BRPI0900907A2

BRPI0900907A2 - motor sÍncrono e de induÇço

Info

Publication number: BRPI0900907A2
Application number: BRPI0900907-8A
Authority: BR
Inventors: Flavio J H Kalluf; Cristofaro Pompermaier
Original assignee: Whirlpool Sa
Priority date: 2009-03-31
Filing date: 2009-03-31
Publication date: 2010-12-14
Also published as: SG174997A1; WO2010111761A2; KR20120030344A; CN102428623A; AR076000A1; WO2010111761A8; JP2012522485A; WO2010111761A3; EP2415142A2; US20120081048A1

Abstract

MOTOR SÍNCRONO E DE INDUÇçO. Trata-se a presente invenção de um motor que atua tanto como motor síncrono quanto como motor de indução, compreendendo um estator (100) possuindo enrolamentos de bobina, um rotor (200), onde o dito rotor é um rotor com ímãs (300, 310, 320, 330) gerando 4 pólos e os enrolamentos do estator (100) são chaveáveis para alterar o número de pólos. O presente motor atua como motor síncrono quando em baixa rotação e como motor de indução quando em alta rotação. Durante o funcionamento como motor de indução, são utilizados rotores (200) com razão de saliência próxima a 1 gerando fluxo suficiente para atingir bons níveis de eficiência em 2 pólos, o que evita que o motor tenha oscilações de torque durante seu funcionamento, o que gera um motor com funcionamento mais suave e com melhor desempenho e menor ruido.

Description

"MOTOR SÍNCRONO E DE INDUÇÃO"

CAMPO DA INVENÇÃO

Refere-se a presente invenção a um motor síncrono e de indução e, maisparticularmente, a um motor que trabalhe tanto como um motor síncrono quanto como ummotor de indução, apresentando uma configuração que permita um bom desempenho domesmo em ambas as situações.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

Atualmente, os motores de compressores para refrigeração têm função importanteno consumo de energia destes compressores, sendo que, das características importantesdestes motores, pode-se destacar como principais: o rendimento elétrico, a robustezdurante a partida (ou sobrecargas) e a possibilidade de variação da velocidade do mesmo.

Existem três tipos de motores utilizados em compressores para refrigeração queequipam mais de 90% do total encontrado em campo, seja em aplicações domésticas oucomerciais: o motor de indução monofásico, o motor síncrono com ímãs permanentes e omotor DC sem escovas com ímãs permanentes.

No motor de indução monofásico, o torque é alto, gerado através da interaçãoentre o campo do estator e o campo induzido no rotor. A eficiência elétrica deste tipo demotor é razoável (média), não é necessário o uso de nenhum tipo de controle eletrônico esua velocidade é constante. Isto torna este tipo de motor um motor de baixo custo.

Já no motor síncrono de ímãs permanentes com partida direta (LSPM), o torque ébaixo, gerado pela interação entre o campo do ímã e as correntes do estator. Neste tipo demotor também não é necessário nenhum tipo de controle eletrônico e sua velocidadetambém é constante. No entanto, sua eficiência é alta quando comparada à do motor deindução. Este tipo de motor já é um motor de custo médio.

Finalmente, o motor DC sem escovas com ímãs permanentes, diferente dosdemais, faz uso de um controle eletrônico, um inversor, para controlar a magnitude dacorrente eficaz no estator que, juntamente com o campo gerado pelo rotor, produz torque.

Por possuir o controle eletrônico, sua velocidade é controlável uma vez que o tempo decondução dos transistores pode ser ajustado. No entanto, este tipo de solução tem umcusto alto, devido à necessidade do uso" de um dispositivo eletrônico razoavelmentecomplexo.

Tais tipos de motores podem ser observados, exemplarmente, nos documentos US3.978.356, US 4.139.790, US 5.631.512, US 5.825.112, US 6.917.133, US 7.116.030, US7.183.686 e US 7.372.183.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

A presente invenção consiste de um motor com configuração mista de motorsíncrono e motor de indução que permite a operação em duas velocidades sem o uso dedispositivos eletrônicos inerentes aos motores DC sem escova, resultando em um motorcom altos níveis de eficiência e com velocidade variável, com custo ainda assim competitivo.

Portanto, um objetivo da presente invenção é prover um motor que permita avariação da velocidade sem o uso de dispositivos eletrônicos.

