BR102016023076B1

BR102016023076B1 - Laminação de estator, conjunto e máquina elétrica

Info

Publication number: BR102016023076B1
Application number: BR102016023076-4A
Authority: BR
Inventors: Steven Joseph Galioto; Ayman Mohamed Fawzi El-Refaie
Original assignee: General Electric Company
Priority date: 2015-10-05
Filing date: 2016-10-04
Publication date: 2022-11-01
Also published as: JP2017073964A; CN106849403A; JP7102092B2; KR102579577B1; EP3154154B1; CN106849403B; BR102016023076A2; BR102016023076B8; KR20170040756A; EP3154154A1

Abstract

LAMINAÇÃO DE ESTATOR, CONJUNTO E MÁQUINA ELÉTRICA. Trata-se de uma laminação de estator (10) para uma máquina elétrica que tem uma laminação circular (12) com um furo anular (14) através da mesma; fendas de enrolamento (20) através da mesma; e, fechamentos de fenda (30) dispostos de modo adjacente às fendas de enrolamento (20). A laminação de estator (10) é formada de um material de fase magnética dupla, de modo que a propriedade magnética da laminação (10) possa ter um primeiro estado e uma propriedade magnética em um segundo estado, em que o segundo estado é diferente do primeiro estado. As regiões de fechamentos de fenda (30) são tratadas de modo a transitarem para o segundo estado. Um método de fabricação de um componente de máquina elétrica também é revelado.

Description

REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDOS RELACIONADOS

[001] Este pedido de patente de continuação-em-parte (C.I.P.) reivindica a prioridade sobre a data de depósito de 28 de fevereiro de 2013 do pedido de patente no U.S. de série 13/780.773, intitulado: DUAL MAGNETIC PHASE STATOR LAMINATIONS FOR STATOR PERMANENT MAGNET ELECTRIC MACHINES (no de documento do procurador 263233-1). Este pedido de C.I.P. também reivindica a prioridade sobre a data de depósito de 29 de março de 2013 do pedido de patente no U.S. de série 13/853.122, intitulado: DUAL MAGNETIC PHASE ROTOR LAMINATIONS FOR INDUCTION MACHINES (no de documento do procurador 264829-2) que, por sua vez, reivindica a prioridade sobre a data de depósito de 14 de março de 2013 do pedido de patente no U.S. de série 61/785.020, intitulado: DUAL MAGNETIC PHASE ROTOR LAMINATIONS FOR INDUCTION MACHINES (no de documento do procurador 264829-1). O conteúdo de todos é incorporado no presente documento a título de referência em sua totalidade.

DIREITOS DE LICENCIAMENTO GOVERNAMENTAIS

[002] A invenção foi realizada com suporte do governo sob o número de contrato DE-EE0005573 outorgado pelo Departamento de energia dos Estados Unidos. O Governo tem determinados direitos sobre a invenção.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[003] A presente invenção refere-se, de modo geral, a componentes de máquina elétrica e, mais particularmente, a uma laminação de estator de máquina elétrica que tem um material magnético de fase dupla.

[004] Com certas aplicações de máquina elétrica, o rotor da máquina gira em uma velocidade de ponta alta. Em algumas aplicações, a lacuna entre o rotor e o estator é preenchida com um gás ou um fluido, diferente de ar. Como resultado, uma grande quantidade de perda mecânica pode ser criada pelo atrito causado pelo vento ou turbulência do fluido e/ou do gás dentro da lacuna de ar entre o rotor e o estator.

[005] Essa turbulência na lacuna entre rotor e estator pode ser mitigada fornecendo-se uma superfície lisa na superfície de núcleo interior do estator e/ou na superfície exterior do rotor. Desafios em relação à fabricação permanecem com a instalação de cunhas nos fechamentos de fenda. As cunhas ocasionam uma superfície de estator interior não lisa.

[006] O uso de cunhas de fenda, dependendo do material, pode exacerbar a reatância de vazamento de fenda. A laminação pode ser produzida a partir de uma peça contínua de material em que a área no topo da fenda é “fechada” com material de laminação magnético. Embora esse projeto forneça um furo de estator mais liso, o mesmo leva a uma reatância de vazamento aumentada em comparação a um projeto de fenda “aberta”. A reatância de vazamento pode limitar a capacidade de potência de alta velocidade de máquinas elétricas. A reatância de vazamento também pode levar a um fator de potência baixo na máquina elétrica.

