WO2020041845A1

WO2020041845A1 - Rotor de polos híbridos para máquina elétrica girante de polos salientes e máquina elétrica utilizando os mesmos

Info

Publication number: WO2020041845A1
Application number: PCT/BR2018/050312
Authority: WO
Inventors: Lucas GOMES FONCATTI
Original assignee: Weg Equipamentos Eletricos Sa - Motores
Priority date: 2018-08-31
Filing date: 2018-08-31
Publication date: 2020-03-05
Also published as: BR112021003810A2

Abstract

A presente invenção refere-se a um rotor de polos híbridos para máquina elétrica girante de polos salientes, constituído por polos (30) dispostos radialmente em torno de um pacote (10) da roda polar (60), alternando-se polos integrais (31) e polos destacáveis (32). Os polos destacáveis (32) são fixados em cavidades (50) da roda polar (60) ou pacote (10), de modo reversível, por meio de conjuntos de cunha e contracunha (70), que compreendem, cada um, pelo menos uma cunha superior (71) e pelo menos uma cunha inferior (72). Além disso, a presente invenção se refere a uma máquina elétrica girante dotada de um rotor de polos híbridos de acordo com a invenção.

Description

ROTOR DE POLOS HÍBRIDOS PARA MÁQUINA ELÉTRICA GIRANTE DE POLOS SALIENTES E MÁQUINA ELÉTRICA UTILIZANDO OS

MESMOS

Campo de aplicação

[001 ] A presente invenção pertence ao campo das máquinas elétricas girantes, em especial aos meios para montar ou fixar peças magnéticas girantes às estruturas de rotores, notadamente dos rotores dotados de polos salientes.

Fundamentos da invenção

[002] Máquinas elétricas girantes são equipamentos utilizados para a transformação de energia elétrica em mecânica, no caso de motores, e vice- versa, no caso de geradores. Basicamente, são constituídas por quatro estruturas básicas, que são carcaça, estator, rotor e mancais/tampas.

[003] A carcaça é o elemento responsável pela integração das demais estruturas, abrigando estator e rotor.

[004] O estator é o componente ativo (energizado) estático responsável por conduzir o fluxo magnético para rotacionar o rotor, no caso de motores, e para conduzir a energia gerada pelo rotor, no caso de geradores, enquanto o rotor é o componente ativo (energizado) girante da máquina elétrica girante.

[005] Já os mancais e tampas são os elementos responsáveis pelo acoplamento das partes estáticas às partes girantes de uma máquina elétrica girante.

[006] Além desses elementos, dependendo de características distintas de cada máquina elétrica girante, podem existir sistemas auxiliares como os de excitação, arrefecimento, lubrificação, dentre outros.

[007] O sistema rotor tem sua construção realizada pela montagem de um eixo usinado em um pacote que pode ser formado por chapas empilhadas, componente este no qual os condutores, geralmente de cobre, são montados, formando então a parte ativa do rotor. Este componente pode ser classificado como“de gaiola” ou“de anéis” quando se trata de uma máquina elétrica girante de indução de corrente alternada, ou“de polos lisos” ou“de polos salientes” quando se trata de uma máquina elétrica girante síncrona.

[008] Especificamente em relação ao tipo construtivo dotado de polos salientes, existe ainda a possibilidade de variação entre uma versão de polos maciços e outra de polos laminados.

[009] A geometria com polos maciços é composta por polos usinados a partir de um bloco único de metal.

[010] Já a geometria de polos laminados possui duas variações, sendo a primeira chamada de polos laminados integrais, que pressupõe todos os polos pertencentes à mesma chapa, ou com polos laminados destacáveis, os quais são produzidos de forma desvinculada do núcleo do rotor e, posteriormente, montados sobre um componente chamado roda polar que, por sua vez, é montada ao eixo do rotor.

