BR9803828B1 - máquina elétrica. - Google Patents
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Description
"MÁQUINA ELÉTRICA".
A presente invenção se refere de uma maneira geral às máquinasrotativas tais como os alternadores para veículos automotivos.
A geratriz polifásica que constitui um alternador clássico deveículo automotivo comporta, genericamente, um estator no interior do qual giraum rotor dotado de um enrolamento de excitação. Este enrolamento é alimentadopor meio de escovas em contato com dois anéis coletores fornecidos sobre umaparte saliente da árvore do rotor.
O recurso a escovas apresenta todavia inconvenientes, entre osquais a necessidade de um comprimento axial importante do alternador, umconjunto de escovas e de coletores que aumentam o custo de revenda, assim comoos defeitos de funcionamento ocasionados, especificamente devido ao fato dodesgaste, por meio de um contato enfraquecedor entre as escovas e os anéiscoletores.
Existem no estado da técnica certas proposições que visamexecutar máquinas rotativas que possam ser convenientes como alternadores deveículos automotivos, que sejam desprovidas de escovas.
Assim, conhece-se um alternador no qual as garras das duas rodaspolares do rotor, que normalmente se interpenetram, são truncadas de maneira apermitir a passagem, em um plano transversal, de um suporte para um enrolamentode excitação fixo colocado no interior das rodas polares. Esta abordagem se fazcontudo em detrimento do rendimento da máquina, uma vez que as superfícies deentreferro são, então, muito sensivelmente diminuídas. Por outro lado, umamáquina deste tipo para uma dada curva de débito/velocidade, é sensivelmentemais pesada que uma máquina clássica, o que é particularmente desvantajoso nocaso dos alternadores embarcados.
Conhece-se igualmente um alternador no qual duas rodas polaresde garras imbricadas são montadas em balanço, a partir de uma extremidade axialda máquina entre um enrolamento de excitação fixo, interno e enrolamentos deestator externos.
Esta solução conhecida apresenta igualmente inconvenientes,especificamente devido ao fato que a dimensão axial da máquina énecessariamente aumentada, assim como seu peso. Por outro lado, o aumento dosentreferros ao nível do rotor diminui o rendimento da máquina.
Por outro lado, nos dois casos invocados acima, a concepção damáquina necessita, de maneira imperativa, levar em consideração os fenômenoseletromagnéticos não somente no plano perpendicular ao eixo de rotação, querdizer, nas duas dimensões, mas igualmente na direção deste eixo, quer dizer, naterceira dimensão do espaço.
Esta necessidade de uma concepção tridimensional da máquinatorna a modelização e a otimização dos diferentes parâmetros extremamentedelicados e fastidiosos.
Enfim, conhece-se especificamente por meio do documento EP-0707374 uma estrutura de comutação de fluxo, desprovida de escovas, queapresenta a vantagem de poder ser mais facilmente modelizada e otimizada demaneira puramente bidimensional.
Esta estrutura conhecida apresenta, contudo, certos inconvenientesquando excitada, seja unicamente por meio de imãs, seja por meio de imãsassociados a enrolamentos de excitação. Em particular, no primeiro caso, o fato deo fluxo magnético a partir do qual a corrente do induzido é gerada ser obtidounicamente por meio de imãs permanentes, não permite qualquer controle daexcitação da máquina. Dessa forma, uma tal máquina dificilmente pode serconveniente para alternadores de veículos automotivos, onde a velocidade derotação pode ser extremamente variável. Uma solução conhecida neste caso, éutilizar componentes eletrônicos de potência para manter a tensão de saída em umvalor fixo de cerca de 14 volts. Levando em conta as fortes correntes colocadas emjogo, esta solução é perturbadora e onerosa. Por outro lado, a regulação de correnteao nível do estator não é interessante no plano do balanço energético, uma vez queela implica uma dissipação em pura perda de uma parte da potência elétrica geradapelo alternador.
