CAMPO DA INVENÇÃO

A presente patente de invenção refere-se a uma carcaça para máquinas elétricas girantes, preferencialmente para máquinas do tipo aberta à prova de pingos dotada de aletas dispostas em seu interior, de forma a aumentar a troca térmica do estator e carcaça com um fluido de resfriamento, mantendo uma distribuição de temperatura uniforme ao longo do comprimento do estator e das bobinas.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

Em máquinas elétricas girantes, a presença de um sistema de troca térmica eficiente é fundamental para manutenção da temperatura dos componentes da máquina elétrica girante dentro das condições nominais de operação especificadas pelo projeto. Embora as máquinas elétricas girantes operem com níveis elevados de rendimento, uma parcela da energia elétrica ao ser convertida em energia mecânica, ou vice-versa, acaba se transformando em energia térmica.

A remoção da energia térmica em uma máquina elétrica girante do tipo aberta à prova de pingos, do termo inglês open drip-proof (ODP) , é realizada de forma direta, ou seja, através do contato direto de um fluido de resfriamento (usualmente ar) com os componentes da máquina, principalmente cabeças de bobina, estator, rotor e anéis de curto-circuito, pois são nesses componentes que ocorre o processo de conversão de energia elétrica em energia térmica. O principal mecanismo físico pelo qual ocorre a migração da energia térmica dos componentes da máquina para o fluido de resfriamento é denominado de convecção forçada e depende basicamente da superfície em contato com o fluido de resfriamento e da velocidade desse fluido sobre a superfície, sendo possível obter diferentes combinações desses dois parâmetros que resultem no mesmo coeficiente de troca térmica.

DESCRIÇÃO DO ESTADO DA TÉCNICA

A vida útil de uma máquina elétrica girante está diretamente relacionada ao aspecto térmico, uma vez que quanto menor a temperatura, maior o tempo de vida do sistema de isolamento elétrico dessa máquina. A remoção da energia térmica do interior da máquina elétrica é realizada principalmente pelo mecanismo de convecção forçada, que de forma sucinta consiste em incrementar a velocidade do fluido de resfriamento sobre os componentes da máquina onde ocorre a conversão de energia elétrica em térmica, de forma a remover a maior quantidade de energia térmica possível. No entanto, dada a uma série de características construtivas da máquina elétrica girante e das propriedades do fluido de resfriamento, existe um limite de energia térmica que pode ser removido pelo mecanismo de convecção forçada de uma superfície, sendo que a partir desse limite o incremento do escoamento do fluido de resfriamento tem seu efeito minimizado ou praticamente nulo. O incremento da velocidade do fluido de resfriamento normalmente é obtido através de um sistema de ventilação, que na maioria das vezes tem o rotor do sistema de ventilação acionado pelo próprio eixo da máquina elétrica girante. A diferença de pressão gerada pelo movimento do rotor do ventilador dá origem ao deslocamento do fluido de resfriamento, sendo que frequentemente esse .movimento tem características turbulentas, gerando um ruído acústico de natureza aerodinâmica, que na maioria dos casos é indesejável. Outra característica comum à maioria das máquinas elétricas girantes é que quanto maior for à potência da máquina, maior é a quantidade de energia térmica gerada e que precisa ser removida. Como consequência, maior é o escoamento de fluido de resfriamento necessário para manter a temperatura dos componentes da máquina elétrica girante dentro de limites desejáveis. No entanto, ao se aumentar o escoamento do fluido de resfriamento também se aumenta o nível de ruído acústico gerado pelo próprio sistema de ventilação da máquina elétrica.

Nas carcaças de máquinas elétricas girantes do tipo aberta à prova de pingos, usualmente utilizam-se poucos pontos de contato entre a carcaça e o estator, sendo que o número de pontos varia entre quatro e dez. No caso da patente US 4,766,337 existem apenas seis pontos. Usualmente, os pontos de contato têm apenas função estrutural, ou seja, sustentar/posicionar o estator dentro da carcaça. Em máquinas elétricas girantes onde a relação do comprimento do estator pelo diâmetro externo do estator excede a 0,5 constata-se, em testes laboratoriais, uma maior elevação de temperatura no centro do estator em relação às extremidades. Esse fato ocorre devido às extremidades do estator possuírem maior área de troca térmica, pois a energia térmica pode ser dissipada pela casca cilíndrica ou pela face do estator.