[007] Em algumas máquinas elétricas, os dentes de estator são formados a partir de componentes separados em vez de uma peça monolítica contínua. Os enrolamentos de estator são enrolados em torno de dentes separados de um modo concentrado e, então, instalados no estator para formar um núcleo de estator que não tem aberturas de fenda remanescentes no topo da fenda. Esse método sofre de complexidade de fabricação visto que o mesmo é limitado ao uso com enrolamentos concentrados.

[008] Consequentemente, há uma necessidade permanente de se aprimorar o projeto, desempenho e fabricabilidade de componentes de máquina elétrica.

BREVE DESCRIÇÃO

[009] A presente invenção supera pelo menos some algumas das desvantagens mencionadas acima através do fornecimento de uma laminação de estator de máquina elétrica que tem um material magnético de fase dupla e um método de fabricação. Mais especificamente, a presente invenção é direcionada ao fornecimento de uma laminação de estator para uso em um estator de uma máquina elétrica que oferece uma máquina elétrica mais leve que pode obter uma velocidade mais alta, tem alta eficiência e um fato de potência aprimorado com volume, massa e custo de fabricação e complexidade reduzidos.

[010] De acordo com um aspecto da invenção, uma laminação de estator para uma máquina elétrica compreende: uma laminação anular que tem um furo circular através da mesma; uma pluralidade de fendas de enrolamento através da mesma; e uma pluralidade de fechamentos de fenda dispostos de modo adjacente à pluralidade de fendas de enrolamento, em que a laminação de estator é formada a partir de um material de fase magnética dupla, sendo que o material de fase magnética dupla tem uma propriedade magnética em um primeiro estado e uma propriedade magnética em um segundo estado, em que a propriedade magnética no segundo estado é diferente do primeiro estado, em que, adicionalmente, a pluralidade de fechamentos de fenda é tratada de modo a transitar para o segundo estado.

[011] De acordo com outro aspecto da presente invenção, há um método de fabricação de um componente de máquina elétrica, sendo que o método compreende: fornecer uma laminação de estator que tem um furo circular através da mesma, em que a laminação de estator é formada a partir de um material de fase magnética dupla, em que a laminação de estator inclui uma pluralidade de fendas de enrolamento fechadas dispostos em torno do furo circular, em que, adicionalmente, o material de fase magnética dupla tem uma propriedade magnética em um primeiro estado e uma propriedade magnética em um segundo estado, em que a propriedade magnética no primeiro estado é diferente do segundo estado; e converter uma pluralidade de localizações predeterminadas na laminação de estator do primeiro estado para o segundo estado, em que a pluralidade de localizações predeterminadas se encontram em uma região entre um topo da fenda de enrolamento fechada e uma superfície de borda de furo do furo circular.

[012] Vários outros recursos e vantagens da presente invenção se tornarão aparentes a partir da descrição detalhada e dos desenhos a seguir.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[013] Os desenhos ilustram uma realização presentemente contemplada para se realizar a invenção.

[014] A Figura 1 é um gráfico x-y que compara intensidade de campo magnético (eixo x) à densidade de fluxo (eixo y) para materiais magnéticos de fase dupla exemplificadores.

[015] A Figura 2 é uma vista de topo de uma laminação de estator, de acordo com uma realização da presente invenção.

[016] A Figura 3 é uma vista de topo aproximada de uma porção da laminação de estator da Figura 2.

[017] A Figura 4 é uma vista de topo aproximada de uma porção da laminação de estator da Figura 3.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[018] A menos que seja definido de outro modo, termos técnicos e científicos usados no presente documento têm os mesmos significados conforme é comumente compreendido por um indivíduo de habilidade comum na técnica em relação à matéria presentemente revelada. Os termos “primeiro”, “segundo” e semelhantes, conforme usados no presente documento, não denotam qualquer ordem, quantidade ou importância, mas sim, são usados para distinguir um elemento de outro. Os termos “um”, “uma”, “o” e “a” não denotam uma limitação de quantidade, mas, em vez disso, denotam a presença de pelo menos um dos itens referenciados, e os termos “frontal”, “posterior”, “de fundo” e/ou “de topo”, a menos que seja especificado de outro modo, são usados apenas por propósitos de conveniência de descrição, e não são limitados a qualquer uma posição ou orientação espacial.

