BRPI0517020B1

BRPI0517020B1 - Estrutura de rotor - estator para máquinas eletrodinâmicas

Info

Publication number: BRPI0517020B1
Application number: BRPI0517020-6A
Authority: BR
Inventors: John Patrick Petro; Ken George Wasson
Original assignee: Novatorque, Inc
Priority date: 2004-10-25
Filing date: 2005-10-24
Publication date: 2022-05-17
Also published as: KR101146540B1; ATE489762T1; WO2006047499A2; MX2007005012A; JP4898692B2; EP1810391B1; DE602005025006D1; WO2006047499A3; EP1810391A2; EP1810391A4; BRPI0517020A; KR20070111447A; JP2008518579A

Abstract

ESTRUTURA DE ROTOR - ESTATOR PARA MÁQUINAS ELETRODINÂMICAS. A presente invenção refere-se a uma estrutura de rotor - estator (250, 200) para um maquinário eletrodinâmico para, entre outras coisas, minimizar os comprimentos de percurso de fluxo magnético e eliminar o contra-ferro para aumentar o torque e/ou a eficiência por tamanho unitário (ou peso unitário) e para reduzir os custos de fabricação. Em uma modalidade, uma estrutura de rotor - estator (250, 200) exemplar pode compreender um eixo (225, 222) que define um eixo geométrico de rotação, e um rotor sobre o qual pelo menos dois ímãs (226a, 226b; 220a, 220b), estão montados sobre o eixo (225, 222). Os dois ímãs podem ser ímãs cilíndricos (226a, 226b) ou cônicos (220a, 220b) que têm superfícies magnéticas que confrontam os entreferros. Em algumas modalidades, membros de pólo de campo substancialmente retos podem estar dispostos coaxialmente e ter superfícies de interação de fluxo formadas em ambas as extremidades destes pólos de campo. Estas superfícies estão localizadas adjacentes às superfícies magnéticas confrontantes para definir os entreferros de funcionamento, os 'quais são geralmente curvos na forma.

Description

REFERÊNCIA CRUZADA COM PEDIDO(S) RELACIONADO(S)

[001] Este pedido reivindica o benefício do Pedido Provisório U.S. Número 60/622.258 requerido em 25 de outubro de 2004, Pedido Não Provisório U.S. Número 11/021.417 requerido em 23 de dezembro de 2004, e Pedido Não Provisório U.S. Número 11/xxx.xxx, intitulado "Estrutura de Rotor - Estator Para Máquinas Eletrodinâmicas", requerido em 20 de outubro de 2005, cada um dos quais está aqui incorporado por referência na sua totalidade.

BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[002] A presente invenção refere-se geralmente a motores elétricos, alternadores, geradores e similares, e mais especificamente, a uma estrutura de rotor - estator para motores que, por exemplo, aumenta o torque de saída por tamanho unitário (ou por peso unitário) ou pela minimização do comprimento de percursos de fluxo magnético ou pelo endireitamento destes percursos através de membros de pólo de campo, ou ambos. Ainda, a estrutura de rotor - estator conserva recursos, tal como reduzindo os custos de fabricação, tal como minimizando o desperdício e pela eliminação de material de contraferro.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[003] Nas estruturas de estator e rotor tradicionais para os motores de potência fracionada e subfracionada, os ímãs permanentes estão frequentemente integrados em um conjunto de rotor que tipicamente gira no mesmo plano que uma estrutura de estator ferromagnética que provê os percursos de retorno magnético para o fluxo gerado por ímã e corrente. O fluxo gerado por corrente, o qual é também referido como fluxo gerado de Ampére - Espira ("AT"), é gerado passando uma corrente através de um enrolamento de bobina que está enrolado ao redor de uma região de pólo de uma estrutura de membro de estator. Apesar de funcionais, as estruturas de estator e rotor convencionais destes e de outros motores elétricos tem diversas desvantagens, como a seguir discutido.

[004] A Figura 1 ilustra um motor elétrico convencional que exemplifica as estruturas de rotor e estator comumente utilizadas. O motor elétrico 100 é um motor cilíndrico composto de uma estrutura de estator 104, um cubo magnético 106 e um eixo 102. A estrutura de rotor do motor 100 inclui um ou mais ímãs permanentes 110, todos os quais estão presos através do cubo magnético 106 no eixo 102 para rotação dentro da estrutura de estator 104. A estrutura de estator 104 tipicamente inclui os pólos de campo 118, cada um tendo um enrolamento de bobina 112 (somente um está mostrado) que está enrolado ao redor de cada pólo de campo 118. A estrutura de estator 104 inclui fendas 108 utilizadas em parte para prover uma passagem de fio para enrolar o fio de bobina ao redor dos pólos de campo de estator 118 durante a fabricação. As fendas 108 também provêem uma separação magnética entre os pólos de campo 118 adjacentes. A estrutura de estator 104 inclui um segmento de transporte de fluxo periférico 119 como parte do percurso de retorno magnético 116. Em muitos casos, a estrutura de estator 104 está composta de laminações 114, as quais tipicamente são formadas de um material isotrópico (por exemplo, sem grãos orientados) magneticamente permeável. O percurso de retorno magnético 116, o qual é um de um número de percursos de retorno magnético no qual um fluxo gerado por ímã permanente e um fluxo gerado por AT estão presentes, está mostrado como sendo um tanto arqueado por natureza no segmento de transporte de fluxo periférico 119 mas inclui curvas relativamente fechadas nas regiões de pólo de campo 118.

[005] Uma desvantagem dos motores elétricos tradicionais, incluindo o motor elétrico 100, é que o percurso de retorno magnético 116 requer um comprimento relativamente longo para completar um circuito magnético para o fluxo emanar de um pólo de ímã de rotor 110 e atravessar através do percurso de retorno magnético 116 para outro pólo de ímã de rotor 110. Mais ainda, o percurso de retorno magnético 116 não é uma linha reta, o que é preferido para carregar o fluxo magnético. Como mostrado, o percurso de retorno magnético 116 tem duas curvas de noventa graus no percurso do estator. O percurso de retorno magnético 116 vira uma vez da região de pólo de campo 118 para o segmento de transporte de fluxo periférico 119, e então novamente do segmento de transporte de fluxo periférico 119 para outra região de pólo de campo 118. Ambas estas curvas são subótimas para transportar o fluxo eficientemente. Como implementado, o percurso de retorno magnético 116 requer mais material, ou "contraferro", do que de outro modo é necessário para transportar tal fluxo entre os pólos de campo. Consequentemente, os percursos de retorno magnético 116 adicionam peso e tamanho aos motores elétricos tradicionais, por meio disto aumentando o fator de forma do motor assim como o custo de materiais para fabricar tais motores.

[006] Outra desvantagem dos motores elétricos convencionais é que as laminações 114 não utilizam efetivamente materiais anisotrópicos para otimizar a densidade de fluxo e reduzir as perdas de histerese nos pólos que transportam fluxo, tal como através dos pólos de campo 118, e as regiões de estator no segmento de transporte de fluxo periférico 119. Especificamente, o segmento de transporte de fluxo periférico 119 inclui um percurso de fluxo não reto, o que limita a utilização de tais materiais anisotrópicos na minimização das perdas de histerese (ou "perdas de ferro"). A histerese é a tendência de um material magnético reter a sua magnetização. "Perda de histerese" é a energia requerida para magnetizar e desmagnetizar o material magnético que constitui as regiões de estator, em que as perdas de histerese aumentam conforme a quantidade de material magnético aumenta. Como o percurso de retorno magnético 116 tem uma ou mais curvas de noventa graus ou maior, a utilização de materiais anisotrópicos, tais como os materiais de grãos orientados, não podem efetivamente reduzir as perdas de histerese porque o percurso de retorno magnético 116 no segmento de transporte de fluxo periférico 119 cortaria através da orientação direcional das laminações 114. Por exemplo, se a direção 120 representa a orientação de grãos para as laminações 114, então pelo menos duas porções do percurso de retorno magnético 116 atravessam a direção 120 do grão, por meio disto retardando a capacidade de densidade de fluxo daquelas porções do segmento de transporte de fluxo periférico 119 do estator. Consequentemente, os materiais anisotrópicos geralmente não tem sido implementados em estruturas similares à estrutura de estator 104 já que os percursos de fluxo são usualmente curvilíneos ao invés de retos, o que limita os benefícios providos pela utilização de tais materiais.

[007] Ainda outra desvantagem dos motores elétricos convencionais são os comprimentos relativamente longos do percurso de retorno magnético 116. As frequências magnéticas mutáveis, tais como aquelas desenvolvidas nas frequências de comutação de motor, podem fazer com que correntes parasitas desenvolvam-se nas laminações 114 em uma orientação oposta ao campo magnético que as induz. As correntes parasitas resultam em perdas de potência que são aproximadamente proporcionais a uma função de potência da taxa na qual o fluxo magnético muda e aproximadamente proporcional ao volume de material de laminação afetado.

[008] Outras desvantagens dos motores elétricos comumente utilizados incluem a implementação de técnicas especializadas para reduzir o "desbaste" ("cogging"), ou torque de detenção, que não são bem adequadas para aplicação com vários tipos de projetos de motores elétricos. O desbaste é um torque angular não uniforme que resulta em solavancos ao invés de um movimento rotacional suave. Este efeito usualmente é mais aparente em baixas velocidades e aplica um torque aditivo e subtrativo na carga quando os pólos de campo 118 estão em diferentes posições angulares em relação aos pólos magnéticos. Ainda, as acelerações e desacelerações rotacionais inerentes causam vibrações audíveis.

[009] Em outro tipo de motor elétrico, os pólos magnéticos estão posicionados em diâmetros relativamente grandes ao redor (ou a distâncias radiais) de um eixo de rotor. Estes pólos magnéticos, assim como os ímãs permanentes que dão origem àqueles pólos magnéticos, estão tipicamente dispostos coaxialmente ao redor do eixo, com os pólos magnéticos adjacentes alternando em polaridade. Um disco de armadura usualmente sustenta os ímãs permanentes como ímãs não monolíticos, separados em um plano perpendicular ao eixo de rotor. As estruturas, tais como estas estão projetadas com base em um certo princípio de projeto de motor elétrico. De acordo com este princípio, um aumento no torque de saída é conseguido pelo aumento da distância radial entre os pólos magnéticos e o eixo de rotor. Consequentemente, os pólos magnéticos deste tipo de motor elétrico estão crescentemente sendo posicionados em maiores distâncias do eixo de rotor para aumentar a distância de braço de torque do eixo geométrico de rotação para as folgas de ar, por meio disto aumentando o torque de saída. Uma desvantagem desta proposta é que materiais adicionais são consumidos na formação de maiores estruturas de motor para acomodar a maior distância de braço de torque, tal como aquelas estruturas que são utilizadas para formar os percursos de retorno de fluxo magnético. Estes percursos de retorno de fluxo magnético são tipicamente formados utilizando o "contraferro" para completar um maior percurso de fluxo, o qual é geralmente tortuoso por natureza. Pela adição de contraferro para completar um circuito magnético, o volume de material magnético através do qual o fluxo magnético passa aumenta, o que prejudicialmente tende a aumentar a histerese e as perdas de corrente parasita, ambas as quais podem ser referidas coletivamente a "perdas de núcleo". Ainda, a adição de contraferro para completar um circuito magnético aumenta o comprimento do percurso de fluxo magnético, por meio disto exacerbando as perdas de núcleo. Outra desvantagem dos motores deste tipo é que o volume do motor aumenta conforme os pólos magnéticos ficam posicionados mais distantes do eixo, o que, por sua vez, limita as aplicações e utilizações disponíveis para este tipo de motor.

[0010] "Contraferro" é um termo comumente utilizado para descrever uma estrutura física (assim como os materiais que dão origem àquela estrutura física) que é frequentemente utilizada para completar um circuito magnético de outro modo aberto. As estruturas de contraferro são geralmente utilizadas somente para transferir o fluxo magnético de um elemento de circuito magnético para outro, tal como ou de um pólo de campo magneticamente permeável para outro, ou de um pólo magnético de um ímã permanente para um pólo magnético de outro ímã permanente, ou ambos. Ainda, as estruturas de "contraferro" não são geralmente formadas para aceitar um elemento de geração de ampére - espira associado, tal como uma ou mais bobinas.

[0011] Em vista do acima, seria desejável prover uma estrutura de rotor - estator que minimize as desvantagens acima mencionada em motores elétricos e geradores, e aumentar o torque de saída e a eficiência ou em uma base por tamanho unitário ou por peso unitário, ou ambos, assim como conservar os recursos durante a fabricação e/ou operação.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0012] Um sistema, aparelho e método estão descritos para implementar uma estrutura de rotor - estator exemplar para utilização em máquinas eletrodinâmicas, tais como os motores elétricos, os geradores, os alternadores, e similares. De acordo com uma modalidade da presente invenção, uma estrutura de rotor - estator para máquinas eletrodinâmicas inclui ímãs cilíndricos que tem superfícies cilíndricas dispostas axialmente sobre um eixo geométrico de rotação. Os ímãs cilíndricos, por exemplo, podem incluir dois ímãs cilíndricos estando posicionados de modo que as direções de polarização dos dois ímãs cilíndricos ficam em direções substancialmente opostas. A estrutura de rotor - estator também podem incluir membros de pólo de campo dispostos coaxialmente ao eixo geométrico. Os membros de pólo de campo podem ter superfícies de interação de fluxo formadas nas extremidades dos membros de pólo de campo adjacentes a porções das superfícies de ímã cilíndricas que confrontam as superfícies de interação de fluxo. As superfícies de interação de fluxo e as porções das superfícies de ímã cilíndricas definem as folgas de ar. Ainda, as superfícies de interação de fluxo estão configuradas para acoplar magneticamente os membros de pólo de campo nos ímãs cilíndricos. Notadamente, as superfícies de interação de fluxo em algumas modalidades estão contornadas para manter uma espessura substancialmente uniforme para cada uma das folgas de ar para aumentar a interação de fluxo entre os ímãs cilíndricos e os membros de pólo de campo, por meio disto aumentando o torque de saída. Em pelo menos uma modalidade, as folgas de ar tem uma seção transversal em forma de arco em um plano perpendicular ao dito eixo geométrico de rotação. Por exemplo, as seções transversais dos limites superior e inferior que definem a folga de ar podem alinhar com um segmento da circunferência de um círculo ao redor do eixo naquele plano.

[0013] Em algumas modalidades, a estrutura de rotor - estator também inclui um eixo sobre o qual os ímãs cilíndricos estão afixados, com o eixo definindo o eixo geométrico de rotação e estendendo-se através de cada um dos ímãs cilíndricos. Em pelo menos uma modalidade, pelo menos um dos membros de pólo de campo é um membro de pólo de campo substancialmente reto configurado para prover um percurso de fluxo substancialmente reto entre uma primeira superfície de interação de fluxo e uma segunda superfície de interação de fluxo. O percurso de fluxo substancialmente reto pode estar associado com uma relutância mais baixa do que aquela associada com um percurso de fluxo não reto que estende-se da primeira superfície de interação de fluxo para a segunda superfície de interação de fluxo. Como um exemplo, o percurso de fluxo não reto inclui um segmento de percurso de fluxo subsequente que desvia em um ângulo de aproximadamente noventa graus de um segmento de percurso de fluxo precedente, tanto o segmento de percurso de fluxo subsequente quanto o precedente sendo consecutivos. As superfícies de interação de fluxo cada uma tem uma área de superfície dimensionada para gerar uma saída de torque máximo. Especificamente, a área de superfície pode estar dimensionada como uma função de pelo menos as distâncias periféricas entre os membros de pólo de campo para prover um acoplamento magnético máximo entre os ímãs cilíndricos e os membros de pólo de campo enquanto pelo menos minimizando a fuga entre os membros de pólo de campo. Em pelo menos uma modalidade, uma pluralidade de vetores normais ortogonais a porções das superfícies de interação de fluxo pode definir a espessura substancialmente uniforme das folgas de ar. Como tal, os vetores normais cada um tem um comprimento substancialmente uniforme e terminam em porções das superfícies cilíndricas. Por exemplo, cada um dos vetores normais é geralmente ortogonal às respectivas porções das superfícies cilíndricas. Mas existem pelo menos dois vetores normais que não são paralelos um ao outro (por exemplo, em relação a superfícies curvas), especialmente quando aqueles dois vetores normais residem em um plano perpendicular ao eixo geométrico de rotação. Em alguns casos, aquelas porções das superfícies de interação de fluxo e das superfícies cilíndricas são representativas de pontos sobre as respectivas superfícies contornadas das superfícies de interação de fluxo e das superfícies cilíndricas. Em pelo menos uma modalidade, uma pluralidade de vetores normais ortogonais a porções das superfícies de interação de fluxo pode definir uma espessura não uniforme para a folgas de ar. Em pelo menos um caso, as faces de pólo que confrontam as folgas de ar são contornadas para proverem espessuras de folga de ar não uniformes. Um exemplo de uma face de pólo dando origem a uma espessura de folga de ar não uniforme é uma que tem uma superfície que fica substancialmente em um único plano relativamente plano (por exemplo, que resulta de um corte reto durante a fabricação do membro de pólo de campo).

[0014] Cada um dos membros de pólo de campo da estrutura de rotor - estator pode ainda incluir laminações de modo que um plano mediano que estende-se em uma direção axial divide uma quantidade das laminações aproximadamente ao meio de modo que em um lado do plano mediano as laminações geralmente diminuem em pelo menos uma dimensão conforme as laminações estão posicionadas mais distantes do plano mediano. As laminações podem ser formadas de um substrato composto de um material magneticamente permeável em configurações que reduzem o desperdício do material magneticamente permeável. Note que pelo menos uma das laminações pode ser anisotrópica. Em uma modalidade, cada um dos membros de pólo de campo da estrutura de rotor - estator pode ainda incluir materiais magneticamente permeáveis que estão dimensionados para terem seções transversais variáveis como visto na direção axial. Tais dimensões podem ser definidas para auxiliar no controle do torque de retenção, reduzir as perdas de corrente parasita, reduzir os custos de fabricação, ou efetuar todos os acima. Note que pelo menos uma das porções dimensionadas variáveis pode ser anisotrópica ou de qualquer tipo de material. Em alguns casos, as porções dimensionadas variáveis podem incluir o mesmo ou um diferente material que as sapatas e/ou faces de pólo.

[0015] Em pelo menos uma modalidade, cada uma das superfícies de interação de fluxo ainda inclui uma superfície de interação de fluxo enviesada para enviesar as folgas de pólo de campo entre os membros de pólo de campo adjacentes, por meio disto minimizando o torque de retenção. Em alguns casos, a superfície de interação de fluxo enviesada inclui uma primeira borda que define um primeiro lado de uma folga de pólo de campo e uma segunda borda que define um segundo lado de outra folga de pólo de campo, por meio de que a primeira borda e a segunda borda mantém ângulos que não se alinham com uma direção de polarização de pelo menos um dos ímãs cilíndricos, em que uma primeira borda de um primeiro membro de pólo de campo e uma segunda borda de um segundo membro de pólo de campo formam uma folga de pólo de campo.

[0016] Cada um dos membros de pólo de campo da estrutura de rotor - estator pode incluir uma porção de membro de pólo de campo central que tem uma superfície periférica externa coextensiva com uma porção de um círculo ao redor do eixo geométrico de rotação para diminuir uma dimensão volumétrica da estrutura de rotor - estator. Pelo menos um dos membros de pólo de campo pode também incluir uma bobina enrolada ao redor deste para formar pelo menos um membro de pólo de campo ativo. As direções de polarização da estrutura de rotor podem incluir uma primeira direção de polarização e uma segunda direção de polarização, por meio de que um ímã cilíndrico dos ímãs cilíndricos está orientado para ter a primeira direção de polarização e outro ímã cilíndrico dos ímãs cilíndricos está orientado para ter a segunda direção de polarização. A primeira direção de polarização geralmente é ajustada em um ângulo de polarização da segunda direção de polarização para minimizar o torque de retenção, o ângulo de polarização sendo qualquer ângulo de aproximadamente 150 graus a 180 graus.

[0017] Em uma modalidade específica, a estrutura de rotor - estator está configurada para gerar percursos de fluxo magnético que consiste essencialmente no primeiro ímã cilíndrico, no segundo ímã cilíndrico, nos membros de pólo de campo, e duas ou mais folgas de ar, em que cada um do primeiro ímã cilíndrico e do segundo ímã cilíndrico é um ímã monolítico. Em alguns casos, um ou mais dos membros de pólo de campo pode estar composto de um material magneticamente permeável que é contínuo de uma extremidade de cada membro de pólo de campo até a outra extremidade, e pelo menos uma porção que está configurada para aceitar um elemento para gerar um fluxo de ampére - espira ("AT"). Similarmente, cada um dos ímãs cilíndricos pode ser composto de um material de ímã contínuo.

