BRPI0718083A2

BRPI0718083A2 - Estatores para máquinas elétricas

Info

Publication number: BRPI0718083A2
Application number: BRPI0718083-7A
Authority: BR
Inventors: Paul Eaton Clark
Original assignee: Converteam Ltd
Priority date: 2006-10-04
Filing date: 2007-09-24
Publication date: 2014-08-19
Also published as: JP5325785B2; WO2008040937A1; RU2009116712A; GB2442507B; GB0619538D0; US20100013347A1; BRPI0718083B1; EP2076955B1; CN101523695B; GB2442507A; RU2440658C2; JP2010506549A; US7990014B2; CA2665437C; EP2076955A1; CN101523695A; CA2665437A1

Description

ESTATORES PARA MÁQUINAS ELÉTRICAS DESCRIÇÃO CAMPO TÉCNICO

A presente invenção relaciona-se a máquina elétrica rotativa e, era particular, a. máquinas elétricas que têm enrolamentos estatores de camada única que são formados pela sulcagem de espirais pré-formados dentro de sulcos de enrolaraento do tipo aberto formados em um estator e fornece um estator novel para essas máquinas elétricas.

HISTÓRICO DA TECNOLOGIA

Um método comum de formar enrolamentos estatores de camada única em grandes máquinas elétricas rotativas é sulcar uma pluralidade de espirais pré-formados dentro de sulcos de enrolamento do tipo aberto formado em uma superfície do estator. As espirais são formadas separadamente do estator e então individualmente colocadas dentro da posição nos sulcos de enrolamento durante o processo de enrolamento. Cada espiral pré-formada é construída de um ou mais condutores isolados como um laço completo e tem várias revoluções. As espirais são normalmente formadas de condutores retangulares, mas poderão também ser formadas de condutores redondos desde que a espiral completa seja de seção transversal substancialmente retangular, j Uma espiral pré-formada individual típica é mostrada na Figura I. A espiral préformada 2 tem duas corridas de enrolamento que se estendem axialmente 4 que são recebidas, cada uma, dentro de um sulco de enrolamento do tipo aberto formado no estator da máquina elétrica. A espiral pré-formada 2 tem um enrolamento final 6 em cada extremidade que se destaca da extremidade axial do estator quando a espiral é posicionada dentro dos sulcos de enrolamento. As corridas de enrolamento que se estendem axialmente 4 e o enrolamento final 6 da espiral pré-formada são ambos substancialmente retangulares em seção transversal para que a espiral possa ser recebida nos sulcos de enrolamento e funcionar de maneira apropriada.

Em máquinas elétricas com enrolamentos de camada única cada sulcò de enrolamento no estator contém apenas uma

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corrida de enrolamento 4 e as jduas corridas de enrolamento de cada espiral pré-formada são espaçados de modo a serem recebidos em sulcos de enrolaménto que são separados por um número de sulcos de enrolámento intermediários. Por exemplo, espirais pré-formadas para um enrolamento de camada única trifásico com um-sulco-por-pólo-por-fase têm um grau de inclinação (pitch) de três inclinações de sulco de enrolamento. Isto significa que as duas corridas de enrolamento que se estendem axialmente de cada espiral são recebidas em sulcos de enrolamento que possuem dois sulcos de enrolamento intermediários entre eles.

As máquinas elétricas rotativas convencionais utilizam enrolamentos estatores com uma pluralidade de espirais préformadas que se estendem radialmenté dentro do cerne do estator laminado e são espaçadas uniformemente ao redor da circunferência do estator. Os sulcos de enrolamento muitas vezes serão do 'tipo aberto' que são substancialmente de lados paralelos ao longo de seu comprimento e profundidade para que as espirais pré-formadas possam ser inseridas dentro deles em uma direção radial. Os sulcos de enrolamento normalmente serão formados paralelos ao eixo longitudinal do estator, mas em algumas máquinas elétricas eles poderão ser formados em um ângulo ao eixo longitudinal do estator de modo que a harmônica da força magneto-motiva (mmf) possa ser reduzida.

Sulcos de enrolamento que se estendem dentro do

estator ao longo de um raio do estator são geralmente preferidos por serem simples de formar e fornecem características de dentes de estator adequadas. Para as finalidades da descrição seguinte esses sulcos são

referidos como 'sulcos radiais'. Os estatores da maioria de máquinas elétricas rotativas grandes são normalmente formados de uma pluralidade de laminações empilhadas axialmente em que os sulcos de enrolamento são formados em cada laminação individual por perfurações. Em muitos casos

isto é feito um sulco de cada vez por uma máquina de perfuração de indexação e este processo é grandemente facilitado se os sulcos forem sulcos radiais. Se enrolamentos estatores de duas camadas forem utilizados, então é necessário ter sulcos de enrolamento radial para

2 0 permitir que todas as espirais pré-formadas sejam

substancialmente de formato idêntico. Sulcos radiais também maximizam a largura circunferencial dos dentes do estator formados entre os sulcos de enrolamento em todos os pontos

ao longo do comprimento radial dos dentes. Como

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conseqüência, a geração de densidades de fluxo indesejáveis nos dentes do estator durante a operação da máquina e o mmf necessário para estabelecer aquela densidade de fluxo são ambos minimizados. Ademais, ter sulcos radiais e assim maximizar a largura circunferencial dos dentes também

3 0 maximiza a força estrutural e a rigidez dos dentes de estator que são formados entre cada par de sulcos de enrolamento adjacentes e assegura que eles podem suportar as tensões a que são submetidos durante o processo de enrolamento e durante a operação da máquina elétrica.

