BRPI0715537A2 - motor elÉtrico com méltiplas fases; mÉtodo de operaÇço de um motor elÉtrico; e motor elÉtrico modular com méltiplas fases - Google Patents

Abstract

MOTOR ELÉTRICO COM MéLTIPLAS FASES; MÉTODO DE OPERAÇçO DE UM MOTOR ELETRICO; E MOTOR ELÉTRICO MODULAR COM MéLTIPLAS FASES. Trata-se de um motor elétrico com múltiplas fases que compreende um estator ccmpreendendo uma pluralidade de bobinas circundando um núcleo não magnetizável; um rotor com magnetos permanentes embutidos nele, o rotor sendo disposto adjacente ao estator, o rotor sendo montado no eixo de acionamento rotativo; uma fonte de alimentação; um sensor de posição conectado operavelmente ao rotor; e um circuito de controle conectado operavelmente à fonte de alimentação, ao sensor de posição e às bobinas, para controlar a distribuição de energia elétrica para as bobinas. Neste motor, o mecanismo de controle transfere carga elétrica de uma primeira bobina para uma segunda bobina.

Description

"MOTOR ELÉTRICO COM MÚLTIPLAS FASES; MÉTODO DE OPERAÇÃO DE UM MOTOR ELÉTRICO; E MOTOR ELÉTRICO MODULAR COM MÚLTIPLAS FASES".

CAMPO DA INVENÇÃO A presente invenção refere-se a motores elétricos

com corrente continua.

TÉCNICA RELACIONADA Na medida em que os custos com energia continuam a aumentar e os suprimentos definham, surge a necessidade substancial de uso mais eficiente de energia, particularmente para motores elétricos. Os motores elétricos acionam muitos dispositivos e, assim, aprimoramentos na produção de energia a partir de motores para uma dada entrada de energia, significaria economia importante nos custos de energia.

Um uso em particular que se beneficiaria de um motor elétrico aperfeiçoado é aquele de veículos elétricos. Embora os veículos elétricos existam há mais de cem anos, só recentemente eles começaram a se tornar bastante usados. Os aperfeiçoamentos na produção de energia do motor elétrico ajudariam os carros elétricos a se tornarem ainda mais práticos e aceitos no mercado.

Um problema que os veículos elétricos enfrentam é seu alto preço de aquisição em comparação com veículos a gasolina ou diesel. Isso se deve em parte aos caros motores elétricos que tais veículos usam. 0 projeto de tais motores é simples, porém, sua construção é muito complexa. Além disso, os sistemas de controle para tais motores são complexos, por causa da necessidade de alta voltagem e corrente e, em particular, as altas correntes exigidas em movimento. Finalmente, os presentes motores para veiculo elétrico requerem um complexo sistema de transmissão.

Os motores que têm bobinas eletromagnéticas sem núcleos de metal foram usados antes, por exemplo, em motores do tipo "pancake" (panqueca) , usados em aplicações de baixa potência. No entanto, os materiais com núcleo não magnetizável, como os plásticos, não têm sido usados para motores de alta potência. 0 que é necessário na técnica são novas idéias

para construir e controlar os motores elétricos para produzir um motor elétrico mais eficientes do ponto de vista de geração de energia.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO Em uma modalidade, a invenção é um motor elétrico

com múltiplas fases, compreendendo um estator que compreende uma pluralidade de bobinas de fios circundando um núcleo não magnetizável; um rotor com magnetos permanentes embutidos ali, sendo que o rotor é disposto adjacente ao estator, o rotor sendo montado em um eixo de acionamento rotativo; uma fonte de energia; um sensor de posição conectado operavelmente ao rotor; e um circuito de controle conectado operavelmente à fonte de energia, ao sensor de posição, e às bobinas, para controlar a distribuição de energia elétrica para as bobinas de fio; em que o mecanismo de controle transfere carga elétrica a partir de uma primeira bobina para uma segunda bobina.

Em uma outra modalidade, a invenção é um método de operação de um motor elétrico compreendendo as etapas de fornecer um motor elétrico que compreende: um estator compreendendo uma pluralidade de bobinas de fios circundando um núcleo não magnetizável; um rotor montado de maneira rotativa adjacente ao estator; uma pluralidade de magnetos permanentes montados no rotor; uma fonte de alimentação; um sensor de posição conectado operavelmente ao rotor; e um circuito de controle conectado operavelmente à fonte de alimentação, ao sensor de posição e às bobinas de fio, para controlar a distribuição de energia elétrica para as bobinas. A invenção desta modalidade compreende ainda energizar eletricamente uma primeira bobina com a fonte de alimentação; conectar eletricamente a primeira bobina a uma segunda bobina, transferindo deste modo energia elétrica a partir da primeira bobina para a segunda bobina sob a direção do controlador; e desconectar a primeira bobina da fonte de alimentação.

Ainda em uma outra modalidade, a invenção é um motor elétrico com múltiplas fases compreendendo: um estator compreendendo uma pluralidade de bobinas de fio circundando um núcleo não magnetizável, em que o núcleo não magnetizável compreende um tubo plástico; um rotor com magnetos permanentes embutidos nele, sendo que o rotor é disposto adjacente ao estator, o rotor sendo montado em um eixo de acionamento rotativo; uma fonte de alimentação; um sensor de posição conectado operavelmente ao rotor através do eixo de acionamento; e um circuito de controle conectado operavelmente à fonte de alimentação, ao sensor de posição e as bobinas de fio, para controlar a distribuição de energia elétrica às bobinas com fio; em que o mecanismo de controle transfere carga elétrica de uma primeira bobina de descarga para uma segunda bobina de carga; em que o rotor compreende um disco que tem um par de faces opostas com uma borda circunferencial entre elas; em que o rotor compreende ainda um anel de aço fixado a uma face perto da borda circunferencial; em que os magnetos permanentes compreendem um pedaço de aço posicionado entre dois pedaços de magneto de terra rara, tal que pelo menos um magneto de terra rara é adjacente ao estator. Outras áreas de aplicabilidade da presente

invenção se tornarão aparentes a partir da descrição detalhada fornecida aqui. Deve-se entender que a descrição detalhada e os exemplos específicos, embora indiquem a modalidade preferida da invenção, destinam-se a ilustração apenas e não devem limitar o escopo da invenção.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

A presente invenção se tornará mais completamente entendida a partir da descrição detalhada e dos desenhos anexos, em que:

A Figura 1 mostra uma vista esquemática de uma

modalidade do motor;

A Figura 2 mostra uma modalidade de uma bobina

simples;

As Figuras 3A-3D mostram como combinações de magnetos permanentes e bobinas eletromagnéticas produzem níveis variados de força;

A Figura 4A mostra uma modalidade de uma tira longitudinal do tipo que é usado para suportar as bobinas do estator; A Figura 4B mostra uma seção transversal através de um estator em que as bobinas do estator são montadas em uma pluralidade de tiras longitudinais, conforme é mostrado na Figura 4A;

A Figura 5A mostra uma modalidade de uma tira

longitudinal tendo fendas formadas na lateral para correr fios que saem das bobinas;

A Figura 5B mostra uma outra modalidade de uma tira longitudinal que tem um canal de fio para correr fios montados ali;

A Figura 6 mostra uma modalidade de como a braçadeira de montagem, que segura a bobina, é fixada a uma tira longitudinal;

A Figura 7 mostra como uma modalidade de um rotor em que um anel de desvio de aço opcional é empregado;

As Figuras 8A, 8B e 8C mostram diversas modalidades de bobinas de fios enrolados em torno de diferentes tipos de núcleos;

As Figuras 9A e 9B mostram uma vista frontal e uma vista lateral, respectivamente, de uma modalidade de um componente de rotor modular;

A Figura 9C mostra uma modalidade de um magneto compósito para uso em um rotor;

A Figura 10 mostra um diagrama de linhas de fluxo entre os magnetos permanentes e as bobinas eletromagnéticas em uma seção de uma modalidade de um motor da presente invenção;

A Figura 11 mostra uma modalidade de um circuito para energizar as bobinas de um motor da presente invenção; Δ Figura 12 mostra uma outra modalidade de um circuito para energizar as bobinas de um motor da presente invenção;

A Figura 13 mostra uma modalidade de um sensor de

posição;

As Figuras 14A e 14B mostram linhas de campo magnético para uma modalidade de um motor da presente invenção, determinadas para direcionar as cotas usando fios de ferro;

As Figuras 15A, 15B e 15C mostram linhas de campo

magnético para magnetos permanentes cada vez maiores;

A Figura 15D mostra linhas de campo magnético para um magneto compósito que compreende um espaçador de aço posicionado entre duas fatias de magneto permanente; A Figura 16 mostra uma modalidade de um circuito

para desviar corrente de campo em colapso de uma bobina de descarga para uma bobina carregada ou em carregamento em um motor elétrico;

A Figura 17 mostra uma outra modalidade de um circuito para desviar corrente de campo em colapso de uma bobina em descarga para uma bobina carregada ou em carregamento em um motor elétrico;