[019] Se faixas forem reveladas, os pontos de extremidade de todas as fixas direcionadas ao mesmo componente ou propriedade são inclusivos e independentemente combináveis (por exemplo, as faixas de “até cerca de 25% em peso”, são inclusivas dos pontos de extremidade e de todos os valores intermediários das faixas de “cerca de 5% em peso a cerca de 25% em peso”, etc.). O modificador “cerca de” usado em conexão com uma quantidade é inclusivo do valor declarado e tem o significado declarado pelo contexto (por exemplo, o mesmo inclui o grau de erro associado à medição da quantidade particular). Consequentemente, o valor modificado pelo termo “cerca de” não é necessariamente limitado apenas ao valor preciso especificado.

[020] Foi mostrado que os aspectos da presente invenção oferecem vantagens sobre o projeto de componentes de estator de máquina elétrica anteriores através da demonstração de benefícios de desempenho de reatância de vazamento reduzida. Os aspectos fornecem um método de controle da indutância de vazamento e dos harmônicos de fenda de força magnetomotriz (MMF) produzidos pelas aberturas de fendas ou pelo espaço entre os dentes de ferro do estator da máquina elétrica. Por fim, o aprimoramento em capacidade de potência e fator de potência da máquina elétrica foi demonstrado.

[021] Referindo-se à Figura 1, um gráfico x-y que compara a intensidade de campo magnético (H em amps/metro), no eixo x, à densidade de fluxo (B em tesla), no eixo y, é ilustrado como 100. Conforme ilustrado, as propriedades magnéticas de alguns materiais exemplificadores são mostradas. Conforme o lado esquerdo do gráfico mostra, a permeabilidade inicial é a inclinação da curva e pode variar dependendo dos atributos do material. A curva para um material aproxima assintoticamente a densidade de fluxo de saturação (isto é, próximo à horizontal). Conforme mostrado, a densidade de fluxo de saturação pode acontecer em diferentes níveis, dependendo das propriedades do material. Além disso, os materiais que têm inclinações verticais mais íngremes (isto é, permeabilidade magnética mais alta) e porções horizontais maiores (isto é, densidade de fluxo de saturação mais alta) geralmente são mais magnéticos.

[022] Os aspectos da presente invenção usam materiais que têm propriedades de fase magnética dupla. Os materiais de fase magnética dupla, ou de fase dupla, incluem materiais que passa por uma alteração de fase através da nitruração em alta temperatura e materiais que passam por uma alteração de fase através de tratamento térmico local (por exemplo, por meio de laser). Esses materiais têm capacidade para passar por uma alteração em propriedades magnéticas de um primeiro estado para um segundo estado, em que os dois estados têm propriedades magnéticas diferentes. Ou seja, a permeabilidade magnética, a densidade de fluxo de saturação e/ou o nível de magnetismo é alterado do primeiro estado para o segundo estado. Esses materiais de fase magnética dupla têm a capacidade de ter dois (ou mais) estados coexistirem no mesmo componente. Além disso, o padrão ou magnético ou não magnético (ou regiões de níveis de magnetização diferentes) pode ser especificado por um projetista de máquina e “registrado” no componente durante a fabricação. Embora os materiais de fase magnética dupla possam transitar de substancialmente magnéticos para substancialmente não magnético, os materiais não são apenas "binários" em seu padrão transicional entre estados de magnetismo. Ou seja, dependendo da maneira em que transitam, os materiais podem ter suas propriedades magnéticas muito ou ligeiramente alteradas, ou em qualquer outra quantidade.

