BRPI0715330A2

BRPI0715330A2 - mÁquina de eixos de interrupÇço a ar tendo o estator e os discos rotores formados por méltiplos segmentos destacÁveis

Info

Publication number: BRPI0715330A2
Application number: BRPI0715330-9A
Authority: BR
Inventors: Mihai C Platon; Virgil F Young
Original assignee: Clean Current Power Systems Inc
Priority date: 2006-08-04
Filing date: 2007-02-07
Publication date: 2012-12-25
Also published as: CN101529693A; CN101529693B; EP2054990A4; CA2659824C; US8575817B2; ZA200901552B; US20100007225A1; GB0722798D0; KR20090048615A; US8222792B2; GB2442622A; WO2008014584A1; CN103633751A; NZ575330A; AU2007281054B2; EP2054990A1; CA2659824A1; US20120262023A1; KR101269612B1; AU2007281054A1

Abstract

MÁQUINA AXIAL COM FOLGA DE AR TENDO DISCOS ESTATORES E ROTORES. É descritos um aparelho gerador ou motor, tendo um estator formado de uma pluralidade de pares de segmentos do estator paralelos. Os pares de segmentos paralelos são conectados juntos para formar um canal, no qual se move um rotor anular. O rotor anular também compreende uma pluralidade de segmentos destacáveis conectados juntos para formar uma fenda anular operável para se mover através do dito canal. Cada segmento do estator compreende um conjunto de enrolamento do estator e cada segmento do rotor compreende um ímã dimensionado para se encaixar entre os segmentos do estator intercalados paralelos. O aparelho pode incluir uma estrutura de suporte, estando os segmentos do rotor deslizavelmente acoplados à estrutura de suporte e estando os segmentos do estator fixados à estrutura de suporte. O aparelho pode ser um gerador de aro, gerador de turbina eólica ou outra máquina elétrica. O conjunto de enrolamento de estator inclui um enrolamento do estator e pode incluir outros componentes elétricos ou eletrônicos, incluindo, possivelmente, um capacitor de fator de potência, capacitor de filtro de corrente contínua, supercapacitor, e um ou mais diodos. O conjunto de enrolamento do estator pode ser encapsulado dentro do segmento do estator.

Description

SEGMENTOS DO ROTOR E DO ESTATOR PARA GERADOR E MOTOR

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

1. Campo de Invenção

Esta invenção refere-se a componentes de

rotor e de estator de geradores elétricos e de motores elétricos e, em particular, a segmentos do rotor e segmentos do estator para um gerador e/ou motor.

2. Descrição da Técnica Relacionada

io Muitos geradores elétricos para gerar

eletricidade em corrente contínua (CC) e corrente alternada (CA) e muitos motores de CA e CC têm sido desenvolvidos. Alguns geradores e motores incluem ímãs permanentes localizados ao longo da circunferência de um rotor montado em um eixo de acionamento e enrolamentos ou bobinas de fio elétrico, localizados ao longo de um lado interno de um estator anular. Uma força externa, tal como ar ou água corrente girando o eixo de acionamento e rotor, induz corrente elétrica nas bobinas, e assim gera eletricidade. Quando a corrente elétrica é passada através das bobinas, a força magnética resultante nos ímãs permanentes causa a rotação do rotor e do eixo de acionamento, que age como o eixo de saída de um motor.

O Pedido de Patente US 10/506.931 (publicado em 21 de abril de 2005 como US 2005/0082938) para Schimdt et al. refere-se a um motor de torque que inclui um rotor anular que compreende uma estrutura de rotor e ímãs permanentes montados nele, e inclui uma estrutura de estator com núcleos de ferro e enrolamentos elétricos dispostos sobre eles, caracterizado pelo fato de que os núcleos de ferro e os enrolamentos elétricos estão dispostos em um ou mais segmentos do estator independentes, de modo que cada segmento do estator é destacavelmente unido à estrutura do estator. O estator e rotor são acoplados por um mancai. Contudo, o motor de torque de Schmidt et al. está limitado aos componentes elétricos dos enrolamentos elétricos e dos núcleos elétricos em cada segmento do estator. Schmidt et al. estão também limitados a um rotor anular de peça única, que impede a fabricação, montagem e transporte de equipamento elétrico tendo um rotor de diâmetro grande.

SUMÁRIO

As desvantagens acima podem ser

superadas ao se proporcionar, de acordo com um aspecto da invenção, segmentos do rotor e do estator para um aparelho gerador e motor. O aparelho inclui: um par de segmentos do estator, intercalados, paralelos, em que cada segmento do estator compreende um enrolamento do estator; e um segmento do rotor acoplado deslizavelmente ao par de segmentos do estator, em que o segmento do rotor compreende um ímã e é dimensionado para se encaixar entre os segmentos do estator, intercalados, paralelos. O aparelho pode incluir ainda uma estrutura de suporte, em que o segmento do rotor é acoplado deslizavelmente com à estrutura de suporte e o segmento do estator é fixado à estrutura de suporte. O segmento do rotor pode ser dimensionado para se encaixar entre os segmentos do estator sem contatar os segmentos do estator. O ímã pode ser um ímã permanente. Quando o segmento do rotor está entre os segmentos do estator, o ímã pode ser orientado de modo que um pólo Norte do ímã fique adjacente aos segmentos do estator e um pólo Sul do ímã fique adjacente ao outro um dos segmentos do estator. Quando o segmento do rotor está entre os segmentos do estator, o ímã pode ser angulado com relação ao enrolamento do estator em um ângulo oblíquo.

O aparelho pode incluir um mancai para acoplar deslizavelmente o segmento do rotor com a estrutura de suporte.

A estrutura de suporte pode incluir um cubo. O cubo pode ter um orifício interno através do qual um fluido tal como água ou ar pode passar. O par de segmentos do estator pode ser fixado a uma superfície externa do cubo. O segmento do rotor pode ser deslizavelmente acoplado à superfície externa do cubo. O mancai pode estar localizado entre o segmento do rotor e a superfície externa do cubo.

A estrutura do suporte pode incluir um aro. O par de segmentos do estator pode ser fixado a uma superfície interna do aro. O segmento do rotor pode ser deslizavelmente acoplado à superfície interna do aro. O mancai pode ser localizado entre o segmento do rotor e a superfície interna do aro. Cada segmento do rotor pode ser encapsulado em um material encapsulante. Cada segmento do estator pode ser encapsulado em um material encapsulante. O material encapsulante pode ser de plástico, resina ou de outro material, incluindo material adequado para vedar hermeticamente os componentes eletrônicos. O material encapsulante pode ser um material de baixo atrito.

O segmento do estator pode incluir uma braçadeira para fixar o segmento do estator à estrutura de suporte. Pelo menos uma porção da braçadeira pode ser encapsulada dentro do material encapsulante. A braçadeira pode incluir uma ou mais aberturas para receber prendedores tais como parafusos de porca, pinos, varetas, pregos ou parafusos, respectivamente.

O segmento do estator pode incluir um núcleo do estator para suportar o enrolamento do estator. O núcleo do estator pode incluir uma projeção central disposta dentro do enrolamento do estator. O núcleo do estator pode incluir projeções laterais dispostas em cada lado do enrolamento do estator. O segmento do estator pode incluir uma pluralidade de enrolamentos do estator e o núcleo do estator pode incluir uma pluralidade de projeções intercaladas disposta dentro da pluralidade de enrolamentos do estator. O núcleo do estator pode ser feito de um material magnético ou ferromagnético. O núcleo do estator pode ter uma superfície curvada. O núcleo do estator pode ter superfícies planas unidas em ângulos retos ao longo das bordas retas. O enrolamento do estator pode ter duas extremidades terminais. O segmento do estator pode incluir um par de terminais conectado às extremidades terminais, respectivamente. Um enrolamento do estator de um do par de segmentos do estator pode ser eletricamente conectado em uma extremidade terminal deste a uma extremidade terminal de um enrolamento do estator do outro par de segmentos do estator.

O segmento do estator pode incluir um componente elétrico de saída eletricamente conectado ao enrolamento do estator. O componente elétrico de saída pode ser disposto dentro do material encapsulante. O componente elétrico de saída pode ser um capacitor. O capacitor pode ser um capacitor de corrente alternada (CA). O capacitor de CA pode ser operável para compensar um fator de potência da saída do gerador. O capacitor pode ser um capacitor de corrente contínua (CC). O capacitor de CC pode ser operável para reduzir ondulação de uma forma de onda de voltagem retificada. O componente elétrico de saída pode ser um diodo. O segmento do estator pode incluir um par de diodos conectado ao enrolamento do estator de modo a retificar a saída de CA do segmento do estator. O segmento do estator pode incluir um par de diodos disposto para formar uma ponte de diodo para retificar a saída de CA para gerar uma saída contínua. O par de diodos pode ser disposto dentro do material encapsulante.

O aparelho pode incluir um circuito

retificador para retificar a saída de CA do aparelho para gerar uma saída de CC. O aparelho pode incluir um inversor para produzir uma potência de CA em uma freqüência desejada e voltagem de CA da saída de CC gerada. O aparelho pode incluir um conversor de CA-CC para converter de uma primeira voltagem de CC em uma segunda voltagem de CC diferente da primeira voltagem de CC.

