passo) entre cada par de seções ativas e também melhora a rigidez estrutural do enrolamento completo em virtude da natureza de intertra- vamento das bobinas.

[0046] Em ambos os métodos, as bobinas condutoras podem ser posicionadas de modo que bobinas condutoras circunferencialmente adjacentes se sobreponham circunferencialmente e, assim, definam espaços de um primeiro tipo para receber guias de fluxo. Cada espaço do primeiro tipo pode ser um espaço entre duas seções ativas adja- centes de duas bobinas diferentes. Ambos os métodos podem com- preender ainda posicionar guias de fluxo nos espaços do primeiro tipo.

[0047] Ambos os métodos podem 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.

[0048] 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 aplica- dos aos aspectos do dispositivo e vice-versa. Além disso, uma, algu- mas e/ou todas as características em um aspecto podem ser aplicadas a uma, algumas e/ou todas as características em qualquer outro as- pecto, em qualquer combinação apropriada.

[0049] Também deve ser reconhecido que combinações particula- res das várias características descritas e definidas em quaisquer as-

pectos da invenção podem ser implementadas e/ou fornecidas e/ou usadas independentemente. Breve Descrição dos Desenhos

[0050] As*96+.

[0051] modalidades da invenção serão agora mais descritas a tí- tulo de exemplo apenas e com referência às figuras em anexo, nas quai4321'FD

[0052] Jda invenção será agora descrita com referência a um mo- tor de fluxo axial 100. Embora um motor 100 seja descrito, deve ser reconhecido que a invenção pode, da mesma maneira, ser implemen- tada em outros tipos de máquinas elétricas de fluxo axial, tais como geradores. Visão Geral de uma Máquina de Fluxo Axial

[0053] A Figura 1A e a Figura 1B ilustram os componentes princi- pais 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 extre- midade 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 pla- cas 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.

[0054] 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.

[0055] As Figuras 2A e Figura 2B ilustram os rotores 2a, 2be o eixo 3 do motor 100 sem o conjunto de estator 1. Conforme é particu- larmente evidente na Figura 2B, cada rotor 2a, 2b inclui uma pluralida- de 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 adja- centes, 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.

[0056] Embora não possa ser visto nas Figuras 2A e 2B, os roto- res 2a, 2b são montados de modo que ímãs permanentes opostos te- nham 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.

[0057] 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 estru- tural 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 opos- tos 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 axi- al, 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.

[0058] A separação circunferencial (angular) a 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 B pode ser o igual ou menor do que o passo de polo a do motor 100. Nas Figuras 2A-2B, os ímãs adjacentes são se- parados por um espaçador não magnético e, portanto, o espaçamento médio 8 dos ímãs permanentes 21-24 é menor do que o passo de polo a do motor 100. Em um exemplo, B é aproximadamente 3/4 de a. À proporção de B para a 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 espaçamen- to B dos ímãs permanentes 21-24 sejam menores do que o passo de polo a 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.

[0059] Os rotores 2a, 2b ilustrados nas Figuras 2A-2B têm dezes- seis ímãs permanentes circunferencialmente distribuídos 21-24 e, por- tanto, 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 normal- mente 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.

[0060] Voltando à Figura 3, esta mostra uma vista em corte trans- versal do motor de fluxo axial 100 das Figuras 1-2 com detalhes adici- onais. Uma vez que as invenções descritas no presente documento referem-se principalmente aos componentes condutores 10 do conjun-

to de estator 1, os quais serão descritos em mais detalhes abaixo com referência às Figuras 4-12, apenas uma breve visão geral dos compo- nentes da Figura 3 será fornecida. Aqueles versados na técnica esta- rão familiarizados com os componentes de uma máquina de fluxo axi- al, 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.

[0061] 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 en- volvem 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 se- para os rotores 2a, 2b. As vedações O-ring 8a, 8b e a vedação dinâ- mica 9 vedam ainda mais as partes internas do motor 100. A rotação dos rotores 2a, 2b é auxiliada pelos rolamentos das extremidades mo- triz 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 codifi- cador 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

[0062] Os componentes condutores 10, incluindo as bobinas con- dutoras 12, de um conjunto de estator | serão agora descritos com referência às Figuras 4-12. Deve ser reconhecido que, embora exem- plos 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.

