BRPI0801400A2 - sistema de acoplamento magnético - Google Patents

Abstract

SISTEMA DE ACOPLAMENTO MAGNéTICO. Descreve-se a presente invenção ao campo técnico de sistemas de acoplamento em geral, mais especificamente a um sistema de acoplamento para ventiladores de arrefecimento em radiadores, o qual tem por objetivo um modelo de acoplamento sem fricção baseado no princípio de interação magnética fazendo uso de imãs permanentes com aplicação em motores à combustão interna e similares. O principal objetivo da invenção é de reduzir os custos de fabricação, melhorar o desempenho poupando consumo de combustível e potência, ter grande confiabilidade, aumentar a vida útil do sistema de acoplamento reduzindo os tempos de manutenção e substituição.

Description

"SISTEMA DE ACOPLAMENTO MAGNÉTICO" Apresentação

Descreve-se a presente invenção ao campo técnico de sistemas de acoplamento em geral, mais especificamente a um sistema de acoplamento 5 magnético para ventiladores de arrefecimento em radiadores, o qual tem por objetivo um modelo de acoplamento sem fricção baseado no princípio magnético fazendo uso de imãs permanentes, com aplicação em motores à combustão interna e similares, com o intuito de reduzir os custos de fabricação, melhorar o desempenho, e aumentar a vida útil.

Histórico e Estado da Técnica

Os motores à combustão interna necessitam de um sistema de refrigeração de seu fluído refrigerante (água) para garantir um correto funcionamento. Motores operando sob níveis de refrigeração insuficientes podem sofrer danos. Por outro lado, refrigeração em excesso pode acarretar em desperdício

de combustível, potência, aumento no nível de emissões e perda de potência útil.

O resfriamento do fluído refrigerante ocorre no sistema de arrefecimento do motor, mais especificamente no radiador onde ocorre a troca de calor com o meio ambiente. O radiador é responsável pela exaustão de uma grande quantidade de calor do motor, e em momentos que o fluxo de ar frontal não é

20 suficiente para dissipar o calor gerado, principalmente em situações em que o veículo estiver estacionário, utiliza-se então o sistema de ventilação forçada para gerar o fluxo de ar.

Ventiladores com Hélices de 80 cm de diâmetro, usada em caminhões, roubam entre 40 a 80 hp para motores de 200 a 600 hp, e para veículos menores em

25 média de 16 a 41hp dependendo da configuração e dimensões do motor. Em praticamente todos os veículos e equipamentos com motores à combustão está presente um ventilador. Este por sua vez é composto por três partes: a hélice, contendo um número x de pás, fabricado geralmente em alumínio, aço ou polímero; sistema de controle: sensores ou elementos bimetálicos; e sistema de acoplamento:

30 embreagem por fricção viscosa (foco da pesquisa). São conhecidos no mercado

PI0801400-0sistemas de acoplamento dos tipos: embreagem de fluído viscoso; elétrico; acoplamento de fluido viscoso com acionamento eletrônico; acionamento hidráulico ou pneumático e acoplamento por embreagem de fricção; acionamento eletrônico e acoplamento eletromagnético.

Até o início dos anos 70 os ventiladores utilizavam o sistema de

acoplamento permanente, ou seja, operavam durante todo o regime de funcionamento do motor à combustão. A partir daí surgiram os primeiros sistemas de controle do ciclo de operação do ventilador, reduzindo assim a carga solicitada ao motor quando não há necessidade de refrigeração, por conseqüência otimizando o consumo de combustível e nível de emissões.

Veículos com motor em disposição transversal e tração dianteira geralmente utilizam ventiladores elétricos. Neste tipo de sistema o ventilador é controlado por um interruptor termostático (termostato) ou pela central eletrônica do motor, sendo ligada quando a temperatura do fluído refrigerante ultrapassar o ponto estabelecido, desligando quando a temperatura cair abaixo desse ponto.

Veículos com motor em disposição longitudinal que freqüentemente apresentam tração traseira, normalmente têm ventiladores de arrefecimento acionados pelo motor. Esses ventiladores costumam ter embreagem de acoplamento do tipo fluído viscoso como referenciado na patente US 4874071. Neste tipo de sistema o acoplamento é proveniente do atrito de um fluído altamente viscoso, geralmente óleo com silicone, com as partes internas da embreagem. Existem dois tipos de acionamento da embreagem.

