BRPI0718083B1

BRPI0718083B1 - máquina elétrica rotativa

Info

Publication number: BRPI0718083B1
Application number: BRPI0718083A
Authority: BR
Inventors: Eaton Clark Paul
Original assignee: Converteam Ltd; Converteam Uk Ltd
Priority date: 2006-10-04
Filing date: 2007-09-24
Publication date: 2018-10-16
Also published as: RU2440658C2; CA2665437C; EP2076955B1; CN101523695A; US20100013347A1; JP2010506549A; RU2009116712A; US7990014B2; GB2442507A; JP5325785B2; EP2076955A1; WO2008040937A1; GB2442507B; CN101523695B; GB0619538D0; BRPI0718083A2; CA2665437A1

Description

(54) Titulo: MÁQUINA ELÉTRICA ROTATIVA (51) lnt.CI.: H02K 1/16 (30) Prioridade Unionista: 04/10/2006 GB 0619538.2 (73) Titular(es): CONVERTEAM UK LTD.

(72) Inventor(es): PAUL EATON CLARK (85) Data do Início da Fase Nacional: 06/04/2009

1/22 “MÁQUINA ELÉTRICA ROTATIVA”

Descrição

Campo Técnico [001] A presente invenção relaciona-se a uma máquina elétrica rotativa e, em particular, a máquinas elétricas que têm enrolamentos estatores de camada única que são formados pela sulcagem de bobinas pré-formadas dentro de ranhuras de enrolamento do tipo aberta formadas em um estator e fornece um estator novo para essas máquinas elétricas.

Histórico da Tecnologia [002] Um método comum de formar enrolamentos estatores de camada única em grandes máquinas elétricas rotativas é encaixar uma pluralidade de bobinas pré-formadas dentro de ranhuras de enrolamento do tipo aberta formada em uma superfície do estator. As bobinas são formadas separadamente do estator e então individualmente colocadas dentro da posição nas ranhuras de enrolamento durante o processo de enrolamento. Cada bobina pré-formada é construída de um ou mais condutores isolados como um laço completo e tem várias revoluções. As bobinas são normalmente formadas de condutores retangulares, mas poderão também ser formadas de condutores redondos desde que a bobina completa seja de seção transversal substancialmente retangular. Uma bobina pré-formada individual típica é mostrada na Figura 1. A bobina pré-formada 2 tem dois lados de bobinas que se estendem axialmente 4 que são recebidos, cada um, dentro de uma ranhura de enrolamento do tipo aberta formada no estator da máquina elétrica. A bobina pré-formada 2 tem um enrolamento final 6 em cada extremidade que se destaca da extremidade axial do estator quando a bobina é posicionada dentro das ranhuras de enrolamento. Os lados de bobinas que se estendem axialmente 4 e o enrolamento final 6 da bobina pré-formada são ambos substancialmente retangulares em seção transversal para que a bobina possa ser recebida nas ranhuras de enrolamento e funcionar de maneira apropriada.

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2/22 [003] Em máquinas elétricas com enrolamentos de camada única cada ranhura de enrolamento no estator contém apenas um lado de bobina 4 e os dois lados de bobinas de cada bobina pré-formada são espaçados de modo a serem recebidos em ranhuras de enrolamento que são separadas por um número de ranhuras de enrolamento intermediários. Por exemplo, bobinas préformadas para um enrolamento de camada única trifásico com uma-ranhurapor-pólo-por-fase têm um passo angular (pitch) de três inclinações de ranhura de enrolamento. Isto significa que os dois lados de bobinas que se estendem axialmente de cada bobina são recebidos em ranhuras de enrolamento que possuem duas ranhuras de enrolamento intermediários entre elas.

[004] As máquinas elétricas rotativas convencionais utilizam enrolamentos estatores com uma pluralidade de bobinas pré-formadas que se estendem radialmente dentro do cerne do estator laminado e são espaçadas uniformemente ao redor da circunferência do estator. As ranhuras de enrolamento muitas vezes serão do ‘tipo aberta’ que são substancialmente de lados paralelos ao longo de seu comprimento e profundidade para que as bobinas pré-formadas possam ser inseridas dentro delas em uma direção radial. As ranhuras de enrolamento normalmente serão formadas paralelas ao eixo longitudinal do estator, mas em algumas máquinas elétricas elas poderão ser formadas em um ângulo ao eixo longitudinal do estator de modo que a harmônica da força magneto-motiva (mmf) possa ser reduzida.

