IT201800003491A1

IT201800003491A1 - Rotore per una macchina elettrica rotante

Info

Publication number: IT201800003491A1
Application number: IT102018000003491A
Authority: IT
Inventors: Marco Magri; Francesco LELI; Salvatore Stamato
Original assignee: Magneti Marelli Spa
Priority date: 2018-03-13
Filing date: 2018-03-13
Publication date: 2019-09-13
Also published as: EP3540919B1; CN110277844A; CN110277844B; EP3540919A1; US10897179B2; US20190288579A1; JP7334046B2; JP2019165624A

Description

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

“ROTORE PER UNA MACCHINA ELETTRICA ROTANTE”

SETTORE DELLA TECNICA

La presente invenzione è relativa ad un rotore per una macchina elettrica rotante.

La presente invenzione trova vantaggiosa applicazione ad un rotore a magneti permanenti per una macchina elettrica rotante per autotrazione, cui la presente descrizione farà esplicito riferimento senza per questo perdere di generalità.

ARTE ANTERIORE

Una macchina elettrica rotante comprende un albero montato girevole attorno ad un asse di rotazione, un rotore che presenta una forma anulare cilindrica ed è rigidamente fissato all’albero ed uno statore che presenta una forma anulare cilindrica ed è disposto senza contatto (ovvero con un traferro di pochi millimetri) attorno al rotore (ovvero alloggia al suo interno il rotore).

Per permettere alla macchina elettrica rotante di operare a regimi di rotazione elevati garantendo, nel contempo, una vita operativa lunga è necessario minimizzare le vibrazioni che si generano durante il funzionamento e che devono venire assorbite dai cuscinetti che supportano l’albero. A tale scopo è spesso necessario procedere ad una equilibratura del rotore in modo tale da ridurre gli sbilanciamenti (dovuti alle inevitabili tolleranze costruttive) che generano vibrazioni durante la rotazione.

Per consentire l’equilibratura del rotore, è stato proposto di disporre ai due lati opposti del nucleo magnetico del rotore due dischi di estremità, i quali hanno sia la funzione di mantenere impaccati (ovvero di serrare a pacco) i lamierini che compongono il nucleo magnetico, sia la funzione di agire come equilibratori grazie ad asimmetrie calibrate nella loro massa. Ad esempio, nei dischi equilibratori potrebbero venire create delle asimmetrie calibrate nella loro massa attraverso dei fori ciechi (diretti radialmente e/o assialmente) che vengono praticati attraverso i dischi equilibratori stessi.

Nelle macchine elettriche rotanti note, i dischi di estremità vengono generalmente realizzati in un materiale metallico amagnetico (ovvero non ferromagnetico) per evitare che nei dischi di estremità si inducano correnti parassite rilevanti che possano di conseguenza generare perdite di potenza significative; ad esempio, è noto di realizzare i dischi di estremità in acciaio inossidabile che è un materiale metallico amagnetico (ovvero non ferromagnetico).

Tuttavia, quando la taglia del rotore cresce, è stato osservato che realizzare i dischi di estremità con un materiale metallico amagnetico (come l’acciaio inossidabile) presenta degli inconvenienti, in quanto generalmente i materiali metallici amagnetici presentano delle prestazioni meccaniche ridotte; di conseguenza, i dischi di estremità realizzati con un materiale metallico amagnetico (come l’acciaio inossidabile) non sono in grado di mantenere adeguatamente impaccati i lamierini che compongono il nucleo magnetico. In altre parole, quando la taglia del rotore cresce i dischi di estremità realizzati con un materiale metallico amagnetico tendono a deformarsi plasticamente (ovvero a snervarsi) in seguito alle sollecitazioni meccaniche prodotte dalla rotazione facendo perdere di compattezza ai lamierini che compongono il nucleo magnetico.

Nei rotori più grandi vengono quindi utilizzati dischi di estremità realizzati con un materiale metallico magnetico che offre prestazioni meccaniche più elevate e quindi è in grado di resistere senza subire deformazioni plastiche alle sollecitazioni meccaniche prodotte dalla rotazione. Tuttavia, i dischi di estremità realizzati con un materiale metallico magnetico sono sede di rilevanti perdite di potenza per correnti parassite e quindi determinano un peggioramento della efficienza energetica della macchina elettrica.

E’ stato proposto, nelle macchine elettriche di taglia più grande, di realizzare i dischi di estremità in un materiale metallico speciale che sia amagnetico pur presentando elevate caratteristiche meccaniche oppure in un materiale non metallico che presenti elevate caratteristiche meccaniche; tuttavia, questa soluzione comporta un notevole aumento sia del costo di produzione dei dischi di estremità, sia del costo della lavorazione per l’accoppiamento dei dischi di estremità all’albero.

