PT104152A

PT104152A - Motor polifásico com número de pólos variáveis

Info

Publication number: PT104152A
Application number: PT104152A
Authority: PT
Inventors: Joao Miguel Murta Pina
Original assignee: Univ Nova De Lisboa
Priority date: 2008-08-01
Filing date: 2008-08-01
Publication date: 2010-02-01
Also published as: WO2010013226A3; WO2010013226A2

Abstract

A INVENÇÃO CONSISTE NUM MOTOR POLIFÁSICO E RESPECTIVO SISTEMA DE OPERAÇÃO, PERMITINDO OBTER UMA RELAÇÃO ARBITRÁRIA DO NÚMERO DE PÓLOS MAGNÉTICOS SEM COMUTAÇÕES MECÂNICAS NO ESTATOR. O NÚMERO DE CAVAS DESTE É DADO IDEALMENTE PELO MENOR MÚLTIPLO COMUM ENTRE AS RELAÇÕES DE PÓLOS PRETENDIDAS. O ESTATOR É POLIFÁSICO, SENDO O ROTOR DE UM MOTOR DE INDUÇÃO OU DE HISTERESE. O MOTOR VISA APLICAÇÕES ONDE SE REQUEIRA UMA AMPLA GAMA DE OPERAÇÃO COM MÁXIMO RENDIMENTO E/OU TRANSIÇÕES SUAVES DE VELOCIDADE/BINÁRIO (OU FORÇA, CONSOANTE O MOTOR SEJA ROTATIVO OU LINEAR) . ESTE É O CASO DA TRACÇÃO DE VEÍCULOS ELÉCTRICOS. O SISTEMA DE OPERAÇÃO RECEBE REFERÊNCIAS DE CONTROLO (1) VIA UM CONTROLADOR (2) QUE AS COMPARA COM OS SINAIS (8) LIDOS PELO(S) SENSOR(ES) (7). A ACÇÃO DE CONTROLO ALIMENTA UM INVERSOR POLIFÁSICO (3), PARA GERAR AS TENSÕES OU CORRENTES QUE ALIMENTAM O ESTATOR (4) . NO ROTOR (5) SÃO MEDIDOS OS VALORES DE VELOCIDADE, BINÁRIO OU POSIÇÃO (6).

Description

Descrição

Motor polifásico com numero de pólos variáveis Domínio técnico da invenção: A invenção insere-se no domínio dos accionamentos electromecânicos de velocidade variável, com especial ênfase em tracção eléctrica. 0 princípio de funcionamento da invenção é designado como Modulação da Fase dos Pólos (MFP). A técnica anterior: A velocidade de sincronismo de uma máquina eléctrica de corrente alternada é dada pela razão entre a frequência das tensões ou correntes de alimentação e o número de pares de pólos magnéticos produzidos pelas correntes do estator. A variação da frequência é o método mais comum de alteração da velocidade de sincronismo, estando bem estabelecido, e sendo conseguido a custa de inversores de frequência baseados em electrónica de potência.

As técnicas de variação do número de pares de pólos magnéticos, como a que a invenção apresenta, são contudo mais complexas, por implicarem, originalmente, comutações mecânicas nos enrolamentos do estator, não sendo por isso muito usadas. Apresentam uma regulação de velocidade não progressiva mas por escalões, sendo geralmente realizadas em razões de 2:1 pares de pólos. A comutação mecânica do número de pares de pólos pode ser implementada das seguintes formas: - Estator com um único enrolamento dividido em sectores, variando-se o número de pólos por comutação dos sectores. - Estator com dois enrolamentos independentes. - Estator com dois enrolamentos independentes divididos em sectores com possibilidades de comutação.

Embora conceptualmente simples, a comutação mecânica implica manutenção e perda de flexibilidade pois as relações de pólos não podem ser alteradas a posteriori.