No primeiro caso, um elemento bimetálico é posicionado no cubo da ventoinha, cortando o fluxo de ar proveniente através do radiador. A temperatura do ar que sai do radiador provoca a dilatação do elemento bimetálico, o qual comanda a abertura ou fechamento da válvula de passagem do fluído viscoso, causando acoplamento ou desacoplamento do ventilador.

Aqueles que contam com acionamento pneumático ou hidráulico, contam com sistema ON/OFF (liga/desliga) de acoplamento e usam faces friccionais, como embreagens de transmissão.Nos dois últimos casos, a embreagem é controlada eletronicamente com acoplamento eletromagnético ou acoplamento viscoso.

No sistema elétrico podemos observar os seguintes inconvenientes:

- Não pode substituir sistemas que utilizam outros tipos de acionamento, pois necessitam de acionamento elétrico externo.

- Preço elevado por utilizar grande quantidade de cobre.

Já no sistema de acoplamento por fluído viscoso podemos apontar as seguintes desvantagens:

- O principal problema é o vazamento de fluído pelo retentor do conjunto. A falha que ocorre após certo tempo de uso, tem implicações sérias devido

à falta de funcionalidade do equipamento comprometendo a vida do motor.

- Resistência mecânica alta, pois a hélice continuar a girar em baixa rotação, mesmo com o conjunto em roda livre. A eficiência cai com o aumento de resistência, pois poupar energia e potência consumida é a razão da roda livre e do

equipamento. A hélice desse sistema gira no mínimo 400 a 600 rpm em roda livre, o que rouba muita energia desnecessariamente, e que pode ser um medidor de baixo rendimento.

- O gel, ou fluido de trabalho, transmite muito calor gerado pelo atrito viscoso desperdiçados com calor. Isso é indesejável, pois compromete a precisão de

dilatação da lâmina bimetálica.

- Existe ainda movimento relativo entre a arvore motor e o disco da hélice quando há acoplamento, proporcionando mais perdas na eficiência na refrigeração do radiador. Quando acopla, nunca acopla completamente desperdiçado energia por atrito viscoso (7 a 10%) resultando ineficiência, consumo de combustível

em excesso e perda de potência.

- Mecanismo complexo e preciso, exigindo muito esforço de engenheiros para atingir resultados satisfatórios, e principalmente alta susceptibilidade de falhas, pois depende de um preciso sistema de mecanismos para um correto funcionamento.

- Alto preço de mercado do equipamento, sendo peças de alto custo dereposição para o consumidor pelo alto volume de alumínio utilizado e alto custo de processo pela geometria complexa.

Sistemas ON/OFF (liga/desliga) com acionamento hidráulico ou pneumático, contam com a desvantagem: 5 - O consumo de potência é modulado, ou seja, quando existem

pequenas variações de temperatura e exige uma pequena demanda de refrigeração, a hélice acopla totalmente desperdiçando potência total desnecessariamente, diferente dos sistemas viscosos.

- Hélices usadas em caminhões contam com o inconveniente de que 10 quando estão completamente paradas devem entrar em rotação de 2400 rpm em l,2s,

o que gera choques. Para suportar esses choques as lâminas dessas hélices devem ser feitas em chapas de aço, adicionando maior peso no sistema o que aumenta as forças de inércia, dificultando ainda mais o acoplamento.

- Geralmente precisam ser substituídas após 250.000 Km ou quando é 15 exigida pela garantia que geralmente é de 400.000 Km.

Vantagens da invenção

A presente invenção reúne soluções e vantagens sobre o estado da técnica, nas quais podem ser enumeradas como:

1. O acoplamento magnético é um mecanismo sem acionamento externo 20 ao sistema, livre de conexões como hidráulica, elétrica ou pneumática. Por essa

razão é compatível a qualquer veiculo, funcionando como um mecanismo independente.

2. O acoplamento não é modulado, ou seja, quando existem pequenas variações de temperatura, o sistema acopla parcialmente diferente dos sistemas

on/off que são modulados. Os modulados mesmo em pequenas variações de temperatura acoplam totalmente em momentos de pequena demanda de ventilação exigindo perda de potência em momentos desnecessários. Por essa razão seu funcionamento proporciona um menor consumo de combustível também.

3. Um ventilador é acionado durante 12% do tempo de funcionamento do 30 motor. Se ele fosse parcialmente acionado, apenas 1% do tempo exigiria decompleto acionamento o que iria reduzir consumo de energia e ruídos.