[0063] 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 condu- tores 10 do núcleo. Os guias de fluxo 30, na forma de pacotes de la- minação, atuam para canalizar o fluxo magnético produzido pelos ímãs permanentes 21-24 entre os condutores transportadores de corrente.

[0064] Voltando agora às Figuras 4A-4C, os componentes condu- tores 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 me- lhor reconhecido a partir da vista de cima para baixo da Figura 4C, o estator 10 tem enrolamentos distribuídos e compreende uma plurali- dade (neste caso dezesseis) de polos de estator circunferencialmente distribuídos 11a, 11b,..., 11p, cada um dos quais compreende um plu- ralidade de bobinas condutoras 12. Cada bobina 12 condutora 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.

[0065] 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 Figu- ra 4C que este estator 10 tem, na verdade, 96 seções ativas que se estendem radialmente. Além disso, pode ser observado a partir da vis- ta 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 conduto- res 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.

[0066] Os componentes condutores do estator 10 podem ser feitos de qualquer combinação de um ou mais materiais condutores. No en- tanto, os componentes condutores 10 são, de preferência, feitos de cobre.

[0067] As Figuras 5A-5D são várias vistas de um elemento condu- tor 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 ca- so de um elemento condutor 120 por bobina condutora 12, uma bobina condutora 12 e um elemento condutor 120 são equivalentes. As Figu- ras 6A-6D ilustram uma bobina condutora 12 que é composta por dois elementos condutores 120 e 120', e será descrita abaixo.

[0068] 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 ati- vas que se estendem radialmente 121a, 121b são denominadas como seções "ativas" porque, quando as bobinas condutoras 12 estão posi- cionadas 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 aproxima- damente perpendicular ao fluxo axial no núcleo, a ligação de fluxo está pelo menos perto de maximizada.

[0069] O ângulo y pelo qual as duas seções ativas 121a, 121b es- tão afastadas será denominado como a extensão da bobina. O espa- çamento da bobina pode ser igual ou diferente (menor ou maior) do que o passo de polo a (definido pelo ângulo entre os centros dos ímãs permanentes do rotor). De preferência, o espaçamento da bobina y é menor do que o passo de polo a. Por exemplo, y pode ser aproxima- damente 5/6 de a. Ao tornar y menor do que a, um acorde curto do enrolamento pode ser implementado, o que reduz o teor de harmôni- cos espacial da força magnetomotriz do enrolamento (mmf).

[0070] 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 ad- jacentes se sobrepõem circunferencialmente.

[0071] Conforme é particularmente evidente na Figura 5E, a so- breposição circunferencial das bobinas 120a, 120b, 120c define espa-

ços circunferenciais entre as seções ativas das bobinas. Estes espa- ços 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 entan- to, 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 y da bobina selecionada.

[0072] Agora, voltando às Figuras 5A-5D, conforme pode ser visto nas Figuras 5B e 5D, as duas seções ativas 121a, 121b são axialmen- te deslocadas entre si. Isto facilita o empilhamento das bobinas condu- toras 12 na direção circunferencial e também facilita o empilhamento circunferencial de elementos condutores 120, onde há vários elemen- tos 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 encur- tado.

[0073] Conforme pode ser visto em cada uma das Figuras 5B, 5C e 5D, cada elemento condutor 120 é formado a partir de um compri- mento 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 ex- terna 128 se estende substancialmente paralela à direção axial. Con- forme será descrito em mais detalhes abaixo, isto facilita a conexão conveniente das bobinas 12 à fonte de alimentação multifásica. A por-

ção de espira mais interna do enrolamento termina em uma segunda porção de conexão 129, a qual será denominada como a cauda inter- na 129.

[0074] Conforme também pode ser visto em cada uma das Figuras 5B, 5C e 5D, o comprimento do condutor que forma o elemento condu- tor 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 ele- mento condutor 120 que é perpendicular à direção radial de cada se- ção ativa 121a, 121b é alongada com uma dimensão principal paralela ao eixo de rotação. No exemplo das Figuras 5A-5D, há catorze por- ções de espira de enrolamento axialmente empilhadas 131a, 131b, embora isto não se destine a limitar a invenção, visto que outros nú- meros são igualmente possíveis.

