BRPI0903281A2 - lÂmina para estator para um motor elÉtrico - Google Patents

Abstract

LÂMINA PARA ESTATOR PARA UM MOTOR ELÉTRICO. A presente invenção refere-se a uma lâmina de estator (10) para um motor elétrico que compreende um furo central (20), uma pluralidade de ranhuras (30) espaçadas ao redor do furo (20), e uma pluralidade de dentes (50) formados entre duas ranhuras (30) consecutivas. Os cantos (35a, 35b, 35c, 35d) formados entre as bordas da ranhura (30e e 30a, 30e e 30b, 30b e 30d, e 30c e 30a) sendo raios de arredondamento e os ângulos formados por essas bordas sendo ângulos agudos. Os dentes (50) apresentam duas bordas laterais inclinadas entre si (50a, 50b) definidas pelas bordas laterais (30b e 30a) de duas ranhuras con- secutivas.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "LÂMINA PARA ESTATOR PARAUM MOTOR ELÉTRICO".

Campo da Invenção

A presente invenção refere-se a uma lâmina para estator e, mais especificamente,a uma lâmina para o estator de um motor elétrico do tipo usado em um compressor de umaunidade de refrigeração.

Fundamentos da Invenção

Na indústria de refrigeração, os compressores são geralmente acionados por moto-res de indução. Esse tipo de motor elétrico compreende uma parte móvel, o rotor, e umaparte estática, o estator. Para o funcionamento do motor, o estator gera um campo magnéti-co que induz uma corrente no rotor, sendo que a interação entre essa corrente induzida e ocampo magnético gera um torque que movimenta o rotor.

Conforme sabido por aqueles versados na técnica, o núcleo dos estatores é forma-do por um empilhamento de placas laminadas (lâminas do estator). Cada um das lâminaspossui um furo central para encaixe do rotor e ranhuras distribuídas na periferia do furo pararecepção dos fios que formarão uma bobina de material condutor. É essa bobina a respon-sável por criar o campo magnético.

Com o objetivo de reduzir o consumo de energia, em alguns sistemas são usadosmotores síncronos do tipo "brushless", com imãs permanentes no rotor. O uso dos imãspossibilita o aumento da eficiência em relação aos motores de indução convencionais, poisreduz as perdas no rotor e, conseqüentemente, reduz o consumo total. Além desta vanta-gem, este tipo de motor possui ainda um controle eletrônico que permite a variação da velo-cidade de forma a se ajustar à necessidade do sistema. Esta variação da velocidade au-menta significativamente a· eficiência termodinâmica do sistema de refrigeração, reduzindoainda mais o consumo.

A constante preocupação com a performance do compressor e do sistema de refri-geração torna o projeto do motor elétrico um fator de grande importância para a indústria derefrigeração. De fato, o projeto do motor elétrico impacta no consumo de energia e na efici-ência do sistema de refrigeração como um todo.

Assim, opções de design e de materiais para os componentes do motor são esco-lhidas de acordo com os parâmetros de performance desejados, focando na eficiência, notorque e na potência consumida.

Nessa linha, o desenho escolhido para as lâminas do estator impactam diretamentena geração do campo magnético, influenciando a eficiência e o torque atingido pelo motor.

Outro fator que influência no campo magnético e na eficiência do motor é o material utiliza-do para a bobina a ser fixada no estator.

O material mais utilizado para esse fim é o cobre, que apresenta alta condutividade,entretanto, para determinadas aplicações, o uso de alumínio pode apresentar uma significa-tiva redução de custos sem prejuízo da eficiência.

O documento US 3,942,055 descreve um estator de motor hermético para uso emcompressores, cujas lâminas compreendem ranhuras de três tamanhos diferentes, permi-tindo a montagem de três tipos diferentes de enrolamento, sendo um desses enrolamentosde alumínio.

O documento US 6,791,231 propõe um novo desenho de lâmina de estator, onde ofuro central é alargado e as ranhuras possuem a extremidade fechada ligeiramente afunila-da. O tipo de lâmina descrito nesse documento é ideal para motores de dois pólos, do tipoutilizado em ventiladores para uso doméstico, sendo seu desenho otimizado para essa apli-cação.

