IT201800007097A1 - Circuito elettrico stratificato per lo statore di una macchina elettrica rotante - Google Patents

Description

TITOLO: “Circuito elettrico stratificato per lo statore di una macchina elettrica rotante”

DESCRIZIONE

Campo di applicazione

L'invenzione riguarda un circuito elettrico formato da una pluralità di strati costituiti ad esempio da circuiti stampati. L’invenzione trova applicazione in particolare in motori elettrici a flusso assiale per la trazione di veicoli.

Descrizione dello stato della tecnica

I motori a flusso assiale 100, come mostrato nelle figure 1 e 2, comprendono almeno uno statore 110 ed un rotore 120, di forma cilindrica o anulare, affacciati fra loro in direzione longitudinale, ovvero la direzione in cui si estende l’asse di rotazione del rotore. Possono essere presenti ad esempio uno statore interposto fra due rotori fissati fra loro.

Secondo la forma costruttiva più comune il rotore 120 presenta magneti permanenti 121, mentre lo statore 110 comprende nuclei in materiale ferromagnetico 111 ed avvolgimenti in fili conduttivi 113 per indurre nei nuclei un campo magnetico variabile. Gli avvolgimenti 113 sono realizzati su appositi rocchetti, e sono quindi fissati assieme ai nuclei 111 ad apposite sedi di una struttura di supporto (non illustrata), ad esempio per annegamento in resina.

Questo tipo di realizzazione richiede una notevole quantità di manodopera, il che rende il motore poco adatto ad essere prodotto in serie. Inoltre, la struttura di supporto dello statore è particolarmente ingombrante e pesante e non favorisce lo scambio termico con l’ambiente esterno. Sarebbe invece desiderabile che il calore prodotto negli avvolgimenti 113 si disperdesse rapidamente, in modo da ridurre il rischio di surriscaldamenti e consentire l’utilizzo di correnti più elevate.

Per motori a flusso assiale di piccole potenze è nota la possibilità di realizzare gli avvolgimenti di statore in circuito stampato, come mostrato ad esempio nel documento US 5589722.

I circuiti stampati comprendono uno strato di supporto in materiale elettricamente isolante, ad esempio vetroresina epossidica, al quale sono applicate piste conduttive. Si osservi che nei motori con avvolgimenti in circuito stampato non è prevista la presenza di rocchetti o ulteriori strutture di supporto che garantiscano il corretto posizionamento degli avvolgimenti. Infatti, essi sono formati direttamente, e quindi fissati stabilmente, sulle facce degli strati di supporto isolante.

Inoltre, in tali motori, generalmente di piccole dimensioni, non è prevista la presenza di nuclei magnetici, e quindi la tipica struttura per il supporto degli avvolgimenti e dei nuclei risulta superflua. In altre parole, lo statore può essere costituito da un singolo circuito stampato o da un numero contenuto di strati di circuiti stampati sovrapposti e fissati fra di loro.

Per realizzare le piste conduttive usualmente si riveste una superficie del supporto isolante con una lamina metallica, ad esempio in rame, e successivamente si asporta il metallo esternamente alle piste da realizzare. Come è noto, nei circuiti stampati possono essere presenti piste conduttive anche su entrambe le facce del supporto isolante. In tal caso, le piste sulle superfici opposte possono essere connesse elettricamente fra loro mediante foratura del supporto isolante e metallizzazione del foro con processi chimici o elettrolitici.

Per aumentare la potenza del motore una pluralità di circuiti stampati possono essere sovrapposti ed incollati fra loro, formando una struttura stratificata. Al fine di connettere elettricamente piste di diversi strati, secondo una tecnica nota anche al di fuori del settore dei motori elettrici, dopo l’incollaggio tutti gli strati della struttura vengono forati simultaneamente, ed i fori così ottenuti vengono metallizzati. Il metallo che riempie tali fori pertanto forma una barretta che attraversa i fori di tutti gli strati.

Si possono quindi avere fori metallizzati in un singolo strato per connettere le piste sulle facce opposte, senza che la metallizzazione coinvolga gli strati adiacenti, e fori metallizzati che si estendono per tutto lo spessore della struttura, coinvolgendo tutti gli strati.

In ogni caso, in un motore elettrico è preferibile avere un collegamento in serie delle piste di almeno alcuni strati. È quindi desiderabile connettere le piste di diversi strati a due a due, e non connettere le piste di tutti gli strati ai medesimi fori metallizzati. Tuttavia, con la tecnologia descritta è evidente che per connettere elettricamente una qualsiasi coppia di strati è necessario realizzare fori metallizzati che coinvolgano anche strati non direttamente interessati alla connessione, togliendo spazio utile per le loro piste conduttive. Ciò comporterebbe un aumento considerevole delle dimensioni del motore per la connessione anche solo di un numero esiguo di strati.

In aggiunta, il processo chimico di metallizzazione dei fori è efficace solamente per strutture stratificate composte da un numero limitato di strati, fino ad uno spessore massimo di circa 2 mm, a meno di non utilizzare tecnologie specialistiche che ad oggi comportano costi notevoli. Ciò impedisce di realizzare motori con potenze relativamente elevate, ad esempio dell’ordine di alcune decine o centinaia di chilowatt. Il documento JPH10248224 mostra un motore elettrico a flusso assiale in cui lo statore è formato da una struttura stratificata di circuiti stampati connessi fra loro in un modo alternativo alla tecnica illustrata. Le piste conduttive sono presenti su una sola faccia di ogni supporto isolante. Per connettere le piste di uno strato con le piste dello strato sottostante si realizza un foro nel supporto isolante di un singolo strato, il quale viene riempito con una colla conduttiva che raggiunge la pista dello strato sottostante.

La richiedente tuttavia ha osservato che in tale motore il contatto elettrico fra strati distinti passa per una sezione molto limitata, ovvero la sezione del foro riempito di colla conduttiva. Ciò è ammissibile solamente per correnti di bassa intensità, mentre per correnti più elevate è necessario aumentare il numero di fori. Anche la potenza di questo motore è quindi limitata, in particolare dal numero massimo di fori praticabili e dalla resistenza di connessione fra piste di strati diversi.

