Título da Invenção: "MÁQUINA ELÉTRICA"

CAMPO DA INVENÇÃO

[0001] A presente invenção refere-se a uma máquina elétrica do tipo que compreende um núcleo ativo com componentes que geram calor e um sistema de ventilação para resfriar tal núcleo ativo.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[0002] Máquinas elétricas são largamente conhecidas da técnica e podem compreender tanto motores elétricos quanto geradores elétricos. Uma preocupação comumente associada a esse tipo de máquina é a necessidade de um sistema de ventilação ou refrigeração, ou seja, um sistema capaz de dissipar o calor gerado pela máquina, mantendo sua temperatura interna dentro de limites de operação preestabelecidos.

[0003] A norma técnica IEC 64034-6 padroniza circuitos de ventilação para máquinas elétricas que utilizam refrigeração do tipo IC8xW (IC81 W, IC86W, IC87W, etc). Normalmente, esse tipo de máquina emprega um meio indireto de refrigeração, tal qual um radiador prismático interno.

[0004] Assim, o sistema de refrigeração dessas máquinas do estado da técnica compreende um radiador com aletas alimentado com fluido refrigerante - normalmente água - através de uma conexão de entrada e extraída na outra conexão após refrigerar o ar interno da máquina elétrica.

[0005] O radiador é fixado a uma estrutura chamada de caixa de ventilação, que geralmente possui uma configuração retangular prismática que recebe o radiador mantendo-o estruturalmente estável e protegido. A caixa de ventilação cria também uma câmara adequada para o fluxo do ar interno da máquina elétrica através do radiador.

[0006] O sistema costuma compreender ainda bandejas de coleta de vazamentos, caso exista alguma falha ou furo no radiador. Estas bandejas tem a função de coletar este vazamento quando no início e permitir que este líquido refrigerante seja direcionado de forma segura para fora da máquina elétrica, permitindo a proteção do equipamento e a identificação facilitada da falha. Estas bandejas podem possuir diferentes formatos para permitir o fluxo adequado do ar interno da máquina, mas ainda prover a cobertura total de área de coleta de um eventual vazamento do liquido refrigerante.

[0007] A caixa de ventilação que aloja o radiador é fixada na carcaça da máquina elétrica. O calor gerado pela máquina elétrica é predominantemente gerado pelas perdas do estator e no rotor. Este calor gerado é transferido ao ar interno da máquina elétrica e este ar aquecido ao passar pelo radiador é novamente refrigerado e direcionado as partes quentes da máquina elétrica (estator e rotor), fazendo um ciclo fechado de troca térmica.

[0008] Embora essa solução de ventilação conhecida da técnica seja funcional e largamente utilizada, a caixa de ventilação é um elemento estrutural associado à carcaça da máquina elétrica, o que acaba por aumentar o peso e volume da máquina elétrica. Nesse sentido, a altura e volume da caixa de ventilação dependem diretamente do modo de instalação do radiador e da bandeja de coleta de vazamentos.

[0009] O documento de patente japonês no. JP 2014045606 descreve uma máquina elétrica rotativa que tem uma carcaça e um trocador de calor disposto dentro da carcaça para resfriamento do núcleo de estator. O trocador de calor é disposto em uma porção estendida da carcaça e um trajeto de fluxo é formado por um conjunto de painéis dispostos nessa porção estendida da carcaça. Assim, três grupos de painéis são previstos: um grupo montado acima do estator e abaixo do trocador de calor, um segundo grupo montado entre o estator e um duto de ventilação interno e um terceiro grupo montado na porção superior do trocador de calor.

[0010] Assim, embora a solução desse documento não preveja o uso de uma caixa de ventilação como aquelas conhecidas na técnica, ainda há necessidade de um aumento de volume para montagem dos painéis que formam o trajeto de fluxo, e uma complexidade construtiva ocasionada pela necessidade de criação desse trajeto de fluxo interno.

[0011] O aumento de volume presente nas soluções conhecidas da técnica causa restrições ao projeto da máquina, bem como em sua instalação e conexões. Além disso, o volume adicional das soluções de ventilação conhecidas permanece contribuindo para o aumento de volume e altura do conjunto mesmo quando a máquina não está operando. [0012] Deve ser ressaltado que esse aumento de volume é particularmente desvantajoso quando a máquina elétrica em questão é destinada à instalação em embarcações, onde a disponibilidade de espaço para instalação é restrita.