A Figura 18 mostra ainda uma outra modalidade de um circuito para desviar corrente de campo em colapso de uma bobina em descarga para uma bobina carregada ou em carregamento em um motor elétrico;

A Figura 19 mostra ainda uma outra modalidade de um circuito para desviar corrente de campo em colapso a partir de uma bobina em descarga para uma bobina carregada ou em carregamento em um motor elétrico;

A Figura 20 mostra uma vista lateral de uma modalidade de um rotor da presente invenção em que as posições relativas das bobinas eletromagnéticas são mostradas em linhas quebradas;

A Figura 21 mostra uma seção através da linha 21- 21 da Figura 20 ilustrando as posições relativas dos magnetos permanentes e as bobinas em uma modalidade de um motor da presente invenção;

As Figuras 22A-22C mostram uma seção através da linha 21-21 da Figura 20 ilustrando as posições relativas dos magnetos permanentes e as bobinas em uma outra modalidade de um motor da presente invenção; A Figura 23 mostra um diagrama de tempo para uma

modalidade de um motor de 3 fases;

A Figura 24 mostra um diagrama de tempo para uma modalidade de um motor com magneto permanente de 4 fases; e

A Figura 25 mostra uma vista lateral dos magnetos permanentes e bobinas da modalidade de um motor de 4 fases tendo 8 bobinas e 18 magnetos permanentes.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS MODALIDADES PREFERIDAS

A descrição a seguir da(s) modalidade(s) preferida (s) é meramente exemplificativa por natureza e, de maneira alguma, deve limitar a invenção, sua aplicação ou usos.

0 motor descrito aqui, que é referido com um motor "magnetrônico", difere de motores elétricos convencionais em diversos aspectos, com o resultado que, fórmulas típicas que descrevem o comportamento do motor, não se aplicam sempre ao motor magnetrônico. Isso se deve a diversos fatores:

1. Uma saída de motor convencional requer aço para concentrar o fluxo magnético; e 2. Um motor convencional converte força elétrica

em fluxo magnético nos componentes de metal, completando assim o circuito magnético através do estator e rotor que gera o torque aplicado ao rotor.

Por causa destes fatores, a saída máxima de energia de um motor típico é limitada pela quantidade de aço no campo e rotor, assim como pela quantidade de cobre nos enrolamentos.

O motor descrito aqui difere nestes componentes:

1. O motor magnetrônico não requer aço para concentrar o fluxo e, na verdade, na maioria das

modalidades, o aço é prejudicial à operação do motor.

2. No motor magnetrônico, o circuito magnético é completado pela configuração dos magnetos permanentes no rotor e placas com extremidade de aço nos dois rotores

externos ou de extremidade. A concentração de fluxo é conseguida pela configuração, o que causa um aumento na potência quando as bobinas são energizadas (Figuras 3A-3D, 14A, 14B) . As Figuras 3A-3C mostram como combinações de magnetos permanentes montados em um rotor ou rotores e bobinas de fio eletromagnéticas carregadas em um estator, produzem níveis variados de força, com a conclusão que ter mais magnetos permanentes associados a uma dada bobina, produz uma quantidade crescente de força. Por exemplo, ter uma bobina simples 34 associada a dois rotores 36, onde cada rotor 36 tem oito magnetos permanentes 52 montados nela, produz, em uma modalidade, apenas mais dois pés-libras de força. Adicionar um terceiro rotor 36 a este arranjo em um lado ou em outro dos primeiros dois rotores 36, fará com que o motor produza mais três pés-libras de força. Similarmente, adicionar um quarto rotor 36 em um lado ou outro dos três primeiros rotores 36, fará com que o motor gere quatro pés- libras de força. Finalmente, a adição de um quinto rotor 36 em um lado ou outro dos primeiros quatro rotores 36, fará com que o motor gere cinco pés-libras de força.

Além disso, uma força ainda maior pode ser produzida por meio da combinação de mais bobinas com os magnetos permanentes 52, conforme é mostrado na Figura 3D. Por exemplo, ter uma bobina 34 e cinco rotores 36, em que cada rotor 36 contém oito magnetos permanentes 52 para um total de quarenta magnetos permanentes 52, dá cinco pé- libras de força. Adicionar uma segunda bobina 34 ao mesmo motor de cinco rotores, dobra a força para dez pés-libras. A adição de uma terceira bobina 34 aumenta a força para quinze pés-libras e uma quarta bobina 34 dá vinte pés-libras de força. As bobinas 34 podem ser adicionadas em qualquer posição em torno da circunferência do motor 30 e cada uma adicionará cinco pés-libras de força.

Uma outra diferença é a orientação da linha de fluxo. Em motores típicos, todas as linhas de fluxo são perpendiculares aos enrolamentos, o que causa arraste no rotor, conforme ele gira (devido à FEM de retorno gerada) . Em um motor típico, esta FEM de retorno é necessária ou a corrente será tão alta que os enrolamentos irão queimar. No motor magnetrônico, uma parte do fluxo é paralela ao enrolamento, o que reduz o arraste ou a FEM de retorno gerada. Esta orientação de fluxo pode ser alterada pelo espaçamento de PM no rotor com relação ao espaço entre os rotores. Além disso, não há influxo ou alta corrente causada pela falta de FEM de retorno. Assim, o projeto do motor magnetrônico controla automaticamente a corrente.

O. motor magnetrônico tem diversas diferenças significativas em sua construção que dão lugar às diferenças em funcionamento.

Em motores típicos, os enrolamentos estão posicionados em uma fenda de aço de tal modo que os enrolamentos se sobrepõem. Por causa disso, se um enrolamento fica quente, ele aquece os enrolamentos que estão sobrepostos a ele todo o motor superaquece e é destruído pelo calor. Mesmo que apenas um enrolamento queime, todos os enrolamentos têm que ser removidos para a substituição do enrolamento.

No motor magnetrônico, os enrolamentos são bobinas simples, independentes entre si, podendo ser removidos ou colocados no motor um de cada vez. Por este projeto, o motor é completamente modular. Os módulos do rotor podem ser adicionados, deste modo aumentando o comprimento do motor, o que adiciona fendas para módulos de bobinas, aumentando assim o rendimento do motor. Este conceito modular torna o projeto de um novo motor muito mais simples.

A última coisa não se aplica a motores típicos, mas se aplica a tentativas de tornar estes motores mais eficientes usando a FEM de retorno para regenerar ou suplementar a potência de entrada.

0 motor magnetrônico usa uma nova abordagem que funciona muito bem em sua operação e é conseguida por dois métodos separados.

1. Redução do arraste do rotor ou FEM de retorno por meio da alteração da orientação do fluxo, conforme mencionado neste pedido.

2. Utilização da energia do campo em colapso quando uma bobina é desenergizada para suplementar a

potência de entrada em uma bobina diferente, de preferência, uma que esteja só ligando.

Logo, um motor elétrico de múltiplas fases 30 compreende um estator 32 compreendendo uma pluralidade de bobinas 34, um rotor 36 montado em um eixo de acionamento 38, uma fonte de energia 40 para carregar as bobinas 34 e um mecanismo de controle 42 para controlar o carregamento das bobinas 34 pela fonte de alimentação 40 (Figuras 1, 2) .

Em uma modalidade, o estator 32 compreende uma pluralidade de bobinas 34, em que as bobinas 34 são enroladas em torno de um núcleo não magnetizável 44. O núcleo não magnetizável 44 pode ser feito de uma série de materiais, inclusive, mas sem limitação, plástico, quer seja uma haste sólida ou um tubo oco. O núcleo da bobina 44 tem, de preferência, seção transversal circular tal que a bobina 34 também seja circular. No entanto, outros formatos para o núcleo 44 e bobinas 34 são possíveis. Em uma modalidade, o fio em bobina é mantido no lugar por uma série de amarras radiais que correm através do centro do núcleo 44 e em torno do exterior. Além disso, em uma modalidade, a bobina 34 é moldada com uma resina, como fibra de vidro. 0 molde confere um formato à resina que complementa aquele de uma braçadeira de montagem 46 (veja abaixo) a que a bobina 34 é fixada. A bobina 34, com resina associada, é fixada então à braçadeira de montagem 46 usando adesivo ou outro meio de fixação.

Em uma configuração tipica, o núcleo da bobina 44 tem um diâmetro de seção transversal de uma polegada. Além disso, o fio da bobina em uma modalidade é fio de cobre com calibre 11 e é enrolado em torno do núcleo 44 aproximadamente 300 vezes. O diâmetro externo da bobina 34, nesta modalidade, é de 3 polegadas. No entanto, outras configurações são possíveis e são abrangidas pela invenção.

Os enrolamentos das bobinas 34 têm uma orientação uniforme, em que os enrolamentos estão em um plano que é paralelo ao plano de rotação do rotor 36 quando as bobinas 34 são instaladas no estator 32. Quando as bobinas 34 são dispostas dentro do estator 32 e são eletricamente energizadas, o campo magnético que é criado se estende lateralmente a partir do estator 32 na direção dos rotores adjacentes 36. A orientação é tal que um lado da bobina 34 é o norte magnético (N) e o outro lado é o sul magnético (S); esta orientação pode ser mudada revertendo-se a polaridade da eletricidade de entrada. Cada bobina 34 é energizada eletricamente por meio da conexão das extremidades da bobina 34 a uma fonte de alimentação apropriada 40, conforme explicado abaixo.