Sommario dell’invenzione

Scopo della presente invenzione è di risolvere i problemi esposti sopra in riferimento alla tecnica nota. In particolare, uno scopo dell’invenzione è di fornire una connessione alternativa fra piste di circuiti stampati sovrapposti, che coinvolga solamente due strati adiacenti e non l’intera struttura stratificata.

Ulteriore scopo dell’invenzione è di fornire una macchina elettrica rotante realizzabile in serie con tecnologia PCB adatta a sviluppare potenze elevate, ad esempio pari a 170 kW di picco, essendo dotate di un numero elevato di strati adatti a portare correnti significative rispetto alla tecnica nota.

Un altro scopo dell’invenzione è di realizzare un motore a flusso assiale, anche con potenze significative ed eventualmente la presenza di nuclei magnetici, nel quale non sia necessaria la presenza delle note strutture di supporto costose ed ingombranti, che inoltre non consentono uno scambio termico ottimale con l’ambiente esterno.

Questi ed altri scopi sono conseguiti mediante un circuito elettrico stratificato o uno statore per una macchina elettrica rotante secondo una qualsiasi delle unite rivendicazioni.

Nel circuito secondo l’invenzione un materiale di connessione elettricamente conduttivo è applicato sulla superficie delle piste di strati distinti per connetterle fra loro. Materiali di connessione adatti a questo scopo sono ad esempio una colla contenente microgranuli d’argento ed una pasta di saldatura. È quindi possibile garantire un’ampia sezione di connessione senza praticare un numero elevato di fori. Inoltre, lo spessore della struttura stratificata ottenuta non è limitato dalla profondità massima di fori da metallizzare. A seconda della forma delle piste e della posizione del materiale di connessione, le piste di diversi strati possono essere connesse fra loro in serie o in parallelo. Similmente, piste su facce opposte del medesimo strato possono essere connesse in serie o in parallelo fra loro, ad esempio mediante fori metallizzati che si estendono per un singolo strato.

Lo statore secondo l’invenzione, oltre a poter portare una corrente notevole superando le potenze della tecnica nota per i motori a flusso assiale con avvolgimenti in circuito stampato, è particolarmente robusto grazie al fissaggio di vari strati di circuiti stampati. Inoltre, praticando aperture nei singoli strati, è possibile ottenere sedi che si estendono attraverso lo spessore dello statore ed alloggiarvi nuclei ferromagnetici.

L’invenzione fornisce quindi la possibilità di realizzare motori a flusso assiale in cui la struttura di supporto sia per gli avvolgimenti che per i nuclei è costituita dagli strati stessi di circuito stampato, ed in particolare dai supporti in materiale isolante. Non sono invece previste ulteriori strutture di supporto, né rocchetti per il sostegno di avvolgimenti. Ne beneficiano quindi il peso ed il volume del motore, e la dispersione del calore prodotto nelle piste conduttive, con un aumento della massima corrente sopportabile dal motore. Inoltre, l’assemblaggio del motore è semplificato, ed il suo costo può essere quindi ridotto.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

Le caratteristiche ed i vantaggi della presente invenzione risulteranno evidenti dalla seguente descrizione dettagliata di una possibile forma di realizzazione pratica, illustrata a titolo di esempio non limitativo nell’insieme dei disegni, in cui:

- la figura 1 mostra una vista prospettica di un motore elettrico a flusso assiale secondo la tecnica nota,

- la figura 2 mostra una vista in esploso del motore di figura 1,

- la figura 3 mostra una vista prospettica di un motore in accordo con una forma realizzativa dell’invenzione,

- la figura 4 mostra una vista prospettica in esploso del motore della figura 3,

- la figura 5 mostra una vista dall’alto di uno strato del circuito elettrico presente nel motore di figura 3,

- le figure 6 e 7 mostrano piste conduttive associate alla faccia superiore ed alla faccia inferiore dello strato di figura 5,

- le figure 8 e 9 mostrano sottostrati del circuito presente nel motore di figura 3 disposti fra strati adiacenti,

- la figura 10 mostra una vista prospettica in esploso di un motore secondo una forma di realizzazione alternativa dell’invenzione,

- le figure 11 e 12 mostrano viste prospettiche in esploso di alcune parti dello statore del motore di figura 10,

- le figure 13 e 14 mostrano viste prospettiche anteriori e posteriori di un modulo del circuito del motore di figura 10,

- le figure 15 e 16 mostrano viste prospettiche di moduli di alcuni strati di un circuito elettrico stratificato secondo un’ulteriore forma realizzativa dell’invenzione,

- le figure 17 e 18 mostrano viste prospettiche anteriori e posteriori di un primo dei moduli delle figure 15 e 16, e

- le figure 19 e 20 mostrano viste prospettiche anteriori e posteriori di un secondo dei moduli delle figure 15 e 16.

Descrizione dettagliata

In riferimento alle unite figure, una macchina elettrica rotante, in particolare un motore elettrico, è indicata con il numero 100. La macchina elettrica rotante 100 comprende almeno uno statore 110 ed un rotore 120, ad esempio di forma cilindrica o anulare. Nella forma realizzativa mostrata nelle figure il motore 100 comprende uno statore 110 e due rotori 120.

Il rotore 120 è connesso in rotazione allo statore 110 attorno ad un asse che si estende lungo una direzione longitudinale X-X. Il rotore 120 comprende una pluralità di regioni polari, che nella forma realizzativa preferita sono individuate da magneti permanenti 121. Le regioni polari del rotore 120 sono affacciate allo statore 110 lungo la direzione longitudinale X-X.

Lo statore 110 comprende una pluralità di regioni polari che sono individuate da un circuito elettrico stratificato 1 e da una pluralità di nuclei 111 in materiale ferromagnetico. Le regioni polari dello statore 110 sono affacciate al rotore 120 lungo la direzione longitudinale X-X.

Sebbene il circuito 1 sia mostrato nelle figure solamente in riferimento ad uno statore 110 di una macchina elettrica rotante 100, un simile circuito 1 può trovare applicazione anche al di fuori del settore delle macchine elettriche.

Il circuito 1 comprende una pluralità di strati 2A, 2B, 2C sovrapposti e distanziati fra loro lungo la direzione assiale X-X.