Entretanto, para inserir as espirais pré-formadas dentro dos sulcos radiais é necessário que duas corridas de enrolamento de cada espiral seja formada para estar na mesma orientação que os sulcos radiais. Em outras palavras, as corridas de enrolamento que se estendem axialmente de cada espiral pré-formada precisa ser formada tal que, quando são recebidas nos sulcos de enrolamento, elas são paralelas uma a outra na direção axial do estator e cada uma situa-se ao longo de um raio diferente do estator. Isto significa que as corridas de enrolamento de cada espiral pré-formada será angulada em relação uma a outra. Mais especificamente, em uma máquina elétrica rotativa convencional as duas corridas de enrolamento que se estendem axialmente de cada espiral precisa ser formada a um ângulo em relação uma a outra que é igual à separação angular circunferencial entre òs planos centrais dos sulcos de enrolamento dentro dos quais as corridas de enrolamento deverão ser recebidas. 0 plano central do sulco de enrolamento do tipo aberto ê aqui definido como o plano que ê eqüidistante, e paralelo, aos lados do sulco de enrolamento. 0 plano central de um sulco radial definirá o centro angular daquele sulco ao redor da circunferência do

«

estator.

Máquinas elétricas rotativas são tipicamente formadas tal que o estator está situado radialmente fora do rotor tal que os sulcos de enrolamento são formados na superfície radialmente interna do estator. Entretanto, também é possível formar máquinas elétricas rotativas com o rotor formado radialmente fora do estator tal que os sulcos de enrolamento são formados na superfície radialmente externa do estator. As corridas de enrolamento que se estendem radialmente de cada espiral pré-formada precisa ser angulada no sentido uma da óutra ou fora uma da outra conforme necessário para ser recebida de maneira apropriada nos sulcos de enrolamento do par de sulcos de enrolamento correspondentes.

A Figura 2 mostra uma seção de um estator 8 para uma máquina elétrica rotativa convencional grande. 0 estator completo 8 contém 24 0 sulcos radiais do tipo aberto, 10 que são uniformemente espaçados ao redor da circunferência cia superfície radialmente interna do estator. Uma espiral préformada de camada única 2 da construção um-sulco-por-põlopor-fase é recebida nos sulcos de enrolamento 10 e IOd que juntos definem um par de sulcos de enrolamento. A separação angular entre os planos centrais de cada par de sulcos de enrolamento adjacentes 10 é de 1,5° (isto é, 360°/240). Cada sulco 10 se estende substancialmente paralelo ao eixo longitudinal do estator 8 e se estende dentro da superfície radialmente interna do estator ao longo de um raio do estator. Como os sulcos 10 são sulcos do tipo aberto eles são substancialmente de lados paralelos, assim possibilitando que uma corrida de enrolamento de cada espiral pré-formada seja inserido dentro de cada sulco ao longo de um raio do estator. A espiral pré-formada 2 tem um grau de inclinação de 3 sulcos e os sulcos de enrolamento 10a e IOd que recebem as corridas de enrolamento 4 são, portanto, separados por dois sulcos de enrolamento intermediários IOb e 10c. A separação angular entre os planos centrais dos sulcos de enrolamento IOa e IOd é de 4,5°. Portanto, à medida que cada sulco de enrolamento 10 5 se estende ao longo de um raio do estator,- as corridas de enrolamento que se estendem axialmente 4 da espiral préformada 2 também são anguladas em relação uma à outra por 4,5°.

Dentes de estator 14 são formados entre cada par de 10 sulcos de enrolamento adjacentes 10. Como resultado da orientação dos sulcos de enrolamento 10, os dentes do estator 14 são todos orientados ao longo de um raio do estator e são substancialmente idênticos. Ademais, como os sulcos de enrolamento 10 são de largura uniforme, os dentes 15 do estator 14 são ligeiramente mais largos em sua base do que na superfície radialmente interna do estator 8. Os dentes de estator 14 formados destà maneira são adequadamente fortes e possuem densidades de fluxo indesejável mínima dentro deles durante a operação da

2 0 máquina elétrica.

O estator que recebe um enrolamento de estator de camada única normalmente será enrolado ao inserir individualmente as espirais pré-formadas dentro dos sulcos de enrolamento. No entanto, a1 necessidade das corridas de 25 enrolamento que se estendem axialmente de cada espiral préformada ser formada a um ângulo em relação uma a outra de modo que cada corrida de enrolamento se estende ao longo de um raio do estator pode tornar difícil inserir as espirais dentro dos sulcos radiais. Isto significa que o processo de

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3 0 enrolamento é muitás vezes consumidor de tempo e podera exigir um alto grau de habilidade para impedir que as espirais pré-formadas sejam danificadas. Esses problemas são particularmente agudos em máquinas elétricas grandes com um alto número de pólos, pois as espirais pré-formadas para essas máquinas elétricas também são grandes e seus enrolamentos terminais são inerentemente duros. Assim, há uma necessidade de um estator aprimorado com sulcos de enrolamento que torna a inserção de espirais pré-formadas durante o enrolamento bem mais fácil. Há uma necessidade particular para tal estator que seja adequado para máquinas elétricas rotativas multi-fase -grandes com altos números de pólos. No entanto, é importante que qualquer estator desses gere limites aceitáveis de densidades de fluxo indesejáveis durante a operação da máquina elétrica e tenha dentes de estator formados entre seus sulcos de enrolamento que sejam suficientemente fortes.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

A presente invenção fornece um estator para uma máquina elétrica rotativa tendo um enrolamento de estator CA de camada única que inclui n espirais pré-formadas, o estator tendo uma primeira superfície cilíndrica com 2n sulcos de enrolamento do tipo aberto circunferencialmente espaçados nele formados, cada sulco de enrolamento se estendendo ao longo do comprimento axial da primeira superfície cilíndrica e tendo um plano central, em que os 2n sulcos de enrolamento definem n pares de sulcos de enrolamento, cada par tendo dois sulcos de enrolamento para receber uma das espirais e !cujos planos centrais são

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espaçados circunferencialmente na primeira superfície cilíndrica do estator por uma cUstância angular que é igual ao grau de inclinação da espiral recebida no par de sulcos de enrolamento, onde os planos’ centrais dos dois sulcos de enrolamento que formam cada par de sulcos de enrolamento são substancialmente paralelos um ao outro e pelo menos um desses planos centrais não se estende ao longo de um raio do estator.