O aparelho pode incluir uma pluralidade dos pares de segmentos do estator intercalados, paralelos. A pluralidade de pares pode ser fixada a uma estrutura de suporte em alinhamento substancialmente longitudinal, inclusive estando deslocado longitudinalmente com respeito um ao outro e/ou em alinhamento circunferencial ou tangencial, formando, assim, um canal entre os segmentos do estator opostos de pares respectivos. O segmento do rotor pode ser operável para se mover através do canal em uma primeira direção. O segmento do rotor pode ser operável para se mover através do canal em uma segunda direção oposta à primeira direção. O segmento do rotor pode ser dimensionado para se mover através do canal sem contatar qualquer segmento do estator. O enrolamento do estator de cada segmento do estator da pluralidade de segmentos do estator pode ser angulado com relação à primeira direção. Os segmentos do estator podem ser conectados à estrutura de suporte e/ou conectados um ao outro para formar um estator tendo uma circunferência externa. O canal pode ser um canal circunferencial fechado disposto tangencialmente ao longo ou adjacente à circunferência externa do estator. O aparelho pode incluir um par de vedações disposto entre o segmento do rotor e o par de segmentos do estator em cada lado do segmento do rotor. O par de vedações pode ser operável para manter um lubrificante dentro do canal entre o segmento do rotor e o par de segmentos do rotor. O segmento do rotor pode ser deslizável com relação ao par de vedações. O segmento do estator pode ser deslizável com relação ao par de vedações.

O aparelho pode incluir uma lâmina fixada ao segmento do rotor, e em que a lâmina é operável para fazer com que o segmento se mova através do canal quando a lâmina é submetida à força de um fluxo de fluido, inclusive fluxo de água ou de ar. A lâmina pode ser fixada a um lado do segmento do rotor adjacente oposto ao mancai. A lâmina pode ser fixada um lado do segmento do rotor adjacente à vedação.

O aparelho pode incluir uma pluralidade de segmentos do rotor deslizavelmente acoplados à estrutura de suporte e alinhados de modo substancialmente longitudinal, sendo, inclusive, longitudinalmente deslocados com respeito um ao outro e/ou circunferencial ou tangencialmente alinhados, formando, assim, um trem de segmentos do rotor operável para movimento através do canal. O trem pode ser operável para movimento através do canal em uma primeira direção, incluindo o movimento circunferencial através do canal. O trem pode ser operável para se mover através do canal em uma segunda direção oposta à primeira direção, incluindo o movimento circunferencial através do canal. O trem pode ser operável para se mover através do canal sem qualquer contato entre um segmento do rotor e um segmento do estator. Os ímãs dos segmentos do rotor adjacentes do trem podem ter orientações em oposição. O trem pode formar um circuito sem fim para movimento dentro de um canal fechado. Os segmentos do rotor podem ter, cada um, uma configuração quadrada, geralmente retangular ou arqueada, e o trem pode ter geralmente uma configuração circular, inclusive a configuração anular. O aparelho pode incluir uma pluralidade de trens anulares intercalados, paralelos, que podem ser axialmente dispostos um com relação ao outro.

O aparelho pode incluir um dispositivo de partida para proporcionar torque adicional para girar o segmento do rotor durante a partida inicial. O dispositivo de partida pode incluir um par de hastes, intercaladas, paralelas ou cabos se estendendo paralelos a e ao longo do trem dos segmentos do rotor. Os cabos podem formar um circuito sem fim. O dispositivo de partida pode incluir uma pluralidade de braçadeiras intercaladas, paralelas, que se estendem entre os cabos paralelos para manter a separação entre os cabos. Os cabos e braçadeiras podem ser feitos de metal, tal como cobre, alumínio ou bronze. O par de cabos pode ficar disposto adjacente aos ímãs do trem de segmentos do rotor. O dispositivo de partida pode incluir uma pluralidade de pares de cabos intercalados, paralelos, tendo braçadeiras que se estendem entre eles. Uma máquina modular, axial, elétrica, de aro, dual, que é uma máquina síncrona de CA multifásica de baixa velocidade, modular, fluxo axial, lado duplo, rotor de ímãs permanentes, estator segmentado, transmissão direta (sem eixo de acionamento) pode ser operada como um motor elétrico ou gerador elétrico, e uma versão desta pode produzir corrente contínua.

A máquina pode ter, em algumas variações, uma configuração genericamente circular resultante das disposições geométricas das armaduras do estator (ou do núcleo do estator), e pólos de ímãs permanentes do rotor em torno das circunferências dos estator e do rotor. Em geral, o estator pode ter um número diferente de bordas externas do rotor.

Em operação (como um motor ou como um gerador), o rotor pode girar em torno de um eixo que é comum ao estator de lado duplo. Os segmentos dos ímãs permanentes do rotor podem passar em frente de, ou, de outro modo, adjacente aos segmentos da armadura do estator fixado.

O perfil das armaduras que formam os segmentos do estator pode variar de uma simples configuração em E para perfis generalizados calculados para focar otimamente as linhas de densidade de fluxo magnético induzidas pelo movimento do rotor.

Os enrolamentos das armaduras do estator podem ser conectados por cada fase em conexões paralelas, em série ou em série-paralelas. Dependendo do modo de conexão, a mesma disposição mecânica do estator e do rotor podem ser conectada a (como um gerador) ou de (como um motor) fontes de energia de diferentes voltagens nominais. Em geral, os enrolamentos das armaduras do estator são deixados desacoplarem um do outro, térmica e magneticamente. As máquinas de CA multifásicas podem ter também seus enrolamentos de fase desacoplados magnética ou termicamente. Essa característica de desacoplamento intensifica a tolerância à falha da máquina, e permite que redundância seja construída na máquina de modo que a máquina pode ser operada com um grau de redundância desejado.

A construção tolerante à falha modular das máquinas elétricas apresenta benefícios significativos, tais como: (i) uma máquina pode ser montada a partir das submontagems do segmento do estator pré-enrolado, que é conducente à fabricação de baixo, alto volume; (ii) já que os enrolamentos de fases são essencialmente isolados, magnética, térmica e fisicamente, sua tolerância à falta é significantemente maior, que é uma consideração principal para aplicações críticas ao ambiente, tal como potência de extração de correntes da maré. Em geral, é possível operar a máquina com um número de enrolamentos de armaduras eletricamente desacopladas (ou danificadas) em fases diferentes.

Os estatores da máquina podem incorporar também capacitores para compensação do fator de potência, que aperfeiçoam a potência ativa distribuível (ou recebida) para os terminais da máquina. A incorporação dos capacitores de compensação do fator de potência é operável para compensar as armaduras de estatores individuais ou grupos deles.

O número de armaduras, o número de fases (no caso de uma máquina de CA), o número de pólos de ímãs permanentes, a taxa de conversão de velocidade angular mecânica, que pode ser expressa em rotações ou revoluções por minuto, na freqüência de uma saída de CA, e o posicionamento geométrico e os tamanhos de armaduras e pólos sobre o estator e rotor de lado duplo, respectivamente, podem ser magneticamente relacionados de acordo com fórmulas.

A máquina é dual. Assim, em uma configuração de equipamento de estator e rotor dual similares, ambos os sistemas de conversão eletromagnética de CA (inclusive CA multifásica) ou CC podem ser acomodados em suas diferentes versões. A versão de CC da máquina pode compreender capacitores de filtro de CC, que podem ser incorporados de um modo similar à integração dos capacitores de compensação do fator de potência na versão de CA da máquina. As forças cogging, e perda de potência

associada potencialmente durante a operação da máquina devido à inclusão de ímãs permanentes na máquina, podem ser reduzidas, tal como por inclinação do ímã com respeito às suas posições radiais indexadas ao longo da circunferência do rotor. A inclinação pode ser assimétrica. A máquina pode incluir um rotor híbrido combinando as características de partida de uma máquina assíncrona (torque de partida em linha) e uma máquina síncrona (torque de partida em zero), de modo a eliminar a necessidade por algoritmos complicados e/ou a incorporação de sofisticados produtos eletrônicos de potência, que podem de outro modo aumentar os custos de tal máquina síncrona de ímãs permanentes sem torque de partida e reduzir sua confiabilidade ou, em alguns casos, sua utilidade. O rotor híbrido pode incluir ímãs permanentes (excitação síncrona) e invólucros de aro (excitação assíncrona) interdispersos ao longo da circunferência do rotor. Na seção transversal do aro do rotor, a posição relativa dos invólucros do aro e ímãs permanentes pode variar em versões diferentes da máquina. Os invólucros de aro podem incluir seções lineares, arqueadas ou planares formadas por barras radiais que se estendem entre dois anéis concentricamente dispostos, em que tais peças podem ser feitas de materiais eletricamente condutores. Em uma modalidade exemplificativa, um máquina de lado duplo e fluxo axial inclui dois aros de partida assíncronos, cada um dos quais está associado a um lado da modalidade. Os aros do enrolamento assíncrono são concêntricos a e incorporados ao rotor de ímãs permanente, que proporciona o caráter síncrono à modalidade. Adicional ou alternativamente, o posicionamento relativo diferente (inclusive inclinação) dos enrolamentos do aro e a excitação dos ímãs permanentes dentro do mesmo rotor compósito podem estar presentes na modalidade. Os dois aros de partida assíncronos podem ser setorizados ao longo da circunferência da máquina. Peças da circunferência do rotor podem ser equipadas com os aros de partida e outras peças do mesmo ou de diferente rotor.