Gli strati 2A, 2B, 2C sono fissati fra loro, ad esempio per incollatura mediante una colla elettricamente isolante 21 applicata agli strati 2A, 2B, 2C in corrispondenza di rispettive porzioni di fissaggio. La colla elettricamente isolante 21, ad esempio una colla epossidica, viene applicata preferibilmente per serigrafia. Si può così opportunamente evitare che la colla elettricamente isolante 21 sia presente anche all’esterno delle porzioni di fissaggio. Successivamente all’applicazione, può essere richiesto di fornire calore alla colla elettricamente isolante 21 per ottenerne la polimerizzazione ed un fissaggio stabile. È comunque possibile fissare gli strati 2A, 2B, 2C fra loro anche con altri mezzi noti ai tecnici del settore.

Nel seguito si farà riferimento particolarmente allo strato 2A ed allo strato 2B, adiacente al 2A, per descrivere caratteristiche che sono applicabili a tutti gli strati 2A, 2B, 2C del circuito 1.

Lo strato 2A comprende un supporto isolante 3 avente due opposte facce 31, 32 piane e parallele, almeno una delle quali è affacciata ad uno strato adiacente 2B. Il supporto isolante 3 può essere ad esempio una scheda, realizzata in un polimero termoindurente come vetroresina epossidica.

Lo strato 2A comprende inoltre almeno due opposte piste conduttive planari 4 fissate al supporto isolante 3 in corrispondenza delle due opposte facce 31, 32. Il supporto isolante 3 risulta quindi interposto fra le opposte piste conduttive 4. Le piste 4 sono generalmente piste metalliche, ad esempio piste in rame.

Preferibilmente, il supporto isolante 3 e le piste 4 di ciascuno strato 2A, 2B, 2C definiscono un circuito stampato. Si osservi che il materiale di cui sono composti i supporti isolanti 3 ed il materiale che incolla fra loro gli strati 2A, 2B, 2C possono favorire la dispersione del calore generato nelle piste 4.

Chiaramente, tutte le piste conduttive 4 di tutti gli strati 2A, 2B, 2C sono quindi associate stabilmente alle facce 31, 32 dei supporti isolanti 3. Si osservi che nello statore 110 le piste conduttive 4 individuando avvolgimenti conduttivi per indurre un campo magnetico nei nuclei 111. Pertanto, i supporti isolanti 3 degli strati 2A, 2B, 2C del circuito elettrico stratificato 1 individuando una struttura di supporto a cui sono associati gli avvolgimenti conduttivi.

Perciò, con il fissaggio di tutti gli strati 2A, 2B, 2C, è garantito il posizionamento stabile di tutte le piste conduttive 4 senza che siano previsti ulteriori strutture di supporto a cui le piste 4 debbano essere fissate individualmente. Si evita in particolare la presenza di rocchetti per ogni avvolgimento, e di strutture dotate di sedi per il fissaggio di tutti i rocchetti.

Lo spessore del supporto isolante 3 può essere compreso fra 50 e 200 µm, ad esempio pari a 100 µm. Lo spessore di ogni pista conduttiva 4 può essere invece compreso fra 100 e 500 µm, preferibilmente fra 200 e 300 µm. Si osservi che le piste conduttive 4 occupano una parte notevole nello spessore di ogni strato 2A, 2B, 2C. Ciò consente al circuito di aumentare la corrente portata a parità di spessore complessivo e numero di spire.

Ciascuna pista 4 presenta una prima superficie ed una opposta seconda superficie. La prima superficie della pista 4 è rivolta verso il supporto 3 ed è associata ad una faccia 31, 32 del supporto 3 secondo tecniche note, mentre la seconda superficie della pista 4 è rivolta verso lo strato adiacente 2B.

La seconda superficie di ciascuna pista conduttiva 4 presenta una porzione di connessione 41, per la connessione di piste conduttive 4 associate a supporti isolanti 3 di strati 2A, 2B, 2C distinti. In dettaglio, un materiale di connessione 5 elettricamente conduttivo è applicato alle seconde superfici delle piste conduttive 4 di strati 2A, 2B fra loro adiacenti, in corrispondenza delle rispettive porzioni di connessione 41. Perciò una pista conduttiva 4 di uno strato 2A è connessa elettricamente ad una pista conduttiva 4 di uno strato adiacente 2B mediante il materiale di connessione 5 disposto fra le due piste 4.

Le porzioni di connessione 41 sono distinte dalle porzioni di fissaggio per non sovrapporre o mescolare il materiale di connessione 5 con la colla elettricamente isolante 21.

Il materiale di connessione 5 e la colla elettricamente isolante 21 definiscono quindi un sottostrato disposto fra strati 2A, 2B adiacenti. Tale sottostrato può avere uno spessore compreso ad esempio fra 20 e 100 µm, preferibilmente pari a 50 µm. Nelle figure 8 e 9 sono mostrati esempi di sottostrati 22, in cui sono visibili la disposizione della colla elettricamente isolante 21 delle porzioni di fissaggio, e la disposizione del materiale di connessione 5 applicato alle porzioni di connessione 41. I due esempi sono relativi alla connessione rispettivamente fra un primo ed un secondo strato 2A, 2B, e fra un secondo ed un terzo strato 2B, 2C, per la forma realizzativa mostrata nelle figure da 3 a 9.

Il materiale di connessione 5 può essere una pasta elettricamente conduttiva, opzionalmente con proprietà di adesione alle seconde superfici delle piste conduttive 4. Un esempio di pasta elettricamente conduttiva è infatti una colla contenente microgranuli metallici, in particolare microgranuli d’argento. I microgranuli metallici preferibilmente rappresentano almeno il 60% in peso della pasta elettricamente conduttiva.

Si osservi che tale colla può avere una temperatura di polimerizzazione minore di 200°C, in particolare compresa fra 100 e 180°C, pari ad esempio a 140°C. Vantaggiosamente la colla può essere utilizzata senza danneggiare il supporto isolante 3, quando questo sia realizzato con i materiali tipici dei supporti per circuiti stampati. Una pasta elettricamente conduttiva alternativa è una pasta di saldatura metallica, ad esempio una pasta a base di stagno.

