WO2023010187A1 - Air deflector for the coil head of rotors of rotating electrical machines and corresponding rotating electrical machine - Google Patents
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Definitions
- the air directors (100) are arranged under the coil heads (200) in the radial space between the poles (300) and the rotor (400), in the region with greater air supply (210) in a position flush with the axially innermost structure (421) of the rotor press ring (420) or closer to the rotor package (430) and essentially centered with respect to each of the poles ( 300), therefore there must be at least one air guide (100) for each pole (300).
Abstract
The invention relates to an air deflector (100) for the coil head (200) of rotors (400) of poles (300) of rotating electrical machines, said air deflector being arranged beneath the coil heads (200) in a position which is closest to the region with the greatest inflow of air (210) and substantially centralised or in the middle in relation to each of the two poles (300). The present invention also relates to a corresponding rotating electrical machine.
Description
DIRECIONADOR DE AR PARA A CABEÇA DE BOBINA DE ROTORES DE MÁQUINAS ELÉTRICAS GIRANTES E MÁQUINA ELÉTRICA GIRANTE CORRESPONDENTE AIR DIRECTOR FOR THE COIL HEAD OF ROTORS OF ROTATING ELECTRIC MACHINERY AND CORRESPONDING ROTATING ELECTRIC MACHINE
Campo de aplicação Application field
[001] A presente invenção pertence ao campo das máquinas elétricas girantes, em especial das máquinas síncronas com rotores de polos lisos, notadamente dos arranjos para resfriamento a ar ou ventilação através de dutos ou canais em partes do circuito magnético ou entre condutores. [001] The present invention belongs to the field of rotating electrical machines, in particular synchronous machines with smooth pole rotors, notably arrangements for air cooling or ventilation through ducts or channels in parts of the magnetic circuit or between conductors.
Fundamentos da invenção Fundamentals of the invention
[002] Máquinas elétricas girantes são equipamentos utilizados para a transformação de energia mecânica em elétrica (geradores) ou de energia elétrica em mecânica (motores). [002] Rotating electrical machines are equipment used to transform mechanical energy into electrical energy (generators) or electrical energy into mechanical energy (motors).
[003] Rotores de turbogeradores de quatro polos lisos geralmente são autoventilados, não necessitando de ventiladores adicionais para promover a sua ventilação. Na cabeça de bobina do rotor alguns componentes, como as costelas do eixo e o anel de prensar o rotor, que, apesar de não serem capazes de uma homogeneização aprimorada do ar que passa pelas bobinas expostas, contribuem para a geração de um fluxo de ar nessa região. [003] Four-pole smooth turbogenerator rotors are generally self-ventilated, not requiring additional fans to promote ventilation. In the rotor coil head some components, such as the shaft ribs and the rotor press ring, which, despite not being capable of an improved homogenization of the air passing through the exposed coils, contribute to the generation of an air flow in that region.
[004] No caso de turbogeradores comuns, de desempenho convencional, esta condição de vazão e distribuição do ar é suficiente para arrefecer o conjunto magnético e condutor e manter as temperaturas em níveis apropriados e satisfatórios para o desempenho térmico esperado. [004] In the case of common turbogenerators, of conventional performance, this air flow and distribution condition is sufficient to cool the magnetic and conductive assembly and maintain temperatures at appropriate and satisfactory levels for the expected thermal performance.
[005] Já no caso de turbogeradores de alto desempenho, uma solução comumente utilizada para reduzir as perdas mecânicas e incrementar o desempenho é a de reduzir a vazão de ar dos canais radiais e das cabeças de bobina do rotor por meio da imposição de uma perda de carga, diminuindo, assim, o atrito entre o rotor (e seus componentes) e o ar.
[006] Essa solução, entretanto, reduz significativamente a vazão de ar que resfria as cabeças de bobina do rotor de polos lisos, provocando uma distribuição desigual da vazão de ar e, por conta disso, algumas regiões da cabeça de bobina do rotor acabam recebendo um fluxo de ar maior do que outras, havendo um desequilíbrio térmico nessa região e, por conseguinte, um incremento indesejado da temperatura em pontos específicos da cabeça de bobina. Além do aumento da temperatura em alguns pontos quentes, verifica- se também o aumento do diferencial de temperatura entre os pontos menos quentes e os pontos mais quentes por conta da precária troca de calor, situação esta que pode ocasionar falhas do gerador devido aos sobreaquecimentos localizados, podendo gerar um curto-circuito entre espiras e até mesmo a movimentação indesejada do bobinado. [005] In the case of high-performance turbogenerators, a commonly used solution to reduce mechanical losses and increase performance is to reduce the air flow from the radial channels and rotor coil heads by imposing a loss load, thus reducing the friction between the rotor (and its components) and the air. [006] This solution, however, significantly reduces the air flow that cools the coil heads of the smooth pole rotor, causing an uneven distribution of the air flow and, because of this, some regions of the rotor coil head end up receiving a greater air flow than others, with a thermal imbalance in this region and, therefore, an unwanted increase in temperature at specific points of the coil head. In addition to the increase in temperature in some hot spots, there is also an increase in the temperature differential between the less hot spots and the hottest spots due to poor heat exchange, a situation that can cause generator failures due to localized overheating. , which can generate a short circuit between turns and even unwanted movement of the winding.