As bobinas 34 são mantidas no lugar dentro do estator 32 por uma estrutura de armação 47, que em uma modalidade é feita de alumínio. A armação compreende uma pluralidade de tiras longitudinais 48 de um material que corre paralelo ao eixo geométrico longo do eixo de acionamento 38, isto é, paralelo ao eixo de rotação. Em uma modalidade, as tiras longitudinais 48 de material têm uma série de entalhes 50 formados ali para localizar as bobinas 34 nas posições corretas na orientação correta.

As bobinas 34 são mantidas sobre uma braçadeira de montagem 46, braçadeira 46 esta que é então fixada às tiras longitudinais 48 da estrutura de armação 47 (Figuras 4A, 4B) . Em uma modalidade, as braçadeiras 46 são ligeiramente curvadas nas bordas de modo a corresponderem adequadamente às tiras longitudinais 48. De preferência, as braçadeiras 46 são fixadas às tiras longitudinais 48 usando prendedores reversíveis, o que torna mais fácil reparar ou substituir bobinas defeituosas ou danificadas 34. Em uma modalidade, as tiras longitudinais 48 têm uma série de orifícios afunilados dotados de roscas para o recebimento de parafusos ou roscas para fixação das braçadeiras de montagem de bobina 46. As bobinas 34 são espaçadas entre si ao longo das tiras longitudinais 48 de modo a deixar espaço entre elas para os rotores 36. Cada bobina 34 tem adjacente a ela, em proximidade, um rotor 36 em que uma série de magnetos permanentes 52 estão embutidos. A não ser pela estrutura de armação 47 para segurar as bobinas 34 no lugar, estrutura 47 esta que reside na periferia do motor, o estator 32 em uma modalidade, é espaço vazio, em contraste a muitos outros motores elétricos. Esta construção permite fabricação e montagem muito mais fáceis. As extremidades das tiras longitudinais 48 da estrutura de suporte 47 são fixadas em uma extremidade ou outra do motor 30 a placas de extremidade 54. Estas placas de extremidade 54 também suportam o eixo de acionamento 38 que, por sua vez, suporta os rotores 36, dando, deste modo, ao motor 30, sua estrutura geral. Em uma modalidade, o eixo de acionamento 38 se projeta através e aleatório de uma ou ambas as placas de extremidade 54 e é acoplado, subseqüentemente, a um dispositivo a ser acionado. Em uma modalidade particular, a placa de

extremidade 54 tem 0,625 polegadas de espessura e 11,75 polegadas de diâmetro. Além disso, a placa de extremidade 54 pode ter montada nela uma placa de retenção de mancai 56 (Figura 1) para reter mancais para o eixo de acionamento 38, enquanto a placa de retenção de mancai 56 compreende um anel com um diâmetro interno de duas polegadas e meia e um diâmetro externo de quatro polegadas.

Em uma modalidade, os fios 58 de cada bobina 34 são alimentados através da braçadeira de montagem 46 (Figura 2) . Em uma outra modalidade, as tiras longitudinais 48 têm um canal 60 formado para os fios correrem (Figuras 5A, 5B, 6) . Neste caso, os fios deixam as bobinas 34 na lateral e através de uma fenda 62 formada na borda longa da tira (Figura 5A). Em uma modalidade da braçadeira de montagem de bobina 46, as partes laterais são largas o suficiente para cobrirem as fendas 62 que são adjacentes ao canal principal 60 (Figura 6) . Ainda em uma outra modalidade, um canal elevado de fio 64 é formado ou fixado a um lado das tiras longitudinais 48, onde existem orifício nas laterais do canal 64 alinhados com cada bobina 34 para os fios correrem através (Figura 5B). Em uma destas últimas modalidades, os fios correm através da tira longitudinal 48 para uma ou ambas as extremidades do motor, onde se conectam com a fonte de alimentação 40 e o mecanismo de controle 42.

Coletivamente, uma série de bobinas 34 montadas em um circulo é referida como estator 32. Em uma modalidade, o motor elétrico 30 tem quatro estatores 32 e cinco rotores 36, tal que cada estator 32 tem um rotor 36 em um ou outro lado seu, mas os rotores 36 em uma extremidade ou outra do motor só têm um estator 32 em um lado, mas não no outro. Além disso, em algumas modalidades, os rotores 36 em uma extremidade ou outra do motor 30, tem um anel de metal contendo ferro (por exemplo, aço) 66 correndo ao longo do perímetro externo do rotor 36 no topo dos magnetos permanentes 52 (Figuras 7A, 7B) . Naqueles casos onde os magnetos permanentes 52 são compósitos em camadas de fatias de magneto e outros materiais, os magnetos não são incluídos na lateral do rotor 36 que tem o anel 66 fixado. 0 anel 66 melhora o fluxo do magneto no motor 30, criando um efeito de ferradura e também elimina o arraste que ocorreria se qualquer material condutor estivesse na extremidade do motor. Nestas modalidades onde o anel de aço é omitido, é preferível fazer as placas de extremidade 54 de um material que não seja eletricamente condutor, por exemplo, resina fenólica ou algum outro tipo de resina.

O calibre do fio, o comprimento do enrolamento da bobina, o número de voltas e o tipo de material de núcleo empregado, cada item destes muda as características do motor 30. Em adição, o formato do material do núcleo 44, assim como o formato dos magnetos permanentes 52, também podem mudar o modo como o motor 30 para. Abaixo encontra-se uma lista de diversos tipos possíveis de estruturas de núcleo 44 e alguns dos efeitos da estrutura de núcleo 44 sobre as propriedades da bobina 34 (Figuras 8A, 8B, 8C).

Em uma estrutura, uma bobina de fio enrolado 34 tem um núcleo laminado sólido 44 (Figura 8A) . Esta configuração tem alta indutância e perda significativa de histerese e o fluxo é concentrado no núcleo.

Em uma outra configuração, é proporcionado uma bobina com fio enrolado 34 com um núcleo oco 44 (Figura 8B). Esta configuração tem indutância moderada, perda histerese moderada e o fluxo está concentrado no núcleo 44. Um exemplo desta configuração é o fio enrolado em torno de uma bobina com um núcleo de ferro oco.

Ainda em uma outra modalidade, é proporcionada uma bobina com fio enrolado 34 com um núcleo de ar 44 (Figura 8C) . Esta configuração tem baixa indutância, não tem perda de histerese e o fluxo é distribuído mais uniformemente por toda a face do pólo.

Além disso, os fios são usados como laminações, ao invés de laminações planas, conforme é típico. Além do mais, os fios podem ter qualguer formato, inclusive redondo, achatado ou oco. Para altas velocidades rotacionais (em RPM) , núcleos de ar de alta eficiência devem ser o melhor, enquanto um núcleo laminado pode ser melhor para torque mais alto, onde altas RPM's e eficiente não são uma preocupação. O rotor 36, em uma modalidade, é feito de resina fenólica, embora outros tipos de resinas funcionem bem também. Em uma outra modalidade, o rotor 36 é feito de alumínio. Em um caso ou outro, o rotor 36, em uma modalidade, é preso de maneira fixa a um eixo de acionamento 38 de modo a transferir a potência do motor 30 para um componente acionado. 0 rotor 36 é essencialmente um disco circular plano em que uma série de orifícios é feita para acomodar os magnetos permanentes ou fixos 52. O motor 30 pode ser feito de forma modular, tal

que qualquer número variável de rotores 36 e estatores 32 (geralmente existe um rotor a mais do que o número de estatores) pode ser montado em um único motor 30, tal que um motor 30 de qualquer tamanho e potência pode ser feito a partir de um número limitado de componentes básicos. De modo a tornar o motor 30 modular, enquanto ainda mantém o correto espaçamento de rotor para rotor, o rotor 36, em uma modalidade, tem um espaçador oco 68 que se projeta a partir de um lado perto do centro (Figura 9B). Em uma modalidade, o espaçador 68 é aço. Tanto o rotor 36, que em uma modalidade é de alumínio, quanto o espaçador fixado 68, têm um orifício no centro para acomodar o eixo de acionamento 38 e também têm uma fenda 70 dentro do orifício para acomodar uma aresta 72 que se projeta a partir do eixo de acionamento 38, onde a aresta 72 e a fenda 70 são complementares. A combinação de aresta 72 e a fenda 70 ajuda a transmitir potência dos rotores 36 para o eixo de acionamento 38, sem qualquer escorregamento com relação ao eixo de acionamento 38 . Alternativamente, a aresta 72 pode estar no interior da abertura do rotor 36, onde a fenda 70 é feita no eixo de acionamento 38 (Figura 20).