In un’altra forma di realizzazione il materiale di connessione 5 è fornito mediante un foglio disposto fra strati 2A, 2B adiacenti ed impregnato almeno parzialmente di una pasta o soluzione elettricamente conduttiva. Ad esempio, il foglio può essere totalmente impregnato ed essere disposto esclusivamente in corrispondenza delle porzioni di connessione 41, oppure il foglio può estendersi per una porzione prevalente delle superfici contrapposte degli strati adiacenti 2A, 2B ed essere impregnato con la soluzione conduttiva solamente in corrispondenza delle porzioni di connessione 41. Grazie all’applicazione del materiale di connessione 5 sulle seconde superfici, le piste conduttive 4 di un gran numero di strati 2A, 2B, 2C possono essere connesse elettricamente fra loro in modo affidabile ed estremamente flessibile. Infatti, le piste 4 possono essere connesse esattamente nella regione desiderata, con una sezione di connessione adeguata anche a correnti elevate, senza coinvolgere nella connessione altri strati 2A, 2B, 2C.

In aggiunta, non è necessario metallizzare fori che si estendano per vari strati 2A, 2B, 2C mediante procedure che sono efficaci solamente per spessori limitati, oppure che comportano costi elevati.

Si può quindi realizzare un circuito 1 avente uno spessore complessivo maggiore rispetto alla tecnica nota, ad esempio superiore a 1 cm, preferibilmente fra 2 e 10 cm. Con simili spessori, grazie anche alla rigidità che può avere un comune supporto isolante 3 per circuiti stampati, si ottiene una struttura estremamente rigida e robusta, adatta a sostenere i nuclei magnetici 111 che possono essere fissati ad essa ad esempio mediante una resina.

In particolare, il circuito 1 presenta una pluralità di sedi 112 in cui sono alloggiati i nuclei 111. Non è quindi necessaria alcuna ulteriore struttura di supporto a cui fissare sia i nuclei 111 che gli avvolgimenti 113 del circuito 1. In altre parole, il circuito 1 fornisce esso stesso una struttura di supporto per la pluralità di nuclei 111, mentre le piste conduttive 4 sono supportate sulle facce 31, 32 dei supporti isolanti 3 di ogni strato 2A, 2B, 2C. La realizzazione dello statore 110 senza strutture di supporto specifiche per nuclei 111 e piste conduttive 4 ne semplifica la realizzazione in serie e riduce i costi. Più in dettaglio, ogni strato 2A, 2B, 2C presenta una pluralità di aperture 6, e le aperture 6 di diversi strati 2A, 2B, 2C sono affacciate fra loro per definire le sedi 112 in cui sono alloggiati i nuclei 111. Gli avvolgimenti conduttivi sono disposti ciascuno attorno a una rispettiva sede 112, ovvero le piste conduttive 4 sono disposte ciascuna attorno ad una rispettiva apertura 6, per indurre un campo magnetico nei nuclei 111 quando sono percorse da corrente.

Nel motore 100 mostrato nelle figure ogni strato comprende una prima pluralità di piste conduttive 4 associate ad una prima faccia 31 del supporto 3, ed una seconda pluralità di piste conduttive 4 associate ad una seconda faccia 32 del supporto 3 opposta alla prima. In dettaglio, ogni strato 3 comprende su ogni faccia 31, 32 del supporto isolante 3 una pista 4 per ogni regione polare dello statore 110, ovvero una pista 4 per ogni apertura 6. Si osservi che tutte le piste 4 relative ad una medesima sede 112 dello statore 110 sono disposte in modo tale da condurre una corrente predeterminata attorno alla sede 112 secondo un orientamento di avvolgimento comune, ad esempio orario o antiorario (quando osservate tutte dal medesimo lato del motore).

Ciascuna pista conduttiva 4 presenta una prima porzione terminale 42, una seconda porzione terminale 43, ed una porzione intermedia 44 che connette le porzioni terminali 42, 43.

Due piste conduttive 4 su due facce opposte 31, 32 di un supporto isolante 3 sono connesse fra loro elettricamente. Preferibilmente, a tale scopo il supporto isolante 3 presenta una porzione perforata 33 in cui è ricavato almeno un foro metallizzato 45. Nelle forme realizzative delle figure sono sempre mostrati una pluralità di fori metallizzati 45. Comunque, è possibile realizzare il circuito 1 senza che siano presenti fori metallizzati che coinvolgano l’intero spessore longitudinale del circuito. Invece, i fori metallizzati 45 che collegano le piste 4 sulle due facce 31, 32 del medesimo supporto isolante 3 contengono un metallo che non è in contatto diretto con strati 2A, 2B, 2C adiacenti.

In dettaglio, le porzioni perforate 33 si estendono almeno in corrispondenza delle prime porzioni terminali 42 delle piste conduttive 4. Complementarmente, le porzioni di connessione 41 si estendono almeno all’interno delle seconde porzioni terminali 43 delle piste conduttive 4. A seconda della disposizione dei fori 45 e del materiale di connessione 5 è possibile connettere in serie o in parallelo piste conduttive 4 consecutive fra loro, disposte su strati 2A, 2B adiacenti o su facce opposte 31, 32 del medesimo supporto isolante 3.

Si deve intendere che all’esterno delle porzioni perforate 33 il supporto isolante 3 si frappone fra le piste 4 disposte sulle facce 31 opposte del medesimo strato 2A, impedendo un contatto elettrico diretto fra di esse. In particolare, il supporto isolante 3 esternamente alle porzioni perforate 33 risulta privo di fori.

In generale, una corrente elettrica può fluire fra due piste conduttive 4 dello stesso strato 2A attraverso la porzione perforata 33. Inoltre, la corrente elettrica può fluire fra due piste conduttive 4 di due strati 2A, 2B adiacenti attraverso la porzione di connessione 41. Ovviamente la corrente, nel passare da una porzione perforata 33 ad una porzione di connessione 41 può percorrere la pista conduttiva 4 dalla prima alla seconda porzione terminale 42, 43, lungo la porzione intermedia 44 (o viceversa dalla porzione di connessione 41 alla porzione perforata 33).