[01 1 ] A forma construtiva com polos destacáveis é, normalmente, empregada para máquinas elétricas girantes com um grande número de polos, como, por exemplo, grandes hidrogeradores, por facilitar sua fabricação. Entretanto, essa geometria incorpora ao projeto uma região de interface entre os polos e a roda polar, sendo que esta região de contato pode levar a um aumento das perdas magnéticas do rotor, piorando, assim, o rendimento elétrico da máquina elétrica girante. Além disso, por questões de espaço, quando se emprega esta concepção é necessário“estrangular” o caminho do fluxo magnético do rotor em prol do aumento da resistência mecânica da região de suporte dos polos na roda polar. Essa redução na seção transversal também pode resultar em redução da eficiência da máquina elétrica girante. Por esses motivos, a opção construtiva com chapas integrais deve, sempre que possível, ser preferida.

[012] Nem todos os projetos estão sujeitos às penalidades oriundas dos pontos expostos acima, visto que existem formas de se contornar tais fatores, como a usinagem da região de interface entre o polo e a roda polar, a utilização de ajuste interferente entre o polo e a roda polar, ou ainda, o superdimensionamento elétrico da máquina elétrica girante. Entretanto, essas alterações ou agregam custo de material e tempo de produção ao produto ou acabam por reduzir a performance final da máquina elétrica girante ou ainda aumentam custos e reduzem eficiência simultaneamente. Estado da técnica

[013] Atualmente, no segmento de geradores elétricos com rotores com polos salientes, a escolha pela utilização de chapas integrais ou com polos destacáveis depende, principalmente, de dois fatores: o tamanho do equipamento e a quantidade de polos.

[014] No caso do fator relativo ao tamanho do equipamento, há de se notar que máquinas com rotores de maior diâmetro tendem a receber polos destacáveis, como acontece, por exemplo, com os hidrogeradores de grande porte, enquanto as máquinas com rotores menores utilizam o conceito de polos integrais, opções estas diretamente dependentes da facilidade de produção para cada caso.

[015] Já no que diz respeito à quantidade de polos, é importante esclarecer que, normalmente, para realizar a bobinagem de rotores pequenos dotados de uma grande quantidade de polos são necessários equipamentos tão mais sofisticados quanto menor o diâmetro do rotor e maior a quantidade de polos. Sendo assim, rotores pequenos possuem limitações para a quantidade de polos no caso de polos integrais, sendo então aplicada a forma construtiva de polos destacáveis, uma vez que esses são bobinados individualmente e então montados sobre a roda polar.

[016] Por isso, sem investimentos em equipamentos para bobinagem e/ou alterações consideráveis dos processos de fabricação, máquinas de média e baixa tensão e porte têm limitações quanto à quantidade máxima de polos. Projetos de rotores com número de polos além desses limites devem utilizar a geometria de polos destacáveis, fixados à roda polar, em que surge o problema do travamento dos polos destacáveis na roda polar. [017] São conhecidas do estado da técnica soluções para a fixação de polos destacáveis em rodas polares como, por exemplo, as soluções que utilizam métodos permanentes, como ajustes interferentes entre os componentes e pinos elásticos.

[018] Um exemplo de solução desta natureza é descrito pelo documento patentário de número US20160056676, que descreve e reivindica um conjunto de rotor parcialmente segmentado para um motor elétrico e um método equivalente. O conjunto de rotor parcialmente segmentado de acordo com US20160056676 inclui um primeiro segmento de rotor e uma pluralidade de segundos segmentos de rotor. O primeiro segmento de rotor possui uma pluralidade de primeiros polos bobinados e define uma primeira folga circunferencial entre o fio de cada par adjacente de primeiros polos. Cada segundo segmento de rotor tem um segundo polo bobinado preso rigidamente ao primeiro segmento de rotor em uma das respectivas primeiras folgas circunferenciais, para formar uma pluralidade de segundas folgas circunferenciais entre o fio de cada primeiro polo e o fio do segundo polo adjacente, em que o primeiro e segundo segmentos de rotor são configurados para cooperar entre si para minimizar a segunda folga circunferencial.

