IT201900006398A1

IT201900006398A1 - AXIAL FLOW MULTISTAGE ROTATING MACHINE WITH PERMANENT MAGNETS AND "SLOT-LESS" STATORS, WITH INNOVATIVE STRUCTURE FOR ROTOR AND STATOR DISCS

Info

Publication number: IT201900006398A1
Application number: IT102019000006398A
Authority: IT
Inventors: Mario Burigo; Gianni Santarelli; Marco Celso Matteoni
Original assignee: Navis S R L
Priority date: 2019-05-28
Filing date: 2019-05-28
Publication date: 2020-11-28

Description

MACCHINA ROTANTE MULTISTADIO A FLUSSO ASSIALE CON MAGNETI PERMANENTI E STATORI “SLOT-LESS”, CON INNOVATIVA STRUTTURA PER I DISCHI DI ROTORE E STATORE AXIAL FLOW MULTISTAGE ROTATING MACHINE WITH PERMANENT MAGNETS AND "SLOT-LESS" STATORS, WITH INNOVATIVE STRUCTURE FOR ROTOR AND STATOR DISCS

STATO DELL’ARTE STATE OF THE ART

Le macchine elettriche con magneti permanenti (PM) a flusso assiale sono potenzialmente interessanti per molte applicazioni. Esiste un'ampia letteratura e ci sono molti brevetti e domande di brevetto che coprono diversi aspetti del loro design anche per le varianti “slot-less” e pluristadio. Tra questi US Pat.2.970.238 descrive un'armatura avente elementi conduttivi sulle facce di un sottile disco di isolamento. Electric machines with axial flux permanent magnets (PM) are potentially interesting for many applications. There is a large literature and there are many patents and patent applications covering different aspects of their design even for the “slot-less” and multi-stage variants. Among these US Patent 2,970,238 discloses an armature having conductive elements on the faces of a thin isolation disk.

US Pat.4,228,384 descrive un motore a corrente continua brushless a flusso assiale con una pluralità di magneti permanenti rotanti con rilevamento elettro-ottico per una rappresentazione univoca della posizione dei magneti. US Pat. 4,228,384 discloses an axial flux brushless direct current motor with a plurality of rotating permanent magnets with electro-optical detection for an unambiguous representation of the position of the magnets.

US Pat.5.656.880 descrive una dinamo elettrica discoidale con statore discoidale con un numero di avvolgimenti di rame incorporato in un substrato di una certa permeabilità e un rotore discoidale montato su un albero centrale con una serie circolare di magneti permanenti montati su una piastra di supporto di acciaio dolce. US Pat. 5,656,880 describes a discoidal electric dynamo with a discoidal stator with a number of copper windings incorporated in a substrate of a certain permeability and a discoidal rotor mounted on a central shaft with a circular series of permanent magnets mounted on a plate of mild steel support.

US Pat.5.789.841 descrive un motore assiale brushless con traferro comprendente un rotore avente una pluralità di strati conduttori e uno strato di collegamento per collegare gli strati conduttori, in cui il motore è azionato eccitando gli strati conduttori con corrente elettrica trifase. US Pat 5,789,841 discloses an air gap brushless axial motor comprising a rotor having a plurality of conducting layers and a connecting layer for connecting the conducting layers, in which the motor is operated by energizing the conducting layers with three-phase electric current.

Il brevetto statunitense US 7.109.625 descrive un dispositivo rotante assiale che include un rotore avente una pluralità di poli magnetici permanenti e uno statore formato accatastando una pluralità di strati conduttori di circuito stampato insieme con una pluralità di strati di collegamento di circuiti stampati. US patent US 7,109,625 discloses an axial rotating device which includes a rotor having a plurality of permanent magnetic poles and a stator formed by stacking a plurality of conductive printed circuit layers together with a plurality of connecting layers of printed circuits.

La domanda US 2011 / 02911511A1 descrive una macchina a flusso assiale pluristadio con blocchi alternata di primi e secondi dischi separati da intercapedini d'aria, in cui il flusso totale è la sovrapposizione dei flussi del primi e dei secondi dischi. Application US 2011 / 02911511A1 describes a multi-stage axial flow machine with alternating blocks of first and second discs separated by air spaces, in which the total flow is the superposition of the flows of the first and second discs.

