PT85774B

PT85774B - Maquina com relutancia variavel com inversao completa do fluxo

Info

Publication number: PT85774B
Application number: PT85774A
Authority: PT
Inventors: Frederick Bradford Reiter Jr; Daniel Wayne Mcgee; Vamaraju Sree Rama Murthy
Original assignee: Magnetics Res Int
Priority date: 1986-09-24
Filing date: 1987-09-23
Publication date: 1993-08-31
Also published as: PT85774A; FI874155A0; BR8704883A; EP0261953B1; AU588211B2; CA1291199C; PL158609B1; HUT44684A; MX166022B; NO873970D0; KR880004623A; EG19181A; EP0261953A2; CN87106496A; GR3005184T3; AU7887787A; US4757224A; ES2031906T3; EP0261953A3; NO873970L

Description

N.° 85 774

REQUERENTE: MAGNETICS RESEARCH INTERNATIONAL CORPORA TION, norte-americana, industrial,com sede em 50 South Second Street, Fairfield, Iowa 52556, Estados Unidos da América.

EPÍGRAFE: MÁQUINA COM RELUTÂNCIA VARIÁVEL COM INVER

SÃO COMPLETA DO FLUXO

INVENTORES: Daniel Wayne McGee e Frederick Bradford

Teiter, Jr·, Vamaraju Sree Rama Murthy.

Reivindicação do direito de prioridade ao abrigo do artigo 4.° da Convenção de Paris de 20 de Março de 1883.

Estados Unidos da América, em 24 de Setembro de 1986, sob o n® . 911,379.

INP1. MOO. 113 RF 1C732

MAGNETICS RESEARCH

INTERNATIONAL CORPORATION ^SUINA_COM_RELUTÁNCIA_VARIAVEL

COM INVERSÃO COMPLETA DO FLUXO

Çampo_da_invenção

A presente invenção refere-se na generalidade a uma má quina motora-geradora que funciona por variação da intensidade e do sentido do fluxo magnético através de um enrolamento no e_s tator, sem alteração do sentido de fluxo magnético no rotor. Esta inversão completa do fluxo selectiva é conseguida mediante a utilização de um rotor com várias partes tendo segmentos com plementares e isolados magneticamente.

Fundamento_da_invenção

No passado, os motores-geradores (de aqui em diante d_e signados por máquinas) foram usados em aplicações específicas baseadas nas suas caracteristicas de operação e nas dimensões. Por exemplo, o tipo eléctrico pode ser o de máquinas de corren te alternada de indução, síncronas ou em série; ou máquinas de corrente contínua em série, de ímãn permanente, em derivação ou de excitação composta; ou máquinas universais. A variabilidade de velocidades pode ser classificada em máquinas de velocidade constante, de velocidade variável, de velocidade ajustável, de velocidade variável ajustável ou de várias velocidades. A protecção mecânica e a refrigeração podem ser totalmente aberta ou

ί totalmente fechada, podendo ser ventiladas, arrefecidas por água, arrefecidas por ar, arrefecidas por ventoinha, etc.

Por meio da sua estrutura única, a máquina segundo a pre sente invenção combinou muitas das características de funcionamento óptimo dos diferentes tipos de motores. Combina as carac terísticas de síncrona e de indução numa máquina de rotor maciço que utiliza ímans permanentes. Pode ser usada em ambientes diversos, com corrente alternada ou com corrente contínua, e pro porciona um binário de saída constante em toda a gama de veloci. dades, incluindo velocidades muito elevadas, devido à sua cons trução com um rotor maciço.

A máquina segundo a presente invenção baseia-se nas mes. mas leis do electromagnetismo utilizadas nas máquinas convencio nais, mas é diferente na sua configuração e no seu modo de funcionamento. Por exemplo, a maioria dos geradores da técnica an terior são caracterizados pelo movimento relativo entre uma bo bina de fio e um campo magnético de modo tal que o fio corta as linhas de força do campo magnético para gerar electricidade na bobina. Isso requer enrolamentos eléctricos num rotor, a utilização de anéis colectores ou escovas para se adaptar à rotação dos enrolamentos ou para comutar o fluxo de electricidade, e a manutenção de um ligação eléctrica rotativa. Alguns dos proble mas associados com tal concepção incluem a atenção contínua ex_i gida pelos anéis colectores ou as escovas, os sérios riscos de mau funcionamento resultante da formação contínua de faiscas e arcos quando o rotor passa pela escova fixa. Os anéis colectores e as escovas também degradam o rendimento operacional devido a perdas de potência eléctrica resultantes da resistência eléctri ca de contacto da escova e devido ao atrito mecânico resultante ( do arrastamento das escovas sobre o rotor. A presença de enro lamentos no rotor aumenta também significativamente o peso ou a massa do rotor, exigindo velocidades de rotação mais baixas e mais energia da máquina motriz primária. Ainda a rotação constante, o aquecimento e as forças magnéticas exercidas sobre as bobinas e os seus isolamentos provocam nas mesmas fadigas, fissuras, degradação e, finalmente, a sua avaria, con o tempo.