In una prima forma realizzativa, mostrata particolarmente nelle figure 3-9, le piste 4 su facce opposte 31, 32 dei supporti isolanti 3 sono connesse in parallelo. Pertanto, le porzioni perforate 33 presentano una pluralità di fori metallizzati 45 distribuiti in corrispondenza delle prime e seconde porzioni terminali 42, 43 delle piste conduttive 4, e preferibilmente anche delle porzioni intermedie 44.

Invece, le porzioni di connessione 41 ove è presente il materiale di connessione 5 sono disposte all’interno delle sole seconde porzioni terminali 43 delle piste conduttive 4. Pertanto, le piste 4 di strati distinti 2A, 2B, 2C sono fra loro in serie.

In questa forma realizzativa si minimizza quindi la resistenza associata al passaggio di corrente fra le facce opposte 31, 32 dei supporti isolanti 3.

In una seconda forma realizzativa (figure 10-14), le porzioni perforate 33 si estendono esclusivamente in corrispondenza delle prime porzioni terminali 42. In altre parole, le piste 4 su facce opposte del supporto isolante 3 sono fra loro in serie.

Comunque, in tale forma realizzativa le piste conduttive 4 di due strati adiacenti 2A, 2B sono sempre connesse fra loro in serie. Pertanto, le porzioni di connessione 41 sono disposte all’interno delle seconde porzioni terminali 43 delle piste conduttive 4. Viene così massimizzato il numero di avvolgimenti attorno ad ogni nucleo magnetico 111 a parità di numero di strati 2A, 2B, 2C.

In una terza forma realizzativa, mostrata nelle figure 15-20, le piste conduttive 4 consecutive di due strati adiacenti 2A, 2B sono connesse fra loro in parallelo, mentre le piste 4 su facce opposte 31, 32 di un medesimo strato 2A sono in serie. In particolare, le porzioni perforate 33 si estendono esclusivamente in corrispondenza delle prime porzioni terminali 42. Inoltre, le porzioni di connessione 41 si estendono in corrispondenza delle prime e seconde porzioni terminali 42, 43 delle piste conduttive 4, e preferibilmente anche lungo le porzioni intermedie 44. L’estensione delle porzioni di connessione 41 è quindi tale da minimizzare la resistenza associata al passaggio di corrente fra le piste 4 di due strati adiacenti 2A, 2B.

In ogni caso, almeno in questa forma realizzativa in cui vi è una maggiore estensione delle porzioni di connessione 41, è preferibile che le porzioni di connessione 41 si trovino fra due bordi laterali 46 delle piste conduttive 4 e che siano distanziate da tali bordi laterali 46, al fine di prevenire il rischio che il materiale di connessione 5 crei cortocircuiti fra diverse porzioni di una singola pista 4. Inoltre, le porzioni di fissaggio ove è applicata la colla elettricamente isolante 21 si estendono almeno lungo i bordi laterali 46 delle piste conduttive 4. In tal modo si garantisce un migliore isolamento elettrico delle piste 4 e del materiale di connessione 5 rispetto ad eventuali agenti esterni.

Si osservi che nelle forme realizzative proposte è possibile ripetere per i diversi strati 2A, 2B, 2C e sulle facce opposte 31, 32 degli strati un numero limitato di conformazioni delle piste conduttive 4, nonché di disposizioni delle porzioni perforate 33 e delle porzioni di connessione 41. Le disposizioni delle porzioni perforate 33 o delle porzioni di connessione 41 in particolare si possono considerare corrispondenti quando le porzioni perforate 33 o di connessione 41 relative a diversi strati 2A, 2B, 2C sono allineate fra loro lungo la direzione longitudinale X-X.

In dettaglio, nella forma realizzativa delle figure 3-9 le piste 4 associate a facce opposte 31, 32 di ogni strato sono simmetriche fra loro rispetto al supporto isolante 3. La forma delle piste 4 inoltre si ripete uguale per ogni strato 2A, 2B, 2C. Anche le porzioni perforate 33 hanno la medesima disposizione in tutti gli strati 2A, 2B, 2C. Invece, la disposizione delle porzioni di connessione 41 si ripete solamente a strati alterni.

Nella forma realizzativa delle figure 10-14 le porzioni perforate 33 hanno le medesime disposizioni per tutti gli strati 2A, 2B, 2C. Similmente, anche le porzioni di connessione 41 hanno le medesime disposizioni per tutti gli strati 2A, 2B, 2C. La forma delle piste 4 si ripete identica ad ogni strato 2A, 2B, 2C, ma entro ogni strato le piste 4 sulle facce opposte 31, 32 presentano forme differenti (né uguali, né simmetriche).

Infine, nella forma realizzativa delle figure 15-20 le disposizioni delle porzioni perforate 33 e delle porzioni di connessione 41 si ripetono solamente a strati alterni 2A, 2B, 2C. Similmente, le forme delle piste 4 si ripetono a strati alterni 2A, 2B, 2C. Inoltre, le piste 4 su facce opposte 31, 32 di ogni strato sono di forme differenti.

Queste condizioni servono, oltre che a facilitare la produzione in serie del circuito 1, anche per garantire che la corrente percorra tutte le piste 4 disposte attorno ad una sede 112 secondo un orientamento di avvolgimento comune.

Preferibilmente ogni strato 2A, 2B, 2C del circuito elettrico stratificato 1 è suddiviso in una pluralità di moduli 7 affiancati fra loro. In particolare, i moduli 7 di uno strato 2A sono affiancati angolarmente attorno all’asse di rotazione del rotore 120. Ciò è mostrato ad esempio per le forme realizzative delle figure da 10 a 20, ed è applicabile ovviamente anche alla forma realizzativa delle figure da 3 a 9.

Ciascun modulo 7 presenta una pluralità di aperture 6, ad esempio due aperture 6. Ciascun modulo 7 comprende inoltre due piste 4 per ogni faccia 31 del supporto isolante 3, ovvero quattro piste 4 per modulo 7. Ciascuna delle piste 4 si estende attorno ad una rispettiva apertura 6.