[019] No caso em tela, o posicionamento e centralização de cada segundo segmento de rotor em relação ao primeiro (roda polar) se dá por meio de elementos de encaixe alternados em ambos os segmentos, que formam uma espécie de endentação com furos em cada dente, sendo os eixos desses furos paralelos ao eixo longitudinal do rotor. Quando do encaixe, os furos das endentações de cada um dos segundos segmentos coincidem com os furos do primeiro segmento. A fixação de cada segundo segmento de rotor no primeiro é feita, então, pela inserção de pinos através dos furos coincidentes das endentações.

[020] A primeira desvantagem aparente da solução é a conexão rígida entre os segmentos destacáveis e a roda polar, conexão essa referenciada no relatório descritivo de US20160056676 como sendo rígida e permanente (parágrafos 22 e 24 a 26), que não permite a desmontagem em caso de manutenção, preventiva ou corretiva, condição altamente recomendável e desejada para o caso de grandes máquinas, que demandam revisões e, por motivos de custo, devem permitir a troca independente de seus componentes.

[021 ] Outra importante desvantagem da solução descrita por US20160056676 diz respeito ao entreferro na conexão entre os segmentos destacáveis e a roda polar e à grande quantidade de pontos alternados de contato entre os elementos das endentações, o que causa vários estrangulamentos do fluxo magnético, aumentando consideravelmente as perdas de eficiência elétrica. Não menos importante e desvantajosa é a necessidade de uma extensa área recortada na roda polar, o que igualmente representa perdas de eficiência elétrica.

[022] Formas de fixação e travamento dos polos destacáveis na roda polar, que permitam a desmontagem dos polos para sua manutenção podem incluir o uso de cunhas inferiores ou laterais, bem como o uso de soluções conhecidas da mecânica como os rabos de andorinha, que trazem as mesmas limitações e problemas de estrangulamento do fluxo magnético e perda de eficiência já citados, tanto em máquinas de maior ou menor porte.

[023] Como pode ser inferido da descrição acima, existe espaço e demanda para uma solução de rotor de polos salientes para máquinas elétricas girantes que supere as desvantagens do estado da técnica.

Objetivos da invenção

[024] Um dos objetivos da presente invenção é, portanto, prover um rotor de polos salientes de acordo com as características da reivindicação 1 do quadro reivindicatório anexo.

[025] Outro objetivo da presente invenção é prover uma máquina elétrica girante correspondente de acordo com as características da reivindicação 8 do quadro reivindicatório anexo. [026] Demais características e detalhamentos das características são representados pelas reivindicações dependentes.

Breve descrição das figuras

[027] Para melhor entendimento e visualização do objeto da presente invenção, a mesma será agora descrita com referência às figuras anexas, representando o efeito técnico obtido por meio de uma modalidade exemplar não limitante do escopo da presente invenção, em que, esquematicamente:

[028] Figura 1 : apresenta uma vista em perspectiva isométrica de um polo destacável de acordo com a invenção;

[029] Figura 2: apresenta uma vista frontal do polo destacável da figura

1 ;

[030] Figura 3: apresenta uma vista em perspectiva isométrica de uma roda polar de acordo com a invenção, apenas com os polos integrais e sem os polos destacáveis;

[031 ] Figura 4: apresenta uma vista frontal da roda polar da figura 3;

[032] Figura 5: apresenta uma vista em perspectiva isométrica de uma roda polar de acordo com a invenção, no estado montado final, com os polos destacáveis dispostos entre os polos integrais;

[033] Figura 6: apresenta uma vista frontal da roda polar da figura 5;

[034] Figura 7: apresenta uma vista em perspectiva isométrica de um rotor híbrido de acordo com a invenção;

[035] Figura 8: apresenta uma vista frontal de um detalhe ampliado de um polo destacável de acordo com a invenção;

[036] Figura 9: apresenta uma vista lateral do corte C-C da figura 8, com um detalhe parcial ampliado de um conjunto de cunha e contracunha;

[037] Figura 9a: apresenta o corte da figura 9, evidenciando as relações geométricas e dimensionais dos diferentes componentes; [038] Figura 9b: apresenta isoladamente as cunhas superior e inferior, evidenciando suas medidas; e

[039] Figura 10: apresenta uma vista em perspectiva isométrica de metade da roda polar de acordo com a invenção, com o conjunto de cunhas montado na região de fixação dos polos destacáveis.