Como é aqui utilizado, o 'plano central' de cada sulco de enrolamento do tipo aberto é definido como o plano que é substancialmente eqüidistante, e substancialmente paralelo, aos lados de cada sulco de enrolamento. Sulcos de enrolamento que têm seus planos centrais orientados ao longo de um raio de um estatòr são descritos como 'sulcos radiais'. Na descrição seguinte, os sulcos de enrolamento de um estator são numerados em direção no sentido do relógio ao redor do estator, em relação a uma primeira extremidade axial do estator. A progressão de um primeiro sulco de enrolamento de um par de sulcos de enrolamento para o segundo sulco de enrolamento do par de sulcos de enrolamento, portanto, sempre serão na direção no sentido do relógio em relação à primeira extremidade axial do estator. Finalmente, o termo 'linha axial' é definida como qualquer linha que seja paralela ao eixo rotacional central do estator.

Um estator de acordo com a presente invenção poderá ser enrolado na maneira convencional ao inserir individualmente uma espiral pré-formada adequada dentro de cada par de sulcos de enrolamento tal que cada corrida de enrolamento que se estende i axialmente da espiral é substancialmente contida dentro de um dos sulcos de enrolamento do par de sulcos de enrolamento. As corridas de enrolamento de cada espiral pré-formada estará contida em um par de sulcos de enrolamento e as corridas de enrolamento se estenderão dentro do estator em substancialmente direções paralelas.

Será prontamente apreciado que as espirais préformadas para o estator também precisarão ter corridas de enrolamento que se estendem axialmente que são substancialmente paralelas uma a outra tanto na direção axial do estator como em uma direção perpendicular. Em outras palavras, as corridas ide enrolamento não precisam ser anguladas em relação uma á outra para serem recebidas nos sulcos radiais de um estator convencional, mas podem ser tornadas substancialmente paralelas. Enrolar um estator de acordo com a presente invenção poderá ser alcançado ao simples e facilmente inserir as corridas de enrolamento paralelas de cada espiral pré-formada dentro dos sulcos de enrolamento paralelos de cada par de sulcos de enrolamento. A presente invenção, portanto, fornece uma redução significativa em tempo de enrolamento e dano às espirais pré-formadas é bem menos provável durante o processo de enrolamento. 0 estator de acordo com a presente invenção é de benefício particular em grandes máquinas elétricas com altos números de pólos, pois as espirais pré-formadas para essas máquinas são inerentemente duras.

Os sulcos de enrolamento paralelo de cada par de sulco de enrolamento pode ser considerado como sendo formado ao girar um primeiro sulco de enrolamento e um segundo sulco de enrolamento para longe da orientação que eles adotariam em um estator convencional. Por exemplo, o par de sulcos de enrolamento de um estator convencional poderá ter um primeiro sulco radial e um segundo sulco radial formados em sua superfície cilíndrica interna e os planos centrais desses sulcos poderão ser separados de modo angular ao redor da circunferência da superfície cilíndrica interior do estator por 4,5°. Para formar um par de sulcos de enrolamento paralelos a orientação do primeiro e do segundo sulcos radiais pode ser ajustada. 0 primeiro e o segundo sulcos radiais poderiam ser tornados paralelos ao girar o primeiro sulco no sentido do relógio e o segundo sulco no sentido contrário ao do relógio da orientação radial convencional por 2,25° ao redor da linha de interseção entre seus planos centrais e a superfície cilíndrica interior do estator. Um estator completo de acordo com á presente invenção poderia ser formado ao estender o conceito acima para todos os pares de sulcos de enrolamento de um estator convencional ao alterar a orientação dos sulcos radiais.

No exemplo acima tanto o primeiro sulco radial e o segundo sulco radial são girados pela mesma quantidade, mas deve ser apreciado que pares de sulcos de enrolamento paralelos também poderão ser formados ao girar o primeiro sulco radial e o segundo sulco radial por quantidades diferentes. Por exemplo, em vtez de girar o primeiro e o segundo sulcos radiais por 2,25°, o primeiro sulco radial poderia permanecer alinhado com o raio do estator e o segundo sulco radial poderia ser girado no sentido contrário ao do relógio por 4,5°. Alternativamente, o primeiro sulco radial poderia ser girado no sentido do relógio por 3o e o segundo sulco radial poderia ser girado no sentido contrário ao do relógio por 1,5°. Para este exemplo particular, o primeiro e o segundo sulcos radiais podem, cada um deles, ser girado por qualquer quantidade (sujeito às considerações de |projeto discutidas abaixo) desde que a soma dos ângulos através dos quais os dois sulcos são girados for igual a 4,5°.

Também é possível que um ou os dois dos sulcos radiais poderiam ser girados ao redor de linhas axiais outras que não as linhas de interseção entre seus planos centrais e a primeira superfície cilíndrica do estator. Por exemplo, um ou os dois dos sulcos radiais poderiam ser girados ao redor de sua borda dianteira na primeira superfície cilíndrica do estator ou eles poderiam ser girados ao redor de linhas axiais em seus planos centrais que se situam dentro do estator. Os sulcos radiais poderiam até ser girados ao redor de linhas que são axialmente paralelas aos sulcos, mas que estão localizadas á uma distância deles. No entanto, a rotação ao redor ide linhas fora dos sulcos girados afetará a profundidade idos sulcos girados e em tais casos é necessário assegurar que cada sulco girado não seja fundo demais ou que ele retém profundidade suficiente para conter satisfatoriamente uma espiral de enrolamento préformado adequado.

Em termos gerais, para ajustar o projeto de um estator convencional com sulcos radiais para formar pares de sulcos de enrolamento paralelos, a soma do ângulo através do qual o primeiro sulco radial é girado no sentido do relógio e o ângulo através do qual o segundo sulco radial é girado no sentido contrário ao do relógio é igual à separação angular entre os pontos ao redor dos quais cada sulco radial é girado. j Os mesmos requisitos para criar pares de sulcos de enrolamento paralelos também pode ser aplicado aos sulcos de enrolamento formados em uma superfície circunferencial exterior do estator (isto é, para uma máquina elétrica rotativa em que o rotor está radialmente fora do estator).