[0075] As Figuras 5G, 5H e 51 ilustram como o elemento condutor 120 pode ser formado ao enrolar um comprimento de condutor. Con- forme ilustrado na Figura 5G, o condutor é enrolado em torno de um par de elementos de suporte 301, 302 (os quais se projetam perpendi- cularmente 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 51. O enrolamento mais interno termina na cauda interna 129 e o enrolamento mais externo termina na cauda externa 128.

[0076] Tendo formado o enrolamento plano mostrado nas Figuras 5G-51, 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 ferramen- ta de flexão com blocos de perfil macho interno axialmente deslocados pode empurrar contra formas fêmeas externas para flexionar o enro- lamento plano, de modo que as seções ativas sejam axialmente deslo- cadas entre si. A cauda externa 128 e a cauda interna 129 podem ser dobradas separadamente conforme desejado.

[0077] 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 termicamen- te ativada ou ativada por solvente de modo que, após o enrolamento, as espiras/camadas possam ser unidas para manter o formato.

[0078] Deve ser reconhecido, particularmente a partir das Figuras 5G-51, 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 in- cluem:

[0079] - 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.

[0080] - 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.

[0081] - Embora quatorze espiras de enrolamento axialmente em- pilhadas sejam ilustradas na Figura 5, pode haver mais ou menos de quatorze espiras.

[0082] - Embora o enrolamento tenha uma espira/camada de es- pessura (consulte a Figura 5H em particular), ele pode ter mais de uma espira/camada de espessura. Neste caso, cada elemento condu- tor 120 compreenderá uma pluralidade de porções de espira de enro- lamento circunferencialmente empilhadas. Embora qualquer número de porções de espiras de enrolamento circunferencialmente empilha- das seja possível, o número será, de preferência, menor do que o nú- mero de porções de espiras de enrolamento na direção axial, de modo que a seção transversal do elemento condutor 120 que é perpendicu- lar 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 nú- mero de espiras circunferencialmente empilhadas pode ser maior do que três e pode, de preferência, ser maior do que cinco.

[0083] 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 for- necida 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 se- gundas 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.

[0084] Conforme pode ser visto nas Figuras 5B, 5C e 5D, as pri- meiras 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 semicir- culares e, portanto, a parte externa 133 é um meio-disco 133 substan- cialmente plano, mas outros formatos são possíveis. Por exemplo, ca- da 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 condu- tor 120" com uma parte externa 133" com um perfil curvado e, portan- to, 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).

[0085] 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 ex- terna 133 do elemento de bobina 120', 120" para permitir travamento mecânico e resfriamento aprimorado. Isto será explicado em mais de- talhes abaixo.

[0086] 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 resfri- amento 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.

[0087] Em relação às segundas porções externas 124a, 124be às segundas porções internas 127a, 127b, embora pareçam substancial- mente retas nas Figuras 5A-5D, elas são, na verdade, ligeiramente curvadas. Especificamente, o formato de cada uma das primeiras por- ções externas 124a, 124b é uma seção de um primeiro involuto e, as- sim, as primeiras porções 124a, 124b juntas formam as partes exter- nas 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 substan- cialmente involutas 137a, 137b do elemento de bobina 120. O signifi- cado dos involutos será descrito com referência às Figuras 6A-6D.

[0088] 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 ou- tras maneiras, incluindo sendo formado integralmente.

[0089] Além disso, embora os elementos 120 ilustrados sejam en- rolados a partir de um comprimento de condutor e compreendam uma pilha de porções de espiras de enrolamento 131a, 131b, isto é preferi- do, mas não essencial. Por exemplo, em vez de uma pilha que se es- tende axialmente de porções de espira de enrolamento 131a, 131b, cada elemento condutor 120 pode ser formado por uma única tira con- dutora que se estende axialmente. Em alguns casos, uma única tira condutora que se estende axialmente pode ser preferível a uma plura- lidade 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, vantajosamen- te, a mitigar os efeitos de aderência e proximidade os quais, de outra forma, podem levar a um aumento nas perdas.

[0090] Conforme observado acima, cada bobina condutora 12 po- de incluir apenas um elemento condutor 120. No entanto, por razões que serão explicadas em mais detalhes abaixo, cada elemento condu- tor inclui, de preferência, dois ou mais elementos condutores circunfe- rencialmente 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.

[0091] A Figura 6A mostra vistas superior e inferior de uma bobina condutora 12 que inclui dois elementos condutores 120, 120". As ca- racterísticas de cada um dos dois elementos condutores 120, 120' são as mesmas do elemento condutor 120 único descrito acima com refe- rência às Figuras 5A-5D e, portanto, suas características não serão descritas novamente.