[0018] Geralmente, uma quantidade dos um ou mais dos membros de pólo de campo é independente de um número de pólos de ímã dos ímãs cilíndricos. Não existe uma especificação geral que o número de pólos de ímã seja o mesmo que o número de membros de pólo de campo. Os membros de pólo de campo podem incluir uma ou mais de ligas de silício - ferro, ligas de níquel - ferro, ligas de cobalto - níquel, ligas de aço, ligas de ferro, ligas de pó magnético, e/ou compostos magnéticos macios. Os ímãs cilíndricos são geralmente ímãs permanentes que incluem um ou mais dos seguintes: ferro neodímio ("NdFe"), um ou mais materiais magnéticos de terras raras, e/ou um ou mais de materiais magnéticos de cerâmica. Em um aspecto, um ou mais membros de pólo de campo podem ser formados para minimizar a complexidade de fabricação associada com o enrolamento da bobina sobre o pelo menos um membro de pólo de campo evitando o enrolamento da bobina ou através de uma fenda ou por sobre uma estrutura intermediária. A bobina pode estender-se substancialmente pelo comprimento do pelo menos um membro de pólo de campo ativo em uma direção axial para reduzir a fuga de fluxo das periferias do pelo menos um membro de pólo ativo. Em pelo menos uma modalidade, cada um dos membros de pólo de campo tem laminações e uma porção de membro de pólo de campo central entre a primeira superfície interação de fluxo e a segunda superfície de interação de fluxo. A porção de membro de pólo de campo central pode ter uma superfície periférica externa circunscrita por pelo menos uma porção de um círculo ao redor do eixo geométrico de rotação de modo que pelo menos duas das laminações tenham seções transversais que são diferentes dimensões.

[0019] De acordo com outra modalidade da presente invenção, uma estrutura de rotor - estator para máquinas eletrodinâmicas tem um eixo geométrico e pode incluir pelo menos um conjunto de rotor no qual está montado pelo menos dois ímãs substancialmente cilíndricos dispostos axialmente sobre o eixo geométrico de conjunto de rotor e ficando espaçados um do outro. Os ímãs cilíndricos tem regiões de polarização magnética predeterminada. Cada um dos ímãs cilíndricos tem superfícies magnéticas cilíndricas confrontantes de dimensão principal substancialmente paralela ao eixo geométrico. Os ímãs cilíndricos estão dispostos em relação ao eixo geométrico em um modo que orienta as polarização magnéticas em direções substancialmente opostas. As polarizações magnéticas podem ser descritas como ficando dentro de planos que passam através das superfícies de ímã cilíndrico enquanto sendo substancialmente perpendiculares ao eixo geométrico. A estrutura de rotor - estator também inclui os membros de pólo de campo dispostos coaxiais ao eixo geométrico com superfícies de interação de fluxo sendo formadas nas extremidades dos membros de pólo de campo. As superfícies de interação de fluxo estão geralmente localizadas adjacentes às superfícies magnéticas confrontantes, as quais podem ser coextensivas com a sua dimensão principal. As superfícies de interação de fluxo e as superfícies magnéticas confrontantes geralmente definindo folgas de ar de funcionamento. Cada um dos membros de pólo de campo deve ser magneticamente permeável. Cada um dos membros de pólo de campo pode ser substancialmente reto. As superfícies de interação de fluxo estão configuradas para acoplar magneticamente os membros de pólo de campo nos ímãs cilíndricos. Em uma modalidade específica, cada uma das superfícies de interação de fluxo ainda inclui uma superfície de interação de fluxo enviesada para enviesar as folgas de pólo de campo entre os membros de pólo de campo adjacentes, por meio disto minimizando o torque de retenção. Em uma modalidade, a estrutura de rotor - estator está configurada para limitar os percursos de fluxo magnético para atravessarem somente através de dois dos ímãs cilíndricos, dos membros de pólo de campo, das superfícies de interação de fluxo, e das folgas de ar.

[0020] A estrutura de rotor - estator pode ainda incluir uma bobina enrolada ao redor de pelo menos um dos membros de pólo de campo para formar membros de pólo de campo ativos. Ainda, a estrutura de rotor - estator pode excluir o contraferro. A exclusão do contraferro diminui as perdas magnéticas assim como diminui a quantidade de materiais utilizados para fabricar uma máquina eletrodinâmica. Note que qualquer um dos membros de pólo de campo pode estar configurado para girar ao redor do eixo geométrico em relação aos ímãs cilíndricos ou os ímãs cilíndricos podem estar configurados para girar ao redor do eixo geométrico em relação aos membros de pólo de campo. Em uma modalidade, cada um dos membros de pólo de campo substancialmente retos está configurado para minimizar os desvios lineares em um percurso de fluxo que estende-se de uma porção de superfície de uma primeira superfície de interação de fluxo para uma porção de superfície de uma segunda superfície de interação de fluxo, o segmento de percurso terminando nas porções de superfície. Por exemplo, a quantidade de desvios e o grau no qual o fluxo desvia de uma linha podem ser reduzidos para evitar curvas súbitas ou relativamente fechadas no percurso de fluxo. Em um caso, um ímã cilíndrico dos ímãs cilíndricos tem uma primeira direção de polarização e outro ímã cilíndrico dos ímãs cilíndricos tem uma segunda direção de polarização. A primeira direção de polarização pode estar em um ângulo de polarização diferente da segunda direção de polarização para minimizar o torque de retenção, com o ângulo de polarização sendo qualquer ângulo de aproximadamente 150 graus a 180 graus. Por exemplo, a primeira direção pode estar em um ângulo de polarização de aproximadamente 150 graus a 180 graus da segunda direção.

[0021] De acordo com ainda outra modalidade da presente invenção, uma estrutura de rotor - estator para máquinas eletrodinâmicas inclui um eixo que define um eixo geométrico de rotação e que tem uma primeira porção de extremidade, uma porção central e uma segunda porção de extremidade. A estrutura de rotor - estator pode também incluir pelo menos uma primeira estrutura de ímã e uma segunda estrutura de ímã, cada uma tendo uma ou mais superfícies de ímã. A primeira estrutura de ímã e a segunda estrutura de ímã cada uma está afixada coaxialmente sobre o eixo de modo que a direção de polarização das uma ou mais superfícies de ímã da primeira estrutura de ímã estão em direções substancialmente opostas do que a direção de polarização das uma ou mais superfícies de ímã da segunda estrutura de ímã. A estrutura de rotor - estator ainda inclui uma pluralidade de conjuntos de enrolamentos e um número de membros de pólo de campo substancialmente coaxiais com o eixo. Cada um dos membros de pólo de campo pode incluir um número de laminações. Cada um dos membros de pólo de campo tem uma primeira sapata de pólo em uma primeira extremidade de membro de pólo de campo e uma segunda sapata de pólo em uma segunda extremidade de membro de pólo de campo. A primeira sapata de pólo está posicionada para ficar adjacente a uma porção da primeira estrutura de ímã para formar uma primeira região de interação de fluxo e a segunda sapata de pólo está posicionada para ficar adjacente a uma porção da segunda estrutura de ímã para formar uma segunda região de interação de fluxo.

[0022] Ambas a primeira região de interação de fluxo e a segunda região de interação de fluxo incluem folgas de ar. Cada uma das ditas folgas de ar pode geralmente ter uma espessura substancialmente uniforme e pode ter uma seção transversal em forma de arco em um plano perpendicular ao eixo geométrico de rotação. Um arco pode ser descrito como um segmento da circunferência de um círculo. Em uma modalidade, as faces de pólo dos membros de pólo de campo na primeira e na segunda região de interação de fluxo não tem uma forma de arco mas ao contrário são relativamente planas. Especificamente, as superfícies relativamente planas das faces de pólo geralmente confrontam os contornos da superfície de ímã adjacente quando vistas em cortes transversais em planos que incluem o eixo geométrico. Cada um dos membros de pólo de campo também tem pelo menos uma porção de membro de pólo de campo central ao redor do qual um conjunto da pluralidade de conjuntos de enrolamentos pode estar enrolado. Cada uma da primeira e da segunda sapata de pólo inclui uma região de transição que conecta cada uma da primeira extremidade de membro de pólo de campo e da segunda extremidade de membro de pólo de campo em um ângulo não ortogonal com a porção de membro de pólo de campo central. Isto reduz a relutância para um percurso de fluxo entre a porção de membro de pólo de campo central e qualquer uma da primeira ou da segunda sapata de pólo, ou ambas. A região de transição inclui um percurso de fluxo transitório para prover um ângulo agudo de um para um primeiro segmento de percurso de fluxo associado com a porção de membro de pólo de campo central e para prover no mesmo ou um diferente ângulo agudo do ou para um segundo segmento de percurso de fluxo associado com qualquer uma da primeira e da segunda sapata de pólo. Em alguns casos, os ângulos agudos estão entre aproximadamente 0 e 60 graus, por exemplo, da direção de percurso de fluxo.

[0023] Em uma modalidade, a primeira estrutura de ímã e a segunda estrutura de ímã cada uma são ímãs dipolo, uma superfície de ímã da primeira estrutura de ímã tendo um pólo norte que aponta em uma primeira direção e uma superfície de ímã da segunda estrutura de ímã tendo um pólo norte que aponta em uma segunda direção, a primeira e a segunda direção diferindo por um ângulo entre 150 e 180 graus, em que cada um dos ímãs dipolo é monolítico. Em algumas modalidades, a primeira estrutura de ímã e a segunda estrutura de ímã cada uma são ímãs de múltiplos pólos, a uma ou mais superfícies de ímã da primeira estrutura de ímã incluem uma pluralidade de pólos norte e de pólos sul, um dos quais está apontando em uma primeira direção e as uma ou mais superfícies de ímã da segunda estrutura de ímã inclui uma pluralidade de pólos norte e de pólos sul, um dos quais está apontando em uma segunda direção, a primeira e a segunda direção diferindo por um ângulo entre 150 e 180 graus. A primeira estrutura de ímã e a segunda estrutura de ímã podem incluir ímãs separados cada um tendo interfaces contíguas com outros ímãs separados sem nenhuma estrutura interveniente. Em várias modalidades, a primeira estrutura de ímã e a segunda estrutura de ímã incluem ou um ou mais ímãs de forma cilíndrica cada um tendo uma superfície cilíndrica ou um ou mais ímãs em forma de cone cada um tendo uma superfície cônica, ou ambos. Em uma modalidade, as uma ou mais superfícies de ímã cada uma compreende regiões discretas de magnetização, e a primeira estrutura de ímã e a segunda estrutura de ímã cada uma compreende um suporte de ímã configurado para suportar as regiões discretas de magnetização nas dimensões principais ou em um ângulo agudo com o eixo geométrico ou paralelo ao eixo geométrico, ou ambos, o suporte de ímã sendo afixado no eixo.

[0024] A estrutura de rotor - estator pode estar configurada para ou receber energia elétrica como uma corrente elétrica na pelo menos uma bobina para implementar um motor elétrico ou receber energia mecânica como um movimento rotacional ao redor do eixo para implementar um gerador elétrico. Ou, a estrutura de rotor - estator pode estar configurada para implementar ou um motor composto ou um motor em série, ou ambos, se a estrutura de rotor - estator estiver implementada dentro do motor elétrico, e está adicionalmente configurada para implementar ou um gerador composto ou um gerador em série, ou ambos, se a estrutura de rotor - estator estiver implementada dentro do dito gerador elétrico.

[0025] De acordo com pelo menos uma modalidade, uma estrutura de rotor - estator exemplar pode estar disposta dentro de um motor elétrico para prover mais torque de saída aplicável por um tal motor em relação aos motores elétricos convencionais do mesmo tamanho e/ou peso. Em outra modalidade, uma estrutura de rotor - estator provê um percurso magnético relativamente mais curto e mais reto, e uma utilização mais eficiente de materiais do que as estruturas de rotor - estator tradicionais para as máquinas eletrodinâmicas. Em casos onde os materiais permeáveis magneticamente anisotrópicos (por exemplo, materiais com grãos orientados) são utilizados para formar os membros de pólo de campo de modalidades específicas da presente invenção, as propriedades magnéticas inerentes de tais materiais contribuem para um aumento de densidade de fluxo nas regiões de transporte de fluxo. Note que estes materiais podem ou não ser utilizados para formar as laminações. A eliminação ou pelo menos a redução de percursos de externo exteriores, tais como aqueles percursos de retorno tradicionalmente implementados pela utilização de contraferro, portanto economiza peso e reduz o tamanho total das máquinas eletrodinâmicas que implementam várias modalidades da estrutura de rotor - estator da presente invenção. Em outra modalidade, uma estrutura de rotor - estator provê uma maior eficiência do motor do que um motor convencional similarmente dimensionado com o mesmo torque de saída. Este aumento de eficiência é devido, pelo menos em parte, aos enrolamentos de menor resistência, o que se traduz em menores perdas de potência de corrente ao quadrado vezes resistência (isto é, I2 * R) enquanto produzindo o mesmo fluxo gerado de ampére - espira criado em pacotes ou alojamentos de motor similarmente dimensionados dos motores tradicionais. Ainda, a estrutura de rotor - estator da presente invenção é menos complexa (por exemplo, no processo de enrolamento de bobina) e menos dispendiosa (por exemplo, devido à economia de materiais) de fabricar do que os motores convencionais. BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0026] A invenção será mais completamente apreciada em conexão com a descrição detalhada seguinte tomada em conjunto com os desenhos acompanhantes, nos quais:

[0027] Figura 1 exemplifica estruturas de estator e rotor comumente utilizadas implementadas em um motor elétrico tradicional;

[0028] Figura 2A é uma vista explodida de uma estrutura de rotor - estator exemplar que implementa ímãs cilíndricos, de acordo com uma modalidade da presente invenção;

[0029] Figura 2B é uma vista explodida de uma estrutura de rotor - estator exemplar na qual os ímãs tem uma forma cônica, de acordo com uma modalidade da presente invenção;

[0030] Figura 3 apresenta uma vista de extremidade para a estrutura de rotor - estator da Figura 2B sem um ímã para ilustrar a orientação das faces de pólo que estão configuradas para interagirem através de uma folga de ar com uma superfície magnética confrontante de um ímã cônico, de acordo com uma modalidade da presente invenção;

[0031] Figura 4 apresenta outra vista de extremidade para a estrutura de rotor - estator da Figura 2B que ilustra um ímã cônico posicionado adjacentes às faces de pólo de acordo com uma modalidade da presente invenção;

[0032] Figuras 5A e 5B apresentam vistas em corte que ilustram um percurso de fluxo magnético exemplar, de acordo com pelo menos uma modalidade da presente invenção;

[0033] Figura 5C apresenta um exemplo de um segundo percurso de fluxo que sai de uma face de pólo de um membro de estator que gera um fluxo magnético de ampére - espira, de acordo com uma modalidade da presente invenção;

[0034] Figura 5D apresenta um exemplo de um segundo percurso de fluxo que entra em uma face de pólo de um membro de pólo de campo ativo que originalmente gerou o fluxo magnético de ampére - espira da Figura 5C, de acordo com uma modalidade da presente invenção;

[0035] Figuras 5E e 5F apresentam vistas em corte que ilustram um percurso de fluxo magnético exemplar em outra estrutura de rotor - estator, de acordo com uma modalidade da presente invenção;

[0036] Figuras 6A e 6B ilustram uma vista de extremidade de outra estrutura de rotor - estator exemplar, de acordo com outra modalidade da presente invenção;

[0037] Figura 6C apresenta uma vista em corte parcial da estrutura de rotor - estator das Figuras 6A e 6B, de acordo com uma modalidade da presente invenção;

[0038] Figuras 7A a 7E ilustram exemplos de implementações de membros de pólo de campo, de acordo com várias modalidades da presente invenção;

[0039] Figura 8 ilustra outro membro de pólo de campo exemplar que tem faces de pólo enviesadas, de acordo com uma modalidade específica da presente invenção;

[0040] Figuras 9A a 9P ilustram exemplos de ímãs permanentes de outras formas que podem ser implementados em uma estrutura de rotor - estator exemplar, de acordo com várias modalidades da presente invenção;

[0041] Figura 10 mostra um ímã de múltiplos pólos, de acordo com uma modalidade da presente invenção;

[0042] Figuras 11A a 11C apresenta outros exemplos de estruturas de rotor - estator de acordo com várias modalidades da presente invenção;

[0043] Figuras 12A a 12D ilustram outra estrutura de rotor - estator que implementa imãs cilíndricos de acordo com várias modalidades da presente invenção;

[0044] Figuras 13A a 13D ilustram exemplos de outras estruturas de rotor - estator que implementam somente um imã de acordo com várias modalidades da presente invenção;

[0045] Figuras 14 e 15 apresentam exemplos de implementações de mais do que dois ímãs de acordo com várias modalidades da presente invenção;

[0046] Figura 16 apresenta uma implementação alternativa de uma estrutura de rotor - estator que tem orientações enviesadas para os seus membros de pólo de campo de acordo com uma modalidade da presente invenção;

[0047] Figuras 17A e 17B ilustram um exemplo de um membro de pólo de campo de acordo com uma modalidade específica da presente invenção;

[0048] Figura 18A apresenta folgas de ar que tem vários graus de uniformidade, de acordo com pelo menos uma modalidade da presente invenção;

[0049] Figura 18B apresenta a configurabilidade de folgas de ar de acordo com modalidades da presente invenção;

[0050] Figura 19 é uma vista em corte transversal que ilustra ainda outra configuração de membro de pólo de campo geral de acordo com ainda outra modalidade da presente invenção; e

[0051] Figura 20 ilustra uma linha de fluxo exemplar para representar um caso de fluxo magnético entre as faces de pólo de um membro de pólo de campo, de acordo com uma modalidade da presente invenção.

[0052] Os números de referência iguais referem-se a partes correspondentes através de todas as diversas vistas dos desenhos. Note que a maioria dos números de referência inclui um ou dois dígitos mais à esquerda que geralmente identificam a figura que primeiro introduz aquele número de referência.

DESCRIÇÃO DETALHADA DE MODALIDADES EXEMPLARES DEFINIÇÕES

[0053] As seguintes definições aplicam-se a alguns dos elementos descritos em relação a algumas modalidades da invenção. Estas definições podem do mesmo modo ser aqui expandidas.

[0054] Como aqui utilizado, o termo "folga de ar" refere-se a um espaço, ou uma folga, entre uma superfície de ímã e uma face de pólo confrontante. Um tal espaço pode ser fisicamente descrito como um volume limitado pelo menos pelas áreas da superfície de ímã e da face de pólo. Uma folga de ar funciona para permitir uma rotação relativa entre um rotor e um estator, e para definir uma região de interação de fluxo. Apesar de uma folga de ar ser tipicamente cheia com ar, não é preciso ser assim limitante.

[0055] Como aqui utilizado, o termo "contraferro" comumente descreve uma estrutura física (assim como os materiais que dão origem àquela estrutura física) que é frequentemente utilizada para completar e de outro modo abrir o circuito magnético. Especificamente, as estruturas de contraferro são geralmente utilizadas somente para transferir o fluxo magnético de um elemento de circuito magnético para outro, tal como ou de um membro de pólo de campo magneticamente permeável para outro, ou de um pólo de ímã de um primeiro ímã para um pólo de ímã de um segundo ímã, ou ambos, sem um elemento de geração de ampére - espira interveniente, tal como uma bobina, entre os membros de pólo de campo ou os pólos de ímã. Mais ainda, as estruturas de contraferro não são geralmente formadas para aceitar um elemento de geração de ampére - espira associado, tal como uma ou mais bobinas.

[0056] Como aqui utilizado, o termo "bobina" refere-se a uma montagem de sucessivas convoluções de um condutor disposta para acoplar indutivamente em um material magneticamente permeável para produzir um fluxo magnético. Em algumas modalidades, o termo "bobina" pode ser descrito como um "enrolamento" ou um "enrolamento de bobina".

[0057] Como aqui utilizado, o termo "região de bobina" refere-se geralmente a uma porção de um membro de pólo de campo ao redor do qual uma bobina é enrolada.

[0058] Como aqui utilizado, o termo "núcleo" refere-se a uma porção de um membro de pólo de campo onde uma bobina está normalmente disposta entre as sapatas de pólo e é geralmente composta de um material magneticamente permeável para prover uma parte de um percurso de fluxo magnético.

[0059] Como aqui utilizado, o termo "membro de pólo de campo" refere-se geralmente a um elemento composto de um material magneticamente permeável e sendo configurado para prover uma estrutura ao redor da qual uma bobina pode ser enrolada (isto é, o elemento está configurado para receber uma bobina para propósitos de gerar um fluxo magnético) Em algumas modalidades, um membro de pólo de campo inclui um núcleo (isto é, região de núcleo) e pelo menos duas sapatas de pólo, cada uma das quais está geralmente localizada em ou próximo de uma respectiva extremidade do núcleo. Mas note que em outras modalidades, um membro de pólo de campo inclui um núcleo e somente uma sapata de pólo. Sem mais, um membro de pólo de campo não está configurado para gerar um fluxo de ampére - espira. Em algumas modalidades, o termo "membro de pólo de campo" pode ser descrito geralmente como um "núcleo de estator". Em algumas modalidades, um membro de pólo de campo geralmente tem uma forma alongada de modo que o comprimento de um membro de pólo de campo (por exemplo, a distância entre as extremidades do membro de pólo de campo) é geralmente maior do que a sua largura (por exemplo, a largura do núcleo).

[0060] Como aqui utilizado, o termo "membro de pólo de campo ativo" refere-se a uma montagem de um núcleo, uma ou mais bobinas, e pelo menos uma sapata de pólo. Especificamente, um membro de pólo de campo ativo pode ser descrito como um membro de pólo de campo montado com uma ou mais bobinas para gerar seletivamente um fluxo de ampére - espira. Em algumas modalidades, o termo "membro de pólo de campo ativo" pode ser descrito geralmente como um "membro de núcleo de estator".

[0061] Como aqui utilizado, o termo "material ferromagnético" refere-se a um material que geralmente exibe fenômenos de histerese cuja permeabilidade é dependente da força de magnetização. Também, o termo "material ferromagnético" pode também referir-se a um material magneticamente permeável cuja permeabilidade relativa é maior do que a unidade e depende da força magnetização.