Ainda considerando a patente US 4766337, a energia térmica contida no estator, independentemente de ter sido gerada ou conduzida para esse, é dissipada basicamente pela superfície da casca cilíndrica do mesmo. O único caminho para o calor ser removido pelo escoamento do fluido de resfriamento que passa entre a carcaça e o diâmetro externo do estator é através da superfície da casca cilíndrica do estator e pela pequena área de contato entre o estator e a carcaça; nesse último caso, através do mecanismo de condução. Para minimizar o problema de variação de temperatura ao longo do comprimento do estator, usualmente recorre-se a canais radiais de ventilação, tanto no estator como no rotor, como pode ser verificado na patente US 4766337. Tal prática resulta em um acréscimo de custo, além de gerar uma complexidade significativa ao processo de produção, seja essa máquina elétrica girante produzida em série ou para atender uma especialidade. Além do aspecto económico, a presença dos dutos radiais também pode resultar no acréscimo do ruído acústico, especialmente nos casos onde ocorre a coincidência dos dutos do rotor com os do estator na direção axial, devido ao fenómeno aerodinâmico denominado ruído por frequência de passagem.

Já na patente de invenção US 4839547 se observa uma carcaça com inúmeros pontos de contato com o estator, dotado de aletas tanto na parte interna quanto em sua parte externa, ao longo de seu comprimento. No entanto, uma desvantagem da carcaça da patente em questão é o fato de o circuito de ventilação ser unilateral e a dita carcaça não contemplar meios que permitam minimizar gradientes de temperatura que ocorrem ao longo do estator .

OBJETIVO DA INVENÇÃO

A presente invenção visa incrementar a remoção da energia térmica do interior de máquinas elétricas girantes do tipo aberta à prova de pingos, através de um aumento no número de pontos de contato entre a carcaça e o estator, com aletas de comprimentos diferenciados propositadamente, que passam a agregar a função de maximizar a área de troca térmica e uniformizar a distribuição de temperatura no interior do estator e das bobinas. Assim, a novidade proposta pela presente invenção está diretamente relacionada à maximização da área interna de troca térmica da carcaça em conjunto com a uniformização da distribuição de temperatura no interior do estator e das bobinas, permitindo dispensar etapas custosas de formação de canais de passagem de ar radiais em estatores e rotores de máquinas elétricas girantes.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

A figura 1 ilustra uma visão em perspectiva da carcaça .

A figura 2 ilustra um corte seccional da carcaça.

A figura 3a ilustra o escoamento do fluido de resfriamento na região entre um estator e a carcaça do estado da técnica obtido via simulação de dinâmica dos fluidos computacional .

A figura 3b ilustra o escoamento do fluido de resfriamento na região entre estator e a carcaça da presente invenção obtido via simulação de dinâmica dos fluidos computacional .

A figura 4a ilustra uma imagem termográfica do motor do estado da técnica.

A figura 4b ilustra uma imagem termográfica do motor da presente invenção.

A figura 5 ilustra uma visão seccionada parcial transversal da carcaça sendo utilizada em uma máquina elétrica girante do tipo motor de indução aberto, com caráter ilustrativo da distribuição do escoamento do fluido de resf iamento.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS FIGURAS

De acordo com as figuras 1 e 2, a carcaça (0) compreende um sistema de aletas de contato (1) distribuídas ao longo da superfície interna da carcaça (0) . Estas aletas (1) possuem tamanhos diferentes, sendo algumas com comprimento igual ao da carcaça, denominadas aletas de contato contínuo (2), outras de comprimento médio, denominadas aletas de contato com comprimento médio (3) , e ainda de pequeno comprimento, denominadas aletas de contato de comprimento curto (4) . A combinação do uso de aletas de contato contínuo (2), aletas de contato de comprimento médio (3) e comprimento curto (4) visam homogeneizar a distribuição de temperatura dentro do estator -(5) e das bobinas (10) . As combinações dos diferentes tamanhos e a quantidade de cada um dos três tipos de aleta podem variar de acordo com as características do projeto da máquina elétrica girante.

