IT201800020491A1 - Rotore per una macchina elettrica e metodo di realizzazione di detto rotore - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

Annessa a domanda di brevetto per INVENZIONE INDUSTRIALE avente per titolo:

“ROTORE PER UNA MACCHINA ELETTRICA E METODO DI

REALIZZAZIONE DI DETTO ROTORE”

La presente invenzione ha per oggetto un rotore per una macchina elettrica ed un metodo di realizzazione di detto rotore.

La presente invenzione trova dunque particolare applicazione nel campo delle macchine elettriche ad alta velocità ed in particolare si riferisce ai dispositivi per fissare bobine di fili elettricamente conduttivi ai rotori di tali macchine.

Un motore elettrico con rotore avvolto, come ad esempio sono le macchine elettriche utilizzate in ambito automobilistico, viene realizzato avvolgendo una pluralità di spire di cavi elettricamente conduttori attorno ai “poli” salienti di un nucleo rotorico, tipicamente realizzato ferro.

Tali avvolgimenti, a causa delle forti sollecitazioni meccaniche subite alle velocità di lavoro della macchina, vengono avvolti attorno ai poli con notevole forza e tensione, indispensabili perché tali avvolgimenti mantengano salda la loro posizione anche in presenza di elevate spinte centrifughe.

Per ovviare a tali inconvenienti, nella tecnica nota vengono utilizzati inserti plastici (o comunque realizzati in materiale isolante) che vengono ancorati ai vari poli del rotore in modo da definire spallamenti assiali che prevengano lo scorrimento assiale dei fili.

Tuttavia, oltre alla notevole complessità di installazione, per cui risulta necessaria una complessa fase di equilibratura, tali inserti non prevengono il contatto diretto dei fili nella zona di avvolgimento, il che a seguito di numerose sollecitazioni può anche portare alla rottura o al danneggiamento dei fili.

Ulteriori soluzioni della tecnica nota, volte a superare tali inconvenienti, prevedono di accoppiare all’anima rotorica una coppia di supporti plastici, attestati alle due estremità assiali del rotore.

In genere, tali supporti sono definiti da un corpo centrale realizzato in materiale elettricamente isolante e provvisto di un’apertura passante centrale per l’accoglimento di un albero di rotazione del rotore, da cui diparte radialmente una pluralità di bracci, tra loro angolarmente equispaziati e provvisti di una faccia piana configurata per accoppiarsi con un rispettivo polo del rotore. Un esempio di tali elementi è noto dal documento US2014/368068.

Svantaggiosamente, tuttavia, pur risolvendo in parte le problematiche inerenti la possibile rottura degli avvolgimenti, tale soluzione introduce sia una complicazione procedurale, legata all’assemblaggio, sia una criticità legata alla tenuta meccanica dell’elemento di supporto sull’anima rotorica. È pertanto scopo della presente invenzione mettere a disposizione un rotore per una macchina elettrica ed un metodo di realizzazione di detto rotore che permettano di ovviare agli inconvenienti della tecnica nota sopra citati.

Più precisamente, scopo della presente invenzione quello di mettere a disposizione un rotore per una macchina elettrica di aumentata resistenza e qualità.

Inoltre, è scopo della presente invenzione realizzare un metodo per la realizzazione di un rotore per una macchina elettrica altamente qualitativo ed efficiente.

Detti scopi sono raggiunti da un rotore per una macchina elettrica avente le caratteristiche di una o più delle successive rivendicazioni dalla 1 alla 7, nonché da metodo per la realizzazione di detto rotore secondo la rivendicazione 8.

In particolare, il rotore comprende un corpo principale realizzato in materiale ferromagnetico.

Preferibilmente, il corpo principale è provvisto di un nucleo centrale sviluppantesi attorno ad un proprio asse di rotazione ed una pluralità di poli aggettanti radialmente a partire da detto nucleo centrale.

Detti poli sono preposti ad essere avvolti da una pluralità di spire di un avvolgimento in materiale conduttore di corrente.

Preferibilmente, è previsto un avvolgimento (multifase) conduttivo provvisto di una moltitudine di spire avvolte attorno a ciascun polo.

Secondo un aspetto dell’invenzione, il rotore comprende mezzi di guida per detta moltitudine di spire.

Detti mezzi di guida comprendono preferibilmente una pluralità di manicotti radiali realizzati in materiale elettricamente isolante, ciascuno sviluppantesi (o calzato) attorno ad un rispettivo polo.