[0062] Como aqui utilizado, o termo "região de interação de campo" refere-se a uma região onde o fluxo magnético desenvolvido de duas ou mais fontes interagem vetorialmente em um modo que pode produzir uma força mecânica e/ou um torque em relação a estas fontes. Geralmente, o termo "região de interação de fluxo" pode ser utilizado intercambiavelmente com o termo "região de interação de campo". Exemplos de tais fontes incluem os membros de pólo de campo, os membros de pólo de campo ativos e/ou os ímãs, ou suas porções. Apesar de uma região de interação de campo ser frequentemente referida no vocabulário de máquinas rotativas como uma "folga de ar", uma região de interação de campo é um termo mais amplo que descreve uma região na qual o fluxo magnético de duas ou mais fontes interagem vetorialmente para produzir uma força mecânica e/ou um torque em relação a estas fontes, e portanto não está limitada à definição de uma folga de ar (isto é, não confinada a um volume definido pelas áreas da superfície de ímã e da face de pólo e dos planos que estendem-se das periferias entre as duas áreas). Por exemplo, uma região de interação de campo (ou pelo menos uma sua porção) pode estar localizada interna a um ímã.

[0063] Como aqui utilizado, o termo "gerador" geralmente refere-se a uma máquina eletrodinâmica que está configurada para converter a energia mecânica em energia elétrica independentemente, por exemplo, de sua forma de onda de voltagem de saída. Como um "alternador" pode ser similarmente definido, o termo gerador inclui os alternadores na sua definição.

[0064] Como aqui utilizado, o termo "ímã" refere-se a um corpo que produz um campo magnético externo ao mesmo. Como tal, o termo ímã inclui os ímãs permanentes, os eletroímãs, e similares.

[0065] Como aqui utilizado, o termo "motor" geralmente refere-se a uma máquina eletrodinâmica que está configurada para converter a energia elétrica em energia mecânica.

[0066] Como aqui utilizado, o termo "magneticamente permeável" é um termo descritivo que geralmente refere-se àqueles materiais que tem uma relação magneticamente definível entre a densidade de fluxo ("B") e o campo magnético aplicado ("H"). Ainda, "magneticamente permeável" pretende ser um termo amplo que inclui sem limitação, os materiais ferromagnéticos, os metais em pó, os compostos magnéticos macios ("SMCs"), e similares.

[0067] Como aqui utilizado, o termo "face de pólo" refere-se a uma superfície de uma sapata de pólo que faceia pelo menos uma porção da região de interação de fluxo (assim como a folga de ar), por meio disto formando um limite da região de interação de fluxo (assim como da folga de ar). Em algumas modalidades, o termo "face de pólo" pode ser geralmente descrito como ou uma "superfície de estator" ou pelo menos uma porção de uma "superfície de interação de fluxo", ou ambos.

[0068] Como aqui utilizado, o termo "sapata de pólo" refere-se àquela porção de um membro de pólo de campo que facilita o posicionamento de uma face de pólo de modo que esta confronte um rotor (ou uma sua porção), por meio disto servindo para modelar a folga de ar e controlar a sua relutância. As sapatas de pólo de um membro de pólo de campo estão geralmente localizadas próximo de cada extremidade do núcleo começando em ou próximo de uma região de bobina e terminando na face de pólo. Em algumas modalidades, o termo "sapata de pólo" pode ser descrito geralmente como uma "região de estator".

[0069] Como aqui utilizado, o termo "compostos magnéticos macios" ("SMCs") refere-se àqueles materiais que são compreendidos, em parte, de partículas magnéticas isoladas, tais como os materiais metálicos de pó ferroso revestidos com isolamento que podem ser moldados para formar um elemento da estrutura de rotor - estator da presente invenção.

[0070] Como aqui utilizado, o termo "região de transição" refere-se a uma porção opcional de uma sapata de pólo que facilita deslocar ou desviar um segmento de um percurso de fluxo (por exemplo, dentro de uma região de núcleo) para outro segmento do percurso de fluxo (por exemplo, dentro de uma sapata de pólo). Uma ou mais sapatas de pólo podem implementar regiões de transição para aperfeiçoar a utilização volumétrica do motor (por exemplo, colocando as bobinas em uma configuração compacta próximo de um eixo geométrico de rotação). Especificamente, a região de transição mantém a relutância do membro de pólo de campo relativamente baixa enquanto facilitando a compactação dos elementos que constituem uma máquina eletrodinâmica. Tais elementos incluem os eixos, os membros de pólo de campo, os ímãs e similares.

DISCUSSÃO

[0071] A Figura 2A é uma vista explodida de uma estrutura de rotor - estator exemplar de acordo com uma modalidade específica da presente invenção. A Figura 2A apresenta um conjunto de rotor 261 que inclui pelo menos dois ímãs cilíndricos 226a e 226b montados sobre ou afixados em um eixo 225, cada um dos ímãs cilíndricos 226a e 226b tendo superfícies de ímã (ou pelo menos suas porções) 224a e 224b, respectivamente, que são cilíndricas. Em várias modalidades da presente invenção, outras formas do que cilindros, tais como os cones, podem ser implementadas para praticar a estrutura de rotor - estator 250. A Figura 2A também apresenta um membro de pólo de campo 205a, 205b, e 205c respectivamente tendo as faces de pólo 209a, 209b, e 209c para confrontar as porções de superfície de ímã 224a. Note que nem todas as faces de pólo estão mostradas ou identificadas.

[0072] Em várias modalidades, cada um dos membros de pólo de campo 205 está configurado para aumentar o torque gerado por tamanho unitário (ou por peso unitário) para as implementações de motor elétrico pelo menos minimizando o comprimento dos percursos de fluxo magnético através dos membros de pólo de campo. Ainda, os membros de pólo de campo 205 provêem percursos de fluxo retos ou substancialmente retos (ou seus segmentos) para minimizar os desvios lineares do fluxo magnético. Tipicamente, os segmentos de percurso são geralmente paralelos ao eixo geométrico de rotação. Assim pela implementação de percursos retos ou substancialmente retos, cada um destes membros de pólo de campo provê um percurso de fluxo de relutância relativamente baixa se comparado com os projetos de percurso de retorno magnético convencionais que requerem que o fluxo magnético vire abruptamente ao redor da periferia, tal como em um ângulo de noventa graus (ou aproximadamente), entre as regiões de pólo de campo. Como tal, as estruturas de rotor - estator em algumas modalidades podem implementar percursos retos ou substancialmente retos para permitir que as máquinas eletrodinâmicas operem com perdas magnéticas reduzidas e uma eficiência aumentada. Várias modalidades e características alternativas da estrutura de rotor - estator da presente invenção estão a seguir descrita. Apesar das Figuras 2B até 11 ilustrarem as estruturas de rotor - estator geralmente implementando imãs cônicos, a descrição seguinte é aplicável a ímãs que tem outras formas ou equivalentes a estes.

[0073] A Figura 2B é uma vista explodida de uma estrutura de rotor - estator exemplar de acordo com uma modalidade específica da presente invenção. Neste exemplo, a estrutura de rotor - estator 200 inclui um conjunto de rotor 202 e um número de membros de pólo de campo ativos 204 (isto é, os membros de pólo de campo ativos 204a, 204b, e 204c), por meio de que os membros de pólo de campo ativos 204 estão configurados para acoplar magneticamente e acionar os ímãs do conjunto de rotor 202. O conjunto de rotor 202 inclui dois ímãs cônicos 220a e 220b montados sobre ou afixados em um eixo 222 de modo que pelo menos uma porção de uma superfície de ímã cônica 221a sobre um ímã cônico 220a faceia pelo menos uma porção de uma superfície de ímã cônico 221b sobre o ímã cônico 220b. Especificamente, as extremidades de menor diâmetro (isto é, mais próximo dos vértices dos cones, se presentes, ou mais próximo dos vértices conceituais dos cones se de outro modo não presentes devido, por exemplo, ao truncamento do cone) dos ímãs cônicos 220a e 220b faceiam umas às outras. Ainda, os ímãs cônicos 220a e 220b estão cada um posicionado adjacentes a um grupo de extremidades de membros de pólo de campo ativos 204. Em várias modalidades da presente invenção, as superfícies de ímã cônico 221a e 221b cada uma tem um ângulo de inclinação em relação ao eixo geométrico de rotação, onde o ângulo é de aproximadamente 5 graus a aproximadamente 85 graus. Em uma modalidade específica, o ângulo de inclinação pode ser de aproximadamente 10 graus a aproximadamente 80 graus. Em pelo menos uma modalidade, o ângulo de inclinação é de aproximadamente 30 graus em relação ao eixo geométrico de rotação, por exemplo, quando os ímãs cônicos 220a e 220b são compostos de um material de ímã de desempenho relativamente alto (por exemplo, ímãs que tem valores relativamente altos de produto de energia máxima e "Br", e uma alta coercividade, como abaixo discutido). Em várias modalidades, o eixo 222 pode ser composto de um material magneticamente permeável, enquanto que em outras modalidades este pode ser feito de materiais não magnéticos e/ou eletricamente não condutores. Como tal, a estrutura de rotor - estator 200 não requer que o eixo 222 forme percursos de fluxo; os membros de pólo de campo ativos 204 e os ímãs cônicos 220a e 220b são suficientes para formar os percursos de fluxo de acordo com pelo menos uma modalidade da invenção.

[0074] Cada um dos membros de pólo de campo ativos 204 inclui um membro de pólo de campo 206 e uma bobina isolada 208 enrolada ao redor de um respectivo membro de pólo de campo 206. Os membros de pólo de campo 206 estão posicionados coaxiais ao redor de um eixo geométrico de rotação, o qual pode ser definido pelo eixo geométrico do eixo 222. As bobinas 208a, 208b e 208c são geralmente enroladas ao redor das porções centrais dos membros de pólo de campo 206a, 206b e 206c, respectivamente, para produzir um fluxo magnético gerado de ampére - espira dos membros de pólo de campo 206 quando as bobinas 208 estão energizadas com uma corrente. Em pelo menos uma modalidade, um ou mais membros de pólo de campo ativos 204 constituem, pelo menos em parte, um conjunto de estator (não mostrado). Em cada região de extremidade dos membros de pólo de campo ativos 204 estão as faces de pólo 207, cada uma das quais está localizada adjacente a e confrontando com pelo menos uma porção das superfícies de ímã cônico dos ímãs cônicos 220a e 220b, por meio disto definindo as folgas de ar funcionais entre as superfícies de ímã (ou suas porções) e as faces de pólo. De acordo com uma modalidade específica da presente invenção, as faces de pólo 207 são contornadas para imitar as superfícies de um ímã, tal como aquela do ímã cônico 220a. Por exemplo, a face de pólo 207b é uma superfície côncava que se assemelha à curvatura daquela de uma superfície côncava do ímã cônico 220a. Em uma modalidade da presente invenção, uma extremidade estendida opcional como uma extremidade estendida 211b, estende-se longitudinalmente dos membros de pólo de campo 206 para estender sobre e/ou além das superfícies externas dos ímãs cônicos 220a e 220b. Como outro exemplo, a extremidade estendida 217b está configurada para estender-se além da superfície externa do ímã cônico 220b para inserção em uma das ranhuras 242 para construir a estrutura de rotor - estator 200. Mas note que em algumas modalidades, a extremidade estendida 211b assim como outras extremidades estendidas dos membros de pólo de campo 206 estão ausentes, por meio disto permitindo que as faces de pólo 207 confrontem os ímãs cônicos 220a e 220b que tem as suas extremidades de diâmetro maior (uma das quais coincide com a ou está mais próximo da superfície de ímã externa 223a) estendendo-se para ou além de uma distância radial associada com as superfícies externas dos membros de pólo de campo 206.

[0075] Como nem o conjunto de rotor 202 nem o número de membros de pólo de campo ativos 204 podem ser configurados para girarem uns em relação aos outros, a estrutura de rotor - estator 200 pode opcionalmente incluir rolamentos 230 e tanto uma placa de montagem dianteira 240 quanto uma placa de montagem traseira 248. Em uma modalidade específica, as placas de montagem 240 e 248 podem ser feitas de materiais não magnéticos e/ou eletricamente não condutores. As cavidades 244 nas placas de montagem 240 e 248 estão projetadas para receberem os rolamentos 230, e as ranhuras 242 estão projetadas para receberem pelo menos uma porção de uma extremidade estendida, tal como a extremidade estendida 217b, de um membro de pólo de campo ativo. Em alguns casos, as ranhuras 242 confinam o movimento dos membros de pólo de campo ativos 204 para manter uma posição apropriada em relação ao conjunto de rotor 202. Um alojamento protetor (não mostrado) pode ser adicionado para proteger tanto o conjunto de rotor 202 quanto os membros de pólo de campo 204 e pode também servir como um dissipador de calor para uma ou mais bobinas 208. Apesar de úteis para implementar a estrutura de rotor - estator 200 exemplar, várias modalidades da invenção não estão limitadas a incluir as placas de montagem 240 e 248 assim como os rolamentos 230 e as ranhuras 242, especialmente quando gerando um percurso de fluxo de acordo com as modalidades da presente invenção.

[0076] Note que apesar de cada membro de pólo de campo 206 ser mostrado sendo enrolado por uma bobina isolada 208, menos do que todos os membros de pólo de campo 206 podem ser enrolados pela bobina 208, de acordo com uma modalidade específica. Por exemplo, as bobinas 208b e 208c podem ser omitidas dos membros de pólo de campo ativos 204b e 204c, respectivamente, para formar uma máquina eletrodinâmica que, por exemplo, custa menos para fabricar do que se as bobinas 208b e 208c fossem incluídas. Sem as bobinas 208b e 208c, os membros 204b e 204c constituem membros de pólo de campo ao invés de membros de pólo de campo ativos. Também note que apesar dos membros de pólo de campo 206a, 206b e 206c serem mostrados como membros de pólo de campo retos, não existe nenhuma especificação de que os membros de pólo de campo 206a, 206b e 206c sejam retos ou substancialmente retos. Em algumas modalidades, um ou mais dos membros de pólo de campo 206a, 206b e 206c podem ser formados para implementar regiões de transição, tal como abaixo descrito, nos membros de pólo de campo para transportar o fluxo em outro do que um percurso de fluxo reto. Por exemplo, os membros de pólo de campo 206a, 206b e 206c podem ser formados para posicionar as bobinas 208 mais próximas do eixo 222, por meio disto diminuindo o volume de uma máquina eletrodinâmica que implementa a estrutura de rotor - estator 200.

[0077] Em pelo menos uma modalidade específica, cada um de um ou mais membros de pólo de campo ativos 204 inclui somente uma ou mais bobinas 208 e um membro de pólo de campo, tal como qualquer um de 206a, 206b e 206c. Em alguns casos, os membros de pólo de campo ativos 204 pode incluir uma fita, papel, e/ou tinta, ou similar que não adicione um suporte substancial para os enrolamentos de bobina que são enrolados ao redor de um membro de pólo de campo. Geralmente, os enrolamentos de uma ou mais bobinas 208 são enrolados diretamente sobre o próprio membro de pólo de campo. Os condutores de uma ou mais bobinas 208 podem geralmente incluir um isolamento. Mas nesta modalidade específica, cada um dos membros de pólo de campo ativos 204 não inclui nenhuma outra estrutura intermediária, tal como uma estrutura de suporte de bobina, a qual requer um custo de material e de mão de obra adicionais durante o processo de fabricação.

[0078] A Figura 3 apresenta uma vista de extremidade 300 do rotor - estator 200 que ilustra a orientação das faces de pólo que estão configuradas para interagir através de um espaço de ar com uma superfície magnética confrontante do ímã cônico 220a, de acordo com uma modalidade da presente invenção. Ausente da Figura 3 está a placa de montagem dianteira 240, os rolamentos 230 e o ímã cônico 220a, todos os quais estão omitidos para apresentar as vistas de extremidade tanto do membro de pólo de campo ativo quanto das formas de bobina, assim como as folgas de pólo de campo ("G") entre os pólos de campo. Como mostrado, as bobinas 208a, 208b, e 208c respectivamente abrangem os membros de pólo de campo 206a, 206b e 206c para formar os membros de pólo de campo ativos 204a, 204b e 204c, todos os quais estão compactamente posicionados para aumentar a densidade de empacotamento de um motor ou gerador que implementa a estrutura de rotor - estator 200 (se comparado com os motores convencionais que utilizam os enrolamentos de bobina que tipicamente são enrolados utilizando as fendas 108 da Figura 1). A Figura 3 também apresenta as bordas das extremidades estendidas 311a, 311b, e 311c, e as faces de pólo 307a, 207b, e 207c dos respectivos membros de pólo de campo ativos 204a, 204b e 204c. As faces de pólo 307a, 207b, e 207c estão posicionadas para formarem folgas de ar magnéticas entre cada uma destas faces de pólo, ou superfícies, e pelo menos uma porção da superfície de ímã cônico do ímã cônico 220a. Ainda, as folgas de pólo de campo são definidas pelos lados (ou bordas) dos membros de pólo de campo que constituem os membros de pólo de campo ativos 204a, 204b e 204c. Por exemplo, a folga "G" representa qualquer uma das folgas de pólo de campo como definida, por exemplo, pelos planos 310 e 320 estendendo-se dos lados dos respectivos membros de pólo de campo 206b e 206c (Figura 2B). Em pelo menos uma modalidade específica, uma área de superfície associada com cada uma das faces de pólo 307, 207b, e 207c está dimensionada para gerar uma saída de torque máximo em uma configuração ótima. Um exemplo de uma tal configuração é um onde o acoplamento magnético entre o ímã cônico 220a e os membros de pólo de campo 206a, 206b e 206c está na ou próximo de uma quantidade máxima enquanto a fuga através do espaço "G" entre os membros de pólo de campo está na ou próximo de uma quantidade mínima. Note que pelo aumento da área de superfície de qualquer uma das faces de pólo 307a, 207b, e 207c, o acoplamento magnético é aumentado.

[0079] A Figura 4 apresenta outra vista de extremidade 400 do rotor - estator 200 e do ímã cônico 220a posicionado adjacente às faces de pólo 307a, 207b, e 207c (Figura 3) de acordo com uma modalidade da presente invenção. Como mostrado, a superfície de ímã externa 223a do ímã cônico 220a está visível, como estão as bordas protuberantes das extremidades estendidas 311a, 311b, e 311c e as bobinas 208. Note que apesar deste exemplo mostrar o ímã cônico 220a como um ímã dipólo (por exemplo, um ímã permanente) que tem um pólo norte ("N") e um pólo sul ("S"), o ímã cônico 220a pode ter qualquer número de pólos norte e pólos sul. Note que em algumas modalidades, os ímãs cônicos 220a e 220b podem ser implementados utilizando eletroímãs. Também, a Figura 4 define três vistas em corte. A primeira vista em corte, X-X, corta reto através de uma linha de centro que bissecciona o membro de pólo de campo 206a e a bobina 208a e então passa através do ímã 220a através de uma folga de pólo de campo entre outros membros de pólo de campo 206b e 206c. Uma segunda vista em corte, Y-Y, bissecciona o membro de pólo de campo 206a e a bobina 208a e então passa através do ímã 220a através do membro de pólo de campo 206b e da bobina 208b. Uma terceira vista em corte, Y'-Y', a qual é similar à segunda vista em corte, Y-Y, bissecciona o membro de pólo de campo 206a e a bobina 208a e então passa através do ímã 220a através do membro de pólo de campo 206c e da bobina 208c. A vista em corte X-X está mostrada na Figura 5A, enquanto que as vistas Y-Y e Y'-Y' produzem desenhos similares, ambos os quais estão apresentados na Figura 5B.

[0080] As Figuras 5A e 5B apresentam vistas em corte que ilustram um percurso de fluxo magnético exemplar, de acordo com pelo menos uma modalidade da presente invenção. A Figura 5A apresenta um corte transversal do membro de pólo de campo ativo 204a da estrutura de rotor - estator 500, o corte transversal mostrando uma vista em corte X-X da bobina 208a e do membro de pólo de campo 206a. Neste exemplo, o membro de pólo de campo ativo 204a inclui as faces de pólo 307a e 505b, as sapatas de pólo 507a e 507b, uma região de bobina 506 e uma bobina 208a. Na vista X-X da Figura 5A, os ímãs cônicos 220a e 220b estão diametralmente magnetizados em direções opostas e estão posicionados adjacentes às respectivas sapatas de pólo 507a e 507b do membro de pólo de campo 206a. Correspondentemente, a face de pólo 307a da sapata de pólo 507a forma uma folga de ar magnética 551a com pelo menos uma porção 521a da superfície de ímã 221a da Figura 2B, com uma porção 521a confrontando a face de pólo 307a e mostrada como um corte transversal. Similarmente, a face de pólo 505b da sapata de pólo 507b forma uma folga de ar magnética 551b com pelo menos uma porção 521b da superfície de ímã 221 da Figura 2B, com uma porção 521b confrontando a face de pólo 307a e mostrada como um corte transversal. Note que as porções 521a e 521b não precisam estender- se pelo comprimento axial dos ímãs cônicos 220a e 220b, respectivamente. Por exemplo, as porções 521a e 521b podem ser definidas por regiões que estão limitadas entre os diâmetros de maior e de menor seção transversal dos ímãs cônicos 220a e 220b, mas podem ser de qualquer tamanho. Consequentemente, as porções 521a e 521b precisam somente formar folgas de ar com uma face de pólo, com outras porções de superfície dos ímãs cônicos 220a e 220b sendo configuradas para não formarem as folgas de ar, de acordo com pelo menos uma modalidade. Ainda, a bobina 208a contém uma região de bobina 506 do membro de pólo de campo 106a, por meio de que a região de bobina 506 é definida aproximadamente pelo comprimento axial da bobina 208a que circunda uma porção do membro de pólo de campo 206a. Ausenta na Figura 5A está uma descrição de uma ou mais regiões de interação de campo, as quais podem abranger um espaço maior do que uma folga de ar, tal como uma folga de ar 551a, e pode estender-se para dentro, por exemplo, do ímã cônico 220a.