Em uma modalidade particular, o rotor 36 tem 1,5 polegada de espessura e 9 polegadas de diâmetro. O espaçador de aço 68 tem 3 polegadas de diâmetro e se projeta para fora a partir da face do rotor 36 por 2,7 polegadas. O diâmetro do eixo de acionamento 38 é de aproximadamente 1,5 polegada, como é o do orifício dentro do rotor 36 e espaçador 68 para acomodar o eixo. O espaçador 8, em uma modalidade, é fixado ao rotor 36 usando quatro cavilhas de 0,25 polegada, embora outros meios de união das duas partes sejam abrangidos pela invenção (Figura 9Δ).

Em uma modalidade, os magnetos permanentes 52 compreendem um compósito de dois magnetos permanentes 52A de terra rara com uma haste de aço 52B entre eles. Ά estrutura compósita em uma modalidade é cilíndrica e tem um diâmetro de 1 polegada e um comprimento de 1,5 polegada Figura 9C) . Os magnetos permanentes 52A nesta modalidade têm, cada um, 0,25 polegada de espessura e a haste de aço 52B tem uma polegada de espessura. Em uma modalidade, os magnetos 52Δ e a haste de aço 52B são fixados entre si e ao rotor 36 com o uso de adesivos.

Existem oito magnetos permanentes de compósito 52 nesta modalidade, em que os magnetos permanentes 52 são igualmente espaçados em torno do rotor 36 perto da borda. Oito orifícios de uma polegada de diâmetro são formados no rotor 36 a cerca de 0,125 polegada da borda do rotor 36. Nesta modalidade e em geral, os magnetos permanentes 52 são dispostos de tal modo que a polaridade alterna entre ter o norte magnético e o sul magnético apontando para um lado do rotor ou para o outro. Para conseguir esta configuração alternada continuamente em torno do rotor 36, prefere-se que sempre exista um número par de magnetos permanentes 52 ou seus compósitos.

A distância entre os magnetos permanentes 52 adjacentes no rotor 36, em uma modalidade, é aproximadamente igual à distância entre os rotores adjacentes 36 (Figura 10), embora a distância entre os magnetos permanentes adjacentes 52 possa, às vezes, ser maior do que o espaçamento de rotor para rotor. Em uma modalidade, estas distâncias são, ambas, aproximadamente 2,5 polegadas. Em geral, a FEM de retorno é reduzida conforme é reduzida a distância entre magnetos permanentes adjacentes 52 em um dado rotor 36. Como regra geral, a FEM de retorno, as rpm's, e o torque mudam como uma função do espaçamento de rotor para rotor e do espaço entre os magnetos permanentes 52 dentro dos rotores 36.

O mecanismo de controle 42, em uma modalidade, compreende um circuito 74 conectado a um sensor de posição 80, em que o circuito 74 é conectado às bobinas 34 e à fonte de alimentação 40. Em outra modalidade, o mecanismo de controle 42 também compreende um microprocessador 43, a ser descrito posteriormente. Um exemplo de um circuito 74 para controlar esta modalidade do motor 30 é mostrado na Figura 11. Este circuito 74, que é para um motor de três fases, seis bobinas, tendo oito magnetos permanentes 52, usa uma fonte de alimentação simples 40. Os comutadores 78 operam como comutadores de pólo duplo, duplo curso. Estes comutadores 78 são controlados por um sensor de posição 80 associado ao rotor 36 ou eixo de acionamento 38, conforme descrito abaixo. As bobinas Ie 4, 2e5e3e6 estão situadas em lados diametralmente opostos do estator 32 e estão sempre em um estado oposto uma à outra, isto é, quando a bobina 1 está ligada, a bobina 4 está desligada e quando a bobina 4 está ligada, a bobina 1 está desligada. Nesta modalidade particular, os diodos 82 controlam o fluxo direcional de corrente no circuito 74, tal que a energia do campo em colapso, oriunda de uma bobina particular, ajuda a carregar a bobina associada diametralmente oposta.

A Figura 12 mostra outra modalidade de um circuito 74 para controlar o motor 30 da presente invenção, usando metade dos comutadores 78. Nesta configuração alternativa, existem duas fontes de alimentação 40, o que simplifica a construção do sistema. Este circuito 74 é preferido para motores "de empurrar apenas", já que não fornece imediatamente a comutação da polaridade da potência fornecida a uma bobina particular 34 e, assim, não proporciona a comutação da polaridade magnética das bobinas 34 durante o ciclo. Novamente, os diodos 82 estão colocados entre as bobinas emparelhadas 34 para direcionar a energia de campo em colapso entre as bobinas 34. Além disso, os comutadores 78 são controlados pelo sensor de posição 80, descrito abaixo.

A Figura 13 mostra os requisitos gerais para um sensor de posição 80 para um magneto permanente 52 de seis bobinas e três fases da presente modalidade, especificamente, um sensor de posição 80 controlado magneticamente. O sensor de posição 80 em uma modalidade, compreende um volante de controle 84 fixado ao eixo de acionamento 38, tal que o volante de controle 84 rastreia o movimento do eixo de acionamento 38, que, por sua vez, rastreia a posição do rotor 36. Podem ser usados inúmeros meios para rastrear a posição do volante de controle 84, inclusive tiras magnéticas 86 com sensores magnéticos 88 ou coletores montados em torno da periferia do volante 84 para detectar a presença ou a ausência das tiras magnéticas 86. Ao ter sensores magnéticos 88 espaçados a intervalos de 15 graus adjacentes à roda de controle 84 e ao ter as tiras magnéticas 86 se estendendo 1/8 de uma volta da roda 86, conforme é mostrado na Figura 13, isso tem o efeito de ativar cada um dos sensores magnéticos 88 na ordem correta e pela duração apropriada para energizar as bobinas 34, conforme discutido abaixo.

Para um motor 30 tendo oito magnetos permanentes 52, o momento preferido para uma dada bobina 34 é aproximadamente igual a 1/8 de uma volta do rotor 36, ou 45 graus. Assim, as tiras magnéticas 86 no sensor de posição 80, que ativam as bobinas 34, se estendem por 1/8 de uma volta da roda de controle 84. A roda de controle 84 é presa de maneira fixa aos rotores 36 ou eixo de acionamento 38, tal que a rotação dos rotores 36 e eixo de acionamento 38 vira a roda de controle 84 (veja Figura 1) . Para manter as fases adequadas, os sensores magnéticos 88 são espaçados entre si 15 graus ao longo da roda de controle de modo a ligar as bobinas em sucessão e desligar uma de um par de bobinas, quando a outra bobina do mesmo par for ligada. Nesta modalidade, as bobinas 1 a 3 são energizadas com uma polaridade oposta a das bobinas 4-6. Similarmente, as bobinas 1, 2 e 3 são energizadas e desenergizadas em momentos opostos às bobinas 4, 5 e 6, respectivamente.

Os princípios gerais da modalidade ilustrada

acima, tendo seis bobinas, três fases e oito magnetos permanentes, podem ser estendidos a qualquer número de fases maior que dois, qualquer número par de magnetos permanentes e qualquer número de bobinas. Embora seja preferido ter um número par de bobinas para coordenar mais facilmente a transferência da energia do campo em colapso de uma bobina para outra, também é possível projetar um motor tendo um número impar de bobinas usando os princípios discutidos aqui .

Aumentar o número de bobinas 34 e fases no motor

também aumenta a complexidade e o custo de fabricação do motor 30, particularmente a parte eletrônica que é necessária para acionar as bobinas 30. Por outro lado, ter um número maior de bobinas 34 e fases aumenta a eficiência do motor 30, já que é mais fácil realizar o desvio da energia do campo em colapso de uma bobina para outra no ponto certo no ciclo de carregamento para cada bobina. Em uma modalidade, um motor com quatro fases, com oito bobinas e dezoito magnetos permanentes, representa um bom ajuste entre os custos de fabricação e o desempenho do motor.

Um outro fator que pode ter um profundo efeito sobre o desempenho do motor é a "FEM de retorno" A FEM de retorno ocorre em motores elétricos devido ao movimento relativo entre os magnetos no rotor e os enrolamentos no estator. 0 fluxo magnético constantemente em mudança na área entre as bobinas do motor, induz uma FEM que se opõe à rotação do rotor que é chamada "FEM de retorno". Também pode haver voltagens induzidas em qualquer material eletricamente condutor, então é preferido que o rotor seja feito de material não condutor. No entanto, em uma modalidade, foi usado alumínio para fazer um rotor com efeitos negativos limitados.

Em motores convencionais, o torque total é determinado pela quantidade de aço e quantidade de cobre no motor, no rotor e no estator. É preciso haver um equilíbrio para que a correspondência entre cobre e aço consiga a melhor eficiência. No entanto, no motor da presente invenção, não existe necessidade estrita de componentes de aço no rotor ou no estator. 0 torque total é determinado pelo fluxo total nos magnetos permanentes 52 e o campo produzido pela corrente nas bobinas 34. 0 fluxo nas bobinas 34, por sua vez, é uma função de amperes de corrente que corre através das bobinas 34 vezes o número de voltas de fio em torno da bobina 34.