[023] Por exemplo, referindo-se novamente à Figura 1, as propriedades de fase magnética dupla podem ser transitadas de modo a mover para praticamente qualquer curvatura (por exemplo, permeabilidade inicial inclinação, densidade de fluxo de saturação, etc.) no gráfico. De modo semelhante, dependendo do formato e da configuração de um componente produzido com material de fase magnética dupla e da transição a qual o material foi submetido, diferentes localizações no componente podem ter diferentes propriedades magnéticas. Por exemplo, as propriedades magnéticas de dois materiais exemplificadores são mostradas em 110 e 120, em que o material em 110 é mais magnético que o material em 120. No caso de um material de fase magnética dupla, a título de exemplo e não de limitação, a propriedade magnética em uma (ou mais) região pode ser alterada de, por exemplo, aquela em 110 para aquela em 120 através da transição do material de fase magnética dupla.

[024] Referindo-se, agora, à Figura 2, uma vista de topo de uma laminação de estator para uma máquina elétrica é ilustrada. A laminação de estator, indicada com um 10, é construída, pelo menos parcialmente, a partir de um material que tem uma propriedade de fase magnética dupla. Conforme discutido, o material de fase magnética dupla inclui uma capacidade para ter propriedades magnéticas em um primeiro estado e para ter suas propriedades magnéticas transitadas para um segundo estado que é diferente do primeiro estado. O material pode ser transitado para um terceiro estado, ou outros estados, que são também diferentes do primeiro estado e do segundo estado em relação a suas propriedades magnéticas. O material pode ser transitado ou convertido por meio de qualquer método adequado, que inclui nitruração, tratamento térmico e semelhantes.

[025] A laminação de estator 10 é configurada para ter um furo circular 14 através da mesma de modo a definir uma superfície de borda de furo 16 que é adjacente ao furo circular 14. A face de laminação 12 inclui uma pluralidade de fendas de enrolamento 20 disposta em torno do furo 14. A laminação de estator 10 é uma peça monolítica produzida a partir de uma única peça de material de fase magnética dupla.

[026] Referindo-se coletivamente tanto à Figura 2 quanto à vista aproximada na Figura 3, as fendas de enrolamento 20 são fechadas, em que um fechamento de fenda 30 é disposto entre a fenda de enrolamento 20 e a superfície de borda de furo 16. Os fechamentos de fenda 30 são produzidos a partir do mesmo material que o saldo da face de laminação 12. Devido ao fato dos fechamentos de fenda 30 e da face de laminação 12 serem monolíticos, não há bordas ou alterações em curvatura na superfície de borda de furo 16. Não há a necessidade de cunhas. Portanto, a superfície de borda de furo 16 da face de laminação 12 tem uma superfície substancialmente lisa. São dispostos entre as fendas de enrolamento dentes de estator 24. Uma pluralidade de enrolamentos 22 é disposta na pluralidade de fendas de enrolamento 20. Os enrolamentos 22 podem ser qualquer tipo adequado de enrolamentos, incluindo enrolamentos distribuídos, enrolamentos concentrados em dente e semelhantes.

[027] Uma localização predeterminada 32 na área do topo da fenda de enrolamento 20 e/ou do fechamento de fenda 30 é tratada de modo a converter o material para um segundo estado a partir de um primeiro estado, em que o segundo estado é diferente do primeiro estado. No segundo estado, a localização predeterminada 32 pode ser não magnética e/ou menos magnética, de permeabilidade magnética e/ou densidade de fluxo de saturação menor que o primeiro estado. Ou seja, a permeabilidade relativa das localizações predeterminadas 32 é menor que o saldo da laminação 12 (isto é, no primeiro estado).

[028] Em realizações, a pluralidade de localizações predeterminadas 32 pode ser dividida em séries. Ou seja, todas as localizações predeterminadas 32 não precisam ser convertidas de um modo semelhante (isto é, todas convertidas de um primeiro estado para um segundo estado). Por exemplo, as localizações predeterminadas 32 podem ser divididas em duas (ou mais) séries: uma primeira série e uma segunda série. Então, a primeira série de localizações predeterminadas 32 pode ser convertida em um segundo estado e a segunda série de localizações predeterminadas 32 pode ser convertida em uma terceira série, em que o segundo estado e o terceiro estado têm propriedades magnéticas diferentes um do outro e diferentes do primeiro estado. Como um exemplo dessas realizações, fechamentos de fenda alternantes 30 em torno da superfície de borda de furo 16 poderiam ter propriedades de terceiro estado lado a lado com fechamentos de fenda 30 que têm propriedades de segundo estado.