[0092] Para formar a bobina condutora 12, dois elementos condu- tores 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 in- ternas 129, 129', tais como brasagem ou soldagem. Para conectar os dois elementos 120, 120', um dos dois elementos condutores 120, 120' é girado 180º em torno do eixo que corre verticalmente no plano da página na Figura GA, 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, pron- tamente conectadas através de uma virola 130. Alternativamente, a bobina condutora 12 que compreende dois elementos condutores po- de ser formada integralmente como uma única peça.

[0093] 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 se- ções 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 primei- ra) seção ativa 121a' do segundo dos elementos condutores 120' da bobina 12. O segundo espaço 142b é definido entre a outra (a segun- da) 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; 121a2', 121b' da mesma bobina 12. Espaços deste tipo serão de- nominados como espaços do segundo tipo. Assim como os espaços do primeiro tipo, os espaços do segundo tipo 142a, 142b fornecem es- paços 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.

[0094] 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 se- ções ativas da mesma bobina, mas pares diferentes), deve ser obser- vado que, quando uma pluralidade de bobinas 12 que definem espa- ços do segundo tipo são fornecidas em um estator 10 de modo a defi- nir 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 bobi- na 12 compreende dois elementos condutores 120, 120'. Apenas me- tade 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 y selecionado, o número de polos do estator e o número de fases.

[0095] Voltando às Figuras 6A-6D, também pode ser visto nas Fi- guras 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 con- dutores 120, 120". Da mesma forma, há um espaço 143b entre as se- gundas 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 invo- lutas 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 largu- ra destes espaços 143a, 143b, 144a, 144b permanece substancial- mente constante ao longo do comprimento das seções involutas dos elementos condutores 120, 120'. Isto reduz, vantajosamente, o diâme- tro resultante do motor para uma determinada classificação e perdas nas bobinas.

[0096] 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 ele- mentos condutores 120, incluindo mais de dois. Aumentar o número de elementos condutores por bobina condutora 12 aumentará o núme- ro de espaços do segundo tipo definido pelas seções ativas circunfe- rencialmente 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 desen- volvimento de correntes parasitas nos ímãs permanentes dos rotores 2a, 2b o que, por sua vez, reduz as perdas de aquecimento e, portan- to, fornece uma maior eficiência do motor. No entanto, será reconheci- do 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 cir- cunferencialmente adaptados em um único espaçamento y de bobina é limitado.

[0097] Se uma bobina 12 deve ter mais de dois elementos condu- tores, pode haver várias outras considerações. Por exemplo:

[0098] - 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 facili- tar 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 ex- ternos, 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 co- nectados a elementos condutores tanto em suas caudas internas 129 como caudas externas 128, de modo que um segundo tipo de elemen- to 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 unida- de integral, em vez da conexão de três ou mais elementos condutores separados.

[0099] - 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 elemen- tos 120 for usado, as caudas externas 128 dos dois elementos circun- ferencialmente 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.

[00100] — Embora um estator 10 com uma única camada axial de bo- binas 12 circunferencialmente distribuídas (a única camada tendo bo- binas 12 com seções ativas axialmente deslocadas) tenha sido des- crito, será reconhecido que pode haver múltiplas camadas de bobinas axialmente empilhadas por estator. Neste caso, os espaços do primei- ro tipo e/ou os espaços do segundo tipo de cada camada podem, van- tajosamente, 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 ga- nhos adicionais em termos de facilidade e velocidade de montagem. Conexão das Bobinas a uma Fonte de Alimentação Multifásica

[00101] Maneiras de conectar uma pluralidade de bobinas conduto- ras 12 circunferencialmente distribuídas a uma fonte de alimentação multifásica serão agora descritas. Deve ser reconhecido que, na práti- ca, há muitas maneiras diferentes de fazê-lo, e muitas maneiras dife- rentes ocorrerão para aqueles versados na técnica. A invenção, por- tanto, 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 aci- ma/abaixo de um plano que é perpendicular ao eixo de rotação e axi-

almente acima/abaixo das bobinas condutoras, constituem um conjun- to 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 im- pregnar os meios de conexão, o que permite que as conexões sejam verificadas e fixadas mesmo após impregnação do conjunto de estator.