Descrição detalhada da invenção

[040] A presente invenção se refere a um rotor híbrido composto por um pacote (10), também chamado de núcleo polar, disposto sobre um eixo (20). Os polos salientes ou simplesmente polos (30) do pacote (10) são os elementos sobre os quais é disposto o enrolamento de materiais condutores ou simplesmente bobina (40).

[041 ] Os polos (30) são dispostos radialmente em torno de todo diâmetro do pacote (10), alternando-se polos do tipo integral (31 ) e polos do tipo destacável (32).

[042] Entre os polos integrais (31 ) estão dispostas cavidades (50) nas quais são montados os polos destacáveis (32) da roda polar (60).

[043] A fixação dos polos destacáveis (32) nas cavidades (50) da roda polar (60) ou pacote (10), é realizada de modo reversível por meio de conjuntos de cunha e contracunha (70).

[044] Cada conjunto de cunha e contracunha (70) compreende uma cunha superior (71 ) e uma cunha inferior (72), havendo pelo menos um conjunto de cunha e contracunha (70) para cada polo destacável, sendo preferencial a utilização de pelo menos dois conjuntos de cunha e contracunha (70).

[045] As cunhas inferiores (72) são posicionadas em rebaixos (80) da roda polar (60).

[046] A cunha inferior (72) possui um comprimento (I) cuja dimensão, paralela ao eixo longitudinal do eixo (20), representa entre 20 e 50% do comprimento total (L) do pacote (10) . [047] A inserção da cunha superior (71 ) sobre a cunha inferior (72) limitada pelo rebaixo (80), garante a força necessária para manter o polo destacável (32) em sua posição e o máximo de contato entre a interface (90) do polo destacável (32) e as paredes da cavidade (50) da roda polar (60).

[048] A cunha superior (71 ) é posicionada de tal modo que se projeta, a partir, do final do pacote (10), em dimensão longitudinal (D), paralela ao eixo longitudinal do eixo (20), que corresponde a um valor entre 3 a 5 vezes a sua espessura maior (F1 ). A cunha superior (71 ) ainda deve ser inserida na cavidade (50) da roda polar (60) mantendo uma interferência média de 0,05 a 0,9mm em seu comprimento, e deverá possuir uma razão de inclinação, preferencialmente entre 1 :90 e 1 :1 10, mas não se limitando a essa faixa.

[049] A folga (E) entre duas cunhas superiores (71 ) é concebida de modo a acomodar a soma de tolerâncias de montagem e fabricação do polo destacável (32) e do pacote (10). Portanto, a folga (E) pode ser determinada em função da dimensão longitudinal (D), sendo igual ou até 50% superior à dimensão longitudinal (D).

[050] A dimensão (H), que representa a distância linear entre uma extremidade da cunha inferior (72) e a face frontal do pacote (10), ou ainda a distância linear entre a extremidade oposta da cunha inferior (72) e a metade do comprimento total (L) do pacote (10), é, portanto, a metade da diferença entre a metade comprimento total (L) do pacote (10) e o comprimento (I) da cunha inferior (72).