[007] O incremento de desempenho de máquinas elétricas girantes da natureza aqui tratada anda, portanto, na contramão da troca de calor necessária, pelo que o equilíbrio entre rendimento e arrefecimento desafia e impõe aos construtores de turbogeradores pelo mundo limites que vão além das limitações de tamanho e potência. [007] The increased performance of rotating electrical machines of the nature discussed here goes, therefore, against the grain of the necessary heat exchange, whereby the balance between performance and cooling challenges and imposes limits on turbogenerator builders around the world that go beyond the limitations of size and power.
Estado da técnica state of the art
[008] Existem no estado da técnica diversas soluções que descrevem sistemas de ventilação ou arrefecimento de cabeças de bobinas de rotores de polos lisos para máquinas elétricas girantes da natureza aqui tratada. [008] There are several solutions in the prior art that describe ventilation or cooling systems for smooth pole rotor coil heads for rotating electrical machines of the nature dealt with here.
[009] Um exemplo é o documento patentário W02020021673, intitulado "ROTOR PARA UMA MÁQUINA ELÉTRICA GIRANTE" que revela e descreve um rotor com um anel de retenção cilíndrico que cobre a extremidade da bobina e que é aberto na direção axial externa e um defletor de rotor e um defletor isolante que são conectados um ao outro circunferencialmente de modo a dividir um espaço no anel de retenção em
primeiro e segundo espaços. O primeiro espaço é formado ao longo de toda a circunferência em torno de um eixo e o defletor do rotor é fornecido com uma primeira parte cônica que se inclina para longe de uma parte cruzada em direção ao lado central do rotor na direção axial em uma parte onde a peça de cruzamento está presente no lado externo do defletor do rotor em uma direção radial. [009] An example is the patent document W02020021673, entitled "ROTOR FOR A ROTATING ELECTRIC MACHINE" which discloses and describes a rotor with a cylindrical retaining ring that covers the end of the coil and that is open in the external axial direction and a deflector of rotor and an insulating baffle which are connected to each other circumferentially so as to divide a space in the retaining ring into first and second spaces. The first space is formed along the entire circumference around an axis and the rotor deflector is provided with a first conical part that slopes away from a cross part towards the center side of the rotor in the axial direction in a part where the crossover piece is present on the outer side of the rotor deflector in a radial direction.
[010] Embora a solução de W02020021673 promova uma condução uniforme do fluxo de ar gerado pelo rotor, ela depende de um conjunto de defletores do rotor igualmente dependentes de defletores isolantes e, mesmo assim, não equaliza a distribuição de temperatura na cabeça de bobina por estarem os defletores montados nas regiões entre os polos e por não possuírem aberturas para entrada de ar, sendo totalmente fechados direcionando o ar para as passagens de ar no pacote do rotor. O anel de retenção limita a troca de calor por manter a região da cabeça de bobina fechada e, além disso, o fluxo de ar deste rotor é conduzido, dentre outros, em caminhos de ar entalhados no rotor, ou seja, há de se contar com a existência de um rotor específico construído especialmente para esta solução, diminuindo-lhe a versatilidade. [010] Although the solution of W02020021673 promotes a uniform conduction of the air flow generated by the rotor, it depends on a set of rotor deflectors equally dependent on insulating deflectors and, even so, it does not equalize the temperature distribution in the coil head by since the deflectors are mounted in the regions between the poles and because they do not have openings for air intake, they are completely closed, directing the air to the air passages in the rotor package. The retaining ring limits the heat exchange by keeping the coil head region closed and, in addition, the air flow of this rotor is conducted, among others, in air paths notched in the rotor, that is, you have to count with the existence of a specific rotor built especially for this solution, reducing its versatility.
[011] Como pode ser inferido da descrição acima, existe espaço e demanda para uma solução de arrefecimento para rotores de máquinas elétricas girantes com polos lisos que supere as desvantagens do estado da técnica, especialmente para o arrefecimento das cabeças de bobina de rotores de polos lisos. [011] As can be inferred from the above description, there is space and demand for a cooling solution for rotors of rotating electrical machines with smooth poles that overcomes the disadvantages of the prior art, especially for cooling the coil heads of pole rotors smooth.