Embora seja uma prática comum o projeto do estator de acordo com a necessidadede desempenho requerida para a aplicação do motor elétrico, ainda existe na técnica a pro-cura por um desenho de maior eficiência, que seja capaz de impactar positivamente no de-sempenho do motor elétrico, permitindo sua aplicação em produtos com restrições de di-mensão e com necessidade de baixo consumo de energia, como é o caso, por exemplo,dos motores de compressores utilizados na indústria de refrigeração.

Objetivos da Invenção

Assim, é um dos objetivos da presente invenção prover uma lâmina de estator quepermita um certo grau de flexibilidade na construção de um estator, possibilitando o uso defios de cobre ou fios de alumínio sem alteração do desenho da placa.

É outro dos objetivos da presente invenção prover uma lâmina de estator que pro-porcione um maior espaço livre interno às ranhuras, permitindo a utilização de um maiorvolume de material condutor.

É ainda outro dos objetivos da presente invenção prover uma lâmina de estator queproporcione um maior espaço interno às ranhuras, possibilitando um maior deslocamento daagulha de bobinagem, e gerando uma bobina mais homogênea.

É outro objetivo da presente invenção prover uma lâmina de estator que proporcio-ne uma distribuição mais homogênea da densidade do fluxo magnético ao longo dos dentesda lâmina, evitando o fenômeno indesejável da saturação magnética, e aumentando a efici-ência do motor.

É outro objetivo da presente invenção prover uma lâmina de estator que proporcio-ne um equilíbrio entre as perdas no aço e as perdas no condutor, proporcionando uma me-lhor distribuição de perdas e, conseqüentemente, melhor rendimento do motor.

Sumário da Invenção

A presente invenção atinge os objetivos acima por meio de uma lâmina de estatorpara um motor elétrico que compreende:um furo central,

uma pluralidade de ranhuras espaçadas ao redor do furo, as ranhuras e o furo sen-do ligados por meio de passagens ou pescoços, e

uma pluralidade de dentes, cada um dos dentes sendo formado entre duas ranhu-ras consecutivas,sendo que:

o diâmetro do furo central é de aproximadamente 50% da largura total da lâmina;a área total da soma das áreas de cada uma das ranhuras representa de 50% a60% da área total de um anel inscrito à lâmina, a borda externa do circulo inscrito tangenci-ando uma das bordas da lâmina e a borda interna do circulo inscrito coincidindo com a bor-da do furo central; e

os dentes são dentes de largura variável, sendo mais largos na região próxima aofuro central.

Em uma concretização preferida da lâmina da presente invenção, cada uma ranhu-ras possui cinco bordas, sendo duas bordas laterais opostas, duas bordas na base da ra-nhura e uma borda parabólica, as bordas da base estendendo-se do pescoço (à borda late-ral oposta correspondente, as bordas laterais opostas estendendo-se de uma das bordas debase até a borda parabólica, e o ângulo formado entre cada uma as bordas laterais e aborda parabólica sendo um ângulo agudo compreendido entre 85° e 89°.

Ainda na concretização preferida, os cantos formados entre as bordas da ranhuratêm raio máximo igual a aproximadamente 0.25mm, a distância entre o topo da ranhura e aborda do furo central está compreendida entre 78 e 82% da distância entre a base do pes-coço e a borda externa do circulo inscrito à lâmina, e o ângulo formado entre a borda para-bólica das ranhuras e o eixo horizontal está compreendido entre 0o e 5o.

Descrição Resumida dos Desenhos

As figuras mostram:

Figura 1 - A figura 1 ilustra uma vista em plana de uma lâmina de estator conheci-da da técnica anterior;

Figura 2 - A figura 2 ilustra uma vista em detalhe de uma das ranhuras da lâminade estator conhecida da técnica anterior;

Figura 3 - A figura 3 ilustra esquematicamente a distribuição da densidade do fluxomagnético ao longo de um dos dentes da lâmina de estator conhecida da técnica anterior;

Figura 4 - A figura 4 ilustra uma vista em plano de uma lâmina de estator de acordocom a presente invenção;

Figura 5 - A figura 5 ilustra uma vista em detalhe de uma das ranhuras de acordocom a presente invenção;

Figura 6 - A figura 6 ilustra esquematicamente a distribuição da densidade do fluxomagnético ao longo de um dos dentes da lâmina de estator de acordo com a presente in-venção;

Figura 7 - A figura 7 ilustra uma vista em plano de uma lâmina de estator de acordocom a presente invenção, sendo destacada uma área de anel inscrito à lâmina;

Figura 8 - A figura 8 ilustra uma das ranhuras da lâmina de estator de acordo coma presente invenção, destacando o ângulo formado entre as arestas laterais e a aresta su-perior das ranhuras;

Figura 9 - A figura 9 ilustra uma vista em plano da lâmina de estator de acordo coma presente invenção, destacando as áreas de ranhura e anel inscrito à lâmina; e

Figura 10 - A figura 10 ilustra uma das ranhuras da lâmina de estator de acordocom a presente invenção, destacando o ângulo formado entre as arestas superiores da ra-nhura e o eixo horizontal.

