WO2022160027A1

WO2022160027A1 - Máquina elétrica de fluxo axial e método para montagem de um estator de uma máquina elétrica de fluxo axial

Info

Publication number: WO2022160027A1
Application number: PCT/BR2022/050030
Authority: WO
Inventors: Edson Carlos PERES DE OLIVEIRA; Fernando Andre LINDROTH DAUNER; Rodrigo Souza AGUIAR; Samuel Santos Borges; Valmir Luis Stoinski
Original assignee: WEG Equipamentos Eletricos SA
Current assignee: WEG Equipamentos Eletricos SA
Priority date: 2021-02-01
Filing date: 2022-01-31
Publication date: 2022-08-04
Anticipated expiration: 2023-08-01
Also published as: CN116830424A; EP4287462A4; US12500458B2; CN116918227A; EP4287473A4; WO2022160028A1; US20240097522A1; US20240063670A1; EP4287473A1; EP4287462A1

Abstract

A presente invenção refere-se a máquina elétrica de fluxo axial (1) com um estator bobinado com uma pluralidade de núcleos bobinados (8) dispostos em um disco de suporte (10), em que o disco de suporte (10) e a pluralidade de núcleos bobinados (8) são encapsulados em uma resina (9), sendo que pelo menos um canal de refrigeração contínuo e serpentinado (12) é formado na resina (9), durante ou posterior ao processo de encapsulamento, em cada lado do disco de suporte (10). Cada canal de refrigeração contínuo e serpentinado (12) passa em proximidade a pelo menos uma das superfícies de cada parte de núcleo bobinado (9), sem encostar na dita pelo menos uma das superfícies.

Description

“MÁQUINA ELÉTRICA DE FLUXO AXIAL E MÉTODO PARA MONTAGEM DE UM ESTATOR DE UMA MÁQUINA ELÉTRICA DE FLUXO AXIAL”

CAMPO DA INVENÇÃO

[0001] A presente invenção refere-se a uma máquina elétrica de fluxo axial e, mais especificamente, a um motor ou gerador de fluxo axial.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[0002] Máquinas elétricas de fluxo eletromagnético axial são largamente conhecidas da técnica, e compreendem basicamente pelo menos um estator e pelo menos um rotor em formato de disco com ímãs permanentes em que o fluxo eletromagnético trafega no sentido axial do eixo girante da máquina. Elas podem compreender tanto motores elétricos quanto geradores elétricos.

[0003] Em uma das soluções conhecidas para o resfriamento dos motores de fluxo axial, uma bomba externa bombeia fluido refrigerante para o interior do motor (preferencialmente no interior da carcaça e/ou estator), de modo que o fluido possa extrair o calor do motor. Quanto maior a capacidade de extração de calor, maior a densidade de potência em que o motor pode trabalhar.

[0004] Assim, é conhecido do estado da técnica formar canais de refrigeração para a passagem do fluido refrigerante pelos componentes internos do motor.

[0005] O documento EP2606561 , por exemplo, mostra uma máquina elétrica com uma câmara anular pela qual um meio de resfriamento pode circular em tomo das bobinas do estator.

[0006] O documento KR101999860, por sua vez, revela um motor elétrico com uma solução de resfriamento que compreende uma câmara de distribuição do fluido refrigerante que inclui uma porção do fluido refrigerante introduzido e um segundo caminho de distribuição do fluido refrigerante para guiar outra porção do fluido refrigerante para o lado da tampa traseira.

[0007] Já o documento WO2019/171318 revela um componente de resfriamento para um motor elétrico que compreende um canal definido por um anel externo, um anel interno concêntrico ao anel externo e segmentos lineares se estendendo radialmente do anel interno em direção ao anel externo.

OJETIVOS DA INVENÇÃO

[0008] É um dos objetivos da presente invenção proporcionar uma máquina elétrica de fluxo axial com um sistema de refrigeração de alta eficiência de troca térmica.

[0009] É mais um dos objetivos da presente invenção proporcionar uma máquina elétrica de fluxo axial em uma configuração compacta.

[0010] É mais um dos objetivos da presente invenção proporcionar um método de montagem de um estator para uma máquina elétrica de fluxo axial, cujo método permite a criação de um conjunto compacto que integra a funcionalidade do resfriamento.