[0081] Em pelo menos uma modalidade da presente invenção, pelo menos uma das porções de ímã 521a e 521b de superfícies sobre os respectivos ímãs cônicos 220a e 220b pode ser definida como estando limitada por um ângulo de inclinação ("θ") 501, o qual é um ângulo em relação a um eixo geométrico de rotação. No exemplo mostrado, o eixo geométrico de rotação é co-terminal com o eixo 222. Em uma modalidade específica, o ângulo de inclinação ("θ") 501 está a 30 graus do eixo 222. Mas note que o ângulo 501 pode ser qualquer ângulo.

[0082] Com polarizações opostas, o ímã cônico 220a está polarizado com o seu pólo norte ("N") apontando na direção 502, e o ímã cônico 220b está polarizado com o seu pólo norte ("N") apontando na direção 504. Em algumas modalidades, os ímãs cônicos 220a e 220b estão diametralmente magnetizados em direções exatamente opostas (isto é, 180 graus entre as direções 502 ed 504). Mas em outras modalidades as direções 502 e 504 podem estar deslocadas em qualquer ângulo entre estas direções outro do que 180 graus, por exemplo, para reduzir o torque de retenção ("desbaste"). Em uma modalidade específica, as direções 502 e 504 estão deslocadas em um ângulo entre de aproximadamente 150 graus a aproximadamente 180 graus. Em várias modalidades, os ímãs cônicos 220a e 220b (ou outros tipos de ímãs) estão cada um polarizados para terem uma direção de polarização em um ou mais planos que são substancialmente perpendiculares ao eixo geométrico de rotação.

[0083] A Figura 5B apresenta um corte transversal do membro de pólo de campo ativo 204a e ou do membro de pólo de campo ativo 204b ou do membro de pólo de campo ativo 204c da Figura 3, e apresenta um percurso de fluxo magnético, de acordo com uma modalidade da presente invenção. Para facilidade de discussão, somente a vista Y-Y será discutida. A vista Y-Y é uma vista em corte da bobina 208a e do membro de pólo de campo 206a que passa através da bobina 208b e do membro de pólo de campo 206b. O percurso de fluxo magnético 560 passa através de ambos os membros de pólo de campo 206a e 206b e através de ambos os ímãs cônicos 220a e 220b. Para propósitos de ilustração, o percurso de fluxo magnético 560 (ou percurso de fluxo) pode ser descrito como compreendendo dois percursos de fluxo que são combinados pelo princípio de sobreposição. Os ímãs cônicos 220a e 220b formam o primeiro percurso de fluxo (isto é, um fluxo gerado por ímã permanente), enquanto que o fluxo desenvolvido por ampére - espiras da bobina formam o segundo percurso de fluxo (isto é, um fluxo gerado por ampére - espira). Neste exemplo, um fluxo de ímã como o primeiro percurso de fluxo sai do pólo norte ("N") do ímã cônico 220a e atravessa a folga de ar 551a para entrar na face de pólo 307a (Figura 3), o pólo norte coincidindo com a porção de superfície 521a, a qual confronta a face de pólo 307a. O primeiro percurso de fluxo então atravessa longitudinalmente através do 206a e então sai da face de pólo 505b na extremidade do membro de pólo de campo 206a adjacente ao ímã cônico 220b. O primeiro percurso de fluxo continua atravessando a folga de ar 551b e entra no pólo sul ("S") do ímã cônico 220b, o pólo sul geralmente coincidindo com uma porção de superfície 521b da superfície de ímã 221b e confronta a face de pólo 505b. O primeiro percurso de fluxo passa através do ímã cônico 220b para o seu pólo norte, o qual geralmente coincide com uma porção de superfície 561b da superfície de ímã 221b que confronta a face de pólo 213b. A seguir, o primeiro percurso de fluxo atravessa a folga de ar 551c e entra na face de pólo 213b (Figura 2B). Dali, o primeiro percurso de fluxo retorna através do membro de pólo de campo 206b para a face de pólo 207b da qual este sai, atravessa a folga de ar 551d, e então entra no pólo sul do ímã cônico 220a, por meio disto completando o primeiro percurso de fluxo. Geralmente, o pólo sul do ímã cônico 220a coincide com uma porção de superfície 561a da superfície de ímã 221a (Figura 2B) que está confrontando a face de pólo 207b. Note que no caso mostrado, o fluxo que sai da face de pólo 207b é equivalente ao fluxo que sai da face de pólo 207c. Note que nenhuma estrutura ou material suplementar precisa ser requerido para formar qualquer porção do percurso de fluxo magnético 560. Como tal, a estrutura de rotor - estator 550 não inclui um contraferro.

[0084] Em uma modalidade específica, os diâmetros dos ímãs cônicos 220a e 220b são determinados de modo que o comprimento do percurso de fluxo em cada um dos ímãs cônicos 220a e 220b é relativamente grande em relação às quatro folgas de ar 551a a 551d, por meio disto estabelecendo uma linha de carga de ímã favorável. Note que cada uma das quatro folgas de ar 551a a 551d provê uma região de interação de fluxo para facilitar a interação de fluxo magnético entre (ou através) as faces de pólo e o ímã. Note ainda que o percurso de fluxo em qualquer ímã cônico 220a ou 220b está mostrado alinhando ao longo do eixo geométrico de magnetização (isto é, do pólo sul para o pólo norte), o que pode contribuir para os baixos custos de fabricação do ímã e para ímãs que podem gerar um torque de saída relativamente alto por volume unitário (ou tamanho). A coercividade do ímã, a qual é a propriedade do ímã que determina quão bem o ímã manterá o seu alinhamento de fluxo interno na influência de fortes campos magnéticos externos, pode ser otimamente selecionada pela utilização de materiais de ímã apropriados para uma aplicação específica.

[0085] Em pelo menos uma modalidade, a estrutura de rotor - estator 550 (Figura 5B) gera pelo menos uma porção do percurso de fluxo magnético 560 que estende-se substancialmente linearmente de aproximadamente a porção de superfície 521a da superfície de ímã do primeiro ímã cônico 220a até aproximadamente a porção de superfície 521b da superfície de ímã do segundo ímã cônico 220b. Em um caso, a porção do percurso de fluxo magnético consiste essencialmente na porção de superfície 521a do primeiro ímã cônico 220a, na porção de superfície 521b do segundo ímã cônico 220b, pelo menos um dos membros de pólo de campo, tal como o membro de pólo de campo 206a, e duas ou mais folgas de ar, tais como as folgas de ar 551a e 551b.

[0086] Em pelo menos uma modalidade da presente invenção, os ímãs cônicos 220a e 220b podem ter pelo menos as seguintes duas propriedades magnéticas. Primeiro, os ímãs cônicos 220a e 220b são capazes de produzir um fluxo magnético, tal como medido em termos de densidade de fluxo, "B", com unidades em CGS de Gauss. "CGS" refere-se a unidades descritas em termos de centímetro, grama, e segundo. Segundo, os materiais de ímã dos ímãs cônicos 220a e 220b são tais que os ímãs resistem à desmagnetização. Os materiais que tem uma capacidade de resistir altamente à desmagnetização são frequentemente descritos como tendo "alta coercividade", como é bem conhecido na técnica. Valores adequados de campos de desmagnetização podem ser utilizados para acionar uma saída de densidade de fluxo de material de ímã específico para zero. Como tal, os materiais de ímã que tem valores de coercividade relativamente altos geralmente indicam que um material de ímã é capaz de suportar grandes valores de intensidades de campos magnéticos externos adversos sem sofrer efeitos de desmagnetização. Em uma modalidade específica, os ímãs cônicos 220a e 220b são compostos de materiais de ímã que tem um valor de permeabilidade de recuo relativamente próximo a 1,00 e uma coercividade suficiente, Hd, sob as condições de operação para serem confiáveis em condições de operação razoavelmente esperadas.

[0087] Os materiais de ímã estão frequentemente caracterizados em parte por um produto de energia máxima de tais materiais. Além disso, os materiais de ímã podem ser caracterizados por "Br", a qual é a saída de densidade de fluxo magnético de um material de ímã quando medida em um circuito fechado e nenhum campo magnético externo medido está sendo aplicado àquele material magnético. O valor de densidade de fluxo máximo é frequentemente denotado como "Br". Um alto valor de Br indica que um material de ímã é capaz de uma grande produção de fluxo magnético por área de pólo (isto é, uma alta densidade de fluxo). Em pelo menos uma modalidade, os ímãs cônicos 220a e 220b utilizam ímãs que tem uma alta capacidade de produção de fluxo (por exemplo, tendo altos valores de "Br") em configurações onde um torque relativamente alto é desejado em volumes de dispositivo relativamente pequenos.

[0088] Em várias modalidades, os ímãs cônicos 220a e 220b (ou outros ímãs) utilizam ímãs de alto valor de Br que podem ser relativamente curtos na direção axial e utilizam um ângulo de cone de aproximadamente 30 graus, por exemplo, do eixo geométrico de rotação. Mas em algumas modalidades, os ímãs cônicos 220a e 220b (ou outros ímãs adequados para praticar a presente invenção) utilizam materiais de ímã que tem um custo mais baixo e valores de Br mais baixos. Neste caso, os ímãs geralmente são implementados com uma folga de ar que tem uma área relativamente maior do que aquela associada com os valores mais altos de Br. Especificamente, uma área aumentada para uma folga de ar é formada pelo aumento do comprimento axial de um ímã, por meio disto aumentando a área de superfície de uma superfície magnética que confronta uma respectiva face de pólo. Como tal, ângulos de cone menores (por exemplo, menor do que 30 graus) em um dispositivo de mesmo diâmetro esterno (por exemplo, um alojamento de motor) podem ser utilizados, apesar de mais longos na direção axial. Apesar do desempenho de torque de saída, e Km, podem permanecer os mesmos ao longo de muitas modalidades, o custo de fabricação pode ser menor na versão de Br de baixo valor mesmo que possa existir um aumento no comprimento axial.

[0089] Apesar de várias modalidades da presente invenção cobrirem uma multiplicidade de projetos de motor e/ou gerador utilizando qualquer material de ímã disponível conhecido, pelo menos uma modalidade utiliza materiais de ímã com baixas razões de valores de B para valores de intensidade de campo aplicado adverso, H, tais razões, como está tipicamente especificado em muitas especificações de materiais de ímã, sendo medidas no respectivo ponto Br do material, estas razões definindo a "permeabilidade de recuo em Br" de tais materiais. Apesar de que em alguns casos os materiais de ímã não precisam ser somente limitados a altos valores de coercividade, os materiais de ímã devem exibir densidades de fluxo de saída previsíveis quando sujeitos a um campo magnético adverso esperado ou condições térmicas. Como tal, o valor de "permeabilidade de recuo" pode ser pelo menos um fator quando projetando os motores e/ou geradores utilizando uma estrutura de rotor - estator da presente invenção.

[0090] Permeabilidade de recuo é geralmente uma expressão da relação entre os valores de B e os valores de intensidade de campo aplicado adverso. Os valores de permeabilidade recuo são tipicamente avaliados em termos de unidades CGS (porque a permeabilidade do ar é 1,0 em unidades CGS) e podem ser determinados dividindo um valor de B (por exemplo, expresso em Gauss), próximo de ou em Br, por um valor de intensidade de campo aplicado adverso (por exemplo, H, próximo de ou em Hc, expresso em Oerstead). Para alguns materiais de ímã, um valor de permeabilidade de recuo médio pode ser determinado e pode ser útil na seleção do material de ímã. Em uma modalidade, a permeabilidade de recuo pode ser definida para vários materiais magnéticos pela Associação de Produtores de Materiais Magnéticos ("MMPA") Padrão 0100-00, como mantido pela Associação de Magnéticos Internacional ("IMA"). Note que a permeabilidade de recuo pode também ser descrito em termos de unidades MKS (isto é, metro, quilograma, e segundo).

[0091] Geralmente, os valores de permeabilidade de recuo não são menores do que um quando expressos em unidades CGS. Quanto mais próximo um valor de permeabilidade de recuo é de 1,0, no entanto, mais alta a coercividade pode ser para um material medido específico. Na maioria das modalidades da presente invenção, o valor de permeabilidade de recuo é tipicamente menor do que 1,3. Os materiais de ímã de alta coercividade típicos, tais como os ímãs compostos de ferro neodímio ("NdFe") e suas variantes, podem ter um valor de permeabilidade de recuo de aproximadamente 1,04 em unidades CGS. Exemplos de valores de permeabilidade de recuo de vários fornecedores são como segue: 1,036 para o grau 32H (como fabricado pela Hitachi, Ltd.); 1,028 para o grau 35H (como fabricado pela Magnetic Component Engineering, Inc. ou "MCE"); e 1,02 para os graus 22H até 33H assim como 1,05 para os graus 35SA até N52 (como fabricado pela Shin-Etsu Magnetics Inc.). Um exemplo de uma tal variante é o Boro Ferro Neodímio, ou "NdFeB". Os ímãs cerâmicos de baixo custo comuns, tais como aqueles compostos de cerâmica de ferrite, podem ter um valor de razão de aproximadamente 1,25, o que permite que os ímãs cerâmicos operem adequadamente na maioria das aplicações. Note que a permeabilidade de recuo média dos ímãs cerâmicos de alto desempenho típicos está usualmente dentro de uma faixa de 1,06 a 1,2 em unidades CGS, mais ou menos. Valores exemplares de um fornecedor, a Hitachi, Ltd., são como segue: 1,2 para o grau YBM 3 isotrópico e 1,06 para os graus YBM 1 e 2 anisotrópicos. Os ímãs permanentes em várias modalidades da presente invenção podem compreender qualquer material magnético conhecido daqueles versados na técnica. Exemplos de tais materiais de ímã incluem um ou mais materiais de ímã de terra rara que são conhecidos na técnica, tal como o Boro Ferro Neodímio ("NdFeB"), o Samário Cobalto ("SmCo") e variantes de ambos, assim como os ímãs cerâmicos.

[0092] As bobinas 208 enroladas ao redor de cada um dos membros de pólo de campo 206 formam o segundo percurso de fluxo. Neste exemplo, o fluxo gerado por ampére - espiras nas bobinas 208a e 208b na Figura 5B desloca-se em um percurso similar ao fluxo de ímã permanente, com a exceção que os ímãs cônicos 220a e 220b (Figura 2B) e os ímãs cilíndricos 226a e 226b (Figura 2A) tem propriedades efetivas similares àquelas do ar como visto pelo fluxo gerado por ampére - espira. Como tal, o fluxo de ampére - espira gerado dentro do membro de pólo de campo 206a (por exemplo, dentro da região de bobina 506) está presente nas faces de pólo adjacentes aos ímãs cônicos 220a e 220b das Figuras 5A e 5B e aos ímãs cilíndricos 226 da Figura 2A. Note que as bobinas 208, como condutores, podem ser fios que tem uma seção transversal circular ou de qualquer outra forma, tal como quadrada ou retangular.

[0093] Em pelo menos uma modalidade específica, as bobinas 208 podem incluir condutores de película que são condutores que tem uma seção transversal retangular com uma largura relativamente grande e com uma altura relativamente pequena. Os condutores de película com isolamento entre as camadas podem ser utilizados no lugar do fio para diminuir a resistência do enrolamento e aumentar a capacidade de manipulação de corrente no mesmo volume de enrolamento disponível. A utilização de um condutor de película pode também diminuir a indutância do enrolamento. Em uma modalidade, o isolamento está afixado em um lado da película para isolar o condutor de película em subsequentes enrolamentos ao redor do núcleo. Isto é, somente um lado dos condutores de película precisa ser isolado já que um lado isola um lado não isolado de uma porção enrolada anterior do condutor de película (ou bobina de condutor). Vantajosamente, isto reduz a quantidade de isolamento requerida para as bobinas 208, por meio disto economizando recursos, aumentando a densidade de empacotamento e aumentando o número de ampére - espiras (enquanto diminuindo o número de espiras de condutor) em um espaço de outro modo cheio por condutores totalmente isolados (isto é, isolados sobre todos os lados, tal como um fio isolado). Como o condutor de película também provê raios de curvatura relativamente menores, este pode por meio disto diminuir as resistências de enrolamento usualmente comuns em condutores que tem curvas abruptas. Pela diminuição da resistência, este tipo de condutor pode também conservar energia na geração do fluxo de ampére - espira, especialmente nas aplicações de motor alimentado por bateria.

[0094] A Figura 5C apresenta um exemplo de um segundo percurso de fluxo que sai de uma face de pólo do membro de pólo de campo ativo que gera o fluxo magnético de ampére - espira, de acordo com uma modalidade da presente invenção. Nesta figura, o fluxo gerado por ampére - espira ("AT") é gerado no membro de pólo de campo ativo 204a e então sai da face de pólo 513a da Figura 5C (ou como mostrado como a face de pólo 505b na Figura 5B) enquanto dividindo aproximadamente ao meio para formar o fluxo 570a e 570b. Então, o fluxo de ampére - espira 570a entra na face de pólo 213b, e o fluxo de ampére - espira 570b entra na face de pólo 513c. Então, as respectivas porções do segundo percurso de fluxo então deslocam-se longitudinalmente através dos outros membros de pólo de campo (por exemplo, os membros de pólo de campo 206b e 206c) para as outras extremidades destes outros membros de pólo de campo para retornar para o membro de pólo de campo ativo 204a, o qual inicialmente gerou o segundo percurso de fluxo.

[0095] A Figura 5D apresenta um exemplo do(s) segundo(s) percurso(s) de fluxo retornando para uma face de pólo do membro de pólo de campo que gerou o fluxo magnético de ampére - espira, de acordo com uma modalidade da presente invenção. Como mostrado, os fluxos magnéticos de ampére - espira 570c e 570d saem das respectivas faces de pólo 207b e 207c para entrar na face de pólo 307a, por meio disto completando o circuito magnético do segundo percurso de fluxo (isto é, o percurso de fluxo magnético de ampére - espira).

[0096] Conceitualmente, os campos magnéticos gerados pelas ampére - espiras em cada membro de pólo de campo dos membros de pólo de campo ativos 204a, 204b, e 204c na Figura 5D podem ser vistos como regiões de potencial magnético em cada uma das faces de pólo nas regiões de extremidade ou sapatas de pólo dos membros de pólo de campo ativos. Nas folgas de ar entre as superfícies confrontantes dos ímãs cônicos e suas faces de pólo adjacentes, o fluxo do primeiro percurso de fluxo e o fluxo do segundo percurso de fluxo interagem em um modo familiar para aqueles versados na técnica, onde uma tal interação é útil para gerar um torque por um motor elétrico que implementa a estrutura de rotor - estator 200, de acordo com pelo menos uma modalidade da presente invenção. O primeiro e o segundo percursos de fluxo da estrutura de rotor - estator 200 são eficientes, pelo menos em parte, porque o fluxo está contido nas regiões 506 (Figura 5A) dos membros de pólo de campo 206 pelas correntes que correm através das bobinas 208. O fluxo de ímã gerado por cada um dos ímãs cônicos 220a e 220b interage em uma região de interação de fluxo com o fluxo magnético das faces de pólo dos membros de pólo de campo ativos 204. Como tal, os percursos de fuga estão geralmente limitados a regiões relativamente muito pequenas nas sapatas de pólo 507a e 507b (Figura 5A), ambas as quais incluem os lados e as traseiras dos membros de pólo de campo 206. Como o primeiro e o segundo percurso de fluxo são praticamente retos no material magneticamente permeável dos membros de pólo de campo 206, estes membros de pólo de campo estão bem adequados para serem implementados com materiais magnéticos, anisotrópicos (por exemplo, com grãos orientados), em um modo eficiente. Como tal, os membros de pólo de campo 206 podem ser compostos de quaisquer materiais magnéticos, anisotrópicos capazes de carregarem densidades de fluxo mais altas e diminuírem as perdas magnéticas na direção da orientação magnética, tal como ao longo dos grãos de materiais de grãos orientados, se comparado com a utilização de

[0097] Para ilustrar, considere que um material anisotrópico (isto é, com grão orientados) exemplar tem um valor de saturação magnética de pelo menos 20.300 Gauss, enquanto que um material de laminação isotrópico típico pode ter um valor de saturação de 19.800 Gauss. Um exemplo de um material anisotrópico adequado para praticar pelo menos uma modalidade da invenção é um material de grau M6, como definido pelo American Iron and Steel Institute ("AISI"). Um exemplo de um material isotrópico é o material M19, como designado pelo AISI. Mais ainda, o material anisotrópico requer somente 126 Oerstead de campo aplicado para atingir a saturação comparado com o material isotrópico, o qual requer 460 Oerstead. As perdas de núcleo para o material anisotrópico de grão orientado (por exemplo, as laminações de 0,35 mm (0,014 polegada) de espessura) pode ser de aproximadamente 1,45 W/kg (0,66 Watts por libra) a 60 Hz com uma indução de 15.000 Gauss para o Aço de Ferro - Silício, de Grão Orientado, Rolado Plano. Em contraste, um material isotrópico típico tal como o material de laminação AISI M19 ode ter perdas de núcleo de aproximadamente 3,87 a 4,09 W/kg (1,76 a 1,86 Watts por libra) som condições similares (por exemplo, em espessuras de 0,46 mm (0,0185 polegada). Em vista do acima, a utilização de materiais anisotrópicos da formação dos membros de pólo de campo 206 é vantajosa em relação à utilização de materiais isotrópicos. De acordo com pelo menos uma modalidade, uma forma relativamente reta para os membros de pólo de campo 206 permite uma efetiva utilização de materiais anisotrópicos, ao contrário dos percursos de fluxo magnético dos motores tradicionais.