A máquina pode ter uma transmissão direta

(sem eixo de acionamento) e, em versões diferentes, mancais podem agir no aro do rotor e no aro do estator de lado duplo ou na caixa que encerra o estator. Uma máquina de aro de transmissão direta é conceitualmente diferente de uma máquina acionada por eixo.

Em ambientes fluidos, a máquina pode integrar um ou mais mancais lubrificados com o estator e rotor compósitos (que incluem as armaduras e as excitações, respectivamente). A máquina é adequada para aplicações de

alta velocidade (e alto torque) e diâmetro grande. A característica modular da máquina enfrenta o desafio de fabricar uma máquina de diâmetro grande. Ambos o estator e o rotor de lado duplo podem ser construídos a partir de peças de estator modular e peças de rotor modular. Cada estator modular pode incluir um número especificável de elementos de circuito, tais como armaduras, cabos, capacitores de compensação de fator de potência. Cada peça do rotor modular pode incluir um número especificável de ímãs permanentes e/ou circuitos de invólucros de aro. As peças de o estator modular e o rotor modular podem ser fabricadas independentemente com certa tolerância (típica para o diâmetro da máquina) e então mecanicamente montados juntos para proporcionar a máquina inteira. Interconectividade elétrica entre as peças de o estator modular pode ser feita depois da montagem final do estator, bem como quanto às peças de o rotor modular do rotor.

Uma versão de uma máquina de diâmetro muito grande operando em velocidades muito baixas pode multiplicar localmente (em torno das posições dadas dos aros (fixados) do estator e (móveis) do rotor (móveis)) a freqüência elétrica resultante da velocidade angular mecânica muito baixa. Essa característica pode ser obtida pelo uso de um grande número das pequenas armaduras agrupadas em cada setor circular do aro do estator (e ímãs permanentes menores correspondentes sobre o aro do rotor), em vez de usar somente uma armadura (e/ou, ímã permanente) por setor do aro.

Uma modalidade exemplar da máquina pode ser usada para extrair energia das ondas oceânicas. Nessa versão, um gerador de aro de transmissão direta (sem eixo) compreendendo uma pista magnética no aro do rotor e bobinas do estator fixas no gabinete da máquina converte a força mecânica das lâminas de uma turbina em energia elétrica. O aro do rotor é conectado às pontas das lâminas. As bobinas do estator dispostas em um estator de lado duplo separadas do aro do rotor por uma fenda com água. O mesmo estator de lado duplo suporta o sistema de manca desta versão de gerador de turbina de maré. Uma outra modalidade exemplar da máquina é um gerador de diâmetro grande, de baixa velocidade, adaptado para extrair energia do vento e para sua conversão em energia elétrica. De acordo com essa modalidade, uma turbina eólica pode ser construída no aro de um cubo tendo um orifício central com lâminas fixadas no lado de fora do gabinete do gerador de aro. O orifício aperfeiçoa a eficácia das lâminas. Uma construção possível dessa disposição de turbina pode incluir mancais, gerador, nacela e uma torre. Uma versão da modalidade da turbina eólica tendo nacela grande e sem orifício central pode proporcionar espaço adicional na nacela para o equipamento, tal como equipamento condicionador de energia.

A inclusão de estatores segmentados pode resultar em vantagens específicas na fabricação e na manutenção, inclusive vantagens para aplicações de baixa velocidade, de diâmetro grande.

A característica de transmissão direta (sem eixo de acionamento) pode ser implementada em uma máquina usando mancais (de tipos diferentes) dispostos na estrutura do estator e do rotor. As vantagens de transmissão direta incluem tornar possível o uso da configuração axial de lado duplo em aplicações onde o uso do eixo não é possível ou não desejado devido a desafios estruturais. O uso da característica da transmissão direta (sem eixo de acionamento), incluindo o uso das características de transmissão direta em máquinas de diâmetro grande, permite (por fragmentação do estator) aplicações em baixa velocidade e alto torque para operar em freqüência elétrica de grade, e em vários níveis de voltagem através dos terminais da máquina e corrente através dos enrolamentos do estator.

Desacoplamento (modularidade) pode ser obtido por proporcionar cada fase independente da outra, e pode se obtido proporcionando-se as peças individuais de uma fase (por exemplo, armaduras conectadas em paralelo) independente uma da outra.

Outros aspectos e características da presente invenção tornar-se-ão aparentes para aqueles com conhecimento ordinário da técnica mediante revisão da seguinte descrição de modalidades específicas da invenção em conjunto com as figuras acompanhantes.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

Nos desenhos, que ilustram a título de exemplo somente modalidades da invenção:

A Figura 1 é uma vista em perspectiva de um segmento do rotor disposto entre um par de segmentos do estator e deslizavelmente acoplado a uma estrutura de suporte de acordo com uma primeira modalidade da invenção, mostrando, em corte, um ímã disposto dentro do segmento do rotor e um conjunto de enrolamento do estator dentro de cada segmento do estator;

A Figura 2 é uma vista frontal de um gerador de aro que incorpora o segmento do rotor e o par de segmentos do estator mostrado na Figura 1, mostrando um dispositivo de partida;

A Figura 3 é uma vista seccional do gerador de aro mostrado na Figura 2 ao longo das linhas III-III, que exibem o segmento do rotor disposto entre o par de segmentos do estator;

A Figura 4 é uma vista em perspectiva de um gerador de turbina eólica que incorpora o segmento do rotor e o par de segmentos do rotor mostrado na Figura 1, exibindo um cubo do suporte da lâmina tendo um furo traspassante;

A Figura 5 é uma vista seccional do gerador de turbina eólica mostrado na Figura 4 ao longo das linhas V-V, mostrando o segmento do rotor disposto entre o par de segmentos do rotor;

A Figura 6 é uma representação em bloco e esquemática de conexões elétricas de um gerador de CA que incorpora o segmento do rotor e o par de segmentos mostrado na Figura 1, mostrando ímãs adjacentes orientados para polaridades opostas;

A Figura 7 é uma representação em bloco e esquemática de conexões elétricas de um gerador de CC que incorpora o segmento do rotor e o par de segmentos do estator mostrado na Figura 1, mostrando um retificador de par de diodos e um capacitor de filtro;

A Figura 8 é uma representação em bloco e esquemática de conexões elétricas de um gerador de CC que incorpora o segmento do rotor e o par de segmentos do estator mostrado na Figura 1, mostrando uma retificação de ponte de diodo e um supercapacitor;

A Figura 9 é uma representação em bloco e esquemática de conexões elétricas de um gerador de CC que incorpora o segmento do rotor e o par de segmentos do estator mostrado na Figura 1, exibindo o mesmo conjunto de enrolamento do estator para cada segmento do estator do par de segmentos do estator; e A Figura 10 é um vista seccional em

perspectiva de um segmento do rotor disposto entre um par de segmentos do estator de acordo com uma segunda modalidade da invenção, mostrando uma vedação e lubrificante para acoplamento deslizável do segmento do rotor ao segmento do estator.

DESCRIÇÃO DETALHADA

Com referência à Figura 1 e de acordo com uma primeira e preferida modalidade da invenção, em um aparelho de gerador e motor, um segmento do rotor 10 é mostrado disposto entre um par de segmentos do estator intercalados, paralelos 14. Mancais 16 são posicionados entre o segmento do rotor IOe uma estrutura de suporte 18. Os mancais 16 permitem que o segmento do rotor 10 se mova com relação aos segmentos do estator 14 nas direções indicadas pelas setas 20 e 21. A Figura 1 mostra os segmentos do estator 14 não fixados a e separados da estrutura de suporte 18. Contudo, uma braçadeira do estator 22 se estende de cada segmento do estator 14 para fixação do segmento do estator 14 à estrutura de suporte 18. A braçadeira 22 pode incluir aberturas 14 pare receber um ou mais prendedores, tal como o prendedor 26 mostrado na Figura 1, ou outras técnicas ou métodos de fixação podem ser usados para fixar o segmento do estator 14 à estrutura de suporte 18. Quando os segmentos do estator 14 são fixados à estrutura de suporte 18, a dimensões da estrutura de suporte 18 permitem que o segmento do rotor 10 se encaixe entre os segmentos do estator 14 sem contatar qualquer segmento do estator 14. Em aplicações típicas que incorporam o segmento do rotor 10 e os segmentos do estator 14, que são ainda descritos abaixo, o segmento do rotor se encaixa radial e axialmente entre os segmentos do estator 14.