DESCRIZIONE DELLA INVENZIONE

Scopo della presente invenzione è fornire un rotore per una macchina elettrica rotante che sia privo degli inconvenienti sopra descritto e, nello stesso tempo, sia di facile ed economica realizzazione.

Secondo la presente invenzione viene fornito un rotore per una macchina elettrica rotante, secondo quanto rivendicato dalle rivendicazioni allegate.

Le rivendicazioni descrivono forme di realizzazione preferite della presente invenzione formando parte integrante della presente descrizione.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

La presente invenzione verrà ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano un esempio di attuazione non limitativo, in cui:

• la figura 1 è una vista prospettica di un rotore per una macchina elettrica rotante e realizzato in accordo con la presente invenzione;

• la figura 2 è una vista in sezione trasversale di un nucleo magnetico della macchina elettrica della figura 1;

• le figure 3 e 4 sono due diverse viste prospettiche di un disco di estremità della macchina elettrica della figura 1;

• le figure 5 e 6 sono due diverse viste prospettiche ed esplose del disco di estremità delle figure 3 e 4;

• le figure 7 e 8 sono rispettivamente una vista anteriore ed una vista posteriore del disco di estremità delle figure 3 e 4; e

• le figure 9 e 10 sono due diverse viste in sezione trasversale rispettivamente secondo la linea IX-IX e secondo la linea X-X del disco di estremità delle figure 3 e 4.

FORME DI ATTUAZIONE PREFERITE DELL’INVENZIONE

Nella figura 1, con il numero 1 è indicato nel suo complesso un rotore per una macchina elettrica per autotrazione di tipo reversibile (cioè che può funzionare sia come motore elettrico assorbendo energia elettrica e generando una coppia meccanica motrice, sia come generatore elettrico assorbendo energia meccanica e generando energia elettrica).

Il rotore 1 comprende un albero 2, il quale è montato girevole per ruotare attorno ad un asse 3 di rotazione centrale. Il rotore 1 comprende inoltre un nucleo 4 magnetico, il quale è composto da una serie di lamierini 5 orientati radialmente (ovvero perpendicolarmente all’asse 3 di rotazione) ed impaccati tra loro (ovvero serrati a pacco).

Secondo quanto illustrato nella figura 2, il nucleo 4 magnetico presenta un foro 6 centrale orientato assialmente (ovvero parallelamente all’asse 3 di rotazione) nel quale viene disposto l’albero 2, una serie di fori 7 di alleggerimento orientati assialmente (secondo altre forme di attuazione non illustrate i fori 7 di alleggerimento sono assenti), ed una serie di cave 8 orientate assialmente e di forma rettangolare. E’ prevista una serie di magneti 9 permanenti (di sezione trasversale rettangolare) che sono disposti (alloggiati) nelle cave 8 del nucleo 4 magnetico (ovvero nelle cave 8 ricavate attraverso il nucleo 4 magnetico). Secondo una possibile forma di attuazione, tra le coppie di magneti 9 permanenti sono interposti degli inserti 10 in metallo non ferromagnetico che definiscono dei traferri che indirizzano il flusso magnetico; in alternativa, gli inserti 10 sono sostituiti da fori passanti (ovvero da “aria”) oppure sono del tutto assenti.

Secondo quanto illustrato nella figura 1, il rotore 1 comprende una coppia di dischi 11 di estremità, i quali sono disposti attorno all’albero 2 alle due estremità opposte del nucleo 4 magnetico e sono atti a mantenere serrati a pacco i lamierini 5 del nucleo 4 magnetico. In altre parole, i due dischi 11 di estremità costituiscono le due estremità opposte del rotore 1 e mantengono i lamierini 5 del nucleo 4 magnetico compressi assialmente per mantenere serrati a pacco i lamierini 5 stessi.

I dischi 11 di estremità sono atti a presentare dei fori 12 di equilibratura (illustrati nella figura 7) che bilanciano il rotore 1 attorno all’asse 3 di rotazione. Per permettere al rotore 1 di operare a regimi di rotazione elevati garantendo, nel contempo, una vita operativa lunga è necessario minimizzare le vibrazioni che si generano durante il funzionamento e che devono venire assorbite dai cuscinetti che supportano l’albero 2. A tale scopo è spesso necessario procedere ad una equilibratura del rotore 1 in modo tale da ridurre gli sbilanciamenti (dovuti alle inevitabili tolleranze costruttive) che generano vibrazioni durante la rotazione.