Quando do projeto de um estator de acordo com a presente invenção, o grau relativo preferido de rotação do primeiro e do segundo sulco , de cada par de sulcos de enrolamento fora de suas orientações radiais convencionais

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e da linha axial preferida ao redor da qual eles são, cada um deles, girados será dependente de um número de fatores de projeto. Esses fatores incluem a resistência mecânica dos dentes de estator formadas entre cada par de sulcos de enrolamento adjacentes, a densidade de fluxo dentro dos dentes do estator, o método dè construção do estator e o número de sulcos de enrolamento formados no estator. Esses fatores serão prontamente apreciados pelas pessoas habilitadas, mas são discutidos em maior detalhe abaixo.

Os efeitos dos pares de sulcos de enrolamento paralelos nos dentes do estator formados entre os sulcos de enrolamento são particularmente importantes. Como foi explicado acima, em um estator convencional cada dente de estator será idêntico e formado entre dois sulcos radiais substancialmente de lados paralelos. Quando sulcos radiais são formados na superfície circunferencial interna de um estator os dentes do estator são substancialmente radiais e são mais largos em sua raiz do que na superfície do estator. A largura de cada dente de estator é definida pela largura circunferencial e a separação angular dos sulcos de enrolamento, que são dependentes do número de sulcos de enrolamento formados ao redor do estator. No entanto, os dentes de estator nos estatores de acordo com a presente invenção serão distorcidos deste formato e orientação convencionais devido à presença de sulcos de enrolamento não radiais. 0 formato de cada dente de estator em um estator de acordo com a presente invenção dependerá não apenas das dimensões e separação dos sulcos de enrolamento adjacentes, mas também pela orientação desses sulcos de enrolamento. Ademais, como a orientação de diferentes sulcos de enrolamento ao redor de qualquer estator individual poderá ser girada da orientação dos sulcos radiais convencionais equivalentes por diferentes quantidades em direções diferentes e ao redor de linhas axiais diferentes os dentes de estator formados ao redor do estator de acordo com a presente invenção poderão nao ser todos idênticos.

0 tamanho, o formato e k orientação dos dentes do estator são importantes para a operação da máquina

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elétrica. Por exemplo, é necessário que todos os dentes do estator tenham resistência mecânica suficiente para suportar quaisquer forças mecânicas a que poderão ser submetidas durante o enrolamento do estator e as forças produtoras de torque a que são submetidos durante a operação da máquina elétrica. As características de vibração dos dentes do estator são outro fator importante.

É importante que nenhum dos dentes do estator ressone com as forças eletromagnéticas produzidas durante a operação da máquina elétrica. Isto é porque essa ressonância pode produzir um nível de ruído inaceitável, reduz a eficiência da máquina elétrica e, em casos extremos, causa mesmo a falha completa. Para evitar a ressonância com a máquina elétrica os dentes do estator poderão ser projetados para serem 'fracos' ou 'fortes' em relação às freqüências de ressonância da máquina. As características de vibração de 5 qualquer dente de estator individual são definidas por seu tamanho e formato de uma maneira que seria conhecida da pessoa habilitada.

A geração de densidades de fluxo magnético inaceitáveis nos dentes do estator durante a operação de 10 uma máquina elétrica também é! influenciada pelo tamanho, formato e orientação dos dentes. Portanto, é importante que o estator da presente invenção seja projetado tal que a densidade de fluxo máquina gerada nos dentes do estator esteja dentro de limites aceitáveis. O efeito do tamanho e 15 do formato dos dentes do estator na geração de densidades de fluxo magnético pode ser prevista utilizando, por exemplo, qualquer técnica de modelagem adequada.

O espaçamento angular dos sulcos na primeira superfície cilíndrica do estator é outro fator de projeto

2 0 importante. Em um estator convencional os sulcos de

enrolamento são uniformemente espaçados ao redor da superfície cilíndrica do estator e o grau de inclinação angular dos sulcos de enrolamento é, portanto, também uniforme. É possível manter esse espaçamento no estator da 25 presente invenção. No entanto, também é possível formar estatores da presente invenção que possuem sulcos de enrolamento que não são uniformemente espaçados ao redor da primeira superfície cilíndrica do estator. Por exemplo, se cada sulco de enrolamento for formado em uma posição que é

3 0 girada para longe da orientação do sulco radial convencional equivalente ao redor de uma linha axial que está em meio do caminho abaixo do plano central do sulco de enrolamento então os sulcos de enrolamento serão desigualmente espaçados ao redor da primeira superfície cilíndrica do estator. Isto poderá ter um efeito na harmônica de espaço mmf no hiato de ar entre o estator e o rotor durante a operação da máquina elétrica. Os efeito de qualquer padrão de espaçamento devem, portanto, ser considerados quando do projeto do estator. Os efeitos poderão ser previstos utilizando, por exemplo, qualquer técnica de modelagem adequada.

Outra consideração de projeto importante é o método de construção do próprio cerne do estator. Os cernes do estator são convencionalmente construídos de laminações de aço rolado que são empilhadas uma em cima da outra na direção axial do estator. Laminações sucessivas são normalmente giradas uma em relação à outra para facilitar a construção do cerne. Isto é porque as laminações não são geralmente de espessura uniforme, pois o aço rolado é mais fino nas bordas do que no meio. Tipicamente, cernes de estator de dimensões pequena e média são formados de laminações de anel sucessivas que são, cada uma delas, girada em 90° em relação às laminações adjacentes. Grandes estatores, e em particular aqueles com diâmetros de cerne maiores do que cerca de 1250 mm, são geralmente formados de laminações segmentais. Os segmentos de cada laminação sucessiva são tipicamente posicionados para se sobreporem aos segmentos das laminações axialmente adjacentes por 50% ou 33 1/3% dependendo do projeto específico do cerne do estator. A orientação dos sulcos de enrolamento em um estator de acordo com a presente invenção é preferivelmente compatível com o deslocamento angular relativo das laminações utilizadas para formar o cerne. Isto normalmente exigirá algum grau de simetria rotacional dos sulcos de enrolamento ao redor do eixo rotacional da máquina elétrica.