Objetivos da invenção Objectives of the invention
[012] Um dos objetivos da presente invenção é, portanto, prover um direcionador de ar para a cabeça de bobina de rotores de máquinas elétricas
girantes, de acordo com as características da reivindicação 1 do quadro reivindicatório anexo. [012] One of the objectives of the present invention is, therefore, to provide an air guide for the coil head of electric machine rotors swivels, according to the characteristics of claim 1 of the attached set of claims.
[013] Outro objetivo da presente invenção é prover uma máquina elétrica girante, de acordo com as características da reivindicação 12 do quadro reivindicatório anexo. [013] Another objective of the present invention is to provide a rotating electric machine, according to the characteristics of claim 12 of the attached claim table.
[014] Demais características e detalhamentos das características são representados pelas reivindicações dependentes. [014] Other characteristics and details of the characteristics are represented by the dependent claims.
Breve descrição das figuras Brief description of figures
[015] 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: [015] For a better understanding and visualization of the object of the present invention, it will now be described with reference to the attached figures, representing the technical effect obtained through an exemplary modality that does not limit the scope of the present invention, in which, schematically:
Figura 1: apresenta uma vista em perspectiva isométrica de um direcionador de ar de acordo com a invenção; Figure 1: shows an isometric perspective view of an air guide according to the invention;
Figura 2: apresenta uma vista superior do direcionador de ar da figura 1; Figure 2: shows a top view of the air guide in figure 1;
Figura 3: apresenta uma vista em perspectiva isométrica de um rotor de uma máquina elétrica de acordo com a invenção; Figure 3: shows an isometric perspective view of a rotor of an electrical machine according to the invention;
Figura 4: apresenta uma vista superior parcial da máquina elétrica da figura 3, evidenciando a posição do direcionador de ar; Figure 4: shows a partial top view of the electric machine in figure 3, showing the position of the air guide;
Figura 5: apresenta uma vista lateral de um corte parcial do rotor de uma máquina elétrica de acordo com a invenção; Figure 5: shows a side view of a partial section of the rotor of an electrical machine according to the invention;
Figura 6: apresenta uma vista ampliada do detalhe A da figura 5, evidenciando a posição do direcionador de ar;
Figura 7: apresenta uma vista anterior do corte B-B da figura 5, evidenciando a posição do direcionador de ar; eFigure 6: shows an enlarged view of detail A in figure 5, showing the position of the air guide; Figure 7: shows a front view of the BB cut in figure 5, showing the position of the air guide; It is
Figura 8: gráficos de testes práticos demonstrando a distribuição de temperatura na cabeça de bobina do rotor (parte superior do gráfico) e a distribuição de velocidade de ar na direção radial na entrada de ar da cabeça de bobina (parte inferior do gráfico), com e sem o direcionador de acordo com a invenção. Figure 8: Field test graphs demonstrating the temperature distribution at the rotor coil head (upper part of the graph) and the air velocity distribution in the radial direction at the coil head air inlet (lower part of the graph), with and without the driver according to the invention.
Descrição detalhada da invenção Detailed description of the invention
[016] A presente invenção se refere a um direcionador de ar (100) para equilibrar o fluxo de ar que resfria uma cabeça de bobina (200) dos polos (300) do rotor (400) de uma máquina elétrica girante, retendo parte do fluxo de ar em uma região com maior insuflamento de ar (210) e desviando essa parte do fluxo de ar para uma região com menor insuflamento de ar (220). [016] The present invention relates to an air guide (100) to balance the air flow that cools a coil head (200) of the poles (300) of the rotor (400) of a rotating electrical machine, retaining part of the air flow into a region with higher air supply (210) and diverting that part of the air flow to a region with less air supply (220).
[017] No contexto da presente invenção, o termo "fluxo de ar" se refere a toda e qualquer movimentação de ar, axial ou radial ou mista, provocada pela rotação do rotor (400) em seus elementos salientes e/ou protrusões e/ou desníveis e/ou similares, por exemplo, mas de forma não limitante, nas costelas do eixo (410) e/ou no anel de prensar o rotor (420) e/ou em outro elemento ou parte do rotor (400). [017] In the context of the present invention, the term "air flow" refers to any and all air movement, axial or radial or mixed, caused by the rotation of the rotor (400) in its salient elements and/or protrusions and/ or unevenness and/or the like, for example, but not limited to, in the ribs of the shaft (410) and/or in the rotor press ring (420) and/or in another element or part of the rotor (400).