Um outro objetivo da presente invenção é prover um motor que possua melhorrelação desempenho/custo que os motores atuais, ou, em outras palavras, possibilitar amelhoria do desempenho do motor com custo baixo.

Ainda um outro objetivo da presente invenção reside na provisão de um motor comcaracterísticas de um motor síncrono e de um motor de indução, quando sob determinadascondições.

Um objetivo adicional da presente invenção é prover um motor com menor nível deruído por trabalhar sincronizado e em velocidades mais baixas que o usual.

Os objetivos da presente invenção são alcançados com a provisão de um motorsíncrono e de indução, compreendendo um estator possuindo enrolamentos de bobina, umrotor possuindo ímãs gerando n pólos, e compreendendo adicionalmente um estator comenrolamentos de bobina dispostos de tal maneira que permitam a mudança dos n pólosdeste estator através de uma chave, de modo a funcionar em baixa rotação como motorsíncrono e em alta rotação como motor de indução, em que durante o funcionamento comomotor de indução, é utilizado um rotor com razão de saliência Xd/Xq (razão entre asreatâncias de eixo direto e eixo em quadratura) próxima a 1.

BREVE DESCRICÂO DOS DESENHOS

A invenção será agora descrita de fôrma mais detalhada, em conjunto com osdesenhos abaixo relacionados exemplificativos da invenção. Note que, apesar dosexemplos abaixo usarem a configuração de 2 e 4 pólos para melhor compreensão, asolução não está restrita a esta combinação, podendo ser utilizadas quaisquer combinaçõesde número de pólos de acordo com a necessidade da aplicação.

A FIGURA 1A ilustra uma configuração 2 pólos do estator do motor da presenteinvenção, mostrando o sentido da corrente;

A FIGURA 1B ilustra a configuração 2 pólos do estator do motor da FIGURA 1A,mostrando a direção do fluxo magnético;

A FIGURA 1C ilustra uma configuração 4 pólos do estator do motor da presenteinvenção, mostrando o sentido da corrente;

A FIGURA 1D ilustra uma configuração 4 pólos do estator do motor da FIGURA 1C,mostrando a direção do fluxo magnético;

A FIGURA 1E ilustra uma configuração 2 pólos alternativa do estator do motor dapresente invenção, mostrando o sentido da corrente;

A FIGURA 1F ilustra uma configuração 4 pólos alternativa do estator do motor dapresente invenção, mostrando o sentido da corrente;

A FIGURA 2 ilustra uma configuração 4 pólos de um rotor com ímãs de acordo coma presente invenção, mostrando o sentido do campo dos imãs;

A FIGUfRA 3A representa a carta de campo de um motor exemplo com o eixo diretodo rotor alinhado ao eixo da bobina principal do estator;

A FIGURA 3B representa a carta de campo do mesmo motor da figura 3A, com oeixo direto do rotor a 90° do eixo da bobina principal do estator;

A FIGURA 4A é uma topologia exemplar de uma configuração de rotor de acordocom a presente invenção; e

A FIGURA 4B é uma topologia exemplar alternativa de uma configuração de rotorde acordo com a presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA MODALIDADE PREFERIDA

As FIGURAS 1A e 1B ilustram um estator 100 com enrolamentos em umaconfiguração gerando 2 pólos.

Como pode ser visto a partir da FIGURA 1A, tanto a corrente na parte superiorquanto na parte inferior têm o mesmo sentido nesta configuração (da esquerda para direita),estas correntes são representadas pelas setas 1 e 2.

Já a FIGURA 1B ilustra a direção do fluxo magnético da configuração ilustrada naFIGURA 1 A.

As FIGURAS 1C e 1D ilustram, diferentemente das FIGURAS 1A e 1B, um estator100 com enrolamentos em uma configuração gerando 4 pólos.

A FIGURA 1C ilustra a configuração em 4 pólos do enrolamento do estator 100,onde as setas 3 e 4 mostram a corrente nas partes superior e inferior com sentidos opostos(superior - da esquerda para direita e inferior - da direita para esquerda).

A FIGUfRA 1D ilustra a direção do fluxo magnético da configuração ilustrada naFIGUFRA 1C, formando 4 pólos.

As configurações ilustradas nas FIGURAS 1A a 1D são apenas exemplos dapluralidade de configurações que podem existir para transformar um estator 100 deenrolamento de 2 pólos em um estator 100 de enrolamento de 4 pólos.