[005] Ranhuras de enrolamento que se estendem dentro do estator ao longo de um raio do estator são geralmente preferidas por serem simples de formar e fornecem características de dentes de estator adequadas. Para as finalidades da descrição seguinte essas ranhuras são referidas como ‘ranhuras radiais’. Os estatores da maioria de máquinas elétricas rotativas grandes são normalmente formados de uma pluralidade de laminações empilhadas axialmente em que as ranhuras de enrolamento são formadas em cada laminação individual por perfurações. Em muitos casos isto é feito uma

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3/22 ranhura de cada vez por uma máquina de perfuração de indexação e este processo é grandemente facilitado se as ranhuras forem ranhuras radiais. Se enrolamentos estatores de duas camadas forem utilizados, então é necessário ter ranhuras de enrolamento radiais para permitir que todas as bobinas préformadas sejam substancialmente de formato idêntico. Ranhuras radiais também maximizam a largura circunferencial dos dentes do estator formados entre as ranhuras de enrolamento em todos os pontos ao longo do comprimento radial dos dentes. Como 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 ranhuras radiais e assim maximizar a largura circunferencial dos dentes também maximiza a força estrutural e a rigidez dos dentes de estator que são formados entre cada par de ranhuras 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.

[006] Entretanto, para inserir as bobinas pré-formadas dentro das ranhuras radiais é necessário que dois lados de bobinas de cada bobina sejam formados para estar na mesma orientação que as ranhuras radiais. Em outras palavras, os lados de bobinas que se estendem axialmente de cada bobina pré-formada precisam ser formados tal que, quando são recebidos nas ranhuras de enrolamento, eles são paralelos um ao outro na direção axial do estator e cada um situa-se ao longo de um raio diferente do estator. Isto significa que os lados de bobinas de cada bobina pré-formada serão angulados em relação um ao outro. Mais especificamente, em uma máquina elétrica rotativa convencional os dois lados de bobinas que se estendem axialmente de cada bobina precisam ser formados a um ângulo em relação um ao outro que é igual à separação angular circunferencial entre os planos centrais das ranhuras de enrolamento dentro dos quais os lados de bobinas deverão ser recebidos. O

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4/22 plano central da ranhura de enrolamento do tipo aberta é aqui definido como o plano que é eqüidistante, e paralelo, aos lados da ranhura de enrolamento. O plano central de uma ranhura radial definirá o centro angular daquela ranhura ao redor da circunferência do estator.

[007] Máquinas elétricas rotativas são tipicamente formadas tal que o estator está situado radialmente fora do rotor tal que as ranhuras de enrolamento são formadas na superfície radialmente interna do estator. Entretanto, também é possível formar máquinas elétricas rotativas com o rotor formado radialmente fora do estator tal que as ranhuras de enrolamento são formadas na superfície radialmente externa do estator. Os lados de bobinas que se estendem radialmente de cada bobina pré-formada precisam ser angulados no sentido um do outro ou fora um do outro conforme necessário para ser recebido de maneira apropriada nas ranhuras de enrolamento do par de ranhuras de enrolamento correspondentes.

[008] A Figura 2 mostra uma seção de um estator 8 para uma máquina elétrica rotativa convencional grande. O estator completo 8 contém 240 ranhuras radiais do tipo aberta, 10 que são uniformemente espaçadas ao redor da circunferência da superfície radialmente interna do estator. Uma bobina pré-formada de camada única 2 da construção uma-ranhura-por-pólopor-fase é recebida nas ranhuras de enrolamento 10 e 10d que juntas definem um par de ranhuras de enrolamento. A separação angular entre os planos centrais de cada par de ranhuras de enrolamento adjacentes 10 é de 1,5° (isto é, 3607240). Cada ranhura 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 as ranhuras 10 são ranhuras do tipo aberta elas são substancialmente de lados paralelos, assim possibilitando que um lado da bobina de cada bobina pré-formada seja inserido dentro de cada ranhura ao longo de um raio do estator. A bobina pré-formada 2 tem um passo angular de 3 ranhuras e as ranhuras de enrolamento 10a e 10d

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5/22 que recebem os lados de bobinas 4 são, portanto, separadas por duas ranhuras de enrolamento intermediárias 10b e 10c. A separação angular entre os planos centrais das ranhuras de enrolamento 10a e 10d é de 4,5°. Portanto, à medida que cada ranhura de enrolamento 10 se estende ao longo de um raio do estator, os lados de bobinas que se estendem axialmente 4 da bobina préformada 2 também são angulados em relação um ao outro por 4,5°.