[018] No contexto da presente invenção, o termo "região com maior insuflamento de ar" (210) se refere à parte da cabeça de bobina (200) que recebe, do total de ar que chega até a cabeça de bobina (200), um volume de ar maior do que o volume de ar que recebe, do total de ar que chega até a cabeça de bobina (200), uma "região com menor insuflamento de ar" (220). Estas regiões (210, 220) não possuem um tamanho definido ou único e tampouco há um limite definido ou único entre elas, devendo ser entendidas
como sendo regiões (210, 220) de tamanho e limites variáveis de acordo com as condições e a dinâmica da movimentação de ar que as insufla. [018] In the context of the present invention, the term "region with greater air supply" (210) refers to the part of the coil head (200) that receives the total air that reaches the coil head (200) , a volume of air greater than the volume of air it receives, of the total air arriving at the coil head (200), a "region with less air supply" (220). These regions (210, 220) do not have a defined or unique size nor is there a defined or unique limit between them, and must be understood as being regions (210, 220) of variable size and limits according to the conditions and dynamics of the air movement that insufflates them.
[019] A região com maior insuflamento de ar (210) é usualmente, mas de forma não limitante, a região axialmente mais distante da extremidade livre da cabeça de bobina (200) ou a região mais distante das caídas ou voltas das espiras (201) ou a região adjacente à estrutura axialmente mais interna (421) do anel de prensar o rotor (420), enquanto a região com menor insuflamento de ar (220) é usualmente, mas de forma não limitante, a região axialmente mais próxima da extremidade livre da cabeça de bobina (200) ou mais próxima das caídas ou voltas das espiras (201) ou mais distante ou a região adjacente à estrutura axialmente mais externa (422) do anel de prensar o rotor (420). É de notar que esta condição pode ser inversa ou diferente, dependendo da construção do rotor (400) e das características da máquina elétrica girante, demandando, eventualmente, um posicionamento diferente do direcionador de ar (100). [019] The region with the greatest air supply (210) is usually, but not limited to, the region axially farthest from the free end of the coil head (200) or the region farthest from the falls or turns of the turns (201) ) or the region adjacent to the axially innermost structure (421) of the rotor press ring (420), while the region with less air supply (220) is usually, but not limitingly, the region axially closest to the end free from the coil head (200) or closer to the turns or turns of the turns (201) or more distant or the region adjacent to the axially outermost structure (422) of the rotor press ring (420). It should be noted that this condition can be reversed or different, depending on the construction of the rotor (400) and the characteristics of the rotating electric machine, eventually requiring a different positioning of the air guide (100).
[020] Assim sendo, o termo "equilibrar" deve ser entendido como sendo a equalização ou uniformização ou ainda a redistribuição de fluxos de ar com características de vazão e/ou pressão e/ou intensidade e/ou velocidade diferentes entre si, no intuito de igualar ao máximo o insuflamento em todas as partes da cabeça de bobina (200), diminuindo o volume de ar que chega à região com maior insuflamento de ar (210) por meio da retenção parcial deste fluxo e, com o volume excedente defletido pelo direcionador de ar (100), incrementar o volume de ar que chega à região com menor insuflamento de ar (220), promovendo a equalização de insuflamento destas duas regiões (210, 220). [020] Therefore, the term "balance" should be understood as the equalization or standardization or even the redistribution of air flows with characteristics of flow and/or pressure and/or intensity and/or speed different from each other, in order to to match the inflation to the maximum in all parts of the coil head (200), reducing the volume of air that reaches the region with the greatest air supply (210) through the partial retention of this flow and, with the excess volume deflected by the air guide (100), increase the volume of air that reaches the region with less air supply (220), promoting the equalization of supply in these two regions (210, 220).
[021] Os direcionadores de ar (100) são dispostos sob as cabeças de bobina (200) no espaço radial entre os polos (300) e o rotor (400), na região
com maior insuflamento de ar (210) em uma posição rente à estrutura axialmente mais interna (421) do anel de prensar o rotor (420) ou mais próxima ao pacote do rotor (430) e essencialmente centralizada em relação a cada um dos polos (300), devendo haver, portanto, pelo menos um direcionador de ar (100) para cada polo (300). [021] The air directors (100) are arranged under the coil heads (200) in the radial space between the poles (300) and the rotor (400), in the region with greater air supply (210) in a position flush with the axially innermost structure (421) of the rotor press ring (420) or closer to the rotor package (430) and essentially centered with respect to each of the poles ( 300), therefore there must be at least one air guide (100) for each pole (300).
[022] É de se notar que o termo "rente" deve ser entendido de forma não limitante como sendo tanto uma posição encostada, sem folga, quanto uma posição próxima, levemente afastada ou com mínima folga. [022] It should be noted that the term "flush" should be understood in a non-limiting way as being both a leaning position, without slack, and a close position, slightly apart or with minimal slack.