Descrição Detalhada da Invenção

A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente descrita com base nosexemplos de execução representados nos desenhos.

A figura 1 ilustra uma lâmina de estator 1 típica de motores elétricos para compres-sores. A lâmina 1 compreende um furo central 2 e uma pluralidade de ranhuras 3 espaçadasao redor do furo 2. Nesse tipo de lâmina, o diâmetro do furo central é de aproximadamente55 milímetros.

As ranhuras 3 e o furo 2 são ligados por meio de passagens ou pescoços 4. Entreduas ranhuras 3 consecutivas é formado um dente 5, sendo que as bordas internas dosdentes 5 formam a borda do furo central 2.

Conforme melhor ilustrado na figura 2, cada um das ranhuras 3 possui um formatoparecido com um "chapéu de marinheiro", com uma parte inferior 3 em formato de trapézioinvertido 3a cuja borda superior apresenta um formato de domo parabólico 3b. A conexãoentre as bordas do trapézio e domo (ou seja, entre as laterais e a borda superior da ranhura3) ocorre com bordas curvas 3c, 3d com raio de 1,0mm. As duas paredes laterais do trapé-zio invertido 3a (paredes 3e e 3f) estão inclinadas entre si em um ângulo de 60°, sendo quea distância entre o topo do domo parabólico 3b e a base do trapézio invertido é de aproxi-madamente 10,0mm. Assim, a área total de cada ranhura 3 é de aproximadamente 83mm2.

Quando da montagem do estator, as bordas internas das ranhuras 3 recebem umrevestimento de isolante, geralmente na forma de fitas flexíveis montadas após o empilha-mento das lâminas.

Os dentes 5 apresentam duas bordas paralelas 5a, 5b definidas pelas bordas Iate-rais de duas ranhuras consecutivas e um furo auxiliar 6 cuja função é fixar a capa isolante,responsável pela isolação elétrica entre o pacote de lâminas e as cabeças das bobinas.

A lâmina 1 apresenta ainda 6 furos de fixação, sendo quatro furos 6a em cada umdos cantos da lâmina e dois furos 6b em pontos medianos de duas bordas opostas da lâmi-na. Esses furos têm como objetivo acomodar os parafusos de fixação do estator. A fixaçãoocorre apenas em três destes furos, porém, como metade do pacote é virada durante o pro-cesso de fabricação para compensar o desbalanceamento de altura, então são necessários6 furos ao longo da periferia do estator.

Embora esse desenho de lâmina da técnica anterior venha sendo largamente utili-zado em estatores de motores elétricos do tipo "brushless" com imãs permanentes, ele a-presenta alguns inconvenientes:

- embora o formato e dimensões das ranhuras 3 sejam adequadamente projetadospara a formação de bobina de fio de cobre, eles se tornam inadequados quando se optapela utilização de outro tipo de fio como, por exemplo, o fio de alumínio, já que para a ob-tenção de uma performance equivalente à do cobre, é necessário um aumento mínimo de60% na área transversal do condutor (e, por conseqüência, um aumento de igual magnitudena área de ranhura);

- os cantos arredondados na borda interna das ranhuras não permitem uma eficien-te ancoragem do isolante de ranhura, criando um espaço vazio entre as bordas internas e oisolante. Este espaço, como não é utilizado nem como área de passagem de fluxo (corpo dalâmina), nem como área de ranhura (espaço para o condutor), limita a eficiência máxima domotor, reduz sua faixa de potência e causa um aumento na densidade de fluxo; e

- o formato dos dentes 5 facilita o acúmulo de fluxo magnético na região adjacenteao furo auxiliar 6, o que pode ocasionar saturação magnética e conseqüente queda de efici-ência. Nesse sentido, a figura 3 mostra uma representação esquemática da região de satu-ração magnética que é formada nas lâminas da técnica anterior.