No segundo caso, uma solução conhecida para este problemaconsiste em controlar a corrente fornecida pelo induzido aos enrolamentos deexcitação por meio de comutação. A inversão da corrente de excitação servindopara diminuir o fluxo dos imãs às grandes velocidades. Ora, devido ao fato que acorrente de excitação é por natureza, neste tipo de máquina, uma correntealternativa bidirecional, uma tal comutação necessitaria o recurso a um ponto decomutação em "H", cujo custo é elevado.
Por outro lado, se se considera combinar a este fluxo magnético deexcitação criado por imãs permanentes um fluxo de excitação complementarcriado por enrolamentos, então se colocaria o problema de obtenção de umacorrente do induzido nula ou sensivelmente nula, o que é desejávelespecificamente quando de um corte de carga ao nível dos equipamentos elétricosalimentados pelo alternador.
Conhece-se, por outro lado, a partir do documento EP-A-0394527uma máquina síncrona de excitação heteropolar, baseada no princípio da relutânciavariável, que permite combinar uma excitação com imãs e uma excitação comenrolamentos para fazer variar a excitação entre um valor essencialmente nulo eum valor máximo. Todavia, uma tal máquina gera por natureza nos enrolamentosdo induzido um fluxo que é sempre dirigido no mesmo sentido. O ferro é assimutilizado de forma não ótima: com limitação igual em saturação, a variação dofluxo útil é reduzida em uma relação de 1,15 até aproximadamente 1,2 em relaçãoàs máquinas clássicas e à comutação de fluxo, o que obriga a adicionar condutoresde induzido, logo, a superdimensionar a máquina.
A presente invenção visa reduzir estes inconvenientes e proporuma máquina rotativa, especificamente um alternador, na qual regulação dacorrente fornecida possa se efetuar manobrando-se sobre a excitação, e na qual,malgrado o recurso a imãs permanentes para efetuar esta excitação, esta possa servariada entre uma excitação nula ou essencialmente nula, e uma excitaçãomáxima.
Um outro objetivo da invenção é de executar uma máquina na quala excitação varie nos limites citados anteriormente graças à aplicação de umacorrente de excitação que varie, ela também, entre um valor nulo e um valormáximo.
Assim, a apresente invenção propõe uma máquina elétrica quecompreende um estator e um rotor, o estator compreendendo sobre sua face internaao menos um enrolamento de induzido alojado no interior de um par de entalhes, ecompreendendo por outro lado, uma serie de alojamentos para meios de excitação,o rotor sendo desprovido de enrolamento e compreendendo uma pluralidade dedentes aptos a estabelecer de maneira seletiva fluxos magnéticos variáveis nointerior das bobinas de induzidos, e os meios de excitação compreendendo nomínimo um imã permanente apto a estabelecer um fluxo magnético que se dobrasobre ele mesmo em uma direção circunferencial do estator e ao menos umenrolamento de excitação apto a estabelecer localmente um fluxo magnéticoregulável em uma direção circunferencial inversa daquela do fluxo produzidopelos imãs, sendo os dentes do rotor ajustados de maneira a efetuar ao nível doestator uma comutação de fluxo, sendo a máquina caracterizada pelo fato de quecada imã permanente ocupa uma posição angular situada entre as posiçõesangulares dos dois fios de um mesmo enrolamento de induzido, de maneira a gerarno(s) enrolamento(s) de induzido, quando da rotação do rotor, um fluxo magnéticoalternativo.
Aspectos preferidos, mas não limitativos, da máquina de acordocom a invenção são os seguintes:
- o estator compreende ao longo de sua periferia uma alternânciade uma pluralidade de imãs permanentes e de enrolamentos de excitação.
- cada imã permanente se estende sensivelmente sobre toda adimensão radial do estator.- o estator compreende uma carcaça única no interior da qual éfornecido um entalhe profundo em associação com cada imã permanente.