0 efeito adicional da densidade de fluxo média entre os magnetos permanentes 52 no rotor 36 e o fluxo médio entre os rotores 36 também afeta o torque no motor 30 presentemente descrito. A FEM de retorno ocorre apenas quando o fluxo magnético passa através de um fio que é perpendicular ao fluxo. Nos rotores 36 do motor 30 presentemente descrito , entretanto, o fluxo entre os magnetos permanentes 52 é paralelo aos enrolamentos; logo, nenhuma FEM de retorno é gerada pelo movimento do rotor 36 ao longo destas linhas de fluxo. As linhas de fluxo que se estendem entre os magnetos permanentes 52 de rotores adjacentes 36 são perpendiculares aos enrolamentos (Figura 10), causando assim a FEM de retorno quando o rotor 36 gira.

Como a potência total disponível é o fluxo combinado dos magnetos permanentes 52 e o fluxo da bobina 34, o espaçamento entre as bobinas 34 e os magnetos permanentes 52 também entra no efeito de acordo com a Lei de Biot-Savart. Note que os respectivos tamanhos tanto da bobina 34 quanto dos magnetos permanentes 52 aumenta o fluxo total disponível, assim como os números de bobinas 34 e magnetos permanentes 52 aumentam o fluxo total.

Em um motor com um diâmetro fixo e bobina fixa e tamanho de magneto permanente fixo, a densidade de fluxo média também é fixada. No entanto, a adição de mais magnetos permanentes no rotor não apenas aumenta o fluxo total no rotor como também aumenta a densidade de fluxo média entre os magnetos permanentes no rotor. 0 fluxo total de rotor para rotor também aumenta, mas o espaço permanece o mesmo, tal que a densidade de fluxo média permanece razoavelmente constante. Com a densidade de fluxo média entre os magnetos permanentes no rotor mais forte, a FEM de retorno diminui porque as linhas de fluxo são paralelas aos enrolamentos. Com esta FEM de retorno muito baixa, ao invés de a corrente ser alta a baixas velocidades rotacionais (em rpm) , a corrente sob estas condições é, na verdade, muito baixa devido às complexas linhas de fluxo dentro do rotor e de rotor para rotor. A corrente é limitada de uma maneira análoga a como o transistor de efeito de campo controla o fluxo de corrente através dele, em que a corrente é controlada pela resistência da bobina. 0 motor da presente invenção é similar a um transistor de efeito de campo em que o fluxo magnético nos rotores é controlado por uma corrente elétrica relativamente pequena nos enrolamentos do estator. 0 resultado liquido é que o motor que não tem influxo ou corrente de pico, e porque ele não tem metal magnético, pode operar a velocidade rotacional muito alta (em RPM). Em adição, por causa do alto fluxo total disponível, o motor tem torque muito alto.

As linhas de fluxo 90 para um motor típico 30, conforme descrito aqui, são mostradas esquematicamente na Figura 10. Além do mais, as Figuras 14A e 14B mostram os resultados de uma avaliação direta das linhas de fluxo magnético 90 em um motor 30, conforme descrito aqui, determinado de acordo com a distribuição de preenchimentos de metal, com relação aos componentes do motor. Conforme pode ser visto, as linhas de fluxo primárias 90 estão nos espaços entre os magnetos permanentes 52 dos rotores 36, tanto entre os magnetos permanentes 52 de rotores separados 36 quanto entre os magnetos permanentes 52 do mesmo rotor 36.

Em uma modalidade, os magnetos permanentes 52 são magnetos de terras raras. Conforme descrito acima, em uma outra modalidade, os magnetos permanentes 52 são uma estrutura compósita compreendendo duas fatias de magneto permanente 52A, de preferência, magneto de terra rara, com um outro material 52B colocado entre elas. Em uma modalidade preferida, as duas fatias de magneto 52A têm aproximadamente a mesma espessura. As fatias de magneto 52A são orientadas de tal modo que o pólo magnético sul dá face para fora em um lado do sanduíche e o pólo magnético norte dá face para fora no outro lado do sanduíche. Em uma modalidade, o material intermediário 52B entre os magnetos permanentes 52A, é material não magnético, como ferro ou aço e, em geral, o material 52B, de preferência, tem uma alta permeabilidade, capaz da densidade de fluxo nos magnetos permanentes 52A. Em uma modalidade preferida, os magnetos permanentes 52, quer sejam uma peça única ou um compósito, têm seção transversal circular e cilíndrica no geral, embora sejam possíveis outros formatos de seção transversal.

Os magnetos permanentes, ou às vezes chamados fixos, de um motor elétrico, interagem com os eletromagnetos que têm, eles próprios, polaridade alternada de modo a empurrar e puxar alternadamente o rotor 36 na direção de ou em afastamento dos magnetos permanentes 52 conforme o rotor 36 gira. É desejável ter uma alta densidade de fluxo magnético nos magnetos permanentes 52, por exemplo, 12.000 Gauss.

Conforme estabelecido anteriormente, os magnetos de terras raras funcionam especialmente bem para esta finalidade. Conforme aumenta a distância entre os pólos magnéticos norte e sul, a força do campo é adicionalmente estendida a partir da face do pólo, conforme é mostrado nas Figuras 15A, 15B e 15C. A resistência de campo aumentada, por sua vez, aumenta a potência do motor 30. No entanto, dado o custo dos magnetos de terras raras, isso pode tornar o preço de um motor feito com tais magnetos permanentes grandes, proibitivamente caro. Logo, um mecanismo alternativo para produzir uma força de campo comparável é mostrado na Figura 15D. Conforme descrito acima, na Figura 15D, uma fatia de material não magnético 52B é colocada entre dois magnetos de terra rara 52A para produzir uma unidade tendo comprimento de fluxo similar a uma fração do material de magneto de terra rara e, assim, uma fração do custo. Em uma modalidade, o material não magnetizado 52B é um metal como ferro ou uma liga que contenha ferro, como cargas de aço. Em uma outra modalidade, o material 52B é níquel cobalto. Em geral, o material de preenchimento intermediário 52B deve ter uma alta permeabilidade capaz da densidade de fluxo nos magnetos permanentes 52A. Vale a pena notar que, embora a densidade de fluxo da unidade de magneto descrita acima seja a mesma para um magneto completo com as mesmas dimensões, a força coerciva da unidade em sanduíche é diminuída ligeiramente em comparação ao magneto completo. Finalmente, como o motivo principal para proporcionar magnetos permanentes compósitos ao invés de magnetos inteiros é economizar dinheiro, na prática o custo de magnetos inteiros deve ser equilibrado contra o custo de montar os componentes de magneto compósito.

O rotor 36 e o estator 32 podem variar em tamanho com relação um ao outro. Em uma modalidade, o estator 32 tem um diâmetro maior do que o rotor 36, o que permite que o rotor 36 fique situado dentro do motor 30, enquanto o suporte estrutural para segurar as bobinas 34 do estator 32, está situado na periferia do motor 30. Similarmente, os magnetos permanentes bobinas eletromagnéticas 34 podem ter diâmetros diferentes entre si ou podem ter o mesmo diâmetro. A despeito dos diâmetros, no entanto, em uma modalidade preferida os centros dos magnetos permanentes 52 e bobinas eletromagnéticas 34 estão alinhadas entre si â mesma distância radial a partir do centro do eixo de acionamento 38, tal que os campos magnéticos dos respectivos componentes estão em alinhamento ótimo. Em uma modalidade, os magnetos permanentes (ou

compósitos, conforme descrito acima) têm a mesma espessura que o rotor, tal que o mesmo magneto dá face para fora em lados opostos do rotor, com o pólo magnético sul dando face para fora em um lado e o pólo magnético norte dando face para fora no outro lado.

A fonte de alimentação 40 é, de preferência, qualquer tipo de fonte de alimentação de corrente continua (DC) convencional que seja capaz de fornecer 30 amperes por bobina a 48 volts. No entanto, a voltagem e a amperagem podem ser diferentes, dependendo da velocidade (em RPM) e torque. A velocidade (em RPM) é dependente da voltagem, enquanto o torque é dependente da amperagem. Em geral, a fonte de alimentação 40 deve corresponder ao calibre do fio que é usado para enrolar as bobinas 34. Por exemplo, se as bobinas 34 forem enroladas com fios de calibre dez, que é calculado a 30 amperes, então a fonte de alimentação 40 tem que ser capaz de entregar 30 amperes de corrente para cada corrente 34 que esteja ativa em um dado momento. Logo, se o motor tiver seis bobinas 34, todas elas podem ser

52 e as que são energizadas ao mesmo tempo, então isso iria requerer uma fonte de alimentação 40 que fosse capaz de fornecer 180 amperes de corrente. Em uma modalidade, a fonte de alimentação 40 é uma bateria automotiva de doze volts, embora outros tipos de fontes de alimentação 40, que sejam capazes de fornecer amperagem suficiente a uma dada voltagem em corrente continua (DC), também possam ser usados. Geralmente, a fonte de alimentação 40 deve corresponder ao tamanho e potência do motor 30, com motores 30 menores requerendo fontes de alimentação 40 menores e motores 30 maiores requerendo fontes de alimentação maiores 40.