Um motor com dois conjuntos de enrolamentos trifásicos, cada um alimentado por um inversor trifásico, é descrito no documento da patente Americana US5650707. 0 motor funciona com quatro pólos, quando a polaridade das correntes fornecida pelos inversores é a mesma, ou com dois pólos, quando a polaridade é simétrica. Assim, este motor permite apenas duas velocidades de sincronismo. A patente Americana US6456033 também apresenta dois inversores e dois conjuntos de enrolamentos trifásicos, um com n e outro com m pares de pólos, onde m = 2kn, com k inteiro. 0 facto de os enrolamentos serem diferentes torna a máquina mais complexa, enquanto os inversores trifásicos e os pólos pré-determinados de cada enrolamento, mesmo quando combinados, lhe retiram flexibilidade na alteração do número de pares de pólos. A técnica de Modulação da Amplitude dos Pólos (MAP), descrita na patente Americana US3040226, baseia-se na adição de duas forças magnetomotrizes nos enrolamentos do estator, sendo a primeira fornecida pela rede trifásica e a segunda obtida através de um deslocamento de fase da primeira. 0 enrolamento do estator está dividido em pelo menos dois conjuntos, um para as tensões da rede e outro para as tensões fornecidas pelo variador de fase, sendo que o número de condutores de cada conjunto em cada cava varia proporcionalmente. 0 efeito obtido corresponde a uma dilatação ou contracção do passo polar, obtendo-se uma variação continua de velocidade. A patente Americana US3161814 descreve um motor MAP com um número discreto de velocidades dentro de uma gama desejada. Tanto esta patente como a anterior utilizam máquinas de estator descontinuo ou em arco, com enrolamentos assimétricos, difíceis de construir e levando a uma pobre distribuição de força magnetomotriz no entreferro. Na patente Americana US4489265 também é descrita uma máquina MAP, mas com enrolamentos distribuídos por toda a periferia do estator, existindo um principal e outro de controlo onde a fase das correntes é variada relativamente as correntes do enrolamento principal. Por último, refira-se que a técnica MAP apenas permite variar os pólos na relação p: p-1, enquanto que a MFP permite qualquer relação. A técnica de Modulação da Fase dos Pólos é descrita na patente Americana US6876176. A invenção aí exposta utiliza um número de enrolamentos do estator igual a metade do número de cavas, o que limita as relações de pólos que se podem obter, além de aumentar as harmónicas espaciais da força magnetomotriz do estator. Outra limitação na flexibilidade das relações polares é o facto do número de pólos ser determinado por aspectos construtivos da máquina. A presente invenção acrescenta um novo grau de flexibilidade ao compreender um número de enrolamentos igual ao número de cavas, permitindo operar num maior número de configurações com passo polar completo (virtualmente todas, dependendo do número de cavas disponível); operar com melhor utilização do material activo do motor; e operar com passo polar incompleto em algumas configurações, sacrificando o desempenho, mas reduzindo o número de cavas e, consequentemente, de enrolamentos. Adicionalmente, a presente invenção utiliza os enrolamentos do estator dispostos em dupla camada, ao contrário da última patente, configurando também flexibilidade adicional na constituição das diferentes topologias polares. De facto, a dupla camada permite, de forma simples, implementar combinações lineares de força magnetomotriz, tal como preconizado na MAP.

Descrição das figuras:

Figura 1: Diagrama de blocos do motor polifásico e respectivo sistema de operação. (1) Sinais de referência. (2) Controlador. (3) Inversor polifásico baseado em electrónica de potência. (4) Estator. (5) Rotor. (6) Valores de velocidade/binário/posição. (7 ) Sensor(es ). (8) Sinais medidos de velocidade/binário/posição.

Figura 2: Representação simplificada das ligações eléctricas do estator, em camada dupla.

Figura 3: Representação da força magnetomotriz na periferia do estator do motor polifásico, para o caso particular de 72 cavas e um par de pólos. N é o número de espiras de cada enrolamento e Im é a amplitude da corrente de alimentação. a) Força magnetomotriz devido a camada externa do estator. b) Força magnetomotriz devido a camada interna do estator. c) Força magnetomotriz total.

Figura 4: Representação da força magnetomotriz na periferia do estator do motor polifásico, para o caso particular de 72 cavas e dois pares de pólos. N é o número de espiras de cada enrolamento e Im é a amplitude da corrente de alimentação. a) Força magnetomotriz devido a camada externa do estator. b) Força magnetomotriz devido a camada interna do estator. c) Força magnetomotriz total.