La domanda US 2012 / 0212094A1 descrive un motore a più stadi con un certo numero di elementi discreti del rotore e dello statore su un albero comune. Application US 2012 / 0212094A1 describes a multi-stage motor with a number of discrete rotor and stator elements on a common shaft.

La domanda US 2018 / 0198338A1 descrive un dispositivo rotante assiale che include una pluralità di segmenti di statore accoppiati insieme attorno all'asse di rotazione e ciascun segmento di statore può includere uno strato di PCB comprendente una bobina e ciascun segmento di statore include solo una fase elettrica. Application US 2018 / 0198338A1 discloses an axial rotating device which includes a plurality of stator segments coupled together about the axis of rotation and each stator segment may include a PCB layer comprising a coil and each stator segment includes only one phase electric.

Esistono molte altre alternative brevettate e non brevettate. There are many other patented and non-patented alternatives.

Tuttavia, la scarsa diffusione delle macchine elettriche PM a flusso assiale pluristadio, con rotore interno o rotore esterno, indicano che sono difficili da produrre e non è stata trovata una soluzione realmente valida. However, the low prevalence of multi-stage axial flow electric PM machines, with internal rotor or external rotor, indicate that they are difficult to produce and a really valid solution has not been found.

La coppia di “cogging” rimane uno dei problemi principali nei motori “slotted”. È causato dall'interazione tra i magneti permanenti ed il materiale ferromagnetico dello statore, con il risultato che i magneti cercano costantemente una posizione di minima riluttanza. Questo fenomeno riduce le prestazioni della macchina e aggiunge un elemento non lineare al controllo del motore che induce vibrazioni, rumore e riduce la durata del motore. Cogging torque remains a major problem in slotted engines. It is caused by the interaction between the permanent magnets and the ferromagnetic material of the stator, with the result that the magnets are constantly looking for a position of minimum reluctance. This phenomenon reduces machine performance and adds a non-linear element to the motor control that induces vibration, noise and shortens motor life.

Un altro ostacolo delle macchine a flusso assiale “slotted” è la grande forza assiale esercitata sullo statore dai magneti del rotore. La forza assiale è meno grave se i denti dello statore vengono rimossi poiché questa forza viene esercitata sul ferro e non sugli avvolgimenti di rame. Another obstacle of slotted axial flux machines is the large axial force exerted on the stator by the rotor magnets. The axial force is less severe if the stator teeth are removed as this force is exerted on the iron and not on the copper windings.

Le macchine “slot-less” riducono il “cogging” e la forza assiale esercitata sugli “slot” e il volume toroidale viene solitamente occupato da avvolgimenti che possono avere forme diverse. I più comuni sono la forma trapezoidale mostrata in Fig.1a, che ha conduttori esterni e1 di lunghezza significativa se confrontati con la lunghezza dei conduttori attivi a1, o avvolgimenti a forma romboidale, come mostrato in Fig.1b, che, se da un lato riducono la lunghezza dei conduttori esterni e1, dall'altro producono meno coppia essendo i lati attivi a1 inclinati. Anche nelle macchine senza slot gli avvolgimenti occupano almeno lo spazio di due conduttori e talvolta c'è anche un condotto toroidale per il raffreddamento. La necessità di ospitare questi tipi di avvolgimento richiede comunque una grande distanza assiale tra i poli dei rotori e rende difficile mantenere le alte densità di flusso per realizzare macchine con elevato rapporto potenza/peso. The "slot-less" machines reduce the "cogging" and the axial force exerted on the "slots" and the toroidal volume is usually occupied by windings that can have different shapes. The most common are the trapezoidal shape shown in Fig.1a, which has external conductors e1 of significant length when compared with the length of the active conductors a1, or rhomboid-shaped windings, as shown in Fig.1b, which, if on the one hand they reduce the length of the external conductors e1, on the other hand they produce less torque since the active sides a1 are inclined. Even in slotless machines the windings take up at least the space of two conductors and sometimes there is also a toroidal duct for cooling. The need to accommodate these types of winding however requires a large axial distance between the poles of the rotors and makes it difficult to maintain the high flux densities to make machines with a high power / weight ratio.

Inoltre, le versioni pluristadio delle macchine a flusso assiale sono solitamente complesse da assemblare e integrare e non sono così diffuse. Furthermore, multi-stage versions of axial flow machines are usually complex to assemble and integrate and are not as widespread.