4. Maior durabilidade que as embreagens friccionais que têm uma vida útil entre 200.000 a 300.000 Km convencionalmente.

5. Não ocasiona choques durante o acoplamento em razão de não existir 5 contato direto entre os dois discos. O motor do veículo geralmente em regime de

rotação lenta de 2.400 rpm, precisa movimentar uma hélice parada o que gera choques de acoplamento. Devido ao suave acoplamento dessa invenção, o ventilador pode ser feito integralmente de plástico ao invés de utilizar uma estrutura metálica como usado convencionalmente, pois não ocorre risco de quebra pelo choque. A 10 menor massa da hélice de polímero contribui com melhores desempenhos pela redução de resultantes inerciais, consequentemente contribui com menores consumos de combustível assim como menores perdas de potência.

6. O parcial acoplamento da presente invenção supre pequenas demandas de temperatura não sendo necessário acoplamento total. Essa característica impede

maiores aquecimentos do motor até que haja acoplamento e bruscos resfriamentos após o acionamento do ventilador (sistema on/off). Dessa maneira ele proporciona uma maior estabilidade de temperatura poupando o motor de tensões devido gradientes de temperatura.

7. A ausência de fricção e o menor tempo de acoplamento total reduzem 20 em até 50% os ruídos gerados. Por essa razão o uso do acoplamento magnético é

interessante para outras aplicações como geradores de energia que não podem gerar

ruídos à noite.

Revelação da invenção

A presente invenção consiste no emprego de um eficiente sistema de 25 acoplamento por imãs permanentes, o qual é formado por um conjunto de imãs

dispostos radialmente em dois pratos paralelos com faces dos imãs voltadas entre si.

Um dos pratos é ligado à árvore de manivelas do motor ou outro eixo como da

bomba de água do motor consequentemente esse disco permanece constantemente na

mesma rotação do motor. O outro prato é ligado ao ventilador e solidário ao primeiro 30 prato. Um elemento bimetálico é responsável pelo acionamento do dispositivo,movimentando o prato motor axialmente para próximo do prato solidário. Por interação magnética entre imãs permanentes, existe um suave acoplamento, de completamente estacionaria, a hélice passa a entrar em completo giro.

As peças destes conjuntos podem variar em tamanhos, formatos, 5 aplicações e materiais, para se adaptar a qualquer modelo de embreagem, mas sempre manter as mesmas características da presente invenção.

A aplicação dessa invenção não se limita apenas à linha automotiva e nem mesmo apenas motores de combustão interna. Pode ser aplicado também a motores estacionários como geradores de energia que necessitam de ventilação 10 forçada.

Os objetivos, vantagens e demais características importantes da invenção em apreço poderão ser facilmente compreendidas quando lidas em conjunto com as figuras em anexo, nas quais:

A figura 01 representa uma vista em perspectiva do sistema de 15 acoplamento magnético, na disposição em funcionamento.

A figura 02 representa uma vista explodida do sistema de acoplamento magnético, na disposição com a hélice.

A figura 03 representa uma vista em perspectiva do sistema de acoplamento magnético, na disposição com a hélice. 20 A figura 04 representa uma vista explodida dos pratos com os imãs

permanentes do sistema de acoplamento magnético.

A figura 05 representa uma vista em perspectiva do sistema de acoplamento magnético.

Como se infere nas figuras em anexos que ilustram e integram a 25 presente invenção de "Sistema de Acoplamento Magnético", foi desenvolvido para aplicações gerais de acoplamento e embreagens tanto em motores a combustão interna como para similares, mais especificamente como embreagem para ventiladores de arrefecimento em motores a combustão interna de veículos, sendo compreendido por um sistema de acoplamento magnético (1), que utiliza como 30 princípio de funcionamento a interação de forças magnéticas entre conjuntos de imãsde dipolos permanentes (2), dispostos radialmente em dois pratos paralelos (3) e (4), com faces dos imãs voltadas entre si; sendo o prato motor (3) ligado à árvore de manivelas do motor (A), ou outro eixo como da bomba de água do motor consequentemente, permanecendo constantemente na mesma rotação do motor (ou 5 proporcional); já o prato solidário (4) é ligado a hélice (B), sobre ele contém uma lâmina bimetálica (5) que é responsável pelo acionamento do dispositivo, movimentando o prato motor (3) axialmente para próximo do prato solidário (4).

O sistema de acoplamento magnético (1) possui no mínimo 1 (uma) unidade de imã permanente (2) em cada disco.

Na Fig. 01, podemos de forma figurativa visualizar o funcionamento do

sistema de acoplamento magnético (1) em conjunto com a hélice (B), motor (A) e radiador (C). O propósito do ventilador (D), como é mostrado, implica em aspirar ar externo em momentos em que o fluxo de ar é deficiente, retirando calor do radiador por ventilação forçada.