[0098] Ao contrário da geração de torque de saída dos motores convencionais, o torque de saída gerado pelas estruturas de rotor - estator 200 de várias modalidades da presente invenção não precisa ser proporcional ao raio do eixo geométrico de rotação do eixo 222 para as folgas de ar ativas 551a a 551d (Figura 5B). Todos os outros fatores sendo os mesmos, o aumento da distância radial das faces de pólo e das folgas de ar do eixo 222 não muda o torque de saída no modo que as fórmulas de projeto de motores tradicionais indicam. Por exemplo, os conceitos de projeto de motores tradicionais ensinam que as regiões que carregam o fluxo de ampére - espira devem ser projetadas para terem percursos de baixa relutância, que incluem a parte do percurso de fluxo magnético de ampére - espira que é a folga de ar. De acordo com várias modalidades da presente invenção, o percurso de fluxo de ampére - espira tem um percurso de relutância relativamente alta através do espaço ocupado pelos ímãs permanentes, tais como os ímãs cônicos 220, e no entanto a produção de torque de pico é relativamente alta em comparação àquela da maioria dos motores tradicionais do mesmo tamanho ou peso (novamente, com os outros fatores sendo iguais). Em uma modalidade específica, os materiais de ímã que constituem os ímãs cônicos 220a e 220b da Figura 2B e/ou os ímãs cilíndricos 226 da Figura 2A, tem um valor de permeabilidade magnética similar àquele do ar, e como tal, o volume de cada ímã cônico 220a e 220b ou ímã cilíndrico 226 aparece como uma folga de ar adicional para o circuito magnético de ampére - espira. Em pelo menos uma modalidade, o torque de saída gerado por uma máquina eletrodinâmica é proporcional, no todo ou em parte, aos volumes dos ímãs cônicos 220a e 220b ou aos volumes dos ímãs cilíndricos 226.

[0099] Na operação da estrutura de rotor - estator 200, as bobinas 208 são sequencialmente energizadas para causar a rotação do conjunto de rotor 202. As bobinas energizadas geram potenciais magnéticos nas faces de pólo. Estes potenciais magnéticos tendem a reorientar as direções de campo interno dos ímãs (por exemplo, os imãs cônicos 220) para a direção do campo externo aplicado. O campo externo, em efeito, apresenta um campo de desmagnetização angularmente direcionado para os ímãs cônicos 220a e 220b de modo que o campo de desmagnetização é capaz de atingir amplitudes relativamente grandes quando um motor que implementa a estrutura de rotor - estator 200 está sob altas cargas de torque. O campo de desmagnetização intenso pode prejudicialmente remagnetizar os materiais de ímã dos ímãs cônicos 220a e 220b para terem uma coercividade insuficiente. Por esta razão, pelo menos uma modalidade da presente invenção utiliza materiais de ímã adequados para uma alta carga de torque e tem: (1) uma baixa razão de intensidade de campo aplicado adverso a B, e (2) uma permeabilidade de recuo relativamente baixa, tal como menor do que 1,3 em unidades CGS, por exemplo.

[00100] Em uma modalidade da presente invenção, o torque produzido é através da inclinação natural dos ímãs, tal como os ímãs cônicos 220, para buscar a posição de energia mais baixa. Consequentemente, os pólos de ímã dos ímãs cônicos 220, os quais podem ser ímãs permanentes, tendem a girar na direção de regiões de maior atração magnética e afastando de regiões de repulsão magnética, por meio de que tais regiões de "potencial magnético" são criadas nas folgas de ar em ambas as extremidades dos membros de pólo de campo ativos 204 energizados pelos campos magnéticos gerados por ampére - espira. Como um ímã que tem uma coercividade relativamente alta resistirá a tentativas de deslocar angularmente a direção de seu campo magnético interno, esta resistência ao deslocamento angular é manifestada como um torque mecânico sobre o corpo do ímã permanente, por meio disto transferindo o torque para o eixo. Como tal, os ímãs (por exemplo, os ímãs cônicos 220) podem desenvolver e então transferir o torque para o eixo como um torque de saída útil aplicado a uma carga.

[00101] As Figuras 5E e 5F apresentam vistas em corte que ilustram um percurso de fluxo magnético exemplar para outra estrutura de rotor - estator que inclui ímãs cilíndricos, de acordo com pelo menos uma modalidade da presente invenção. A Figura 5E apresenta uma seção transversal do membro de pólo de campo 586a da estrutura de rotor - estator 580, a seção transversal mostrando uma vista em corte X-X do membro de pólo de campo 586a e os ímãs cilíndricos 590a e 590b. Apesar das faces de pólo, das sapatas de pólo, da região de bobina e da bobina serem similares em funcionalidade a elementos similarmente denominados da Figura 5A, o membro de pólo de campo 586a inclui um elemento estrutural e/ou funcional adicional. A saber, o membro de pólo de campo 586a inclui uma região de transição 588, a função e a estrutura da qual estão abaixo descrita, tal como em uma ou mais das Figuras 17A até 20. A Figura 5F apresenta uma vista em corte de pelo menos dois membros de pólo de campo ativos similar à Figura 5B, e apresenta um percurso de fluxo magnético, de acordo com uma modalidade da presente invenção. Similar à vista de corte Y- Y, como definido na Figura 5B, a estrutura de rotor - estator 592 é uma vista em corte do pólo de campo 586a e do membro de pólo de campo 586b. O percurso de fluxo magnético 594 passa através de ambos os membros de pólo de campo 586a e 586b e através de ambos os ímãs cilíndricos 590a e 590b. Também mostradas estão as regiões de transição 588. Note que o eixo, as faces de pólo, as sapatas de pólo, da região de bobina e da bobina serem similares em funcionalidade a elementos similarmente denominados da Figura 5B.

[00102] As Figuras 6A, 6B e 6C ilustram uma vista de extremidade 600 de outra estrutura de rotor - estator exemplar, de acordo com outra modalidade da presente invenção. As Figuras 6A e 6B mostram vistas de extremidade 600 de uma estrutura de rotor - estator enquanto que a Figura 6C é uma vista em corte parcial A-A da Figura 6B. A Figura 6A mostra os membros de pólo de campo ativo 604 cada um tendo uma face de pólo enviesada 607 em uma extremidade de um respectivo membro de pólo de campo 606. Cada face de pólo enviesada 607 tem uma superfície contornada que geralmente acompanha as características de superfície daquela de uma porção de superfície confrontante de um ímã adjacente, tal como o ímã cônico 220a, para formar uma folga de ar que tem, por exemplo, uma espessura de folga de ar relativamente constante. A espessura de folga de ar geralmente refere-se à distância ortogonal entre um ponto sobre uma face de pólo e um ponto sobre uma superfície confrontante de um ímã. As faces de pólo enviesadas 607 estão, pelo menos em parte, definidas por bordas de superfície e/ou lados de membros de pólo de campo 606 que são ligeiramente inclinados ou enviesados em relação à direção de magnetização, (por exemplo, a direção de polarização), de um ímã adjacente. As bordas e/ou lados enviesados estão mostrados na Figura 6A como as primeiras bordas enviesadas 650 e as segundas bordas enviesadas 652, ambas as quais estando configuradas como bordas de membros de pólo de campo 606 para formar as folgas de ar de campo enviesadas 660 quando os membros de pólo de campo ativos 604 estão dispostos em uma estrutura de rotor - estator. Como um exemplo, considere que a primeira borda enviesada 650c está configurada para formar um ângulo 622 em relação a pelo menos uma direção de polarização 630 de um ímã (não mostrado). Considere ainda que uma segunda borda enviesada 652b está configurada para formar um ângulo 620 em relação à direção de polarização 630. Os ângulos 620, 622 podem ser o mesmo ângulo ou podem ser qualquer outro ângulo que seja adequado para formar as folgas pólo de campo 660 que estão enviesadas em relação às direções de polarização de um ou mais ímãs. Note que a Figura 6c é uma vista em corte parcial que mostra as bordas enviesadas sendo configuradas de modo que o plano de polarização magnética 631 não alinhem nem com a borda de pólo de campo 650 nem com a borda de pólo de campo 652. Especificamente, tanto a borda de pólo de campo 650c quanto a borda de pólo de campo 652b não alinham (isto é, estão enviesadas) em relação ao plano de desmagnetização 631. Em pelo menos uma modalidade, a borda de pólo de campo 650a e a borda de pólo de campo 652 são cada uma paralelas a um primeiro plano que está a um ângulo em relação a um segundo plano que inclui ou é paralelo ao plano de magnetização 631.

[00103] A Figura 6B é uma vista de extremidade 670 que mostra as bordas de face de pólo enviesadas em ambas as extremidades dos membros de pólo de campo 606. Pela implementação das folgas pólo de campo enviesadas 660 da Figura 6A em uma estrutura de rotor - estator, o torque de detenção ("desbaste") é reduzido. Em pelo menos uma modalidade, as folgas pólo de campo enviesadas 660 estão adaptadas para utilização com ímãs permanentes que são diametralmente polarizados, tais como os ímãs cônicos 220. Neste caso, a vista de extremidade 670 da Figura 6B é uma vista de extremidade que mostra as faces de pólo 607 que estão configuradas para terem contornos de superfície similares àqueles de um ímã cônico 220a adjacente, as faces de pólo 607 sendo similares àquelas mostradas na Figura 6A. Também mostrado na Figura 6B estão as primeiras bordas enviesadas 680 e as segundas bordas enviesadas 682, as quais estão associadas com as faces de pólo na outra extremidade dos membros de pólo de campo 606 (por exemplo, na outra sapata de pólo oposta àquela associada com as primeiras bordas enviesadas 650 e às segundas bordas enviesadas 652 como indicado pelas linhas tracejadas). As primeiras bordas enviesadas 680 e as segundas bordas enviesadas 682 neste caso tem ângulos similares àqueles das primeiras bordas enviesadas 650 e das segundas bordas enviesadas 652, respectivamente, mas faceiam uma superfície de ímã associada com o ímã cônico 220b, por exemplo. Como tal, as direções angulares das folgas pólo de campo formadas pelas bordas 650 e 652 são opostas na direção angular das folgas pólo de campo formadas pelas bordas 680 e 682. Consequentemente, os ímãs diametralmente polarizados geralmente não alinham com uma folga pólo de campo que tem lados de face de pólo similares àqueles que formam a folga de pólo de campo "G" entre os planos 310 e 320 (Figura 3), o que pode ser uma fonte de torque de desbaste em um motor elétrico. Note que as distâncias entre as bordas 650 e 652, assim como entre as bordas 680 e 682, podem ser configuradas para serem tão estreitas quanto necessário para minimizar os efeitos de desbaste das folgas pólo de campo. Em pelo menos uma modalidade, as primeiras bordas enviesadas 680 e as segundas bordas enviesadas 682 podem ter ângulos similares àqueles das primeiras bordas enviesadas 650 e as segundas bordas enviesadas 652. Mas as bordas 680 e 682 ficam nos mesmos respectivos planos que as bordas 650 e 652. Vantajosamente, isto ajuda a equilibrar o torque que tende a torcer o eixo, e também equilibrar as forças axiais que derivam da direção de polarização de ímã em relação às bordas enviesadas dos membros de pólo de campo 606.

[00104] As Figuras 7A e 7B ilustram um membro de pólo de campo exemplar de acordo com uma modalidade da presente invenção. Apesar de que cada um dos membros de pólo de campo 206a, 206b, e 206c pode ser composto de uma peça única de material magneticamente permeável (por exemplo, uma peça formada por um processo de moldagem por injeção, forjamento, fundição ou qualquer outro método de fabricação), estes membros de pólo de campo podem também ser compostos de múltiplas peças, como está mostrado nas Figuras 7A e 7B. A Figura 7A apresenta um dos membros de pólo de campo 206 como um membro de pólo de campo empilhado 700 composto de um número de laminações 704 integradas juntas. Neste caso, o membro de pólo de campo empilhado 700 tem uma superfície externa 702 que tem um diâmetro externo cilíndrico com um arco e uma superfície interna relativamente reta 706 para aumentar a densidade de empacotamento de bobina enquanto ainda deixando espaço para o eixo rotativo. As regiões de extremidade de membro de pólo de campo 720 geralmente inclui as faces de pólo 707 para interagirem com o fluxo dos ímãs permanentes em cada extremidade do membro de pólo de campo 700, enquanto que uma porção central 722 (isto é, uma porção de membro de pólo de campo central) geralmente inclui uma região de núcleo entre as faces de pólo 707, tal como a região de bobina 506 (Figura 5A). Uma bobina (não mostrada) pode ser enrolada mais ou menos ao redor da porção central 722. A Figura 7B é uma vista em perspectiva do membro de pólo de campo empilhado 700 e das laminações 704, as quais podem ser compostas de um material anisotrópico. Neste exemplo, o material anisotrópico inclui um material com grãos orientados.

[00105] Em pelo menos uma modalidade, um membro de pólo de campo 700 inclui uma porção de membro de pólo de campo central 722 que tem uma superfície periférica externa, tal como a superfície externa 702. A superfície periférica externa é geralmente coextensiva com uma porção de um círculo 730 ao redor do eixo geométrico de rotação, independentemente se o pólo de campo é formado de laminados. Formando a superfície periférica externa de um membro de pólo de campo para caber dentro de um círculo ou uma forma equivalente, uma estrutura de rotor - estator mais compacta provê uma máquina eletrodinâmica com um menor volume do que se a superfície periférica externa coincidisse com uma porção de um quadrado, por exemplo. Como mostrado na Figura 7a, um membro de pólo de campo 700 inclui laminações e uma porção de membro de pólo de campo central 722 entre uma primeira superfície de interação de fluxo (por exemplo, uma face de pólo 707) e uma segunda superfície de interação de fluxo (por exemplo, a outra face de pólo 707). Neste exemplo, a superfície externa 702 está circunscrita por pelo menos uma porção de um círculo 730, por meio de que um ou mais pontos (por exemplo, os pontos 740a e 740b) interceptam ou tocam o círculo 730. Em pelo menos uma modalidade, a estrutura do membro de pólo de campo 700 pode ser descrita com referência a um plano mediano conceitual, o que aparece como uma linha média 710. A linha média 710 estende-se em uma direção axial e divide uma quantidade de laminações que constituem o membro de pólo de campo 700 aproximadamente ao meio (por exemplo, inclui percentagens de 50/50 a 60/40). Em relação a um lado da linha média 710, as laminações geralmente diminuem em pelo menos uma dimensão conforme as laminações estão posicionadas mais distantes da linha média 710. Note que apesar de não requerido, as laminações podem ser formadas de um substrato composto de um material magneticamente permeável em configurações que ajudam a reduzir o desperdício do material magneticamente permeável. Mas, o desperdício não precisa necessariamente ser um fator requerido no projeto de cada modalidade de pólo de campo laminado da presente invenção.

[00106] A Figura 7C mostra um exemplo de pelo menos uma porção central de um membro de pólo de campo, de acordo com pelo menos uma modalidade específica da presente invenção. Note que as sapatas de pólo que tem faces de pólo contornadas estão omitidas de modo a não obscurecer a apresentação de seções transversais para pelo menos a porção central de um membro de pólo de campo. O membro de pólo de campo 790 está formado de laminações 792 e está configurado para ter um fator de forma de forma quadrada para aumentar a área de seção transversal do pólo de campo, o que por sua vez aumenta uma quantidade de fluxo magnético que pode passar através do membro de pólo de campo 790. Por exemplo, uma área de seção transversal quadrada 794 pode carregar mais fluxo magnético do que a área de seção transversal formada como oval do membro de pólo de campo 700 da Figura 7A. A Figura 7C também mostra uma área de seção transversal em gota de lágrima 796 que pode ser implementada em pelo menos uma modalidade. Especificamente, a área de seção transversal de gota de lágrima 796 fica em um plano que tem uma direção substancialmente radial. Esta orientação facilita a acomodação dos membros de pólo de campo 790 conforme a quantidade de membros de pólo de campo 790 aumenta. A área de seção transversal de gota de lágrima 796 pode estar configurada para otimizar a razão de um enrolamento (por exemplo, um condutor de cobre) para o material (por exemplo, o ferro) que constitui os membros de pólo de campo 790 dentro de um conjunto específico de especificações de fluxo magnético e as restrições de envelope do motor.

[00107] Note também que vários padrões de enrolamento podem ser implementados em qualquer um dos pólos de campo nas Figuras 7A a 7C para melhorar o desempenho. Por exemplo, um enrolamento inclinado ou cobertura total pode cobrir substancialmente todos os lados e/ou a traseira do membro de pólo de campo 700 em ambas as extremidades da estrutura, para reduzir o fluxo que pode fugir de um membro de pólo de campo para outro. Como tal, o fio de uma bobina não precisa ser enrolado em planos geralmente perpendiculares ao eixo geométrico longo do membro de pólo de campo, mas em um ângulo oblíquo. Com as bobinas sendo colocadas próximo da folga de ar magnética, estas bobinas podem ser mais efetivas na redução da fuga de fluxo, por exemplo, nas regiões de sapata de pólo. Note que os padrões de enrolamento acima descritos são aplicáveis a qualquer um dos membros de pólo de campo aqui descritos.

[00108] As Figuras 7D e 7E ilustram outro membro de pólo de campo exemplar, de acordo com outra modalidade da presente invenção. Apesar de similar à Figura 7A, a Figura 7D apresenta um dos membros de pólo de campo 586a e 586b (Figura 5F) como um membro de pólo de campo empilhado 770. Como mostrado, o membro de pólo de campo 770 está composto de um número de laminações 774 integradas juntas. As regiões de extremidade do membro de pólo de campo 780 geralmente incluem as faces de pólo 773 para interagir com o fluxo de ímãs permanentes em cada extremidade do membro de pólo de campo 770, enquanto que uma porção central 777 (isto é, uma porção de membro de pólo de campo central) geralmente inclui uma região de núcleo entre as faces de pólo dos membros de pólo de campo 586a (Figura 5E). Nas extremidades 780, as quais podem ser sinônimos de sapatas de pólo em algumas modalidades, o membro de pólo de campo 770 inclui as regiões de transição 776. Estas regiões de transição estão abaixo descritas em mais detalhes. A Figura 7E é uma vista em perspectiva de um membro de pólo de campo empilhado 770 e laminações 774, as quais podem ser compostas de um material anisotrópico. Neste exemplo, o material anisotrópico inclui um material com grãos orientados.

[00109] A Figura 8 ilustra outro membro de pólo de campo exemplar que tem faces de pólo enviesadas, de acordo com uma modalidade específica da presente invenção. Como mostrado, o membro de pólo de campo empilhado 800 está construído de um número de laminações 804, similar ao membro de pólo de campo empilhado 700. As laminações 804 são padronizadas para proverem as faces de pólo enviesadas 807. A face de pólo 807 está limitada tanto por uma primeira borda enviesada 850 quanto uma segunda borda enviesada 852, enquanto que a outra face de pólo 807 na outra sapata de pólo está limitada por uma primeira borda enviesada 880 e uma segunda borda enviesada 882. Note que as bordas 850, 852, 880 e 882 podem respectivamente corresponder às bordas 650, 652, 680, e 682 da Figura 6B. Note também que as bordas 850 e 852 podem ser formadas para ficarem nos mesmos planos que as bordas 880 e 852, respectivamente, para equilibrar o torque que pode torcer o eixo e também equilibrar as forças axiais que derivam da direção de polarização de ímã em relação às bordas enviesadas dos membros de pólo de campo 800. Em alguns casos, as laminações 804 (assim como as laminações 704) vantajosamente podem ser formadas (por exemplo, estampadas) em uma série de formas ou similarmente ou diferentemente padronizadas de um único substrato (por exemplo, uma chapa de metal ou similar) ou de diferentes substratos em um modo que minimize o desperdício durante a fabricação. Um substrato pode ou ser uma única chapa ou uma tira alongada de material que, por exemplo, pode ser rolado de um carretel. Note que a fabricação das laminações 704 (Figura 7B) e 804 (Figura 8), por exemplo, não desperdiça os materiais tipicamente descartados para criar os furos circulares nas estruturas de estator circulares.

[00110] Em algumas modalidades, as laminações 704 e 804 podem ser montadas de uma matéria prima de chapa anisotrópica (por exemplo, com grãos orientados) laminada com a direção de orientação magnética sendo orientada longitudinalmente, tal como paralela a um eixo geométrico de rotação. Isto é para que o fluxo possa ser facilmente axialmente conduzido de uma extremidade do motor para a outra. As laminações podem ser eletricamente isoladas umas das outras, o que pode reduzir as perdas de corrente parasita. Em uma modalidade, as laminações 704 e 804 estão compostas de aço com grãos orientados e provêem vários membros de pólo de campo com alta permeabilidade, baixa perda e/ou altos níveis de saturação em um material de custo relativamente baixo. Um tipo de material anisotrópico adequado para implementar as laminações 704 e 804 é o aço com grãos orientados rolado a frio, ou "aço de laminação CRGO". Para ilustrar as vantagens de utilizar uma laminação com grãos orientados de acordo com pelo menos uma modalidade, um aço com grãos orientados laminado a frio tal como a laminação de grau M6 (como designado pelo AISI) que tem uma espessura 0,35 mm (0,014 polegada), pode ter uma permeabilidade típica de 50.000 enquanto sujeita a um campo aplicado de 10.000 Gauss. Em contraste, um aço laminado isotrópico (por exemplo, os laminados "M19" de 0,46 mm (0,0185 polegada) de espessura) pode ter uma permeabilidade típica de aproximadamente 3700, sob condições similares. Note que a permeabilidade, como acima descrito, está em termos de permeabilidade de corrente contínua ("CC"). Os membros de pólo de campo podem ser feitos de muitos materiais magneticamente permeáveis diferentes, tal como as ligas de ferro silício, as ligas de aço, as ligas de ferro, as ligas de ferro níquel, as ligas de níquel cobalto, as ligas de pós-magnéticos, os compostos magnéticos macios, e similares, de acordo com várias modalidades da presente invenção. Os materiais compostos magnéticos macios, os quais são também conhecidos como "materiais SMC", são compostos de partículas compactadas, eletricamente isoladas que são também magneticamente permeáveis. Como tal, os materiais SMC exibem perdas de corrente parasita relativamente baixas quando comparado com os materiais de laminação SiFe tradicionais em frequências relativamente altas. Outra vantagem significativa dos materiais SMC é a sua capacidade de serem formados em três dimensões através da utilização de moldes e matrizes de compactação apropriadamente projetados.