As aletas de contato (1) podem apresentar formato em cunha ou similar, e se projetam radialmente ou ortogonalmente, em direção ao estator (5), formando um sistema de dutos (6) por onde o escoamento de ar passará. Nestes dutos (6) torna-se mais fácil manter um nível de velocidade do fluido de resfriamento uniforme, evitando gradientes elevados de velocidade do fluido de resfriamento (como ocorre nos conceitos presentes no estado da técnica que utilizam poucos elementos de contato, cujo escoamento de fluido é apresentado na Figura 3a) . Além disto, devido ao movimento do escoamento do fluido de resfriamento ser produzido pelo rotor de um ventilador (9) , o movimento circular do rotor (não representado) insere no escoamento uma componente radial que tende a direcionar a maior parcela do escoamento do fluido de resfriamento e, consequentemente, a maior componente de velocidade do fluido de resfriamento, para a periferia da carcaça (0) , distante da superfície do estator (5) , conforme pode ser observado na Figura 3a. Na presente invenção, devido ao elevado número e especialmente a disposição dos diferentes tipos de aletas de contato (1) entre o estator (5) e a carcaça (0) , uma parcela da energia térmica (q' ) , Figura 2, é direcionada para a carcaça (0) e posteriormente é transferida para o escoamento do fluido de resfriamento, tirando proveito da velocidade adicional do escoamento localizado na superfície interna da carcaça (0) .

Dada à natureza do sistema de ventilação desse tipo de máquina elétrica girante ser bilateral, ou seja, entrada de ar pelas tampas dianteira (11) e traseira (12) vistos na Figura 5, existe um elemento separador (7) do circuito de ventilação posicionado na região central da carcaça (0) .

Em uma incorporação, de acordo com a figura 1, a superfície interna da carcaça (0) compreende uma pluralidade de aletas de contato (1) dispostas preferencialmente de modo a intercalar a presença de aletas de contato contínuas (2), de médio comprimento (3) e curto comprimento (4) , na região central do estator (5) , o que permite uniformizar a temperatura ao longo do comprimento do estator sem a necessidade de recorrer aos canais radiais de ventilação, que basicamente consistem de subdivisões do pacote de chapas para permitir a passagem do fluido de resfriamento por entre as chapas que forma o estator.

Em uma incorporação, as aletas de contato continuas (2) apresentam comprimento equivalente ao da carcaça (0) , as aletas de médio comprimento (3) correspondem a 2/3 do comprimento total da carcaça (0) e as aletas de pequeno comprimento (4) correspondem a 1/3 do comprimento total da carcaça (0) .

De acordo com a figura 2, a relação da altura (H) pela largura (L) dos dutos que são formados pelas aletas de contato (1), a carcaça (0) e o estator (5) compreendida entre 0,1 e 4,0 são entendidas como preferenciais.

Com base na Figura 3b, pode-se observar que na presente invenção, além da possibilidade da energia térmica (q' ) , Figura 2, ser extraída pela superfície do estator, o aumento da área de contato entre o estator e a carcaça permite a condução da energia térmica para a carcaça, de modo que a mesma seja dissipada pelas laterais dos canais (6) que são formados por toda a superfície interna da carcaça. Adicionalmente, percebe-se que ocorre troca térmica através da superfície externa da carcaça, mas com uma parcela menor do que a trocada pela superfície interna. Situação totalmente contrária às soluções encontradas no estado da técnica (Figura 3a), onde a saída da energia térmica (q' ) do estator (5) ocorre basicamente através casca cilíndrica do estator .

Analisando as imagens termográficas apresentadas na Figura 4a e 4b, torna-se evidente a eficiência e o funcionamento da presente invenção. Na Figura 4a é possível observar a partir de uma imagem termográfica da lateral de uma máquina elétrica girante do tipo aberta à prova de pingos que os maiores níveis de temperatura, e consequentemente da energia térmica, estão localizados e concentrados em dois pontos onde ocorre o contato do estator com a carcaça. Ressalta-se que esse é um exemplo da concepção usualmente adotada para máquinas elétricas girantes do tipo aberta à prova de pingos.

A Figura 4b apresenta uma imagem termográfica obtida a partir de uma máquina elétrica girante do tipo aberta à prova de pingos com as mesmas características de potência e de quantidade de energia térmica da apresentada na Figura 4a. A diferença entre as duas máquinas é que a da Figura 4b utiliza uma carcaça confeccionada de acordo com a presente invenção, onde se pode observar uma distribuição uniforme de temperatura ao longo da região central da carcaça e menores níveis de temperatura, o que comprova o funcionamento e eficiência da presente invenção.