BRPI0402045B1 - Motor elétrico híbrido de relutância - Google Patents

Abstract

"motor elétrico híbrido de relutância". caracterizado pelo fato de prever uma disposição com bobinas (8) em oposição e ímãs permanentes (9) em oposição e em paralelo com as bobinas (8) no estator (1) e/ou rotor (2) ; quando as bobinas (8) dos estatores (1) e/ou rotores (2) do motor são energizadas os fluxos ou campos magnéticos dos ímãs (9) são associados aos fluxos ou campos magnéticos das bobinas (8) no entre-ferro, produzindo assim um 'par' ou torque maior devido à contribuição do fluxo ou campo magnético dos ímãs (9); os estatores (1) e/ou rotores (2) do motor são desenergizados, os fluxos ou campos magnéticos dos ímãs (9) entram em toróide em relação e proporção a mesma diminuição dos fluxos das bobinas (8) em função do tempo como conseqüência da diminuição da corrente em função do tempo.

Description

[01] O presente relatório trata de uma patente de Privilégio de Invenção que descreve um motor elétrico híbrido do tipo que pode ser empregado nos mais variados ramos da atividade humana. De modo mais genérico, a presente patente trata também de uma máquina elétrica com bobinas em oposição e ímãs permanentes em oposição e em paralelo com as bobinas no estator ou no rotor.

[02] O atual estado da técnica no que se refere às máquinas elétricas está relacionado com o processo conhecido como “conversão eletromecânica de energia”, assim sendo, uma máquina elétrica e o vínculo entre um sistema elétrico e um sistema mecânico.

[03] Nestas máquinas, a conversão é reversível, ou seja, se a conversão é de mecânica para elétrica a máquina é denominada como um gerador, por outro lado, se a conversão é de elétrica para mecânica, a mesma passa a ser denominada como motor, motivo pelo qual esse tipo de máquina pode ser operado como gerador ou como motor, sendo chamadas de máquinas AC, se o sistema é de Corrente Alternada e DC se o sistema é de Corrente Contínua ou Direta (geradores ou motores).

[04] Dentro das duas categorias citadas, existe uma variedade de motores e geradores incluindo aqueles que utilizam ímãs permanentes para produzir fluxos magnéticos.

[05] Se utilizam ímãs permanentes no estator e bobinas no rotor, ou ímãs no rotor e bobinas no estator em uma máquina elétrica (motor ou gerador), isto para economizar espaço, posto que um ímã permanente ocupa menos espaço que um eletroímã que possui um núcleo de ferro e bobina de fio de cobre.

[06] Normalmente se utilizam ímãs em motores ou geradores segmentados em função da referida economia de espaço. Também se utilizam ímãs permanentes para elevar um pouco a eficiência dos motores, já que como os ímãs permanentes não têm bobina, reduzem-se as perdas por calor devidas a I2R correspondentes a essa parte do motor que tem ímãs.

[07] De modo geral, um problema verificado nestes motores que contam com ímãs permanentes é que o fluxo do campo magnético criado pelo ímã é estático e permanente, além do fato de que este fluxo não pode ser controlado de um valor mínimo a um valor máximo ou vice-versa, como ocorre com os eletroímãs que produzem fluxos totalmente controláveis porque respondem à corrente e ao número de espiras da bobina.

[08] Nos motores convencionais que empregam ímãs permanentes a menor corrente corresponde a um menor fluxo magnético e a uma maior corrente corresponde um maior fluxo magnético.

[09] Assim sendo, e por exemplo, é impossível criar um motor em série quando o estator é de ímãs permanentes e o rotor de bobina, o mesmo valendo para o inverso.

[010] Em muitos tipos de motores em série (bobinas do rotor em série com as bobinas do estator), de velocidade variável que funcionam totalmente com eletroímãs, ao baixar-se a voltagem diminui-se a amperagem, por esse motivo, diminui-se proporcionalmente a velocidade do motor e também, proporcionalmente, a força contraeletromotriz, e de modo inverso, ao se elevar a voltagem, aumenta-se a amperagem e por esta razão, aumenta-se proporcionalmente a velocidade e também a força contraeletromotriz.