[023] Cada direcionador de ar (100) compreende um corpo principal (105), essencialmente poligonal, alongado, delgado e curvado com raio preferencialmente adequado ao raio do rotor (400), sendo o direcionador de ar (100) dotado essencialmente de duas bordas maiores (110, 120), preferencialmente perpendiculares ao eixo longitudinal do rotor (400) e de duas bordas menores (130, 140), preferencialmente paralelas ao eixo longitudinal do rotor (400). Contudo, as bordas maiores (110, 120) e menores (130, 140) podem apresentar geometria diferente da preferencial sem perda do efeito técnico produzido, desde que as demais relações geométricas do conjunto de aberturas (150) sejam respeitadas. Assim, as bordas maiores (110, 120) podem formar um ângulo diferente de 909 em relação ao eixo longitudinal do rotor (400), assim como as bordas menores (130, 140) podem formar um ângulo diferente de 0o em relação ao eixo longitudinal do rotor (400). [023] Each air guide (100) comprises a main body (105), essentially polygonal, elongated, thin and curved with a radius preferably suited to the radius of the rotor (400), the air guide (100) having essentially two larger edges (110, 120), preferably perpendicular to the longitudinal axis of the rotor (400) and two smaller edges (130, 140), preferably parallel to the longitudinal axis of the rotor (400). However, the major (110, 120) and minor (130, 140) edges may have different geometry from the preferred one without loss of the technical effect produced, as long as the other geometric relationships of the set of openings (150) are respected. Thus, the larger edges (110, 120) can form an angle other than 90 ° with respect to the longitudinal axis of the rotor (400), as well as the smaller edges (130, 140) can form an angle different from 0 ° with respect to the longitudinal axis of the rotor (400).
[024] Adjacente à borda maior interna (110) há uma aba interna (111), essencialmente perpendicular à superfície do corpo (105), que se estende em direção ao eixo do rotor (400) e serve para fixação do direcionador de ar (100) à estrutura axialmente mais interna (421) do anel de prensar o rotor (420).
[025] Adjacente à borda maior externa (120) há pelo menos uma aba externa (121), preferencialmente perpendicular à superfície do corpo (105) e, portanto, preferencialmente paralela à aba interna (111), que se estende em direção às espiras (201) da cabeça de bobina (200), podendo, eventualmente, encostar-se à porção de apoio radial (423) da cabeça de bobina (200) , que pode, em uma concretização exemplar, ser entendida como sendo a superfície interna das longarinas (423) do anel de prensar o rotor (420), servindo para direcionar o fluxo de ar que atravessa o direcionador de ar (100), impedindo que este ar passante circule em direções aleatórias. [024] Adjacent to the larger inner edge (110) there is an inner flap (111), essentially perpendicular to the surface of the body (105), which extends towards the axis of the rotor (400) and serves to attach the air guide ( 100) to the axially innermost structure (421) of the impeller press ring (420). [025] Adjacent to the outer largest edge (120) there is at least one outer flange (121), preferably perpendicular to the surface of the body (105) and, therefore, preferably parallel to the inner flange (111), which extends towards the turns (201) of the coil head (200), possibly abutting the radial support portion (423) of the coil head (200), which can, in an exemplary embodiment, be understood as being the inner surface of the coils (200). stringers (423) of the impeller pressing ring (420), serving to direct the air flow that passes through the air guide (100), preventing this passing air from circulating in random directions.
[026] O comprimento ou a medida do arco (106) das bordas maiores (110, 120) cobre entre 30 e 80%, preferencialmente entre 55 e 65% do comprimento ou medida do arco (301) de um polo (300). Já a largura (107) ou medida das bordas menores (130, 140) ou medida entre as abas (111, 121) cobre entre 30 e 80%, preferencialmente entre 40 e 75% da distância axial do trecho livre/insuflado (202) da cabeça de bobina (200) que, normalmente, é o trecho da cabeça de bobina (200) que se estende para além da borda do pacote (430) do rotor (400). [026] The length or measurement of the arc (106) of the larger edges (110, 120) covers between 30 and 80%, preferably between 55 and 65% of the length or measurement of the arc (301) of a pole (300). The width (107) or measurement of the smaller edges (130, 140) or measurement between the flaps (111, 121) covers between 30 and 80%, preferably between 40 and 75% of the axial distance of the free/inflated section (202) of the coil head (200) which is typically the portion of the coil head (200) that extends beyond the edge of the package (430) of the rotor (400).
