BRPI0209915B1

BRPI0209915B1 - transdutor eletro-magnético para conversão de um movimento recíproco em voltagem alternada ou para conversão de voltagem alternada em movimento recíproco

Info

Publication number: BRPI0209915B1
Application number: BRPI0209915A
Authority: BR
Inventors: Robert Walter Redlich
Original assignee: Robert Walter Redlich
Priority date: 2001-05-23
Filing date: 2002-05-20
Publication date: 2016-05-24
Also published as: JP2002369485A; US6483207B1; JP4469124B2; CN1320737C; WO2002095905A3; CN1511368A; DE10296891T5; WO2002095905A2; US20020175570A1; BR0209915A

Abstract

"motor linear de auto-centralização". a presente invenção refere-se a um método de geração de uma força de centralização magnética em ímãs permanentes de um motor ou gerado com ímã permanente de movimento recíproco, devido ao fato de permitir que a estrutura ferro-magnética da máquina fique magneticamente saturada quando os ímãs permanentes encontram-se próximos às extremidades de suas trajetórias.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para: "TRANSDUTOR ELETRO-MAGNÉTICO PARA CONVERSÃO DE UM MOVIMENTO RECÍPROCO EM VOLTAGEM ALTERNADA OU PARA CONVERSÃO DE VOLTAGEM ALTERNADA EM MOVIMENTO RECÍPROCO".

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO 1 .Campo da Invenção [001] A presente invenção refere-se, à técnica geral de motores e geradores elétricos AC com movimento recíproco magnético permanente. Especificamente, trata-se de um meio de geração de forças de centralização magnéticas para confinamento de ímãs recíprocos ao interior de espaçamentos de ar de tais máquinas. 2. Descrição da Técnica Relacionada [002] A Patente US 4.602.174apresenta uma máquina elétrica AC, que pode ser utilizada como um gerador para conversão de movimento recíproco de um anel magnético permanente em uma voltagem AC ou como um motor para conversão de uma voltagem AC em movimento reciproco de um anel magnético permanente. Com referência à Figura 4 da Patente US 4.602.174, ímãs permanentes 50 movem-se reciprocamente em uma direção da esquerda para a direita, e caso a máquina seja convencional mente projetada, não existirão forças nos ímãs permanentes, caso não haja corrente na bobina em armadura 56, considerando que os ímãs não emergem a partir dos espaçamentos de ar. Caso os ímãs realmente sejam imergidos, são geradas intensas forças magnéticas que expelem os ímãs ainda mais. Para impedir a emergência dos ímãs e sua subseqüente expulsão a partir do espaçamento de ar, molas de centralização mecânicas e/ou magnéticas foram utilizadas na técnica anterior. As molas de centralização trazem complicações e aumento dos custos. O objetivo da presente invenção é prover uma força de centralização, gerada de forma magnética nos [003] ímãs com movimento recíproco, sem adição de custo ou complexidade.

BREVE SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[004] Na invenção, a estrutura ferro-magnética (60, 62, 64, 68 da Figura 6 da Patente US 4.602.174) encontra-se projetada de forma não-convencional, pelo fato de que se permite que toda ou parte da mesma fique saturada, à medida em que so ímãs permanentes 50 - da Patente US 4.602.174- se aproximam dos extremos esquerdo e direito do espaçamento de ar, no qual estes se movem reciprocamente. A teoria mostra e os experimentos confirmam que a saturação magnética conduz ao fato da força ser exercida nos ímãs com movimento magnético em uma direção tal a confinar os ímãs no interior do espaçamento de ar. O desenho convencional evita a saturação magnética devido ao fato de degradar o desempenho através de diminuição da eficiência e, no caso dos geradores, distorcer a forma em onda de alimentação de saída da voltagem. Em um movimento linear o motor - gerador AC do tipo divulgado na Patente US 4.602.174, contudo modificado de acordo com a invenção, se observou que as forças úteis de centralização podem ser geradas sem que se incorra em um erro significativo de desempenho.