- o estator compreende diversas partes de carcaça reunidas umas àsoutras por meio de diversos imãs permanentes.
- cada enrolamento de excitação está colocado no interior de doisentalhes fornecidos respectivamente no interior da superfície interna e no interiorda superfície externa do estator.
- a máquina compreende um mesmo numero de imãs permanentes,de enrolamentos de excitação e de enrolamentos de induzido, repartidos demaneira regular sobre a circunferência do estator.
- os dentes de comutação do fluxo do rotor apresentam umarepartição angular diferente daquela dos enrolamentos de induzido, de maneira aoperar com correntes polifásicas no interior dos diferentes enrolamentos deinduzidos.
- a máquina compreende meios para estabelecer com o auxílio doou dos enrolamentos de excitação um campo magnético inverso de magnetizaçãoou de remagnetização do ou dos imãs permanentes.
- a máquina constitui um alternador de veículo automotivo.
Outros aspectos, objetivos e vantagens da presente invençãoaparecerão melhor quando da leitura da descrição detalhada a seguir, de umaforma de realização preferida desta, fornecida a título de exemplo e feita comreferência aos desenhos anexos, sobre os quais:
A Figura 1 é uma vista esquemática em corte transversal de umconjunto de rotor e estator de uma máquina rotativa de acordo com uma forma deexecução simplificada da invenção, em uma primeira situação;
A Figura 2a ilustra a máquina da Figura 1 em uma segundasituação e em uma primeira posição do rotor,
A Figura 2b ilustra a mesma máquina na mesma segunda situaçãoe em uma segunda posição do rotor, eA Figura 3 é uma vista em corte transversal de um conjunto derotor e estator de uma máquina trifásica executada de acordo com a invenção.
Inicialmente com referência às Figuras 1, 2a e 2b, representou-seum estator e um rotor que pode equipar uma máquina elétrica monofásica comcomutação de fluxo de acordo com a invenção.
O rotor 100 compreende em sua periferia uma pluralidade dedentes salientes de rotor 101, neste caso em número de quatro, os quais são depreferencia espaçados regularmente de 90° um em relação ao outro. Como serávisto mais adiante, estes dentes 101 representam um papel de comutação de fluxoquando a máquina é excitada.
O estator 200 compreende quanto a si mesmo uma carcaça anelar210 constituída de duas partes que definem, em conjunto com dois imãspermanentes diametralmente opostos 214, uma estrutura anelar contínua. Naperiferia interior desta estrutura, e mais especificamente, no interior das duas partesda carcaça, é arranjada uma pluralidade de entalhes, e no caso, dois grupos de trêsentalhes, repartidos regularmente ou não. No sentido dos ponteiros de um relógio apartir de um destes imãs permanentes (no caso, aquele do alto da figura), encontra-se um dente de estator 212, um entalhe que recebe um fio de um enrolamento deinduzido 213, um dente de estator 212, em entalhe que recebe um fio de umprimeiro enrolamento de excitação 216, um dente de estator 217, um entalhe vazio218, um outro dente 217 e, enfim, o imã permanente diametralmente oposto 214.Prosseguindo no mesmo sentido, encontram-se dois outros dentes 217 quedelimitam um outro entalhe vazio 218, um entalhe que abriga um fio de umsegundo enrolamento de excitação 216 e, enfim, dois dentes 212 que delimitamum entalhe para o outro fio do enrolamento de indução 213.
O estator compreende, por outro lado, sobre sua periferia exterioros outros dois fios dos enrolamentos de excitação, estes estando concebidos paragerar um fluxo magnético essencialmente tangencial no interior da carcaça 210 dorotor 200.Da mesma forma, a orientação N/S dos imãs permanentes é tal queeles geram um fluxo magnético essencialmente circunferencial no interior dacarcaça 210, no sentido dos ponteiros de um relógio sobre a Figura 1.