Algumas máquinas da técnica anterior trabalhavam sem anéis colectores nem escovas, mas tinham outras limitações ine rentes. Por exemplo, as máquinas de indução variam a indução do circuito magnético por meio de um rotor dentado sem fios. 0 cam po é mantido por electroímãns no estator e as bobinas do induzi, do são igualmente enroladas no estator. Porém, as máquinas de in dução não encontraram uma grande aceitação visto serem mais vo lumosas e menos eficientes do que as máquinas tradicionais com anéis colectores e escovas.

Soluções mais recentes para estes problemas foram encon tradas pela montagem de ímans permanentes, em vez de electroímãns no rotor. Isso elimina a necessidade de ligações eléctricas rotativas, economiza a potência eléctrica de outro modo gasta para a excitação do campo, diminui a quantidade de calor gerado internamente e aumenta a densidade de energia. Porém, es$s máquinas com ímans permanentes têm aplicações limitadas visto não terem meios viáveis para controlar o funcionamento com variações de carga.

Outros aspectos das máquinas da técnica anterior que dl minuem a sua eficácia incluem a inversão completa do campo mag nético em toda a máquina, do que resultam perdas por histerese, ( correntes de Foucault e a produção de calor; rotores feitos de materiais diferentes, do que resulta uma dilatação não uniforme, tensões mecânicas e perdas por correntes de Foucault ; não uniformidade do binário em função da velocidade, produção de harmó nicas superiores que reduzem a qualidade da saída e o rendimeri to; e circuitos magnéticos que funcionam abaixo da saturação completa do que resulta uma densidade de energia baixa e ura au mento das dimensões e do peso.

A presente invenção inclui as características positivas de muitos dos diferentes tipos de máquinas, incluindo, mas não se limitando a elas, as que atrás foram discutidas. Além disso, eli mina ou minora muitos dos problemas associados com as concepções mais antigas.

As características de rendimento e operacionais da raáqui na são melhoradas em consequência de vários factores. A presente invenção utiliza ímãns permanentes e um rotor constituído por componentes múltiplos. A rotação do rotor induz variações da in tensidade e do sentido do fluxo (isto é, inversões de fluxo) no estator sem inverter o sentido do fluxo no rotor. Assim, as inversões do fluxo são limitadas à porção do estator envolvidas pelos enrolamentos do estator. É usualmente preferido que a gran. deza do fluxo no rotor se mantenha constante, mas pode variar se for necessário ou conveniente. 0 rotor encaminha o fluxo atra vés de componentes do rotor separados e isolados magneticamente e inverte o sentido do fluxo enquanto roda, mesmo a altas velocidades. Isso impede um anulamento eventual do fluxo e a geração de calor, e consegue a obtenção de uma densidade de energia muito elevada. Substancialmente, todos os circuitos magneticamente per.

meáveis ficam completamente saturados em qualquer instante, re duzindo a quantidade de ferro, as dimensões e o peso, e aumentan do a relação entre a potência em cavalos-vapor e o peso. 0 cam po magnético é fornecido por ímans permanentes, eliminando a cor rente de indução primária e as escovas ou anéis colectores. Isso também aumenta a densidade de potência mediante a contracção do fluxo e a diminuição da produção de calor. A intensidade de cam po substancialmente constante, juntamente com a utilização de porções do rotor permeáveis, com formas apropriadas e esbaçâdas, têm como consequência um binário mais uniforme, ou uma tensão mais uniforme na saída, virtualmente isenta de harmónicas supe. riores. Se os meios magnéticos forem fixos na càmpânula termi nal, são possíveis velocidades mais elevadas e rotores maiores, melhoram-se a robustez e a fiabilidade, podem utilizar-se técni cas de fabrico e de desenhos convencionais e tornasse mais siri pies a montagem e a desmontagem. E, com os meios magnéticos co locados na campânula terminal, eles ficam isolados termicamente da parte restante do circuito magnético pelo entreferro de ar, minimizando a degradação dos ímans permanentes com os aumentos de temperatura.

Os geradores que contam com ímans permanentes para a excitação e para a operação podem estar sujeitos a uma queda da tensão quando se lhes retira corrente. Este problema resulta da incapacidade para controlar o campo magnético por forma a compen sar a queda de tensão. Todavia, a presente invenção utiliza o seu desenho único e os ímans permanentes acoplados com enrolamentos de regulação da tensão que são alimentados com energia para aumentar ou diminuir o fluxo magnético quando necessário.

/ - 6 >

Os enrolamentos de controlo da tensão são também excitados selectivamente para auxiliar a supressão de variações brusca ou picos de tensão.

Quando funciona como motor, a máquina segundo a preseri te invenção pode ser operada como motor de velocidade constante pela adição de enrolamentos amortecedores para melhorar o binário de arranque e eliminar oscilações indesejáveis durante as variações de carga. Pode funcionar como motor de velocidade variável acoplando-o com um inversor que bloqueia o rotor em sin cronismo a velocidade baixa e leva o motor a velocidades eleva, das conforme se desejar.

