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Title:
CONTROL DEVICE FOR BRUSHLESS PERMANENT-MAGNET MOTORS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2021/042184
Kind Code:
A1
Abstract:
The present invention patent describes a control device for brushless permanent-magnet motors, pertaining to the field of articles for the generation, conversion or distribution of electrical energy, and more specifically to the branch of dynamo-electric machines, and more specifically the subject matter of the present patent application is a magnetic switching ring (6) with poles with different angular measurements that is coupled coaxially to the shaft of the rotor of a brushless permanent-magnet motor (1) and an electronic control board (7) comprising Hall-effect sensors (11) and one of the switching circuits (15) and (16), in which said electronic control board (7) is coupled to the stator (2) of the motor, and in which the Hall-effect sensors (11) directly control the switching elements as a function of the position of the magnetic switching ring (6).

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Inventors:
SBAMPATO FRANÇA RARO PEDRO HENRIQUE (BR)
MOURTHÉ STARLING PINHEIRO WAGNER (BR)
Application Number:
PCT/BR2019/050357
Publication Date:
March 11, 2021
Filing Date:
September 02, 2019
Export Citation:
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Assignee:
GEMBRAP GERADORES DE ENERGIA E MOTORES BRASILEIROS DE ALTA PERFORMANCE S A (BR)
International Classes:
H02P6/10; H02K29/08; H02P6/06
Foreign References:
US6838848B22005-01-04
US20040056613A12004-03-25
US20040251860A12004-12-16
Attorney, Agent or Firm:
POLLONIO, Perla Nathaly (BR)
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Claims:
REIVINDICAÇÕES:

1- "DISPOSITIVO DE CONTROLE PARA MOTORES DE ÍMÃS PERMANENTES SEM ESCOVAS", caracterizado por ser constituído por um anel magnético de comutação (6), acoplado em coaxial ao eixo do rotor de um motor de imãs permanente sem escovas (1) e por uma placa eletrónica de controle (7) composta por sensores hall (11) e um dos circuitos de chaveamento (15) e (16), sendo que a referida placa eletrónica de controle (7) é acoplada ao estator (2) do motor de imãs permanentes sem escova (1), de forma que os sensores hall (11) fiquem próximos do anel.

2- "DISPOSITIVO DE CONTROLE PARA MOTORES DE ÍMÃS PERMANENTES SEM ESCOVAS" de acordo com a reivindicação 1 caracterizado pelo fato dos polos (13) e (14) do anel de comutação (6) terem medidas angulares distintas de forma a permitir que os sensores Hall (11) não acionem ao mesmo tempo.

3- "DISPOSITIVO DE CONTROLE PARA MOTORES DE ÍMÃS PERMANENTES SEM ESCOVAS" de acordo com a reivindicação 1 caracterizado pelo fato de que o número de sensores de efeito Hall (11) poder variar a partir de um único sensor a depender da aplicação e do número de fases elétricas usadas no motor.

4- "DISPOSITIVO DE CONTROLE PARA MOTORES DE ÍMÃS PERMANENTES SEM ESCOVAS" de acordo com a reivindicação 1 caracterizado pelo fato da quantidade de pares de polos magnéticos (13) e (14) do anel de comutação (6) variar de acordo com a quantidade de polos elétricos usados no estator do motor (2). 5- "DISPOSITIVO DE CONTROLE PARA MOTORES DE ÍMÃS PERMANENTES SEM ESCOVAS" de acordo com a reivindicação 1 caracterizado pelo fato dos elementos chaveadores (CH1), (CH2), (CH3), (CH4), (CH5) e (CH6) da placa eletrónica (7) serem controlados diretamente pelos sensores de efeito Hall (11), sendo que esses são acionados pelo anel de comutação (6).

Description:
DISPOSITIVO DE CONTROLE PARA MOTORES DE ÍMÃS PERMANENTES SEM ESCOVAS

Campo da invenção

[001] A presente patente de invenção tem por objeto um dispositivo de controle para motores de imãs permanentes sem escovas, pertencente ao campo dos artigos para produção, conversão ou distribuição de energia elétrica, mais precisamente ao ramo de máquinas dínamo-elétricas.