[009] Dentes de estator 14 são formados entre cada par de ranhuras de enrolamento adjacentes 10. Como resultado da orientação das ranhuras de enrolamento 10, os dentes do estator 14 são todos orientados ao longo de um raio do estator e são substancialmente idênticos. Ademais, como as ranhuras de enrolamento 10 são de largura uniforme, os dentes 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 desta maneira são adequadamente fortes e possuem densidades de fluxo indesejável mínima dentro deles durante a operação da máquina elétrica.

[0010] O estator que recebe um enrolamento de estator de camada única normalmente será enrolado ao inserir individualmente as bobinas pré-formadas dentro das ranhuras de enrolamento. No entanto, a necessidade dos lados de bobinas que se estendem axialmente de cada bobina pré-formada serem formados a um ângulo em relação um ao outro de modo que cada lado de bobina se estende ao longo de um raio do estator pode tornar difícil inserir as bobinas dentro das ranhuras radiais. Isto significa que o processo de enrolamento é muitas vezes consumidor de tempo e poderá exigir um alto grau de habilidade para impedir que as bobinas pré-formadas sejam danificadas. Esses problemas são particularmente agudos em máquinas elétricas grandes com um alto número de pólos, pois as bobinas 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 ranhuras de enrolamento que torna a inserção de bobinas préPetição 870180068203, de 06/08/2018, pág. 16/37

6/22 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 suas ranhuras de enrolamento que sejam suficientemente fortes.

Sumário da Invenção [0011] A presente invenção fornece um estator para uma máquina elétrica rotativa tendo um enrolamento de estator CA de camada única que inclui n bobinas pré-formadas, o estator tendo uma primeira superfície cilíndrica com 2n ranhuras de enrolamento do tipo aberta circunferencialmente espaçadas nele formadas, cada ranhura de enrolamento se estendendo ao longo do comprimento axial da primeira superfície cilíndrica e tendo um plano central, em que as 2n ranhuras de enrolamento definem n pares de ranhuras de enrolamento, cada par tendo duas ranhuras de enrolamento para receber uma das bobinas e cujos planos centrais são espaçados circunferencialmente na primeira superfície cilíndrica do estator por uma distância angular que é igual ao passo angular da bobina recebida no par de ranhuras de enrolamento, onde os planos centrais das duas ranhuras de enrolamento que formam cada par de ranhuras 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.

[0012] Como é aqui utilizado, o ‘plano central’ de cada ranhura de enrolamento do tipo aberta é definido como o plano que é substancialmente eqüidistante, e substancialmente paralelo, aos lados de cada ranhura de enrolamento. Ranhuras de enrolamento que têm seus planos centrais orientados ao longo de um raio de um estator são descritas como ‘ranhuras radiais’. Na descrição seguinte, as ranhuras de enrolamento de um estator são

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7/22 numeradas em sentido horário ao redor do estator, em relação a uma primeira extremidade axial do estator. A progressão de uma primeira ranhura de enrolamento de um par de ranhuras de enrolamento para a segunda ranhura de enrolamento do par de ranhuras de enrolamento, portanto, sempre será no sentido horário 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.

[0013] Um estator de acordo com a presente invenção poderá ser enrolado na maneira convencional ao inserir individualmente uma bobina préformada adequada dentro de cada par de ranhuras de enrolamento tal que cada lado de bobina que se estende axialmente da bobina é substancialmente contido dentro de uma das ranhuras de enrolamento do par de ranhuras de enrolamento. Os lados de bobinas de cada bobina pré-formada estarão contidos em um par de ranhuras de enrolamento e os lados de bobinas se estenderão dentro do estator em substancialmente direções paralelas.

[0014] Será prontamente apreciado que as bobinas pré-formadas para o estator também precisarão ter lados de bobinas que se estendem axialmente que são substancialmente paralelos um ao outro tanto na direção axial do estator como em uma direção perpendicular. Em outras palavras, os lados de bobinas não precisam ser angulados em relação um ao outro para serem recebidos nas ranhuras radiais de um estator convencional, mas podem ser tomadas substancialmente paralelos. Enrolar um estator de acordo com a presente invenção poderá ser alcançado ao simples e facilmente inserir os lados de bobinas paralelas de cada bobina pré-formada dentro das ranhuras de enrolamento paralelos de cada par de ranhuras de enrolamento. A presente invenção, portanto, fornece uma redução significativa em tempo de enrolamento e dano às bobinas pré-formadas é bem menos provável durante o processo de enrolamento. O estator de acordo com a presente invenção é de benefício particular em grandes máquinas elétricas com altos números de

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8/22 pólos, pois as bobinas pré-formadas para essas máquinas são inerentemente duras.

