AC MOTOR WINDING PATTERN - PADRÃO DE BOBINAMENTO DE MOTOR CA

PATENT: AC MOTOR WINDING PATTERN PADRÃO DE BOBINAMENTO DE MOTOR CA

Resumo da patente da TESLA MOTORS: US2010/0244612 A1
Inventor: Yifan Tang

                                             RESUMO

Um arranjo no bobinamento de um motor que é capaz de entregar torque relativamente constante sobre uma grande faixa de velocidades, assim alcançando aumento de potência através de sua faixa de operação. Num sistema multi fase, ex., trifásico, o motor utilizando o arranjo da invenção, cada camada de bobinamento corresponde a uma fase do motor e ocupa cada ranhura do estator. Os pólos de cada camada de bobinamento são compreendidos de bobinas concêntricas e não sobrepostas.                     

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

Num sistema multi fase, ex., trifásico, um motor utilizando o arranjo do bobinamento da invenção, cada camada de bobinamento corresponde a uma fase do motor. Cada camada de bobinamento ocupa cada ranhura do estator. Os pólos de cada camada de bobinamento são compreendidos de bobinas concêntricas e não sobrepostas. Preferencialmente cada camada de bobinamento utiliza o mesmo número de pólos, e mais preferencialmente ainda, cada camada de bobinamento utiliza quatro pólos.

Para cada camada de bobinamento, as bobinas compreendendo um pólo estão imediatamente adjacentes, mas não sobrepostas, às bobinas que compreendem o pólo adjacente. Preferencialmente as bobinas que compreendem pólos adjacentes são inseridas em direções opostas uns dos outros. Preferencialmente cada pólo de cada camada de bobinamento, e mais preferencialmente todos os pólos de todas as camadas de bobinamento, são compreendidos do mesmo número de pólos. Preferencialmente o número de bobinas por pólo é um número ímpar. Em uma personalização na qual cada pólo inclui o mesmo número de bobinas, o número de ranhuras do estator deve ser determinado pela multiplicação por duas vezes o número de bobinas por pólo pelo número de pólos por fase. Uma personalização preferida é um motor trifásico utilizando um estator de 48 ranhuras e quatro pólos por bobinamento, preferencialmente cada bobinamento sendo compreendido por pelo menos duas voltas.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

FIG. 1A ilustra o diagrama de bobinamento do primeiro bobinamento de um motor trifásico de acordo com a personalização preferida da invenção.

FIG. 1B ilustra o diagrama de bobinamento do segundo bobinamento de um motor trifásico de acordo com a personalização preferida da invenção.

FIG. 1C ilustra o diagrama de bobinamento do terceiro bobinamento de um motor trifásico de acordo com a personalização preferida da invenção.

FIG. 2 ilustra graficamente as curvas de torque para o motor descrito relativo as FIGS. 1A-1C e para um motor convencional.

FIG. 3 ilustra graficamente as curvas de potência para o motor descrito relativo as FIGS. 1A-1C e para um motor convencional.

FIG. 4 ilustra a fmm de uma única fase do motor descrito relativo as FIGS. 1A - 1C

FIG. 5 ilustra a fmm acumulada de todas as bobinas e todas as três fases do motor descrito relativo as FIGS. 1A - 1C

MMF = Magneto Motive Force = Força Magnetomotriz (Fmm)

Assim como a força eletromotora (fem) é necessária para circular corrente num circuito elétrico, a força magnetomotriz é necessária para estabelecer um fluxo num circuito magnético.  A Fmm é a multiplicação da corrente fluindo através da bobina e do número de voltas da bobina. A unidade da Fmm é Ampere-espira. Assim deverá ser entendido que a força magnetomotriz (Fmm) subirá pelo aumento do número de espiras da bobina ou pelo aumento da corrente através da bobina ou através do aumento de ambas. 

Descrição das formas de realização específicas

FIGS. 1A -1C ilustram em diagrama o arranjo do bobinamento da forma de realização preferida da invenção. Em particular, o arranjo ilustrado é de um motor trifásico, quatro pólos com estator de 48 ranhuras. Cada camada de bobinamento constitui uma fase, i.e., o bobinamento 101 da primeira camada como mostrado na FIG. 1A compreende a primeira fase do motor; o bobinamento 103 da segunda camada como mostrado na FIG. 1B compreende a segunda fase do motor; o bobinamento 105 da terceira camada como mostrado na FIG. 1C compreende a terceira fase do motor.