As figuras 4 a 10 mostram uma lâmina 10 de acordo com a presente invenção. Alâmina 10 da presente invenção possui um desenho otimizado, que permite a construção deum estator que ao utilizar bobina de fios de cobre apresenta um desempenho superior aoencontrado em estatores do estado da técnica e que, ao mesmo tempo, é adequado para abobinagem com fios de alumínio.

Como sabido por aqueles versados na técnica, o alumínio é um material bem maisbarato do que o cobre por unidade de peso, entretanto, para que o desempenho de um mo-tor que utiliza alumínio possa ser comparável aquele de um motor com condutores de cobre,deve-se aumentar, como anteriormente citado, pelo menos 60% na área transversal do con-dutor.

Assim, a lâmina da presente invenção apresenta ranhuras com formato e dimensãoconfigurados de modo a apresentar um aumento de área da ranhura e facilitar a passageme inserção da agulha de bobinagem.

A lâmina 10 compreende um furo central 20 e uma pluralidade de ranhuras 30 es-paçadas ao redor do furo 20 (na configuração preferida da invenção, são seis ranhuras es-paçadas homogeneamente em torno do furo central 20). O diâmetro do furo central é deaproximadamente 50% da largura total da lâmina. As ranhuras 30 e o furo 20 são ligadospor meio de passagens ou pescoços 40. Entre duas ranhuras 30 consecutivas é formadoum dente 50, sendo que as bordas internas dos dentes 50 formam a borda do furo central 20.

Conforme melhor ilustrado nas figuras 7 e 9, é possível destacar uma área de anelC inscrito à lâmina, sendo que a borda externa desse anel tangencia duas das bordas dalâmina e a borda interna coincide com a borda do furo central 20. Preferencialmente, a áreatotal R das ranhuras 30 deve estar compreendida entre 50% e 60% da área total C do anelinscrito à lâmina, de modo a garantir a possibilidade de equilíbrio das perdas Joule nos con-dutores e no material da lâmina, aumentando assim o rendimento do motor.

O aumento da área da ranhura confere à lamina da presente invenção uma flexibi-lidade para o material de formação da bobina, já que é adequada ao uso de cobre e ao usode alumínio. Quando a opção é pelo uso de cobre, tem-se uma possibilidade de ganho sig-nificativo na eficiência do motor quando comparado ao motor que usa um estator com alâmina 1 da técnica anterior. Quando a opção é pelo uso de alumínio, obtém-se uma signifi-cativa redução do custo total do motor em relação ao motor da técnica anterior com condu-tores de cobre.

As figuras 5, 8 e 10 mostram em maior detalhe a geometria de cada uma das ra-nhuras 30.

Cada um das ranhuras 30 possui cinco bordas 30a, 30b, 30c, 30d e 30 e, sendoduas bordas laterais opostas 30a e 30b, duas bordas extremas inclinadas 30c e 30d e umaborda parabólica 30e. Cada uma das bordas extremas inclinadas 30c ou 30d estende-se dopescoço 40 à borda lateral oposta correspondente 30a ou 30b e cada uma das bordas late-rais opostas estende-se de uma das bordas extremas 30c ou 30d até a borda parabólica30e.

Conforme melhor visualizado na figura 7, as duas bordas laterais opostas 30a e30b estão inclinadas entre si em um ângulo compreendido entre 60° e 70°, e a distância 73entre o topo da borda parabólica 30e e a borda do furo 20 (vide figura 7) deve estar com-preendida entre 78% e 82% da distância 72 entre a borda do furo 20 (extremidade internado pescoço 40) e a borda externa no circulo inscrito C.

Conforme melhor visualizado na figura 8, os ângulos formados entre as paredes30a e 30e e entre 30b e 30e são ângulos agudos (<90°), formando desta maneira um ângu-lo de abertura 80 dos dentes 50 de maneira a facilitar a fixação dos isolantes de ranhura ereduzir a densidade de fluxo nos dentes. Preferencialmente, o ângulo 80 tem entre 85° e89°. Além disso, na concretização preferencial, os cantos 35a, 35b, 35c, 35d formados entreas paredes 30e e 30a, 30e e 30b, 30b e 30d, e 30a e 30c devem ter um raio de arredonda-mento máximo de 0.50mm.