Per consentire l’equilibratura del rotore 1, vengono utilizzati i due dischi 11 di estremità che agiscono come equilibratori grazie ad asimmetrie calibrate nella loro massa generate dai fori 12 di equilibratura. Nella forma di attuazione illustrata nella figura 7, i fori 12 di equilibratura sono ciechi e sono disposti radialmente (ovvero perpendicolarmente all’asse 3 di rotazione); in alternativa o in aggiunta i fori 12 di equilibratura potrebbero essere disposti assialmente (ovvero parallelamente all’asse 3 di rotazione) ed essere in questo caso ciechi o passanti.

Ovviamente la presenza, il numero, la disposizione e la profondità dei fori 12 di equilibratura sono assolutamente casuali e possono variare completamente da rotore 1 a rotore 1 in quanto dipendono dallo sbilanciamento effettivo (dovuto alle tolleranze costruttive) del rotore 1 al termine della sua realizzazione. In linea teorica, è anche possibile che un rotore 1 sia del tutto privo dei fori 12 di equilibratura in quanto, per una fortuna combinazione delle tolleranze costruttive, al termine della sua realizzazione non presenta alcuno sbilanciamento attorno all’asse 3 di rotazione.

Secondo quanto meglio illustrato nelle figure 5 e 6, ciascun disco 11 di estremità è costituito da un componente 13 interno di forma anulare che è disposto attorno all’albero 2 ed è realizzato in un primo materiale metallico e da un componente 14 esterno di forma anulare che è disposto attorno al componente 13 interno ed è realizzato in un secondo materiale metallico che è diverso dal primo materiale metallico. In altre parole, ciascun disco 11 di estremità è costituito da due componenti 13 e 14 di forma anulare disposti uno all’interno dell’altro.

Il primo materiale metallico che costituisce i componenti 13 interni è ferromagnetico e presenta elevate prestazioni meccaniche (tipicamente presenta un alto carico di snervamento ed un alto carico di rottura); in particolare, il primo materiale metallico che costituisce i componenti 13 interni presenta prestazioni meccaniche superiori (tipicamente un più alto carico di snervamento ed un più alto carico di rottura) rispetto al secondo materiale metallico che costituisce i componenti 14 esterni. Il secondo materiale metallico che costituisce i componenti 14 esterni, a differenza del primo materiale metallico che costituisce i componenti 13 interni, è amagnetico (cioè non ferromagnetico); a titolo di esempio, il secondo materiale metallico che costituisce i componenti 14 esterni potrebbe essere acciaio Inox.

Secondo una preferita forma di attuazione, in ciascun disco 11 di estremità, il componente 14 esterno è accoppiato ad interferenza con il componente 13 interno. In altre parole, in ciascun disco 11 di estremità, il componente 14 esterno è collegato mediante calettamento forzato al componente 13 interno (quindi la trasmissione delle forze tra i due componenti 13 e 14 avviene tramite l’attrito che si sviluppa fra le due superfici a contatto); sono quindi vincolate sia le rotazioni attorno all’asse 3 di rotazione, sia gli spostamenti relativi radiali ed assiali. In particolare, questo tipo di calettamento consiste nell’accoppiamento fra i due componenti 13 e 14 con diametri che presentano una determinata interferenza e non prevede materiale intermedio (come boccole, elementi di serraggio, linguette…).

L’accoppiamento forzato tra i due componenti 13 e 14 di ciascun disco 11 di estremità può venire realizzato in due modalità: per forzamento longitudinale in cui i due componenti 13 e 14 vengono accoppiati tramite l’applicazione di una forza alla pressa, oppure per forzamento trasversale che implica la modifica del diametro del componente 13 interno e/o del componente 14 esterno per effetto termico (riscaldamento del componente 14 esterno o raffreddamento del componente 13 interno); in quest’ultimo caso il forzamento viene realizzato quando la temperatura dei due componenti 13 e 14 ritorna ai valori ambientali.

Secondo altre forme di attuazione non illustrate, in ciascun disco 11 di estremità, l’accoppiamento meccanico tra i due componenti 13 e 14 viene realizzato mediante soluzione diverse dal calettamento ad interferenza, ad esempio mediante saldatura oppure mediante delle boccole/spine/grani. In sostanza, in ciascun disco 11 di estremità, i due componenti 13 e 14 devono venire collegati (montati) tra loro con una qualsiasi modalità tale per cui i due componenti 13 e 14 diventino un pezzo unico.