[027] O direcionador de ar (100) compreende pelo menos uma e, preferencialmente, mais de uma abertura (150) para passagem de ar em forma de recortes no corpo principal (105), sendo estas agrupadas e dispostas de modo preferencialmente, mas não necessariamente equidistante (151) entre si, formando um conjunto de aberturas (150) dispostas de modo preferencialmente assimétrico em relação às bordas (110, 120,130, 140), sendo dispostas preferencialmente mais próximas à borda maior interna (110) do que à borda maior externa (120) e, em relação ao sentido de giro do rotor (400), preferencialmente mais próximas da borda menor (130) a montante do que da borda menor (140) a jusante. O valor da distância (152) entre a
primeira abertura (150) e a borda maior interna (110) é, preferencialmente, um valor de 0,1 a 10%, preferencialmente de 0,5 a 8% do valor do comprimento (107) das bordas menores (120, 130). O valor da distância (153) entre a primeira abertura (150) e a borda menor (130) a montante é, preferencialmente, um valor de 1 a 40%, preferencialmente de 5 a 25% do valor do comprimento ou a medida do arco (106) das bordas maiores (110, 120). No caso de máquinas com sentido de rotação bidirecional, o conjunto de aberturas (150) poderá demandar um posicionamento diferente, por exemplo, sendo disposto simetricamente em relação às bordas menores (130, 140). [027] The air guide (100) comprises at least one and, preferably, more than one opening (150) for the passage of air in the form of cutouts in the main body (105), these being preferably grouped and arranged, but not necessarily equidistant (151) from each other, forming a set of openings (150) arranged preferably asymmetrically in relation to the edges (110, 120, 130, 140), being arranged preferably closer to the larger internal edge (110) than to the edge outer major (120) and, in relation to the direction of rotation of the rotor (400), preferably closer to the smaller edge (130) upstream than to the smaller edge (140) downstream. The distance value (152) between the first opening (150) and the inner largest edge (110) is preferably a value of 0.1 to 10%, preferably 0.5 to 8% of the value of the length (107) of the smallest edges (120, 130) . The value of the distance (153) between the first opening (150) and the smaller edge (130) upstream is preferably a value from 1 to 40%, preferably from 5 to 25% of the value of the length or measurement of the arc (106) of the larger edges (110, 120). In the case of machines with bidirectional rotation, the set of openings (150) may require a different positioning, for example, being arranged symmetrically in relation to the smaller edges (130, 140).
[028] O formato das aberturas (150) pode ser, de forma não limitante, poligonal simétrica, poligonal assimétrica, circular, oval, oblonga e demais formas adequadas, sendo uma forma preferencial a forma poligonal alongada. [028] The format of the openings (150) can be, in a non-limiting way, symmetrical polygonal, asymmetrical polygonal, circular, oval, oblong and other suitable shapes, with a preferred shape being the elongated polygonal shape.
[029] A soma das áreas dos recortes que formam as aberturas (150) equivalem a um valor entre 1 e 35%, preferencialmente entre 3 e 25%, mais preferencialmente entre 5 e 15% da área total da superfície do corpo principal (105). [029] The sum of the areas of the cutouts that form the openings (150) is equivalent to a value between 1 and 35%, preferably between 3 and 25%, more preferably between 5 and 15% of the total surface area of the main body (105 ).
[030] Assim sendo, o fluxo de ar que se movimenta radialmente desde a região do eixo do rotor (400) em direção às cabeças de bobina (200), quando chega ao direcionador de ar (100), é parcialmente retido por este que deixa passar apenas o volume de ar que atravessa as aberturas (150) para passagem de ar, enquanto o excedente de ar retido na parte fechada do corpo principal (105) é defletido e direcionado para as bordas (120, 130, 140). Deste modo, o volume de ar que chega à região com maior insuflamento de ar (210) é diminuído em favor do aumento do volume de ar que chega à região com menor insuflamento de ar (220), havendo uma uniformização da distribuição
e, por conseguinte, um equilíbrio ou equalização do volume de ar que chega até a cabeça de bobina (200). [030] Therefore, the air flow that moves radially from the region of the rotor shaft (400) towards the coil heads (200), when it reaches the air guide (100), is partially retained by it, which it lets through only the volume of air that crosses the openings (150) for air passage, while the surplus of air retained in the closed part of the main body (105) is deflected and directed towards the edges (120, 130, 140). In this way, the volume of air arriving at the region with the highest air supply (210) is reduced in favor of increasing the volume of air arriving at the region with the lowest air supply (220), with a uniform distribution and, therefore, a balance or equalization of the volume of air that reaches the coil head (200).
[031] Portanto, o direcionador de ar (100) disposto sob as cabeças de bobina (200) em uma posição mais próxima da região com maior insuflamento de ar (210) e essencialmente centralizada ou mediana dos polos (300), dotado das relações de medidas e áreas acima descritas, é capaz de equalizar a distribuição do fluxo de ar gerado pela movimentação do rotor (400), desviando-o de uma região mais insuflada para uma região menos insuflada. [031] Therefore, the air guide (100) arranged under the coil heads (200) in a position closer to the region with greater air supply (210) and essentially centralized or median of the poles (300), provided with the relations measures and areas described above, it is able to equalize the distribution of the air flow generated by moving the rotor (400), diverting it from a more inflated region to a less inflated region.