[0013] Assim, permanece na técnica a necessidade de um sistema de ventilação para máquina elétrica que não apresente os inconvenientes acima citados.

OBJETIVOS DA INVENÇÃO

[0014] É um objetivo da presente invenção proporcionar uma máquina elétrica cujo sistema de ventilação é compacto e eficiente.

[0015] É outro dos objetivos da presente invenção proporcionar uma máquina elétrica cujo sistema de ventilação não necessita de uma caixa de ventilação como elemento estrutural independente.

[0016] É ainda outro dos objetivos da presente invenção proporcionar um sistema de ventilação de máquina elétrica que apresente um volume ainda mais reduzido quando a máquina não está em operação.

BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[0017] A presente invenção atinge os objetivos acima através de uma máquina elétrica compreendendo uma carcaça que aloja um núcleo ativo com componentes que geram calor e um sistema de ventilação compreendendo um radiador para resfriamento dos componentes. A carcaça compreende uma parte central, formada por duas partes laterais, opostas entre si, que definem uma câmara externa ao núcleo ativo da máquina. O radiador é fixado diretamente sobre a parte central, sendo que o sistema de ventilação compreende ainda uma cobertura que cobre o radiador e a parte frontal da carcaça, criando um trajeto de fluxo de ar do núcleo ativo para o radiador. Assim, o fluxo de ar que sai do núcleo ativo para a parte frontal é direcionado ao radiador, atravessa o radiador para resfriamento, passa pela câmara definida pela parte central, é direcionado axialmente para a parte traseira da carcaça, e retorna ao núcleo ativo da máquina.

[0018] Preferencialmente, o radiador é fixado à carcaça em posição horizontal, o núcleo ativo é formado por um estator e um rotor, e sensores de vazamento de fluido refrigerante são previstos na câmara.

[0019] Ainda na concretização preferida, orifícios são previstos para a passagem de fluxo de ar entre a câmara e a parte traseira da carcaça, e um ventilador interno é previsto na parte frontal da carcaça para gerar pressão e velocidade no fluxo de ar e direcioná-lo ao radiador.

[0020] Em uma primeira concretização da invenção, a cobertura é fabricada de um material rígido, como, por exemplo, um material rígido metálico, de fibra ou plástico.

[0021] Entretanto, em uma segunda concretização da invenção, a cobertura é uma cobertura colapsível que é inflada para criação do trajeto de fluxo de ar do núcleo ativo para o radiador quando o sistema de ventilação está em operação.

[0022] Assim, nessa segunda concretização, a cobertura é fabricada de um material flexível selecionado dentre plástico, tecido ou lona.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0023] A presente invenção será descrita a seguir com mais detalhes, com referências aos desenhos anexos, nos quais:

[0024] Figura 1 - é uma vista esquemática lateral do sistema de ventilação de uma máquina elétrica conhecida da técnica anterior;

[0025] Figura 2 - é uma vista esquemática lateral do sistema de ventilação de outra máquina elétrica conhecida da técnica anterior;

[0026] Figura 3 - é uma vista esquemática lateral do sistema de ventilação de ainda outra máquina elétrica conhecida da técnica anterior;

[0027] Figura 4 - é uma vista esquemática lateral da máquina elétrica de acordo com uma primeira concretização da presente invenção;

[0028] Figura 5 - é uma vista esquemática lateral da máquina elétrica de acordo com a primeira concretização da presente invenção, ressaltando uma parte do trajeto de fluxo de ar do sistema de ventilação;

[0029] Figura 6 - é uma vista esquemática lateral da máquina elétrica de acordo com a primeira concretização da presente invenção, ressaltando outra parte do trajeto de fluxo de ar do sistema de ventilação;

[0030] Figura 7 - é uma vista esquemática frontal da ilustração da figura 6;

[0031] Figura 8 - é uma vista esquemática lateral da máquina elétrica de acordo a primeira concretização da presente invenção, ressaltando outra parte do trajeto de fluxo de ar do sistema de ventilação

[0032] Figura 9 - é uma vista esquemática frontal da ilustração da figura 8;

[0033] Figura 10 - é uma vista esquemática em perspectiva explodida da máquina elétrica de acordo com a primeira concretização da presente invenção;

[0034] Figura 11 - é uma vista mostrado a ilustração da figura 12 após um corte transverso frontal;

[0035] Figura 12 - é uma vista esquemática lateral da máquina elétrica de acordo com uma segunda concretização da presente invenção, ressaltando a cobertura flexível em configuração colapsada; e

[0036] Figura 13 - é uma vista esquemática lateral da máquina elétrica de acordo com a segunda concretização da presente invenção, ressaltando a cobertura flexível em configuração inflada.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0037] A presente invenção será descrita a seguir com base em exemplos de uma primeira e uma segunda concretização.