Nella forma realizzativa preferita, due aperture 6 di un modulo 7 di uno strato 2A sono affacciate ad aperture 6 di due moduli 7 distinti di un medesimo strato adiacente 2B. In altre parole, i moduli 7 di strati adiacenti 2A, 2B sono sfalsati fra loro angolarmente, in particolare per metà della loro ampiezza angolare. I moduli 7 preferibilmente sono compresi fra 3 e 36 per strato, per un’ampiezza angolare compresa fra 10° e 120°, ed uno sfasamento angolare fra moduli di strati adiacenti 2A, 2B compreso fra 5° e 60°. Nella forma realizzativa preferita i moduli sono 12 per strato, con un’ampiezza angolare di 30° ed uno sfasamento di 15°.

Con un simile sfasamento angolare, due moduli 7 adiacenti di un medesimo strato 2A sono fissati indirettamente fra loro in quanto entrambi sono fissati per incollatura ad un medesimo modulo 7 dello strato adiacente 2B. Non viene quindi a mancare la rigidità necessaria per lo statore 110, anche in assenza delle strutture di supporto della tecnica anteriore dedicate a sostenere gli avvolgimenti 113 ed i nuclei 111.

La realizzazione di ogni strato 2A, 2B, 2C suddiviso in moduli 7, invece che in un modulo 7 unico di forma circolare o anulare, consente di risparmiare materiale per i supporti isolani 3 durante la realizzazione dei circuiti stampati.

Si osservi inoltre che per formare l’intero circuito 1 può essere sufficiente realizzare e montare una pluralità di moduli 7 di una sola tipologia, nel caso sia utilizzata la forma realizzativa delle figure da 10 a 14. Le due facce 31, 32 di tale modulo 7 sono mostrate nelle figure 13 e 14.

Nella forma realizzativa delle figure da 15 a 20 sono invece necessari una pluralità di moduli 7 di due distinte tipologie per i diversi strati 2A, 2B, 2C. La prima tipologia di modulo 7 è mostrata nelle figure 17 e 18, mentre la seconda tipologia è mostrata nelle figure 19 e 20.

Il circuito 1 in particolare può essere realizzato secondo il metodo descritto di seguito. Innanzi tutto, è necessario fornire una pluralità di strati 2A, 2B, 2C, fra cui almeno un primo ed un secondo strato 2A, 2B. L’assemblaggio per ogni strato 2A, 2B, 2C delle piste conduttive 4 sui supporti isolanti 3, e la formazione di fori metallizzati 45 possono essere ottenuti secondo tecniche note, una volta che sia stata stabilita la loro conformazione e disposizione.

Gli strati 2A, 2B, 2C in questa fase iniziale possono anche essere forniti come moduli 7, che in questa fase non sono ancora necessariamente connessi fra loro.

Si descriverà in particolare dettaglio il montaggio del primo e del secondo strato 2A, 2B, essendo inteso che il procedimento può essere ripetuto per numeri maggiori di strati 2A, 2B, 2C.

Il metodo prevede di applicare il materiale di connessione 5 alle seconde superfici di piste conduttive 4 del primo o del secondo strato 2A, 2B in corrispondenza di rispettive porzioni di connessione 41. Inoltre, qualora si intenda ottenere il fissaggio dei vari strati con una colla elettricamente isolante 21, è previsto di applicare tale colla 21 sulle porzioni di fissaggio del primo o del secondo strato 2A, 2B.

Chiaramente, il materiale di connessione 5 e la colla elettricamente isolante 21 destinate a formare un sottostrato 22 fra il primo ed il secondo strato 2A, 2B possono essere applicate indifferentemente solo sul primo strato (inferiore) 2A, oppure solo sul secondo strato (superiore) 2B, oppure su entrambi. Il metodo preferito ad esempio prevede di applicare il materiale di connessione 5 al primo strato 2A (sulla faccia superiore 31) e la colla elettricamente isolante 21 al secondo strato 2B (sulla faccia inferiore 32).

Il materiale di connessione 5 e/o la colla elettricamente isolante 21 possono essere applicati ad esempio per serigrafia, oppure con l’interposizione di una maschera forata (stencil).

Il metodo procede quindi con la fase di affacciare il primo ed il secondo strato 2A, 2B creando una connessione elettrica fra piste conduttive 4 del primo e del secondo strato 2A, 2B attraverso il materiale di connessione 5. Ad esempio, il primo ed il secondo strato 2A, 2B possono essere appoggiati l’uno sull’altro.

Chiaramente, deve essere posta attenzione al corretto allineamento degli strati 2A, 2B, in modo tale che il materiale di connessione 5 e l’eventuale colla elettricamente isolante 21 vengano a trovarsi nella posizione desiderata rispetto alle piste conduttive 4 dello strato opposto. Preferibilmente quindi la fase di affacciare il primo ed il secondo strato 2A, 2B comprende allineare le aperture 6 del primo e del secondo strato 2A, 2B lungo la direzione longitudinale X-X definendo in tal modo le sedi 112 per l’inserimento dei nuclei 111.

Inoltre, nella forma realizzativa preferita ciascuno strato 2A, 2B, 2C presenta almeno un foro di allineamento 23, e la fase di affacciare il primo ed il secondo strato 2A, 2B comprende allineare i fori di allineamento 23 del primo e del secondo strato 2A, 2B lungo la direzione longitudinale X-X. Ad esempio, possono essere previsti due fori di allineamento 23 per ciascuna pista conduttiva 4. I fori di allineamento 23 possono essere allineati fra loro con l’inserimento di un’asta di allineamento (non illustrata), da rimuovere successivamente al fissaggio degli strati 2A, 2B, 2C. Il materiale dell’asta di allineamento preferibilmente offre una bassa adesione al materiale di connessione 5 ed alla colla elettricamente isolante 21, e può essere ad esempio teflon.

Qualora gli strati 2A, 2B, 2C del circuito 1 siano suddivisi in moduli 7, la fase di affacciare il primo ed il secondo strato 2A, 2B comprende anche affiancare fra loro i moduli 7 del primo strato 2A e disporre sul primo strato 2A i moduli 7 del secondo strato 2B sfalsati rispetto ai moduli 7 del primo strato 2A.