[002] Trata-se de um dispositivo de comutação cuja troca de polaridade das bobinas eletromagnéticas é efetuada pela interação de um anel magnético de comutação com polos de medidas angulares distintas fixo no eixo do motor com uma eletrónica de controle no estator.

[003] É ainda, objetivo do presente pedido, apresentar um dispositivo de controle para motores de imãs permanentes sem escovas de baixo custo de fabricação, garantindo assim sua exequibilidade industrial; e que alie eficiência aos requisitos de robustez, segurança e praticidade utilitária, oferecendo assim ao público consumidor, uma opção adicional no mercado.

Estado da técnica

[004] Como é sabido, notadamente por técnicos no assunto, motores elétricos são dispositivos que transformam energia elétrica em mecânica.

[005] Dentre os diversos tipos de motores elétricos, estão os motores de imãs permanentes sem escovas. Nos últimos anos, este tipo de motor conquistou mais espaço no mercado por sua elevada eficiência, baixo ruído, alto torque e estrutura simples de ser fabricada.

Pontos deficientes do estado da técnica [006] Os motores de imãs permanentes sem escovas, entretanto, apresentam elevado grau de complexidade em seu circuito eletrónico de controle. Por usarem rotores de imã permanente, há a necessidade de se efetuar um controle adequado de comutação para garantir o funcionamento do motor. Tendo em vista tudo isso, o circuito eletrónico de controle abarca uma série de elementos como, por exemplo, microcontroladores, processadores de sinais digitais ou circuitos integrados de aplicação específica, o que, além de aumentar a complexidade, acabam também encarecendo a tecnologia. Além disso, estes motores utilizam sensores para detectar o posicionamento angular do rotor de imãs permanentes em relação às bobinas do estator. A detecção é feita utilizando o próprio rotor magnético do motor ou até mesmo anéis de comutação magnéticos, ambos dotados de polos com mesma medida angular para acionar os sensores. Isto significa que o polo norte tem a mesma medida angular que o polo sul.

[007] O elevado custo decorrente da atual tecnologia de controle eletrónico deste tipo de motor introduz uma série de consequências quanto à aplicação desse tipo de motor no mercado. Produtos que podem ser concebidos com motores de desempenho pior, porém, de menor complexidade e custo não cedem espaço a essa tecnologia. Um exemplo disso pode ser observado no mercado de ventilação que, comumente, utiliza-se de motores de indução monofásicos de baixa eficiência. Portanto, a redução de custo em tecnologias de elevada eficiência e fácil exequibilidade são atraentes tanto para a indústria como para os problemas de eficiência energética.

Solução proposta

[008] No intuito de solucionar os problemas de complexidade e custo inerentes à aplicação de motores de imãs permanentes sem escova, foi desenvolvido o objeto da presente patente. Os inventores idealizaram um novo tipo de circuito eletrónico de controle e aparato de comutação de baixo custo que conferem ao motor alta eficiência e redução expressiva de complexidade.

[009] A configuração do equipamento, objeto da presente patente, em sua nova forma construtiva, une a eficiência dos motores sem escovas com um dispositivo magneto- eletrônico de chaveamento/controle de baixo custo que substitui a eletrónica convencional de custo elevado.

[010] Mais especificamente a presente invenção refere-se a um dispositivo de comutação, composto por um circuito elétrico de controle e um anel de comutação magnético com polos com medidas angulares distintas.

[011] O anel de comutação magnético é construído de maneira a, junto com o circuito de controle simplificado, comandar o tempo de comutação das bobinas do motor substituindo a necessidade de uma unidade lógica ou circuitos integrados complexos.

[012] O dispositivo de chaveamento/controle consiste no circuito eletrónico do motor e no anel de comutação com polos de medida angular distinta fixado no eixo do rotor do motor.

[013] Assim, a presente patente foi projetada visando obter um equipamento com menor complexidade e baixo custo, visando alto desempenho.

[014] Seu conceito permite que se obtenha um excelente nível de funcionalidade, oferecendo um dispositivo de controle para motores com acionamento e comutação magneto- eletrônica, que possui durabilidade, tendo sido criado, principalmente, para solucionar o elevado custo dos controles eletrónicos sem comprometer a eficiência do motor.

[015] É de se compreender assim que o equipamento em questão é simples, sendo, portanto, de fácil exequibilidade e baixa complexidade, porém, são obtidos excelentes resultados práticos e funcionais, oferecendo uma construtividade inovadora sobre os produtos conhecidos.