O segmento do estator 10 inclui um ímã 28, que é tornado visível por um corte ilustrado na Figura 1 e é preferivelmente um ímã permanente. O ímã 28 é preferivelmente circundado por um material não magnético tal como plástico, borracha, resina encapsulante, material de baixo atrito, ou uma combinação destes. O ímã 28 pode ser encapsulado dentro do segmento do rotor 10, incluindo vedar hermeticamente o ímã 28 dentro do segmento do rotor 10. A título de exemplo de encapsulação, uma bolsa pode ser formada no segmento do rotor para receber o ímã 28 através de uma extremidade aberta da bolsa; uma cobertura pode fechar a extremidade aberta da bolsa para formar um invólucro que circunda o ímã 28; e um processo de formação de saco a vácuo pode ser usados para vedar a cobertura de modo a encapsular o ímã 28 dentro do segmento do rotor 10. Contudo, outras técnicas de encapsulação podem ser usadas.

O segmento do rotor 10 pode incluir dispositivos para conectar mecanicamente o segmento do rotor 10 aos outros componentes mecânicos. Por exemplo, uma braçadeira do rotor 30 incluindo as aberturas da braçadeira do rotor 32 pode ser fixada a, ou formada integralmente com, o segmento do rotor 10, conforme ilustrado na Figura 1. Contudo, outras técnicas de fixação podem ser usadas, incluindo recessos rosqueados no segmento do rotor 10 para aceitar a extremidade de um prendedor rosqueado, por exemplo.

O segmento do rotor 10 é mostrado na Figura 1 como tendo um comprimento indefinido para acomodar uma pluralidade de ímãs 28 dispostos adjacentemente e se estendendo em geral longitudinalmente, inclusive sendo longitudinalmente deslocados com respeito uma ao outro, dentro do segmento do rotor 10. Cada ímã 28 é preferivelmente orientado de modo que um pólo Norte do ímã 28 fique adjacente a um segmento do estator 14 do par 12 e um pólo Sul do ímã oposto ao pólo Norte fique adjacente ao segmento do estator 14 do par 12. Preferivelmente, os ímãs 28 adjacentes dentro de um dado segmento do rotor 10 têm orientações opostas de modo que as orientações polares de cada lado oposto do segmento do rotor 10 se alternem entre Norte e Sul. Cada segmento do estator 14 inclui um conjunto de enrolamento do estator 34, pelo menos uma porção que é tornada visível através dos cortes ilustrados na Figura 1. O conjunto de enrolamento do estator 34 compreende uma bobina ou enrolamento do estator 36 e é mostrado na Figura 1 como também incluindo um núcleo do estator 38 tendo uma projeção 40 disposta dentro do enrolamento do estator 36. O núcleo do estator 38 é feito preferivelmente de um material magnético, que pode ser um material ferromagnético, para aumentar a indutância do enrolamento do estator 36. Uma indutância aumentada pode permitir vantajosamente uma distância maior entre o ímã 28 e o enrolamento do estator 36. Na primeira modalidade, o enrolamento do estator 36 é enrolado de um fio simples tendo duas extremidades terminais 42 a 43, embora um número múltiplo de fios possa ser adicionalmente usado em cada conjunto de enrolamentos do estator 34.

O conjunto de enrolamento do estator 34 é preferivelmente circundado por um material não magnético tal como plástico, borracha, resina encapsulante, material de baixo atrito, ou uma combinação destes, e pode ser encapsulado dentro do segmento do estator 14, inclusive sendo hermeticamente vedado dentro do segmento do estator 14. Uma porção da braçadeira do estator 22 pode ser também encapsulada dentro do segmento do estator 14, e a braçadeira 22 pode ser fixada ao segmento do estator 14 por encapsulação deste. Adicional ou alternativamente, a braçadeira 22 pode ser integral a ou formado do material que circunda o conjunto de enrolamento do estator 34. A estrutura de suporte 18 é dimensionada para permitir a fixação dos segmentos do estator 14 à estrutura do suporte 18 de modo que o segmento do rotor 10 é deixado se mover ao longo das direções 20 e 21.

Na primeira modalidade, o conjunto de enrolamento do estator 34 também inclui preferivelmente um ou mais componentes elétricos e eletrônicos conectados eletricamente ao enrolamento do estator 36 tal como o capacitor de fator de potência 44 eletricamente conectado às extremidades terminais 42 e 43 e encapsulado dentro do segmento do estator 14. Integrando-se tal um ou mais componentes eletrônicos no segmento do estator 14 reduz vantajosamente a complexidade e custo dos diversos dispositivos aos quais o segmento do estator 14 pode ser eletricamente conectado.

O um ou mais componentes elétricos podem estar localizados em qualquer lugar dentro do segmento do estator. A título de exemplo, a Figura 1 mostra um capacitor de fator de potência 44 ao lado do núcleo do estator 38 oposto ao enrolamento do estator 36, e um capacitor de fator de potência 44 ao lado do núcleo do estator 38 em uma extremidade do enrolamento do estator 36. Outras posições para o capacitor do fator de potência 44 ou outros componentes elétricos ou eletrônicos dispostos dentro do segmento do estator 14 são possíveis. O capacitor de fator de potência 44 pode ser qualquer capacitor compatível com corrente alternada (CA) e tendo uma quantidade de voltagem suficientemente alta para assegurar desempenho confiável. Por exemplo, o capacitor de fator de potência 44 pode ser um capacitor eletrolítico, incluindo um capacitor eletrolítico seco. Capacitores que incluem eletrólito líquido em quantidades suficientes para danificar o material de encapsulação do segmento do estator 14 se vazados não devem, de preferência, ser usados. Integrando-se o capacitor de fator de potência 44 em um dado segmento do estator 14 pode reduzir, de modo vantajoso, a perda de poetência elétrica entre o segmento do estator 14 e os dispositivos externos aos quais o segmento do estator 14 pode ser eletricamente conectado.

O segmento do estator 14 é mostrado na Figura 1, como tendo um comprimento indefinido para acomodar uma pluralidade de conjuntos de enrolamento do estator 34, adjacentemente disposto e geralmente se estendendo longitudinalmente, sendo inclusive deslocado longitudinalmente com respeito um ao outro, dentro do segmento do estator 14. Os enrolamentos do estator 36 de diferentes conjuntos de enrolamento do estator 34 são preferivelmente pelo menos de forma substancialmente magnética desacoplados um do outro. Diferentes conjuntos de enrolamento do estator 34, e diferentes enrolamentos do estator 36 podem ser eletricamente conectados um ao ou outro, tal como, por exemplo, conectados em série ou em paralelo. Os enrolamentos do estator 36 magneticamente desacopláveis de diferentes conjuntos de enrolamento do estator 34 reduz ou elimina vantajosamente a sensitividade, nas modalidades da invenção, a alterações no material e tipo de material localizado entre os enrolamentos do estator 36 desacoplados, inclusive reduzindo ou eliminando a sensitividade a alterações no dielétrico dos materiais localizados entre os enrolamentos do estator 36 desacoplados, intensificando a eficácia das modalidades da invenção quando usadas em vários ambientes diferentes, incluindo ambientes nos quais as modalidades da invenção estão integralmente imersas em água, incluindo água do mar ou do oceano possivelmente em presença de planta ou outra vida marinha. Por conseguinte, durante as condições de falha, tal como resistência ao isolamento limitado ou zero entre um ou mais enrolamentos do estator 36 magneticamente desacoplados e o ambiente (por exemplo, terra elétrica), é obtido um impacto mínimo na voltagem de saída total e potência de saída total. Os enrolamentos do estator 36 magneticamente desacopláveis de diferentes conjuntos de enrolamento do estator 34 também minimiza vantajosamente as exigências de isolamento para condutores que formam conexões elétricas nas modalidades da invenção.

Quando os segmentos do estator 14 são fixados à estrutura de suporte 18 e o segmento do rotor 10 se move entre os segmentos do estator 14 em qualquer direção 20 ou 21 ao longo da estrutura de suporte 18, uma corrente elétrica é induzida nos enrolamentos do estator 36, gerando, assim, energia elétrica a partir do movimento mecânico. Se uma corrente elétrica é passada através dos enrolamentos do estator 36 em uma dada direção, uma força magnética opera sobre o ímã 28 para impelir o movimento do segmento do rotor 10 em uma direção correspondente, tal como, por exemplo, a direção 20. Uma corrente elétrica passando através dos enrolamentos do estator 36 na direção oposta impele o movimento do segmento do rotor 10 na direção oposta, tal como, por exemplo, direção 21. Assim, a primeira modalidade da invenção é operável como um gerador e um motor. A referência feita aqui a um gerador será entendida como incluindo referência a um motor.

Com referência às Figuras 2 e 3, a estrutura de suporte 18, a título de exemplo de uso do segmento do rotor 10 e do segmento do estator 14, é um aro 46. O aro 46 e outros componentes descritos abaixo formam um gerador de aro 48 para gerar eletricidade. O gerador de aro 48 pode ser adequadamente usado para gerar energia elétrica de CA ou de corrente contínua (CC) a partir do movimento mecânico de um meio fluido tal como água ou ar. Por exemplo, o gerador de aro 48 pode estar localizado sob a superfície do oceano, rio ou outro corpo de água em presença de um fluxo de corrente de água. O gerador de aro 48 é também um motor e pode ser adequadamente usado como um ventilador ou bomba de água, por exemplo. A localização do gerador de aro 48 em presença de um fluxo de corrente de água permite, vantajosamente, que a água flua para resfriar o gerador de aro 48 e os componentes deste, tais como os segmentos do estator 14.