Figura 5: Representação da força magnetomotriz na periferia do estator do motor polifásico, para o caso particular de 72 cavas e três pares de pólos. N é o número de espiras de cada enrolamento e Im é a amplitude da corrente de alimentação. a) Força magnetomotriz devido a camada externa do estator. b) Força magnetomotriz devido a camada interna do estator. c) Força magnetomotriz total.

Figura 6: Representação da força magnetomotriz na periferia do estator do motor polifásico, para o caso particular de 72 cavas e quatro pares de pólos. N é o número de espiras de cada enrolamento e Im é a amplitude da corrente de alimentação. a) Força magnetomotriz devido a camada externa do estator. b) Força magnetomotriz devido a camada interna do estator. c) Força magnetomotriz total.

Figura 7: Representação da força magnetomotriz na periferia do estator do motor polifásico, para o caso particular de 72 cavas e cinco pares de pólos. N é o número de espiras de cada enrolamento e Im é a amplitude da corrente de alimentação. a) Força magnetomotriz devido a camada externa do estator. b) Força magnetomotriz devido a camada interna do estator. c) Força magnetomotriz total.

Figura 8: Representação da força magnetomotriz na periferia do estator do motor polifásico, para o caso particular de 72 cavas e seis pares de pólos. N é o número de espiras de cada enrolamento e Im é a amplitude da corrente de alimentação. a) Força magnetomotriz devido a camada externa do estator. b) Força magnetomotriz devido a camada interna do estator. c) Força magnetomotriz total. Figura 9: Resultados de simulação do motor polifásico com 24 cavas, para um par de pólos. (9) Estator. (10) Cavas com enrolamentos. (11) Rotor. (12) Linhas de fluxo magnético.

Figura 10: Resultados de simulação do motor polifásico com 24 cavas, para dois pares de pólos.

Figura 11: Resultados de simulação do motor polifásico com 24 cavas, para três pares de pólos.

Figura 12: Resultados de simulação do motor polifásico com 24 cavas, para quatro pares de pólos.

Figura 13: Resultados de simulação da componente radial da densidade de fluxo magnético no entreferro do motor polifásico com 24 cavas, para um par de pólos.

Figura 14: Resultados de simulação da componente radial da densidade de fluxo magnético no entreferro do motor polifásico com 24 cavas, para dois pares de pólos.

Figura 15: Resultados de simulação da componente radial da densidade de fluxo magnético no entreferro do motor polifásico com 24 cavas, para três pares de pólos.

Figura 16: Resultados de simulação da componente radial da densidade de fluxo magnético no entreferro do motor polifásico com 24 cavas, para quatro pares de pólos.

Figura 17: Esquema eléctrico do ramo de um inversor baseado em electrónica de potência para alimentação de um enrolamento ou conjunto de enrolamentos i do motor variáveis ^ as polifásico. Nessa figura, as variáveis e Vmin representam, respectivamente, a tensão de alimentação máxima e minima, e Fu.»,; e as entradas de controlo dos semicondutores dedicados ao enrolamento i.

Descrição pormenorizada da invenção:

Um dos objectivos da presente invenção é providenciar uma topologia e um sistema de operação de motores de indução ou de histerese. Este método permite actuar em zonas de velocidade e binário (ou força, no caso de motores lineares) de tal forma que, por exemplo, o rendimento do motor seja optimizado. Na exposição da invenção descrevem-se motores rotativos de fluxo radial em tambor. Contudo, tal não é impeditivo da aplicação a motores em disco, de fluxo axial ou motores lineares. Este ponto é fulcral, dado que este tipo de motores, quando utilizado por exemplo na configuração de fluxo axial em disco, tem em vista a aplicação em sistemas de tracção eléctrica, prevendo-se a sua utilização em veículos eléctricos autónomos, quando acoplado a um ou mais eixos diferenciais ou directamente nas rodas. A velocidade de rotação N do rotor de um motor de indução é dada, em rotações por minuto (rpm), por sendo Ns a velocidade de sincronismo do campo magnético produzido pelo estator, f a frequência das correntes de alimentação do motor, p o número de pares de pólos e s o escorregamento do rotor. Tem-se assim que