BREVE DESCRIÇÃO DAS DIVERSAS VISTAS DOS DESENHOS

[005] A Figura 1A é uma vista em seção transversal de um motor ou gerador linear, magnético permanente de acordo com a técnica anterior. Na Figura 1A, as dimensões e as quantidades magnéticas que são modificadas pela invenção encontram-se identificadas por símbolos.

[006] A Figura 1B é uma vista em seção transversal de um motor ou gerador linear, magnético, permanente, no qual as dimensões e quantidades magnéticas que distinguem a invenção da técnica anterior se encontram identificadas através de símbolos.

[007] A Figura 2 ilustra gráficos de quantidades magnéticas na estrutura de ferro, de acordo com a técnica anterior e na invenção. Estas quantidades encontram-se plotadas em relação ao deslocamento X dos ímãs, a partir de sua posição centralizada. As quantidades gráficas tratam-se da intensidade magnética H’ (da técnica anterior), a densidade de fluxo magnético B" (da técnica anterior), H (presente invenção) e B (presente invenção).

[008] A Figura 3 ilustra, para a técnica anterior e para a presente invenção, gráficos de força magnética nos ímãs de motor, plotada em relação ao deslocamento dos ímãs a partir de sua posição centralizada.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[009] A Figura 1A trata-se de uma vista em seção transversal de uma modalidade atual, de um motor ou gerador com ímã permanente de movimento recíproco, conforme divulgado na Patente Norte Americana Número 4.602.174. A máquina é substancialmente axialmente simétrica em torno do eixo A - A. Um anel magnético permanente 1 é magnetizado radialmente com uma magnetização M e move-se reciprocamente de forma paralela a A - A em entreferros que são delimitados por uma estrutura ferro-magnética externa 2 e uma estrutura fer-ro-magnética interna 3. Uma bobina de fio 4 envolve a estrutura ferro-magnética interna 3. X indica um deslocamento axial do anel magnético a partir de uma posição em que este fica centralizado no interior dos entreferros. Sem corrente alguma na bobina 4, a densidade de fluxo magnético B’ e a intensidade magnética H" nas estruturas ferro-magnéticas interna e externa são funções de X e das dimensões y’ e V e se encontram indicadas na Figura 1A por meio de uma notação de função convencional B’(X), Η’ (X), respectivamente.

[0010] A Figura 2 ilustra gráficos de H’(X) e B’(X) em uma máquina segundo a técnica anterior, convencional mente projetada para evitar um saturação magnética. B'(X) é uma função substancialmente linear de X, com um valor máximo tipicamente abaixo de 13.000 Gauss e H’(X) fica tipicamente abaixo 10 Oersted para todos os X.

[0011] A Figura 1B é uma vista em seção transversal de um motor ou gerador com ímã permanente, linear, de acordo com a invenção. A Figura 1B é a mesma que a Figura 1A, com exceção de que uma ou ambas as dimensões y e Y são feitas de forma sufi ciente mente menor do que suas partes correspondentes segundo a técnica anterior y’ e Y’, de forma que a saturação magnética ocorra de forma próxima a X = L/2 e X = -L/2, que se tratam dos valores de X em que os ímãs 1 dão início à emersão, a partir do espaçamento de ar entre as estruturas de ferro 2 e 3.

[0012] A Figura 2 ilustra gráficos de H(X) e B(X) em um motor ou gerador de acordo com a invenção. A seguir IXI = L/2, H(X) se eleva acima de 20 Oersted, excedendo a saturação típica para aço elétrico, a qual é acima de 10 Oersted. B(X) seguindo IXI = L/2 cai abaixo de uma projeção linear de seus valores quando X é baixo, alcançando um valor máximo que excede 15.000 Gauss.

