CAMPO DA INVENÇÃO

[0001] A presente invenção refere-se ao campo das máquinas elétricas girantes que possuem um circuito de ventilação no qual o fluxo de ar de arrefecimento escoa radialmente pelas extremidades das bobinas estator.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[0002] Máquinas elétricas são equipamentos utilizados para a transformação de energia elétrica em mecânica, no caso de motores, e vice-versa, no caso de geradores. São geralmente constituídas por quatro estruturas básicas: o rotor, que é o componente energizado girante, um elemento estático chamado estator, igualmente energizado, mancais responsáveis por unir as partes estática e girante, e, por fim, a carcaça, que constitui não apenas o papel de invólucro dos sistemas já mencionado, mas promove a integração com outros sistemas auxiliares. São considerados sistemas auxiliares os de excitação, arrefecimento, lubrificação entre outros que podem coexistir com os principais, dependendo da construção e exigências técnicas do equipamento.

[0003] Tanto o estator quanto o rotor são geralmente compostos por um pacote de chapas empilhadas contendo ranhuras nas quais são inseridos os elementos condutores, chamados de bobinas. Essas bobinas são energizadas, isto é, circula corrente elétrica nesses componentes, e consequentemente ocorre a geração de calor por efeito Joule. Esse calor, quando gerado sem nenhum mecanismo de dissipação ou ventilação, é danoso à saúde da máquina elétrica, visto que os componentes de isolação elétrica são majoritariamente materiais compósitos, com resistência bastante limitada à exposição contínua a altas temperaturas. Dá-se à temperatura máxima suportada o nome de temperatura de classe térmica, que em geral, para máquinas elétricas girantes, é de cerca de 155°C. [0004] A porção da bobina não contida no interior das ranhuras do pacote de chapas é chamada de cabeça de bobina, seja ela do rotor, como do estator. Essa região tradicionalmente apresenta falta de uniformidade na distribuição da temperatura, uma vez que existem duas porções com comportamentos bastante distintos: a extremidade oposta ao pacote de chapas, conhecida como “olho” da bobina (ou região mais extrema da cabeça de bobina), comumente apresenta temperaturas bastante baixas quando comparadas à porção conhecida como “imbricada” da bobina. Isso ocorre, pois, a região imbricada apresenta uma grande perda de carga para o fluxo de ventilação da máquina, devido à reduzida área para passagem de ar; por outro lado, a região do olho, que oferece maior área para passagem de ar, e consequentemente menor perda de carga, exibe menores temperaturas médias. Ainda, na região imbricada, tem-se dois comportamentos distintos: a camada mais interna de bobinas, que possui interface prioritária ao fluxo de ar de ventilação apresenta temperaturas mais baixas que aquelas experimentadas pela camada superior (mais externa) da bobina.

[0005] Sendo assim, torna-se fundamental a utilização de mecanismos que promovam a remoção de calor nessa região e, principalmente, que uniformizem a temperatura da cabeça de bobina de estatores de máquinas elétricas girantes.

[0006] Nesse sentido, uma das soluções componentes tradicionalmente utilizadas para esse fim são os chamados defletores de ar. Esse componente é disposto entre a cabeça de bobina do estator e a tampa de fechamento do mancai ou porção frontal/traseira da carcaça. Seu principal objetivo é direcionar o fluxo de ventilação oriundo do trocador de calor em direção à cabeça de bobina do estator. Nesse tipo de máquina, o fluido utilizado para arrefecimento é o ar, que por sua vez pode trocar o calor gerado pela máquina com um radiador de água, por exemplo. O fluido frio entra no interior da máquina com uma certa velocidade, sendo aspirado pelos ventiladores internos montados no rotor, e é então direcionado pelo defletor de ar para a área de interesse, que, como já explicado, tradicionalmente é a porção da cabeça de bobina do estator. [0007] Em turbogeradores, ou seja, geradores síncronos com rotor bobinado que operam em elevada rotação gerando grandes quantidades associadas de energia elétricas, a geração de calor pelos elementos condutores é proporcionalmente elevada. Assim sendo, torna-se necessária a otimização do circuito de ventilação, que muitas vezes só é possível com o auxílio de ferramentas de modelagem e prototipagem virtual, como o caso de softwares de simulação fluídica numérica.