Essas configurações de enrolamento de estator 100 de 2 ou 4 pólos podem seralternadas através do acionamento de chaves eletrônicas e/ou eletromecânicas.

Configurações adicionais são ilustradas nas FIGURAS 1E e 1F. A FIGURA 1Eilustra uma configuração em 2 pólos alternativa do enrolamento do estator 100, onde assetas 5 a 8 mostram o sentido das correntes na referida configuração de enrolamento, acorrente nas partes superior e inferior possuem o mesmo sentido (da direita para esquerda)e possuem o mesmo sentido na parte direita e esquerda (de cima para baixo).

Já no exemplo de estator 100 com enrolamento em configuração de 4 pólos,ilustrado na FIGURA 1F, a corrente nas partes superior e inferior possuem sentido contrário(parte superior - da esquerda para direita, e parte inferior - da direita para esquerda) e acorrente nas partes direita e esquerda também possuem sentido contrário (parte direita - debaixo para cima, e parte esquerda - de cima para baixo), como pode ser observado a partirdas setas 9 a 12.

Além das configurações exemplificadas nas figuras em anexo, inúmeras outrasconfigurações em enrolamentos podem ser utilizadas, tal como enrolamentosindependentes de 2 e 4 pólos, que possuem características diferenciais tais como um ganhoadicional de eficiência, embora o custo para utilização de tal configuração seja maior.

Conforme mencionado acima, as configurações de enrolamento de estator 100 de2 ou 4 pólos podem ser alternadas através do acionamento de chaves eletrônicas, porexemplo, transistores, e/ou eletromecânicas, por exemplo, relês, sendo controlada por umsistema de controle externo que é responsável por avaliar a necessidade do uso do motorem baixa ou alta rotação, fazendo assim a comutação entre as configurações deenrolamento, através de sinais de tensão e/ou corrente.

Fazendo referência à FIGURA 2, é ilustrado um rotor 200 com ímãs 300, 310, 320,330 formando, por exemplo, 4 pólos, onde os ímãs 300, 310, 320, 330 permitirão asincronização do motor em condição de baixa velocidade. O funcionamento do motor comomotor de ímãs permanentes de partida direta na rede (LSPM) permite que este motortrabalhe com alta eficiência em condição de baixa velocidade. Na FIGURA 2, as setasindicam a direção do campo magnético dos ímãs 300, 310, 320, 330 e, como pode-seobservar, ímãs em posições opostas possuem direção de campo com sentidos opostos.Exemplarmente, a partir da referida figura, os ímãs dos quadrantes superior esquerdo einferior direito 300, 330 possuem sentido inverso do campo (diferença de 180°) um emrelação ao outro, e o mesmo ocorre para os ímãs superiores direito e inferior esquerdo 310,320. Esta configuração resulta na geração de 4 pólos no rotor, porém pode-se usar umnúmero mais alto de pólos, dependendo da rotação desejada para a configuração de baixavelocidade. Como exemplo, podem ser usadas configurações 2 pólos (alta rotação) e 4pólos (baixa rotação), ou ainda 4 pólos (alta rotação) e 6 pólos (baixa rotação), ou aindaqualquer outra combinação que traga vantagens específicas para a aplicação a qual omotor se destina.

Como no rotor 200 não existe a comutação e, sendo ele de 4 pólos, este sempreterá 4 pólos, é desejada uma configuração que permita o funcionamento satisfatório tantopara 2 pólos (motor de indução) quanto para 4 pólos (motor síncrono). Para que se tenhaessa configuração em especial, é necessário que alguns requisitos construtivos sejampreenchidos. São eles: a) o fluxo gerado pelos ímãs 300, 310, 320, 330 deve ser alto osuficiente para gerar um nível de torque e eficiência razoável durante o funcionamento comomotor de 4 pólos (síncrono); e b) a razão de relutância (Xd/Xq) entre os eixos direto (Xd) equadratura (Xq) vista pelo enrolamento de 2 pólos deve ser próxima a 1, de modo a gerarum torque de relutância próximo de zero durante o funcionamento do rotor 200 em 2 pólos,possibilitando atingir níveis de eficiência razoáveis e evitando oscilações de torque navelocidade nominal. Aqui vale mencionar que a razão de relutância ou razão de saliência é arelação entre a relutância dos eixos elétricos direto e em quadratura de um rotor. Assim,quanto maior a relação, maior será o torque de relutância próximo à rotação síncrona.