Infine, è prevista la fase di fissare fra loro il primo ed il secondo strato 2A, 2B. Viene in tal modo completata la struttura che supporta le piste conduttive 4, incorporate in essa, destinata inoltre a supportare i nuclei 111, se previsti. Il fissaggio degli strati 2A, 2B, 2C può essere ottenuto ad esempio per cottura o asciugatura della colla elettricamente isolante 21, preferibilmente ad una temperatura compresa fra 100 e 200°C, al fine di ottenerne la polimerizzazione.

Si osservi che, qualora il circuito presenti più di due strati 2A, 2B, 2C, la fase di fissare gli strati preferibilmente è svolta una volta sola dopo che ciascuno strato è stato affacciato e posto a contatto con il successivo (con l’interposizione del sottostrato 22, ovvero del materiale di connessione 5 e dell’eventuale colla isolante 21). In alternativa è possibile fissare ciascuno strato 2B al precedente 2A prima di procedere al collocamento dello strato successivo 2C.

Qualora sia prevista la presenza di nuclei 111, il metodo prevede le fasi di inserire e fissare i nuclei 111 nelle sedi 112. Il fissaggio dei nuclei 111 nelle sedi 112 può essere ottenuto ad esempio mediante una colla elettricamente isolante come quella descritta per il fissaggio degli strati 2A, 2B, 2C. La cottura o asciugatura di tali colle può avvenire simultaneamente in un’unica fase di fissaggio dei vari strati 2A, 2B, 2C fra loro e di fissaggio dei nuclei 111 nelle sedi 112.

Con il fissaggio di tutti gli strati 2A, 2B, 2C le piste conduttive 4 risultano fissate fra loro ed immobilizzate nella loro posizione definitiva. Si osservi che in generale il metodo non prevede invece fasi di fissaggio individuale di avvolgimenti e di nuclei a strutture di supporto diverse da quella ottenuta mediante il fissaggio degli strati 2A, 2B, 2C. Ciò semplifica notevolmente la realizzazione del motore rispetto alla tecnica anteriore.

Nella forma realizzativa delle figure da 3 a 9, al fine di creare una connessione elettrica più stabile in corrispondenza del materiale di connessione 5, è possibile prevedere una fase di riscaldamento o fusione della pasta elettricamente conduttiva indipendente dall’eventuale riscaldamento previsto per il fissaggio degli strati 2A, 2B, 2C.

In questo caso, la fase di creare la connessione elettrica comprende trasmettere calore al materiale di connessione 5 attraverso almeno uno dei fori metallizzati 45 del secondo strato 2B disposti in corrispondenza di una delle porzioni di connessione 41, in particolare le seconde porzioni terminali 43. Tale fase è svolta dopo che il primo ed il secondo strato 2A, 2B sono posti a contatto, ed il calore è trasmesso da un lato del secondo strato 2B opposto al primo strato 2A.

Ad esempio, in una forma realizzativa trasmettere calore al materiale di connessione 5 comprende appoggiare una superficie riscaldante di uno strumento riscaldante (non illustrato) sul secondo strato 2B in corrispondenza di tale foro 45 da un lato opposto rispetto al materiale di connessione 5.

In alternativa o per fornire ulteriore calore, si può prevedere che il foro 45 attraverso cui è prevista la trasmissione di calore presenti un bordo metallizzato che circonda un’apertura centrale. Ciò può avvenire anche per gli altri fori metallizzati 45, oppure altri fori 45, ad esempio quelli disposti in corrispondenza delle porzioni intermedie 44 delle piste conduttive 4, possono essere pieni, senza aperture centrali, eventualmente presentando un diametro minore.

In tal caso, la fase di trasmettere calore al materiale di connessione 5 comprende inserire un puntale riscaldante di uno strumento riscaldante nell’apertura centrale del foro 45 adibito alla trasmissione del calore. Nella forma realizzativa preferita un singolo strumento riscaldante può comprendere almeno una testina avente una superficie riscaldante da appoggiare al foro 45 ed almeno un puntale riscaldante sporgente dalla superficie riscaldante per inserirsi nell’apertura centrale del foro 45.

Un simile strumento può essere dotato di una pluralità di testine, ciascuna delle quali dotata di una pluralità di puntali, per scaldare contemporaneamente tutte le porzioni di connessione 41 di uno strato 2A, 2B, 2B, attraverso una pluralità di fori 45 per ciascuna porzione di connessione 41 posti nelle corrispondenti porzioni perforate 33.

Tali possibilità ovviamente sono disponibili ogni qual volta per uno strato 2A, 2B, 2C vi sia un allineamento longitudinale almeno parziale fra fori metallizzati 45 delle porzioni perforate 33 e materiale di connessione 5 nelle porzioni di connessione 41.

Dal metodo descritto risulta chiaro che con queste fasi il circuito 1 può essere agevolmente realizzato in serie, secondo uno degli scopi prefissati.

Inoltre, l’elevato numero di strati 2A, 2B, 2C, l’ampia sezione delle piste conduttive 4 e del materiale di connessione 5, la presenza di nuclei magnetici 111, e la dispersione di calore favorita dal materiale del supporto isolante 3 consentono di realizzare motori 100 con potenze di picco relativamente elevate. La macchina elettrica rotante 100 in particolare può avere una potenza di picco compresa fra 20 e 500 kW, preferibilmente fra 50 e 300 kW, nella forma di realizzazione preferita pari a 170 kW. Ovviamente un tecnico del ramo potrà apportare numerose modifiche equivalenti alle forme realizzative sopra esposte, senza per questo uscire dall’ambito delle unite rivendicazioni.