[0013] A finalidade de se permitir que partes das estruturas ferro-magnéticas 2 e 3 saturem quando o anel magnético 1 se aproxima de qualquer uma das extremidades dos entreferros, é a de gerar forças magnéticas que impeçam que o anel deixe o entreferro. A existência de tais forças é predita através da teoria da energia eletro - magnética, que nos instrui que, a fim de aumentar a densidade de fluxo magnético B por uma quantidade diferencial dB em um volume diferencial dV, se exige uma energia igual a (H x dB x dV). Na invenção, a fonte de tal energia é o trabalho mecânico efetuado no anel magnético através de uma força axial que se move através de uma distância dX, a partir do que se segue, que a força F no anel magnético possa ser encontrada a partir da equação; F = - J H x dB/dX x dV equação (1) [0014] O sinal de menos na equação (1) significa que F encontra-se em uma direção oposta a dX. A integral deve, em princípio, ser tomada em relação a todo o espaço, mas na técnica anterior e na invenção, a contribuição dominante se dá a partir do volume ocupado pelas estruturas ferro-magnéticas 2 e 3 das Figuras 1 A e 1B, considerando que o anel magnético não deixe os entreferros. Na técnica anterior, a saturação magnética é evitada por meio do dimensionamento da estrutura ferro-magnética H’ de forma que seja consideravelmente menor do que 10 Oersted para todos X (sendo que 5 Oersted é típico) e F seja tão baixo para ser de uso prático no confinamento do anel magnético. No entanto, de acordo com a invenção, a saturação tipicamente se eleva H(L/2) acima de 20 Oersted, resultando em um valor muito mais alto de F, que irá impedir que o anel magnético 1 deixe o entreferro.

[0015] A Figura 3 ilustra gráficos de F na técnica anterior e de acordo com a invenção. Em ambos os casos, os ímãs irão ser expelidos a partir do entreferro, caso IXI > L/2, como indicado pelo aumento rápido da força por IXI > L/2. Na invenção, mas no segundo a técnica anterior, existe um força de restrição relativamente alta para impedir que o anel magnético 1 alcance X = L/2 e subseqüentemente seja expelido do entreferro.

[0016] Uma variação considerável pode ser possível dentre o espírito da invenção. Por exemplo, a saturação magnética poderia ficar restrita à estrutura ferro-magnética externa 2 ou à estrutura ferro-magnética 3, ao invés de existir em ambas as estruturas.

REIVINDICAÇÃO

Claims

1.

Transdutor eletro-magnético para conversão de um movimento recíproco em voltagem alternada ou para conversão de voltagem alternada em movimento recíproco, o referido transdutor compreendendo: a) um ímã permanente (1) em formato de um anel e possuindo superfícies cilíndricas externa e interna que são coaxiais em torno de um exixo (A-A) e se estendem axialmente entre dois planos perpendiculares ao referido eixo (A-A), o referido ímã permanente (1) sendo magnetizado de forma perpendicular às mencionadas superfícies cilíndricos e possuindo um comprimento (S + L) medido em uma direção paralela ao eixo A-A, b) um par de membros de fluxo em laço coaxiais estacionários, interno e externo (2,3), compostos de material ferro-magnético (2,3), os membros de fluxo em laço (2,3) estendendo-se radialmente para fora a partir do referido eixo (A-A) e definindo, entre eles, um par de entrferros separadas por uma distância de separação (S) em uma direção paralela ao referido eixo (A-A), sendo que: - cada entreferro é delimitado por superfícies cilíndricas interna e externa dos referidos membros de fluxo em laço (2,3), ambas as superfícies sendo coaxiais com o referido eixo (A-A), - cada entreferro possui um comprimento (L) em uma direção paralela ao referido eixo (A-A), - a ímã permanente (1) é posicionado no interior do par de entreferros e móvel em uma direção paralela ao eixo (A-A), e - o referido comprimento do ímã permanente (10 é a soma a da mencionada distância d eseparação (S) e o referido compri-meto (L) de cada entreferro; e c) uma bobina de armadura (4) enrolada para circundar as porções centrais dos referidos membros de fluxo em laço (2, 3), caracterizado pelo fato de que, em uma ou mais regiões dos referidos membros de fluxo em laço (2, 3), o material ferro-magnético compreendendo a referida região ou regiões é magneticamente saturado quando IXI = L/2 e a corrente na referida bobina de armadura (4) é zero, sendo que a saturação é definida como intensidade magnética H superior a 20 Oersteds e X é a distância (X) pelo ímã permanente (1) movida, medida a partir do local em que a ímã permanente (1) encontra-se centralizado axialmente nos entreferros.