Sumário da Invenção

[0011] A presente invenção refere-se a uma máquina elétrica de fluxo axial compreendendo uma carcaça e pelo menos um orifício de entrada e pelo menos um orifício de saída do fluido refrigerante, e um núcleo ativo compreendendo um rotor e um estator bobinado, em que o estator bobinado compreende uma pluralidade de núcleos bobinados dispostos em um disco de suporte. Cada um da pluralidade de núcleos bobinados é um núcleo bobinado bipartido compreendendo duas partes de núcleo, cada parte de núcleo estando disposta em um lado do disco de suporte, sendo que o disco de suporte é posicionado em correspondência com as pelo menos uma entrada e pelo menos uma saída de fluido refrigerante da carcaça. As duas partes de núcleo de cada núcleo bobinado bipartido podem ser unidas por meio de adesivos, engates ou outros.

[0012] O disco de suporte e a pluralidade de núcleos bobinados são encapsulados utilizando uma resina, sendo que pelo menos um canal de refrigeração contínuo e serpentinado é formado na resina, durante o processo de encapsulamento, em cada lado do disco de suporte. Cada canal de refrigeração contínuo e serpentinado passa em proximidade a pelo menos uma das superfícies de cada parte de núcleo, sem encostar diretamente na dita pelo menos uma das superfícies, garantindo o isolamento entre o fluido refrigerante e os núcleos bobinados.

[0013] Em uma concretização da invenção, após o processo de encapsulamento, em uma resina, do disco de suporte e da pluralidade de núcleos bobinados, uma placa de fechamento é disposta em cada lado correspondente da resina, vedando cada canal de refrigeração contínuo e serpentinado formado na resina. Cada placa de fechamento pode ser unida em cada lado correspondente da resina. Cada canal de refrigeração contínuo e serpentinado pode ser um canal de refrigeração em ziguezague. [0014] Em uma concretização da invenção, o espaçamento máximo entre o canal de refrigeração contínuo e serpentinado e a dita pelo menos uma das superfícies de cada parte de núcleo é de 0 a 10% do diâmetro externo do disco de suporte, mais especificamente de 0% a 3% do diâmetro externo do disco de suporte.

[0015] A presente invenção também se refere a um método para montagem de um estator de uma máquina elétrica de fluxo axial, em que o estator compreende uma pluralidade de núcleos bobinados dispostos em um disco de suporte, o método compreendendo:

[0016] montar uma primeira bobina bipartida em uma primeira parte de núcleo bipartido;

[0017] encaixar a primeira bobina bipartida e primeira parte de núcleo montadas em um lado do disco de suporte;

[0018] posicionar uma segunda bobina bipartida sobre o outro lado do disco de suporte;

[0019] montar uma segunda parte de núcleo bipartido na segunda bobina bipartida e unir a segunda parte de núcleo bipartido na primeira parte de núcleo bipartido, formando cada núcleo bobinado da pluralidade de núcleos bobinados; [0020] repetir as etapas acima para todos os núcleos bobinados da pluralidade de núcleos bobinados;

[0021] alojar o estator em um dispositivo do tipo molde;

[0022] encapsular o estator alojado utilizando uma resina e formar, durante o processo de encapsulamento, pelo menos um canal de refrigeração contínuo e serpentinado em cada lado do disco de suporte; e

[0023] dispor uma placa de fechamento sobre a resina em cada lado do disco de suporte, vedando o canal de refrigeração contínuo e serpentinado formado em cada lado correspondente do disco de suporte.

[0024] Em uma concretização do método da presente invenção, a etapa de dispor uma placa de fechamento sobre o material da resina em cada lado do disco de suporte compreende aplicar um adesivo à resina em cada lado do disco de suporte e unir cada placa de fechamento sobre a resina em cada lado correspondente do disco de suporte. Além disso, a etapa de formar, durante o encapsulamento, pelo menos um canal de refrigeração contínuo e serpentinado em cada lado do disco de suporte utiliza um molde durante a adição da resina. BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0025] A presente invenção será descrita a seguir com mais detalhes, com referências aos desenhos anexos, nos quais:

[0026] Figura 1 - é uma vista em perspectiva de uma máquina elétrica de fluxo axial de acordo com uma concretização da presente invenção;

[0027] Figura 2 - é uma vista em perspectiva de um componente do estator de uma máquina elétrica de fluxo axial de acordo com uma concretização da presente invenção;

[0028] Figura 3 - é uma vista em perspectiva de um componente do estator de uma máquina elétrica de fluxo axial de acordo com uma concretização da presente invenção, sendo removida a resina;

[0029] Figura 4 - é uma vista em perspectiva de uma máquina elétrica de fluxo axial de acordo com uma concretização da presente invenção, sendo removida a parte central da carcaça;

[0030] Figura 5 - é uma vista em perspectiva de uma máquina elétrica de fluxo axial de acordo com uma concretização da presente invenção, sendo removida a parte central da carcaça e a resina;