[0038] De modo a subsidiar a correta compreensão da invenção ora descrita, a presente descrição detalhada discutirá brevemente construções de sistemas de ventilação conhecidos da técnica. As figuras 1 a 3 mostram exemplos de tais construções.

[0039] Como mencionado anteriormente, máquinas elétricas que utilizam refrigeração do tipo IC8xW costumam empregar um radiador fixado a uma estrutura chamada de caixa de ventilação, que geralmente possui uma configuração retangular prismática e mantém o radiador estruturalmente estável e protegido. A caixa de ventilação cria também uma câmara adequada para o fluxo do ar interno da máquina elétrica através do radiador.

[0040] As figuras 1 a 3 mostram três arranjos de máquinas elétricas com refrigeração do tipo IC8xW conhecidas da técnica anterior.

[0041] A figura 1 mostra uma máquina com um circuito de refrigeração bilateral. A máquina compreende uma carcaça 1 onde estão alojados um estator

2 e um rotor 3. O funcionamento e componentes desse tipo de máquina elétrica são plenamente conhecidos da técnica, bastando para a presente descrição detalhada que seja ressaltado que o calor gerado pela máquina elétrica é predominantemente gerado pelas perdas do estator e rotor.

[0042] Como também sabido por aqueles versados na técnica, o calor gerado pelas perdas no estator e rotor é transferido ao ar interno da máquina. Assim, para evitar o superaquecimento, um sistema de ventilação é previsto. O sistema de ventilação compreende uma caixa de ventilação 10 onde é alojado o radiador 1 1 e a bandeja de coleta de vazamento 12. O radiador 1 1 é alimentado com fluido refrigerante, normalmente água, através de uma conexão de entrada 13, sendo o fluido extraído na outra conexão após refrigerar o ar interno da máquina elétrica.

[0043] A badeja de coleta de vazamento 12 é empregada para coletar a condensação gerada na parede externa dos tubos do radiador quando a máquina está parada e o fluido refrigerante continua em circulação. Além disto, a bandeja também coletará qualquer vazamento de fluido, por exemplo, existem caso de alguma falha de operação ou furo no radiador 1 1 . Assim, a bandeja 12 coleta o vazamento ainda em seu início e permite que o fluido refrigerante seja direcionado de forma segura para fora da máquina, protegendo o equipamento e permitindo a identificação da falha. Embora a bandeja 12 possa ter qualquer formato, é recomendável que sua forma permita o fluxo adequado do ar interno, mas, ao mesmo tempo, seja ampla o suficiente para promover a cobertura total da área de coleta de um eventual vazamento do fluido refrigerante.

[0044] Além de alojar e proteger o radiador 1 1 e a bandeja 12, a caixa de ventilação 10 funciona como uma câmara para o fluxo do ar interno da máquina através do radiador, de modo que o ar aquecido pelas perdas do estator e rotor passe pelo radiador para resfriamento e seja novamente direcionado para as partes quentes (estator e rotor), fazendo o ciclo fechado de troca térmica.

[0045] Como mostrado pelas setas tracejadas na figura, no circuito bilateral da máquina da figura 1 onde o radiador 1 1 está na horizontal, o fluxo de ar sai do rotor e estator pela parte central da máquina elétrica e se direciona ao radiador. Após a refrigeração deste ar, o fluxo retorna em duas porções distintas, uma pela frente e outra pela parte posterior da máquina elétrica.

[0046] A figura 2 ilustra uma máquina elétrica com circuito de ventilação unilateral, com radiador na vertical. Os elementos básicos do arranjo são os mesmos descritos acima com relação à figura 1 , incluindo a carcaça 1 , o estator 2 e o rotor 3. Similarmente, o sistema de ventilação inclui uma caixa de ventilação 10 onde estão alojados um radiador 1 1 e uma bandeja de coleta 12.