[00102] 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.

[00103] 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 primei- ra conexão de fase 151 para uma primeira fase da fonte de alimenta- ção, uma segunda conexão de fase 152 para uma segunda fase da fonte de alimentação, uma terceira conexão 153 para uma terceira fa- se 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 ali- mentação e uma conexão em estrela 164.

[00104] Nos exemplos descritos, as conexões de fase 151-153, 161-163 e as conexões em estrela 154, 164 estão na forma de barra- mentos 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 conduto- ras. 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.

[00105] No arranjo de conexão paralela ilustrado, cada bobina con- dutora 12 é conectada a uma fase da fonte de alimentação ao conec- tar a bobina 12 a uma das conexões de fase de um dos meios de co- nexão 15, 16 (como um exemplo, conexão de fase 151) e à conexão em estrela do outro dos meios de conexão 15, 16 (no exemplo, cone- xão 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 ago- ra será descrita com referência às Figuras 7A-7C.

[00106] 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 axialmen- te 128, 128', as caudas externas 128, 128' são facilmente conectadas às conexões 151, 164.

[00107] Afim de tornar a conexão ainda mais fácil, os barramentos anulares 151, 164 são dotados de meios receptores circunferencial- mente 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 co- nexão 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 espaça- dos 164a-x do que a primeira conexão de fase 151.

[00108] Voltando às Figuras 4A-4C, cada polo 11a-11p do estator 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 confi- gurado para uso com uma alimentação trifásica), e as bobinas condu- toras 12 circunferencialmente adjacentes estão conectadas a diferen- tes 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 mostra- dos e, portanto, apenas 24 bobinas condutoras 12 circunferencialmen- te distribuídas podem ser vistas.

[00109] Em vista disso, no arranjo de conexão paralela trifásica ilus- trado 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 condu- toras 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 comple- mentar de barramentos. Ou seja, para a conexão de fase 161 e a co- nexão em estrela 154.

[00110] As bobinas condutoras 12 que correspondem às outras fa- ses 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 cir-

cunferencialmente adjacentes estão conectadas no arranjo de cone- xão paralela.

[00111] As Figuras 9A-9C mostram duas bobinas condutoras 129, 12b circunferencialmente adjacentes. A bobina condutora 12a é conec- tada 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 bar- ramentos. 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.

[00112] 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 mostra um arranjo alternativo, o qual será denominado como um arranjo de conexão em série.

[00113] 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 cone- xão 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 co- nexão em estrela 164'. Para compensar a falta de conexão em estrela no primeiro meio de conexão 15', as bobinas condutoras 12 são co- nectadas de uma maneira diferente. As conexões de fase 151'-153' do primeiro meio de conexão 15' também atendem duas vezes mais bobi-

nas condutoras 12 e, portanto, têm meios receptores adicionais com- parado 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.

[00114] 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 bobi- nas condutoras 12a', 12b' e 120. Também conforme com o arranjo de conexão paralela, as bobinas circunferencialmente adjacentes são co- nectadas a diferentes fases. No entanto, enquanto que as bobinas da mesma fase, mas polos adjacentes (12a e 12a', por exemplo) no ar- ranjo 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.

[00115] Considerando apenas as bobinas 12a, 12a' que estão co- nectadas 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 cone- xão. A bobina 12a' do segundo polo adjacente 11' é conectada à co- nexão 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".

[00116] Diferentes arranjos de conexão podem ser usados para di- ferentes 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.

[00117] 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 re- conhecido 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.

[00118] 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

[00119] 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 circunfe- rencialmente 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 forne- cidos. Isto torna a colocação dos guias de fluxo 30 no conjunto de es- tator 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 separada- mente (usando cola, por exemplo) as estruturas similares a carretéis enroladas em um estator. Várias outras vantagens serão descritas.

[00120] A Figura 13 é um fluxograma que ilustra um método 500 para fabricar um estator.

[00121] O método 500 inclui fornecer 510 uma pluralidade de bobi- nas condutoras, tais como as bobinas condutoras 12 descritas acima. De preferência, as bobinas condutoras 12 têm uma pluralidade de pa- res circunferencialmente sobrepostos de seções ativas que se esten- dem 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.

[00122] Em 520,0 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 tor- no da carcaça do estator. De preferência, as bobinas condutoras são posicionadas de modo que as bobinas condutoras circunferencialmen- te 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 y 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.