Breve descrição dos desenhos da invenção

[016] A seguir, para melhor entendimento e compreensão de como se constitui o "DISPOSITIVO DE CONTROLE PARA MOTORES DE ÍMÃS PERMANENTES SEM ESCOVAS", que aqui se pleiteia, apresentam-se os desenhos ilustrativos anexos, onde se vê:

[017] A FIG. 1 - Mostra uma vista em perspectiva isométrica de um motor montado com o "DISPOSITIVO DE CONTROLE PARA MOTORES DE ÍMÃS PERMANENTES SEM ESCOVAS".

[018] A FIG. 2 - Mostra uma vista isométrica do conjunto eixo, anel de comutação e placa eletrónica em que os dois últimos integram o "DISPOSITIVO DE CONTROLE PARA MOTORES DE ÍMÃS PERMANENTES SEM ESCOVAS".

[019] A FIG. 3 - Mostra uma vista em perspectiva de um motor montado com o "DISPOSITIVO DE CONTROLE PARA MOTORES DE ÍMÃS PERMANENTES SEM ESCOVAS".

[020] A FIG. 4 - Representa o diagrama do "DISPOSITIVO DE CONTROLE PARA MOTORES DE ÍMÃS PERMANENTES SEM ESCOVAS" de uma fase em que os sensores de efeito Hall são representados por (S1) e (S2), As fontes de tensão elétrica do dispositivo são representadas por (DC1) e (DC2), os elementos chaveadores acionados pelos sensores de efeito Hall são representados por (CH1) e (CH2) e a bobina é representada por (B1).

[021] A FIG. 5 - Representa o diagrama do "DISPOSITIVO DE CONTROLE PARA MOTORES DE ÍMÃS PERMANENTES SEM ESCOVAS" de uma fase em que os sensores de efeito Hall são representados por (S3) e (S4), A fonte de tensão elétrica do dispositivo é representada por (DC3), os elementos chaveadores acionados pelos sensores de efeito Hall são representados por (CH3), (CH4), (CH5) e (CH6) e a bobina é representada por (B2).

[022] A FIG. 6 - Mostra uma vista superior do anel de comutação, seus polos magnéticos em setores circulares (13) e (14), os ângulos específicos de cada polo, respectivamente, (Q e (q 2 ), os sensores de efeito Hall (11) e o ângulo de separação (a) entre os sensores de efeito Hall.

[023] A FIG. 7 - Representa o sequenciamento dinâmico do dispositivo que compreende anel de comutação (6) e sensores de efeito Hall (11) enquanto o anel está girando relativamente aos sensores. Esse sequenciamento é separado em quatro estágios ditos Έ1", "E2", "E3" e "E4".

[024] A FIG. 8 - Mostra um gráfico do comportamento dos sensores de efeito Hall (11) em função da posição angular do anel de comutação. A largura dos intervalos e descrita por q ^ Q 2 e ai, que são, respectivamente, largura dos polos (13) e (14) e a largura do intervalo em que ambos os sensores se encontram desligados. O gráfico de linha contínua representa o sensor 1 e o gráfico de linha tracejada representa o sensor 2.

[025] A FIG. 9 - Mostra um gráfico do comportamento de sensores de efeito Hall (11) em função da posição angular do anel de comutação. A largura dos intervalos e descrita por Q -i, q 2 , <¾ e a 4 que são, respectivamente, largura dos polos magnéticos do anel de comutação e a largura do intervalo em que os sensores se encontram desligados. O gráfico de linha contínua (10) representa o sensor 1, o gráfico de linha tracejada (10A) representa o sensor 2 e o gráfico de linha tracejada e pontilhada (10B) representa o sensor 3.

Descrição detalhada da invenção

[026] De conformidade com o quanto ilustram as figuras acima relacionadas, o "DISPOSITIVO DE CONTROLE PARA MOTORES DE ÍMÃS PERMANENTES SEM ESCOVAS", objeto da presente patente, é constituído de um anel de comutação de imãs permanentes (6) com polos Norte (13) e Sul (14) de medida angular distinta; e uma placa eletrónica de controle (7) com sensores Hall (11) e um circuito de chaveamento (15) e (16), que realiza o controle de um motor de imãs permanentes sem escovas monofásico sem a necessidade de microcontroladores, circuitos integrados de aplicação específica ou qualquer outro componente eletrónico complexo de alto custo.