O gerador de aro 48, como ilustrado, inclui uma pluralidade de segmentos do rotor 10 acoplada ao aro 46 por mancais 16, e uma pluralidade de pares 12 dos segmentos do estator 14 ligada ao aro 46 por prendedores 26. Para cada par 12 de segmentos do estator 14, somente um segmento do estator 14 está visível na Figura 2. A Figura 3 mostra uma seção transversal de uma porção do gerador de aro 48 ao longo das linhas III-III do gerador de rim 48 mostrado na Figura 2.

É entendido que o número de segmentos do rotor 10 e de pares 12 de segmentos do rotor mostrados nas Figuras 2 e 3 seja meramente ilustrativo de uma modalidade da presente invenção. As Figuras descritas aqui não estação necessariamente desenhadas em escala.

Cada segmento do rotor 10 é fixado a um anel anular 50 para formar um rotor anular 52. Uma ou mais lâminas 54 são fixadas ao anel anular 50 em seu lado voltado para dentro. As lâminas 54 podem ser conectadas juntas no centro do anel anular 50, ou podem se conectar a uma estrutura de suporte de lâmina, tal como o cubo 56 mostrado na Figura 2. Uma corrente de fluxo de fluido 58 entrando na entrada 60 do gerador de aro 48 flui para além das lâminas 54 para uma saída (não mostrada). A corrente fluida 58 faz com que as lâminas 54 girem, o que, sucessivamente, reduz a energia da corrente fluida 58. Quando as lâminas 54 são giradas, o anel anular 50 e os segmentos do rotor 10 giram radialmente em torno do eixo central do gerador de aro 48, com relação ao aro estacionário 46 e os segmentos do estator 14. O movimento dos segmentos do rotor 10 para além dos segmentos do estator 14 gera eletricidade da maneira previamente descrita.

A natureza segmentada do rotor 52 facilita vantajosamente a fabricação, o transporte e a montagem do gerador de aro 48 e de seus componentes por permitir que os segmentos do rotor 10 sejam, individualmente, fabricados, testados, e expedidos próximos a um local de desenvolvimento, para a montagem final. Similarmente, os segmentos do estator 14 podem ser fabricados, testados e montados individualmente. Além disso, a manutenção e o reparo são facilitados pela possibilidade de remover, instalar e/ou substituir segmentos do rotor 10 individuais e/ou segmentos do estator 14 individuais. A natureza segmentada dos componentes do segmento do rotor 10 e do segmento do estator 14 facilita, de forma vantajosa, a montagem de um gerador e/ou de um motor tendo uma distância desejada entre os ímãs 28 e os enrolamentos do estator 36, assim permitindo, vantajosamente, que a distância entre os ímãs 28 e os enrolamentos do estator 36 seja selecionada para eficácia de energia ótima.

A natureza segmentada do rotor 52 facilita vantajosamente a fabricação, o transporte e a montagem dos geradores e motores de diâmetro grande, incluindo geradores e motores tendo um ou mais rotores 52, cujos diâmetros são maiores que um (1) metro (aproximadamente 3 pés e 3 polegadas). A capacidade de fabricar, transportar e montar geradores de um ou mais rotores de diâmetro grande, tal como o rotor 52, permite vantajosamente um aumento do número de ímãs, tais como os ímãs 28, que se encaixam ao longo da circunferência do rotor, que permite vantajosamente um aumento da freqüência elétrica da saída do gerador para uma dada velocidade rotacional do gerador e/ou permite vantajosamente um decréscimo de a velocidade rotacional do gerador necessária para resultar em uma dada freqüência elétrica da saída do gerador.

Na modalidade exemplar mostrada na Figura 2, a forma do aro 46 da estrutura de suporte 18 elimina vantajosamente qualquer necessidade do gerador de aro 48 incluir um eixo central. Assim, o cubo 56 pode ter um orifício central 62 que se estende longitudinalmente através dele a partir da entrada 60 para a saída (não mostrada) do gerador de aro 48. Uma corrente de fluxo de fluido central 64 através do orifício central longitudinal 62 pode aumentar, de modo vantajoso, a eficácia do gerador de aro 48 por redução da turbulência a jusante da saída do gerador de rim 48, onde a corrente fluida 58 reencontra a corrente de fluxo de fluido do ambiente, mais rápida, compreendendo a corrente central 64 e o exterior do fluxo de fluido para o gerador de aro 48 (cujas correntes fluidas não tenham sido desacelaradas por impacto com as lâminas 54).

O gerador de aro 48 é preferivelmente adequado para geração elétrica síncrona e pode incluir um dispositivo de partida para fornecer torque adicional para girar os segmentos do rotor 10 durante a partida inicial. Na modalidade exemplar mostrada nas Figuras 2 e 3, o dispositivo de partida inclui o invólucro do rotor 66. O invólucro do rotor 66 inclui uma pluralidade de condutores elétricos paralelos, intercalados fixados ao rotor anular 52. O invólucro do rotor 66 exemplar é formado de uma placa anular feita de metal eletricamente condutor, tal como cobre, bronze, alumínio ou um material compósito e tendo uma pluralidade de cortes geralmente retangulares ou arqueados intercalados ao longo da placa anular do invólucro do rotor 66. Os cortes formam, no invólucro do rotor 66, fios 68 que se estendem circularmente, intercalados, paralelos e braçadeiras 70 intercaladas, paralelas, que se estendem entre os fios 68 para suportar e manter a separação entre os fios 68. O invólucro do rotor 66 pode incluir uma pluralidade de tais placas anulares, incluindo um par de placas anulares (vide Figura 3) disposto em cada lado dos segmentos do rotor 10, por exemplo. Embora não esteja inteiramente mostrado na Figura 2, cada fio 68 do invólucro do rotor 66 preferivelmente se estende em volta d circunferência inteira do rotor anular 52 para formar um circuito sem fim. Similarmente, as braçadeiras 70 são preferivelmente dispostas em intervalos em torno da circunferência inteira do rotor anular 52. Outras técnicas para auxiliar o movimento inicial dos segmentos do estator 10 podem ser usadas. Por exemplo, o invólucro do rotor 66 pode ser feito de fios ou hastes conectados juntos em vez de cortes estampados em uma placa anular. A Figura 2 mostra uma ilustração do corte de uma porção interior de um segmento do rotor 10, mostrando ímãs 28 dispostos em um ângulo oblíquo relativo à configuração do segmento do rotor 10 e, consequentemente, relativo às posições dos enrolamentos do estator 36 dentro dos segmentos do estator 14. Inclinar o ímã 28 pode reduzir vantajosamente o torque cogging resultante do movimento dos segmentos do rotor 10 com relação aos segmentos do estator 14. Diferentes segmentos do rotor 10 podem incluir uma pluralidade de ímãs 28 angulados no mesmo ângulo oblíquo ou em ângulos oblíquos diferentes. Os imãs 28 de diferentes segmentos do rotor 10 podem ser angulados no mesmo ângulo oblíquo ou em ângulos oblíquos diferentes. Todos os ímãs 28 dentro de um gerador de aro 48 podem ser inclinados no mesmo ângulo.

Em algumas modalidades, os mancais 16 estão localizados diferentemente do mostrado nas Figuras 2 e 3. Por exemplo, o rotor 52 pode ser suportado em mancais localizados adjacentes ao anel anular 50. Em algumas modalidades, os segmentos do rotor 10 são fixados à estrutura de suporte 18 e deslizavelmente acoplados por mancais ao anel anular 50, e os segmentos do estator 14 são fixados ao anel anular 50 e deslizavelmente acoplados à estrutura de suporte 18 de modo que a rotação do anel anular 50 faz com que os segmentos do rotor 14 se movam para além dos segmentos do rotor 10 fixados, por exemplo. É entendido que a disposição e localização dos mancais das modalidades descritas e ilustradas aqui são apenas exemplos. Outras modalidades tendo várias disposições mecânicas de os mancais 16, os segmentos do rotor 10, os segmentos do estator 14 e a estrutura de suporte 18 ocorrerão para aqueles versados na técnica e são contemplados dentro do escopo da presente invenção.

Com referência às Figuras 4 e 5, a estrutura de suporte 18 pode incluir um pedestal 72 e nacela 74 para suportar o gerador ou motor que incorpora o segmento do rotor 10 e o par 12 dos segmentos do estator 14. Por exemplo, o pedestal 72 e nacela 74 podem suportar o gerador de turbina eólica 76 ilustrado na Figura 4. A Figura 5 mostra um seção transversal ao longo das linhas V-V do gerador de turbina eólica mostrado na Figura 4.

O segmento do rotor 10 de acordo com a primeira modalidade está disposto entre o par 12 dos segmentos do estator 14, também de acordo com a primeira modalidade. O segmento do rotor 10 inclui pelo menos um ímã 28 e está fixado em uma extremidade deste a um cubo de suporte da lâmina 78. A Figura 5 mostra o fixador 80 do segmento do rotor 10 exemplar rosqueado em uma abertura rosqueada do segmento do rotor 10 como um técnica de fixação exemplar, contudo, o segmento do rotor 10 pode ser fixado ao cubo de suporte da lâmina 78 por qualquer técnica ou método, incluindo a melhor técnica vista nas Figuras 1 e 3. As lâminas de turbina eólica 82 são fixadas ao cubo de suporte da lâmina 78 em sua extremidade frontal. O cubo de suporte da lâmina 78 é rotacionalmente acoplada à nacela 74 pelos mancais 84, que estão exemplificados na Figura 5 como mancais do tipo rolo. Contudo, a presente invenção engloba todos os tipos e disposições dos mancais.