O mecanismo de controle 42 pode ser qualquer tipo que seja capaz de comutar rapidamente entre as bobinas 34 na seqüência apropriada conforme os rotores 36 giram. O mecanismo de controle 42 inclui um sensor de posição 80, que emprega diversos mecanismos de percepção de posição para rastrear a posição dos rotores 36, inclusive escovas e comutadores físicos ou óticos acoplados ao eixo de acionamento, conforme é mostrado na patente U.S. No. 4.358.693, incorporada ao contexto à guisa de referência por referência para todas as finalidades. Em adição, os sensores magnéticos 88 e as tiras 86, conforme descrito acima, também podem ser usados. A despeito do tipo de mecanismo de sensoriamento de posição que seja empregado, prefere-se que ele seja acoplado ao movimento dos rotores 36 de modo a rastrear sua posição, tal que o carregamento das bobinas 34 possa ser adequadamente coordenado com o movimento dos rotores 36. Conforme descrito acima, em uma modalidade existe uma roda de controle 84 presa de modo fixo ao eixo de acionamento 38, com o mecanismo de sensoriamento de posição estando associado à roda de controle 84.

Para resumir, qualquer mecanismo que possa rastrear a posição do rotor e fornecer esta informação a um circuito de controle, circuito este que, por sua vez, energizará as bobinas, pode ser usado com o motor da presente invenção: escovas/comutadores; foto-sensores; coletores magnéticos; comutadores acionados por carne; sensores indutores; e sensores a laser. Assim, comutadores igualmente espaçados, escovas, células de luz ou outros meios de comutação adequados ou outros meios de comutação adequados, podem ser usados e sua operação é controlada por lobos ou passagens de luz adequadas ou elementos de outros meios de sequenciamento. Uma característica preferida do mecanismo de

controle 40 é que ele deve divergir potência a partir de uma bobina 34 que esteja descarregando para uma outra bobina 34 no motor 30 que está no ponto de ser carregado. Na medida em que um motor 30 de múltiplas fases passa através de seus ciclos, as diversas bobinas 34 são carregadas e descarregadas, de acordo com a fase do ciclo do motor e posições relativas das bobinas e magnetos permanentes 52.

Por exemplo, conforme o pólo sul de uma bobina eletromagnética 34 se move na direção do pólo norte de um magneto permanente 52, existe uma força atrativa entre a bobina eletromagnética 34 e o magneto permanente 52 que gera força que, por sua vez, produz torque rotacional no motor 30. No entanto, quando as duas unidades magnéticas 34, 52 ficam alinhadas, a força que produz torque cessa e a atração entre os magnetos se torna um arraste no motor 30. Para evitar esta situação, a carga eletromagnética sobre a bobina 34 é liberada em ou antes do ponto em que a bobina eletromagnética 34 fica alinhada com o magneto permanente 52 .

A carga sobre a bobina 34 é liberada cortando-se a energia para a bobina 34. O corte de energia para a bobina 34 leva ao colapso do campo eletromagnético. Grande parte da energia liberada quando o campo entra em colapso, pode ser recapturada e usada para ajudar a carregar uma outra bobina 34 no motor 30, de preferência, uma que esteja no ponto em seu ciclo de ser carregada. Em alguns motores, uma quantidade significativa de energia é perdida e, assim, é dissipada como calor devido a uma falha em capturar e utilizar a energia do campo em colapso. Além disso, a liberação de energia associada ao campo em colapso gera calor, que tem que ser dissipado tal que o motor não superaqueça, calor este que, entre outras coisas, pode danificar o controlador. Para melhorar a eficiência e reduzir o aporte de calor, conseqüentemente, a energia do campo em colapso em uma modalidade é divergida para uma segunda bobina para fornecer energia para carregar a segunda bobina (Figura 16) .

Em uma modalidade, a energia do campo em colapso de uma bobina 34 é alimentada em uma outra bobina 34 usando um circuito 74, como o mostrado na Figura 16. O circuito 74 mostrado na Figura 16 utiliza a voltagem gerada pelo campo magnético em colapso em uma primeira bobina para fornecer a voltagem para formar corrente em uma segunda bobina no sistema do motor. Este sistema de redistribuição aumenta a eficiência e reduz a quantidade de energia que é convertida em calor associada aos campos em colapso nos motores. Nesta modalidade, quando o comutador 78 (que pode ser um transistor ou outro dispositivo de comutação adequado) é fechado, a fonte de alimentação 40 (por exemplo, uma bateria) carrega a bobina Al. Quando o comutador 78 é aberto, o campo em colapso da bobina Al energiza a bobina A2. No entanto, devido a perdas de potência, a bobina A2 pode não ser carregada tão completamente quanto a bobina Al; assim, diversas bobinas podem ser carregadas em paralelo quanto à bobina Sl e a carga total do campo em colapso para estas duas ou mais bobinas Al pode então ser alimentada na bobina A2 para dar à bobina A2 uma carga completa, igual a que a bobina Al recebe da fonte de alimentação 40.

Uma outra modalidade de um circuito 74 mostrado na Figura 17 é similar àquela mostrada na Figura 16, exceto pelo fato de que, neste caso, a bobina A2 tem uma fonte de alimentação adicional 40 fixada a ela também, separada da primeira fonte de alimentação 40 fixada diretamente à bobina Al. Se os comutadores al e a2 forem abertos e fechados alternadamente (sempre na configuração oposta um do outro, isto é, al está aberto quando a2 está fechado e vice versa) , então o campo em colapso da bobina que acabou de ser desconectada de sua respectiva fonte de alimentação, ajudará a carregar a outra bobina. Quanto ao circuito anterior, os diodos 82 ou outros dispositivos similares são inseridos nas linhas para direcionar a corrente apenas na direção de avanço. Em algumas modalidades, por exemplo, para uma configuração de motor tipo "push-pull" (empurre-puxe), é necessário que ambos os comutadores al e a2 sejam fechados ao mesmo tempo por um breve momento durante o período de transição para evitar faíscas no comutador devido à poderosa carga do campo em colapso. Nas Figuras 16 e 17, as bobinas são sempre carregadas com a mesma polaridade elétrica a cada vez que elas são ligadas, isto é, uma assim chamada configuração "push-only" (apenas empurre).

Finalmente, a Figura 18 mostra uma outra configuração de um circuito 74, similar ao circuito da Figura 17, em que ambas as bobinas Al e A2 podem utilizar a mesma fonte de alimentação 40, ao mesmo tempo em que permitem que o campo em colapso de uma bobina seja alimentado na outra bobina para ajudar a energizar a outra bobina. No motor 30 da presente invenção, este princípio pode ser expandido para qualquer número de bobinas que esteja presente no circuito para permitir que um motor 30 seja energizado por uma unida fonte de alimentação 40. Além disso, os transistores ou outros comutadores 78 são acoplados a um sensor de posição 80 que, por sua vez, é acoplado para movimentar o rotor 36, tal que o ligamento e o desligamento das bobinas 34 seja coordenado com o movimento do rotor 36.

Em uma modalidade particular, existem quatro bobinas A-D que produzem um circuito em cascata 74 (Figura 19). A fonte de alimentação 40 energiza a bobina A; quando a bobina A é desenergizada, o campo em colapso da bobina A energiza a bobina B; a seguir, o campo em colapso da bobina B energiza a bobina C; e finalmente, o campo em colapso da bobina C energiza a bobina D. 0 campo em colapso da bobina D pode então ser alimentado de volta na bobina A para completar o ciclo. Cada pulso subseqüente pode ser mais fraco devido a perda de resistência em cada etapa. No entanto, um circuito de entrada da fonte de alimentação 40 pode ser estabelecido para substituir estas perdas, tal que o pulso de carregamento para cada bobina é suficientemente forte para carregar totalmente a bobina.

Para ter certeza de que a corrente flui na direção correta entre as bobinas, são inseridos diodos 82 em série com as linhas para impedir fluxo reverso (Figura 19) . Como uma alternativa aos diodos 82 ilustrados, qualquer comutador ou dispositivo que direcione adequadamente o campo em colapso para uma outra bobina, pode ser usado. Isso assegura que a energia do campo em colapso sempre flua para o próximo diodo no ciclo, de modo "direto" e não flua "de volta" para uma bobina anterior.