Claims (16)

1. RIVENDICAZIONI 1. Circuito elettrico stratificato (1) per una macchina elettrica rotante (100), comprendente una pluralità di strati (2A, 2B, 2C) fissati fra loro, in cui ciascuno strato (2A, 2B, 2C) comprende: - un supporto isolante (3), - almeno due opposte piste conduttive (4) che sono fissate al supporto isolante (3) e connesse elettricamente fra loro, il supporto isolante (3) essendo interposto fra dette opposte piste conduttive (4), ciascuna pista conduttiva (4) avendo una prima superficie rivolta verso il rispettivo supporto (3) ed una seconda superficie opposta alla prima superficie, caratterizzato dal fatto che: la seconda superficie di ciascuna pista conduttiva (4) presenta una porzione di connessione (41), una pista conduttiva (4) di uno strato (2A) essendo connessa elettricamente ad una pista conduttiva (4) di uno strato adiacente (2B) mediante un materiale di connessione elettricamente conduttivo (5) applicato in corrispondenza delle porzioni di connessione (41) delle seconde superfici di dette piste conduttive (4).
2. 2. Circuito (1) secondo la rivendicazione 1, in cui il materiale di connessione (5) comprende una pasta elettricamente conduttiva.
3. 3. Circuito (1) secondo la rivendicazione 2, in cui la pasta elettricamente conduttiva contiene microgranuli metallici.
4. 4. Circuito (1) secondo la rivendicazione 2, in cui la pasta elettricamente conduttiva è una pasta di saldatura metallica.
5. 5. Circuito (1) secondo una qualsiasi rivendicazione da 1 a 4, in cui il supporto isolante (3) presenta una porzione perforata (33) in cui è ricavato almeno un foro metallizzato (45) che connette elettricamente le opposte piste conduttive (4) di uno strato (2A, 2B, 2C).
6. 6. Circuito (1) secondo la rivendicazione 5, in cui: - ciascuna pista conduttiva (4) presenta una prima porzione terminale (42), una seconda porzione terminale (43), ed una porzione intermedia (44) che connette le porzioni terminali (42, 43), - le porzioni perforate (33) si estendono almeno in corrispondenza delle prime porzioni terminali (42) delle piste conduttive (4), e - le porzioni di connessione (41) si estendono almeno all’interno delle seconde porzioni terminali (43) delle piste conduttive (4).
7. 7. Circuito (1) secondo la rivendicazione 6, in cui le porzioni perforate (33) presentano una pluralità di fori metallizzati (45) distribuiti in corrispondenza delle prime e delle seconde porzioni terminali (42, 43) e delle porzioni intermedie (44) delle piste conduttive (4).
8. 8. Circuito (1) secondo la rivendicazione 6, in cui le porzioni di connessione (41) si estendono in corrispondenza delle prime e delle seconde porzioni terminali (42, 43) e lungo le porzioni intermedie (44) delle piste conduttive (4).
9. 9. Statore (110) per una macchina elettrica rotante (100), comprendente: - un circuito elettrico stratificato (1) secondo una qualsiasi rivendicazione da 1 a 8, ed - una pluralità di nuclei (111) in materiale ferromagnetico, in cui il circuito (1) presenta una pluralità di sedi (112) in cui sono alloggiati i nuclei (111), le piste conduttive (4) individuando avvolgimenti conduttivi disposti ciascuno attorno a una rispettiva sede (112) per indurre un campo magnetico nei nuclei (111), i supporti isolanti (3) degli strati (2A, 2B, 2C) del circuito elettrico stratificato (1) individuando una struttura di supporto a cui sono associati detti avvolgimenti conduttivi e detti nuclei (111).
10. 10. Statore (110) secondo la rivendicazione 9, in cui: - ogni strato (2A, 2B, 2C) del circuito elettrico stratificato (1) è suddiviso in una pluralità di moduli (7) affiancati fra loro, - ciascun modulo (7) presenta una pluralità di aperture (6), le aperture (6) dei moduli (7) di strati (2A, 2B, 2C) distinti essendo affacciate fra loro per definire dette sedi (112), due aperture (6) di un modulo (7) di uno strato (2A) essendo affacciate ad aperture (6) di due moduli (7) distinti di un medesimo strato adiacente (2B).
11. 11. Macchina elettrica rotante (100), comprendente: - uno statore (110) secondo la rivendicazione 9 o 10, ed - un rotore (120) connesso in rotazione allo statore (110) attorno ad un asse che si estende lungo una direzione longitudinale (X-X), il rotore (120) comprendendo una pluralità di regioni polari affacciate allo statore (110) lungo la direzione longitudinale (X-X).
12. 12. Macchina elettrica rotante (100) secondo la rivendicazione 11, avente una potenza di picco compresa fra 20 e 500 kW, preferibilmente fra 50 e 300 kW.
13. 13. Metodo per realizzare un circuito (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 8, comprendente: - fornire un primo ed un secondo strato (2A, 2B), ciascuno strato (2A, 2B) comprendendo un supporto isolante (3) ed almeno una pista conduttiva (4) fissata al supporto isolante (3), ciascuna pista (4) avendo una prima superficie rivolta verso il rispettivo supporto (3) ed una seconda superficie opposta alla prima superficie, - applicare un materiale di connessione elettricamente conduttivo (5) alle seconde superfici delle piste conduttive (4) del primo o del secondo strato (2A, 2B) in corrispondenza di rispettive porzioni di connessione (41), - affacciare il primo ed il secondo strato (2A, 2B) creando una connessione elettrica fra piste conduttive (4) del primo e del secondo strato (2A, 2B) attraverso il materiale di connessione (5), e - fissare fra loro il primo ed il secondo strato (2A, 2B).
14. 14. Metodo secondo la rivendicazione 13, in cui: - ciascuno strato (2A, 2B) comprende almeno due opposte piste conduttive (4), il supporto isolante (3) essendo interposto fra le due piste conduttive (4), le due piste conduttive (4) di uno strato (2A, 2B) essendo connesse elettricamente fra loro mediante una pluralità di fori metallizzati (45) ricavati nel supporto isolante (3), almeno un foro (45) del secondo strato (2B) essendo disposto in corrispondenza di una porzione di connessione (41), - la fase di creare la connessione elettrica comprende trasmettere calore al materiale di connessione (5) attraverso detto foro (45).
15. 15. Metodo secondo la rivendicazione 14, in cui detto foro (45) presenta un bordo metallizzato che circonda un’apertura centrale, la fase di trasmettere calore al materiale di connessione (5) comprendendo inserire un puntale riscaldante di uno strumento riscaldante nell’apertura centrale del foro (45).
16. 16. Metodo secondo la rivendicazione 14 o 15, in cui trasmettere calore al materiale di connessione (5) comprende appoggiare una superficie riscaldante di uno strumento riscaldante sul secondo strato (2B) in corrispondenza di detto foro (45) da un lato opposto rispetto al materiale di connessione (5).