[00123] A carcaça do estator 20 pode ser dotada de uma pluralida- de 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. Vanta- josamente, se as bobinas 12 são formadas de modo a ter uma parte externa que se estende axialmente 133, a parte externa que se esten- de axialmente 133 pode ser recebida dentro das aberturas que se es- tendem 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 consti- tuem uma fonte de resfriamento do estator. As aberturas 25 circunfe- rencialmente distribuídas para receber as bobinas 12 podem ser vistas mais claramente nas Figuras 12A-12C.

[00124] —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 Fi- guras 6A-6D), os pares de espaços 142a, 142a' do segundo tipo tam- bém 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 re- ceber as bobinas 12, isto significa que ambos os componentes do nú- cleo do estator (as seções ativas das bobinas 12 e os guias de fluxo

30) podem ser posicionados de forma rápida e muito precisa compa- rado com muitas técnicas conhecidas. Será reconhecido que os com- ponentes centrais posicionados com precisão reduzem as perdas e, portanto, melhoram a eficiência da máquina.

[00125] —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 exem- plo, conforme descrito acima, usando barramentos nos arranjos de co- nexão em paralelo ou em série.

[00126] Opcionalmente, em 550, o método 500 em inclui impregnar pelo menos parte do conjunto de estator 1 em um composto de liga- ção, tal como uma resina. Isto fortalece a estrutura do estator e, por- tanto, protege o conjunto de estator 1 contra o eletroímã e as forças mecânicas que ele experimenta em uso. Além disso, a condução tér- mica entre os constituintes do estator pode ser aumentada se o com- posto de ligação tiver um coeficiente de transferência térmica significa- tivamente maior do que o ar.

[00127] Se os meios de conexão 15, 16 estiveram posicionados axialmente acima e/ou abaixo das bobinas 12 conforme descrito aci- ma, a impregnação do estator pode ocorrer antes ou depois das bobi- nas serem conectadas aos meios de conexão. Além disso, e vantajo- samente, se os próprios meios de conexão 15, 16 não estiverem im- pregnados, as conexões podem ser testadas, trocadas e, se necessá- rio, 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

[00128] —Descobriu-se que as máquinas de fluxo axial 100 que com- preendem o conjunto de estator 1 descrito no presente documento for-

necem 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 alcan- çados 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 sig- nificativa mais prática para muitas aplicações.

[00129] Para ilustrar isto, a Figura 14 é um mapa de eficiência que mostra a eficiência medida de uma máquina de fluxo axial que com- preende 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 velocida- de relativamente baixa de 500 rpm até um torque de 30 Nm.

[00130] Pode haver uma série de razões diferentes para as altas eficiências que o conjunto de estator 1 é capaz de atingir. Algumas de- las serão descritas agora.

[00131] Primeiramente, conforme explicado acima, a estrutura qua- se autoformada dos componentes condutores do estator 10 que é con- ferida pela geometria das bobinas 12 permite a colocação muito preci- sa 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.

[00132] Outra vantagem significativa é a geração de um campo de estator com uma densidade de fluxo magnético sinusoidal mais preci- sa. 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 apli- cação específica). Uma vantagem de uma densidade de fluxo magné- tico 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 po- lo por fase, o que gera uma densidade de fluxo muito mais trapezoidal com componentes harmônicos mais significativos.

[00133] Embora as bobinas 12 possam ser implementadas usando tiras que se estendem axialmente, elas são, de preferência, implemen- tadas usando um arranjo de enrolamento axialmente empilhado ilus- trado nas Figuras 5A-5D e 6A-6D. Embora muitos fabricantes de moto- res possam considerar isto uma desvantagem porque pode ser consi- derado 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 condu- tor e predominantemente as porções axialmente externas das seções ativas. O número de enrolamentos na direção axial pode ser selecio- nado para equilibrar estas duas considerações.

[00134] É descrita acima uma série de modalidades com várias ca-

racterísticas opcionais.

Deve ser reconhecido que, exceto quanto a quaisquer características mutuamente exclusivas, qualquer combina- ção de uma ou mais das características opcionais é possível.