Preferibilmente, detti mezzi di guida e detto corpo principale sono costampati.

Vantaggiosamente, in tal modo è possibile ottenere un organo di guida perfettamente vincolato al corpo principale ed in grado di facilitare il posizionamento dell’avvolgimento.

Tale soluzione risulta altamente efficiente da un punto di vista tanto meccanico (equilibratura e fissaggio ottimali) quanto procedurale (fase di stampaggio facilmente automatizzabile).

Si noti che, preferibilmente, ciascun polo del corpo principale si sviluppa lungo una direzione radiale tra una porzione ristretta prossimale al nucleo centrale ed avvolta da dette spire dell’avvolgimento, ed una porzione terminale allargata distale dal nucleo centrale.

Preferibilmente, i manicotti radiali comprendono ciascuno una corrispondente porzione ristretta ed una corrispondente porzione terminale allargata per alloggiare rispettivamente dette porzioni ristretta e terminale allargata del corpo principale.

Secondo un aspetto dell’invenzione, la porzione terminale allargata di ciascun manicotto comprende un bordo di estremità radiale definente un sottosquadro interno in cui è vincolato un bordo periferico della porzione terminale allargata del rispettivo polo.

Vantaggiosamente, tale caratteristica (ottenibile grazie al costampaggio) massimizza il vincolo dell’organo di guida al corpo principale e ne riduce l’area esposta, con conseguenti vantaggi in termini di prestazioni elettriche.

Oggetto della presente invenzione è anche un metodo di realizzazione di un rotore per una macchina elettrica, preferibilmente ma non esclusivamente per il rotore fin qui descritto.

Tale metodo prevede preferibilmente di predisporre un corpo principale realizzato in materiale ferromagnetico, provvisto di un nucleo centrale sviluppantesi attorno ad un proprio asse di rotazione ed una pluralità di poli aggettanti radialmente a partire da detto nucleo centrale.

Preferibilmente, si prevede di predisporre uno stampo dotato di una cavità conformata per accogliere detto corpo principale.

Preferibilmente, la cavità è provvista di un’apertura centrale di accoglimento di detto nucleo centrale ed una pluralità di canali radiali di accoglimento di detti poli.

Preferibilmente il corpo principale viene posizionato nello stampo in modo che un bordo laterale di ciascun polo sia distanziato dal ed affacciato al bordo laterale del corrispondente canale, definendo così un volume anulare libero attorno al polo.

Viene poi iniettato un materiale elettricamente isolante all’interno della cavità dello stampo in modo da riempire detto volume anulare libero attorno ai poli e, una volta solidificato il materiale, il corpo principale viene estratto dallo stampo.

Vantaggiosamente, operando il tal modo il rotore risulta estremamente robusto ed efficiente, essendo peraltro facilmente realizzabile mediante un procedimento totalmente automatizzato.

Queste ed altre caratteristiche, nonché i relativi vantaggi, risulteranno maggiormente chiari dalla seguente descrizione esemplificativa, pertanto non limitativa, di una forma di realizzazione preferita, dunque non esclusiva, di un rotore per una macchina elettrica e di un metodo di realizzazione di detto rotore aventi le caratteristiche illustrate nelle allegate tavole di disegno, in cui:

- la figura 1 mostra una vista frontale in prospettiva di un rotore di una macchina elettrica secondo la presente invenzione;

- la figura 2 mostra una vista prospettica in esploso del rotore di figura 1.

Con riferimento alle allegate figure, con il numero 1 è indicato un rotore per una macchina elettrica secondo la presente invenzione.

Come detto, il rotore 1 secondo la presente invenzione trova principale applicazione in una macchina elettrica (non illustrata) ad uso automobilistico o automotive in genere, dunque adatta a generare trazione.

Resta dunque inteso che il termine "veicolo" o altro termine simile, come qui utilizzato, include, in generale, veicoli a motore quali automobili passeggeri compresi veicoli sportivi (SUV), autobus, autocarri, vari veicoli commerciali, (compresi veicoli ibridi, veicoli elettrici, veicoli elettrici ibridi plug-in, veicoli a idrogeno e altri veicoli a combustibile alternativo (ad es. combustibili derivati da risorse diverse dal petrolio). Come indicato nel presente documento, un veicolo ibrido è un veicolo con due o più fonti di potenza, ad esempio sia veicoli alimentati a benzina e veicoli elettrici.