[0031] Figura 6 - é uma ilustração esquemática do componente de núcleo bobinado de uma máquina elétrica de fluxo axial de acordo com uma concretização da presente invenção;

[0032] Figura 7 - é uma ilustração esquemática de uma concretização do sistema de refrigeração de uma máquina elétrica de fluxo axial de acordo com uma concretização da presente invenção;

[0033] Figura 8 - é uma vista em corte de uma máquina elétrica de fluxo axial de acordo com uma concretização da presente invenção, tendo sido retirados componentes de carcaça, rotor e eixo para visualização de um componente de estator;

[0034] Figura 9 - é uma vista em corte de um componente do estator de uma máquina elétrica de fluxo axial de acordo com uma concretização da presente invenção;

[0035] Figura 10 - é uma vista em corte de um componente do estator de uma máquina elétrica de fluxo axial de acordo com uma concretização da presente invenção; e

[0036] Figura 11 - é uma vista em corte de um componente do estator de uma máquina elétrica de fluxo axial de acordo com uma concretização da presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0037] A figura 1 mostra um motor de fluxo axial de acordo com uma concretização da presente invenção.

[0038] Embora a presente invenção seja descrita incorporada em um motor elétrico, deve ser entendido que a solução da presente invenção poderia ser igualmente aplicada a outras máquinas elétricas de fluxo axial como, por exemplo, geradores de fluxo axial.

[0039] Conforme pode ser visto na Figura 1 , o motor 1 compreende uma carcaça 2 com um furo passante central 3 e orifícios de entrada e saída de fluido refrigerante 4. O furo passante 3 é destinado à recepção de um eixo, entretanto, deve ser entendido que em outras concretizações da invenção, o eixo poderia ser integrado ao motor.

[0040] Na concretização da invenção mostrada nas figuras, a carcaça 2 é formada por uma parte de corpo 5, uma tampa dianteira 6 e uma tampa traseira 7. No entanto, deve ser entendido que a carcaça poderia ser formada de forma diferente, por exemplo, como uma carcaça bipartida, com a parte de corpo bipartida, com cada metade integral a uma respectiva tampa de fechamento.

[0041] As figuras 2 e 3 mostram uma vista em perspectiva do estator bobinado do motor de acordo com uma concretização da presente invenção. A figura 2 mostra uma pluralidade de núcleos bobinados 8 envoltos por uma resina 9. Em uma concretização da presente invenção, a resina é uma resina epóxi de alta condutividade térmica. No entanto, um técnico no assunto compreenderia que a presente invenção alcançaria efeito equivalente com um material termofixo adequado.

[0042] A pluralidade de núcleos bobinados 8 é montada em um disco de suporte 10, melhor ilustrado na figura 3. O disco de suporte auxilia no posicionamento do núcleo magnético, mantendo a pluralidade de núcleos bobinados corretamente posicionada durante a fabricação e operação do motor, e transmite toque para a carcaça do motor. Em uma concretização da invenção, o disco de suporte 10 é um disco de suporte na região central do estator.

[0043] Em uma concretização preferida da invenção, o disco 10 é confeccionado em um material não condutor elétrico de baixa densidade, como por exemplo fibra de vidro resinada, capaz de suportar altas temperaturas, como por exemplo mais de 200°C sem perder as propriedades estruturais e rigidez dielétrica. Deve ser entendido, no entanto, que o disco 10 poderia ser fabricado em outros materiais adequados, como fibra de carbono, BMC ou poliamida.

[0044] Em uma concretização da presente invenção, o disco de suporte 10, além de garantir a rigidez do sistema, também auxilia na extração de calor do motor de acordo com a presente invenção.

[0045] As figuras 4 e 5 ilustram melhor essa funcionalidade do disco de suporte 10. A figura 4 mostra o motor sem a parte central da carcaça e a figura 5 a mesma vista sem a resina 9.

[0046] Como ilustrado nas figuras 4 e 5, o disco de suporte 10 é posicionado em correspondência com as entrada e saída de fluido refrigerante 4a e 4b, de tal forma que o fluido refrigerante que entra pela entrada de fluido 4a é dividido para os dois lados do disco 10, lados dianteiro e traseiro do motor.

[0047] Em uma concretização da presente invenção, a pluralidade de núcleos bobinados é montada no disco 10 de modo a formar um núcleo bobinado bipartido pelo disco.

[0048] Assim, como melhor ilustrado na figura 6, cada um da pluralidade de núcleos bobinados compreende duas partes de núcleo 11 unidas por adesivo, engates ou qualquer outro meio adequado.

[0049] Como mencionado anteriormente, os núcleos bobinados e o disco são encapsulados em uma resina 9. De modo a auxiliar a refrigeração do núcleo, canais de refrigeração 12 são formados na resina presente em cada lado do disco 10.