[0008] A figura 1 mostra um exemplo de defletor de ar conhecido do estado da técnica. Como melhor visualizado no “Detalhe D” da figura 1 , o formato geométrico mais tradicional de defletor de ar interno aplicado à turbogeradores é um formato semelhante a um “L”. O defletor é concêntrico ao ventilador interno da máquina, e deve estar a uma distância ajustada em sua relação, principalmente em relação à cabeça de bobina do estator, evitando assim que haja folga excessiva entre os componentes, criando uma região com baixa perda de carga que favoreça o fluxo de ar de ventilação a passar por uma região indesejada.

[0009] Geralmente, o defletor é montado relativamente longe da cabeça de bobina do estator, principalmente no lado das ligações do estator, onde a distância entre a cabeça de bobina e carcaça é maior para acomodar os cabos de ligação. Nesses casos, por mais próximo que o defletor fique em relação ao ventilador, permanece uma grande área preferencial para passagem do fluido de ventilação pela região entre a carcaça e a cabeça de bobina, e não como se desejaria, através da cabeça de bobina, mais especificamente em sua região imbricada. Consequentemente essa solução conhecida resulta em baixa eficiência na troca térmica e grande gradiente térmico entre as regiões da cabeça de bobina.

[0010] Assim, permanece no estado da técnica a necessidade de soluções que resolvam o problema de elevada vazão na face externa da cabeça de bobina e que dispensem a necessidade de ajustes no comprimento da parte reta do defletor interno. Identifica-se também uma ausência de soluções que forneçam um componente único ou com a mínima quantidade de componentes possível facilitando a montagem da solução e a padronização do componente.

OBJETIVOS DA INVENÇÃO

[0011] É um dos objetivos da invenção prover uma máquina elétrica girante com uma solução aperfeiçoada de ventilação para a região imbricada da cabeça de bobina da da máquina.

[0012] É outro dos objetivos da invenção prover um defletor de ar que direcione de forma efetiva o ar para a região imbricada da cabeça de bobina e que dispense a necessidade de ajustes em sua porção axial.

[0013] Um outro objetivo da invenção é prover um defletor de ar com geometria simplificada, de fácil fabricação e que seja modular, atendendo assim uma vasta gama de projetos diferentes.

BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[0014] A presente invenção atinge os objetivos acima por meio de máquina elétrica girante que compreende uma carcaça que aloja pelo menos um estator acoplado magneticamente a um rotor e um trocador de calor que gera um fluxo de ar de ventilação, a máquina compreendendo pelo menos um ventilador interno que aspira pelo menos parte do fluxo de ar e pelo menos um defletor de ar que direciona o fluxo de ar para uma cabeça de bobina do estator, em que o defletor de ar compreende um corpo em anel com uma primeira porção reta radial, uma segunda porção reta axial e uma porção inclinada, a porção inclinada fazendo um ângulo agudo com um plano paralelo à segunda porção retal axial.

[0015] Em uma concretização preferencial da presente invenção, o ângulo agudo é maior ou igual a 30° e menor que 90°.

[0016] Preferencialmente, as primeira porção reta radial, segunda porção reta axial e porção inclinada são integralmente formadas.

[0017] Em uma concretização da presente invenção, o defletor de ar é formado como um corpo integral. Alternativamente, o defletor de ar pode ser formado por uma pluralidade de segmentos radias unidos.