O par 12 de segmentos do estator 14 pode ser fixado à nacela 74 por qualquer técnica ou método de fixação adequada, inclusive pelos predendores 86 do segmento do estator exemplar mostrado na Figura 5. Cada segmento do estator 14 inclui um ou mais conjuntos de enrolamento do estator 34, cada um dos quais inclui o enrolamento do estator 36 e é mostrado na io Figura 5 como incluindo um capacitor de fator de potência 44. Adicional ou alternativamente, o conjunto de enrolamento do estator 34 pode incluir outros componentes elétricos ou eletrônicos (não mostrados). Adicional ou alternativamente, a nacela 74 pode abrigar outros componentes elétricos, mecânicos ou outros (não mostrados) para uso em ou com o gerador de turbina eólica 76.

Adicionalmente, uma pluralidade de segmentos do rotor 10 (não visíveis nas Figuras 4 e 5) pode ser adjacentemente disposta em torno do eixo longitudinal do cubo de suporte da lâmina 78 para formar um rotor anular 52, por exemplo. O gerador de turbina eólica 76 pode incluir uma pluralidade de rotores intercalados paralelos 52 (não mostrados) entre os segmentos do estator 14 de um dado par 12 ou entre os pares 12 dos segmentos do estator 14, inclusive sendo intercalados entre os segmentos do estator 14 ou pares 12 de segmentos do estator 14. Similarmente, uma pluralidade de parte 12 (não visíveis nas Figuras 4 e 5) de segmentos do estator 14 pode ser adjacentemente disposta sobre o eixo longitudinal do cubo de suporte de lâmina 78.

Quando o vento ou outra corrente de ar que flui para além do gerador de turbina eólica 76 faz com que as lâminas 82 girem, o cubo de suporte da lâmina 78 e todos os segmentos do rotor 10 fixados ao cubo de suporte da lâmina 78 também giram em relação à nacela 74 e todos os segmentos do estator 14 fixados à nacela 74. Assim, o segmento do rotor 10 é deslizavelmente acoplado ao segmento do estator 14, e os segmentos do rotor 10 fixados ao cubo de suporte da lâmina 78 são operáveis para se moverem radialmente em torno do eixo longitudinal do cubo de suporte da lâmina 78. O movimento do segmento do rotor 10 para além do segmento do estator 14 gera eletricidade do modo previamente descrito. O gerador de turbina eólica é também um motor e pode ser usado como um ventilador, por exemplo.

Como mostrado nas Figuras 4 e 5, o orifício da turbina eólica 88 se estende longitudinalmente através do cubo de suporte da lâmina 78 a partir da entrada 90 à saída 92 do cubo 78. O cubo de suporte da lâmina 78 não precisa incluir o orifício da turbina eólica 88, e adicional ou alternativamente, o gerador de turbina eólica 76 pode incluir um eixo central (não mostrado). As aplicações do gerador de turbina eólica 76 que incluem o orifício de turbina eólica 88 podem ter vantajosamente a eficácia aumentada devido à corrente descendente de turbulência reduzida da saída do cubo de suporte da lâmina 78.

Embora não ilustrado nas Figuras, o gerador de turbina eólica pode incluir, adicionalmente, um dispositivo de partida, tal como um ou mais invólucros de rotor 66, que pode ser incorporado ao gerador de turbina eólica 76 em um modo similar ou análogo àquele previamente descrito aqui com respeito ao gerador de aro 48.

A Figura 6 mostra conexões elétricas para gerar uma saída de CA de acordo com a primeira modalidade da invenção. Uma porção de um gerador e/ou motor, que poderia ser o gerador de aro 48 das Figuras 2 e 3 ou o gerador de turbina eólica 76 das Figuras 4 e 5 é, por exemplo, indicada na Figura 6. Cada segmento do rotor 10 mostrado na Figura 6 inclui o número exemplar de três ímãs 28 dispostos adjacentemente e se estendendo geralmente longitudinalmente dentro do segmento do rotor 10, de modo que as orientações polares ao longo de cada lado oposto do segmento do rotor 10 se alternem entre Norte (indicado na Figura 6 pela letra "N") e Sul (indicado na Figura 6 pela letra "S"). Cada segmento do rotor 10 é disposto entre o segmento do estator 14 de um dado par 12 em um primeiro lado 94 e o segmento do estator 14 em oposição do dado par 12 em um segundo lado 96 oposto ao primeiro lado 94.

As extremidades terminais 42 e 43 dos enrolamentos do estator 36 são conectadas eletricamente aos primeiro e segundo conectores de segmento do estator 98 e 100 para efetuar conexões elétricas externas aos segmentos do estator 14, respectivamente.

As extremidades terminais 42 e 43 do primeiro lado 94 são também conectadas ao par de terminais do capacitor de fator de potência 44, que é mostrado encapsulado dentro dos segmentos do estator 14 do primeiro lado 94 na Figura 6. Adicional ou alternativamente, outros componentes elétricos ou eletrônicos podem ser encapsulados dentro dos segmentos do estator 14 do primeiro lado 94 ou do segundo lado 96, inclusive uma pluralidade dos conjuntos de enrolamento do estator 34.

Os conectores do primeiro segmento do estator 98 do segundo lado 96 são conectados um ao outro para formarem um condutor simples, que pode ser referido como o condutor Neutro 102. Os conectores do segundo segmento do

estator 100 de cada par 12 dos segmentos do estator 14 são eletricamente conectados um ao outro, e são, preferivelmente, conectados via cabeamento elétrico 104 suportado pela estrutura de suporte 18.

Uma saída de CA 106 aparece no conector

do primeiro segmento do estator 98 de cada segmento do estator 14 do primeiro lado 94. A saída de CA 106 de diferentes pares 12 de segmentos do estator 14 podem ter a mesma ou diferente fase. No exemplo ilustrado na Figura 6, a saída de CA 106 de uma parte visível 12 de segmentos do estator 14 tem uma primeira fase 108, e a saída de CA 106 do outro par visível 12 de segmentos do estator 14 tem uma segunda fase 110. Tipicamente, as saídas de CA 106 tendo fases diferentes não são eletricamente conectadas de modo direto. Contudo, todas as saídas de CA 106 do gerador parcialmente mostrado na Figura 6, tendo a primeira fase 108, podem ser eletricamente conectadas por conexão paralela para formar a saída de CA de primeira fase 112, e todas as saídas de CA tendo a segunda fase 110 podem ser eletricamente conectadas por conexão paralela para formar a saída de CA de segunda fase 114. Nas modalidades, em que as três saídas de CA 106 tendo três fases distintas (não mostradas) são produzidas, o gerador pode ser considerado como produzindo uma saída de três fases.

A conexão paralela das saídas de CA dos pares 12 dos segmentos do estator 14 proporciona uma característica de tolerância à falha na qual a perda de potência de um par individual 12 devido à desconexão não resulta em perda total para um gerador inteiro. Confiabilidade é aperfeiçoada pela possibilidade de remover, instalar e/ou repor segmentos do rotor individuais e segmentos do rotor 10 individuais e segmentos do estator 14.

As conexões elétricas descritas aqui,

incluindo aqueles pares de conexão 12 dos segmentos do estator 14 em paralelo um com o outro, facilitam vantajosamente uma característica de autocompensação de voltagem, em que variações em saídas de CA 106 tendo uma dada fase (por exemplo, primeira fase 108, segunda fase 110 ou outra fase) são minimizadas devido à conexão dos conectores do segundo segmento do estator 100 de cada par 12 dos segmentos do estator 14. Como um dado segmento do rotor 10 passa os segmentos do estator 14 de um dado par 12, qualquer desvio mecânico a partir do centro no qual o dado segmento do rotor 10 está distante de um segmento do estator 14 do dado par 12 é correspondido pelo dado segmento do rotor 10, estando correspondentemente mais próximo do outro segmento do estator 14 do dado par 12. Uma voltagem reduzida produzida em um segmento do estator 14 do dado par 12 é compensada por uma voltagem correspondentemente aumentada produzida no outro segmento do estator 14. A conexão em série dos segmentos do estator 14 do dado par 12 resulta no dado par 12 que produz uma voltagem de saída a partir da soma de voltagens de saída produzidas por cada segmento do estator 14 do dado par 12, minimizando assim as variações entre as voltagens de saída produzidas por diferentes pares 12.