[0015] As ranhuras de enrolamento paralelas de cada par de ranhura de enrolamento podem ser consideradas como sendo formadas ao girar uma primeira ranhura de enrolamento e uma segunda ranhura de enrolamento para longe da orientação que elas adotariam em um estator convencional. Por exemplo, o par de ranhuras de enrolamento de um estator convencional poderá ter uma primeira ranhura radial e uma segunda ranhura radial formadas em sua superfície cilíndrica interna e os planos centrais dessas ranhuras poderão ser separados de modo angular ao redor da circunferência da superfície cilíndrica interior do estator por 4,5°. Para formar um par de ranhuras de enrolamento paralelas a orientação da primeira e da segunda ranhura radiais pode ser ajustada. A primeira e a segunda ranhuras radiais poderíam ser tornadas paralelas ao girar a primeira ranhura no sentido horário e a segunda ranhura no sentido anti-horário 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 a presente invenção poderia ser formado ao estender o conceito acima para todos os pares de ranhuras de enrolamento de um estator convencional ao alterar a orientação das ranhuras radiais.

[0016] No exemplo acima tanto a primeira ranhura radial e a segunda ranhura radial são giradas pela mesma quantidade, mas deve ser apreciado que pares de ranhuras de enrolamento paralelos também poderão ser formados ao girar a primeira ranhura radial e a segunda ranhura radial por quantidades diferentes. Por exemplo, em vez de girar a primeiro e a segunda ranhuras radiais por 2,25°, a primeira ranhura radial poderia permanecer alinhada com o raio do estator e a segunda ranhura radial poderia ser girada no sentido anti-horário por 4,5°. Alternativamente, a primeira ranhura radial poderia ser girada no sentido horário por 3° e a segunda ranhura radial poderia

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9/22 ser girada no sentido anti-horário por 1,5°. Para este exemplo particular, a primeira e a segunda ranhuras radiais podem, cada uma delas, ser girada por qualquer quantidade (sujeito às considerações de projeto discutidas abaixo) desde que a soma dos ângulos através dos quais as duas ranhuras são giradas for igual a 4,5°.

[0017] Também é possível que uma ou as duas das ranhuras radiais poderíam ser giradas 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, uma ou as duas das ranhuras radiais poderíam ser giradas ao redor de sua borda dianteira na primeira superfície cilíndrica do estator ou elas poderíam ser giradas ao redor de linhas axiais em seus planos centrais que se situam dentro do estator. As ranhuras radiais poderíam até ser giradas ao redor de linhas que são axialmente paralelas às ranhuras, mas que estão localizadas a uma distância delas. No entanto, a rotação ao redor de linhas fora das ranhuras giradas afetará a profundidade das ranhuras giradas e em tais casos é necessário assegurar que cada ranhura girada não seja funda demais ou que ela retém profundidade suficiente para conter satisfatoriamente uma bobina de enrolamento pré-formada adequada.

[0018] Em termos gerais, para ajustar o projeto de um estator convencional com ranhuras radiais para formar pares de ranhuras de enrolamento paralelos, a soma do ângulo através do qual a primeira ranhura radial é girada no sentido horário e o ângulo através do qual a segunda ranhura radial é girada no sentido anti-horário é igual à separação angular entre os pontos ao redor dos quais cada ranhura radial é girada.

[0019] Os mesmos requisitos para criar pares de ranhuras de enrolamento paralelos também pode ser aplicado às ranhuras de enrolamento formadas em uma superfície circunferencial exterior do estator (isto é, para uma máquina elétrica rotativa em que o rotor está radialmente fora do estator).

[0020] Quando do projeto de um estator de acordo com a presente

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10/22 invenção, o grau relativo preferido de rotação da primeira e da segunda ranhura de cada par de ranhuras de enrolamento fora de suas orientações radiais convencionais e da linha axial preferida ao redor da qual elas são, cada uma delas, giradas será dependente de um número de fatores de projeto. Esses fatores incluem a resistência mecânica dos dentes de estator formadas entre cada par de ranhuras de enrolamento adjacentes, a densidade de fluxo dentro dos dentes do estator, o método de construção do estator e o número de ranhuras de enrolamento formadas no estator. Esses fatores serão prontamente apreciados pelas pessoas habilitadas, mas são discutidos em maior detalhe abaixo.