[0018] A porção inclinada do defletor de ar é preferencialmente disposta a uma distância entre 15mm e 25mm de uma região mais extrema da cabeça de bobina.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0019] A presente invenção será descrita a seguir com mais detalhes, com referências aos desenhos anexos, nos quais:

[0020] Figura 1 - é uma vista lateral de uma máquina elétrica girante conhecida do estado da técnica, a máquina sendo mostrada com um corte seccional retirado, de modo a permitir a visualização dos componentes internos, sendo o detalhe D mostrado em vista ampliada;

[0021] Figura 2 - é uma vista em perspectiva da máquina elétrica girante de acordo com uma concretização da presente invenção, a máquina sendo mostrada com um corte seccional retirado, de modo a permitir a visualização dos componentes internos;

[0022] Figura 3 - é uma vista lateral seccionada de um defletor de ar de acordo com uma concretização da presente invenção, sendo o detalhe A mostrado em vista ampliada;

[0023] Figura 4 - é uma vista lateral de uma máquina elétrica girante de acordo com uma concretização da presente invenção, a máquina sendo mostrada com um corte seccional retirado, de modo a permitir a visualização dos componentes internos;

[0024] Figuras 5A e 5B - mostram vistas ampliadas do detalhe E mostrado na figura 4;

[0025] Figura 6 - é uma vista em perspectiva do rotor da máquina elétrica de acordo com uma concretização da presente invenção, o rotor sendo mostrado com um corte seccional retirado, de modo a permitir a visualização dos componentes;

[0026] Figura 7 - é uma vista esquemática em detalhe de duas concretizações do defletor de ar da presente invenção;

[0027] Figuras 8A e 8B - mostram vistas em perspectiva de uma concretização do defletor de ar da presente invenção; e

[0028] Figuras 9A a 9C - mostram vistas em perspectiva de uma concretização do defletor de ar da presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0029] A presente invenção será descrita a seguir com base em concretizações mostradas nas figuras 2 a 9.

[0030] A figura 2 mostra uma máquina elétrica girante que compreende um estator (1 ) acoplado magneticamente a um rotor (2). O estator (1 ) é fixado a uma carcaça (3), sendo montado preferencialmente, mas não exclusivamente, em sua porção superior, um trocador de calor (4). O rotor (2) é montado sobre conjuntos de mancais dianteiro (5) e traseiro (6). As extremidades da carcaça (3) são fechadas por tampas (7,8) dispostas igualmente nas porções dianteira e traseira. Para referência, considera-se dianteira a porção onde a ponta de eixo principal da máquina está localizada.

[0031] Adicionalmente, a porção interna da máquina elétrica girante compreende dois defletores de ar (9,10), montados em interface com a porção interna da carcaça (3) onde o estator (1 ) é fixado, e dois ventiladores internos (11 ,12), montados em interface com o rotor (2).

[0032] A figura 3 ilustra uma vista lateral em corte transversal do defletor de ar (9) posicionado no lado dianteiro da máquina. Naturalmente, o técnico no assunto entenderá que os critérios de dimensionamento e utilização são igualmente válidos para o defletor de ar (10) posicionado na porção traseira da máquina elétrica girante.

[0033] O defletor de ar (9) de acordo com a presente invenção compreende um corpo em anel com essencialmente três partes: uma primeira porção reta radial (91 ), uma segunda porção reta axial (92) e uma porção inclinada (93). Como pode ser visto na figura, a porção inclinada (93) faz um ângulo agudo “a” com um plano paralelo à segunda porção retal axial (92).

[0034] O ângulo “a” é, preferencialmente, menor que 90° e menor ou igual a 30°, sendo limitado apenas pelo processo de fabricação do defletor de ar. [0035] Como mostrado na figura 3, o defletor de ar possui um diâmetro interno (940), um diâmetro externo (941 ) e uma largura total (942), e a porção inclinada (93) possui uma espessura (943).

[0036] A figura 4 mostra uma vista lateral em corte da máquina elétrica girante, ilustrando o posicionamento dos defletores (9,10) na carcaça (3) sendo esses posicionados axialmente na região entre as chapas frontal (16) e traseira (18) de fechamento do trocador de calor (4) e a cabeça de bobina do estator (13). Ainda, os defletores de ar (9,10) devem ser posicionados axialmente alinhados com os ventiladores (11 ,12).