La macchina elettrica o motore elettrico comprende in genere una carcassa di statore sviluppantesi attorno ad un proprio asse centrale e comprendente un avvolgimento statorico.

All’interno della carcassa di statore è girevolmente alloggiato il rotore 1, la cui rotazione è consentita dalla presenza di un albero di rotazione 3 collocato coassialmente all’asse centrale della carcassa statorica.

Il rotore 1 comprende dunque un corpo principale 2 realizzato di pezzo o, preferibilmente, vincolato ad un albero di rotazione (non illustrato).

Il corpo principale 2 è realizzato in materiale ferromagnetico e si sviluppa lungo un asse di rotazione “A” che, in condizione assemblata, corrisponde all’asse centrale della carcassa statorica.

Nella forma di realizzazione preferita, il corpo principale 2 presenta struttura lamellare, ovvero definita da una pluralità di lamelle planari, sviluppantisi ciascuna in un piano ortogonale all’asse di rotazione, tra loro assialmente vincolate (impaccate).

Preferibilmente, il corpo principale 2 presenta un nucleo centrale 3 sviluppantesi attorno al proprio asse di rotazione “A” ed una pluralità di poli 4 aggettanti radialmente a partire da detto nucleo centrale 3.

Si noti che il rotore 1 in accordo con la presente invenzione è del tipo a poli salienti; pertanto, con il termine “poli” si intende nel presente testo definire una pluralità di denti radiali che si dipartono dal nucleo centrale 3 del corpo principale 2 in direzione radiale.

Preferibilmente, ciascun polo 4 si sviluppa lungo una direzione radiale tra una porzione a ristretta 4a ed una porzione terminale allargata 4b distale dal nucleo centrale 3.

Più precisamente, la porzione terminale allargata 4b di ciascun polo 4 definisce due spallamenti 5 con la rispettiva porzione a ristretta 4a.

In dettaglio, la porzione terminale allargata 4b si sviluppa trasversalmente alla porzione ristretta 4a in modo simmetrico rispetto ad una mezzeria radiale “B” della porzione ristretta 4a stessa.

Con l’espressione “mezzeria radiale” si intende nel presente testo definire una linea mediana della porzione ristretta 4a (e del polo 4 in generale) che si sviluppa lungo una direzione radiale a partire dall’asse di rotazione “A”. Dunque, ciascun polo 4 presenta conformazione a “T” (o a fungo), in cui la sommità della T è definita dalla porzione allargata 4b mentre il gambo della T è definito dalla porzione ristretta.

Preferibilmente, la sommità (o superficie radialmente esterna) di ciascun polo 4 presenta conformazione convessa, tale per cui lungo una porzione di mezzeria radiale ciascun polo presenta sviluppo radiale maggiore che non in corrispondenza del rispettivo bordo periferico 4c

Attorno alla porzione ristretta 4a (o gambo) di ciascun polo 4 è avvolta una moltitudine di spire di un avvolgimento 6 conduttivo.

Tale avvolgimento 6 è definito da uno o più fili in rame o materiale conduttivo analogo, è avvolti attorno ai poli 4.

Più precisamente, l’avvolgimento 6 è composto da una pluralità di filamenti 6a distinti, ciascuno avvolto a mo’ di bobina attorno ad una rispettiva porzione ristretta di uno o più poli 4.

I filamenti 6a sono tanti quante sono le fasi della macchina elettrica (es. trifase = tre, esafase = sei, etc..).

Pertanto, ciascun filamento 6a è avvolto con una moltitudine di spire attorno ad uno o più rispettivi poli 4.

Vantaggiosamente, la conformazione a fungo dei poli permette di trattenere radialmente gli avvolgimenti, evitando che la forza centrifuga insorgente dalla rotazione del rotore porti a scivolamenti o spostamenti delle stesse.

Secondo un aspetto dell’invenzione, il rotore 1 comprende mezzi di guida 7 per le spire dell’avvolgimento 6.

Tali mezzi di guida 7 comprendono una pluralità di manicotti radiali 8 realizzati in materiale elettricamente isolante, ciascuno sviluppantesi attorno ad un rispettivo polo 4.

Con materiale elettricamente isolante si intende nel presente testo definire, ad esempio, Poliparafenilensolfuro (PPS) alternativamente Polibutilentereftalato (PBT).

Preferibilmente, tali mezzi di guida 7, in particolare i manicotti 8, sono costampati con detto corpo principale 2.