   Como ilustrado e em acordo com a invenção,  as bobinas que compõe cada pólo são concêntricas e não sobrepostas. Assim, por exemplo, no primeiro pólo da primeira fase como mostrado na FIG. 1A, existem seis bobinas tal qual que a primeira bobina é inserida nas ranhuras 6 e 7;  uma segunda bobina é inserida nas ranhuras 5 e 8; a terceira bobina é inserida nas ranhuras 4 e 9; a quarta bobina é inserida nas ranhuras 3 e 10; a quinta é inserida nas ranhuras 2 e 11; e a sexta bobina é inserida nas ranhuras 1 e 12.

   Como ilustrado e de acordo com outro aspecto da invenção, o número de ranhuras é selecionado tal qual que cada camada ocupe cada ranhura sem ter qualquer sobreposição entre as bobinas dos pólos adjacentes. Como resultado deste aspecto da invenção, para uma configuração trifásica como ilustrada existem três camadas de bobinas em cada ranhura com cada uma das três bobinas representando uma fase diferente. Será apreciado que se cada pólo do motor inclui o mesmo número de bobinas, como preferido, então o número de ranhuras é equivalente a duas vezes o número de bobinas por pólo, Nc, multiplicado pelo número de pólos por fase, Np.

    Preferencialmente, e como ilustrado, para um projeto trifásico, o número de bobinas por pólo é um número ímpar, assim alcançando substancialmente uma operação balanceada.

   Preferencialmente, e como ilustrado, o número de ranhuras é também selecionado para segurar que cada pólo de cada camada é composto do mesmo número de bobinas. Assim na forma de realização exemplificada, para a primeira camada do bobinamento (FIG. 1A), o bobinamento no primeiro pólo, i.e., ranhuras 1-12,  e o terceiro pólo, i.e., ranhuras 25-36, são inseridos em direção oposta do bobinamento do segundo pólo, i.e., ranhuras 13-24, e do quarto pólo, i.e., ranhuras 37-48. Similarmente, para a segunda camada do bobinamento (FIG. 1B), o bobinamento no primeiro pólo, i.e., ranhuras 5-16,  e o terceiro pólo, i.e., ranhuras 29-40, são inseridos em direção oposta do bobinamento do segundo pólo, i.e., ranhuras 17-28, e do quarto pólo, i.e., ranhuras 41-4. Similarmente, para a terceira camada do bobinamento (FIG. 1C), o bobinamento no primeiro pólo, i.e., ranhuras 9-20,  e o terceiro pólo, i.e., ranhuras 33-44, são inseridos em direção oposta do bobinamento do segundo pólo, i.e., ranhuras 21-32, e do quarto pólo, i.e., ranhuras 45-8. 

   Numa forma de realização da invenção, a configuração do bobinamento/camada descrita acima relativa as FIGS. 1A-1C é usado, com cada bobina tendo duas voltas. As FIGS. 2 e 3 ilustram graficamente as diferenças de desempenho entre motores usando um padrão de bobinamento convencional e um usando o padrão descrito acima e ilustrado nas FIGS. 1A-1C. Na curva de torque mostrada na FIG.2, curva 201 ilustra a relativa rápida queda da curva de torque de um motor convencional começando em 6000 rpm. Em contraste, a curva de torque de um motor projetado de acordo com a presente invenção tem uma ampla faixa de velocidade sobre a qual o torque permanece constante; basicamente permanecendo constante até sua máxima velocidade de operação ser alcançada. Como conseqüência, a curva de potência do motor utilizando o novo projeto (curva 301) continua a crescer através de sua faixa de operação enquanto o motor convencional começa a perder potência em relativa baixa velocidade o qual o torque do motor começa a cair. (curva 303).

   A FIG. 4 ilustra o enrolamento da força magnetomotriz (FMM) de uma única fase do motor exemplificado e descrito relativo as FIGS. 1A-1C enquanto a FIG. 5 ilustra a FMM acumulada de todas as bobinas de todas as três fases. Como mostrado na FIG.5, o FMM total é quase senoidal por natureza, resultando numa redução do fluxo harmônico associado a perdas, ripples de torque, ruídos operacionais e vibrações.

   Outra benefício da presente invenção é a facilidade a qual a fabricação do bobinamento pode ser automatizada. Por exemplo, um completo set de bobinas para um pólo pode ser formado usando um bobinador e um eixo de alta velocidade. As bobinas pré-formadas podem então ser inseridas por máquinas dentro das ranhuras projetadas.

   Será apreciado se cada bobina puder conter um, dois, três ou mais voltas.