Claims (32)

REIVINDICAÇÕES

1. Bobina condutora (12; 120) para um estator de máquina elétrica de fluxo axial sem coroa (yokeless) (1) com enrolamentos dis- tribuídos, a bobina condutora (12; 120), caracterizada pelo fato de que compreende uma primeira seção ativa (121a) e uma segunda seção ativa (121b), cada seção ativa (121a, 121b) se estendendo em uma direção geralmente radial substancialmente perpendicular a um eixo de rotação da máquina elétrica (100) e compreendendo uma pluralida- de de porções de espira de enrolamento (131a, 131b) empilhadas pa- ralelamente ao eixo de rotação, de modo que uma seção transversal perpendicular à direção radial de cada seção ativa (121a, 121b) seja alongada com uma dimensão principal paralela ao eixo de rotação, e em que a segunda seção ativa (121b) é afastada em uma direção cir- cunferencial e axialmente deslocada da primeira seção ativa (121a).

2. Bobina condutora, de acordo com a reivindicação 1, ca- racterizada pelo fato de que, em uso, a corrente flui em direções radi- ais opostas ao longo das primeira e segunda seções ativas que se es- tendem radialmente.

3. Bobina condutora, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que cada seção ativa compreende ainda uma pluralidade de porções de espira de enrolamento circunferencial- mente empilhadas.

4. Bobina condutora, de acordo com a reivindicação 2 ou 3, caracterizada pelo fato de que as porções de espiras do enrolamento das primeira e segunda seções ativas que se estendem de modo ge- ralmente 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 do enrolamen- to são conectadas através de seções de circuito interno e as extremi- dades distais são conectadas através de seções de circuito externo de modo que, em uso, a corrente flui em direções radiais opostas ao lon- go do par de seções ativas que se estendem radialmente.

5. Bobina condutora, de acordo com a reivindicação 4, ca- racterizada pelo fato de que as seções de circuito externo são configu- radas para formar uma parte externa da bobina que é substancialmen- te paralela ao eixo de rotação.

6. Bobina condutora, de acordo com a reivindicação 5, ca- racterizada pelo fato de que cada seção de circuito externo compreen- de uma seção substancialmente semicircular ou retangular, de modo que a parte externa forma uma superfície semicircular ou retangular.

7. Bobina condutora, de acordo com qualquer uma das rei- vindicações 4 a 6, caracterizada pelo fato de que as seções de circuito externo são configuradas para formar uma parte substancialmente in- voluta da bobina.

8. Bobina condutora, de acordo com qualquer uma das rei- vindicações 4 a 7, caracterizada 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.

9. Bobina condutora, de acordo com a reivindicação 8, ca- racterizada pelo fato de que cada seção de circuito interno compreen- de uma seção substancialmente semicircular ou retangular, de modo que a porção interna forma uma superfície semicircular ou retangular.

10. Bobina condutora, de acordo com qualquer uma das reivindicações 4 a 9, caracterizada pelo fato de que as seções de cir- cuito interno são configuradas para formar uma parte substancialmen- te involuta da bobina.

11. Bobina condutora, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que compreen- de uma pluralidade de pares de seções ativas conectadas entre si em série, em que pares adjacentes de seções ativas se sobrepõem circun-

ferencialmente 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 de pares diferen- tes de seções ativas da bobina.

12. Bobina condutora, de acordo com a reivindicação 11, caracterizada pelo fato de que o número de pares de seções ativas é um múltiplo inteiro de dois.

13. Bobina condutora, de acordo com a reivindicação 11 ou 12, caracterizada pelo fato de que é configurada de modo que, em uso, a corrente flua na mesma direção ao longo de seções ativas adja- centes da bobina separadas por um dos espaços do segundo tipo para um guia de fluxo.

14. Bobina condutora, de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 13, caracterizada pelo fato de que a pluralidade de pares de seções ativas é formada integralmente ou formada ao conec- tar, em série, uma pluralidade de elementos separados, cada um com- preendendo um par de seções ativas.

15. Bobina condutora, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que compreen- de as primeira e segunda porções de conexão para conectar a bobina condutora a uma fonte de alimentação.

16. Bobina condutora, de acordo com a reivindicação 15, caracterizada pelo fato de que as primeira e segunda porções de co- nexão se estendem paralelamente ao eixo de rotação.

17. Bobina condutora, de acordo com a reivindicação 15 ou 16, caracterizada pelo fato de que as primeira e segunda porções de conexão da bobina estão localizadas próximo a uma extremidade radi- almente externa da bobina.