[011] Em motores com ímãs permanentes, localizados no estator e bobinas no rotor, ou vice-versa, a força contraeletromotriz é proporcional ao fluxo do ímã permanente e não é controlável.

[012] Em face desse problema, colocar ímãs permanentes em motores de velocidade variável não é recomendável, já que quando é cortada a corrente do motor, o rotor, por inércia, continua girando em função do campo fixo do ímã que está presente, produzindo força contraeletromotriz, que na maioria dos casos é prejudicial.

[013] Em face dos inconvenientes acima, foi desenvolvido o objeto desta patente de Privilégio de Invenção, o qual trata de um motor elétrico híbrido de relutância, o qual, ficará mais evidente no que diz respeito aos seus méritos, em função das ilustrações abaixo relacionadas, nas quais:

[014] A figura 1 ilustra um corte esquemático de um motor elétrico híbrido tal como o proposto na presente patente de privilégio de invenção, vista esta que corresponde ao corte A-A indicado na figura 2.

[015] A figura 2 ilustra um corte esquemático do motor elétrico híbrido proposto pela presente patente de privilégio de invenção, vista esta que corresponde ao corte B-B indicado na figura 1 e onde a seta A indica o fluxo magnético do ímã em toroide.

[016] A figura 3 ilustra um corte C-C tomado da figura 1, onde a seta A indica o fluxo do ímã em toroide.

[017] A figura 4 ilustra um corte D-D também tomado da figura 1, onde a seta B indica o fluxo do ímã e o fluxo da bobina no entreferro produzindo torque;

[018] A figura 5 retrata uma primeira reprodução obtida com base em um Programa de Elementos Finitos.

[019] A figura 6 ilustra uma segunda reprodução obtida com base no mesmo Programa de Elementos Finitos, o qual retrata o motor excitado com 2800 AT com 0 graus.

[020] A figura 7 ilustra uma terceira reprodução obtida com base no Programa de Elementos Finitos, que representa o estator excitado com 5000A.T.

[021] A figura 8 ilustra uma quarta reprodução obtida com base no Programa de Elementos Finitos, que retrata o motor excitado com 2800 AT com 10 graus.

[022] A figura 9 ilustra uma quinta reprodução feita com base no Programa de Elementos Finitos, onde (a) retrata as linhas de fluxo e (b) retrata as densidades de fluxo.

[023] A figura 10 ilustra um gráfico comparativo entre torque e rotação de um motor elétrico com e sem ímãs.

[024] A figura 11 ilustra um outro gráfico representativo de um osciloscópio em uma condição sem ímã.

[025] A figura 12 ilustra um gráfico similar ao apresentado na figura 11, porém em uma condição com ímã.

[026] A figura 13 ilustra um gráfico simplificado do controlador do motor ora tratado.

[027] A figura 14 ilustra um diagrama do microcontrolador que integra o controlador retratado esquematicamente na figura 13.

[028] A figura 15 ilustra um esquema de uma “power board” associada ao funcionamento do presente motor, onde a) indica o “suprimento de força”, b) indica “recuperação de energia”, c) indica “para o encoder”, d) indica “sensor de corrente e filtro de harmônicos”, e) indica o “motor”, f) indica “encoder para o microcontrolador e g) indica um “opto acoplador”.

[029] De conformidade com o quanto ilustram as figuras acima relacionadas, o motor elétrico híbrido ora tratado é formado por um ou mais estatores de lâminas de aço 1, com bobinas 8 e com seus respectivos rotores de lâminas de aço 2, sendo estes últimos montados em um só eixo 3 e alinhados, cada um com seu respectivo estator 1, tal como o demonstrado na figura 1- corte A-A.

[030] Os estatores 1 e rotores 2 têm o mesmo número de polos salientes em um número par, tal como pode ser percebido através das figuras 1, 2, 3 e 4, representativas dos cortes A-A, B-B, C-C e D-D.