0 estator de acordo com a presente invenção só será prático se as considerações de projeto acima foram satisfeitas de maneira adequada. Conseqüentemente a presente invenção poderá não ser bem adequada para todas as máquinas elétricas. Por exemplo, a presente invenção poderá não ser bem adequada para máquinas elétricas em que quaisquer dois sulcos de enrolamento adjacentes sejam obrigados a ser orientados tal que eles impingiriam um sobre o outro, assim tornando a formação de um dente de estator forte entre esses sulcos de enrolamento impossível. Isto seria mais provável de ocorrer em estatores pequenos com baixos números de pólos ou em máquinas que exigem sulcos de enrolamento particularmente largos.

No entanto, a presente invenção é particularmente bem adequada para grandes máquinas elétricas que têm altos números de pólos. Isto é porque o número de sulcos de enrolamento formados no estator em uma máquina elétrica é geralmente proporcional ao número de pólos e a separação angular mediana entre sulcos de enrolamento adjacentes na primeira superfície cilíndrica do estator é inversamente proporcional ao número de sulcos e, portanto, o número de pólos. Isso significa que quanto mais pólos a máquina elétrica tiver, tanto mais sulcos de enrolamento ela terá e a separação angular entre esses sulcos será mais baixa. Isto é particularmente importante porque a quantidade pela qual cada sulco de enrolamento de cada par de sulco de enrolamento precisar ser girado da orientação do sulco radial convencional equivalente para que os dois sulcos sejam paralelos é diretamente dependente da separação angular dos dois sulcos. Quando mais baixa for a separação angular dos dois sulcos de enrolamento tanto menos eles precisarão ser girados e mais fácil será de satisfazer os critérios de projeto necessários. Por exemplo, dentes do estator são muito mais provável de serem fortes e ter características de vibração aceitáveis se os sulcos de enrolamento em qualquer dos lados de cada dente de estator forem formados a apenas um ângulo relativamente pequeno à orientação dos sulcos radiais convencionais equivalentes do que se os sulcos de enrolamento forem formados em ângulos maiores.

Estatores da presente invenção são preferivelmente formados tal que cada sulco de enrolamento ao redor do estator é orientado ao mesmo ângulo da orientação do sulco radial convencional equivalente e que cada sulco de enrolamento é girado daquela orientação ao redor de uma linha axial que se situa ao longo do plano central do sulco de enrolamento e está na mesma distância radial do eixo longitudinal do estator. Isto é, é geralmente preferido que cada sulco de enrolamento seja girado ao redor de uma linha axial que se situa ao longo de uma superfície cilíndrica que é coaxial com o estator. Por exemplo, a superfície cilíndrica poderá ser a primeira superfície cilíndrica do estator ou ela poderá ser uma segunda superfície cilíndrica que não é a superfície cilíndrica interna ou externa do estator, mas é efetivamente definida dentro do corpo do próprio estator. Um sulco radial convencional formaria um ângulo agudo de interseção com a superfície cilíndrica ao longo do qual se situam as linhas axiais de rotação. Se cada sulco de enrolamento for orientado ao mesmo ângulo que a orientação do sulco radial convencional equivalente, então o ângulo agudo de interseção formado entre cada sulco e a superfície cilíndrica relevante será igual.

Por exemplo, em um estator com 24 0 sulcos de enrolamento e um enrolamento de estator de camada única e trifásico, é geralmente preferido que cada sulco de enrolamento seja formado a um ângulo de 2,25° â orientação do sulco radial convencional equivalente e que cada sulco

de enrolamento seja girado para fora daquela orientação ao

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redor da linha de interseção êntre seu plano central e a primeira superfície cilíndrica do estator. Esta disposição de sulcos de enrolamento é preferida porque ela permite que a simetria rotacional dos sulcos de enrolamento ao redor do estator seja maximizada. Simetria rotacional aumentada é um benefício, pois ela pode minimizar a magnitude das densidades de fluxo indesejáveis geradas nos dentes do estator e possibilita que o desempenho do estator seja mais bem previsto. Ademais, como foi explicado acima, um alto grau de simetria rotacional é às vezes necessária para possibilitar a construção de estatores formados de laminações axialmente empilhadas, particularmente se o estator for grande. Finalmente, pelo menos alguns dos dentes do estator que são formados em um estator com sulcos orientados da maneira acima poderão ser alinhados ao longo de um raio do estator e dependendo da largura do sulco particular, o enrolamento do estator e a linha axial de rotação de cada um dos sulcos de enrolamento, isso poderá levar a dentes adequadamente fortes com características de vibração aceitáveis.

A linha axial preferida aò redor da qual cada sulco ê girado variará dependendo do projeto preciso de cada máquina elétrica. Em algumas máquinas será preferível que cada sulco de enrolamento seja girado para fora da orientação dos sulcos radiais convencionais equivalentes ao redor da linha de interseção entre o plano central de cada sulco e a primeira superfície cilíndrica do estator porque isso permite que os sulcos sejam uniformemente espaçados na primeira superfície cilíndrica do estator e a harmônica de espaço mmf da máquina elétrica será substancialmente não afetada pela rotação dos sulcos. Em outras palavras, a harmônica de espaço mmf será similar daquelas para o estator convencional tendo sulcos radiais.