[032] Testes práticos e simulações de temperatura demonstram a eficácia do direcionador de ar (100) da invenção, cuja utilização resulta não só na diminuição da temperatura dos pontos quentes pré-existentes da cabeça de bobina (200), mas também na redução significativa dos valores de pico de temperatura, em que o diferencial de temperatura entre os pontos de maior e de menor temperatura é reduzido em mais de 50% em relação a uma mesma máquina sem o direcionador de ar (100), conforme representado no gráfico da figura 8. Além disso, análises gráficas da distribuição de velocidade de ar na direção radial na entrada de ar da cabeça de bobina (200) demonstram a equalização quase completa da distribuição do fluxo de ar. [032] Practical tests and temperature simulations demonstrate the effectiveness of the air guide (100) of the invention, whose use results not only in decreasing the temperature of the pre-existing hot spots of the coil head (200), but also in the significant reduction of the temperature peak values, in which the temperature differential between the highest and lowest temperature points is reduced by more than 50% in relation to the same machine without the air guide (100), as represented in the graph in the figure 8. Furthermore, graphical analyzes of the air velocity distribution in the radial direction at the coil head air inlet (200) demonstrate almost complete equalization of the air flow distribution.
[033] A fixação dos direcionadores de ar (100) a um ou mais elementos da estrutura do rotor (400) pode ser feita por qualquer meio ou elemento de fixação adequado, podendo este ser escolhido, de forma não limitante, do grupo compreendendo parafusos, pinos, rebites, soldas, adesivos de alta performance, encaixes, grampos e afins, isoladamente ou em combinação entre si. [033] Fixing the air directors (100) to one or more elements of the rotor structure (400) can be done by any suitable means or fastening element, which can be chosen, in a non-limiting way, from the group comprising screws , pins, rivets, welds, high-performance adhesives, fittings, staples and the like, alone or in combination with each other.
[034] Os direcionadores de ar (100) podem ser fabricados em qualquer material apropriado à aplicação, podendo o material ser escolhido, de forma
não limitante, do grupo compreendendo metais e suas ligas, polímeros termoplásticos ou termofixos, isoladamente ou em combinação entre si. [034] The air ducts (100) can be manufactured in any material suitable for the application, and the material can be chosen, so non-limiting, from the group comprising metals and their alloys, thermoplastic or thermoset polymers, alone or in combination with each other.
[035] Além disso, a fixação dos direcionadores de ar (100) a um ou mais elementos da estrutura do rotor (400) com elevada estabilidade dimensional mesmo em altas rotações como, por exemplo, a estrutura do anel de prensar o rotor (420), impede ou minimiza quaisquer deformações significativas dos direcionadores de ar (100) em operação, garantindo a sua eficácia em praticamente todas as faixas e condições de uso da máquina elétrica girante. [035] In addition, the attachment of the air directors (100) to one or more elements of the rotor structure (400) with high dimensional stability even at high rotations, such as, for example, the rotor press ring structure (420 ), prevents or minimizes any significant deformations of the air directors (100) in operation, ensuring their effectiveness in virtually all ranges and conditions of use of the rotating electric machine.
[036] Por fim, uma máquina elétrica girante de acordo com a invenção é um turbogerador de quatro polos construído com polos lisos e dotado de pelo menos um direcionador de ar (100) de acordo com a invenção. [036] Finally, a rotating electric machine according to the invention is a four-pole turbogenerator built with smooth poles and equipped with at least one air guide (100) according to the invention.
Conclusão Conclusion
[037] 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.
[037] It will be easily understood by those skilled in the art that modifications can be made to the present invention without departing from the concepts set out in the description above. Such modifications are to be considered within the scope of the present invention. Accordingly, the particular embodiments described in detail above are only illustrative and exemplary and not limiting as to the scope of the present invention, to which the full scope of the appended claims and any and all equivalents thereof must be given.
Claims
1. Direcionador de ar para a cabeça de bobina de rotores de máquinas elétricas girantes, caracterizado pelo fato de ser disposto sob as cabeças de bobina (200) em uma posição mais próxima da região com maior insuflamento de ar (210) e essencialmente centralizada ou mediana em relação a cada um dos polos (300). 1. Air director for the coil head of rotors of rotating electrical machines, characterized in that it is arranged under the coil heads (200) in a position closer to the region with greater air supply (210) and essentially centralized or median in relation to each of the poles (300).
2. Direcionador de ar, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender um corpo principal (105) dotado de duas bordas maiores (110, 120), preferencialmente perpendiculares ao eixo longitudinal do rotor (400) e de duas bordas menores (130, 140), preferencialmente paralelas ao eixo longitudinal do rotor (400) 2. Air guide, according to claim 1, characterized in that it comprises a main body (105) with two larger edges (110, 120), preferably perpendicular to the longitudinal axis of the rotor (400) and two smaller edges (130, 140), preferably parallel to the longitudinal axis of the rotor (400)
3. Direcionador de ar, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender aberturas (150) para passagem de ar agrupadas e dispostas de modo preferencialmente assimétrico em relação às bordas maiores (110, 120), sendo dispostas preferencialmente mais próximas à borda maior interna (110). 3. Air guide, according to claim 1, characterized in that it comprises openings (150) for air passage grouped and arranged preferably asymmetrically in relation to the larger edges (110, 120), being arranged preferably closer to the inner long edge (110).