[031] As bobinas 8, neste novo tipo de motor e tal como pode ser visualizado nas figuras 2, 3 e 4, estão posicionadas no perímetro externo ou coroa do estator 1, com os enrolamentos em “oposição”, tal como pode ser apreciado na Figura 4 que retrata o corte D-D, onde através de setas estão retratadas as direções e os sentidos dos fluxos das bobinas.

[032] Os ímãs permanentes 9 estão localizados entre cada polo, tal como pode ser apreciado a partir da figura 2 que retrata o corte B-B, e em paralelo com as bobinas 8, tal como pode ser visto na figura 2 que retrata o corte B-B e também como no caso das bobinas em “oposição”, tal como pode ser visto na figura 4 que retrata o corte D-D (direção do fluxo dos ímãs).

[033] Quando todas as bobinas 8 do estator 1 são energizadas de uma vez, e como seus enrolamentos estão em “oposição”, também os fluxos criados pelas mesmas, em consequência da passagem da corrente, estão em “oposição”, tal como pode ser observado na figura 4 que retrata o corte D-D.

[034] Estes fluxos produzidos pelas bobinas 8 percorrem o caminho das pernas dos polos e em direção ao “entreferro”; nesse caminho, os referidos fluxos magnéticos se encontram com os fluxos magnéticos criados pelos ímãs permanentes 9 que estão em direção toroide, tal como o demonstrado na figura 4 que retrata o corte D-D e na figura número 5, que é uma representação realizada por um Programa computadorizado de Elementos Finitos.

[035] Como os fluxos dos ímãs permanentes 9 estão em oposição aos fluxos das bobinas 8, isto em virtude dos mesmos apresentarem a mesma polaridade que os fluxos das bobinas, são repelidos por elas, obrigando-os a sair do toroide em direção ao “entreferro”, obtendo-se como resultado, no “entreferro”, a soma dos fluxos magnéticos das bobinas e dos ímãs, que fecham seus circuitos pelos polos do rotor até os polos do estator, tal como o mostrado na figura 4 que representa o corte D-D.

[036] Nesse sentido, com a mesma corrente necessária para produzir os fluxos magnéticos das bobinas somente, se obtém também os fluxos dos ímãs.

[037] Esta contribuição magnética dos imãs permanentes 9 faz aumentar o torque do motor ora tratado. Tal como o demonstrado nas figuras 6 e 7 realizadas pelo Programa de Elementos Finitos, é demonstrada uma condição quando os polos do rotor 2 estão frente a frente com os polos do estator 1.

[038] Ainda com respeito à figura 1, podem ser observados ainda outros componentes básicos do motor em questão, os quais são: o encoder, indicado nessa figura pela referência numérica 4, uma das chavetas 5, o rolamento 6, e a caixa ou corpo do motor 7.

[039] A figura 8, também realizada pelo mesmo Programa de Elementos Finitos, mostra o fluxo dos ímãs e eletroímãs quando os polos do rotor 2 estão entrando para alinharem-se com os polos do estator 1. Nas mesmas figuras 6 e 7, pode ser visto claramente que a densidade magnética no polo é a mesma que a verificada na coroa ou núcleo da bobina 8, com a diferença de que a seção do polo é o dobro que a soma das seções dos núcleos das bobinas que entregam seus fluxos a esse polo.

[040] Essa mesma densidade magnética no polo, porém em dobro de seção, se deve à contribuição do fluxo dos ímãs 9 que estão em paralelo com as bobinas 8, entregando dessa maneira seus fluxos ao polo e entreferro. Isto ocorre com as mesmas amperioespiras que necessitam somente as bobinas, tal como pode ser visto no gráfico da figura número 10 (com e sem ímãs), produzido pelo Programa de Elementos Finitos, de onde se observa claramente o aumento de torque em função do fluxo magnético dos ímãs 9 quando estão nas condições acima mencionadas.