Em outras máquinas elétricas poderá ser preferível que cada sulco de enrolamento seja girado para fora da orientação dos sulcos radiais convencionais equivalentes ao redor de uma linha axial que se situa ao longo do plano central de cada sulco. Por exemplo, cada sulco de enrolamento poderá ser girado ao redor de uma linha axial ao longo do plano central e cerca de meio caminho para baixo da profundidade de cada sulco muito embora isso resultará em espaçamento de sulco de enrolamento não uniforme na primeira superfície cilíndrica do estator. Enrolar sulcos orientados clesta maneira poderá ser preferido, pois eles poderão possibilitar que o volume de todos os dentes do estator sejam substancialmente iguais. Isso muitas vezes possibilitará que os dentes do estator tenham resistência adequada e características de vibração e também poderá auxiliar no controle da geração de fluxo indesejável nos dentes. Também vale a pena observar que o 5 espaçamento não-uniforme dos sulcos de enrolamento na primeira superfície cilíndrica do estator não é necessariamente prejudicial à operação da máquina elétrica. Em alguns casos a harmônica do espaço mmf alterado que são produzidos poderá efetivamente ser preferível a aqueles 10 produzidos nos estatores convencionais.

Embora estatores de acoriâo com a presente invenção poderão ser utilizados em qualquer máquina elétrica com um enrolamento de estator de camada única, eles são particularmente adequados para máquinas tendo números muito 15 baixo de enrolamento de sulcos-por-pólo-por-fase, e em particular um sulco-por-pólo-por-fase. Isto é porque é possível formar estatores de acordo com a presente invenção que são adequados para receber enrolamentos de estator de camada única multi-fase (tipicamente, mas não 20 exclusivamente, trifásicos) que têm dentes de estator que são, cada um deles, simétrico ao redor de um raio do estator. Mais especificamente, isto é possível se todos os sulcos de enrolamento são orientados ao mesmo ângulo em relação à orientação do sulco radial convencional 25 equivalente e são girados para fora daquela orientação ao redor de linhas axiais na mesma distância do eixo do estator. Essas versões da presente invenção são

particularmente preferidas, pois dentes de estator que são

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simétrico ao redor de um rãio do estator poderão ser 3 0 relativamente fortes e tenderem a ter características de vibração aceitáveis, dependendo do projeto especifico da máquina elétrica.

Será apreciado que a disposição preferida do estator para qualquer máquina elétrica' rotativa particular e suas propriedades resultantes não dependerão apenas dos fatores discutidos acima. Outros fatores poderão incluir a largura e profundidade necessários dos sulcos de enrolamento e a energia desejada e a velocidade operacional da máquina elétrica rotativa, por exemplo.

DESENHOS

Os recursos e vantagens da presente invenção tornarse-ão mais aparentes da descrição detalhada seguinte de uma versão preferida da invenção quando tomados em conjunto com os desenhos acompanhantes, nos quais:

A Figura 1 mostra uma espiral pré-formada de camada única individual de acordo com a tecnologia anterior.

A Figura 2 é uma visão esquemática de uma parte de um estator e da espiral pré-formada única de acordo com a tecnologia anterior.

A Figura 3 é uma visão esquemática de uma seção de um estator de acordo com a presente invenção com um-sulco-porpólo-por-fase e tendo um enrolamento de estator de camada única de duas camadas trifásico. E

A Figura 4 é uma visão esquemática de uma seção de uma versão preferida de um estatdr de acordo com a presente

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invenção. i

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A Figura 3 mostra um estator que tem um enrolamento de estator de camada única de duas camadas trifásico com um sulco-por-pólo-por-fase. 0 estator 28 é mostrado de maneira altamente esquemática para mostrar o enrolamento do estator e será prontamente apreciado que as dimensões ilustradas do estator 28 não correspondem às dimensões efetivas. A Figura

3 é orientada tal que os raiofe do estator 28 se estendem dentro do papel, o eixo longitudinal do estator 28 é 5 paralelo à direção vertical do papel e a circunferência do estator 28 é paralela à direção horizontal do papel. A seção do estator 28 que é mostrada na Figura 3 inclui doze sulcos de enrolamento 3 0 e cada sulco contém a corrida de enrolamento que se estende axialmente 24 de uma espiral 10 pré-formada 22. Cada espiral tem um grau de inclinação de três sulcos de enrolamento 3 0 e duas corridas de enrolamento 24 de cada espiral 22 e estão, portanto, contidas nos sulcos de enrolamento 3 0 que são separados por dois sulcos de enrolamento intermediários. Como o estator 15 28 contém um enrolamento de estator trifásico, ele contém espirais fase A, espirais fase B e espirais fase C. As espirais fase A são indicadasj por linhas pontilhadas, as espirais fase B são indicadas! por linhas negritadas e as espirais fase C são indicadas! por linhas serrilhadas. No 20 entanto, será compreendido que as espirais de fases diferentes 22 são todas formadas da mesma maneira e são substancialmente idênticas; as espirais de fase são apenas ilustradas desta maneira de modo que as fases diferentes possam ser claramente identificadas. Os sulcos de

2 5 enrolamento 3 0 também foram numerados para indicar qual espiral 22 eles contêm. Por exemplo, os sulcos de enrolamento 30 numerados B2 contêm cada um uma corrida de enrolamento que se estende axialmente 24 da segunda espiral fase B onde as espirais 22 são contadas da esquerda para a 30 direita (isto é, na direção do sentido do relógio) . Será observado que os dois sulcos í de enrolamento B2 3 0 são separados um do outro pelos sulcos de enrolamento Al e C2 intermediários 30. A sobreposição das espirais 22 em cada extremidade axial do estator 2 8 é acomodada em duas camadas como está mostrado. Por exemplo, a espiral 22 contida nos sulcos de enrolamento B2 sobrepõe-se as espirais 22 contidas nos sulcos de enrolamento Al e C2 3 0 fora do estator 28 tal que as espirais sobrepostas 22 formam duas camadas em cada axial do estator 28. A espiral 22 contida na espiral de enrolamento B2 forma a mais interna das duas camadas em uma primeira extremidade axial do estator 2 8 (isto é, acima do estator como está mostrado na Figura 3) e a mais externa das duas camadas em uma segunda extremidade axial do estator 28 (isto é, abaixo do estator como é mostrado na Figura 3).