A Figura 7 mostra conexões elétricas para gerar uma saída de CC de acordo com a primeira modalidade da invenção. A porção de um gerador e/ou de um motor mostrado na Figura 6 é também mostrada na Figura 7, incluindo três ímãs 28 dispostos adjacentemente e geralmente se estendendo longitudinalmente dentro de cada segmento do rotor 10 de modo que as orientações polares ao longo de cada lado em oposição do segmento do rotor 10 se alternam entre o Norte (indicado na Figura 7 pela letra "N") e Sul (indicado na Figura 7 pela letra "S"). Cada segmento do rotor 10 está disposto entre o segmento do estator 14 do dado par 12 no primeiro lado 94 e o segmento do estator 14 em oposição do dado par 12 no segundo lado 96. Os conectores 98 e 100 são adequados para realizar as conexões elétricas externas aos segmentos do estator 14.

As extremidades terminais 42 e 43, o capacitor de fator de potência 44, o condutor Neutro 102, o cabeamento elétrico 104 são conectados similarmente em ambas as Figuras 6 e 7.

Uma saída de CA intermediária 116 (similar à saída de CA 106 mostrada na Figura 6) é produzida na extremidade terminal 42 de cada segmento do estator 14 do primeiro lado 94. A saída de CA intermediária 116 é conectada ao nó de diodos intermediário 118 de um par de diodos conectados em série 120, que preferivelmente, mas não necessariamente, é incluído no conjunto de enrolamento do estator 34 e encapsulado dentro do segmento do estator 14. O par de diodos 120 é operável para retificar a saída de CA intermediária 116 para produzir, em extremidades opostas do par de diodos 120, um sinal de potência positiva de CC 112 e um sinal de potência negativa de CC 124. Os conectores de CC 126 e 127 proporcionam os sinais de potência de CC positivos e negativos 122 e 124 externamente aos segmentos do estator 14, respectivamente. Cada diodo do par de diodos 120 pode ser um diodo de silício, por exemplo.

Um capacitor de filtro de CC 128 é preferivelmente conectado através do par de diodos 120 para reduzir a quantidade de ondulações nos sinais de potência de CC 122 e 124. O capacitor de filtro de CC 128 é preferivelmente, mas não necessariamente, incluído no conjunto de enrolamento do estator 34 e encapsulado dentro do segmento do estator 14.

Os sinais de potência de CC 122 e 124 de um dado segmento do estator 14 podem ser conectados em paralelo ou em série aos sinais de potência de CC 122 e 124 de um ou mais outros segmentos do estator 14. No exemplo mostrado na Figura 7, todos os sinais de potência de CC positivos 122 são preferivelmente conectados um ao outro e todos os sinais de potência de CC negativos 124 são preferivelmente conectados um ao outro de modo a efetuar conexão paralela dos sinais de potência de CC 122 e 124. Assim, uma saída positiva de CC global 130 pode ser obtida do sinal de potência positivo de CC 122 disponível em qualquer dado conector de CC 126, e uma saída negativa de CC global 132 pode ser obtida a partir do sinal de potência negativo de CC 124 disponível em qualquer dado conector de CC 127.

A Figura 8 mostra conexões elétricas para gerar uma saída de CC de acordo com a primeira modalidade da invenção, que são particularmente adequadas para aplicações que envolvem o filtro de CC de baixa voltagem em cada par 12 dos segmentos do estator 14. A porção de um gerador e/ou de um motor mostrado nas Figuras 6 e 7 é também mostrada na Figura 8, incluindo três ímãs 28 adjacentemente dispostos e geralmente se estendendo longitudinalmente dentro de cada segmento do rotor de modo que as orientações polares ao longo de cada lado em oposição do segmento do rotor 10 se alternam entre Norte (indicado na Figura 8 pela letra "N") e Sul (indicado na Figura 8 pela letra "S"). Cada segmento do rotor 10 é disposto entre o segmento do estator 14 do dado par 12 no primeiro lado 94 e o segmento do estator 14 em oposição do dado par 12 no segundo lado 96. Os conectores 98 e 100 são adequados para realizar as conexões elétricas externas aos segmentos do estator 14.

As extremidades terminais 42 e 43, o capacitor de fator de potência 44, o cabeamento elétrico 104 são conectados similarmente nas Figuras 6, 7 e 8. A saída de CA intermediária 116 é conectada ao nó de diodos intermediário 118 do par de diodos 120 conectados em série. Um segundo par de diodos 120 conectados em série é conectado em paralelo com o par de diodos de 120. O segundo par de diodos 134 é preferivelmente, mas não necessariamente, incluído no conjunto de enrolamento do estator 34 e encapsulado dentro do segmento de estator 14. Os quatro diodos dos pares de diodos 120 e 134 formam uma ponte de diodo retifícadora 136 para retificar a saída de CA intermediária para produzir, em extremidades opostas da ponte de diodo 136, o sinal de potência, positivo, de CC 122 e o sinal de potência, negativo, de CC 124 providos externamente pelos conectores de CC 126 e 127, respectivamente.

O sinal de potência, positivo, de CC 122 do par 12 mais a direita dos segmentos do estator 14 é externamente conectado ao sinal de potência negativo de CC 124 do par 12, adjacente, mais a esquerda. Com a finalidade de ilustração exemplar na Figura 8, o sinal de potência, positivo, de CC 122 do par 12 mais a esquerda se torna a saída positiva de CC global 130, e o sinal de potência negativo de CC 124 do par 12 mais a direita se torna a saída negativa global 132. Em casos em que um número maior de pares 12 de segmentos do estator 14 está envolvido na produção das saídas globais 130 e 132, as conexões em série dos sinais de potência positivos de CC 122 ao sinal de potência negativo de CC 124 de um par 12 adjacente continuam. Nas extremidades terminais dos pares 12 conectados em série dos segmentos do estator 14, as saídas globais 130 e 132 podem ser obtidas.

A conexão em série de sinais de potência de CC é particularmente adequada para aplicações que envolvem o uso de capacitores de filtro de CC tendo uma capacidade de voltagem máxima calibrada, que é baixa, incluindo capacitores de filtro de CC tendo uma capacidade de voltagem máxima calibrada de menos que cinco volts. Tais capacitores de baixa voltagem podem incluir supercapacitores, ultracapacitores, ou capacitores eletroquímicos de camada dupla, por exemplo, tal como o capacitor de CC de baixa voltagem 138 mostrado na Figura 8. Cada capacitor de CC de baixa voltagem 138, preferivelmente encapsulado dentro de um par 12 de segmentos do estator, é operável para reduzir a quantidade de ondulações nos sinais de potência de CC 122 e 124 deste par 12. A conexão em série 12 dos segmentos do estator 14 permite que o nível de voltagem das saídas de CC globais 130 e 132 seja muito maior que os níveis de voltagens de CC produzidos por cada par 12 individual dos segmentos do estator 14, ao qual os capacitores de baixa voltagem 138 estão submetidos.

A Figura 9 mostra uma variação das conexões elétricas mostradas na Figura 8, nas quais cada segmento do estator 14 de cada par 12 é idêntico. Na variação da Figura 9, um capacitor de fator de potência de CA 44, um par de diodos 120 formando metade da ponte de diodo 136, e um capacitor de filtro de CC de baixa voltagem 138 estão dispostos dentro de um segmento do estator 14 de cada par 12 dos segmentos do estator 14. Para propósitos ilustrativos, a Figura 9 mostra as conexões em série externas formando as saídas de CC globais 130 e 132 no primeiro lado 94 como incluindo um número indefinido de sinais de potência positivos e negativos de CC 122 e 124 conectados em série. Uma conexão em série similar no segundo lado 96 produz saídas de CC positivas e negativas (não mostradas), que podem ser combinadas em paralelo com a saída de CC global 130 e 132, aperfeiçoando, assim, a confiabilidade e aumentado a tolerância à falha. A variação mostrada na Figura 9 permite vantajosamente que segmentos do estator 14 idênticos sejam fabricados e usados, reduzindo, assim, os custos de fabricação e montagem.

Segunda Modalidade

A Figura 10 mostra o segmento do rotor 10 disposto entre os segmentos do estator 14 do par 12 de acordo com uma segunda modalidade da invenção. Os segmentos do estator 14 podem ser integralmente formados como uma unidade simples, conforme mostrado na Figura 10, ou podem ser separados e fixados um ao outro ou fixados à estrutura de suporte 18. Um fluido, tal como um lubrificante fluido 140 mostrado na Figura 10, preenche a folga 142 entre o segmento do rotor IOeo par 12 dos segmentos do estator 14. Um par de vedações 144 disposto em cada lado do segmento do rotor 10 na folga 142 impede o vazamento do lubrificante fluido 140. O lubrificante fluido 140 é usado para acoplar deslizavelmente o segmento do rotor 10 e o par dos segmentos do estator 14 de modo que o segmento do rotor 10 seja operável para se mover com relação ao par dos segmentos do estator 14 sem contatar qualquer segmento do estator 14. O lubrificante fluido 140 pode estar sob pressão para impedir o contato entre o segmento do rotor 10 e qualquer um do segmento do estator 14. Pelo menos na superfície externa do segmento do rotor 10 e os segmentos do estator 14, que podem fazer contato com o lubrificante fluido 140, o segmento do rotor e os segmentos do estator 14 são preferivelmente feitos de um material de baixo atrito, incluindo um material de encapsulação de baixo atrito, para complementar as qualidades lubrificantes do lubrificante fluido 140.