Secondo una preferita forma di attuazione, in ciascun disco 11 di estremità il componente 13 interno è accoppiato ad interferenza con l’albero 2. In altre parole, in ciascun disco 11 di estremità, il componente 13 interno è collegato mediante calettamento forzato all’albero 2 secondo le modalità descritte in precedenza. Secondo altre forme di attuazione non illustrate, in ciascun disco 11 di estremità, l’accoppiamento meccanico tra il componente 13 interno e l’albero 2 viene realizzato mediante soluzione diverse dal calettamento ad interferenza, ad esempio mediante saldatura oppure mediante delle boccole/spine/grani.

Secondo una preferita forma di attuazione, inizialmente ciascun componente 13 interno viene accoppiato ad un componente 14 esterno per costituire il corrispondente disco 11 di estremità e successivamente il disco 11 di estremità viene accoppiato all’albero 2; in altre parole, prima vengono assemblati i due dischi 11 di estremità (accoppiando i corrispondenti componenti 13 e 14) e quindi i dischi 11 di estremità completi vengono montati sull’albero 2 per stringere a pacco i lamierini 5 del nucleo 4 magnetico.

Secondo una preferita, ma non vincolante, forma di attuazione illustrata nelle figure allegate e ben visibile nelle figure 9 e 10, in ciascun disco 11 di estremità, i due componenti 13 e 14 sono conformati per realizzare un incastro meccanico che impedisce lo scorrimento assiale in allontanamento dal nucleo 4 magnetico del componente 14 esterno rispetto al componente 13 interno. In particolare, il componente 13 interno presenta internamente uno spallamento 15 anulare che va in battuta contro un analogo spallamento 16 anulare del componente 14 esterno in modo tale da impedire lo scorrimento assiale in allontanamento dal nucleo 4 magnetico del componente 14 esterno rispetto al componente 13 interno.

Secondo la (non limitativa) forma di attuazione illustrata nelle figure allegate, in ciascun disco 11 di estremità, il componente 13 interno presenta una serie di fori 17 di alleggerimento passanti disposti assialmente (ovvero parallelamente all’asse 3 di rotazione) e simmetricamente attorno all’asse 3 di rotazione.

Secondo quanto illustrato nelle figure 4, 6, 8 e 10, in ciascun disco 11 di estremità, il componente 13 interno presenta una serie di rientranze 18 (concavità, avvallamenti, incavi) che si originano da un bordo esterno del componente 13 interno e sono preferibilmente conformate ad “U”. Tali rientranze 18 sono disposte in corrispondenza (in prossimità) delle cave 8 del nucleo 4 magnetico (ovvero dei magneti 9 permanenti alloggiati nelle cave 8) in modo tale da creare un traferro tra il nucleo 4 magnetico ed il componente 13 interno in corrispondenza (in prossimità) delle cave 8 e quindi ridurre il flusso magnetico generato dai magneti 9 permanenti che interessa il componente 13 interno (come detto in precedenza, il primo materiale metallico che costituisce i componenti 13 interni è ferromagnetico).

Nella forma di attuazione illustrata nelle figure allegate, le rientranze 18 di ciascun componente 13 interno non sono passanti e sono disposte dal lato del nucleo 4 magnetico. Secondo una altra forma di attuazione non illustrata, le rientranze 18 di ciascun componente 13 interno sono passanti (ovvero attraversano il componente 13 interno da parte a parte).

Le forme di attuazione qui descritte si possono combinare tra loro senza uscire dall'ambito di protezione della presente invenzione.

Il rotore 1 sopra descritto presenta numerosi vantaggi.

Infatti, i dischi 11 di estremità sono in grado di mantenere i lamierini 5 del nucleo 4 magnetico ben impaccati (ovvero i dischi 11 di estremità sono in grado di resistere senza deformazioni plastiche, ovvero senza plasticizzarsi) anche in presenza di carichi elevati (tipici nei rotori di dimensioni maggiori) senza, nel contempo, presentare perdite di potenza per correnti parassite significative.

Questo risultato viene ottenuto dividendo ciascun disco 11 di estremità nei due componenti 13 e 14 che sono disposti in posizioni diverse, sono costituiti di materiali metallici diversi ed hanno funzioni diverse: il componente 13 interno che deve tenere le forze assiali e non è interessato da campi magnetici significativi è realizzato in un primo materiale metallico ferromagnetico e molto resistente (ovvero con un elevato carico di snervamento), mentre il componente 14 esterno che non è sottoposto a carichi meccanici rilevanti ed è invece potenzialmente interessato da campi magnetici elevati è realizzato in un secondo materiale amagnetico e relativamente poco resistente. In altre parole, ciascun disco 11 di estremità è costituito dall’unione di due componenti 13 e 14, ciascuno dei quali ha una propria funzione specifica e quindi è realizzato in un materiale metallico ottimizzato per svolgere tale funzione.