A Figura 1 ilustra a situação onde os enrolamentos de excitação216 não estão alimentados por nenhuma corrente.
O fato que o estator seja fechado sobre ele mesmo faz com que osdois imãs 214 gerem linhas de campo essencialmente circulares, que giram emtorno do estator.
Disto resulta que nenhuma parte deste campo vai circular atravésdo rotor 100 (ou somente uma parte desprezível) e que qualquer que seja a posiçãoangular do rotor, mesmo que nenhuma corrente (salvo uma corrente desprezível)não vai ser gerada no interior do enrolamento do induzido 213.
A excitação da máquina é portanto nula.
Se agora (ver Figuras 2a e 2b), uma corrente unidirecional é levadaa circular no interior dos enrolamentos de excitação de maneira a gerar um fluxomagnético no sentido oposto àquele criado pelos imãs 214, então os fluxos opostosvão ter a tendência, a cada vez que isso seja possível, a se desviar através dosdentes 101 do rotor 100.
Assim, a Figura 2a ilustra o caso onde os quatro dentes 101 dorotor estão posicionados como a seguir, no sentido dos ponteiros de um relógio:
- um à direita do dente do estator 212 que separa o imã superior214 de um fio do enrolamento do induzido 213;
- um segundo à direita de um dente de estator 217 que separa o fiointerior de um dos enrolamentos de excitação 216 de um entalhe vazio 218;
- um terceiro à direita de um dente 217 que separa o imã inferior214 do outro entalhe vazio 218;
- enfim, um quarto à direita de um dente 212 que separa o fiointerior do outro enrolamento de excitação 216 do outro fio do enrolamento doinduzido 213.Observa-se que as linhas de campo se dirigem entãomajoritariamente através dos dentes 101 do rotor, os quais criam quatro circuitosmagnéticos fechados. Na posição da Figura 2a, dois destes campos giram nossentidos inversos, um em relação ao outro, e circunscrevem respectivamente osdois fios do enrolamento do induzido 213, entrando no interior do rotor entre estesdois fios. Estes dois circuitos magnéticos são excitados respectivamente pelo imãpermanente superior 214 e pelo enrolamento do induzido 216 situada à direitasobre a Figura 2a.
Resulta disto que será gerada uma corrente de induzido de umcerto sinal.
A Figura 2b ilustra a situação onde o rotor 100 efetuou, em relaçãoao caso da Figura 2a, uma rotação sobre 2π/8, seja, 45°. Observa-se que neste casoo fluxo magnético passa entre os dois fios do enrolamento do induzido 213 nadireção que sai do rotor, para gerar uma corrente de induzido de sinal oposto.
Assim, quando da rotação do rotor, gera-se ao nível do induzidouma corrente de induzido alternativa, essencialmente senoidal, cujo valor médio énulo ou essencialmente nulo.
Compreende-se que o valor eficaz desta corrente alternativadepende da amplitude do campo magnético criado pelos enrolamentos deexcitação 216, para variar entre um valor sensivelmente nulo e um valor máximo.
Notar-se-á aqui que o valor máximo do campo magnético nointerior dos enrolamentos de excitação não deve ser precisamente correlacionado àpotência dos imãs permanentes, sendo escolhido simplesmente para que os imãspermanentes 214 fiquem aptos a fazer obstáculo a todo campo inversosignificativo.
Vai-se descrever agora com referência à Figura 3 um exemplo deexecução de uma máquina polifásica de acordo com a presente invenção.
Esta máquina, no caso trifásica, compreende um estator 210contínuo em direção circunferencial, executado de forma convencional por meiode empilhamento de chapas. Este estator possui doze entalhes de profundidadesdesiguais, mas repartidos angularmente de forma essencialmente regular, estesentalhes sendo delimitados dois a dois por doze dentes 212.