[0021] Os efeitos dos pares de ranhuras de enrolamento paralelos nos dentes do estator formados entre as ranhuras de enrolamento são particularmente importantes. Como foi explicado acima, em um estator convencional cada dente de estator será idêntico e formado entre duas ranhuras radiais substancialmente de lados paralelos. Quando ranhuras radiais são formadas 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 das ranhuras de enrolamento, que são dependentes do número de ranhuras 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 ranhuras de enrolamento não radiais. O formato de cada dente de estator em um estator de acordo com a presente invenção dependerá não apenas das dimensões e separação das ranhuras de enrolamento adjacentes, mas também pela orientação dessas ranhuras de enrolamento. Ademais, como a orientação de diferentes ranhuras de enrolamento ao redor de qualquer estator individual poderá ser girada da orientação das ranhuras radiais convencionais equivalentes por diferentes quantidades em direções

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11/22 diferentes e ao redor de linhas axiais diferentes os dentes de estator formados ao redor do estator de acordo com a presente invenção poderão não ser todos idênticos.

[0022] O tamanho, o formato e a orientação dos dentes do estator são importantes para a operação da máquina 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 forque 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 qualquer dente de estator individual são definidas por seu tamanho e formato de uma maneira que seria conhecida da pessoa habilitada.

[0023] A geração de densidades de fluxo magnético inaceitáveis nos dentes do estator durante a operação de 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 do formato dos dentes do estator na geração de densidades de fluxo magnético pode ser prevista utilizando, por exemplo, qualquer técnica de modelagem adequada.

[0024] O espaçamento angular das ranhuras na primeira superfície cilíndrica do estator é outro fator de projeto importante. Em um

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12/22 estator convencional as ranhuras de enrolamento são uniformemente espaçadas ao redor da superfície cilíndrica do estator e o passo angular das ranhuras de enrolamento é, portanto, também uniforme. É possível manter esse espaçamento no estator da presente invenção. No entanto, também é possível formar estatores da presente invenção que possuem ranhuras de enrolamento que não são uniformemente espaçadas ao redor da primeira superfície cilíndrica do estator. Por exemplo, se cada ranhura de enrolamento for formada em uma posição que é girada para longe da orientação da ranhura radial convencional equivalente ao redor de uma linha axial que está em meio do caminho abaixo do plano central da ranhura de enrolamento então as ranhuras de enrolamento serão desigualmente espaçadas 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 efeitos 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.

[0025] 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

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13/22 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 das ranhuras 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 das ranhuras de enrolamento ao redor do eixo rotacional da máquina elétrica.

[0026] O 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 duas ranhuras de enrolamento adjacentes sejam obrigadas a ser orientadas tal que elas impingiríam uma sobre a outra, assim tornando a formação de um dente de estator forte entre essas ranhuras de enrolamento impossível. Isto seria mais provável de ocorrer em estatores pequenos com baixos números de pólos ou em máquinas que exigem ranhuras de enrolamento particularmente largas.

[0027] 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 ranhuras de enrolamento formados no estator em uma máquina elétrica é geralmente proporcional ao número de pólos e a separação angular mediana entre ranhuras de enrolamento adjacentes na primeira superfície cilíndrica do estator é inversamente proporcional ao número de ranhuras e, portanto, o número de pólos. Isso significa que quanto mais pólos a máquina elétrica tiver, tanto mais ranhuras de enrolamento ela terá e a separação angular entre esses ranhuras será mais baixa. Isto é particularmente importante porque a quantidade pela qual cada ranhura de enrolamento de cada par de ranhura de enrolamento precisar ser girada da orientação da

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14/22 ranhura radial convencional equivalente para que as duas ranhuras sejam paralelas é diretamente dependente da separação angular das duas ranhuras. Quando mais baixa for a separação angular das duas ranhuras de enrolamento tanto menos elas precisarão ser giradas 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 as ranhuras de enrolamento em qualquer dos lados de cada dente de estator forem formados a apenas um ângulo relativamente pequeno à orientação das ranhuras radiais convencionais equivalentes do que se as ranhuras de enrolamento forem formadas em ângulos maiores.

[0028] Estatores da presente invenção são preferivelmente formados tal que cada ranhura de enrolamento ao redor do estator é orientada ao mesmo ângulo da orientação da ranhura radial convencional equivalente e que cada ranhura de enrolamento é girada daquela orientação ao redor de uma linha axial que se situa ao longo do plano central da ranhura de enrolamento e está na mesma distância radial do eixo longitudinal do estator. Isto é, é geralmente preferido que cada ranhura de enrolamento seja girada 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. Uma ranhura 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 ranhura de enrolamento for orientada ao mesmo ângulo que a orientação da ranhura radial convencional equivalente, então o ângulo agudo de interseção formado entre cada ranhura e a superfície cilíndrica relevante será igual.