Uma modalidade do principio de alimentação da energia do campo em colapso em outras bobinas do motor é mostrada para um motor de três fases, como aquele ilustrado na vista lateral da Figura 20. Nesta modalidade, os magnetos permanentes 52 são montados nos rotores 36 e as bobinas eletromagnéticas 34 são montadas nos estatores 32 (Figura 20) . Na Figura 20, um rotor 36 e estator 32 são mostrados superpostos um sobre o outro para mostrar a relação entre os dois componentes. As seis bobinas são mostradas com linhas pontilhadas e são rotuladas Α-C, havendo duas bobinas de cada fase dispostas opostamente, isto é, duas bobinas da fase A, duas bobinas da fase B e duas bobinas da fase C. Os magnetos permanentes 52 do rotor 36 são orientados com seus pólos (rotulados N ou S) dando face para o estator 32, em que os magnetos permanentes 52 adjacentes estão em orientação oposta entre si tal que eles tenham polaridade alternada em torno do rotor 36 (Figura 20) . Por questão de simplicidade, um único estator 32 e dois rotores adjacentes 36 são mostrados, embora, a principio, múltiplos rotores 36 adjacentes e estatores 32 possam ser montados para produzir potência ainda maior. As Figuras 21A-21E mostram, passo a passo, para um

motor de três fases, como as bobinas são energizadas e indicam como o campo em colapso de uma primeira bobina é alimentado em uma segunda bobina, conforme a segunda bobina é energizada. Na Figura 21A, as bobinas da fase A estão no processo de comutar e as bobinas da fase BeC estão energizadas. Neste ponto, os campos em colapso das bobinas da fase A podem ser alimentados em uma ou outra ou em ambas as bobinas da fase B e C. Na Figura 21B, as bobinas de todas as três fases Α-C, estão energizadas. Na Figura 21C, as bobinas das fases AeB são energizadas enquanto as bobinas da fase C estão no processo de comutação. Neste ponto, os campos em colapso das bobinas da fase C podem ser alimentados em uma bobina ou outra ou em ambas as bobinas de fase AeB. Na Figura 21D, as bobinas de todas as três fases A-C são energizadas mais uma vez. Finalmente, na Figura 21E, as bobinas da fase AeC são energizadas enquanto as bobinas da fase B estão comutando. Neste ponto, os campos em colapso das bobinas de fase B podem ser alimentados em uma ou outra bobina ou em ambas as bobinas de fase A e C. Embora o exemplo acima seja mostrado para um motor de três fases, na verdade estes princípios podem ser aplicados a um motor que tenha qualquer fase de duas ou mais .

0 motor elétrico 30 descrito aqui é controlado, de preferência, como um motor de múltiplas fases. Para produzir um motor de múltiplas fases 30, existem bobinas 34 situadas em diversos pontos em torno do estator 32. Estas bobinas 34 são ligadas em um padrão seqüencial particular que, em alguns casos, inclui reverter a polaridade da carga elétrica para reverter a polaridade magnética em cada estágio. Em uma modalidade preferida, existe pares de bobinas 34 que correspondem em lados opostos do estator 32 que são energizadas juntas nos mesmos pontos no ciclo do motor, isto é, estão em fase entre si. Por exemplo, em um motor de três fases, existem, de preferência, seis bobinas, onde os pares de bobinas nos lados diametralmente opostos do estator (180 graus de separação) podem ser energizados juntos. No entanto, cada fase pode compreender mais bobinas, por exemplo, três bobinas podem ser agrupadas em cada fase, o que para um motor de três fases, iria requerer um total de nove bobinas. Neste caso, as bobinas que pertencem a uma dada fase seriam igualmente espaçadas em torno do estator, com 120 graus de separação. Embora os conceitos descritos aqui possam ser usados para construir um motor que tenha duas ou mais fases, em uma modalidade preferida o motor tem três ou mais fases para acomodar mais facilmente a transferência de energia de uma bobina em descarga para uma bobina carregando. Em uma modalidade, referida como um motor "push- only", a polaridade elétrica da bobina 34 é a mesma a cada vez em que é energizada, significando que a polaridade magnética também é a mesma a cada vez que a bobina 34 é energizada. Em uma outra modalidade, a polaridade elétrica, e assim a magnética, é invertida a cada vez que a bobina é energizada. Nesta última modalidade, que às vezes é referida como uma modalidade "push-pull", o motor pode gerar mais potência, já que cada bobina é duas vezes mais ativa, seja puxando um magneto próximo na direção da bobina ou empurrando um magneto próximo para longe da bobina. No entanto, o motor ainda é operacional se as bobinas tiverem uma polaridade uniforme ou uma polaridade reversa.

0 número de magnetos permanentes nos rotores determina a fração da rotação do rotor que cada fase dura. Por exemplo, se existirem oito magnetos permanentes distribuídos em torno do rotor, cada fase dura um oitavo de uma rotação, o que corresponde a 45 graus de rotação. Similarmente, quando existem dez magnetos permanentes, cada fase dura 1/10 da rotação, ou 36 graus de rotação, e quando existem doze magnetos permanentes, cada fase tem 30 graus de rotação.

As Figuras 22A, 22B e 22C mostram uma representação linear da relação entre os magnetos permanentes 52 e as bobinas eletromagnéticas 34 em um motor de três fases 30 tendo seis bobinas 34 e oito magnetos permanentes 52. 0 diagrama é uma seção ao longo de uma linha circular que corre através do centro de cada uma das bobinas 34 e magnetos permanentes 52 . Os magnetos permanentes 52 são montados nos rotores 36 e as bobinas 34 estão no estator 32. 0 diagrama mostra dois rotores 36 adjacentes a um estator 32, embora os princípios básicos possam ser estendidos para qualquer número de rotores e estatores. De preferência, no entanto, os rotores 36 são os últimos elementos em cada extremidade de uma pilha de rotores e estatores.

Conforme é mostrado nas Figuras 22A, 22B e 22C, os magnetos permanentes 52 são dispostos com polaridade alternada. Em uma modalidade preferida, o motor 30 tem um número par de magnetos permanentes 52 tal que a polaridade dos magnetos permanentes 52 alterna continuamente em torno do rotor 36. Na modalidade ilustrada, as bobinas 34 só são energizadas com uma única polaridade, tal que a bobina 34 é energizada com aquela polaridade ou não é energizada. Na modalidade mostrada, as bobinas em pares 34, que, por sua vez estão na mesma fase, mas em lados opostos do estator, são energizadas com polaridade oposta uma da outra tal que as polaridades magnéticas sejam invertidas com relação uma a outra.

A Figura 23 mostra um diagrama de tempo para um

motor 30, como um mostrado em representação linear nas Figuras 22Δ, 22B e 22C. No topo da figura, existe uma linha marcada em incrementos de quinze graus correspondente ao ciclo rotacional dos rotores 36. Assim, as linhas associadas a cada fase abaixo desta linha, mostram como as fases se relacionam à posição de rotores 36. Em cada fase, as bobinas opostas correspondentes 34 são ligadas ou desligadas como um par, onde as bobinas correspondentes 34 têm polaridade elétrica e magnética oposta. Por exemplo, quando a bobina 1 é ligada com seu pólo magnético norte dando face em uma primeira direção, a bobina 4 disposta opostamente está desligada. Mais tarde, guando a bobina 4 for ligada com seu pólo sul magnético na primeira direção, a bobina 1 é desligada. Conforme estabelecido acima, este motor é referido às vezes como um motor "push-only", porque as bobinas nesta modalidade ilustrada sempre têm a mesma polaridade quando elas estão energizadas. Abaixo do diagrama de fase no topo da Figura 23, é mostrada uma vista lateral de um rotor e estator 32, como o tipo ilustrado no diagrama de fase, superpostos entre si. A vista lateral do motor 30 mostra como as posições dos magnetos permanentes 52 se relacionam às posições das bobinas 34.

As Figuras 24 e 25 mostram um diagrama de fase similar e vista lateral para um motor 30 que tem dezoito magnetos permanentes 52 nos rotores 36 e oito bobinas no estator 32. Novamente, as bobinas 34, quando energizadas, sempre têm a mesma polaridade, tal que o motor 30 é do tipo "push-only". Também, como acontece com outro diagrama de fase, quando a linha que representa uma fase particular é alta, uma primeira bobina das bobinas emparelhadas é ligada e uma segunda bobina é desligada e quando a linha está baixa, a primeira bobina é desligada e a segunda é ligada, com a polaridade elétrica e magnética oposta. Em ambos os casos descritos acima, como um par

particular de bobinas fica entre ser energizada ou não, a energia da bobina que está sendo desligada é alimentada à bobina que está sendo ligada, tal que a energia do campo em colapso de uma bobina possa ser capturada e não ser meramente dissipada.

É possível converter um motor como um dos descritos acima para um modo "push-pull", alternando-se a polaridade da energia usada para energizar as bobinas na transição indicada nos diagramas de fase, ao invés de simplesmente ligar uma bobina e desligar outra.

No caso de uma configuração push-pull, a energia do campo em colapso de cada par de bobinas é transferida para um conjunto diferente no estator, isto é, um conjunto de bobinas que está em uma fase diferente. No entanto, neste último caso push-pull, as bobinas nas outras fases já estariam carregadas quando a energia do campo em colapso é alimentada a elas, então, ao invés de ajudar a carregar as outras bobinas, a energia do campo em colapso ajuda a manter a carga.

Em uma modalidade, o mecanismo de controle 42 do motor 30 inclui um microprocessador programável 43 para controlar o carregamento e o descarregamento das bobinas 34 (Figura 1) . 0 microprocessador 43 recebe entrada do sensor de posição 80 e controla os comutadores 78 nos circuitos 74. Com o maior grau de controle que o microprocessador 43 permite, muitas características adicionais podem ser acrescentadas ao motor 30. Em uma modalidade, o motor 30 pode operar com

menos do que todas as bobinas 34 sendo operativas. Por exemplo, em um motor tendo múltiplos estatores 32, os estatores individuais 32 podem ser ligados ou desligados, permitindo assim que o motor gere níveis variáveis de energia, conforme for necessário. Se, por exemplo, cada estator 32 gerar 100 cavalos-força (hp) e existirem cinco estatores 32, então o motor pode gerar 100, 200, 300, 400 ou 500 hp, dependendo de quantos estatores 32 são ativados. Além disso, qualquer combinação de estatores 32 pode ser ativada em um dado momento, não existe requisito de que os estatores 32 sejam adjacentes entre si.