Torna-se então claro que a velocidade de rotação pode ser controlada pela frequência, pelo escorregamento (por exemplo através da variação das resistências rotóricas em motores de rotor bobinado), ou pelo número de pares de pólos. A forma mais amplamente utilizada é por variação de frequência com recurso a inversores baseados em electrónica de potência. Os inversores têm contudo o problema de introduzirem harmónicas de corrente na rede, o que degrada a qualidade da energia eléctrica. A semelhança do exemplo respeitante a patente Americana US6876176, também se descreve inicialmente um motor de 72 cavas, mas, de forma a ilustrar a flexibilidade e inovação da presente invenção, não se limita o exposto a uma relação 2:6 pares de pólos, antes a 1:2:3:4:5:6 pares. Utiliza-se um passo dos enrolamentos de 12 cavas, correspondente ao maior número de pólos pretendido, como representado parcialmente na Figura 2. Contudo, este valor não é fixo, podendo ser tomado outro, o que leva a uma degradação harmónica da densidade de fluxo no entreferro, mas não impede de forma alguma o funcionamento do motor, podendo até, em certas configurações polares, levar a forças magnetomotrizes de maior amplitude. Para um valor de pólos pretendido, 2 ·ρ, num motor com um número de cavas Nc, a desfasagem relativa da tensão da fase i, 0i, deverá ser 0í = (rad) {3·

Desta forma, existirão variadas fases, consoante o número de pólos seleccionado. Na tabela 1 apresenta-se o número de diferentes fases para o exemplo actual.

Nas configurações de 1, 2, 3, 4 e 6 pares de pólos, sendo estes submúltiplos do número de cavas, 72, o número de diferentes fases é idealmente dado por 72/p. Como 5 não é submúltiplo de 72, então, para esta configuração, existirá um número de fases igual ao de enrolamentos. Refira-se contudo, sem perda de generalidade, que estes números de fases podem ser alterados, mantendo-se o mesmo principio de funcionamento. Nas Figuras 3 a 8 apresentam-se as forças magnetomotrizes geradas no estator, que são uma imagem da densidade de fluxo no entreferro, para, respectivamente 1, 2, 3, 4, 5 e 6 pares de pólos.

Tabela 1: Número de diferentes fases para o exemplo de un motor com 72 cavas.

Pares de pólos, p Número de fases 1 72 2 36 3 24 4 18 5 72 6 12

Confirma-se assim a geração dos números de pares de pólos pretendidos através do controlo da desfasagem das tensões de alimentação.

De forma a se visualizarem as linhas de fluxo produzidas pelo estator, considere-se agora um motor para as relações de pares de pólos 1:2:3:4, apenas a titulo de exemplo, dado que outras relações seriam possíveis. Também a título de exemplo, sem limitar o âmbito de aplicação, considere-se um motor com um número de cavas dado pelo menor múltiplo comum dos números de pólos possíveis, isto é, 24 cavas. Considere-se também que, ao invés do passo da bobina ser numericamente igual ao maior número de pólos desejado, 8, é agora igual a 4, de modo a se comprovar a flexibilidade do sistema. Têm-se portanto 24 enrolamentos, alimentados por tensões ou correntes com a mesma frequência e cuja desfasagem é dada pela Equação (1) . Nas Figuras 9 a 12 apresentam-se as linhas de fluxo para este motor nas configurações de 1, 2, 3 e 4 pares de pólos, respectivamente. A componente radial da densidade de fluxo ao longo do entreferro, novamente para 1, 2, 3 e 4 pares de pólos, está representada de forma qualitativa nas Figuras 13 a 16, respectivamente. São claramente observáveis os pólos magnéticos para cada configuração. 0 controlo e operação do motor pode ser implementado recorrendo a qualquer sistema que permita gerar sistemas polifásicos de tensão ou corrente, como é o caso dos baseados em electrónica de potência, actuados através de controladores de interrupções programáveis