[0029] Por exemplo, em um estator com 240 ranhuras de enrolamento e um enrolamento de estator de camada única e trifásico, é

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15/22 geralmente preferido que cada ranhura de enrolamento seja formada a um ângulo de 2,25° à orientação da ranhura radial convencional equivalente e que cada ranhura de enrolamento seja girada para fora daquela orientação ao redor da linha de interseção entre seu plano central e a primeira superfície cilíndrica do estator. Esta disposição de ranhuras de enrolamento é preferida porque ela permite que a simetria rotacional das ranhuras 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 ranhuras orientados da maneira acima poderão ser alinhados ao longo de um raio do estator e dependendo da largura da ranhura particular, o enrolamento do estator e a linha axial de rotação de cada um das ranhuras de enrolamento, isso poderá levar a dentes adequadamente fortes com características de vibração aceitáveis.

[0030] A linha axial preferida ao redor da qual cada ranhura é girada variará dependendo do projeto preciso de cada máquina elétrica. Em algumas máquinas será preferível que cada ranhura de enrolamento seja girada para fora da orientação das ranhuras radiais convencionais equivalentes ao redor da linha de interseção entre o plano central de cada ranhura e a primeira superfície cilíndrica do estator porque isso permite que as ranhuras sejam uniformemente espaçadas na primeira superfície cilíndrica do estator e a harmônica de espaço mmf da máquina elétrica será substancialmente não afetada pela rotação das ranhuras. Em outras palavras, a harmônica de espaço mmf será similar daquelas para o estator convencional tendo ranhuras radiais.

[0031] Em outras máquinas elétricas poderá ser preferível que

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16/22 cada ranhura de enrolamento seja girada para fora da orientação das ranhuras radiais convencionais equivalentes ao redor de uma linha axial que se situa ao longo do plano central de cada ranhura. Por exemplo, cada ranhura de enrolamento poderá ser girada ao redor de uma linha axial ao longo do plano central e cerca de meio caminho para baixo da profundidade de cada ranhura muito embora isso resultará em espaçamento de ranhura de enrolamento não uniforme na primeira superfície cilíndrica do estator. Enrolar ranhuras orientadas desta maneira poderá ser preferido, pois elas 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 espaçamento não-uniforme das ranhuras 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 produzidos nos estatores convencionais.

[0032] Embora estatores de acordo 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 baixo de enrolamento de ranhuras-por-pólo-por-fase, e em particular uma ranhura-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 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 todas as ranhuras de enrolamento são orientadas ao mesmo ângulo em relação à orientação da ranhura radial convencional equivalente e são giradas para fora daquela orientação ao redor de linhas axiais na mesma distância do

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17/22 eixo do estator. Essas versões da presente invenção são particularmente preferidas, pois dentes de estator que são simétricos ao redor de um raio do estator poderão ser relativamente fortes e tenderem a ter características de vibração aceitáveis, dependendo do projeto específico da máquina elétrica.

[0033] 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 das ranhuras de enrolamento e a energia desejada e a velocidade operacional da máquina elétrica rotativa, por exemplo.

Desenhos [0034] Os recursos e vantagens da presente invenção tornar-seão mais aparentes da descrição detalhada seguinte de uma versão preferida da invenção quando tomados em conjunto com os desenhos acompanhantes.

[0035] A Figura 1 mostra uma bobina pré-formada de camada única individual de acordo com a tecnologia anterior.

[0036] A Figura 2 é uma visão esquemática de uma parte de um estator e da bobina pré-formada única de acordo com a tecnologia anterior.

[0037] A Figura 3 é uma visão esquemática de uma seção de um estator de acordo com a presente invenção com uma-ranhura-por-pólo-por-fase e tendo um enrolamento de estator de camada única de dois andares trifásico.

[0038] A Figura 4 é uma visão esquemática de uma seção de uma versão preferida de um estator de acordo com a presente invenção.

[0039] A Figura 3 mostra um estator que tem um enrolamento de estator de camada única de dois andares trifásico com uma ranhura-por-pólopor-fase. O 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 raios do estator 28 se estendem dentro do