[029] Referindo-se à Figura de aproximação 4, duas fendas de enrolamento 20 são mostradas com enrolamentos 22 nas mesmas. Conforme essa realização específica ilustra, a região de fechamento de fenda 30 foi transformada em um segundo (ou terceiro) estado de magnetismo para ser não magnética ou menos magnética que as outras porções da laminação 12 que se encontram em um primeiro estado de magnetismo. A largura de uma primeira região predeterminada 32A de um fechamento de fenda 30 é mais larga que a largura da fenda de enrolamento 20. De modo oposto, a largura de uma segunda região predeterminada 32B de um fechamento de fenda 30 é mais estreita que a largura da fenda de enrolamento 20. De modo semelhante, a propriedade magnética da primeira região predeterminada 32A pode ter a mesma propriedade magnética que a segunda região predeterminada 32B (isto é, ambas em um segundo estado). Alternativamente, a propriedade magnética da primeira região predeterminada 32A pode ser diferente da propriedade magnética da segunda região predeterminada 32B de modo que suas propriedades magnéticas estejam em um segundo estado e um terceiro estado, respectivamente. Em ainda outra realização, a propriedade magnética da primeira região predeterminada 32A pode permanecer inalterada da propriedade magnética do saldo da laminação 12 (isto é, o primeiro estado), enquanto que apenas a propriedade magnética da segunda região predeterminada 32B é alterada para um segundo estado. Claramente, várias alterações em propriedade magnética, incluindo estado, localização, distribuição, tamanho e semelhantes, podem ser dispostas de acordo com a presente invenção.

[030] Uma pluralidade de laminações de estator 10 pode ser empilhada de modo a definir um estator (não mostrado). De modo semelhante, um rotor (não mostrado) pode ser disposto de modo giratório dentro do furo de estator 14 do estator, definindo, desse modo, uma máquina elétrica (não mostrada).

[031] Embora as realizações mostradas nas Figuras 2 a 4 ilustrem uma certa configuração de fenda 20 e dente, outras configurações são possíveis. Por exemplo, as fendas podem ser paralelas ou não paralelas. De modo semelhante, os dentes de estator podem ser paralelos ou não paralelos.

[032] As realizações ilustradas e descritas no presente documento podem ser usadas para uma variedade de tipos de máquina elétrica. Por exemplo, máquinas elétricas que podem se beneficiar incluem imã permanente (PM), máquina de relutância permutada (SRM), máquina de relutância sincronizada, máquina de indutância (IM), máquina sincronizada de campo bobinado e semelhantes.

[033] Portanto, de acordo com uma realização da presente invenção, uma laminação de estator para uma máquina elétrica compreende: uma laminação anular que tem um furo circular através da mesma; uma pluralidade de fendas de enrolamento através da mesma; e uma pluralidade de fechamentos de fenda dispostos de modo adjacente à pluralidade de fendas de enrolamento, em que a laminação de estator é formada a partir de um material de fase magnética dupla, sendo que o material de fase magnética dupla tem uma propriedade magnética em um primeiro estado e uma propriedade magnética em um segundo estado, em que a propriedade magnética no segundo estado é diferente do primeiro estado, em que, adicionalmente, a pluralidade de fechamentos de fenda é tratada de modo a transitar para o segundo estado.

[034] De acordo com outra realização da presente invenção, há um método de fabricação de um componente de máquina elétrica, sendo que o método compreende: fornecer uma laminação de estator que tem um furo circular através da mesma, em que a laminação de estator é formada a partir de um material de fase magnética dupla, em que a laminação de estator inclui uma pluralidade de fendas de enrolamento fechadas dispostos em torno do furo circular, em que, adicionalmente, o material de fase magnética dupla tem uma propriedade magnética em um primeiro estado e uma propriedade magnética em um segundo estado, em que a propriedade magnética no primeiro estado é diferente do segundo estado; e converter uma pluralidade de localizações predeterminadas na laminação de estator do primeiro estado para o segundo estado, em que a pluralidade de localizações predeterminadas se encontram em uma região entre um topo da fenda de enrolamento fechada e uma superfície de borda de furo do furo circular.