A Fig. 02 é ilustrado a vista explodida do sistema de acoplamento

magnético (1) onde se pode identificar pelos componentes: a lâmina bimetálica (5), que proporciona o acionamento regido pela temperatura do ar; o encosto cilíndrico (6), que permite a acomodação da lâmina servindo como apoio; o disco motor (3) que é ligado à arvore motor, contendo estrias para promover torque e movimento

axial simultaneamente; os imãs permanentes (2) que estão dispostos nos dois discos; o disco solidário (4), aonde é acoplada a hélice (B) do ventilador (D); a árvore motora (7), que tem a função de transmitir o torque proveniente do virabrequim, também conhecido como arvore de manivelas, ao disco motor (3); o parafuso de fixação (8), que fixa o encosto cilíndrico (6), a lâmina bimetálica (5) junto ao topo

da arvore motora (7); as chapas de tração (9), fixadas no disco motor (3) e servindo como suporte para ser tracionado pela lâmina bimetálica (5); o rolamento (10), que serve como mancai de rolamento com intuito de manter o disco solidário (4) junto ao sistema. A principal função do mancai de rolamento é deslizamento, assim como manter o disco inerte ao giro do motor.

A Fig. 03 mostra a configuração do mecanismo do sistema deacoplamento magnético (1), com a hélice (B) compondo o sistema ventilador. Nesta figura é demonstrada a árvore motora (7) que é responsável pela entrada de potência, dentro do rolamento (10), que está contido no disco solidário (4), esse conectado a hélice (B). A lâmina bimetálica (5), que ao receber calor deforma-se, tracionando o 5 disco motor (3) reduzindo a força de atração entre os dois discos, e consequentemente proporcionando o giro da hélice (B).

A Fig. 04 mostra a disposição dos imãs (2) fixados aos discos (3) e (4) por preenchimento de plástico.

A Fig. 05 descreve a montagem do sistema da maneira com que irá atuar em conjunto com a hélice formando o ventilador. Descrição do Funcionamento

A presente invenção tem seu funcionamento comandado pelo calor transmitido ao ar, esse passa através do radiador (C) e entra em contato com o ventilador (D). A elevação da temperatura por conseqüência do ganho de calor provoca dilatação da lâmina bimetálica (5), aproximando os pratos (3) e (4) portadores dos imãs permanentes (2) na direção axial. Os Imãs do prato (3) ligado ao motor (A) têm pólos contrários aos pólos dos imãs do prato solidário (4) ligado à hélice (B), (dependendo da aplicação poderá apresentar o mesmo pólo). Ao aproximar o prato (3) que está girando com rotação proporcional a rotação do motor ao prato solidário (4), que se encontra estacionário, as forças de interação magnéticas oferecem resistência ao movimento obrigando o prato solidário (4) a entrar em giro, movimentando as pás da hélice (B).

A velocidade de operação do ventilador (D) é proporcional à temperatura do ar que sai do radiador (C), quanto mais alta a temperatura, mais próximos estarão os pratos (3) e (4) e logo mais próximos estarão os imãs permanentes (2). Por conseqüência maior será o acoplamento e a velocidade. Isso ocorre, pois as forças magnéticas de imãs permanentes são inversamente proporcionais ao quadrado das distâncias, e quanto maior a proximidade, maior será o acoplamento pelo aumento da força de campo magnético. No momento de acoplamento o movimento relativo entre os dois discos (3) e (4) tende a zero. Com adiminuição da temperatura os imãs voltam a afastar-se até atingirem o regime de roda-livre, que teoricamente e preferivelmente, faz com que a hélice estacione o giro totalmente. Quando a inércia ou momento de giro (que é a tendência da hélice permanecer estacionaria) se torna maior que as forças de interação entre os dois 5 discos, o movimento relativo entre eles se torna máximo no momento de roda livre.

O sistema foi desenvolvido para ser aplicado a novos ventiladores de arrefecimento e para substituir qualquer modelo de ventiladores de arrefecimento (D), presentes em motores à combustão (A), sendo compreendido pelo emprego de imãs permanentes (2), em conjunto com uma lâmina bimetálica (5), e discos (3) e (4)

como suporte para ventiladores de arrefecimento (D).