Preferibilmente, i manicotti 8 radiali comprendendo ciascuno una corrispondente porzione ristretta 8a ed una corrispondente porzione terminale allargata 8b disposte in successine lungo la direzione radiale. La porzione ristretta 8a è conformata per alloggiare (a misura) la porzione ristretta 4a del polo 4.

La porzione allargata 8b è conformata per alloggiare (a misura ed in parte) la porzione terminale allargata 4b del polo 4.

Nella forma di realizzazione preferita, la porzione terminale allargata 8b di ciascun manicotto 8 comprende un bordo di estremità radiale 9 definente un sottosquadro interno in cui è vincolato un bordo periferico 4c della porzione terminale allargata 4b del rispettivo polo 4.

In altre parole, il bordo di estremità radiale 9 del manicotto 8 è conformato per sormontare il bordo periferico 4c della porzione terminale allargata 4b del rispettivo polo 4, fungendo così da elemento di vincolo assiale.

Al riguardo, infatti, la porzione di mezzeria radiale di ciascun polo 4 presenta sviluppo radiale maggiore rispetto al corrispondente manicotto 8. Preferibilmente, inoltre, la porzione ristretta 8a di ciascun manicotto presenta sezione trasversale controsagomata alla sezione trasversale del rispettivo polo 4, preferibilmente quadrilatera.

Dunque, preferibilmente ciascuna porzione ristretta 8a è definita da una pluralità di pareti 10 tra loro angolate.

Preferibilmente, in corrispondenza di ciascuno spigolo di giunzione tra due pareti 10 attigue sono ricavate, esternamente delle scanalature di guida 11 che facilitano il posizionamento delle spire e riducono lo stress meccanico sul filamento 6a.

Preferibilmente, inoltre, almeno due di detti manicotti 8 comprendono, in corrispondenza di detta porzione terminale allargata 8b, almeno un perno o foro assiale 13 di fissaggio per un anello di bloccaggio (non illustrato). Più preferibilmente, i perni o fori assiali di fissaggio sono due, dipartentisi da facce opposte del manicotto 8 al fine di permettere il fissaggio di due anelli di bloccaggio (uno frontale ed uno posteriore).

Si noti che con il termine “assiale” si intende nel presente testo definire lo sviluppo di un elemento o componente parallelo, ma non necessariamente coassiale, all’asse di rotazione “A”.

Preferibilmente, i manicotti 8 dei mezzi di guida 7 sono tra loro collegati da un corpo centrale 12.

I mezzi di guida 7 comprendono dunque detto corpo centrale 12, il quale è conformato per rivestire almeno in parte il nucleo centrale 5 del corpo principale 2.

Vantaggiosamente, ciò rende maggiormente stabile l’assieme.

Inoltre, da tale corpo centrale preferibilmente aggetta, assialmente, una pluralità di perni di ancoraggio 12a per i capi di ciascuna fase (i,e, filamento 6a) dell’avvolgimento 6.

Oggetto della presente invenzione è anche un metodo di realizzazione di un rotore 1 per una macchina elettrica, preferibilmente ma non necessariamente corrispondente al rotore 1 fin qui descritto.

Pertanto, ove compatibili le caratteristiche fin qui descritte in relazione al dispositivo saranno applicabili mutatis mutandis al metodo sotto illustrato ed in numeri di riferimento verranno utilizzati modo analogo.

Il metodo prevede la predisposizione di un corpo principale 2 realizzato in materiale ferromagnetico, provvisto di un nucleo centrale 3 sviluppantesi attorno ad un proprio asse di rotazione “A” e di una pluralità di poli 4 aggettanti radialmente a partire da detto nucleo centrale 3.

Il corpo principale 2 presenta preferibilmente le caratteristiche fin qui descritte.

Preferibilmente, viene poi predisposto uno stampo (non illustrato) dotato di una cavità conformata per accogliere detto corpo principale.

La cavità è provvista di un’apertura centrale di accoglimento di detto nucleo centrale 3 e di una pluralità di canali radiali di accoglimento di detti poli 4.

Successivamente il corpo principale 2 viene posizionato nello stampo, in modo che un bordo laterale di ciascun polo 4 sia distanziato dal ed affacciato al bordo laterale del corrispondente canale, definendo così un volume anulare libero attorno al polo 4.

Nella forma di realizzazione preferita, ciascun canale termina con una parete di estremità radiale attestata, ovvero in contatto, con la porzione di mezzeria della porzione allargata del rispettivo polo.

A questo punto, un materiale elettricamente isolante viene iniettato all’interno della cavità dello stampo, in modo da riempire detto volume anulare libero attorno ai poli.