[00111] As Figuras 9A a 9P ilustram exemplos de ímãs permanentes de outras formas que podem ser implementados em uma estrutura de rotor - estator, de acordo com várias modalidades da presente invenção. Apesar dos ímãs mostrados na Figura 2B serem cônicos na forma, o termo "cônico" pretende ser considerado amplamente incluindo uma ou mais formas que formam uma ou mais superfícies, ou suas porções, que quando montados coaxialmente sobre um eixo, ficam em um ângulo em relação ao eixo tal que pelo menos uma superfície, quando estendida, interceptaria o eixo geométrico de rotação. Assim, o termo "ímã cônico" pretende cobrir qualquer configuração de ímã que tenha pelo menos uma porção de uma superfície que é cônica ou inclinada na direção de um ponto coaxial com, ou sobre, um eixo geométrico de rotação. Por exemplo, pelo menos um tipo de ímã cônico tem uma ou mais superfícies por meio de que as seções transversais do ímã em cada uma destas superfícies geralmente (ou na média) ou aumentam ou diminuem progressivamente ao longo do comprimento axial do ímã. Em pelo menos uma modalidade específica, uma dimensão relevante para descrever uma porção de superfície de ímã cônico é um limite de superfície, tal como uma área de superfície contornada que pode estar orientada no espaço em relação a uma linha. Note que as Figuras 9E, 9K e 9L apresentam ímãs cilindricamente formados que não incluem pelo menos uma porção de uma superfície confrontante (isto é, uma superfície configurada para confrontar uma face de pólo) que é outra do que cilíndrica. Como tal, estes tipos de formas geralmente não estão considerados dentro da definição do que é considerado ser um ímã cônico.

[00112] A Figura 9A mostra um ímã em forma de cone total como um exemplo de um ímã cônico, enquanto que a Figura 9B apresenta um ímã cônico sendo um ímã de cone truncado descrito como um "vértice de um cone circular reto", o que é um vértice criado fatiando o topo fora de um cone circular reto (por exemplo, a fatia formando uma base superior paralela à base inferior, ou outra superfície, do ímã cônico circular reto). Note que outros ângulos de cone do que aquele mostrado na Figura 9A estão dentro do escopo da presente invenção. A Figura 9C mostra que um ímã cônico pode incluir porções cilíndricas adicionadas á extremidade de diâmetro grande (ou, em alguns casos, à extremidade de diâmetro pequeno, tal como mostrado na Figura 9J) para otimizar o fluxo magnético no circuito. A Figura 9D ilustra um ímã cônico sendo de uma forma "escalonada" ou graduada. As Figura 9F e 9G mostram exemplos de formas alternativas adequadas para implementar um ímã de acordo com as modalidades da presente invenção, onde um ímã cônico pode ser um ímã hemisfericamente formado. As Figuras 9H e 9I são representações gerais que mostram que os ímãs cônicos de várias modalidades podem ter qualquer tipo de superfície côncava e/ou qualquer tipo de superfície convexa, respectivamente.

[00113] A Figura 9J mostra um ímã cônico exemplar de acordo com uma modalidade da presente invenção. Aqui, o ímã cônico 940 inclui uma superfície externa 940 na qual uma cavidade 952 está formada. A cavidade 952 é opcional e pode ser utilizada para alojar rolamentos ou similares. Em algumas modalidades, a cavidade 952 estende-se para dentro de uma ou mais superfícies 954, 956 e 958. Note que a cavidade 952 pode ter dimensões internas diferentes ao longo do seu comprimento axial. O ímã cônico 940 inclui três superfícies: uma primeira superfície cilíndrica 954, uma superfície cônica 956 e uma segunda superfície cilíndrica 958. Em várias modalidades, o ímã cônico 940 pode incluir: menos ou mais superfícies, superfícies cilíndricas que tem diâmetros maiores ou menores, ângulos de inclinação mais agudos ou mais rasos para a superfície cônica 956, etc.

[00114] As Figuras 9K e 9L mostram uma vista de extremidade e uma vista lateral, respectivamente, de um ímã cilíndrico exemplar, de acordo com uma modalidade da presente invenção. O ímã cilíndrico 961 está composto de dois ímãs cilíndricos 960 e 962. Neste exemplo, o ímã cilíndrico 962 está disposto (por exemplo, inserido) dentro do ímã cilíndrico 960. Em uma modalidade, o ímã cilíndrico 962 é composto de um material magnético NdFe (ou uma sua variante) e o ímã cilíndrico 960 é composto de um material magnético cerâmico. Em algumas modalidades, o ímã cilíndrico 962 está ausente, por meio disto formando um ímã de anel composto do ímã cilíndrico 960 (suportes de montagem não mostrados). Em pelo menos uma modalidade específica, o ímã cilíndrico 962 pode ser composto de um material magneticamente permeável ao invés de um material de ímã. Em uma modalidade, o ímã cilíndrico 962 não precisa estender-se através do ímã cilíndrico 960, mas ao contrário pode estender-se de uma extremidade até qualquer comprimento axial dentro do ímã cilíndrico 960. As Figuras 9M e 9N mostram uma vista de extremidade e uma vista lateral, respectivamente, de um ímã cônico exemplar, de acordo com uma modalidade da presente invenção. O ímã cônico 971 é composto de dois ímãs cônicos 970 e 972. Neste exemplo, o ímã cônico 972 está disposto (por exemplo, inserido) dentro do ímã cônico 970. Em uma modalidade, o ímã cônico 970 é composto de um material magnético NdFe (ou uma sua variante) e o ímã cônico 972 é composto de um material magnético cerâmico. Em algumas modalidades o ímã cônico 972 pode ser composto de um material magneticamente permeável ao invés de um material de ímã. Em algumas modalidades, o ímã cônico 972 está ausente, por meio disto formando um ímã cônico oco composto do ímã cônico 970 (suportes de montagem não mostrados). Em uma modalidade, o ímã cônico 972 não precisa estender-se através do ímã cônico 970, mas ao contrário pode estender-se de uma extremidade até qualquer comprimento axial dentro do ímã cônico 970.

[00115] As Figuras 9O e 9P ilustram ainda outros imãs cônicos de acordo com ainda outras modalidades da presente invenção. A Figura 9O ilustra um ímã de forma piramidal como um ímã cônico, apesar de truncado, formado com qualquer número de superfícies triangulares truncadas 978. A Figura 9P ilustra um ímã cônico 980 de pelo menos uma modalidade, onde o ímã cônico 980 inclui um ímã piramidal truncado 990 que inclui as regiões magnéticas 992 formadas ou no mesmo ou sobre o mesmo. As regiões magnéticas 992 incluem um material magnético que é diferente daquele do ímã piramidal truncado 990. Cada uma destas regiões magnéticas 992 pode ser selecionada para ter qualquer polaridade predeterminada. Em uma modalidade, o ímã piramidal truncado 990 tem quatro lados e é composto de um material cerâmico (por exemplo, um material de ímã), e cada região magnética 992 (duas das quais estão escondidas da vista) é composta de material de ímã NdFe que é formada sobre o ímã piramidal truncado 990. Em outras modalidades, o ímã piramidal 990 pode ter qualquer número de lados. Em várias modalidades o ímã piramidal 990 é um suporte de ímã e não precisa ser composto de um material de ímã, mas ao contrário pode ser composto de um material magneticamente permeável. Em algumas modalidades, um suporte de ímã 990 pode ser formado como tendo qualquer forma com aquelas mostradas nas Figuras 9A a 9I, com qualquer número de regiões magnéticas 992 estando dispostas sobre o suporte de imã 990. Neste caso, as regiões magnéticas 992 podem ser de qualquer forma adequada para ser disposta sobre as formas específicas do suporte de ímã 990. Por exemplo, apesar das Figuras 9O e 9P apresentarem ímãs cônicos, o ímã na Figura 9O pode ser cilíndrico por natureza (isto é, com numerosas superfícies planas 978 constituindo a superfície de ímã cilíndrico, com as vistas de extremidade parecendo como um hexágono ou algum outro polígono). Como outro exemplo, o ímã na Figura 9P pode incluir um suporte de ímã cilindricamente formado 990 ao invés do que a forma como piramidal. Novamente, outras do que as Figuras 9E, 9K e 9L, os ímãs cônicos que estão ilustrados acima são meramente exemplos de ímãs cônicos da presente invenção.

[00116] Em uma modalidade específica da presente invenção, os ímãs cônicos são anisotrópicos, diametralmente magnetizados, e formados como um cone truncado com aproximadamente 30 graus de ângulo de cone em relação a um eixo geométrico de rotação. Os ímãs cônicos e cilíndricos, de acordo com algumas modalidades, estão diametralmente magnetizados em direções que estão geralmente em um plano que é substancialmente perpendicular ao eixo geométrico. Pelo menos uma vantagem destes tipos de configurações de ímã é que tais ímãs diametralmente cônicos podem ser magnetizados na mesma direção que a orientação magnética original do material de ímã, o que provê um produto de energia mais alta para o imã (isto é, um ímã mais potente). Os ímãs anisotrópicos são também relativamente fáceis de fabricar e tem uma eficiência magnética relativamente alta por volume de ímã unitário. Outra vantagem de um ímã diametral (isto é, 2 pólos) é que em um motor que tem três membros de pólo de campo ativos e três fases, existe somente uma revolução elétrica cada revolução mecânica do motor. Consequentemente, o ímã diametral, no todo ou em parte, reduz as peradas de corrente parasitas, as perdas de histerese ("núcleo" ou "ferro") e as perdas de comutação elétrica em um circuito de acionamento de motor. Em algumas modalidades, um ímã cônico pode: (1) incluir um núcleo de aço ao invés de ser um material de ímã sólido, (2) ser construído de ímãs de anel que exibem uma boa coercividade, (3) ser construído de ímãs de segmento de arco, (4) ser moldado diretamente por sobre o eixo, (5) ser radialmente polarizado, (6) incluir um núcleo oco ao invés de ser de material de ímã sólido, ou pode incluir qualquer outra característica similar.

[00117] A Figura 10 mostra um ímã de múltiplos pólos, de acordo com uma modalidade da presente invenção. Neste exemplo, o ímã permanente 1000 é um ímã de quatro pólos sendo magneticamente orientado para ter percursos magnéticos arqueados 1010 de pólos sul ("S") para pólos norte ("N"). Outros números de pólos e orientações de ímã estão dentro do escopo e do espírito da presente invenção. Ainda, um ímã de múltiplos pólos, tal como o ímã permanente 1000, pode ser ou um ímã monolítico ou um ímã não monolítico de acordo com algumas modalidades. Como aqui utilizado, o termo "monolítico" , como aplicado a um ímã permanente, sugere que o ímã permanente é composto de pólos magnéticos integrados,de modo que o ímã permanente é não discreto e é substancialmente homogêneo em estrutura. Como tal, um ímã permanente monolítico não tem nenhuma interface física entre os pólos magnéticos. Um ímã monolítico portanto é composto de material de ímã contínuo. Em contraste, o ímã permanente 1000 pode ser um ímã não monolítico composto de ímãs separados, com cada ímã separado contribuindo com um pólo norte ou sul que faceia para fora, por meio de que uma interface física existe entre os subcomponentes separados. Como tal, um ímã não monolítico pode ser composto de material de ímã contíguo, mas não contínuo. Especificamente, cada subcomponente separado inclui um material de ímã contínuo, mas as interfaces físicas dão origem a descontinuidades no material de ímã que constitui o ímã como um todo. Note que o termo "monolítico" pode também aplicar-se aos membros de pólo de campo e outros elementos de várias estruturas de rotor - estator da presente invenção. Note que em pelo menos uma modalidade, os ímãs não monolíticos podem incluir aqueles ímãs onde os subcomponentes separados estão dispostos a uma distância uns dos outros de modo que estes não contactem uns aos outros.

[00118] A Figura 11A é uma vista lateral de uma estrutura de rotor - estator 1100 como uma modalidade alternativa da presente invenção. Geralmente, uma quantidade de três membros de pólo de campo ativos utiliza eficientemente um volume ou espaço cilíndrico que está tipicamente disponível dentro do motor ou gerador. Como tal, "três" membros de pólo de campo ativos são geralmente utilizados para prover uma densidade de empacotamento relativamente alta. Mas para prover uma operação mais equilibrada, mais do que três membros de pólo de campo ativos podem ser utilizados. Como mostrado, seis membros de pólo de campo ativos 1102 estão dispostos coaxialmente a e posicionados equidistantemente ao redor de um eixo geométrico de rotação. Também, um ímã de quatro pólos 1104 está posicionado adjacente às faces de pólo dos membros de pólo de campo ativos 1102. Nesta caso, o ímã de quatro pólos 1104 é um composto de segmentos de arco de ímã individuais. A estrutura de rotor - estator 1100 pode prover mais equilíbrio magneticamente em relação a estruturas de rotor - estator que incluem três membros de pólo de campo ativos, porque as bobinas dos membros de pólo de campo ativos 1102 opostos podem geralmente ser excitadas ao mesmo tempo. Outros números de membros de pólo de campo ativos e outros números pares de pólos de ímã podem adequadamente ser combinados para implementar as estruturas de rotor - estator da presente invenção.

[00119] As Figuras 11B e 11C ilustram um subconjunto das variações no número de membros de pólo de campo e/ou de pólos de ímã, de acordo com várias modalidades da presente invenção. A Figura 11B mostra uma vista lateral de uma estrutura de rotor - estator 1105 que tem seis membros de pólo de campo 1106 e um ímã de dois pólos 1107, de acordo com uma modalidade da invenção. A Figura 11C apresenta uma vista lateral de uma estrutura de rotor - estator 1108 que inclui doze membros de pólo de campo 1109 e um ímã de quatro pólos 1110, de acordo com outra modalidade da presente invenção. Novamente, as estruturas de rotor - estator 1100, 1105 e 1108 apresentam somente umas poucas das muitas combinações de membro de pólo de campo - pólo de ímã de acordo com várias modalidades da presente invenção. Em pelo menos uma modalidade específica da presente invenção, uma estrutura de rotor - estator exemplar está disposta dentro de um motor elétrico para gerar uma amplitude de torque que depende de pelo menos um ou mais dos seguintes: o volume dos ímãs, as direções de vetor dos campos interatuantes nas regiões de interação de fluxo, a densidade de fluxo nas regiões de interação de fluxo, a área das folgas de ar, e a área das faces de pólo. Assim, quanto mais alta a densidade de fluxo produzida pelos ímãs permanentes e mais alta a densidade de fluxo produzida pelos membros de pólo de campo ativos, mais alto o torque que será desenvolvido até que uma saturação significativa seja atingida nos membros de pólo de campo. Os materiais de ímã de uma tal estrutura de rotor - estator devem ter uma coercividade suficiente para impedir uma desmagnetização parcial ou total em uma aplicação pretendida.

[00120] As Figuras 12A a 12D ilustram outra estrutura de rotor - estator de acordo com a presente invenção. A Figura 12A apresenta um conjunto de rotor 1200 que inclui pelo menos dois ímãs permanentes cilíndricos 1202a e 1202b montados sobre ou afixados em um eixo 1204. Como mostrado, os ímãs cilíndricos 1202a e 1202b estão diametralmente magnetizados e posicionados para terem os seus pólos norte ("N") apontando em direções substancialmente opostas. A Figura 12B mostra duas vistas de um membro de pólo de campo 1220 que inclui doas faces de pólo 1224. Note que as faces de pólo 1224 neste exemplo estão contornadas ou formadas de modo a imitarem os contornos das superfícies cilíndricas dos ímãs permanentes cilíndricos 1202a e 1202b, por meio disto provendo uma espessura de folga de ar relativamente uniforme para quaisquer porções das superfícies cilíndricas ou as porções cilíndricas inteiras. Em várias modalidades, o membro de pólo de campo 1220 pode ser composto de laminações (não mostrado) e podem ter uma funcionalidade e/ou estrutura como descrito em relações a outras modalidades. A Figura 12C é uma vista explodida de uma estrutura de rotor - estator exemplar de acordo com uma modalidade específica da presente invenção. Neste exemplo, a estrutura de rotor - estator 1250 está configurada para aumentar o torque gerado por tamanho unitário (ou por peso unitário) para as implementações de motor elétrico pelo menos minimizando o comprimento de percursos de fluxo magnético através dos membros de pólo de campo. Como os membros de pólo de campo 1206 provêem segmentos de percurso de fluxo substancialmente retos nos mesmos, os desvios lineares de fluxo magnético podem ser minimizados. Tipicamente, os segmentos de percurso são geralmente paralelos ao eixo geométrico de rotação. Ainda, a estrutura de rotor - estator 1250 pode implementar membros de pólo de campo 1206 que são retos ou substancialmente retos para minimizar a relutância destes membros de pólo de campo. Conforme a relutância é minimizada, também o são as perdas magnéticas. No exemplo mostrado na Figura 12C, a estrutura de rotor - estator 1250 inclui o conjunto de rotor 1200, três membros de pólo de campo ativos 1252 (cada um dos quais implementa um membro de pólo de campo 1206 e uma bobina), as placas de extremidade 1254 e 1256, e os rolamentos 1258. Note que as superfícies cilíndricas 1260 (também referidas como superfícies de ímã) dos ímãs cilíndricos 1202 a e 1202b são utilizadas para confrontar as faces de pólo 1224 (Figura 12B). Tais superfícies magnéticas podem ser descritas como sendo interfaciais já que o fluxo magnético passa através destas superfícies quando o fluxo entra ou sai das faces de pólo 1224. As superfícies de ímã, no todo ou em parte (isto é, as suas porções cilíndricas), definem as folgas de ar entre as superfícies cilíndricas 1260 e as faces de pólo 1224. Em pelo menos uma modalidade, as faces de pólo 1224 são contornadas para manterem uma espessura uniforme para cada uma das folgas de ar para aumentar a interação de fluxo entre os ímãs cilíndricos 1202a e 1202b (Figura 12C) e os membros de pólo de campo 1206a, 1206b, e 1206c, por meio disto aumentando o torque de saída em um modo previsível. Em casos onde os membros de pólo de campo 1206a, 1206b, e 1206c são compostos de laminados, as faces de pólo 1224 são contornadas para manterem pelo menos uma espessura substancialmente uniforme para cada uma das folgas de ar.

[00121] A Figura 12D mostra uma vista lateral de uma seção transversal para o membro de pólo de campo 1220 (Figura 12B) que apresenta uma linha reta 1284 que é indicativa de um segmento de percurso de fluxo reto no membro de pólo de campo 1220 independente se o percurso de fluxo magnético passa ou de um ímã permanente ou de um fluxo gerado por Ampére - Espira ("AT"). Em várias modalidades da presente invenção, o percurso sobre o qual o fluxo passa é uma função, no todo ou em parte, da forma do membro de pólo de campo 1220. Note que a linha reta 1284 é representativa de percursos de fluxo retos entre as faces de pólo 1224 do membro de pólo de campo 1220.

[00122] As Figuras 13A e 13B ilustram ainda outra estrutura de rotor - estator de acordo com pelo menos uma modalidade da presente invenção. A Figura 13A apresenta um conjunto de rotor 1300 que inclui somente um ímã, o qual neste exemplo, é um ímã cilíndrico 1302 montado sobre um eixo 1304. Como mostrado, a Figura 13B é uma vista explodida de uma estrutura de rotor - estator de acordo com uma modalidade específica da presente invenção. Neste caso, a estrutura de rotor - estator 1350 inclui um conjunto de rotor 1300, três membros de pólo de campo ativos 1352 (isto é, 1352a, 1352b, e 1352c), placas de extremidade 1354 e 1356, e rolamentos 1358. Em uma modalidade, a placa 1354 é uma placa de extremidade não magnética e a placa de extremidade 1356 é uma placa de extremidade magneticamente permeável para transferir o fluxo entre os membros de pólo de campo ativos 1352. Em algumas modalidades, a placa de extremidade 1356 é uma placa de extremidade não magnética e a estrutura de rotor - estator 1350 inclui um membro de transporte de fluxo (não mostrado) que é magneticamente permeável para completar o circuito de ímã através do ímã cilíndrico 1302. O membro de transporte de fluxo acopla magneticamente as outras extremidades dos membros de pólo de campo ativos 1352 nas quais não existem faces de pólo. O membro de pólo de campo implementado como parte dos membros de pólo de campo ativos 1352 é similar em alguns aspectos ao membro de pólo de campo 1220 da Figura 12B e a qualquer um dos membros de pólo de campo 1206a, 1206b, e 1206c da Figura 12C. Mais neste caso, cada um dos membros de pólo de campo dos membros de pólo de campo ativos 1352 inclui somente uma face de pólo já que existe somente um ímã permanente com o qual interagir. Um exemplo de uma face de pólo única é a face de pólo 1324. Em modalidades alternativas, ímãs de outras formas podem ser substituídos para o ímã cilíndrico 1202 para implementar outras configurações da estrutura de rotor - estator 1350. Ainda, a estrutura de rotor - estator 1350 pode adicionalmente incluir outras características das várias modalidades aqui descritas.