A máquina pode operar como sistema monofásico ou polifá sico, tornando-a mais versátil para uma aplicação sofisticada, incluindo a co-geração.

Assim, constitui um objecto da presente invenção propo.r cionar um motor-gerador aperfeiçoado que combina as caracterís, ticas de operação óptimas de diferentes tipos de máquinas.

Um outro objecto da presente invenção consiste em propog? cionar uma máquina que opera por variação da .intensidade e do sentido do fluxo magnético através de um enrolamento do estator sem variação do sentido do fluxo no rotor.

Um outro objecto ainda da presente invenção consiste em proporcionar uma máquina com um motor constituído por partes múl tiplas com componentes complementares e isoladas magneticamente.

Um outro objecto da presente invenção consiste em proporcionar uma máquina com um rotor maciço e susceptível de fun cionar a velocidade elevada.

Ainda outro objecto da presente invenção consiste em proporcionar uma máquina que utiliza de maneira eficiente ímãns permanentes de energia elevada.

Estes e outros objectos são atingidos pela máquina segundo a presente invenção.

Sumário_da_inven£ão

A invenção refere-se a uma máquina com relutância variá vel com inversão total do fluxo. Inclui um estator anular com um certo número de polos fixos com faces que definem uma súper, fície anular do estator. Pelo menos um enrolamento eléctrico envolve uma porção do estator. Um rotor permeável rr.aã¹¹®!icamen te está num circuito magnético com certas faces polares do e_s tator. 0 rotor compreende um componente principal com secções alternadas de permeabilidade magnética elevada e baixa, para fa zer variar a permeabilidade entre um primeiro par de polos do estator não adjacentes. Um componente do rotor em derivação es. tá isolado magneticamente do componente principal e inclui tam bém secções alternadas com permeabilidade magnética elevada e baixa. As secções de permeabilidade elevada e baixa do componen te em derivação são complementares das secções de permeabilida de elevada e baixa do componente principal do rotor e fazem va riar a permeabilidade megnética entre um segundo par de polos do estator não adjacentes para formar um circuito magnético com o primeiro par de polos do estator no componente principal. Os meios magnéticos para gerar um fluxo magnético estão incluídos num circuito magnético com os componentes principal e em deri vação do rotor de modo que a rotação do rotor produz variações da intensidade e do sentido do fluxo no rotor. Apresentam-se a

- 8 seguir diversas formas de realização da presente invenção.

Breve_descrição_dos_desenhos

As figuras dos desenhos anexos representam:

A fig. 1, uma vista em perspectiva do exterior da máqui. na segundo a presente invenção;

A fig. 2, uma vista em perspectiva da máquina segundo a presente invenção com cortes feitos em ângulos rectos segundo a linha (2-2) da fig. 1;

A fig. 3, uma vista com as peças separadas da máquina na fig. 2;

A fig. 4, uma vista em perspectiva do rotor segundo a presente invenção que ilustra os componentes principal e em derivação;

A fig. 5, uma vista em corte transversal esquemático fe_i to no estator e no.rotor perpendicularmente ao eixo central da máquina;

A fig. 6, uma vista em alçado com corte do estator, da carcaça e dos meios magnéticos segundo a presente invenção, com porções do rotor removidas para maior clareza;

A fig. 7, uma vista em perspectiva do estator, da carca ça, dos meios magnéticos e dos componentes principais do rotor para uma outra forma de realização da presente invenção, com o componente em derivação do rotor representado completo;

A fig. 8, uma vista em corte transversal feito pela linha (8-8) da fig. 7, perpendicularmente ao eixo longitudinal da máquina;

A fig. 9, uma vista em corte transversal de uma outra

forma de realização da presente invenção, com o veio representa, do completo, sendo o corte feito pelo eixo longitudinal da máqui.

na;

	A fig.	10, uma	vista	em	corte	transversal	da máquina	da
fig.	9, rodada	de 90°,	sendo	0 corte	feito pelo eixo longitudi-
nal	da máquina:	>
	A fig.	11, uma	vista	em	corte	transversal	feito	pela	li
nha	(11-11) da	fig. 9;
	A fig.	12, uma	vista	em	corte	transversal	feito	pela	li
nha	(12-12) da	fig. 9;
	A fig.	13, uma	vista	em	corte	transversal	feito	pelo	li
nha	(13-13) da	fig. 9;
	A fig.	14, uma	vista	em	corte	transversal	feito	pela	li
nha	(14-14) da	fig. 9;
	A fig.	15, uma	vista	em	corte	transversal	feito	pela	li
nha	(15-15) da	fig. 9;	e
	A fig.	16, uma	vista	em	perspectiva, em parte cora as pe-
ças	separadas,	do rotor e um	estator 1	da máquina ilustrada nas

fig. 9 a 15PescriçãO-da-invenção

Embora se descreva a presente invenção associada com vá rias formas de realização, deve entender-se que a presente inven ção não se limita às formas de realização apresentadas. Preten de-se que esta descrição seja considerada a título de exemplo e cubra todas as alternativas, modificações e equivalentes que possam incluir-se no espírito e no escopo da presente invenção, tal como são definidos nas reivindicações anexas.