Um sulco de enrolamento convencional (isto é, um sulco radial) seria orientado com seu plano central ao longo de um raio do estator. O enrolamento de estator trifásico de camada única de dois andares com um sulco-por-pólo-por-fase como é mostrado na Figura 3 permite que cada par de sulcos de enrolamento adjacentes 30 sejam girados para fora da orientação dos sulcos radiais convencionais equivalentes em direções opostas. Isto significa que cada um dos dentes do estator 34 formados entre os sulcos de enrolamento 30 poderão ser substancialmente simétricos ao redor de um raio do estator 28. Tal disposição é preferida, pois ela pode minimizar a geração de densidades de fluxo indesejáveis e poderá fornecer dentes de: estator fortes 34 com características de vibração adequadas.

A Figura 4 é uma visão esquemática de uma seção da extremidade axial de um estator 2 8 de acordo com uma versão preferida da presente invenção. Os sulcos de enrolamento 3 0 são sulcos do tipo aberto com lados substancialmente paralelos. Dentes do estator 34 são formados entre cada par

de sulcos de enrolamento adjacentes 30. Apenas uma parte do

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estator 28 é mostrada na Figura 4, mas o estator completo contém 240 sulcos de enrolamento. Os sulcos de enrolamento

3 0 são formados de maneira tal que eles são espaçados uniformemente ao redor da superfície radialmente interna do estator 28 e a separação angular dos planos centrais de cada par de sulcos de enrolamento adjacentes 3 0 na superfície radialmente interna do estator é, portanto, 1,5° (360°/24 0). O estator 2 8 é adequado para um enrolamento de estator trifásico de camada única e dois andares como é indicado pelos números de espirais de enrolamento Al, Cl, B2, Al, etc., mostrado em alguns dos sulcos de enrolamento, que são numerados da mesma maneira que os sulcos de enrolamento 3 0 na Figura 3.

O plano central de cada sulco de enrolamento 3 0 é angulado para fora de um raio do estator 28 pela mesma quantidade. Para que os dois sulcos de enrolamento 3 0 que compreendem cada par de sulcos de enrolamento estejam substancialmente paralelos um com o outro, cada sulco de enrolamento 3 0 é angulado para| fora de um raio do estator 28 e no sentido do outro sulco:de enrolamento 3 0 do par de sulcos por 2,25°. Para manter o espaçamento uniforme dos sulcos de enrolamento 3 0 ao redor da superfície radialmente interna do estator 28, os sulcos de enrolamento são todos formados em orientações que são giradas para fora de um raio do estator ao redor das linhas de interseção de seus planos centrais e a superfície radialmente interna do estator. Por exemplo, os planos centrais dos dois sulcos de enrolamento 3 0 que formam o par de sulcos de enrolamento B2 (e que, portanto, recebem as corridas de enrolamento que se estende axialmente da segunda espiral fase B) tem uma separação angular circunferencial de 4,5° na superfície radialmente interna do estator 28. Cada sulco de enrolamento 3 0 no par de sulcos de enrolamento B2 é

angulado para fora de um raio do estator 28 e no sentido do

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outro sulco de enrolamento por ]2,25°. Mais particularmente, o plano central do sulco de enrolamento mais à esquerda do par de sulcos de enrolamento B2 é girado para fora de um raio do estator 2 8 na direção do sentido do relógio por 2,25° e o plano central do sulco mais à direita do par de sulcos de enrolamento B2 é girado de um raio do estator na direção contrária ao sentido do relógio por 2,25°. Os planos centrais dos dois sulcos do par de sulcos de enrolamento B2 são, portanto, formados substancialmente paralelos um ao outro. Da mesma forma os dois sulcos de enrolamento que juntos definem qualquer par de sulcos de enrolamento particular são formados tal que seus planos centrais são substancialmente paralelos um ao outro. Isto está em contraste direto com os estatores convencionais dotados de sulcos radiais em que os planos centrais dos dois sulcos de enrolamento de qualquer par de sulcos de enrolamento particular são angulados com relação um ao outro.

Para mostrar mais claramente a angulação dos sulcos de enrolamento 30 em relação aos raios do estator 28, os planos centrais de dois sulcos de enrolamento adjacentes 3 0 são indicados pelas linhas XX e ZZ. A linha YY é paralela a um raio do estator 28 e representa o plano central do dente do estator 34 formado entre os dois sulcos de enrolamento adjacentes 30. Em um estator convencional as linhas XX e ZZ seriam ambas paralelas aos raios do estator e, portanto, estariam a um ângulo de 0,75° à linha YY. Todas as três linhas XX, YY e ZZ também coincidiriam no eixo central do estator 8. No entanto, no estator de acordo com a presente invenção mostrado na Figura 4, ambos os sulcos de enrolamento 30 são angulados para longe de um raio do estator 28 e no sentido um do outro por 2,25°. Portanto, o ângulo formado entre a linha XX e a linha YY é de 1,5° e o ângulo formado entre a linha YY e a linha ZZ é de 1,5°. As linhas XX, YY e ZZ agora coincidem em um ponto radialmente fora do estator 28. Somente a linha YY se estende ao longo de um raio do estator e assim passa através do eixo central do estator 28. Desta maneira pares de sulcos de enrolamento paralelos são formados. Por exemplo, o sulco de enrolamento cujo plano central é indicado pela linhá XX é um sulco de enrolamento Cl e é substancialmente paralelo ao outro sulco de enrolamento Cl mostrado na Figura 4 para formar um par de sulcos de enrolamento Cl.