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18/22 papel, o eixo longitudinal do estator 28 é 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 ranhuras de enrolamento 30 e cada ranhura contém a lado de bobina que se estende axialmente 24 de uma bobina pré-formada 22. Cada bobina tem um passo angular de três ranhuras de enrolamento 30 e dois lados de bobinas 24 de cada bobina 22 estão, portanto, contidos nas ranhuras de enrolamento 30 que são separadas por duas ranhuras de enrolamento intermediárias. Como o estator 28 contém um enrolamento de estator trifásico, ele contém bobinas fase A, bobinas fase B e bobinas fase C. As bobinas fase A são indicadas por linhas pontilhadas, as bobinas fase B são indicadas por linhas negritadas e as bobinas fase C são indicadas por linhas serrilhadas. No entanto, será compreendido que as bobinas de fases diferentes 22 são todas formadas da mesma maneira e são substancialmente idênticas; as bobinas de fase são apenas ilustradas desta maneira de modo que as fases diferentes possam ser claramente identificadas. As ranhuras de enrolamento 30 também foram numeradas para indicar qual bobina 22 elas contêm. Por exemplo, as ranhuras de enrolamento 30 numerados B2 contêm cada uma um lado de bobina que se estende axialmente 24 da segunda bobina fase B onde as bobinas 22 são contadas da esquerda para a direita (isto é, no sentido horário). Será observado que as duas ranhuras de enrolamento B2 30 são separadas uma da outra pelas ranhuras de enrolamento A1 e C2 intermediários 30. A sobreposição das bobinas 22 em cada extremidade axial do estator 28 é acomodada em dois andares como está mostrado. Por exemplo, a bobina 22 contida nas ranhuras de enrolamento B2 sobrepõe-se as bobinas 22 contidas nas ranhuras de enrolamento A1 e C2 30 fora do estator 28 tal que as bobinas sobrepostas 22 formam dois andares em cada axial do estator 28. A bobina 22 contida na bobina de enrolamento B2 forma o mais interno dos dois andares em uma primeira extremidade axial do estator 28 (isto é, acima do estator como está

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19/22 mostrado na Figura 3) e o mais externo dos dois andares em uma segunda extremidade axial do estator 28 (isto é, abaixo do estator como é mostrado na Figura 3).

[0040] Uma ranhura de enrolamento convencional (isto é, uma ranhura radial) seria orientada com seu plano central ao longo de um raio do estator. O enrolamento de estator trifásico de camada única de dois andares com uma ranhura-por-pólo-por-fase como é mostrado na Figura 3 permite que cada par de ranhuras de enrolamento adjacentes 30 seja girado para fora da orientação das ranhuras radiais convencionais equivalentes em direções opostas. Isto significa que cada um dos dentes do estator 34 formados entre as ranhuras 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.

[0041] A Figura 4 é uma visão esquemática de uma seção da extremidade axial de um estator 28 de acordo com uma versão preferida da presente invenção. As ranhuras de enrolamento 30 são ranhuras do tipo aberta com lados substancialmente paralelos. Dentes do estator 34 são formados entre cada par de ranhuras de enrolamento adjacentes 30. Apenas uma parte do estator 28 é mostrada na Figura 4, mas o estator completo contém 240 ranhuras de enrolamento. As ranhuras de enrolamento 30 são formadas de maneira tal que elas são espaçadas uniformemente ao redor da superfície radialmente interna do estator 28 e a separação angular dos planos centrais de cada par de ranhuras de enrolamento adjacentes 30 na superfície radialmente interna do estator é, portanto, 1,5° (3607240). O estator 28 é adequado para um enrolamento de estator trifásico de camada única e dois andares como é indicado pelos números de bobinas de enrolamento A1, C1, B2, A1, etc., mostrado em algumas das ranhuras de enrolamento, que são numeradas da mesma maneira que as ranhuras de enrolamento 30 na Figura 3.

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20/22 [0042] O plano central de cada ranhura de enrolamento 30 é angulado para fora de um raio do estator 28 pela mesma quantidade. Para que as duas ranhuras de enrolamento 30 que compreendem cada par de ranhuras de enrolamento estejam substancialmente paralelas uma com a outra, cada ranhura de enrolamento 30 é angulada para fora de um raio do estator 28 e no sentido da outra ranhura de enrolamento 30 do par de ranhuras por 2,25°. Para manter o espaçamento uniforme das ranhuras de enrolamento 30 ao redor da superfície radialmente interna do estator 28, as ranhuras de enrolamento são todas formadas 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 das duas ranhuras de enrolamento 30 que formam o par de ranhuras de enrolamento B2 (e que, portanto, recebem os lados de bobinas que se estende axialmente da segunda bobina fase B) tem uma separação angular circunferencial de 4,5° na superfície radialmente interna do estator 28. Cada ranhura de enrolamento 30 no par de ranhuras de enrolamento B2 é angulada para fora de um raio do estator 28 e no sentido da outra ranhura de enrolamento por 2,25°. Mais particularmente, o plano central da ranhura de enrolamento mais à esquerda do par de ranhuras de enrolamento B2 é girado para fora de um raio do estator 28 no sentido horário por 2,25° e o plano central da ranhura mais à direita do par de ranhuras de enrolamento B2 é girado de um raio do estator no sentido antihorário por 2,25°. Os planos centrais das duas ranhuras do par de ranhuras de enrolamento B2 são, portanto, formados substancialmente paralelos um ao outro. Da mesma forma as duas ranhuras de enrolamento que juntas definem qualquer par de ranhuras de enrolamento particular são formadas tal que seus planos centrais são substancialmente paralelos um ao outro. Isto está em contraste direto com os estatores convencionais dotados de ranhuras radiais em que os planos centrais das duas ranhuras de enrolamento de qualquer par de ranhuras de enrolamento particular são angulados com relação um ao outro.