Encontra-se no interior dos diferentes entalhes, no sentido dosponteiros de um relógio a partir do entalhe superior na figura 3:
- um primeiro imã permanente 214;
- um fio de um primeiro enrolamento de induzido 213a;
- um fio de um primeiro enrolamento de excitação 216;
- um fio de um segundo enrolamento de induzido 213b;
- um segundo imã permanente 214;
- o outro fio do segundo enrolamento de induzido 213b;
- um fio de um segundo enrolamento de excitação 216;
- um fio de um terceiro enrolamento de induzido 213c;
- um terceiro imã permanente 214;
- o outro fio do terceiro enrolamento de induzido 213c;
- um fio de um terceiro enrolamento de excitação 216; e
- o outro fio do primeiro enrolamento de induzido 213a.
Os três imãs permanentes são recebidos no interior dos entalhescuja profundidade é apenas ligeiramente inferior à espessura do estator em direçãoradial, isto afim de minimizar o estabelecimento de campos inversos no interior doestator a seu nível quando uma excitação é produzida. Ao contrário, os entalhesque recebem os enrolamentos de excitação e os enrolamentos de induzido sãomenos profundas,
Por outro lado, os três enrolamentos de excitação 216 possuemrespectivamente segundos fios arranjados no interior dos reforços formados naperiferia exterior da carcaça do estator, de maneira a gerar fluxos de excitaçãoessencialmente tangenciais.
Assim, a máquina apresenta uma simetria angular de 120°, amesma estrutura sendo reproduzida em três intervalos angulares de 120° cada um.Compreende-se que os três enrolamentos de induzido 213a, 213be 213c constituem as três fases do estator.
Para que a rotação do rotor 100 produza as defasagens elétricasdesejadas de 120° ao nível destas três fases, o rotor possui uma quantidade e umarepartição de dentes escolhidos de uma tal maneira que, ao nível de cada uma dastrês fases respectivas, a posição de pares de dentes seja diferente, com asdecalagens angulares apropriadas.
Isto é conseguido vantajosamente fornecendo-se ao rotor setedentes de comutação de fluxo 101, regularmente espaçados uns dos outros de2π/7. Outras repartições podem ser igualmente previstas.
Observar-se-á igualmente que a largura dos dentes é sensivelmenteidêntica àquela dos dentes 212 que separam os diferentes entalhes do estator.
Por outro lado, os três enrolamentos de excitação 216 são ligadosem série, ou de preferencia em paralelo, sobre a mesma fonte de excitação.
A máquina da Figura 3 opera de acordo com o mesmo princípioque aquela das Figuras 1, 2a e 2b.
Em particular, quando nenhuma excitação é aplicada ao nível dosenrolamentos 216, os três imãs permanentes 214 operam em conjunto paraproduzir um fluxo magnético que circula praticamente apenas no interior doestator, e as bobinas de fases 213a até 213c fornecem pois uma correntesensivelmente nula.
Ao contrário, o estabelecimento de uma excitação no sentidoinverso do campo criado pelos imãs permanentes provoca fenômenos dedobramento de campos ao redor de diferentes fios dos enrolamentos de fases, estesdobramentos sendo comutados pelos dentes 101 do rotor 100 de modo defasadouns em relação, aos outros, de tal maneira que a máquina gera, quando da rotaçãodo rotor, uma corrente alternativa trifásica cujo valor médio é nulo e cujo valoreficaz varia sensivelmente entre zero e um valor máximo quando se faz variar acorrente de excitação entre zero e um valor máximo de excitação.Observar-se-á para terminar que as máquinas das Figuras 1 até 3podem, se necessário, ser submetidas a uma magnetização inicial ou a umaremagnetização.