[0047] No sistema de ventilação da máquina elétrica ilustrada na figura 2, o circuito de refrigeração é unilateral, com o radiador posicionado na vertical. Assim, como mostrado pelas setas em linhas tracejadas, o fluxo de ar sai axialmente do rotor e estator em direção a um ventilador interno da máquina 14. No ventilador, o fluxo de ar ganha pressão e velocidade, sendo direcionado ao radiador 1 1 . O posicionamento vertical do radiador 1 1 faz com que o ar seja recebido diretamente na sua face de troca térmica de forma ortogonal. Após a refrigeração do ar, o fluxo retorna em direção ao rotor e estator pela parte oposta ao ventilador 14.

[0048] A figura 3 ilustra uma máquina elétrica com circuito de ventilação unilateral, com radiador na horizontal. Esse arranjo compreende basicamente os mesmos elementos do arranjo mostrado na figura 2, incluindo a carcaça 1 , o estator 2, o rotor 3, a caixa de ventilação 10, o radiador 1 1 , a bandeja de coleta 12, e o ventilador 14.

[0049] No circuito unilateral da figura 3, o fluxo de ar sai axialmente do rotor e estator em direção a um ventilador interno da máquina 14. No ventilador, o fluxo de ar ganha pressão e velocidade, sendo direcionado ao radiador 1 1 . Como o radiador 1 1 está na posição horizontal, o fluxo de ar é obrigado a se alternar entre a direção horizontal e vertical para cruzar o radiador. Após a refrigeração do ar, o fluxo retorna em direção ao rotor e estator pela parte oposta ao ventilador.

[0050] Como pode ser observado nas figuras 1 a 3, a altura da caixa de ventilação 10 deve ser suficiente para alojar e proteger o radiador 1 1 e, ao mesmo tempo, criar uma câmara com espaço adequado para o fluxo de ar. Nesse sentido, o posicionamento do radiador 1 1 e a existência e posição da bandeja de coleta 12 influenciam diretamente a altura da caixa 10.

[0051] Assim, as caixas de ventilação com radiador na horizontal mostradas nas figuras 1 e 3 podem possuir alturas similares, enquanto a caixa de ventilação da figura 2 possui uma altura maior para o alojamento do radiador 1 1 na posição vertical.

[0052] A altura da caixa de ventilação acaba por impor restrições de projeto, instalação e aplicação às máquinas elétricas, já que cria um "volume estrutural" adicional à carcaça das máquinas. Esse volume estará sempre presente, estando a máquina em operação ou não.

[0053] Uma maneira de diminuir a altura da caixa de ventilação é eliminar a bandeja de coleta, substituindo-a por um outro mecanismo de contenção de vazamento como, por exemplo, o uso de tubos de parede dupla associados ao radiador. Entretanto, ainda existe a necessidade de acomodação do radiador, mantendo-se uma necessidade de maior altura quando o radiador está em posição vertical.

[0054] A presente invenção proporciona uma solução técnica que elimina o inconveniente associado ao volume adicional da caixa de ventilação 10, oferecendo, ao mesmo tempo, um sistema de ventilação eficaz para a máquina elétrica.

[0055] A presente invenção será descrita com referência às figuras 4 a 13.

[0056] Conforme pode ser visto na figura 4, a máquina elétrica da presente invenção compreende uma carcaça 100 onde é alojado o núcleo ativo da máquina, que, na concretização preferida, é formado por um estator 120 e um rotor 130.

[0057] Um radiador 140 é fixado diretamente na carcaça 100 da máquina elétrica, sendo que é criada uma região para a coleta de um possível vazamento do fluido refrigerante na carcaça da máquina.

[0058] Uma cobertura leve 150 é acoplada na carcaça 100, de modo a formar um trajeto de fluxo de ar direcionado ao radiador 140. A cobertura 150 é um elemento não estrutural e cobre o radiador e, apenas parcialmente, a porção superior da carcaça 100.

[0059] A fixação do radiador 140 diretamente na carcaça 100 elimina a necessidade de provisão de uma caixa de ventilação para alojamento do radiador, permitindo uma redução considerável na altura total do conjunto. A cobertura 150 faz com que o fluxo de ar das partes quentes da máquina (estator 120 e rotor 130) seja direcionado ao radiador quando a máquina está em operação, mas permite que um volume livre V seja criado acima da carcaça 100, em sua porção posterior. Esse volume livre V é particularmente vantajoso para dar liberdade ao projeto da máquina, podendo ser usado, por exemplo, para estação de caixas terminais e instrumentação.