[041] Quando se corta a corrente elétrica nas bobinas 8 do estator 1, os fluxos magnéticos criados pelas mesmas caem praticamente a zero em seus polos. Os fluxos magnéticos dos ímãs 9 nesta situação entram em toroide proporcionalmente à diminuição nas bobinas 8 e finalmente diminuição dos fluxos das bobinas 8 em função do tempo, tal como pode ser visto na figura 2 que representa o corte B-B, bem como na figura 9 produzida pelo Programa computadorizado de Elementos Finitos.

[042] Com base nas explicações expressas acima, os campos magnéticos dos ímãs 9 estão sendo comutados de toroide ao polo e do polo ao toroide, somente em função da consequência do controle do fluxo magnético das bobinas 8. Em tal sentido, o campo ou fluxo magnético dos ímãs 9 está sendo controlado segundo o aumento ou diminuição da corrente na bobina 8 em função do tempo, tal como pode ser visto nos gráficos das figuras números 11 e 12 de osciloscópio, somente bobina - figura 11, e bobina com ímã - figura 12, realizados com corrente meia onda a 120c/s.

[043] Nos referidos gráficos e com a ciclagem assinalada, se vê claramente o aumento do fluxo ou campo magnético quando o ímã 9 é adicionado ao sistema, este fluxo magnético é do ímã 9, quando o mesmo está nas condições acima mencionadas e próprias deste invento.

[044] Nesse sentido, mostra-se importante reiterar, que devido à comutação das bobinas 8 tal como o demonstrado nos gráficos das figuras números 11 e 12 do osciloscópio, o fluxo magnético dos ímãs 9 também está sendo comutado do entreferro ao toroide e de toroide ao entreferro com a vantagem de que quando a corrente da bobina 8 é ativada produzindo um fluxo proporcional à corrente e em função do tempo, o fluxo do ímã 9 sai do toroide na mesma proporção que o fluxo da bobina 8 e no mesmo tempo.

[045] Em consequência, segundo o explicado, anteriormente no presente relatório, o fluxo do ímã 9 se une ao fluxo da bobina 8, dirigindo-se os dois fluxos, juntos, ao entreferro. Quando a corrente das bobinas 8 é desativada, o campo ou fluxo magnético das bobinas 8 diminui até chegar a zero em função do tempo, e assim mesmo, o fluxo ou campo magnético dos ímãs 9 entram em toroide no mesmo tempo, diminuindo seu fluxo no entreferro até chegar a zero, proporcionalmente à diminuição do fluxo da bobina no mesmo tempo.

[046] É importante ressaltar que a mesma configuração de ímãs permanentes 9 em paralelo com as bobinas 8, pode ser utilizada no estator 1, no rotor 2, ou no estator e rotor de uma máquina elétrica (motor ou gerador). Assim sendo, e devido à comutação do fluxo do ímã 9 nas condições acima citadas, se podem colocar ímãs permanentes 9 tanto no rotor 2, como também no estator 1, algo não executado até a proposição do presente invento.

[047] Na máquina elétrica ora chamada híbrida de relutância (motor) com estator ou estatores 1, com bobinas 8 e ímãs permanentes 9 (bobinas em oposição e imãs permanentes em oposição e em paralelo com as bobinas), e rotor ou rotores 2 de laminados de aço, a comutação dos polos é feita no estator ou estatores 1 mediante um comutador eletrônico 10, tal como o retratado na figura 13, que possui um encoder 11, sensores de posicionamento dos polos do rotor 12 em relação aos polos do estator, sensores de corrente 13 e microprocessador, o qual é retratado em detalhes na figura 14, que controla estes parâmetros, tal como demonstrado na figura número 13.

[048] Na referida figura 13 estão retratados ainda: a) um bloco do contador de pulso 14; b) um bloco do circuito de recuperação de energia 15; e c) que é o bloco que representa a fonte variável D.C. 16.

[049] Este comutador eletrônico é aplicável a um motor semelhante, mas também com ímãs no rotor em vez de laminados de aço. Em relação ao motor com bobinas e ímãs no estator e também no rotor, a comutação é feita pelo mesmo comutador eletrônico, tanto no rotor, como também no estator.