Com referência à fig. 1, nela ilustra-se a máquina com relutância variável, com inversão completa do fluxo segundo a presente invenção.

Ela inclui uma carcaça exterior cilíndrica (1) que pode ser feita de um material não magnético apropriado. Podem usar-se se necessário ou desejável, extensões (2) da carcaça. A carcaça e as extensões da carcaça definem em conjunto um eixo longitudinal (3) da máquina. As campânulas extremas (4) estão colocadas perpendicularmente ao eixo longitudinal e estão fixa, das na carcaça, ou nas extensões, por meio de parafusos (6) ou similares. A campânula terminal pode também definir ranhuras de ventilação (5) para a passagem de ar de refrigeração através da máquina. Uma plataforma de montagem (7) pode ser usada para fixar a máquina no seu lugar. Chumaceiras (8) estão fixadas e são suportadas ao longo do eixo central (3) pelas campânulas ter minais (4).

Com referência às fig. 2 e 3, 0 estator (10), é anular e feito de material permeável magneticamente. Define um certo número de polos fixos (11) em circuito magnético uns com os ou. tros, que se estende radialmente para dentro, no sentido do ei. xo longitudinal ou eixo central (3)· Cada polo define uma face polar (12), e as faces polares em conjunto definem uma superfí cie do estator anular, dentada, em torno do eixo central. 0 nú mero de polos pode variar como for necessário ou desejável. Po. los adjacentes definem entre si ranhuras para receber enrolamen tos eléctricos (13) que circundam um ou mais polos. 0 número de polos do estator, o número de enrolamentos do estator, o número de polos envolvidos por cada enrolamento, o número de espiras por enrolamento, a natureza das interligações de um enrolamen.

to para o outro, se existirem, e a fase da corrente de excitação para um motor podem ser modificados conforme for necessário ou desejável para adaptação ou para a geração das características eléctricas desejadas.

O rotor (16) compreende um componente em derivação (17) e um componente principal (18) e suportes era derivação (19.)· 0 componente em derivação (17) inclui um veio (21) que é apoiado por forma a efectuar um movimento de rotação era torno do eixo central (3)· 0 componente em derivação inclui ura número pré-de. terminado de segmentos de derivação (22) que se estendem radial mente, tendo faces (23) dos segmentos que formam secções de um cilindro coaxial com o eixo central (3)· k área da superfície da face do segmento (23) é de preferência substancialmente cor respondente à área da superfície de cada face polar (12) corres, pondente e define um entreferro (25) entre as mesmas. 0 componen te em derivação do rotor, incluindo os segmentos (22), é feito de material magnético altamente permeável, definindo cada um dos segmentos uma secção de elevada permeabilidade, e definindo o espaço entre os segmentos em derivação secções de permeabilidade magnética baixa. 0 veio (21) do componente em derivação pode ser usado como saída ou entrada de potência e é suportado pe^ las chumaceiras (8).

componente principal (18) do rotor compreende um cilin dro ou tubo cilíndrico com a extremidade aberta, de material mag nético de elevada permeabilidade, que é montado coaxialmente com o eixo central. 0 cilindro define aberturas ou janelas :(26) em locais pré-determinados. A configuração da abertura corresponde à configuração da face (23) do segmento do componente em deriva ção, de modo que estas porções são perifericamente complementa, res e quando se reúnem os componentes principal e em derivação. 0 material de elevada permeabilidade define secções de elevada permeabilidade, e as aberturas definem secções de permeabilida de magnética baixa. A separação entre os componentes em deriva ção e principal do rotor é substancialmente maior do que o entreferro que separa qualquer dos componentes do rotor e as faces polares do estator para minimizar as fugas de fluxo entre os dois componentes do rotor e maximizar a transferência de fluxo através do entreferro entre o rotor e o estator. A superfície exterior curva do componente principal do rotor é coaxial com as faces polares (12) e as porções centrais do componente prin cipal do rotor formam um entreferro (24) com as faces polares do estator (12)· 0 componente principal estende-se longitudinal mente até uma posição próxima de cada uma das campânulas terminais para se sobrepor aos meios magnéticos. 0 componente princ_i pal é radialmente mais espesso junto dos polos para se adaptar ao fluxo, mas mais fino nas extremidades opostas, visto que o fluxo se divide e flui em ambas as direcções, reduzindo a densi_ dade de fluxo.

Os suportes em derivação (19) são feitos de material que não é permeável magneticamente e isolam magneticamente o compo. nente em derivação do rotor do componente principal do rotor. Os suportes também fixam as posições dos componentes um em rela ção ao outro de modo que os segmentos em derivação (22) ficam posicionados nas aberturas (26) do componente principal, forman do um rotor maciço. Ver as fig. 4, 5 e 6. Com referência à fig.