[0037] A primeira porção reta radial (91 ) do defletor dianteiro faz interface com a chapa de fixação do interior (15) da carcaça (3), e tem como objetivo fechar a região frontal da cabeça de bobina (13) e direcionar o fluxo de ar (14) que entra no interior da máquina aspirado pelo ventilador (11 ) para a região bobinada de interesse. Outro objetivo da primeira porção reta radial (91 ) é prover a dimensão radial necessária para o correto posicionamento da segunda porção axial (92).

[0038] O técnico no assunto entenderá que o posicionamento do defletor de ar traseiro é similar, sendo que a porção reta radial (101 ) faz interface com a chapa traseira interior (17).

[0039] As figuras 5A e 5B mostram vistam ampliadas do detalhe E mostrado na figura 4. Como mostrado nessas figuras, a porção inclinada (93) projeta-se da extremidade da segunda porção reta axial (92), oposta à primeira porção reta radial (91 ) do defletor de ar (9). Assim, a porção inclinada (93) direciona o ar aspirado pelo ventilador para a região imbricada (132) da cabeça de bobina (13) do estator (2).

[0040] A figura 6 ilustra o estator (1 ) da máquina elétrica, com um corte seccional. Como pode ser visto nessa figura, a região imbricada (132) compreende a parte da bobina que sai do pacote e possui esse nome devido à sobreposição da bobina para formar o conjunto bobinado. A extremidade da cabeça de bobina (13) por sua vez é chamada de “olho” (131 ), e compreende o raio de curvatura que a bobina descreve para se alojar nas ranhuras adequadas. Dessa maneira, a vazão de ar proveniente do ventilador será forçada a passar nessa região imbricada (132), onde há menor área de passagem de ar e, por consequência, maior temperatura. Nesse conceito, obtém-se maior aproveitamento térmico da vazão de ar (14) que passa pela cabeça de bobina (13) do estator (1 ), uma vez que o fluxo (14) é direcionado para a região que apresenta a maior necessidade de ventilação, reduzindo sua temperatura média e promovendo maior equilíbrio térmico.

[0041] Como pode ser visto nas figuras 5A e 5B, o posicionamento da porção inclinada (93) é dimensionado em função da posição do olho (131 ) da cabeça de bobina (13), com uma distância mínima “M” na direção radial, sendo essa distância preferencialmente entre 15mm e 25mm, mais preferencialmente igual à 20mm. A distância mínima “M” é limitada pela tensão elétrica nominal de linha da máquina elétrica, e será tão menor quanto menor for essa tensão, uma vez que em termos de ventilação é preferível a menor a distância “M” possível. Contudo, destaca-se que projetos com uma distância “M” muito pequena podem levar à colisão dos componentes durante a montagem e consequente quebra da projeção inclinada (93). Por outro lado, a utilização de uma distância “M” muito grande leva à perda de eficiência da solução, visto que o fluxo de ar (14) encontrará uma região com menor perda de carga, e, portanto, configurar- se-á como um caminho de passagem preferencial.

[0042] Ainda como visto na figura 5A, a segunda porção reta axial (92) por sua vez é a região que une a primeira porção radial (91 ) à porção inclinada (93). Sua dimensão longitudinal deve ser tal que permita que o início da porção inclinada (931 ) esteja posicionado à uma distância Ί” de pelo menos 10mm do início da pá do ventilador (11 ).

[0043] Essa dimensão deve ser atendida para garantir que a combinação entre as dimensões “a”, “M” e Ί” resulte em uma dimensão “F” mínima de 95% a largura da pá “L” do ventilador (11 ), permitindo assim que a maior parcela possível do fluxo de ar aspirado pelo ventilador (11 ) seja direcionada para a região imbricada (132) da cabeça de bobina (13) do estator (1 ) Ainda, a combinação “a”, “M” e Ί” deve ser tal que a extremidade (932) da porção inclinada (93) fique alinhada com o início da região do olho (131 ) da bobina.