4. Direcionador de ar, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de o valor da distância (152) entre a primeira abertura (150) e a borda maior interna (110) ser, preferencialmente, um valor de 0,1 a 10%, preferencialmente de 0,5 a 8% do valor do comprimento (107) das bordas menores (120, 130). 4. Air guide, according to claim 3, characterized in that the value of the distance (152) between the first opening (150) and the largest inner edge (110) is preferably a value from 0.1 to 10%, preferably from 0.5 to 8% of the value of the length (107) of the smaller edges (120, 130).
5. Direcionador de ar, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato das aberturas (150) serem dispostas de modo preferencialmente assimétrico em relação às bordas menores (130, 140), sendo dispostas, em relação ao sentido de giro do rotor (400), preferencialmente mais próximas à borda menor (130) a montante.
5. Air guide, according to claim 1, characterized in that the openings (150) are arranged preferably asymmetrically in relation to the smaller edges (130, 140), being arranged in relation to the direction of rotation of the rotor ( 400), preferably closer to the smaller edge (130) upstream.
6. Direcionador de ar, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de valor da distância (153) entre a primeira abertura (150) e a borda menor (130) a montante ser, preferencialmente, um valor de 1 a 40%, preferencialmente de 5 a 25% do valor do comprimento ou a medida do arco (106) das bordas maiores (110, 120). 6. Air guide, according to claim 5, characterized in that the value of the distance (153) between the first opening (150) and the smaller edge (130) upstream is preferably a value of 1 to 40% , preferably from 5 to 25% of the length value or arc measurement (106) of the larger edges (110, 120).
7. Direcionador de ar, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a soma das áreas dos recortes que formam as aberturas (150) equivalem a um valor entre 1 e 35%, preferencialmente entre 3 e 25%, mais preferencialmente entre 5 e 15% da área total da superfície do corpo principal (105). 7. Air guide, according to claim 1, characterized in that the sum of the areas of the cutouts that form the openings (150) are equivalent to a value between 1 and 35%, preferably between 3 and 25%, more preferably between 5 and 15% of the total surface area of the main body (105).
8. Direcionador de ar, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o comprimento ou a medida do arco (106) das bordas maiores (110, 120) cobrir entre 30 e 80%, preferencialmente entre 55 e 65% do comprimento ou medida do arco (301) de um polo (300). 8. Air guide, according to claim 1, characterized in that the length or measurement of the arc (106) of the larger edges (110, 120) covers between 30 and 80%, preferably between 55 and 65% of the length or measuring the arc (301) of a pole (300).
9. Direcionador de ar, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a largura (107) ou medida das bordas menores (130, 140) ou medida entre as abas (111, 121) cobrir entre 30 e 80%, preferencialmente entre 40 e 75% da distância axial do trecho livre/insuflado (202) da cabeça de bobina (200). 9. Air guide, according to claim 1, characterized in that the width (107) or measurement of the smaller edges (130, 140) or measurement between the flaps (111, 121) covers between 30 and 80%, preferably between 40 and 75% of the axial distance of the free/inflated section (202) of the coil head (200).
10. Direcionador de ar, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender pelo menos uma aba externa (121) preferencialmente perpendicular à superfície do corpo (105) que se estende em direção às espiras (201) da cabeça de bobina (200), podendo encostar-se às superfícies da porção de apoio radial (423) da cabeça de bobina (200) 10. Air guide, according to claim 1, characterized in that it comprises at least one external flap (121) preferably perpendicular to the surface of the body (105) that extends towards the turns (201) of the coil head ( 200), being able to abut the surfaces of the radial support portion (423) of the coil head (200)
11. Direcionador de ar, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de ser fixado à estrutura axialmente mais interna (421) do anel de
14 prensar o rotor (420) e/ou a um ou mais elementos da estrutura do rotor (400). 11. Air guide, according to claim 1, characterized in that it is fixed to the axially innermost structure (421) of the 14 pressing the rotor (420) and/or to one or more elements of the rotor structure (400).
12. Máquina elétrica girante, caracterizada pelo fato de ser um turbogerador de quatro polos lisos e dotado de pelo menos um direcionador de ar (100) conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 6.
12. Rotating electric machine, characterized in that it is a smooth four-pole turbogenerator and provided with at least one air guide (100) as defined in any one of claims 1 to 6.
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