- 15 5, o componente principal do rotor (18) proporciona um trajecto permeável magneticamente entre um primeiro par de polos não adja.

centes (11A) e (11C) do estator. 0 componente em derivação (17) do rotor proporciona um trajecto magneticamente permeável entre um segundo par de polos não adjacentes (11B) e (11D) do estator.

rotor ilustrado não tem enrolamentos eléctricos nem material laminado. Pode ser constituído por um material ferromagnético fundido e os segmentos em derivação (22) podem estar fixados ao veio por qualquer meio, incluindo o vazamento numa só peça. É conveniente que a face exterior de cada segmento (25) seja substancialmente coincidente com o cilindro definido pela superfície exterior (27) do componente principal do rotor.

Os meios magnéticos (31) incluem os electroímans e ímãns permanentes. Com referência às fig. 2, 3 θ 6, os ímãns permanen tes (32) são formados como um anel magnetizado radialmente. São apropriados ímãns de elevada energia, tais como ímãns de neod_í mio-ferro-boro. Um anel colector (33) de material permeável ma_g neticamente está ligado magneticamente à superfície interior do ímãn e proporciona uma face lisa para obter um campo magnético uniforme. Uma bobina anular permeável megneticamante (3^Z1-) está ligada magneticamente com a superfície exterior do ímãn e propor ciona também uma face lisa para obter um campo magnético unifo_r me. Inclui igualmente bordos periféricos em forma de L para receber quaisquer enrolamentos de regulação de tensão que, quando excitados, se somam ou subtraem do campo magnético dos ímãns permanentes (32). Os suportes anulares (36) auxiliam a retenção destes elementos de meios magnéticos e a sua ligação à campânula terminal coaxial com o eixo central da máquina. A superfície

I S interior do anel colector (35) e a superfície exterior do veio em derivação (21) formam um entreferro (42), e a superfície ex terior da bobina (J4) e a superfície interior (28) do componen te principal do rotor formam um entreferro (41).

Com referência às fig. 2 e 5, estão ilustrados os lace tes de fluxo (40) numa porção da máquina. Começando no polo norte (N) dos meios magnéticos (51), o fluxo passa radialmente para fora através da bobina (54-) e do entreferro (41) para entrar na superfície interior (28) do componente principal do rotor. 0 fluxo continua axialmente ao longo do comprimento do componente principal do rotor no sentido do centro do entreferro (24) entre a superfície exterior (27) do componente principal do rotor e a superfície- poLar interior (11) do estator (10). Depois de entrar no estator (10), o fluxo divide-se e desloca-se perifericamente Z ver o polo (11A) na fig. 5 J para um polo adjacente no circui_ to magnético com o componente em derivação (17) do rotor /ver o polo (11D) na fig. 5 J⁷-0 fluxo continua radialmente para den tro através do polo (11) do estator, através do entreferro (25), e para o interior do segmento em derivação (22) do rotor.0 fluxo continua axialmente para fora no sentido dos meios magnéticos (51) e depois radialmente para fora a partir do veio em deriva ção (21), através do entreferro . (427 θ para o interior do anel colector (55) para voltar ao polo sul do ímãn permanente (52). Como se ilustra na fig. 5, o trajecto do fluxo no rotor é unid_i_ reccional independentemente da posição do rotor na sua rotação. 0 trajecto do fluxo no estator tem sentidos alternados quando as faces alternadas do componente principal e do componente em derivação são colocados num circuito magnético com os polos do k__ / estator pela rotação do rotor. Embora não esteja ilustrado nas figuras, o fluxo passa substancialmente em todas as porções do estator e do rotor, em qualquer instante.

Como se representa nos desenhos e aqui se descreve, os meios magnéticos e o circuito magnético podem variar quando ne cessário ou desejável. Por exemplo, os meios magnéticos podem ser fixados ao rotor, ensanduichado entre o veio em derivação (21) e a superfície interior (28) do componente principal do ro tor para eliminar os entreferros (4-1) e (4-2), proporcionando ain da um rotor maciço para funcionamento a velocidade elevada. Po dem fazer-se modificações semelhantes na máquina ilustrada na fig. 7, para colocar os meios magnéticos, utilizando ou electroímãns ou ímãns permanentes, entre o veio de derivação 0-21) e a superfície interior (123) do componente principal do rotor. Is. so elimina os entreferros (14-3) e (144-). Deve notar-se que uma vantagem do entreferro entre o rotor e os meios magnéticos é a barreira térmica que isola os ímãns permanentes do calor gerado no rotor. Os enrolamentos de regulação ou controlo da tensão po. dem então ser retirados do rotor e colocados algures para propor, cionar um rotor sem enrolamentos, ou completamente eliminados, conforme as características funcionais desejadas. Além disso, podem usar-se meios magnéticos múltiplos como se mostra nas fig. 1 a 6, ou um só meio magnético como se mostra na fig. 7.