[0044] Assim, a distância entre a porção reta radial (91 ) e a extremidade a extremidade do olho (131 ) da cabeça de bobina (13) deixa de ser um fator crítico para a temperatura do bobinado, uma vez que a porção que promove o direcionamento do fluxo de ar contra a região imbricada (132) é a região da porção inclinada (93).

[0045] Como visto na figura 5B, radialmente os defletores de ar (9,10) devem ser posicionamento concentricamente em relação aos ventiladores internos (11 ) com uma folga “H” entre os componentes. Essa folga “H” deverá ser tal que impeça o contato mecânico entre o diâmetro interno (940) do defletor de ar (9) e o diâmetro externo (112) do ventilador interno (11 ) durante a operação da máquina elétrica girante. A folga “H” tem seu valor mínimo determinado pelas tolerâncias de fabricação dos dois componentes, a tolerância de montagem deles e ainda a deflexão do rotor durante a sua operação para evitar assim o roçamento das superfícies. Ou seja, depende da tolerância de montagem entre o defletor de ar (9) e a chapa frontal do trocador de calor, da tolerância de fabricação do próprio defletor de ar (9), da tolerância de fabricação do ventilador (11 ) e de sua tolerância de montagem com o rotor, e ainda pela parcela de contribuição da deflexão da linha estática do rotor. Assim, a folga “H” pode possuir um valor preferencial de 5mm, limitado à 8mm.

[0046] A figura 7 ilustra, esquematicamente, que defletores (10, 10 ^' ) posicionados a distancias (G’) e (G”) do olho (131 ) da cabeça de bobina (13) produzem o mesmo efeito técnico de direcionamento do fluxo de ar para à região imbricada (132).

[0047] O defletor de ar (9) da presente invenção é preferencialmente integral em seu perfil transversal, ou seja, a primeira porção reta radial (91 ), a segunda porção reta axial (92) e a porção inclinada (93) são contínuas, sendo fabricados de forma conjunta sem a presença de emendas, uniões aparafusadas, coladas, soldadas ou semelhantes. Isso confere ao componente facilidade em sua fabricação e montagem uma vez que dispensa a necessidade de submontagens intermediárias antes da montagem final no interior da máquina elétrica girante.

[0048] Alternativamente, como mostrados nas figuras 8A e 8B, em uma concretização alternativa, o defletor de ar (90) é bipartido em duas porções, ou segmentos radiais: uma porção superior (901 ) e uma inferior (902), sendo unidos um contra o outro por meio de flanges (903) dispostos nas extremidades da secção. As porções são unidas uma contra a outra por meio de união parafusada, pinada, colagem ou qualquer outra forma de união que permita futura desmontagem.

[0049] As figuras 9A a 9C ilustram ainda outra concretização do defletor de ar da presente invenção (91 ) que é divido em quatro segmentos radiais (911 , 912, 913, 914), sendo todas unidas de forma análoga à defletora de ar (90) por meio de uniões parafusadas em flanges (915). A divisão em duas, quatro ou tantas partes quanto seja necessário depende da combinação das diversas dimensões do defletor de ar, sendo determinada principalmente pelo seu diâmetro interno, diâmetro externo, largura total e espessura. A quantidade de partes pode facilitar a montagem, pois evita a manipulação de peças muito grandes.

[0050] O defletor de ar (91 ) pode apresentar ainda reforços estruturais (916) para aumentar a rigidez do componente. A necessidade de utilização desses reforços (916) também depende da combinação das diversas dimensões do defletor de ar, sendo determinada principalmente pelo seu diâmetro interno, diâmetro externo, largura total e espessura. Os reforços estruturais podem estar opcionalmente presentes independentemente da quantidade de segmentos que o formam.

[0051] O defletor de ar da presente invenção é fabricado em material isolante elétrico, devido à sua proximidade com o estator, componente energizado. Preferencialmente o defletor de ar deverá ser fabricado em material compósito, sendo uma composição possível matriz de resina poliéster com reforço em fibra de vidro.

[0052] Tendo sido descritos exemplos de 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.