Inoltre, il rotore 1 sopra descritto è di semplice ed economica realizzazione, in quanto la produzione di ciascun disco 11 di estremità richiede l’utilizzo di materiali metallici convenzionali e di tecnologie produttive convenzionali.

ELENCO DEI NUMERI DI RIFERIMENTO DELLE FIGURE

1 rotore

2 albero

3 asse di rotazione

4 nucleo magnetico

5 lamierini

6 foro centrale

7 fori di alleggerimento

8 cave

9 magneti permanenti

10 inserti

11 dischi di estremità

12 fori di equilibratura

13 componente interno

14 componente esterno

15 spallamento

16 spallamento

17 fori di alleggerimento

18 rientranze

Claims

1) Rotore (1) per una macchina elettrica rotante; il rotore (1) comprende: un albero (2) montato girevole attorno ad un asse (3) di rotazione; un nucleo (4) magnetico che è disposto attorno all’albero (2) ed è composto da una pluralità di lamierini (5) serrati a pacco; ed una coppia di dischi (11) di estremità, i quali sono disposti attorno all’albero (2) alle due estremità opposte del nucleo (4) magnetico e sono atti a mantenere serrati a pacco i lamierini (5) del nucleo (4) magnetico; in cui i dischi (11) di estremità sono atti a presentare dei fori (12) di equilibratura che bilanciano il rotore (1) attorno all’asse (3) di rotazione; il rotore (1) è caratterizzato dal fatto che ciascun disco (11) di estremità è costituito da un componente (13) interno di forma anulare che è disposto attorno all’albero (2) ed è realizzato in un primo materiale metallico e da un componente (14) esterno di forma anulare che è disposto attorno al componente (13) interno ed è realizzato in un secondo materiale metallico che è diverso dal primo materiale metallico ed è amagnetico.

2) Rotore (1) secondo la rivendicazione 1, in cui il primo materiale metallico è ferromagnetico.

3) Rotore (1) secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui il primo materiale metallico presenta prestazioni meccaniche superiori rispetto al secondo materiale metallico.

4) Rotore (1) secondo la rivendicazione 1, 2 o 3, in cui, in ciascun disco (11) di estremità, il componente (14) esterno è accoppiato ad interferenza con il componente (13) interno.

5) Rotore (1) secondo una delle rivendicazioni da 1 a 4, in cui, in ciascun disco (11) di estremità, il componente (13) interno è accoppiato ad interferenza con l’albero (2).

6) Rotore (1) secondo una delle rivendicazioni da 1 a 5, in cui, in ciascun disco (11) di estremità, i due componenti (13, 14) sono conformati per realizzare un incastro meccanico che impedisce lo scorrimento assiale in allontanamento dal nucleo (4) magnetico del componente (14) esterno rispetto al componente (13) interno.

7) Rotore (1) secondo una delle rivendicazioni da 1 a 6, in cui, in ciascun disco (11) di estremità, il componente (13) interno presenta una serie di fori (17) di alleggerimento passanti disposti simmetricamente attorno all’asse (3) di rotazione.

8) Rotore (1) secondo una delle rivendicazioni da 1 a 7 e comprendente: una serie di cave (8) assiali ricavate all’interno del nucleo (4) magnetico; ed una serie di magneti (9) permanenti disposti nelle cave (8) del nucleo (4) magnetico.

9) Rotore (1) secondo la rivendicazione 8, in cui, in ciascun disco (11) di estremità, il componente (13) interno presenta una serie di rientranze (18) che si originano da un bordo esterno del componente (13) interno e sono disposte in corrispondenza delle cave (8) del nucleo (4) magnetico.

10) Rotore (1) secondo la rivendicazione 8 o 9, in cui, in ciascun disco (11) di estremità, il componente (13) interno presenta una serie di rientranze (18) che sono conformate ad “U”, si originano da un bordo esterno del componente (13) interno e sono disposte in corrispondenza dei magneti (9) permanenti.

11) Rotore (1) secondo la rivendicazione 9 o 10, in cui le rientranze (18) di ciascun componente (13) interno non sono passanti e sono disposte dal lato del nucleo (4) magnetico.

12) Rotore (1) secondo la rivendicazione 9 o 10, in cui le rientranze (18) di ciascun componente (13) interno sono passanti.

13) Rotore (1) secondo una delle rivendicazioni da 1 a 12, in cui inizialmente ciascun componente (13) interno viene accoppiato ad un componente (14) esterno per costituire il corrispondente disco (11) di estremità e successivamente il disco (11) di estremità viene accoppiato all’albero (2).