Programmable Interrupt Controllers), de processadores de sinal digitais (DSP, Digital Signal Processors) ou mesmo via informática. Outras opções são possíveis, podendo qualquer uma destas necessitar de amplificadores de corrente para que seja possível transmitir a potência eléctrica que cada fase necessita. Assim, estes dispositivos irão gerar os sinais que actuarão semicondutores de electrónica de potência, como o conjunto que se representa, a título de exemplo, na Figura 17. Nessa figura, as variáveis i-max e Kun representam, respectivamente, a tensão de alimentação máxima e mínima, e Vo:vu e fm-i as entradas de controlo dos semicondutores dedicados ao enrolamento i. Assim, deverá existir um conjunto destes por cada enrolamento, 24 no presente exemplo. Os enrolamentos também podem ser agrupados, reduzindo-se a quantidade de semicondutores e a complexidade do sistema. É através das entradas de controlo que se geram as formas de onda de tensão ou corrente para os enrolamentos, processo este bem estabelecido há muito. Através de um ou mais sensores pode-se fazer a realimentação dos valores de binário, velocidade ou posição, o que permite a implementação de diferentes estratégias de controlo de modo a se operar, por exemplo, no ponto de rendimento máximo do motor ou de forma a fazer transições suaves de binário e/ou velocidade. Estas estratégias, contudo, não são do âmbito da presente invenção.

Caparica, 1 de Agosto de 2008

Claims

Reivindicações 1. Um motor polifásico caracterizado por ser operado por um sistema que recebe referências de velocidade, binário/força ou posição (1) através de um controlador (2), e por integrar um dispositivo de electrónica de potência (3) para gerar sinais de tensão ou corrente polifásicos, um estator (4) formado por enrolamentos em camada dupla, um rotor (5) caracterizado por valores de velocidade, binário/força ou posição (6) e um ou mais sensores (7) que o(s) medem, gerando sinais correspondentes (8) que são realimentados para o controlador (2) .
2. Um motor polifásico, de acordo com a reivindicação anterior, caracterizado por o rotor ser de indução (gaiola de esquilo ou bobinado) ou de histerese (material ferromagnético ou supercondutor do tipo II) .
3. Um motor polifásico, de acordo com as reivindicações anteriores, caracterizado por o controlador (2) integrar um PIC e/ou um DSP e/ou uma aplicação informática cuja função é produzir sinais de controlo que actuam o dispositivo de electrónica de potência (3) para gerar sinais de tensão ou corrente polifásicos que alimentam o estator (4), podendo este também ser alimentado directamente pelo controlador e em que neste caso ou nos anteriores podem ainda ser necessários dispositivos intermédios de amplificação de potência.
4. Um motor polifásico, de acordo com as reivindicações anteriores, caracterizado por ser de fluxo magnético axial ou radial.
5. Um motor polifásico, de acordo com as reivindicações anteriores, caracterizado por ter um rotor (5) em disco, em tambor ou linear.
6. Um motor polifásico, de acordo com as reivindicações anteriores, caracterizado por ter enrolamentos em camada dupla, dispostos ao longo do estator (4), individuais ou agrupados em série ou em paralelo, alimentados através das saldas da electrónica de potência (3), cujo passo é idealmente igual ao maior número de pólos desejado, podendo no entanto ser diferente, e em que uma secção dos mesmos enrolamentos se inicia na parte superior de uma ou mais cavas e a outra secção se fecha pela parte inferior de uma ou mais cavas situadas a uma distância igual a do passo dos enrolamentos.
7. Um motor polifásico, de acordo com as reivindicações anteriores, caracterizado por poder funcionar com m diferentes relações de pares de pólos, nomeadamente, Ρχ.··*Ρ$·*"·'·Ρ™ e em que o número de cavas é dado idealmente pelo menor múltiplo comum das diferentes relações de pólos, mas pode ser diferente, mantendo-se a operação do sistema.
8. Um sistema de operação de um motor polifásico, de acordo com as reivindicações anteriores, em que as correntes ou tensões a saida da electrónica de potência (3) têm uma desfasagem Θ2 dada pela equação Θ , - ~ i ^ u Φ js/li:: (r a d) onde i é o número do enrolamento, p o número de pares de pólos em que o motor opera, e Nc o número de cavas do motor. Caparica, 1 de Agosto de 2008