Os dentes do estator 34 formados entre cada par de sulcos de enrolamento adjacentes 30 são substancialmente simétricos ao redor de um raio do estator 28. A largura de cada um dos dentes do estator 34 é definida pela largura dos sulcos de enrolamento 3 0 a qualquer lado de cada dente 34 e o grau de inclinação dos sulcos de enrolamento na superfície do estator. Os sulcos de enrolamento 3 0 precisam ser largos o suficiente para acomodar as corridas de enrolamento que se estendem axialmente das espirais 22, mas precisam também ser suficientemente estreitos para conter as corridas de enrolamento com segurança e assegurar que os dentes de estator intermediários 34 são fortes o suficiente para suportar as tensões a que são colocados durante a operação da máquina elétrica. Dada a rotação de sulcos de enrolamento adjacentes 3 0 em direções opostas, dois dentes de estator dimensionados e formatados diferentes 343 são formados alternativamente ao redor do estator 28. Quando os dois sulcos de enrolamento 3 0 adjacentes a um dente de estator 34 forem ambos girados para longe do dente do estator então ele será mais largo em sua raiz do que em sua borda radialmente interna e terá um volume maior do que o dente em um estator convencional equivalente com sulcos radiais. Entretanto, quando os dois sulcos de enrolamento adjacentes a um dente de estator 34 forem ambos girados no sentido do dente do estator, então ele será mais estreito em sua raiz do que em sua borda radialmente interna e terá volume menor do que a do dente formado em um estator convencional equivalente. É importante que ambos os tipos de dentes 34 sejam suficientemente fortes e que tenham características adequadas de vibração, conforme foi discutido acima. !

O estator 28 mostrado na Figura 4 tem a simetria rotacional de 120 vezes, que é :metade daquela de um estator convencional equivalente. Como isso é apenas uma redução relativamente pequena na simetria rotacional, ela pode ser prontamente acomodada no projeto dos segmentos de laminação para permitir que os estatores de acordo com a presente invenção sejam construídos de laminações segmentais de maneira convencional. Ademais, a redução mínima na simetria rotacional poderá ajudar a minimizar qualquer aumento na densidade de fluxo indesejável nos dentes do estator 34 devido aos sulcos de enrolamento não-radiais 30.

Claims

1. Máquina elétrica rotativa caracterizada pòr compreender: um enrolamento de estator de camada única multi-fase que inclui n espirais pré-formadas (22), em que cada espiral pré-formada inclui um par de corridas de enrolamento (24) que são substancialmente paralelos a cada outro em ambas as direções axiais do estator e a direção na qual eles se estendem dentro do estator; e um estator tendo uma primeira superfície cilíndrica com 2n de sulcos de enrolamento do tipo aberto circunferencialmente espaçados (3 0) nele formado, cada sulco de enrolamento (3 0) estendendo-se ao longo de um comprimento axial da primeira superfície cilíndrica e tendo um plano central, em que os 2n sulcos de enrolamento (3 0) definem n pares de sulcos de enrolamento, cada par tendo dois sulcos de enrolamento (30) para receber uma das espirais (22) que são separadas por um ou mais sulcos intermediários e cujos planos centrais são espaçados circunferencialmente na primeira superfície cilíndrica do estator por uma distância angular que é igual ao grau de inclinação angular da espiral (22) recebida no par de sulcos de enrolamento, em que os planos centrais dos dois sulcos de enrolamento (30) que formam cada par de sulcos de enrolamento são substancialmente paralelos um ao outro e pelo menos um desses planos centrais não se estende ao longo de um raio do estator (28).

2. Máquina elétrica rotativa, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato da primeira superfície cilíndrica ser a superfície radialmente interna do estator (28) .

3. Máquina elétrica rotativa, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato da primeira superfície cilíndrica ser a superfície radialmente externa do estator (28) .

4. Máquina elétrica rotativa, de acordo com qualquer reivindicação 1, 2 ou 3, caracterizada pelo fato dos planos centrais dos sulcos de enrolamento (30) serem espaçados angularmente de maneira uniforme ao redor da primeira superfície cilíndrica do estator (28).

5. Máquina elétrica rotativa, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato do plano central de cada sulco de enrolamento (3 0) intersectar a primeira superfície cilíndrica em um primeiro ângulo agudo da interseção e em que todos os primeiros ângulos agudos da interseção ao redor da primeira superfície cilíndrica serem iguais.

6. Máquina elétrica rotativa de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2 ou 3, caracterizado por incluir ainda uma segunda superfície cilíndrica que é coaxial com a primeira superfície cilíndrica do estator (28) e é definida dentro do corpo do estator (28) tal que o plano central de cada sulco de enrolamento (30) intersecta a segunda superfície cilíndrica ao longo de uma linha de interseção e as linhas de interseção são espaçadas de maneira uniforme ao redor da circunferência da segunda superfície cilíndrica.

7. Máquina elétrica rotativa, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato do plano central de cada sulco de enrolamento (3 0) intersectar a segunda superfície cilíndrica em um segundo ângulo agudo de interseção e todos os segundos ângulos agudos de interseção ao redor da segunda superfície cilíndrica serem iguais.

8. Máquina elétrica rotativa, de acordo com qualquer reivindicação 1, 2, 3, 4, 5, 6 ou 7, caracterizado pelo fato do estator (28) possuir simetria rotativa de n-vezes.

9. Máquina elétrica rotativa, de acordo com qualquer reivindicação 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 ou 8, caracterizado pelo fato da primeira superfície cilíndrica ter um diâmetro maior que 1250 mm.

10. Máquina elétrica rotativa, de acordo com qualquer reivindicação 1,2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 ou 9, caracterizado pelo fato de n ser igual a 120.

11. Máquina elétrica rotativa, de acordo com qualquer reivindicação 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 ou 10, caracterizado pelo fato do estator ter um-sulco-por-pólopor-fase. <·

12. Máquina elétrica rotativa, de acordo com qualquer reivindicação 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 ou 11, caracterizada pelo fato do enrolamento do estator ser um enrolamento de estator de camada de dois andares.

13. Máquina elétrica rotativa, de acordo com qualquer reivindicação 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 ou 12, caracterizada pelo fato do enrolamento do estator ser um enrolamento de estator de camada única de dois andares, trifásico.