Mais precisamente, se os imãs 214 são montados no interior doestator sem terem sido previamente magnetizados, basta alimentar as bobinas deexcitação 216 sob uma corrente inversa da corrente de excitação, então cria-se nointerior do estator um campo magnético circunferencial de mesmo sentido queaquele produzido pelos imãs permanentes, e este campo é capaz de magnetizar oude remagnetizar os imãs. Este estabelecimento de um campo inverso demagnetização ou de remagnetização pode ser realizado, por exemplo, com oauxílio de meios de comutação com semicondutores, que o homem versado natécnica saberá executar sem dificuldade.
Esta operação pode ser realizada ou a bordo do veículo, com aenergia elétrica fornecida pela bateria, ou em oficina, no quadro de uma operaçãode manutenção.
Bem entendido, a presente invenção não está de qualquer formelimitada às formas de execução descritas e representadas.
Em particular, pode-se executar a partir dos ensinamentos queprecedem, máquinas que funcionam tão bem como gerador quanto como motor, talcomo por exemplo um alternador-motor de partida de veículo automotivo emáquinas que possuem um número qualquer de fases.
Claims (10)
1. Máquina elétrica que compreende um estator (200) e um rotor(100), o estator compreendendo sobre sua face interna no mínimo um enrolamentode induzido (213; 213a-213c) alojado no interior de um par de entalhes ecompreendendo, por outro lado, uma serie de alojamentos para meios de excitação,o rotor sendo desprovido de enrolamento e compreendendo uma pluralidade dedentes (101) aptos a estabelecer, de maneira seletiva, fluxos magnéticos variáveisno interior dos enrolamentos de induzidos, e os meios de excitaçãocompreendendo no mínimo um imã permanente (214) apto a estabelecer um fluxomagnético que se dobra sobre ele mesmo em uma direção circunferencial doestator e no mínimo uma bobina de excitação (216) apta a estabelecer localmenteum fluxo magnético regulável em uma direção circunferencial inversa daquela dofluxo produzido pelos imãs, sendo os dentes (101) do rotor ajustados de maneira aefetuar ao nível do estator uma comutação de fluxo, caracterizada pelo fato de quecada imã permanente (214) ocupa uma posição angular situada entre as posiçõesangulares dos dois fios de um mesmo enrolamento de induzido (213; 213a-213c),de maneira a gerar no(s) enrolamento(s) de induzido, quando da rotação do rotor,um fluxo magnético alternativo.
2. Máquina de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelofato de que o estator compreende ao longo de sua periferia uma alternância de umapluralidade de imãs permanentes (214) e de enrolamentos de excitação (216).
3. Máquina de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou-2, caracterizada pelo fato de que cada imã permanente (214) se estendesensivelmente sobre toda a dimensão radial do estator (200).
4. Máquina de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelofato de que o estator compreende uma carcaça única (210) na qual é colocado umentalhe profundo em associação com cada imã permanente (214).
5. Máquina de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelofato de que o estator compreende diversas partes de carcaça (210) reunidas umasàs outras por meio de diversos imãs permanentes (214).
6. Máquina de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5,caracterizada pelo fato de que cada enrolamento de excitação (216) está colocadono interior de dois entalhes fornecidos respectivamente no interior da superfícieinterna e no interior da superfície externa do estator (200).
7. Máquina de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6,caracterizada pelo fato de compreender um mesmo numero de imãs permanentes(214), de enrolamentos de excitação (216) e de enrolamentos de induzido (213a-213c), repartidos de maneira regular sobre a circunferência do estator (200).
8. Máquina de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelofato de que os dentes de comutação do fluxo (101) do rotor (100) apresentam umarepartição angular diferente daquela dos enrolamentos de induzido (213a-213c), demaneira a operar com correntes polifásicas no interior dos diferentes enrolamentosde induzidos.
9. Máquina de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8,caracterizada pelo fato de compreender meios para estabelecer com o auxílio do(s)enrolamento(s) de excitação (216), um campo magnético inverso de magnetizaçãoou de remagnetização do(s) imã(s) permanente(s) (214).
10. Máquina de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizada pelo fato de constituir um alternador de veículo automotivo.
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