[0050] A montagem do motor se dá pela montagem de uma primeira bobina bipartida em uma primeira parte de núcleo bipartido, seguido do encaixe do primeiro conjunto de bobina e parte de núcleo no disco de suporte. Então, uma segunda bobina é posicionada sobre o outro lado do disco de suporte e uma segunda parte de núcleo bipartido é fixado ao primeiro conjunto. Então, as primeira e segunda partes de núcleo são unidas. Após todos os conjuntos serem posicionados no disco de suporte, o estator é alojado em um dispositivo do tipo molde.

[0051] Após o alojamento do estator, ocorre seu encapsulamento em resina, sendo que os canais de refrigeração 12 são preferencialmente formados durante o processo de encapsulamento. Para tanto, os canais de refrigeração são formados no molde.

[0052] Naturalmente, um técnico no assunto entenderia que a formação dos canais de refrigeração na resina após o encapsulamento é possível. A opção de formação durante o encapsulamento, no entanto, toma o processo de formação dos canais 12 menos complexo, mais preciso e mais econômico.

[0053] Os canais de refrigeração 12 são preferencialmente formados como um canal contínuo serpentinado, de modo que as partes de canal passem em proximidade a pelo menos uma das superfícies laterais de cada bobina, de modo a estar adjacente a pelo menos uma superfície do núcleo bobinado, mas sem contato direto com tal superfície. Em uma concretização preferencial da invenção, o espaçamento máximo entre o canal e a superfície da bobina é de 0 a 10% do diâmetro externo do disco de suporte 10, mais preferencialmente de 0 a 3% do diâmetro externo do disco de suporte 10.

[0054] Os canais de refrigeração 12 podem ser formados por um canal contínuo serpentinado que apresente uma ou mais divisões, preferencialmente a conexão entre a porção radialmente exterior 12a ao núcleo bobinado 8 e a porção radialmente interior 12b ao núcleo bobinado 8 é feita em pares 12c.

[0055] Na concretização da invenção mostrada na figura 7, o canal de refrigeração 12 começa na entrada de fluido 4a serpentina de forma contínua em ziguezague adjacente aos núcleos bobinados 8 e segue até a saída de fluido 4b. [0056] O fluido deve ser bombeado ao motor, ao adentrar no motor pela entrada, o fluido irá escoar pelos canais, e consequentemente o fluido irá extrair calor das regiões próximas à parede do canal devido ao fenômeno de convecção, e após circundar os núcleos bobinados o fluido aquecido irá sair do motor pela saída 4b, onde precisará passar por um trocador de calor para dissipar o calor que foi extraído do motor para o ambiente.

[0057] Para fechamento axial do núcleo bobinado e contenção do fluido de resfriamento são utilizadas placas de fechamento.

[0058] As figuras 8 a 11 melhor ilustram tal característica da presente invenção.

[0059] A figura 8 mostra uma vista em corte do motor sem a tampa frontal, rotor e placa de fechamento. Na figura 8 é possível visualizar os núcleos bobinados 8 encapsulados na resina 9 e o canal de refrigeração contínuo 12. [0060] A figura 9 mostra os núcleos bobinados 8, resina 9 e canal de refrigeração contínuo 12. Como melhor visualizado nas figuras 10 e 11 , para fechamento do conjunto um adesivo 13 é aplicado sobre o encapsulamento da resina (após o término do processo de fabricação dos canais), e a placa de fechamento 14 é unida. A figura 10 mostra, de modo esquemático, a camada de adesivo 13 de modo separado e a figura 11 mostra a placa de fechamento 14 posicionada em um dos lados do estator.

[0061] Assim, as placas de fechamento 14 realizam a vedação dos canais de refrigeração 12 em cada lado do estator. A placa de fechamento 14 é fabricada preferencialmente em fibra de vidro com resina epóxi. No entanto, em concretizações da invenção, outros materiais adequados poderiam ser utilizados, como, por exemplo, fibra de carbono, BMC ou poliamida.

[0062] Uma placa de fechamento 14 é prevista em cada lado do estator, uma na dianteira e outra na traseira. O rotor é montado axialmente espaçado das placas de fechamento 14.

[0063] Tendo sido descritos exemplos de concretizações da presente invenção, deve ser entendido que o escopo da presente invenção abrange outras variações possíveis do conceito inventivo descrito, sendo limitadas tão somente pelo teor das reivindicações apenas, aí incluídos os possíveis equivalentes.