A fig. 7, ilustra uma outra forma de realização da pre sente invenção que utiliza um único meio magnético. Inclui uma carcaça cilíndrica (101) com uma extensão cilíndrica (102) que define um eixo central (103). As campânulas (104-) definem as ex tremidades da máquina e suportam as chumaceiras (108) para o

veio do rotor. Utiliza-se um estator anular (110), como o descri_ to em ligação com as fig. 1 a 6.

rotor (116) inclui um componente de derivação (117) e um componente principal (118), cada um deles isolado magnética, mente do outro. Os suportes de derivação (119) retêm os dois com ponentes na sua posição, fixados desfasados um em relação ao ou tro. 0 veio de derivação (121) estende-se coaxialmente com o e_i xo longitudinal central da máquina e inclui componentes de deri vação (122) estendendo-se radialmente, formando uma face (123) do segmento que forma um segmento de um cilindro coaxial com o eixo longitudinal (105). 4 face do segmento (123) θ as faces po lares definem em conjunto um entreferro.

componente principal do rotor (118) compreende um cj_ lindro que á coaxial com o eixo longitudinal (103). 4 superfície exterior (127) do cilindro é coincidente com a superfície cilín drica definida pela face (123) do segmento do elemento de deri vação do rotor. 0 componente principal do rotor também define aberturas através das quais se estendem os segmentos (122) de derivação. Como se notou antes, as aberturas correspondem nas suas dimensões e na sua forma às faces (123) dos segmentos. A configuração do rotor é substancialmente a mesma que se ilustra na fig. 4, com a omissão da porção que forma um entreferro com o meio magnético do lado esquerdo.

Os meios magnéticos incluem um enrolamento eléctrico (132) e uma bobina (134), ambos coaxiais com o eixo longitudinal (103). Um suporte de forma, na generalidade cilíndrica (136) e_s tá ligado magneticamente com um disco de suporte (137) θ, em con junto, posicionam a bobina magnética e mantêm-na em circuito mag

nético com os componentes do rotor.

Em funcionamento, com referência também à fig. 8, o elec_ troímãn é excitado fazendo com que o fluxo passe axialmente para fora da bobina eléctrica (132), para o interior do disco de suporte (137), radialmente para dentro para o veio de derivação (121) através do entreferro (144), axialmente no sentido dos segmentos de derivação (122), radialmente para fora através do entreferro (125) e para o interior do estator (110), periférica, mente em torno do exterior do estator para um polo adjacente, radialmente para dentro através do polo, através do entreferro (124) e para o interior da superfície exterior (127) do componen te principal do rotor, axialmente ao longo do componente princi. pal do rotor (118) e radialmente para fora através do entreferro (143) para o interior do suporte anular (136) e axialmente de novo para o polo sul do electroímãn (132). Como se notou em ligação com a primeira forma de realização, o fluxo é uni d ire c_ cional no rotor e muda de sentido apenas no estator.

As especificações perliminares para um motor de corren te alternada numa carcaça, com um diâmetro de 19,7 cm (7,75) e um comprimento de 28,2 cm (11,11), com um controlador apro priado são:

- CV (a 1800 r.p.n)3

- r.p.m. ----------------------------- 0 - 10 000

- TENSÕES208

- FASES 3

- CORRENTE (A): a plena carga (PC) 7,5

- BINÁRIO (% de PC): rotura219

- BINÁRIO (PC) (kg-cm)-------------- 121 (105 lb-in)

- REND. (PC) %91

- FACTOR DE SERVIÇO 1

- CICLO DE ACTIVIDADE -------------- Contínuo z

- TEMPERATURA AMBIENTE ΜΑΣ.40°C

- SUBIDA MÁX. DE TEMPERATURA--------100° C

- PESO (kg)-------------------------32,2 kg (71 lbs)

Com referência às fig. 9 a 16, apresenta-se uma outra forma de realização da presente invenção que utiliza dois esta, tores envolvidos por um rotor com duas partes com braços em can tilever. A máquina inclui uma carcaça exterior cilíndrica (201) que pode ser feita de um material não magnético apropriado. A carcaça define um eixo longitudinal (203) da máquina. Campânulas terminais (204) estão colocadas transversalmente em relação ao eixo longitudinal e são mantidas contra a carcaça por meio de parafusos (206) ou similares. As campânulas terminais podem in cluir ranhuras de ventilação para a passagem de ar de refrigera, ção através da máquina. Os estatores (210) (fig. 11 e 16) são anulares e compreendem material permeável magneticamente definin do um certo número de polos fixos (211) que se estendem radialmente para fora a partir do eixo longitudinal (203). Cada polo define uma face polar (212) e as faces polares em conjunto de. finem uma superfície anular do estator em torno do eixo central. Cada polo está num circuito magnético com todos os outros polos e o número,pode variar como for necessário ou desejável. Os po. los adjacentes definem entre si ranhuras para receber enrolamen tos eléctricos (215) que envolvem um ou mais polos. 0 número de

- 19 enrolamentos, os polos envolvidos por cada enrolamento, etc., po dem variar conforme for necessário.ou desejado.