[051 ] As cunhas superior (71 ) e inferior (72) deverão ser iguais em termos de razão de inclinação e tolerâncias de planicidade, bem como deverão possuir as mesmas espessuras maiores (F1 ) e (F2), diferindo apenas quanto ao comprimento e às espessuras menores (G1 ) e (G2). Devido a razões geométricas, as espessuras menores (G1 ) e (G2) devem ser tais que a espessura menor (G1 ) será sempre menor do que a espessura menor (G2). Ainda, as espessuras das cunhas superior (71 ) e inferior (72) relacionam-se de tal modo as espessuras maiores (F1 ) e (F2) e a menor (G2) serão determinadas e função da mínima espessura possível para a espessura menor (G1 ) que, de acordo com os processos de fabricação, possa ser fabricada atendendo as tolerâncias de planicidade desejadas.

[052] Isto posto, resta evidente uma vantagem importante da presente invenção sobre o estado da técnica a ser superado, ao prover uma solução de rotor de polos híbridos (30), compreendendo alternadamente polos integrais (31 ) e polos destacáveis (32), sendo esses últimos montados de modo reversível na roda polar (60) por meio de um conjunto de cunha e contracunha (70), sendo as cunhas (71 , 72) desmontáveis e dispostas na região inferior dos polos destacáveis (32), de modo a eliminar o entreferro entre o polo destacável (32) e a roda polar (60).

[053] Os polos destacáveis (32) possuem, cada um, uma geometria que favorece a passagem do fluxo magnético pois propicia o máximo contato entre o polo destacável (32) e a roda polar (60) por meio da região de contato (90) com uma face de dimensão de contato (B) do polo destacável (32). Tal contato é amplificado devido à combinação dos dois carregamentos atuantes sobre o polo destacável (32): o primeiro é exercido pela força que o conjunto de cunha e contracunha (70) exerce empurrando o polo destacável (32) contra a roda polar (60) na região de contato (90) e, em operação nominal, a força centrífuga gerada pela massa do polo atuando na mesma direção.

[054] A dimensão transversal (A) representa a “garganta” do polo destacável (32), região por onde passa o fluxo eletromagnético oriundo da bobina (40).

[055] Para a otimização do fluxo magnético de acordo com a invenção, os polos destacáveis (32) devem ser construídos de forma a garantir uma relação entre as dimensões (A, B) tal que dimensão de contato (B) seja maior ou igual à metade da dimensão transversal (A), sem limitações quanto a relações superiores a 50%, não podendo, portanto, ser inferiores a esse valor sob o risco de não se obter o efeito eletromagnético esperado. [056] A dimensão de contato (B) (representa a região de contato (90) entre o polo destacável (32) e a roda polar (60). Esta região é, portanto, responsável por conduzir, em cada lateral do polo destacável (32), metade do fluxo magnético total gerado pela bobina (40). Assim, como o fluxo vem do polo destacável (32) passa pela área da dimensão transversal (A) e passa também pelas áreas da dimensão de contato (B), é necessário que a dimensão de contato (B) seja no mínimo metade da dimensão transversal (A). É de suma importância que as faces representadas pela dimensão de contato (B) estejam em completo contato com a roda polar (60), em sua região de contato (90). Como mencionado anteriormente, a solução aqui descrita prioriza este contato por conta dos esforços das cunhas (71 , 72) e da força centrífuga da rotação da roda polar (60).

[057] Esta geometria, mais precisamente a relação entre as dimensões da “garganta” (dimensão transversal (A)) do polo destacável (32) e sua“saia” de contato (dimensão de contato (B)) é tal que elimina o estrangulamento do fluxo magnético, e consequentemente melhora a eficiência da máquina elétrica girante, ou seja, a área de passagem do fluxo magnético é mantida constante.

[058] É de se notar ainda que os polos híbridos (30) podem ser laminados (formados por um empilhamento de chapas cortadas ou estampadas) ou maciços (formados por um bloco de metal contínuo), o que representa outra vantagem significativa em termos de flexibilidade de aplicação da presente invenção.