Em uma outra modalidade, um outro grau de controle pode ser conseguido ativando-se grupos de bobinas 34 a partir de diferentes estatores 32, enquanto outras bobinas 34 são inativas. Por exemplo, em um motor de três fases 30 com três estatores 32, um par de bobinas 34 pode ser ativado no primeiro estator 32, um outro par no segundo estator 32 e um outro no terceiro estator 32. Para isso, no entanto, é necessário que as bobinas 34 sejam ativadas em pares opostos no mesmo estado 32 e que os pares de bobinas 34 venha de diferentes fases do ciclo do motor, o que significa que elas estão distribuídas igualmente em torno da circunferência do motor.

Embora um estator particular 32 ou mesmo uma

bobina individual 34 de um estator 32 seja inativo, as bobinas 34 que estão inativas podem ser removidas para reparo ou substituição, mesmo que o motor 30 continue a funcionar.

Como podem ser feitas diversas modificações às

modalidades exemplificativas, conforme descrito acima conforme é mostrado referência às ilustrações correspondentes, sem se afastar do escopo da invenção, pretende-se que toda a matéria contida na descrição anterior e mostrada nos desenhos anexos, seja interpretada como ilustrativa, ao invés de limitante. Assim, o escopo da presente invenção não deve ser limitado por qualquer uma das modalidades exemplificativas descritas acima, mas deve ser definida apenas de acordo com as reivindicações a seguir, anexadas aqui e suas equivalentes.

Claims (21)

1. Motor elétrico com múltiplas fases, caracterizado pelo fato de compreender: um estator que compreende uma pluralidade de bobinas de fio circundando um núcleo não magnetizável; ao menos um rotor com magnetos permanentes embutidos nele, o rotor sendo disposto adjacente ao estator, o rotor sendo montado em um eixo de acionamento rotativo; uma fonte de alimentação; um sensor de posição conectado operavelmente ao rotor; e um circuito de controle conectado operavelmente à fonte de alimentação, ao sensor de posição e às bobinas de fio, para controlar a distribuição de energia elétrica para as bobinas de fio; em que o mecanismo de controle transfere carga elétrica de uma primeira bobina para uma segunda bobina.

2. Motor elétrico com múltiplas fases, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a primeira bobina é uma bobina de descarga.

3. Motor elétrico com múltiplas fases, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a segunda bobina é uma bobina de carregamento.

4. Motor elétrico com múltiplas fases, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o rotor compreende um disco que tem um par de faces opostas, com uma borda circunferencial entre elas, em que o disco é feito de um material não magnetizável.

5. Motor elétrico com múltiplas fases, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o rotor compreende adicionalmente um anel de aço fixado a uma face perto da borda circunferencial.

6. Motor elétrico com múltiplas fases, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que os magnetos permanentes compreendem um pedaço de aço disposto entre dois pedaços de magneto de terra rara, tal que pelo menos um magneto de terra rara é adjacente ao estator.

7. Motor elétrico com múltiplas fases, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o sensor de posição compreende pelo menos um de: contatos de mola acionados por came; escovas; distribuidor magnético; e um distribuidor fotoelétrico.

8. Motor elétrico com múltiplas fases, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o sensor de posição é conectado operavelmente ao rotor através do eixo de acionamento.

9. Motor elétrico com múltiplas fases, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que cada bobina de fio compreende enrolamentos de fios que estão em um plano que é paralelo a um plano de rotação do rotor.

10. Motor elétrico com múltiplas fases, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o núcleo não magnetizável compreende pelo menos um de: um tubo plástico; uma haste; e um núcleo de ar.

11. Motor elétrico com múltiplas fases, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente: um espaçador tubular oco que se projeta a partir de uma face do rotor, o espaçador sendo montado no centro rotacional do rotor, coaxial com o eixo de acionamento, o espaçador circundando o eixo de acionamento, tal que o espaçador mantém uma distância fixa entre o rotor e um segundo rotor adjacente.

12. Motor elétrico com múltiplas fases, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente: uma estrutura de armação para suportar o estator com relação ao rotor, compreendendo uma pluralidade de tiras longitudinais presas de maneira fixa a um par de placas de extremidade; em que o eixo de acionamento é suportado pelas placas de extremidade; em que as bobinas de fio do estator são fixadas de modo removível às tiras longitudinais.

13. Motor elétrico com múltiplas fases, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que o estator compreende seis bobinas e o rotor compreende oito magnetos permanentes.

14. Método de operação de um motor elétrico, caracterizado pelo fato de compreender as etapas de: fornecer iam motor elétrico que compreende: um estator compreendendo uma pluralidade de bobinas de fio que circundam um núcleo não magnetizável; um rotor montado rotativamente adjacente ao estator; uma pluralidade de magnetos permanentes montados no rotor; lima fonte de alimentação; um sensor de operação conectado operavelmente ao rotor; e um circuito de controle conectado operavelmente à fonte de alimentação, ao sensor de posição, e às bobinas de fio, para controlar a distribuição de energia elétrica para as bobinas; energizar eletricamente uma primeira bobina com a fonte de alimentação; conectar eletricamente a primeira bobina a uma segunda bobina, transferindo assim energia elétrica da primeira bobina para a segunda bobina sob a direção do controlador; e desconectar a primeira bobina da fonte de alimentação.

15. Motor elétrico de múltiplas fases, caracterizado pelo fato de compreender: um estator que compreende uma pluralidade de bobinas de fio circundando um núcleo não magnetizável, em que o núcleo não magnetizável compreende um tubo plástico; um rotor com magnetos permanentes embutidos nele, o rotor sendo disposto adjacente ao estator, o rotor sendo montado em um eixo de acionamento rotativo; uma fonte de alimentação; um sensor de posição conectado operavelmente ao rotor através do eixo de acionamento; e um circuito de controle conectado operavelmente à fonte de alimentação, ao sensor de posição e às bobinas, para controlar a distribuição de energia elétrica para as bobinas; em que o mecanismo de controle transfere carga elétrica de uma primeira bobina em descarga para uma segunda bobina em carregamento; em que o rotor compreende um disco que tem um par de faces opostas com uma borda circunferencial entre elas; em que o rotor compreende adicionalmente um anel de aço fixado a uma face perto da borda circunferencial; em que os magnetos permanentes compreendem um pedaço de metal intercalado a dois pedaços de magneto de terra rara, tal que pelo menos um magneto de terra rara esteja adjacente ao estator.

16. Motor elétrico com múltiplas fases, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que o sensor de posição compreende pelo menos um de: contatos de mola acionados por carne; escovas; e um distribuidor fotoelétrico.

17. Motor elétrico com múltiplas fases, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que o disco é feito de pelo menos um de: alumínio e resina fenólica.

18. Motor elétrico com múltiplas fases, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que cada bobina compreende enrolamentos que estão em um plano que é paralelo a um plano de rotação do rotor.

19. Motor elétrico com múltiplas fases, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que o estator compreende seis bobinas e o rotor compreende oito magnetos permanentes.

20. Motor elétrico com múltiplas fases, modular, caracterizado pelo fato de compreender: um estator que compreende uma pluralidade de bobinas de fio circundando um núcleo não magnetizável; pelo menos um rotor com magnetos permanentes embutidos nele, o rotor sendo disposto adjacente ao estator, o rotor sendo montado em um eixo de acionamento rotativo; uma estrutura de armação para suportar o estator com relação ao rotor, a estrutura de armação compreendendo uma pluralidade de tiras longitudinais se estendendo entre iam par de placas de extremidade; uma fonte de alimentação; um sensor de posição conectado operavelmente ao rotor; e um circuito de controle conectado operavelmente à fonte de alimentação, ao sensor de posição e às bobinas, para controlar a distribuição de energia elétrica para as bobinas; em que o eixo de acionamento é suportado pelas placas de extremidade; em que as bobinas do estator são fixadas de modo removível às tiras longitudinais.

21. Método para operação de um motor elétrico, caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de: fornecer um motor elétrico que compreende: uma pluralidade de estatores, sendo que cada estator compreende uma pluralidade de bobinas de fio que circundam um núcleo não magnetizável; uma pluralidade de rotores montados de modo rotatório adjacentes aos estatores, de tal modo que cada estator tenha um rotor adjacente a isto; uma pluralidade de magnetos permanentes montados em cada um dos rotores; uma fonte de alimentação; um sensor de posição sensor conectado operavelmente ao rotor; e um microprocessador conectado de modo operável à fonte de alimentação, sendo que o sensor de posição e as bobinas de fio controlam a distribuição de energia elétrica para as bobinas de fio e alimentam o motor elétrico através da ativação de somente um sub-conjunto de bobinas.