rotor compreende um componente de derivação (217), um componente principal (218) e um veio. 0 componente principal (218) em geral compreende dois elementos em forma de U costas-com-costas feitos de material permeável magneticamente. Cada elemento em forma de U inclui uma porção de disco (219) fixada transversalmente no veio (221) por forma a rodar com o mesmo. Dois braços (220) estendem-se coaxialmente a partir do bordo do disco (219) eni cantilever ou à maneira'de uma garra. Os braços estão fixadas desfasados de 180°, um em relação ao outro, são feitos de material permeável magneticamente e estão ligados mag neticamente com a porção do disco permeável magneticamente. Os braços estão dispostos num raio pré-determinado a partir do e_i xo radial para formar um pequeno entreferro (223) entre a super fície interior do braço e a super.fície exterior da face polar (212)· Os dois elementos em forma de U que compreendem os componentes principais do rotor estão isolados magneticamente um do outro e separados por suportes magneticamente não permeáveis do veio e do rotor.

Os componentes de derivação (217) do rotor têm na gene, ralidade a forma de sela e estão deslocados radialmente do veio (221). Fazendo referência primariamente às fig. 9 e 16, o compo. nente em derivação inclui porções de braços em cantilever (224) que se estendem axialmente sobre as faces polares (212) do esta, tor formando um entreferro (226). Uma secção (225) de ponte em derivação permeável magneticamente liga a porção próxima dos bra ços de derivação e faz parte do circuito magnético que liga os i

dois estatores. A secção de ponte estende-se axialmente a uma distância pré-determinada do veio e está ligada ao mesmo através de um suporte (228) do rotor não permeável magneticamente. 0 componente de derivação está isolado magneticamente do compo nente principal e passa através de aberturas (227) definidas no componente em forma de disco. A distância entre os componentes principal e de derivação do rotor é grande quando comparada com os entreferros na máquina, para minimizar a fuga de fluxo.

Os meios magnéticos (231) incluem um anel de ímãns per. manentes (232) magnetizados coaxialmente com o eixo central (203). Dois anéis colectores (233) permeáveis magneticamente estão co locados de cada um dos lados dos ímãns permanentes e estão liga, dos magneticamente aos mesmos. Os ímãns formam um anel contínuo, tal como o colector, para proporcionar uma superfície substancial, mente contínua e ininterrupta e uma distribuição uniforme do flu xo magnético. Duas bobinas (234-) não permeáveis magneticamente ensanduicham os ímãns permanentes e os aneíis colectores radialmente e estão providas de enrolamentos de regulação de tensão que, quando excitados, se adicionam ou se subtraem do campo mag nético dos ímãns permanentes (232). Os anéis colectores , os ímãns permanentes e a bobina podem ser fixados na carcaça de qualquer maneira conveniente, por exemplo, a ilustrada na fig.

9.

Os anéis colectores e a bobina, em conjunto, focam o flu xo magnético proveniente dos ímãns permanentes e dos enrolamen tos de regulação da tensão num par de faces polares (236) que, juntamente com o disco (219) do componente principal do rotor, formam entreferros (238) e (239).

Fazendo referência à fig. 16, nela está ilustrado um tra jecto do fluxo (24-0), como exemplo. Começando no dispositivo magnético (231) disposto entre os discos principais do rotor (219)5 0 fluxo passa axialmente para fora dos meios magnéticos (231), através do entreferro (239), para 0 interior do disco (219) do rotor e para o braço (220) do componente principal do rotor. 0 fluxo continua radialmente para fora do braço (220) do rotor, através do entreferro (223) e para 0 interior da face polar (212) e o estator (210). Cora referência também à fig. 11, 0 fluxo divide-se no estator e continua radialmente para fo ra para as faces polares adjacentes (212), através dos·entrefer ros (226) e para o interior do braço de derivação (224). 0 flu xo continua axialmente através do braço de derivação (224), da ponte de derivação (225), θ para o interior do braço de deriva ção (224) oposto. 0 fluxo desloca-se depois radialmente para dentro do braço de derivação (224), através do entreferro (226) para reentrar na face polar (212) e no estator (210). 0 fluxo divide-se mais uma vez no segundo estator e desloca-se radialmente para fora através da face polar (212), através do entrefei; ro (223) θ para o interior do braço (220) do componente princ_i pal do rotor. 0 fluxo continua axialmente através do braço prin cipal do rotor para o disco (219), através do entreferro (238) de novo para os meios magnéticos (231)- 0 fluxo é unidireccional no rotor independentemente da sua posição de rotação. 0 flia xo no estator varia de sentido quando as faces alternadas do elemento de derivação do rotor e o componente principal do rotor são colocados no circuito magnético com polos sucessvos do estator. Quando ^ctuado como um motor, os enrolamentos eléctri cos são comandados por impulsos por um controlador apropriado para controlar a intensidade e o sentido do fluxo. Quando funcio na como gerador. 0 fluxo que passa pelas bobinas eléctricas e produz electricidade. Embora não esteja ilustrado, o fluxo pas. sa substancialmente em todas as porções do esuator e do rotor em qualquer instante, para maximizar o rendimento da máquina.