[059] Além disso, o técnico no assunto entenderá que o rotor de polos híbridos da invenção cria condições mais estáveis de produção do equipamento, evitando que desvios de processo causem reduções na performance do equipamento, além do incremento da capacidade fabril, visto que com um mesmo equipamento de bobinagem pode-se produzir um rotor com o dobro do número de polos máximo previsto para tal equipamento. [060] A solução proposta reduz consideravelmente o aumento das perdas elétricas do rotor inerentes à utilização de rotores com polos destacáveis, se comparável ao uso de polos integrais, por meio da minimização do espaço existente entre a interface dos polos híbridos (30) com a roda polar (60), espaço esse aqui chamado de“entreferro”, que atua estrangulando o fluxo magnético. Além disso, como já mencionado acima, a solução proposta amplia a capacidade fabril, tornando-a apta a fabricar rotores com número de polos elevado sem a necessidade de novos equipamentos.

[061] A solução, chamada de rotor híbrido, é composta por metade dos polos integrais (31 ) às chapas da roda polar (60) e a outra metade dos polos do tipo destacável (32). Desta forma, consegue-se evitar o surgimento de espaços vazios nas interfaces dos destacáveis com os integrais (90) utilizando o sistema de cunhas (70) para a fixação daqueles nesses, mantendo-se a área de passagem do fluxo magnético constante, e assim evitando estrangulamentos.

Conclusão

[062] Será facilmente compreendido por aqueles versados na técnica que modificações podem ser realizadas na presente invenção sem com isso se afastar dos conceitos expostos na descrição acima. Essas modificações devem ser consideradas como compreendidas pelo escopo da presente invenção. Consequentemente, as concretizações particulares descritas em detalhe anteriormente são somente ilustrativas e exemplares e não limitativas quanto ao escopo da presente invenção, ao qual deve ser dada a plena extensão das reivindicações em anexo e de todos e quaisquer equivalentes da mesma.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1 . Rotor de polos híbridos para máquina elétrica girante de polos salientes, constituído por polos (30) dispostos radialmente em torno de um pacote (10) da roda polar (60), alternando-se polos integrais (31 ) e polos destacáveis (32), caracterizado por serem os polos destacáveis (32) fixados em cavidades (50) da roda polar (60), de modo reversível, por meio de conjuntos de cunha e contracunha (70) que compreendem, cada um, pelo menos uma cunha superior (71 ) e pelo menos uma cunha inferior (72).

2. Rotor, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por haver pelo menos um conjunto de cunha e contracunha (70) para cada polo destacável (32), sendo preferencial a utilização de pelo menos dois conjuntos de cunha e contracunha (70) para cada polo destacável (32).

3. Rotor, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por as cunhas inferiores (72) serem posicionadas em rebaixos (80) da roda polar (60).

4. Rotor, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por a cunha inferior (72) possuir um comprimento (I) entre 20 e 50% do comprimento total (L) do pacote (10).

5. Rotor, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por a cunha superior (71 ) se projetar a partir do final do pacote (10) em dimensão longitudinal (D) que corresponde a um valor entre 3 a 5 vezes a sua espessura maior (F1 ).

6. Rotor, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por haver uma folga (E) entre duas cunhas superiores (71 ) é concebida de modo a acomodar a soma de tolerâncias de montagem e fabricação do polo destacável (32) e do pacote (10). Portanto, a folga (E) pode ser determinada em função da dimensão longitudinal (D), sendo igual ou até 50% superior à dimensão longitudinal (D).

7. Rotor, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por a relação entre uma dimensão de contato (B) de cada polo destacável (32) ser maior ou igual à metade de uma dimensão transversal (A) do respectivo polo destacável (32).

8. Máquina elétrica girante, caracterizada por ser dotada de um rotor de polos destacáveis (32) fixados em cavidades (50) de sua roda polar (60) ou pacote (10), de modo reversível, por meio de conjuntos de cunha e contracunha (70), que compreendem, cada um, pelo menos uma cunha superior (71 ) e pelo menos uma cunha inferior (72).