A estrutura de suporte 18 mostrada na Figura 9 pode tomar outras configurações e tamanhos, formando, assim porções de um gerador e/ou de um motor, incluindo um gerador similar àqueles previamente descritos aqui, com substituição apropriada dos componentes e modificações necessárias, conforme entendido por uma pessoa com conhecimento ordinário da técnica. O segmento do rotor 10 pode se fixar em sua porção mais inferior 146 a outros componentes de um gerador e/ou de um motor, tal como fixação ao aro 32 do gerador de aro 48 ou ao cubo de suporte da lâmina 78 do gerador de turbina eólica 76.

Embora as modalidades específicas da invenção tenham sido descritas e ilustradas, tais modalidades devem ser consideradas apenas ilustrativas da invenção. A invenção pode incluir variantes não descritas ou aqui ilustradas detalhadamente. Por exemplo, várias características descritas no contexto de uma aplicação de uma modalidade da presente invenção podem ser usadas em outras aplicações e modalidades da invenção. Assim, as modalidades descritas e ilustradas aqui não devem ser consideradas como limitativas da invenção conforme interpretadas de acordo com as reivindicações apensas.

Claims

1. Aparelho eletromecânico, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: (a) um par de segmentos do estator substancialmente paralelos e intercalados, compreendendo um primeiro e segundo segmentos do estator, em que cada segmento do estator do dito par compreende um enrolamento do estator; e (b) um segmento do rotor acoplado deslizavelmente entre o dito par de segmentos do estator, em que o dito segmento do rotor compreende pelo menos um ímã.

2. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o dito cada segmento do estator é encapsulado em material encapsulante.

3. Aparelho, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda um capacitor de CA operável para compensar um fator de potência do aparelho, em que o dito capacitor de CA é encapsulado com o dito primeiro segmento do estator.

4. Aparelho, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda um ou mais diodos encapsulados com pelo menos um dos ditos primeiro e segundo segmentos do estator, em que o dito um ou mais diodos são eletricamente conectáveis para retificar uma saída de corrente alternada do aparelho.

5. Aparelho, de acordo com a reivindicação 3, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda um capacitor de CC operável para reduzir a ondulação de corrente contínua do aparelho, em que o dito capacitor de CC é encapsulado com um dos ditos primeiro e segundo segmentos do estator.

6. Aparelho, de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO pelo fato de que o dito capacitor de CC é um capacitor de corrente contínua de baixa voltagem.

7. Aparelho, de acordo com a reivindicação1, CARACTERIZADO pelo fato de que os ditos enrolamentos ίο do estator dos ditos primeiro e segundo segmentos do estator são eletricamente conectados.

8. Aparelho, de acordo com a reivindicação1, CARACTERIZADO pelo fato de que o dito cada segmento do estator compreende um núcleo do estator operável para suportar o dito enrolamento do estator.

9. Aparelho, de acordo com a reivindicação1, CARACTERIZADO pelo fato de que o dito segmento do rotor é encapsulado em material encapsulante.

10. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda uma pluralidade dos ditos pares dos segmentos do estator, em que a dita pluralidade forma um canal circunferencial, e compreende ainda uma pluralidade dos ditos segmentos do rotor formando um trem anular operável para movimento através do dito canal.

11. Aparelho, de acordo com a reivindicação 10, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda um dispositivo de partida adaptado para facilitar a partida inicial do aparelho.

12. Aparelho, de acordo com a reivindicação 11, CARACTERIZADO pelo fato de que o dito dispositivo de partida compreende um par de fios se estendendo relação substancialmente paralela e intercalada, adjacente ao dito trem, em que o dito dispositivo de partida compreende ainda uma pluralidade de braçadeiras se estendendo entre os ditos fios.

13. Aparelho, de acordo com a reivindicação 10, CARACTERIZADO pelo fato de que pelo menos dois dos ditos pares dos segmentos do estator são conectáveis em série.

14. Aparelho, de acordo com a reivindicação 10, CARACTERIZADO pelo fato de que pelo menos dois dos ditos pares de segmentos do estator são conectáveis em paralelo.

15. Aparelho, de acordo com a reivindicação 10, CARACTERIZADO pelo fato de que pelo menos dois dos ditos pares de segmentos do estator são conectáveis para formar uma saída elétrica de corrente alternada multifásica.

16. Aparelho, de acordo com a reivindicação 10, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda uma estrutura de suporte, em que a dita pluralidade de pares de segmentos do estator são fixáveis à dita estrutura de suporte e o dito trem é deslizavelmente acoplado à dita estrutura de suporte.

17. Aparelho, de acordo com a reivindicação 16, CARACTERIZADO pelo fato de que a dita estrutura de suporte compreende um aro de um gerador de aro.

18. Aparelho, de acordo com a reivindicação 17, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda uma ou mais lâminas, em que o dito trem é fixável às ditas lâminas sobre um lado do dito aro oposto ao trem.

19. Aparelho, de acordo com a reivindicação 16, CARACTERIZADO pelo fato de que a dita estrutura de suporte compreende um cubo.

20. Aparelho, de acordo com a reivindicação 19, CARACTERIZADO pelo fato de que o dito cubo compreende um orifício que se estende longitudinalmente através dele.

21. Aparelho, de acordo com a reivindicação 10, CARACTERIZADO pelo fato de que um ou mais dos ditos ímãs da dita pluralidade dos ditos segmentos do rotor são angulados em relação a um ou mais enrolamentos do estator correspondentes da dita pluralidade dos ditos pares de segmentos do estator.

22. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda um inversor para produzir uma saída de corrente alternada a partir de uma saída de corrente contínua do aparelho.

23. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda um conversor de CC-CA para converter uma saída de corrente contínua do aparelho de uma primeira voltagem em uma segunda voltagem diferente da dita primeira voltagem.

24. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o dito pelo menos um ímã é um ímã permanente.

25. Aparelho, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: (a) pelo menos um par de segmentos do estator substancialmente paralelos e intercalados, compreendendo primeiro e segundos segmentos do estator, em que cada segmento do estator do dito par compreende um enrolamento do estator; (b) um segmento do rotor deslizavelmente acoplado entre o dito par dos segmentos do estator, em que o dito estator compreende pelo menos um ímã; (c) um componente elétrico de saída conectado eletricamente ao dito enrolamento do estator do dito primeiro segmento do estator; e (d) dispositivos de encapsulação para encapsular o dito componente elétrico de saída e o dito primeiro segmento do estator.

26. Aparelho, de acordo com a reivindicação 25, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda dispositivo de suporte para suportar o dito par de segmentos do estator, em que o dito segmento do estator é deslizavelmente acoplado ao dito dispositivo de suporte.

27. Método para produzir um aparelho eletromecânico, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: (a) fabricar uma pluralidade de pares de segmentos do estator substancialmente paralelos e intercalados, em que cada dito par compreende primeiro e segundo segmentos do estator, compreendendo cada segmento do estator de cada par um enrolamento do estator; (b) fabricar uma pluralidade de segmentos do rotor, em que cada dito segmento do rotor é dimensionado para se encaixar entre o dito cada par de segmentos do estator, em que o dito cada segmento do estator compreende pelo menos um ímã; (c) montar a dita pluralidade de pares de segmentos do estator para formar um canal circunferencial; e (d) montar a dita pluralidade de segmentos do rotor para formar um trem anular dos ditos segmentos do rotor acoplado à dita pluralidade de pares de segmentos do estator e operável para movimento através do dito canal.

28. Método, de acordo com a reivindicação 27, CARACTERIZADO pelo fato de que a dita etapa de fabricar uma pluralidade de segmentos do rotor compreende encapsular o dito cada segmento do rotor em material encapsulante.

29. Método, de acordo com a reivindicação 28, em que a dita etapa de encapsulação do dito cada segmento do rotor compreende: (a) receber o dito pelo menos um ímã em uma bolsa feita de material encapsulante através de uma extremidade aberta da dita bolsa; (b) depois do dito pelo menos um ímã ser recebido na dita bolsa, cobrir a dita extremidade aberta com uma cobertura feita de material encapsulante; e (c) vedar a dita cobertura quando a dita extremidade aberta está coberta.

30. Método, de acordo com a reivindicação 27, CARACTERIZADO pelo fato de que a dita etapa de fabricar uma pluralidade de pares de segmentos do estator compreende encapsular o dito cada segmento do estator em material encapsulante.

31. Método, de acordo com a reivindicação 3 0, CARACTERIZADO pelo fato de que a dita etapa de encapsular o dito cada segmento do estator compreende encapsular um componente elétrico de saída com o dito primeiro segmento do estator.

32. Método, de acordo com a reivindicação 3 0, CARACTERIZADO pelo fato de que a dita etapa de encapsulação do dito cada segmento do estator compreende encapsular um capacitor com os ditos primeiros segmentos do estator.

33. Método, de acordo com a reivindicação 30, CARACTERIZADO pelo fato de que a dita etapa de encapsular o dito cada segmento do estator compreende encapsular um diodo com os ditos primeiros segmentos do estator.

34. Método, de acordo com a reivindicação 27, CARACTERIZADO pelo fato de que a etapa de montar a dita pluralidade de pares de segmentos do estator compreende fixar a dita pluralidade de pares de segmentos do estator a uma estrutura de suporte do aparelho.