Claims

9

REIVINDICAÇÕES

1 . Máquina elétrica de fluxo axial (1 ) compreendendo uma carcaça (2) e pelo menos um orifício de entrada (4a) e um orifício de saída (4b) de fluido refrigerante, e um núcleo ativo compreendendo pelo menos um rotor e pelo menos um estator bobinado, em que o estator bobinado compreende uma pluralidade de núcleos bobinados (8) dispostos em um disco de suporte (10), a máquina sendo caracterizada pelo fato de que: cada um da pluralidade de núcleos bobinados (8) é um núcleo bobinado bipartido compreendendo duas partes de núcleo (11 ), cada parte de núcleo estando disposta em um lado do disco de suporte (10); e o disco de suporte (10) é posicionado em correspondência com as pelo menos uma entrada e pelo menos uma saída de fluido refrigerante (4a e 4b) da carcaça (2); e o disco de suporte (10) e a pluralidade de núcleos bobinados (8) são encapsulados em uma resina (9), sendo que pelo menos um canal de refrigeração contínuo e serpentinado (12) é formado na resina (9), durante o processo de encapsulamento, em cada lado do disco de suporte (10); cada canal de refrigeração contínuo e serpentinado (12) passa em proximidade a pelo menos uma das superfícies de cada parte de núcleo bobinado (8), sem encostar na dita pelo menos uma das superfícies.

2. Máquina, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizada pelo fato de que, após o encapsulamento, utilizando uma resina (9), do disco de suporte (10) e da pluralidade de núcleos bobinados (8), uma placa de fechamento (14) é disposta em cada lado correspondente da resina (9), vedando cada canal de refrigeração contínuo e serpentinado (12) formado na resina (9).

3. Máquina, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que cada canal de refrigeração contínuo e serpentinado (12) é um canal de refrigeração em ziguezague.

4. Máquina, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada pelo fato de que o espaçamento máximo entre o pelo menos um canal de refrigeração contínuo e serpentinado (12) e a dita pelo menos uma das superfícies de cada parte de núcleo bobinado (8) é de 0 a 10% do diâmetro externo do disco de suporte (10).

5. Máquina, de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo fato de que o espaçamento máximo entre o pelo menos um canal de refrigeração contínuo e serpentinado (12) e a dita pelo menos uma das superfícies de cada parte de núcleo bobinado (8) é de 0 a 3% do diâmetro externo do disco de suporte (10).

6. Máquina, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5 caracterizada pelo fato de que o pelo menos um canal de refrigeração (12) compreende pelo menos uma divisão, de modo que uma porção do canal radialmente exterior (12a) ao núcleo bobinado (8) e uma porção do canal radialmente interior (12b) ao núcleo bobinado (8) são ligadas por um par de porções de ligação do canal (12c).

7. Método para montagem de um estator de uma máquina elétrica de fluxo axial (1 ), em que o estator compreende uma pluralidade de núcleos bobinados (8) dispostos em um disco de suporte (10), o método sendo caracterizado pelo fato de que compreende: montar uma primeira bobina bipartida em uma primeira parte de núcleo bipartido

(11 ); encaixar a primeira bobina bipartida e primeira parte de núcleo montadas em um lado do disco de suporte (10); posicionar uma segunda bobina bipartida sobre o outro lado do disco de suporte (10); montar uma segunda parte núcleo bipartido na segunda bobina bipartida e unir a segunda parte de núcleo bipartido na primeira parte de núcleo bipartido (11 ), formando cada núcleo bobinado da pluralidade de núcleos bobinados (8); repetir as etapas acima para todos os núcleos bobinados da pluralidade de núcleos bobinados (8); alojar o estator em um dispositivo do tipo molde; encapsular o estator alojado em uma resina (9) e formar, durante o processo de encapsulamento, pelo menos um canal de refrigeração contínuo e serpentinado

(12) em cada lado do disco de suporte (10); e dispor uma placa de fechamento (14) sobre a resina (9) em cada lado do disco de suporte (10), vedando o pelo menos um canal de refrigeração contínuo e serpentinado (12) formado em cada lado correspondente do disco de suporte (10). 11

8. Método, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a etapa de dispor uma placa de fechamento (14) sobre a resina (9) em cada lado do disco de suporte compreende aplicar um adesivo (13) a uma resina (9) em cada lado do disco de suporte (10) e unir cada placa de fechamento (14) sobre a resina (9) em cada lado correspondente do disco de suporte (10).

9. Método, de acordo com a reivindicação 7 ou 8, caracterizado pelo fato de que a etapa de formar, durante o processo de encapsulamento, pelo menos um canal de refrigeração contínuo e serpentinado (12), em cada lado do disco de suporte (10) utiliza um molde durante a adição da resina (9).