Os imãs permanentes (2), podem ser confeccionados de qualquer material magnético, como exemplo Ferrite (Fe304), samário-cobalto (Sm - Co), neodímio-ferro-cobalto (Nd - Fé - Co ) e Alnico (Al - Ni - Co) e podem também usar como princípio, a interação entre imãs permanentes do tipo atração ou repulsão

magnética.

O sistema de acoplamento magnético (1), aqui descrito, não se limita as disposições aplicadas, e poderá ser desenvolvido com outras soluções, preservando o princípio descrito anteriormente. A configuração poderá mudar o mecanismo de acionamento e posição dos imãs, mas fazendo uso do princípio magnético de 20 acoplamento sem contato entre faces.

Claims (12)

1. )"SISTEMA DE ACOPLAMENTO MAGNÉTICO", foi desenvolvido para aplicações gerais de acoplamento e embreagens tanto em motores a combustão interna como para similares, mais especificamente como embreagem para ventiladores de arrefecimento em motores a combustão interna de veículos; e caracterizado por um sistema de acoplamento magnético (1), que utiliza como princípio de funcionamento a interação de forças magnéticas entre imãs de dipolos permanentes.

2. )" SISTEMA DE ACOPLAMENTO MAGNÉTICO", de acordo com a 10 reivindicação 1 é caracterizado por imãs de dipolos permanentes (2), dispostosradialmente em dois pratos paralelos (3) e (4), com faces dos imãs voltadas entre si; sendo o prato motor (3) ligado à árvore de manivelas do motor (A), ou outro eixo como da bomba de água do motor consequentemente, permanecendo constantemente na mesma rotação do motor; já o prato solidário (4) é ligado a hélice 15 (B) do ventilador (D), sobre ele contém uma lâmina bimetálica (5) que é responsável pelo acionamento do dispositivo, movimentando o prato motor (3) axialmente para próximo do prato solidário (4).

3. )"SISTEMA DE ACOPLAMENTO MAGNÉTICO", de acordo com a reivindicação 1 e 2 é caracterizado por conter no mínimo uma unidade de imã permanente (2) em cada disco.

4. )"SISTEMA DE ACOPLAMENTO MAGNÉTICO", de acordo com a reivindicação 1 é caracterizado por utilizar hélices de polímero, ou metal.

5. )"SISTEMA DE ACOPLAMENTO MAGNÉTICO", de acordo com a reivindicação 1 é caracterizado por ter como componente principal o uso de imãs permanentes de qualquer material magnético, como exemplo Ferrite (Fe304), samário-cobalto (Sm - Co), neodímio-ferro-cobalto (Nd - Fé - Co ) e Alnico (Al -Ni - Co).

6. )"SISTEMA DE ACOPLAMENTO MAGNÉTICO", de acordo com a reivindicação 1 é caracterizado por usar como princípio, a interação entre imãs permanentes do tipo atração ou repulsão magnética.

7. )"SISTEMA DE ACOPLAMENTO MAGNÉTICO", de acordo com a reivindicação 1 é caracterizado por utilizar tanto iteração entre imãs permanentes, como interação entre imã permanente e metais.

8. )"SISTEMA DE ACOPLAMENTO MAGNÉTICO", de acordo com a 5 reivindicação 1 é caracterizado por ter formatos e tamanhos de imãs variáveis.

9. )"SISTEMA DE ACOPLAMENTO MAGNÉTICO", de acordo com a reivindicação 1 é caracterizado por usar como material da estrutura construtiva tanto polímeros como outros metais diamagnéticos ou mesmo ferromagnéticos; como exemplo o alumínio, e entre os polímeros pode ser usado mais especificamente o Nylon® com 30 à 35% de fibra de vidro para o aumento de condutibilidade térmica.

10. )"SISTEMA DE ACOPLAMENTO MAGNÉTICO", de acordo com a reivindicação 1 é caracterizado por poder usar estrutura Honneycombed, que aumenta a rigidez consideravelmente; ou usar nervuras exteriores para aumentar a agitação de ar ao redor do conjunto.

11. )"SISTEMA DE ACOPLAMENTO MAGNÉTICO", de acordo com a reivindicação 1 e 2 é caracterizado por conter uma ou mais lâminas bimetálicas (5), podendo variar sua geometria e suas dimensões.

12. )"SISTEMA DE ACOPLAMENTO MAGNÉTICO", de acordo com a 20 reivindicação 1 é caracterizado por várias soluções construtivas preservando oprincípio descrito anteriormente; e sua configuração pode mudar o mecanismo de acionamento e posição dos imãs, mas fazendo uso do princípio magnético de acoplamento sem contato entre faces.