18. Estator para uma máquina elétrica de fluxo axial que compreende uma pluralidade de bobinas condutoras, como definida em qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a pluralidade de bobinas condutoras são distribuídas cir- cunferencialmente em torno do estator.

19. Estator, de acordo com a reivindicação 18, caracteriza- do pelo fato de que a pluralidade de bobinas condutoras são forneci- das em uma pluralidade de grupos, cada grupo correspondendo a um polo do estator.

20. Estator, de acordo com a reivindicação 18 ou 19, carac- terizado pelo fato de que cada bobina condutora é configurada para ser conectada a uma fase de uma fonte de alimentação multifásica.

21. Estator, de acordo com a reivindicação 20, caracteriza- do pelo fato de que bobinas condutoras circunferencialmente adjacen- tes são configuradas para serem conectadas a diferentes fases da fon- te multifásica de modo que, para uma fonte de alimentação de N fa- ses, o estator compreenda uma pluralidade de N grupos de bobinas condutoras, cada N 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.

22. Estator, de acordo com a reivindicação 20 ou 21, carac- terizado pelo fato de que, para cada fase da fonte de alimentação mul- tifásica, cada segunda bobina do estator que está conectada à dita fa- se é conectada a um barramento em comum.

23. Estator, de acordo com qualquer reivindicação 18 ou 22, caracterizado pelo fato de que bobinas condutoras circunferenci- almente adjacentes se sobrepõem circunferencialmente para definir espaços de um primeiro tipo para receber guias de fluxo, cada espaço do primeiro tipo sendo um espaço circunferencial entre duas seções ativas adjacentes de duas bobinas diferentes.

24. Estator, de acordo com a reivindicação 23, caracteriza- do pelo fato de que compreende ainda guias de fluxo posicionadas nos espaços dos primeiro e/ou segundo tipos.

25. Estator, de acordo com qualquer uma das reivindica- ções 18 a 24, quando dependentes da reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que compreende ainda uma carcaça de estator, a carcaça de estator compreendendo aberturas circunferencialmente distribuídas e que se estendem axialmente para receber as porções externas que são substancialmente paralelas ao eixo de rotação.

26. Máquina de fluxo axial elétrica que compreende o esta- tor, como definido em qualquer uma das reivindicações 18 a 25, carac- terizada pelo fato de que compreende um par de rotores opostos posi- cionados em lados opostos do estator.

27. Máquina elétrica de fluxo axial, de acordo com a reivin- dicação 26, caracterizada pelo fato de que um dos rotores opostos é compartilhado entre o estator e um segundo estator alinhado axial- mente.

28. 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 seja circun- ferencialmente distribuída em torno da carcaça do estator, em que ca- da bobina condutora compreende uma primeira seção ativa e uma se- gunda seção ativa, cada seção ativa se estendendo em uma direção geralmente radial substancialmente perpendicular a um eixo de rota- ção da máquina elétrica e compreendendo uma pluralidade de porções de espira de enrolamento empilhadas paralelamente ao eixo de rota- ção, de modo que uma seção transversal perpendicular à direção radi- al de cada seção ativa seja alongada com uma dimensão principal pa- ralela ao eixo de rotação, e em que a segunda seção ativa é afastada em uma direção circunferencial e axialmente deslocada da primeira seção ativa.

29. Método, de acordo com a reivindicação 28, caracteriza- do pelo fato de que a carcaça do estator compreende uma pluralidade de aberturas circunferencialmente distribuídas e que se estendem axi- almente, 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.

30. Método, de acordo com a reivindicação 28 ou 29, carac- terizado pelo fato de que as bobinas condutoras são posicionadas de modo que as bobinas condutoras circunferencialmente adjacentes se sobreponham e, assim, definam espaços de um primeiro tipo para re- ceber guias de fluxo, cada espaço do primeiro tipo sendo um espaço entre dois enrolamentos de duas bobinas diferentes, e em que o mé- todo compreende ainda posicionar guias de fluxo nos espaços do pri- meiro tipo.

31. Método, de acordo com qualquer uma das reivindica- ções 28 a 30, 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 sobre- põem circunferencialmente de modo a definir um espaço de um se- gundo 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 es- paços.

32. Método, de acordo com qualquer uma das reivindica- ções 28 a 31, caracterizado pelo fato de que compreende ainda im- pregnar pelo menos parte do estator em um composto de ligação.