[035] A presente invenção foi descrita em termos da realização preferencial, e reconhece-se que equivalentes, alternativos e modificações, além daquelas expressamente citadas, são possíveis e estão dentro do escopo das reivindicações anexas. LISTA DE COMPONENTES 10 laminação de estator 12 face de laminação 14 furo 16 superfície de borda de furo 20 fendas de enrolamento 22 enrolamentos 24 dente de estator 30 fechamento de fenda 32 localização predeterminada 100 gráfico x-y 110 mais curva magnética 120 menos curva magnética

Claims

1. LAMINAÇÃO DE ESTATOR (10) para uma máquina elétrica, compreendendo: uma face de laminação anular (12) que tem um furo circular (14) através da mesma; o furo (14) tendo uma superfície de borda (16) lisa; uma pluralidade de fendas de enrolamento (20) através da mesma, disposta em torno do furo (14); e uma pluralidade de fechamentos de fenda (30) disposta de modo adjacente à pluralidade de fendas de enrolamento (20), entre a pluralidade de fendas de enrolamento (20) e a superfície de borda (16); em que a laminação de estator (10) é formada a partir de um material de fase magnética dupla e é uma peça monolítica produzida a partir de uma única peça de material de fase magnética, o material de fase magnética podendo transitar de um primeiro estado de magnetismo, o primeiro estado de magnetismo tendo uma propriedade magnética, para um segundo estado de magnetismo, o segundo estado de magnetismo tendo uma propriedade magnética; em que a propriedade magnética no segundo estado de magnetismo é diferente da propriedade magnética do primeiro estado de magnetismo, o material de fase magnética no segundo estado de magnetismo sendo não magnético ou menos magnético que o material de fase magnética no primeiro estado de magnetismo, caracterizada pela pluralidade de fechamentos de fenda (30) compreender ainda uma primeira série, uma segunda série e uma terceira série de fechamentos de fenda (30), em que a primeira série de fechamentos de fenda (30) é tratada de modo a transitar para o segundo estado de magnetismo e a segunda série de fechamentos de fenda (30) permanece no primeiro estado de magnetismo, e em que a terceira série de fechamentos de fenda (30) é tratada de modo a transitar para um terceiro estado de magnetismo, em que uma propriedade magnética do terceiro estado de magnetismo é diferente da propriedade magnética do primeiro estado de magnetismo e do segundo estado de magnetismo; o material de fase magnética no terceiro estado de magnetismo sendo não magnético ou menos magnético que o material de fase magnética no primeiro estado de magnetismo, em que a propriedade magnética de uma primeira região predeterminada (32A) de um da pluralidade de fechamentos de fenda (30), a primeira região predeterminada (32A) sendo mais larga do que a largura da respectiva fenda de enrolamento (20), é diferente da propriedade magnética de uma segunda região predeterminada (32B) de um da pluralidade de fechamentos de fenda (30), a segunda região predeterminada (32B) sendo mais estreita do que a largura da respectiva fenda de enrolamento (20).

2. LAMINAÇÃO DE ESTATOR (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pela propriedade magnética compreender permeabilidade magnética; em que a permeabilidade magnética é menor no segundo estado de magnetismo do que no primeiro estado de magnetismo.

3. LAMINAÇÃO DE ESTATOR (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pela propriedade magnética compreender densidade de fluxo de saturação, e a densidade de fluxo de saturação é menor no segundo estado de magnetismo do que no primeiro estado de magnetismo.

4. LAMINAÇÃO DE ESTATOR (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo segundo estado de magnetismo ser não magnético.

5. CONJUNTO, caracterizado por compreender uma pluralidade de laminações de estator (10), conforme definido na reivindicação 1, empilhadas de modo a definir um estator; e uma pluralidade de enrolamentos (22) disposta na pluralidade de fendas de enrolamento (20).

6. MÁQUINA ELÉTRICA, caracterizada por compreender um conjunto, conforme definido na reivindicação 5; e um rotor disposto de modo giratório dentro do estator.