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21/22 [0043] Para mostrar mais claramente a angulação das ranhuras de enrolamento 30 em relação aos raios do estator 28, os planos centrais de duas ranhuras de enrolamento adjacentes 30 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 as duas ranhuras 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, ambas as ranhuras de enrolamento 30 são anguladas para longe de um raio do estator 28 e no sentido uma da outra 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 ranhuras de enrolamento paralelos são formados. Por exemplo, a ranhura de enrolamento 30 cujo plano central é indicado pela linha XX é uma ranhura de enrolamento C1 e é substancialmente paralela à outra ranhura de enrolamento C1 mostrada na Figura 4 para formar um par de ranhuras de enrolamento C1.

[0044] Os dentes do estator 34 formados entre cada par de ranhuras 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 das ranhuras de enrolamento 30 a qualquer lado de cada dente 34 e o passo angular das ranhuras de enrolamento na superfície do estator. As ranhuras de enrolamento 30 precisam ser largas o suficiente para acomodar os lados de bobinas que se estendem axialmente das bobinas 22, mas precisam também ser suficientemente estreitas para conter os lados de bobinas com segurança e assegurar que os dentes de estator intermediários 34

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22/22 são fortes o suficiente para suportar as tensões a que são colocados durante a operação da máquina elétrica. Dada a rotação de ranhuras de enrolamento adjacentes 30 em direções opostas, dois dentes de estator dimensionados e formatados diferentes 343 são formados alternativamente ao redor do estator 28. Quando as duas ranhuras de enrolamento 30 adjacentes a um dente de estator 34 forem ambas giradas 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 ranhuras radiais. Entretanto, quando as duas ranhuras de enrolamento 30 adjacentes a um dente de estator 34 forem ambas giradas 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.

[0045] 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 as ranhuras de enrolamento não-radiais 30.

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Claims

Reivindicações

1. MÁQUINA ELÉTRICA ROTATIVA compreendendo:

um enrolamento de estator de camada única multi-fase que inclui n bobinas pré-formadas (22), em que cada bobina pré-formada inclui um par de lados de bobinas (24) que são paralelos um ao 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 ranhuras de enrolamento do tipo aberta circunferencialmente espaçados (30) nele formado, cada ranhura de enrolamento (30) estendendo-se ao longo de um comprimento axial da primeira superfície cilíndrica e tendo um plano central, em que as 2n ranhuras de enrolamento (30) definem n pares de ranhuras de enrolamento, cada par tendo duas ranhuras de enrolamento (30) para receber uma das bobinas (22) que são separadas por uma ou mais ranhuras intermediárias e cujos planos centrais são espaçados circunferencialmente na primeira superfície cilíndrica do estator por uma distância angular que é igual ao passo angular da bobina (22) recebida no par de ranhuras de enrolamento, caracterizada pelo fato de que os planos centrais das duas ranhuras de enrolamento (30) que formam cada par de ranhuras de enrolamento são 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 uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada pelo fato dos planos centrais das

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2/3 ranhuras 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 ranhura de enrolamento (30) 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 a 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 ranhura 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 ranhura de enrolamento (30) 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 uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato do estator (28) possuir simetria rotativa de n-vezes.
9. MÁQUINA ELÉTRICA ROTATIVA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato da primeira superfície cilíndrica ter um diâmetro maior que 1250 mm.
10. MÁQUINA ELÉTRICA ROTATIVA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de n ser igual a 120.
11. MÁQUINA ELÉTRICA ROTATIVA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato do estator ter umaPetição 870180068203, de 06/08/2018, pág. 35/37

3/3 ranhura-por-pólo-por-fase.
12. MÁQUINA ELÉTRICA ROTATIVA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizada pelo fato do enrolamento do estator ser um enrolamento de estator de camada única de dois andares.
13. MÁQUINA ELÉTRICA ROTATIVA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizada pelo fato do enrolamento do estator ser um enrolamento de estator de camada única de dois andares, trifásico.

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