Una volta raffreddato il materiale plastico, poi il corpo principale viene estratto dallo stampo per poi essere avvolto con i filamenti 6a.

L’invenzione raggiunge gli scopi preposti e consegue importanti vantaggi. Infatti, la presenza di rotore in cui il corpo centrale ed i mezzi di guida sono costampati permette di ottimizzare la struttura dello stesso sia da un punto di vista meccanico che elettrico.

Inoltre, in tal modo risulta possibile un completo rivestimento del polo, con notevoli vantaggi nella tenuta e nel posizionamento dell’avvolgimento.

Claims (8)

1. RIVENDICAZIONI 1. Rotore per una macchina elettrica, comprendente: - un corpo principale (2) realizzato in materiale ferromagnetico, provvisto di un nucleo centrale (3) sviluppantesi attorno ad un proprio asse di rotazione (A) ed una pluralità di poli (4) aggettanti radialmente a partire da detto nucleo centrale (3) e preposti ad essere avvolti da una pluralità di spire di un avvolgimento (6) in materiale conduttore di corrente, - un avvolgimento (6) conduttivo provvisto di una moltitudine di spire avvolte attorno a ciascun polo (4); caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi di guida (7) per detta moltitudine di spire comprendenti una pluralità di manicotti (8) radiali realizzati in materiale elettricamente isolante, ciascuno sviluppantesi attorno ad un rispettivo polo (4), in cui detti mezzi di guida (7) e detto corpo principale (2) sono costampati.
2. 2. Rotore secondo la rivendicazione 1, in cui ciascun polo (4) del corpo principale (2) si sviluppa lungo una direzione radiale tra una porzione ristretta (4a), prossimale al nucleo centrale (3) ed avvolta da dette spire dell’avvolgimento (6), ed una porzione terminale allargata (4b) distale dal nucleo centrale (3); detti manicotti (8) radiali comprendendo ciascuno una corrispondente porzione ristretta (8a) ed una corrispondente porzione terminale allargata (8b) per alloggiare rispettivamente dette porzioni ristretta (4a) e terminale allargata (4b) del polo (4).
3. 3. Rotore secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detta porzione terminale allargata di ciascun manicotto (8) comprende un bordo di estremità radiale (9) definente un sottosquadro interno in cui è vincolato un bordo periferico (4c) della porzione terminale allargata (4b) del rispettivo polo (4).
4. 4. Rotore secondo una qualunque delle rivendicazioni dalla 1 alla 3, in cui una porzione di mezzeria radiale di ciascun polo (4) presenta sviluppo radiale maggiore rispetto al corrispondente manicotto (8).
5. 5. Rotore secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, in cui i mezzi di guida (7) comprendono un corpo centrale (12) di giunzione tra i manicotti (8) conformato per rivestire almeno in parte il nucleo centrale (3) del corpo principale (2).
6. 6. Rotore secondo la rivendicazione 5, in cui detto corpo centrale (12) dei mezzi di guida (7) comprende una pluralità di perni di ancoraggio (12a) per i capi di ciascuna fase dell’avvolgimento (6).
7. 7. Rotore secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, in cui almeno due di detti manicotti (8) comprendono, in corrispondenza di detta porzione terminale allargata (8b), almeno un perno o foro 13 assiale di fissaggio per un anello di bloccaggio.
8. 8. Metodo di realizzazione di un rotore (1) per una macchina elettrica, comprendente le seguenti fasi: - predisposizione di un corpo principale (2) realizzato in materiale ferromagnetico, provvisto di un nucleo centrale (3) sviluppantesi attorno ad un proprio asse di rotazione (A) ed una pluralità di poli (4) aggettanti radialmente a partire da detto nucleo centrale (3); - predisposizione di uno stampo dotato di una cavità conformata per accogliere detto corpo principale (2) e provvista di: un’apertura centrale di accoglimento di detto nucleo centrale (3), una pluralità di canali radiali di accoglimento di detti poli (4); - posizionamento di detto corpo principale (2) nello stampo in modo che un bordo laterale di ciascun polo sia distanziato dal ed affacciato al bordo laterale del corrispondente canale, definendo così un volume anulare libero attorno al polo (4); - iniezione di un materiale elettricamente isolante all’interno della cavità dello stampo in modo da riempire detto volume anulare libero attorno ai poli (4); - estrazione del corpo principale (2) dallo stampo.