[027] O número de sensores de efeito Hall (11) pode variar a partir de um único sensor a depender da aplicação e do número de fases elétricas usadas no motor. A quantidade de polos magnéticos (13) e (14) do anel de comutação (6) varia de acordo com a quantidade de polos elétricos usados no estator (2) do motor.

[028] As figuras FIG. 1 e FIG. 3 apresentam o motor (1) com mancais (5), estator (2), eixo (4), suporte para a placa (8), parafusos (3) e anel de comutação (6).

[029] As figuras FIG. 4 e FIG. 5 mostram dois circuitos inversores (15) e (16) para motores sem escovas monofásicos cujos elementos chaveadores são controlados diretamente pelos sensores de efeito Hall (11), sendo que esses são acionados pelo anel de comutação (6).

[030] A FIG. 4 mostra um circuito de meia- ponte inversora (15), com duas chaves acionadas (CH1) e (CH2) pelos sensores de efeito Hall (S1) e (S2) e duas fontes de tensão (DC1) e (DC2). A FIG. 5 mostra um circuito de ponte inversora completa (16) com quatro chaves (CH3), (CH4), (CH5) e (CH6) acionadas pelos sensores de efeito Hall (S3) e (S4) e uma fonte de tensão (DC3). Ambos os circuitos podem ser usados na placa eletrónica de controle (7) do "DISPOSITIVO DE CONTROLE PARA MOTORES DE ÍMÃS PERMANENTES SEM ESCOVAS" monofásico.

[031] É imprescindível que os pares de sensores de efeito Hall (S1) e (S2) ou (S3) e (S4) não sejam acionados simultaneamente, pois isto resultaria em curto-circuito entre as chaves (CH1) e (CH2) no circuito (15), (CH3) e (CH5) no circuito (16) ou (CH4) e (CH6) no circuito (16).

[032] O anel de comutação (6), que controla os sensores de efeito Hall (11), é construído de maneira a garantir que os dois sensores presentes em um mesmo circuito não sejam acionados simultaneamente.

[033] A FIG. 6 mostra os detalhes do anel de comutação (6) que ativa os sensores de efeito hall (11). Dito anel de comutação (6) é um disco rígido com polos magnéticos que faceiam os sensores de efeito Hall (11). Os polos magnéticos (13) e (14) do anel de comutação devem ser distribuídos de forma a alternar o estado dos sensores de efeito hall (11), garantindo sempre que quando um deles estiver ligado o outro esteja necessariamente desligado. Para isso, o anel de comutação (6) deve conter polos magnéticos (13) e (14) de medidas angulares diferentes, com o polo que ativa (14) os sensores sendo menor que o polo (13) que os desativa.

[034] As figuras FIG. 7 e FIG. 8 mostram, respectivamente, os estágios de interação na rotação relativa do anel comutador (6) em relação aos sensores de efeito hall (11) e o gráfico do comportamento de funcionamento dos sensores nessa interação. Quando o motor é ligado um dos sensores hall é imediatamente ligado pelo anel de comutação enquanto o outro permanece desligado como indica o "estágio 1". Consequentemente, o rotor deve girar. Por um tempo curto ambos os sensores são desligados como indicado no "estágio 2", porém, por inércia, o motor continua girando até atingir o "estágio 3" em que o sensor anteriormente desligado no "estágio 1", liga, e o anteriormente ligado no "estágio 1", desliga. Após isso, ambos os sensores são desligados dando fim ao ciclo como indicado no "estágio 4".

[035] A FIG. 9 mostra um gráfico do exemplo de aplicação em um motor com mais sensores de efeito Hall e mais fases alimentando o motor. Os magnetos do anel de comutação devem ter comprimentos específicos, podendo variar para atender essa necessidade de acordo com o número de polos do estator do motor.

[036] É certo que quando o presente invento for colocado em prática, poderão ser introduzidas modificações no que se refere a certos detalhes de construção e forma, sem que isso implique afastar-se dos princípios fundamentais que estão claramente substanciados no quadro reivindicatório, ficando assim entendido que a terminologia empregada teve a finalidade de descrição e não de limitação.