[0060] Em uma primeira e preferida concretização da presente invenção, mostrada nas figuras 4 a 1 1 , a cobertura 150 é uma cobertura de material rígido como, por exemplo, alumínio, aço, plástico ou fibra.

[0061] Entretanto, em uma concretização alternativa da invenção, mostrada nas figuras 12 e 13, a cobertura 150 é uma cobertura flexível, preferencialmente confeccionada em um material leve, como, por exemplo, plástico, tecido/lona ou qualquer outro material similar. [0062] Conforme melhor ilustrado nas figuras 12 e 13, nessa concretização alternativa da presente invenção, a cobertura flexível 150 é colapsível, ficando em uma configuração colapsada quando a máquina ou o sistema de ventilação não estão operantes (figura 12) e inflada quando a máquina ou sistema de ventilação está operando (figura 13).

[0063] As figuras 5 a 9 ilustram o fluxo de ar durante a operação do sistema de ventilação da máquina elétrica da presente invenção. Embora as figuras mostrem a primeira concretização da invenção, deve ser entendido que o funcionamento é análogo ao do sistema com cobertura flexível quando em configuração inflada.

[0064] Na figura 5, o fluxo de ar flui pelo estator 120 e rotor 130 em direção ao ventilador interno da máquina. Após ganhar pressão e velocidade no ventilador, o fluxo se direciona ao radiador 140 que está fixo diretamente na carcaça 100 em posição horizontal.

[0065] Em seguida (figuras 6 e 7), o fluxo de ar flui pela cobertura direcionadora do fluxo de ar 150 direcionando-o para cruzar o radiador 140. Após a refrigeração do ar no radiador 140, o ar é direcionado para baixo, ao encontro da câmara 1 10 definida pelo espaço interno da parte central da carcaça 102, ou seja, definida pelo externo da carcaça que envolve o estator e as laterais da parte central 102.

[0066] Após passar pela câmara 1 10, o ar flui por orifícios 1 10a, 1 10a para a parte traseira 101 da carcaça.

[0067] Conforme ilustrado nas figuras 8 e 9, dentro da câmara 1 10, o fluxo de ar gradualmente troca da direção vertical para a direção horizontal. O fluxo de ar sai da câmara 1 10 pelos orifícios 1 10a que conectam fluidicamente a câmara e a parte traseira da carcaça. Assim, o ar é direcionado axialmente para a parte traseira 101 da carcaça 100.

[0068] Após cruzar pelos orifícios 1 10a, pela parte traseira 101 e entrar novamente na parte interna da máquina elétrica onde se encontram o estator 120 e o rotor 130, o fluxo de ar precisa fazer uma troca de direção (setas T) para iniciar novamente o ciclo de refrigeração das partes ativas da máquina elétrica.

[0069] As figuras 10 e 1 1 mostram vistas explodidas esquemáticas da concretização preferida da máquina elétrica da presente invenção, sendo que a figura 1 1 mostra um corte transversal frontal em relação à figura 10, de modo a permitir uma melhor visualização dos detalhes internos da carcaça. Além disso, setas de indicação mostram a posição de montagem dos componentes.

[0070] Assim, na primeira concretização da presente invenção a carcaça 100 compreende uma parte frontal 103, uma parte central 102 e uma parte traseira 101 .

[0071 ] A parte central 102 é sobreposta à carcaça que envolve o núcleo central da máquina com o conjunto rotor-estator, formando em seu interior, a câmara 1 10. Como mencionado anteriormente, orifícios 1 10a são previstos para passagem de fluxo de ar.

[0072] O radiador 140 é fixado acima da parte central 102, de modo que qualquer vazamento de água no radiador fluirá para a câmara 1 10, fora da parte ativa da máquina elétrica. Assim, na concretização preferida da presente invenção, sensores de vazamento S são dispostos no trajeto do possível vazamento para a câmara lateral, de modo a detectar possíveis falhas.

[0073] Com a solução da presente invenção, elimina-se completamente a necessidade de bandejas de coleta, o que contribui ainda mais para a construção compacta do sistema de ventilação ora proposto.

[0074] Tendo sido descritos exemplos de duas concretizações preferidas da presente invenção, deve ser entendido que o escopo da presente invenção abrange outras variações possíveis do conceito inventivo descrito, sendo limitadas tão somente pelo teor das reivindicações apensas, aí incluídos os possíveis equivalentes.