[050] Quando se trata de um motor com vários estatores com seus respectivos rotores, estes últimos montados em um só eixo, a comutação é feita em todos os polos de um estator - rotor a todos os polos do seguinte estator-rotor em forma sequencial, tal como o ilustrado na figura 4 que retrata o corte D-D, posição dos polos do rotor entrando no polo do estator para alinhar-se.

[051] Uma vez completado este movimento, a corrente é anulada no estator/rotor e comutada ao seguinte estator/rotor e subsequentes estatores/rotores, para obter-se o par uniforme, sendo assim o motor está composto de estatores com bobinas e ímãs permanentes e rotores de laminação de aço, ou estatores com bobinas e ímãs permanentes e rotores com ímãs somente, ou estatores com bobinas e ímãs permanentes e rotores com bobinas e ímãs permanentes.

Claims (6)

1. “MOTOR ELÉTRICO HÍBRIDO DE RELUTÂNCIA”, caracterizado por uma disposição com bobinas (8) em oposição, e ímãs permanentes (9) em oposição e em paralelo com as bobinas (8), no estator (1) e um rotor (2).

2. “MOTOR ELÉTRICO HÍBRIDO DE RELUTÂNCIA”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por quando as bobinas (8) dos estatores (1) e/ou rotores (2) do motor são energizadas os fluxos ou campos magnéticos dos ímãs (9) são associados aos fluxos ou campos magnéticos das bobinas (8) no entreferro, produzindo assim um “par” ou torque maior devido à contribuição do fluxo ou campo magnético dos ímãs (9).

3. “MOTOR ELÉTRICO HÍBRIDO DE RELUTÂNCIA”, de acordo com as reivindicações 1 ou 2, caracterizado por quando os estatores (1) e/ou rotores (2) do motor são desenergizados, os fluxos ou campos magnéticos dos ímãs (9) entram em toroide em relação e proporção a mesma diminuição dos fluxos das bobinas (8) em função do tempo como consequência da diminuição da corrente em função do tempo.

4. “MOTOR ELÉTRICO HÍBRIDO DE RELUTÂNCIA”, de acordo com as reivindicações 1, ou 2, ou 3, caracterizado por os fluxos magnéticos dos ímãs (9), em função da comutação da corrente das bobinas (8) e por fim pela comutação dos fluxos ou campos magnéticos das bobinas (8), também são comutados de toroide ao polo e de polo a toroide, sendo que quando a corrente é ativada nas bobinas (8) e se o fluxo produzido pelas mesmas são da mesma polaridade que o fluxo produzido pelos ímãs (9) que estão em toroide, estes fluxos dos ímãs (9) saem de toroide e se unem aos fluxos das bobinas (8) dirigindo-se juntos ao polo e entreferro; quando a corrente é desativada nas bobinas (8) seus fluxos diminuem praticamente a zero em função do tempo; no mesmo período, os fluxos dos ímãs (9) entram em toroide; portanto, ao comutar os fluxos das bobinas (8), também se comutam os fluxos dos ímãs (9) em frequências baixas ou altas.

5. “MOTOR ELÉTRICO HÍBRIDO DE RELUTÂNCIA”, de acordo com as reivindicações 1, ou 2, ou 3, ou 4, caracterizado por as bobinas (8) localizadas em oposição na periferia, coroa ou núcleo dos estatores (1) e/ou rotores (2), com caminho, ou perna, para que os fluxos magnéticos das bobinas (8) se dirijam até o polo e entreferro; as bobinas (8) que estão em oposição têm uma indutância menor que a das bobinas (8) que estão em série.

6. “MOTOR ELÉTRICO HÍBRIDO DE RELUTÂNCIA”, de acordo com as reivindicações 1, ou 2, ou 3, ou 4 ou 5, caracterizado por a porção do total do fluxo magnético dos ímãs permanentes (9) e bobinas (8), no polo e entreferro correspondente aos ímãs (9) eleva o torque do motor.

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