Sendo a razão de saliência Xd/Xq próxima a 1, evitam-se oscilações de torque emalta rotação (2 pólos no exemplo citado).

Outro importante requisito é que os magnetos sejam dispostos simetricamente etenham exatamente o mesmo formato e características magnéticas. Este fato garantirá queo torque médio gerado pelo fluxo dos magnetos em 2 pólos seja nulo.

Ao se atender a estes requisitos especificados acima, evita-se que o motor tenhaoscilações de torque durante seu funcionamento em 2 pólos. A oscilação de torque, umavariação harmônica no torque de saída do motor, contribui para a vibração, ruído e variaçãona rotação das máquinas. Assim, a configuração descrita pela presente invenção gera ummotor com funcionamento mais suave, menor ruído e melhor desempenho.

As FIGURAS 3A e 3B ilustram um exemplo de tal razão de relutância, onde aFIGURA 3A representa o eixo elétrico direito com maior relutância e menor fluxo, enquantoa FIGURA 3B representa o eixo elétrico em quadratura com menor relutância e maior fluxo.

A seta da FIGURA 3A indica o eixo de maior relutância, enquanto a seta da FIGURA 3Bindica o eixo de menor relutância.

Com base na necessidade do requisito de razão de relutância próximo a 1, umapluralidade de configurações de rotor 200 pode ser utilizada, gerando ainda fluxo alto osuficiente para o funcionamento satisfatório do rotor 200. Dessa forma, as configuraçõesexemplificativas das FIGURAS 4A e 4B atendem aos dois requisitos necessários parafuncionamento do rotor 200 tanto em 2 pólos quanto em 4 pólos.

A FIGURA 4A apresenta ímãs sem curvatura enquanto a FIGURA 4B apresentaímãs com curvatura (formato côncavo). É evidente que as duas configurações apresentadasnas FIGURAS 4A e 4B são apenas exemplares e outras configurações de ímãs 300, 310,320, 330 de rotor podem ser apresentadas onde serão atendidos os requisitos necessáriospara funcionamento ideal.

Apesar de a descrição acima se referir a uma modalidade preferida, deve serentendido por aqueles versados na técnica que a presente invenção não está limitada aosdetalhes dos ensinamentos acima.

Deve ser observado que variações, modificações e alterações da invenção aquidescrita são possíveis àqueles versados na técnica, sem fugir do espírito e do escopo dapresente invenção ou equivalentes da mesma, englobadas pelas reivindicações anexas eseus equivalentes.

Claims

1. Motor síncrono e de indução, compreendendo:um estator (100) possuindo enrolamentos de bobina;um rotor (200) possuindo ímãs;o motor sendo adicionalmente CARACTERIZADO pelo fato do rotor com ímãsgerar n pólos, e compreender adicionalmente um estator com enrolamentos de bobinadispostos de modo a permitir a alternância do número de pólos do dito estator através deuma chave, de modo a funcionar em baixa rotação como motor síncrono e em alta rotaçãocomo motor de indução;em que o número de pólos do enrolamento do estator (100) para funcionamentoem baixa rotação como motor síncrono é igual ao número de pólos n do rotor;em que o número de pólos do enrolamento do estator (100) para funcionamentoem alta rotação como motor de indução é um número par e inteiro entre 2 e n-2;em que durante o funcionamento como motor de indução, é utilizado um rotor (200)com razão de saliência (Xd/Xq) próxima a 1.

2. Motor síncrono e de indução, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADO pelo fato de que a dita chave é uma chave eletrônica.

3. Motor síncrono e de indução, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADO pelo fato de que a dita chave é uma chave eletromecânica.

4. Motor síncrono e de indução, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1a 3, CARACTERIZADO pelo fato de que um sistema de controle externo avalia anecessidade de funcionamento em alta ou baixa rotação.

5. Motor síncrono e de indução, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADO pelo fato de que os ímãs (300, 310, 320, 330) do rotor (200) são ímãssem curvatura.

6. Motor síncrono e de indução, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADO pelo fato de que os ímãs (300, 310, 320, 330) do rotor (200) são ímãscôncavos.

7. Motor síncrono e de indução, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADO pelo fato de que os enrolamentos do estator para baixa e alta rotaçãosão independentes.