Esta forma de realização ilustra dois estatores que es tão num circuito magnético, embora possa ser modificada, por uma pessoa entendida na matéria, para constituir uma máquina com es tator único.

REIVINDICAÇÕES

Claims

1. Máquina sem escovas com relutância variável, com inversão completa de fluxo, que compreende um estator magnética, mente permeável, anular, que tem um certo número de polos fixos tendo faces polares que definem uma superfície anular do esta tor e um eixo central; pelo menos um enrolamento eléctrico envolvendo pelo menos uma porção do estator; um rotor permeável majg neticamente incluindo um veio montado para rotação em torno de ura eixo central e em circuito magnético com certas faces polares do estator, compreendendo o rotor um componente principal que define secções alternadas de permeabilidade magnética elevada e baixa, e ura componente de derivação isolado magneticamente do componente principal, definindo o componente de derivação seç. ções alternadas de permeabilidade elevada e baixa que são peri fericamente complementares das secções de permeabilidade eleva da e baixa do componente cilíndrico principal; e meios magnétq, cos para gerar um fluxo magnético, caracterizada por o fluxo magnético que sai destes meios magnéticos ser orientado radial, mente e os meios magnéticos estarem num circuito magnético com e dispostos entre os componentes principal e de derivação, de modo que a rotação do rotor induz variações da intensidade e do sentido do fluxo no estator, sem inversão do sentido do flu xo no rotor.

2. Maquina de acordo com a reivindicação 1, caracteri^ zad,a por os meios magnéticos serem de configuração anular tendo polos alinhados radialmente com um polo em circuito magnético com o compor.erte principal do rotor e o segundo polo em circui to magnético com o componente de derivação do rotor.

3. Máquina de acordo com a reivindicação 1, caracteri.

zada por os componentes das secções formarem polos do rotor e cada face polar ter na generalidade a mesma dimensão.

4. Máquina de acordo com a reivindicação 1, caracteri zada por os meios magnéticos compreenderem meios para gerar um segmento do trajecto do fluxo radial, em geral linear, que se estende através dos meios magnéticos e dosjentreferros adjacen tes para as superfícies respectivas dos componentes principal e de derivação do rotor.

5· Máquina de acordo com a reivindicação 1, caracteri. zado por o rotor estar desprovido de enrolamentos eléctricos.

6. Máquina de acordo com a reivindicação 1, caracteri. zada por o componente principal do rotor compreender um cilindro de material altamente permeável montado coaxialmente com o eixo central, definindo o cilindro aberturas através do mesmo em posições pré-determinadas, de modo que o material altamente permeável compreenda as secções de elevada permeabilidade e por as secções de baixa permeabilidade serem definidas pelas abertu ras.

7. Máquina de acordo com a reivindicação 1, caracteri. zada por o componente de derivação do rotor compreender um veio de material de permeabilidade elevada que é coaxial com o eixo central, incluindo o veio, um número pré-determinado de segmen tos de derivação integrados que se estendem radialmente, de ma terial de permeabilidade elevada, de modo a que os segmentos do veio de material de alta permeabilidade, compreendam as secções de permeabilidade elevada e por as secções de permeabilidade ba_i xa estarem errre os segmentos de derivação.

8. Máquina de acordo com a reivindicação 1, caracter/ zada por o componente principal do rotor compreender um cilindro de material de permeabilidade elevada que é coaxial com o eixo central, definindo o cilindro aberturas através do mesmo em posições pré-determinadas e por o componente de derivação do rotor compreender um veio de material de permeabilidade elevada que é coaxial com o eixo central, incluindo o veio um número pré-determinado de segmentos de derivação de material de permea. bilidade elevada que se estendem radialmente através das abertu ras do componente principal do rotor.

9. Máquina de acordo com a reivindicação 1, caracter/ zada por os segmentos de derivação incluirem uma superfície ex terior que define um segmento de um cilindro que coincide subs tancialmente com a superfície exterior do cilindro do cornponen. te principal do rotor.

10. Máquina de acordo com a reivindicação 1, caracteri zada por os meios magnéticos estarem em contacto com o rotor e rodarem com o mesmo.

Lisboa, 23 de Setembro de 1987

- 26 RESUMO

MÁQUINA. COM RELUTÂNCIA VARIÁVEL

COM INVERSÃO COMPLETA DO ELUXO

A invenção refere-se a uma máquina com relutância variá vel com inversão completa do fluxo. 0 estator.inclui um certo número de polos e de enrolamentos eléctricos envolvendo uma por. ção do estator. 0 rotor compreende componentes principais e com ponentes em derivação que têm secções alternadas com permeabil_i dade magnética elevada e baixa. Os componentes principais e em derivação estão isolados magneticamente e as secções de permea. bilidade magnética elevada e baixa de um componente são comple mentares das secções do outro componente. São induzidas variações de intensidade e de direcção do fluxo no estator, sem inversão do sentido do fluxo no rotor.

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