[00123] As Figuras 13C e 13D ilustram ainda outra estrutura de rotor - estator de acordo com pelo menos uma modalidade da presente invenção. A Figura 13C apresenta os conjuntos de rotor 1360 e 1364 que incluem somente um ímã cônico cada. Especificamente, o conjunto de rotor 1360 inclui um ímã cônico 1362 montado sobre um eixo 1363 de modo que pelo menos uma porção de uma superfície cônica do ímã cônico 1362 faceie uma primeira direção axial ("AD1"). Em contraste, conjunto de rotor 1364 inclui um ímã cônico 1366 montado sobre um eixo 1365 de modo que pelo menos uma porção de uma superfície cônica do ímã cônico 1366 faceie uma segunda direção axial ("AD2"), onde a segunda direção axial é oposta à primeira direção axial. Em pelo menos uma modalidade, a primeira direção axial é na direção de um membro de transporte de fluxo não mostrado, tal como uma placa de extremidade magneticamente permeável 1356 (Figura 13B). Apesar do conjunto de rotor 1364 poder gerar percursos de fluxo relativamente mais longos que são menos retos do que aqueles produzidos pelo conjunto de rotor 1360, tais diferenças podem ser insignificantes em certas aplicações (por exemplo, naqueles casos onde o desempenho do motor não é uma especificação crítica). Note que as posições relativas nas quais os ímãs cônicos 1362 e 1366 estão montados sobre os respectivos eixo 1363 e 1365 são meramente exemplos de algumas das possíveis posições. Como tal, os ímãs cônicos 1362 e 1366 cada um pode estar posicionado em qualquer lugar sobre um eixo, incluindo o centro ou do eixo 1363 ou do eixo 1365. A Figura 13D é uma vista explodida de uma estrutura de rotor - estator exemplar de acordo com uma modalidade específica da presente invenção. Como mostrado, a estrutura de rotor - estator 1370 inclui um conjunto de rotor 1360 (Figura 13C), três membros de pólo de campo ativos 1372 (isto é, 1372a, 1372b, e 1372c) cada um dos quais é similar em funcionalidade àqueles similarmente denominados na Figura 13B. Mas os três membros de pólo de campo ativos 1372 da Figura 13D incluem membros de pólo de campo que cada um inclui somente uma face de pólo, por meio de que cada uma das faces de pólo únicas dos três membros de pólo de campo ativos 1372 são contornadas para confrontarem as superfícies de ímã cônico do conjunto de rotor 1360. A estrutura de rotor - estator 1370 também inclui as placas de extremidade 1354 e 1356 assim como os rolamentos 1358. Ainda, a estrutura de rotor - estator 1370 pode adicionalmente incluir outras características das várias modalidades aqui descritas.

[00124] As Figuras 14 e 15 apresentam implementações exemplares de mais do que dois ímãs cônicos de acordo com várias modalidades da presente invenção. A Figura 14 mostra que ambos os conjuntos de ímãs cônicos estão dispostos para facear um ao outro. Um primeiro conjunto inclui os ímãs cônicos 1402 e o segundo conjunto inclui os ímãs cônicos 1406, com ambos os conjuntos sendo afixados em um eixo 1404. Em uma modalidade, dois conjuntos de membros de pólo de campo em cooperação com pares de ímãs cônicos de diferentes diâmetros podem ser utilizados para formarem um motor composto 1400. Especificamente, o motor composto 1400 é formado pela integração de dois ou mais motores em paralelo, tal como o motor interno 1450 e o motor externo 1452. Neste exemplo, o motor interno 1450 inclui os ímãs cônicos 1402 e membros de pólo de campo ativos 1412, os ímãs cônicos 1402 tendo diâmetros menores do que os ímãs cônicos 1406. Outro motor 1452 inclui um motor interno 1450 assim como os ímãs cônicos 1406 e os membros de pólo de campo ativos 1410. Em uma modalidade, os ímãs cônicos 1402 e 1406 faceiam afastando uns dos outros e para direções axiais opostas. Em modalidades alternativas, ímãs de outras formas, tais como cilíndricos,

[00125] A Figura 15 ilustra que qualquer número de ímãs cônicos 1502 e 1503 pode ser disposto sobre um eixo 1504. Especificamente, um primeiro conjunto de ímãs cônicos 1502 tem as suas superfícies cônicas faceando uma direção axial, e um segundo conjunto de ímãs cônicos 1503 está disposto para ter cada superfície cônica faceando em outra direção axial, a qual é uma direção 180 graus diferente do que aquela faceada pelos ímãs cônicos 1502. De acordo com várias modalidades da presente invenção, qualquer número de ímãs cônicos (por exemplo, qualquer número par ou ímpar) pode estar disposto sobre um eixo, em muitas orientações ou direções, com um ou mais membros de pólo de campo ativos estando adaptados para interagir com estes ímãs cônicos. Em uma modalidade, os membros de pólo de campo ativos 1504 estão incluídos com pares de ímãs cônicos 1502 e 1503 para formarem qualquer número de motores em série uns com os outros. Por exemplo, o motor em série 1500 inclui três motores que compartilham o mesmo eixo 1580. Cada motor inclui um ímã cônico 1502, um ímã cônico 1503, e qualquer número de membros de pólo de campo ativos 1504. O motor em série 1500 está bem adequado para utilização em brocas e bombas de fundo de poço onde um alto torque em um diâmetro relativamente pequeno é desejado e o comprimento axial é de significância mínima. Em modalidades alternativas, ímãs de outras formas, tais como cilíndricos, podem ser substituídos para os ímãs cônicos 1502 e 1503.

[00126] A Figura 16 apresenta uma implementação alternativa de uma estrutura de rotor - estator que tem orientações enviesadas para os seus membros de pólo de campo de acordo com uma modalidade da presente invenção. A estrutura de rotor - estator 1600 inclui um número de membros de pólo de campo 1630 dispostos coaxialmente ao redor de um eixo geométrico de rotação 1609 e configurados para magneticamente acoplarem com os ímãs 1602a e 1602b, ambos os quais estão montados sobre um eixo 1622. Em um caso, os ímãs 1602a e 1602b podem ter superfície cônicas que faceiam uma à outra. Em pelo menos uma modalidade, cada um dos membros de pólo de campo está "enviesado" em orientação ao eixo geométrico 1609 de modo que uma linha média 1640 que passa através de cada membro de pólo de campo 1630 está em um ângulo de enviesamento 1650 em relação a um plano 1611 que passa através do eixo geométrico 1609. Pela orientação dos membros de pólo de campo 1630 em um ângulo de enviesamento 1650 em relação ao eixo geométrico de rotação 1609, a retenção pode ser reduzida. Em uma modalidade específica, as faces de pólo de cada um dos membros de pólo de campo 1630 podem ser contornadas para confrontar as superfícies dos ímãs 1602a e 1602b. Note que um ou mais membros de pólo de campo 1630 não precisam ser membros de pólo de campo ativos.

[00127] A Figura 17A é uma vista em corte transversal que ilustra outra estrutura de rotor - estator de acordo com uma modalidade da presente invenção. Na vista em corte transversal da Figura 17A, a qual é similar à vista em corte X-X da Figura 5A, a estrutura de rotor - estator 1700 inclui um membro de pólo de campo 1702 e ímãs de forma cônica 1720a e 1720b. O membro de pólo de campo 1702 tem uma primeira sapata de pólo 1707a e uma segunda sapata de pólo 1707b. A primeira sapata de pólo 1707a está posicionada adjacente a pelo menos uma porção (por exemplo, uma porção confrontante) de uma superfície do ímã 1720a de modo que a face de pólo 1705a possa ser utilizada para formar uma primeira região de interação de fluxo com a mesma. Similarmente a segunda sapata de pólo 1707b está posicionada adjacente a pelo menos uma porção de uma superfície de ímã do ímã 1720b de modo que a face de pólo 1705b possa ser utilizada para formar uma segunda região de interação de fluxo com a mesma. Ambas as regiões de interação de fluxo incluem folgas de ar que tem ou uma espessura uniforme ou uma espessura substancialmente uniforme. O membro de pólo de campo 1702 também tem uma porção de membro de pólo de campo central 1706 ao redor da qual um ou mais enrolamentos podem ser enrolados. Note que a Figura 17A distingue regiões ou porções específicas do membro de pólo de campo 1702 como as sapatas de pólo 1707a e 1707b, as regiões de transição 1709a e 1709b, as faces de pólo 1705a e 1705b, e a porção de membro de pólo de campo central 1706, todas as quais são meramente exemplares e não devem ser consideradas como limitantes. Como tal, outras modalidades da presente invenção podem incluir regiões e porções do membro de pólo de campo 1702 que são de outros tamanhos, comprimentos, proporções, dimensões, formas, etc. do que como acima descrito.

[00128] Ainda, a primeira sapata de pólo 1707a e a segunda sapata de pólo 1707b incluem uma região de transição 1709a e uma região de transição 1709b, respectivamente, para deslocar a primeira sapata de pólo 1707a e a segunda sapata de pólo 1707b (assim como as faces de pólo 1705a e 1705b) da porção de membro de pólo de campo central 1706. Cada uma das regiões de transição 1709a e 1709b está configurada para reduzir a relutância para um percurso de fluxo entre as faces de pólo 1705a e 1705b. Por exemplo, as regiões de transição 1709a e 1709b provêem uma relutância diminuída para os percursos de fluxo através da porção de membro de pólo de campo central 1706 e ou a primeira sapata de pólo 1707a ou a segunda sapata de pólo 1707b, se comparado com os pólos de campo tradicionais que requerem que as regiões de transição sejam ortogonais (isto é, a noventa graus) ou à porção de membro de pólo de campo central 1706 ou à primeira sapata de pólo 1707a e à segunda sapata de pólo 1707b. Geralmente, quanto mais abruptamente o percurso de fluxo vira dentro de um membro de pólo de campo ou qualquer "membro de baixa relutância" similar, tal como em ou próximo de um ângulo de noventa graus, mais alta é a relutância para aquele percurso de fluxo. Isto por sua vez leva a perdas magnéticas aumentadas.

[00129] Para reduzir as perdas magnéticas associadas com os percursos de fluxo não retos, o membro de pólo de campo 1702 exemplar implementa as regiões de transição, tais como as regiões 1709a e 1709b, para prover um segmento de percurso de fluxo transitório. O segmento de percurso de fluxo transitório 1710 facilita a diminuição da relutância associada com o comprimento de um percurso de fluxo que estende-se entre as faces de pólo, tais como as faces de pólo 1705a e 1705b. Como mostrado na Figura 17A, o percurso de fluxo transitório ("S2") 1710 provê um ângulo agudo 1704 (o qual pode ser descrito também por seu ângulo obtuso complementar 1750) de um segmento percurso de fluxo ("S1") 1708 associado com a porção de membro de pólo de campo central 1706 em relação ao percurso de fluxo transitório ("S2") 1710. Como mostrado, o segmento de percurso de fluxo ("S1") 1708 está em uma mesma direção geral indicada como o percurso de fluxo transitório ("S2") 1710, o qual desvia da direção daquele segmento 1708 por um ângulo agudo 1704. Note que um tal desvio pode também ser descrito em termos de um ângulo obtuso 1750, como ficaria aparente para aqueles versados na técnica. Em uma modalidade específica, o ângulo agudo 1704 pode estar entre aproximadamente 0 e aproximadamente 60 graus (incluindo tanto 0 quanto 60 graus). Ainda, um percurso de fluxo "não reto" pode ser descrito como um percurso que tem dois segmentos consecutivos 1708 e 1710 em um ângulo 1704 entre 60 graus e 90 graus. Em uma modalidade específica, um percurso de fluxo não reto inclui aqueles percursos que tem um segmento de percurso de fluxo subsequente que desvia em um ângulo de aproximadamente 90 graus de um segmento de percurso de fluxo precedente, onde tanto o percurso de fluxo subsequente quanto o precedente são consecutivos. Como tal, o segmento 1708 é precedente ao segmento 1710 (do percurso de fluxo magnetizado sul para norte) e o segmento 1710 é subsequente ao segmento 1708. Em algumas modalidades, o termo "substancialmente reto" pode referir-se a um membro de pólo de campo que provenha percursos de fluxo retos (por exemplo, percursos que não tem nenhum desvio de uma linha reta entre, por exemplo, as regiões de interação de campo) assim como percursos de fluxo que inclui um ou mais segmentos de percurso de fluxo subsequentes que cada um está a 60 graus ou menos de um segmento de percurso de fluxo precedente.

[00130] Em pelo menos uma modalidade específica, o termo "segmento de percurso de fluxo" refere-se a um segmento de linha que estende-se de uma extremidade (ou aproximadamente da mesma) de uma região ou porção de membro de pólo de campo 1702 para a outra extremidade (ou aproximadamente para a mesma), o segmento de percurso de fluxo sendo representativo de um percurso de fluxo magnético aproximado e/ou uma porção de uma linha de fluxo interna que estende-se entre os pólos magnéticos (por exemplo, as faces de pólo). Por exemplo, o segmento de percurso de fluxo ("S1") 1708 estende-se aproximadamente pelo comprimento da porção de membro de pólo de campo central 1706 e o percurso de fluxo transitório ("S2") 1710 estende-se aproximadamente pelo comprimento da região de transição 1709a.

[00131] A Figura 17B ilustra uma vista em perspectiva de um membro de pólo de campo de acordo com uma modalidade específica da presente invenção. Como mostrado, um membro de pólo de campo 1702 (Figura 17A) inclui as faces de pólo 1705a e 1705b contornadas para confrontarem as superfícies cônicas dos ímãs cônicos 1720a e 1720b. Note que em outras modalidades, as faces de pólo 1705a e 1705b não precisam ser contornadas. Por exemplo, as faces de pólo 1705a e 1705b da Figura 17A cada uma pode ficar em um plano relativamente plano perpendicular à página sobre a qual a Figura 17A está ilustrada.

[00132] As Figuras 18A e 18B apresentam as folgas de ar de acordo com as modalidades da presente invenção. A Figura 18A ilustra uma folga de ar 1866 formada por um ímã cônico 1860 e uma face de pólo correspondente, a qual não está mostrada para evitar obscurecer a folga de ar 1866. Neste exemplo, cada um dos vetores normais 1862 e 1864 origina-se de uma porção de superfície sobre a face de pólo e termina em um ponto correspondente sobre a porção de superfície 1899 do ímã cônico 1860. Por exemplo, um vetor normal 1862c origina-se em uma porção da face de pólo, tal como o ponto 1863, e estende-se até um ponto sobre a porção 1899 da superfície do ímã cônico 1860, tal como o ponto 1865. Em algumas modalidades, os vetores normais 1862 e 1864 cada um tem o mesmo comprimento.

[00133] Mas em algumas modalidades, os comprimentos dos vetores normais 1864 podem diferir dos comprimentos dos vetores normais 1862. Como tal, uma seção transversal em forma de arco 1867 define uma primeira seção transversal de folga de ar uniforme em uma primeira posição axial, enquanto que uma seção transversal em forma de arco 1802 define uma segunda seção transversal de folga de ar uniforme em uma segunda posição axial ao longo do comprimento de um eixo geométrico (não mostrado). Os vetores normais 1864 ficam no mesmo plano perpendicular, por exemplo, à porção de superfície 1899, enquanto que os vetores normais 1862 ficam no mesmo plano também perpendicular à porção de superfície 1899. Mas ambos os planos são diferentes e produzem diferentes seções transversais da folga de ar 1866, tais como as seções transversais em forma de arco 1802 e 1867.

[00134] E, algumas modalidades, pode ser vantajoso variar a espessura de folga de ar para criar, por exemplo, uma folga de ar estreitada na extremidade de diâmetro pequeno do ímã cônico 1860 e uma folga de ar alargada na extremidade de diâmetro grande do ímã cônico 1860 para melhor controlar o fluxo conduzido através da folga de ar 1866 para o pólo de campo adjacente (não mostrado). Por exemplo, os comprimentos dos vetores normais 1862 podem ser mais longos do que os vetores normais 1864. Consequentemente, isto cria uma folga de ar mais larga na seção transversal em forma de arco 1802 e uma folga de ar mais estreita na seção transversal em forma de arco 1867. Em outro exemplo, considere que uma linha de carga do ímã cônico 1860 define uma razão entre o comprimento da folga de ar ("L_gap") para o comprimento do ímã ("L_magnet") como L_gap/L_magnet. Para controlar esta razão ou impedir que a razão mude, a folga de ar 1866 pode ser feita estreita na extremidade pequena do ímã cônico 1860, onde o comprimento de ímã L_magnet é relativamente curto, e pode ser mais larga na extremidade larga do ímã cônico 1860 onde o comprimento de ímã L_magnet é relativamente mais longo. O comprimento do ímã ("L_magnet") descreve um diâmetro do ímã cônico 1860 ao longo do qual o fluxo magnético atravessa de uma superfície de ímã para outra.

[00135] Note que os vetores normais que originam-se de e/ou terminam em uma superfície curva geralmente não são paralelos um ao outro em um plano perpendicular à superfície do ímã 1860. Por exemplo, o vetor normal 1862a não é paralelo ao vetor normal 1862b, ambos os quais originam-se de uma superfície de face de pólo que tem uma curvatura associada com a mesma. A folga de ar 1866 inclui um limite externo que tem uma seção transversal em forma de arco 1867 e um limite interno que tem uma seção transversal em forma de arco 1869. Note que apesar de somente uma folga de ar 1866 ser mostrada, outras folgas de ar similares podem ser formadas por outras superfícies de face de pólo. Estas folgas de ar foram omitidas para o bem da simplicidade. Também note que os vetores normais 1862 e 1864 não necessariamente representam as linhas de fluxo magnético na folga de ar 1866; o seu propósito primário é de descrever a estrutura física da folga de ar.

[00136] A Figura 18B ilustra as folgas de ar 1876a e 1876b formadas por um ímã cilíndrico 1870 e as faces de pólo correspondentes, ambas as quais não estão mostradas para evitar obscurecer estas folgas de ar. Neste exemplo, cada um dos vetores normais 1872 e 1874 origina- se de um ponto sobre uma porção de superfície sobre a face de pólo (não mostrada) e termina em um ponto correspondente sobre a porção de superfície 1890 sobre o ímã cilíndrico 1870. Geralmente, os vetores normais 1872 e os vetores normais 1874 ficam dentro de um primeiro plano (não mostrado) e um segundo plano (não mostrado), respectivamente, onde ambos os planos são substancialmente perpendiculares a um eixo geométrico. Consequentemente, os vetores normais 1872 e os vetores normais 1874 definem uma primeira e uma segunda seção transversal substancialmente uniforme. A primeira e a segunda seções transversais substancialmente uniformes formam seções transversais em forma de arco e podem ser do mesmo tamanho ou de um diferente tamanho, dependendo dos comprimentos dos vetores normais 1872 e 1874. Por exemplo, quando cada um dos vetores normais 1874 é do mesmo comprimento, então estes formam uma seção transversal em forma de arco 1898 (por exemplo, cada uma tendo um perímetro definido pelos pontos A, B, C e D). Em um caso, a seção transversal em forma de arco 1890 provê uma uniformidade nas direções radiais ao redor de um eixo geométrico. Em outro caso, quando os comprimentos dos vetores normais 1872 e 1874 são os mesmos, então as seções transversais em forma de arco formadas dos mesmos provêem uma uniformidade na direção axial, por meio disto provendo uma espessura de folga de ar uniforme no todo ou em parte. Note que os vetores normais podem também originar-se de uma superfície de ímã (não mostrada) para descrever as folgas de ar. Em pelo menos uma modalidade, as áreas de superfície das superfícies de face de pólo podem ser dimensionadas como uma função da distância periférica, "W", entre os membros de pólo de campo (não mostrados). A Figura 18B mostra uma área de superfície 1878 como um limite externo hachurado da folga de ar 1876b. A área de superfície 1878 é representativa de outras áreas de superfície de outras folgas de ar, todas as quais podem estar similarmente dimensionadas. A distância, "W", da Figura 18B está selecionada para prover um acoplamento magnético máximo entre o ímã cilíndrico 1870 e o membro de pólo de campo pela maximização das áreas de superfície de face de pólo 1878 enquanto minimizando a fuga entre os ditos membros de pólo de campo associados com as folgas de ar 1876a e 1876b aumentando a distância, "W". Um valor de "W" ótimo minimiza a fuga de campo magnético enquanto provendo um torque de saída aumentado.

[00137] A Figura 19 é uma vista em corte transversal que ilustra ainda outra configuração de membro de pólo de campo geral de acordo com ainda outra modalidade da presente invenção. Na vista em corte transversal do membro de pólo de campo 1902, a qual é similar à vista em corte X-X da Figura 5A, o membro de pólo de campo 1902 está mostrado incluindo regiões ou porções similares que o membro de pólo de campo 1702 da Figura 17A. Neste exemplo, o membro de pólo de campo 1902 tem uma primeira sapara de pólo 1907a, uma segunda sapata de pólo 1907b, uma primeira face de pólo 1905a, uma segunda face de pólo 1905b, e uma porção de membro de pólo de campo central 1906, todas as quais tem funcionalidades equivalentes como aquelas acima descritas. Note que em outras modalidades, as regiões e as porções do membro de pólo de campo 1902 podem ser de outros tamanhos, formas, proporções, dimensões, áreas de seção transversal, etc. que os acima mencionados.