A vantagem da formação de ângulos agudos na ranhura 30 da lâmina 10 da presente invenção, possibilitando uma melhor ancoragem do isolante nas paredes internas dasranhuras durante a formação do estator é de extrema relevância para obtenção de um vo-lume máximo de material condutor: ao garantir uma melhor aderência do isolante às bordasinternas das ranhuras, é obtido um maior espaço livre no interior das ranhuras, sendo talespaço ocupado pelo material condutor durante a bobinagem.

Os dentes 50 apresentam duas bordas laterais inclinadas entre si (não paralelas)50a, 50b definidas pelas bordas laterais de duas ranhuras consecutivas. Assim, na presenteinvenção, as os dentes 50 são dentes de largura variável, sendo mais largos na região pró-xima ao furo central 20.

Além disso, os dentes 50 podem compreender um furo auxiliar 60 cuja função é fi-xar a capa isolante (isolação entre a cabeça de bobina e o pacote de lâminas).

Conforme mostrado na ilustração esquemática presente na figura 6, a inclinaçãoentre as duas bordas laterais 50a, 50b do dente 50 foi introduzida para evitar o acúmulo dofluxo na região adjacente ao furo 60, permitindo a obtenção de uma densidade de fluxo a-proximadamente homogênea ao longo de todo o dente 50.

A lâmina da presente invenção apresenta ainda quatro furos de fixação 60a em ca-da um dos cantos da lâmina. Esses furos têm como objetivo fixar o estator ao bloco docompressor.

Conforme mostrado na ilustração esquemática presente na figura 10, o ângulo 100formado entre a aresta 30e e o eixo horizontal deve estar entre 0o e 5o, de forma a facilitar odeslocamento da agulha de bobinagem e gerar uma bobina uniformemente distribuída.

Deve ser entendido que a descrição fornecida com base nas figuras acima se refe-re apenas a concretizações possíveis para a lâmina da presente invenção, sendo que o realescopo do objeto da invenção encontra-se definido nas reivindicações apensas.

Claims (5)

1. Lâmina de estator (10) para um motor elétrico que compreende:um furo central (20),uma pluralidade de ranhuras (30) espaçadas ao redor do furo (20), as ranhuras(30) e o furo (20) sendo ligados por meio de passagens ou pescoços (40), euma pluralidade de dentes (50), cada um dos dentes (50) sendo formado entre du-as ranhuras (30) consecutivas,CARACTERIZADA pelo fato de que:o diâmetro do furo central (20) é de aproximadamente 50% da largura total da lâmina;a área total (Rt) da soma das áreas de cada uma das ranhuras (30) representa de50% a 60% da área total (C) de um anel inscrito à lâmina (10), a borda externa do anel ins-crito tangenciando uma das bordas da lâmina (10) e a borda interna do anel inscrito coinci-dindo com a borda do furo central(20); eos dentes (50) são dentes de largura variável, sendo mais largos na região próximaao furo central (20).

2. Lâmina de estator (10), de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pe-lo fato de que:cada uma ranhuras (30) possui cinco bordas (30a, 30b, 30c, 30d, 30e), sendo duasbordas laterais opostas (30a e 30b), duas bordas na base da ranhura (30c e 30d) e umaborda parabólica (30e);cada uma das bordas da base da ranhura (30c ou 30d) estende-se do pescoço (40)à borda lateral oposta correspondente (30a ou 30b);cada uma das bordas laterais opostas (30a e 30b) estende-se de uma das bordasde base (30c ou 30d) até a borda parabólica (30e); eo ângulo (80) formado entre cada uma as bordas laterais (30a, 30b) e a borda pa-rabólica (30e) é um ângulo agudo compreendido entre 85° e 89°.

3. Lâmina, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADA pelo fato de que oscantos (35a, 35b, 35c, 35d) formados entre as bordas da ranhura (30e e 30a, 30e e 30b,-30b e 30d, e 30c e 30a) têm raio máximo igual a aproximadamente 0.50mm.

4. Lâmina, de acordo com a reivindicação 2 ou 3, CARACTERIZADA pelo fato deque a distância (73) entre o topo da ranhura (30) e a borda do furo central (20) está com-preendida entre 78 e 82% da distância (72) entre a base do pescoço (40) e a borda externado circulo (C) inscrito à lâmina (10).

5. Lâmina, de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 a 4,CARACTERIZADA pelo fato de que o ângulo (100) formado entre a borda parabólica (30e)das ranhuras (30) e o eixo horizontal está compreendido entre 0o e 5o.