[00138] Como mostrado na Figura 19, a região de transição 1909a inclui um percurso de fluxo transitório ("S2") 1910 para prover um ângulo agudo 1952 de ou para um primeiro segmento de percurso de fluxo associado com a porção de membro de pólo de campo central 1906, tal como o percurso de fluxo transitório ("S1") 1908, e para prover o mesmo ou um diferente ângulo agudo 1950 de ou para um segundo segmento de percurso de fluxo, tal como o segmento de percurso de fluxo ("S3") 1912, que está associado com a primeira sapata de pólo 1907a. Em alguns casos, o ângulo no qual o percurso de fluxo transitório ("S2") 1910 desvia das segmentos de percurso de fluxo 1908 e 1912 pode também ser definido por um ângulo obtuso 1953, o qual é complementar ao ângulo agudo 1952. Em alguns casos, o segmento de percurso de fluxo ("S1") 1908 e o segmento de percurso de fluxo ("S3") 1912 estão nas respectivas distâncias 1918 e 1916 de um eixo geométrico de rotação definido pelo eixo 1960, ambos os segmentos 1908 e 1912 estando substancialmente paralelos ao eixo 1960. Na Figura 19, o segmento de percurso de fluxo ("S1") 1908 e o percurso de fluxo transitório ("S2") 1910 estendem-se pelo comprimento aproximado da porção de membro de pólo de campo central 1906 e da região de transição 1909a, respectivamente, enquanto que o segmento de percurso de fluxo ("S3") 1912 estende-se pelo comprimento da primeira sapata de pólo 1907a (ou uma sua porção). Considere que a região de transição 1909a provenha uma porção de percurso de fluxo transitório para suavemente transicionar o fluxo do segmento de percurso de fluxo 1908 (o qual está a uma distância 1918 do eixo geométrico de rotação 1960) para o segmento de percurso de fluxo 1912 (o qual está a uma distância 1916 do eixo geométrico 1960). Ou considere que a região de transição 1909a provenha uma porção de percurso de fluxo transitório para suavemente transicionar o fluxo a uma distância radial 1901 do eixo geométrico 1960 sem curvas de 90 graus.

[00139] A Figura 20 ilustra uma linha de fluxo 2002 como um exemplo de uma porção de fluxo magnético que estende-se para uma face de pólo 1905a do membro de pólo de campo 1902, de acordo com uma modalidade. A linha de fluxo 2002 está mostrada sendo aproximadamente incidente a um percurso de fluxo que inclui o segmento de percurso de fluxo ("S1") 1908, o percurso de fluxo transitório ("S2") 1910 e o segmento de percurso de fluxo ("S3") 1912.

[00140] Geralmente, a constante de motor (Km) para um motor elétrico que implementa a estrutura de rotor - estator 200 (Figura 2B), ou similar, pode ser ajustada pela variação do comprimento do núcleo do membro de pólo de campo (isto é, a região de enrolamento) sem afetar materialmente as outras características do motor, outras do que o comprimento e o peso do motor em alguns casos. Por exemplo, dobrando o comprimento de enrolamento enquanto mantendo um diâmetro externo constante, o volume de enrolamento pode também ser dobrado de modo que o número de espiras que podem ser enroladas dentro do motor dobra. Como o desempenho do motor é determinado por ampére - espiras, no todo ou em parte, quando o número de espiras dobra, a corrente pode ser cortada aproximadamente na metade e ainda alcançar o mesmo desempenho. Assim, dobrando o número de espiras de mesmo tamanho de arame pode fazer com que a resistência do enrolamento aumente por um fator de dois ou tanto. Como a potência perdida em um motor pode ser determinada por um quadrado da corrente vezes a resistência do enrolamento, uma redução de corrente por um fator de dois e um dobro da resistência pode levar a diminuir à metade a perda de potência no enrolamento.

[00141] Um método exemplar para converter a energia elétrica em torque mecânico pela utilização da estrutura de rotor - estator de pelo menos uma modalidade da presente invenção está descrito como segue. Um primeiro fluxo magnético de elemento é produzido por um número par de pólos de dois ímãs permanentes, por meio de que estes ímãs direcionam substancialmente o primeiro fluxo magnético de elemento em uma direção radial dentro das e para as superfícies de pólo dos ímãs. Os ímãs permanentes estão axialmente separados, mas estão conectados ao longo de um eixo geométrico comum de modo que os pólos de ímã fiquem substancialmente alinhados em planos que incluem o eixo geométrico. Os pólos de ímã nos dois ímãs permanentes estão substancialmente opostamente direcionados em magnetização quando vistos ao longo do eixo geométrico, assim completando um circuito magnético. O primeiro fluxo de elemento está direcionado em uma direção substancialmente axial através de uma pluralidade de elementos de percurso de baixa relutância, os percursos sendo substancialmente paralelos ao eixo geométrico, assim ajudando na densidade de fluxo magnético no circuito magnético. Pelo menos um dos elementos de percurso de baixa relutância está substancialmente circundado por um segundo elemento de produção de fluxo magnético composto de um meio de transporte de corrente que circunda o elemento de percurso de baixa relutância. A corrente no segundo elemento de fluxo, quando energizada, é seletivamente comutável de modo a produzir potenciais magnéticos em regiões de interação de fluxo nas extremidades axiais dos elementos de percurso de baixa relutância, tais como nas superfícies do estator. Os potenciais magnéticos comutáveis, quando energizados, ora ajudam ou opõem o fluxo magnético da primeira fonte de fluxo de elemento, por meio disto produzindo um torque nos ímãs permanentes em planos perpendiculares ao eixo geométrico. A magnitude do torque produzido é uma função do ângulo entre a direção do primeiro fluxo de elemento e do segundo fluxo de elemento. Em algumas modalidades, as regiões de interação de fluxo nas extremidades axiais dos elementos de percurso de baixa relutância formam superfícies de folga de ar que estão em um ângulo em relação ao eixo geométrico. Em modalidades alternativas, as regiões de interação de fluxo nas extremidades axiais dos elementos de percurso de baixa relutância formam superfícies de folga de ar que são paralelas ao eixo geométrico. Em uma modalidade específica, a coercividade dos ímãs permanentes como medida pela permeabilidade de recuo relativa é menos do que 1,3 em unidades CGS, por exemplo.

[00142] Como as estruturas de rotor - estator e os motores elétricos podem ser projetados de tal modo que as suas funcionalidades possam ser simuladas e modeladas utilizando os dispositivos de computação, pelo menos uma modalidade da presente invenção refere-se a uma mídia legível por computador que tem um código de computador na mesma para executar várias operações implementadas por computador tal como a modelagem da conversão de energia elétrica para torque mecânico (ou a geração de energia elétrica de um torque mecânico). Especificamente, as estratégias de controle da invenção podem ser implementadas em um software associado com um processador. A mídia e o código de computador podem ser aqueles especialmente projetados e construídos para os propósitos da presente invenção, ou estes podem ser do tipo bem conhecido e disponível para aqueles versados na técnica de software de computador. Exemplos de mídia legível por computador incluem os dispositivos de hardware que são especialmente configurados para armazenar e executar o código de programa, tais como os circuitos integrados de aplicação específica ("ASICs"), os dispositivos lógicos programáveis ("PLDs") e os dispositivos de ROM e de RAM. Exemplos de código de computador incluem o código de máquina, tal como produzido por um compilador, e arquivos que contêm um código de nível mais alto que são executados por um computador utilizando um interpretador. Por exemplo, uma modalidade da invenção pode ser implementada utilizando Java, C++, ou outra linguagem de programação orientada por objeto e ferramentas de desenvolvimento. Outra modalidade da invenção pode ser implementada em um circuito de fiação em lugar de, ou em combinação com, instruções de software executáveis por máquina. Ainda, outras modalidades da presente invenção incluem os motores que utilizam as estruturas de rotor - estator da presente invenção que são eletricamente acionados por uma tecnologia de acionamento bem conhecida, como seria apreciado por aqueles versados na técnica.

[00143] Um praticante versado na técnica não requer nenhuma explicação adicional na execução e na utilização das modalidades da estrutura de rotor - estator aqui descrita mas pode apesar de tudo encontrar alguma orientação útil examinando as seguintes referências em ordem da mais para a menos preferida: "IEEE 100: The Authoritative Dictionary of IEEE Standard Terms", Institute of Electrical and Eletrctronics Engineers (Kim Breifelder and Don Messina, eds., 7a ed. 2000), "General Motor Terminology", como definido pela Small Motor and Motion Association ("SMMA"), e "Standard Specifications for Permanent Magnet Materials: Magnetic Materials Producers Association ("MMPA") Standard No 0100-00", International Magnetic Association.

[00144] A descrição acima, para propósitos de explicação, utilizou uma nomenclatura específica para prover uma compreensão completa da invenção. No entanto, ficará aparente para alguém versado na técnica que detalhes específicos não são requeridos para praticar a invenção. De fato, esta descrição não deve ser lida como limitando qualquer característica ou aspecto da presente invenção em qualquer modalidade; ao contrário qualquer característica ou aspecto de uma modalidade pode ser prontamente intercambiada com outra característica ou aspecto em qualquer uma das outras modalidades. Apesar da descrição das modalidades acima referir-se a um motor, a discussão é aplicável a todas as máquinas eletrodinâmicas, tais como um gerador. Assim, as descrições acima de modalidades específicas da invenção estão apresentadas para propósitos de ilustração e de descrição. Estas não pretendem ser exaustivas ou limitar a invenção às formas precisas descritas; obviamente, muitas modificações e variações são possíveis em vista dos ensinamentos acima. As modalidades foram escolhidas e descritas de modo a melhor explicar os princípios da invenção e as suas aplicações práticas; estas por meio disto permitem a outros versados na técnica melhor utilizar a invenção e as várias modalidades com várias modificações como são adequadas para a utilização específica contemplada. Notadamente, nem todos os benefícios aqui descritos precisam ser realizados por cada modalidade da presente invenção; ao contrário qualquer modalidade específica pode prover uma ou mais das vantagens acima discutidas. É pretendido que as reivindicações seguintes e seus equivalentes definam o escopo da invenção.

Claims

1. Estrutura de rotor - estator (1250) para máquinas eletrodinâmicas, caracterizada por compreender: ímãs cilíndricos (590, 1202) que têm superfícies cilíndricas (1260) dispostas axialmente sobre um eixo geométrico de rotação, os ímãs cilíndricos (590, 1202) incluindo pelo menos dois ímãs cilíndricos (590, 1202) posicionados de modo que os sentidos de polarização (630) dos pelo menos dois ímãs cilíndricos (590, 1202) ficam em sentidos substancialmente opostos; e membros de pólo de campo (586, 1206, 1220, 1252) dispostos coaxialmente ao eixo geométrico e que têm superfícies de interação de fluxo (1224) formadas nas extremidades dos membros de pólo de campo adjacentes a porções das superfícies cilíndricas que confrontam as superfícies de interação de fluxo, as superfícies de interação de fluxo e as porções das superfícies cilíndricas definindo entreferros, as superfícies de interação de fluxo estando configuradas para acoplar magneticamente os membros de pólo de campo nos ímãs cilíndricos (590, 1202), em que as superfícies de interação de fluxo estão contornadas para imitar os contornos dos imãs cilíndricos (590, 1202) para manter uma seção transversal substancialmente uniforme para cada um dos entreferros; e em que os membros de pólo de campo são substancialmente diretos e provêm percursos de fluxo (594) substancialmente diretos (594, 1284) através dos membros de pólo de campo que são orientados apenas em uma direção que é paralela com o eixo de rotação.

2. Estrutura de rotor - estator de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que os sentidos de polarização (630) estão em um ou mais planos que são substancialmente perpendiculares ao eixo geométrico de rotação, em que os ímãs cilíndricos (590, 1202) e os membros de pólo de campo são suficientes para gerarem os percursos de fluxo (594).

3. Estrutura de rotor - estator de acordo com a reivindicação 1, caracterizada ainda por compreender um eixo sobre o qual os ímãs cilíndricos (590, 1202) estão afixados, o eixo definindo o eixo geométrico de rotação e estendendo-se através de cada um dos ímãs cilíndricos (590, 1202).

4. Estrutura de rotor - estator de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato que a seção transversal substancialmente uniforme é uma seção transversal em forma de arco em um plano que é substancialmente perpendicular ao eixo geométrico.

5. Estrutura de rotor - estator de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato que a seção transversal substancialmente uniforme está configurada para aumentar a interação de fluxo entre os ímãs cilíndricos (590, 1202) e os membros de pólo de campo, por meio disto aumentando o torque de saída.

6. Estrutura de rotor - estator de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato que a seção transversal substancialmente uniforme provê uma espessura substancialmente uniforme para cada uma dos entreferros.

7. Estrutura de rotor - estator de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato que as superfícies de interação de fluxo cada uma tem uma área de superfície dimensionada para gerar uma saída de torque máximo.

8. Estrutura de rotor - estator de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato que pelo menos um dos membros de pólo de campo é um membro de pólo de campo substancialmente reto configurado para prover um percurso de fluxo substancialmente reto entre uma primeira superfície de interação de fluxo e uma segunda superfície de interação de fluxo.

9. Estrutura de rotor - estator de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato que pelo menos um dos membros de pólo de campo compreende uma ou mais regiões de transição para assegurar que uma porção de percurso de fluxo não seja ortogonal ao eixo geométrico entre as extremidades dos membros de pólo de campo.

10. Estrutura de rotor - estator de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato que cada uma das superfícies de interação de fluxo ainda compreende uma superfície de interação de fluxo oblíqua para desviar os entreferros de pólo de campo entre os membros de pólo de campo adjacentes, por meio disto minimizando o torque de retenção.

11. Estrutura de rotor - estator de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato que cada um dos membros de pólo de campo ainda compreende laminações de modo que um plano mediano que se estende em uma direção axial divide uma quantidade das laminações aproximadamente ao meio de modo que em um lado do plano mediano as laminações geralmente diminuem em pelo menos uma dimensão quando as laminações são posicionadas mais distantes do plano mediano, em que as laminações são formadas de um substrato composto de um material magneticamente permeável em configurações que reduzem o desperdício do material magneticamente permeável.

12. Estrutura de rotor - estator de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato que cada um dos membros de pólo de campo ainda compreende uma porção de membro de pólo de campo central que tem uma superfície periférica externa coextensiva com uma porção de um círculo ao redor do eixo geométrico de rotação para diminuir uma dimensão volumétrica da estrutura de rotor - estator.

13. Estrutura de rotor - estator de acordo com a reivindicação 1, caracterizada ainda por compreender uma bobina enrolada ao redor de pelo menos um dos membros de pólo de campo para formar pelo menos um membro de pólo de campo ativo.

14. Estrutura de rotor - estator de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato que os sentidos de polarização (630) incluem um primeiro sentido de polarização e um segundo sentido de polarização, por meio de que um ímã cilíndrico dentre os ímãs cilíndricos (590, 1202) está orientado para ter o primeiro sentido de polarização e outro ímã cilíndrico dentre os ímãs cilíndricos (590, 1202) está orientado para ter o segundo sentido de polarização, o primeiro sentido de polarização estando a um ângulo de polarização a partir do segundo sentido de polarização para minimizar o torque de retenção, o ângulo de polarização sendo qualquer ângulo de aproximadamente 150 graus a 180 graus.

15. Estrutura de rotor - estator de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato que a estrutura de rotor - estator está configurada para gerar percursos de fluxo (594) magnético que consiste essencialmente de: o primeiro ímã cilíndrico; o segundo ímã cilíndrico; os membros de pólo de campo; e e dois ou mais entreferros, em que cada um do primeiro ímã cilíndrico e do segundo ímã cilíndrico é um ímã monolítico.

16. Estrutura de rotor - estator de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato que um ou mais dos membros de pólo de campo ainda compreende: um material magneticamente permeável que é contínuo de uma extremidade de cada membro de pólo de campo até a outra extremidade; e pelo menos uma porção que está configurada para aceitar um elemento para gerar um fluxo de ampére - espira ("AE"), em que uma quantidade dos um ou mais dos membros de pólo de campo é independente de um número de pólos de ímã dos ímãs cilíndricos (590, 1202).

17. Estrutura de rotor - estator de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato que os membros de pólo de campo compreendem uma ou mais dentre as ligas de silício - ferro, ligas de níquel - ferro, ligas de cobalto - níquel, ligas de pó magnético, e compostos magnéticos macios, e os ímãs cilíndricos (590, 1202) são ímãs permanentes que compreendem um ou mais dos seguintes: ferro neodímio ("NdFe"), um ou mais materiais magnéticos de terras raras, e um ou mais de materiais cerâmicos.

18. Estrutura de rotor - estator de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato que cada um dos membros de pólo de campo tem uma forma alongada e estão orientados em um ângulo oblíquo a partir do eixo geométrico de rotação.

19. Estrutura de rotor - estator para máquinas eletrodinâmicas, caracterizada por compreender: ímãs cônicos (220a, 220b) que tem superfícies cônicas (221a, 221b) dispostas axialmente sobre um eixo geométrico de rotação de modo que as superfícies cônicas (221a, 221b) faceiam umas às outras, os ímãs cônicos (220a, 220b) incluindo pelo menos dois ímãs cônicos (220a, 220b) estando posicionados de modo que os sentidos de polarização (630) dos pelo menos dois ímãs cônicos (220a, 220b) fiquem em sentidos substancialmente opostos; e membros de pólo de campo (206) dispostos coaxialmente com o eixo geométrico e que tem superfícies de interação de fluxo formadas nas extremidades dos membros de pólo de campo e adjacentes a porções (521a, 521b) das superfícies cônicas (221a, 221b) que confrontam as superfícies de interação de fluxo, as superfícies de interação de fluxo e as porções (521a, 521b) das superfícies cônicas (221a, 221b) definindo entreferros, em que as superfícies de interação de fluxo estão configuradas para acoplar magneticamente os membros de pólo de campo (206) nos ímãs cônicos (220a, 220b), em que os ímãs cônicos (220a, 220b) e os membros de pólo de campo (206) são suficientes para formar um ou mais percursos de fluxo.

20. Estrutura de rotor - estator de acordo com a reivindicação 19, caracterizada por ainda compreender um eixo sobre o qual os ímãs cônicos (220a, 220b) estão afixados, o eixo definindo o eixo geométrico de rotação.

21. Estrutura de rotor - estator de acordo com a reivindicação 19, caracterizada pelo fato que as superfícies cônicas (221a, 221b) cada uma tem um ângulo de inclinação do eixo geométrico de rotação, o ângulo sendo de aproximadamente 10 graus a aproximadamente 80 graus.

22. Estrutura de rotor - estator de acordo com a reivindicação 19, caracterizada pelo fato que cada um dos membros de pólo de campo (206) ainda compreende: um material magneticamente permeável que é contínuo de uma extremidade de cada membro de pólo de campo (206) até a outra extremidade; e pelo menos uma porção que está configurada para aceitar um elemento para gerar um fluxo de ampére - espira ("AE"),

23. Estrutura de rotor - estator de acordo com a reivindicação 19, caracterizada por ainda compreender uma bobina enrolada ao redor de cada um dos membros de pólo de campo (206) para formar os membros de pólo de campo ativos (204).

24. Estrutura de rotor - estator de acordo com a reivindicação 19, caracterizada pelo fato que pelo menos um dos membros de pólo de campo (206) é substancialmente reto.

25. Estrutura de rotor - estator de acordo com a reivindicação 19, caracterizada pelo fato que os membros de pólo de campo (206) e os ímãs cônicos (220a, 220b) estão dispostos para minimizar os desvios lineares em uma porção de percurso de um percurso de fluxo magnético coincidente com uma linha substancialmente reta que se estende de uma porção (521a) de superfície (221a) de um primeiro ímã cônico (220a) para uma porção (521b) de superfície (221b) de um segundo ímã cônico (220b), a porção de percurso terminando nas porções de superfície.

26. Estrutura de rotor - estator de acordo com a reivindicação 19, caracterizada pelo fato que a estrutura de rotor - estator está configurada para gerar percursos de fluxo magnético que consiste essencialmente de: o primeiro ímã cônico (220a); o segundo ímã cônico (220b); e pelo menos um dos membros de pólo de campo (206); e e dois ou mais entreferros.

27. Estrutura de rotor - estator de acordo com a reivindicação 19, caracterizada pelo fato que os membros de pólo de campo (206) compreendem laminações para minimizar as correntes parasitas, por meio disto reduzindo as perdas de energia.

28. Estrutura de rotor - estator de acordo com a reivindicação 19, caracterizada por ainda compreender uma bobina enrolada ao redor de pelo menos um dos membros de pólo de campo (206) para formar pelo menos um membro de pólo de campo ativo (204).

29. Estrutura de rotor - estator de acordo com a reivindicação 19, caracterizada pelo fato que um ímã cônico dos ímãs cônicos tem um primeiro sentido de polarização e outro ímã cônico dos ímãs cônicos tem um segundo sentido de polarização, o primeiro sentido de polarização estando em um ângulo de polarização do segundo sentido de polarização para minimizar o torque de retenção, o ângulo de polarização sendo qualquer ângulo de aproximadamente 150 graus a 180 graus.

30. Estrutura de rotor - estator de acordo com a reivindicação 19, caracterizada pelo fato que cada uma das superfícies de interação de fluxo ainda compreende uma superfície de interação de fluxo oblíqua para reduzir os entreferros de pólo de campo entre os membros de pólo de campo adjacentes, por meio disto minimizando o torque de retenção.