OGGETTO E SOMMARIO DELL’INVENZIONE OBJECT AND SUMMARY OF THE INVENTION

Scopo della presente invenzione è quello di fornire una macchina rotante elettrica a flusso assiale slot-less, a più stadi con diverse caratteristiche di progettazione innovative che, opportunamente combinate, rendono possibile la costruzione di macchine con un elevato rapporto coppia/peso, in un ampio intervallo di coppia e velocità di rotazione. La presente invenzione dovrebbe superare alcuni inconvenienti dell’arte nota e apportare ulteriori vantaggi. Questi ed altri scopi sono raggiunti per mezzo di un design fornito con le caratteristiche delle rivendicazioni allegate, che sono parte integrante della presente descrizione. The purpose of the present invention is to provide a slot-less, multi-stage axial flow electric rotary machine with various innovative design features which, when suitably combined, make it possible to build machines with a high torque / weight ratio, in a wide range of torque range and rotation speed. The present invention should overcome some drawbacks of the known art and bring further advantages. These and other objects are achieved by means of a design provided with the features of the attached claims, which are an integral part of the present description.

L'idea di base della presente invenzione è di fornire una macchina rotante elettrica a flusso assiale pluristadio con dischi statore senza “slot” che comprende conduttori elettrici che, per alcune parti della loro lunghezza, sono disposti radialmente e immersi in una matrice o legante non ferromagnetico, tipo resina, per avere un materiale composito, come struttura del disco statore, che comprende i conduttori elettrici come elementi di rinforzo. The basic idea of the present invention is to provide a multi-stage axial flow electric rotary machine with "slot" stator discs which includes electrical conductors which, for some parts of their length, are radially arranged and immersed in a matrix or binder that is not ferromagnetic, resin type, to have a composite material, as the stator disk structure, which includes the electrical conductors as reinforcing elements.

Un'altra caratteristica della macchina proposta è che ciascuno disco statore comprende solo un segmento di conduttore per fase, disposto radialmente, tra ciascun polo dei dischi rotore adiacenti e non disposto in modo toroidale. Another feature of the proposed machine is that each stator disc comprises only one conductor segment per phase, arranged radially, between each pole of the adjacent rotor discs and not arranged in a toroidal manner.

Queste due caratteristiche consentono una ridotta distanza assiale tra i magneti dei rotori adiacenti in modo da mantenere flussi magnetici più elevati. These two characteristics allow a reduced axial distance between the magnets of the adjacent rotors in order to maintain higher magnetic fluxes.

Le caratteristiche proposte per il rotore servono a migliorare il fissaggio dei fragili magneti permanenti sui dischi intermedi del rotore. I dischi rotore intermedi proposti includono elementi ferromagnetici strutturali sulle cui facce, perpendicolari all'asse di rotazione, sono fissati i magneti permanenti. Questi elementi sono quindi fissati a una struttura per collegarli rigidamente all'albero. Queste due caratteristiche consentono ai magneti permanenti di essere in grado di sopportare meglio i carichi dinamici a cui saranno sottoposti grazie alla maggiore resistenza e resilienza fornita dagli elementi ferromagnetici interposti e alle maggiori superfici disponibili per l'adesivo e la forza di attrazione magnetica. The proposed features for the rotor serve to improve the attachment of the fragile permanent magnets to the intermediate discs of the rotor. The proposed intermediate rotor discs include structural ferromagnetic elements on whose faces, perpendicular to the axis of rotation, the permanent magnets are fixed. These elements are then attached to a structure to rigidly connect them to the shaft. These two characteristics allow the permanent magnets to be able to better withstand the dynamic loads to which they will be subjected thanks to the greater resistance and resilience provided by the interposed ferromagnetic elements and the greater surfaces available for the adhesive and the magnetic attraction force.

Una caratteristica opzionale è quella di avere questi elementi strutturali ferromagnetici suddivisi in vari componenti orientati radialmente, ciascuno per polo, per consentire la circolazione di un fluido tra di loro ed avere un miglior raffreddamento della macchina. An optional feature is to have these ferromagnetic structural elements divided into various radially oriented components, each for each pole, to allow the circulation of a fluid between them and to have a better cooling of the machine.

Un'altra caratteristica della macchina è la possibilità di commutare a seconda della necessità uno o più stadi da serie a parallelo. Questa caratteristica consente inoltre di ridurre drasticamente la coppia di rotazione quando gli interruttori sono tutti aperti. Another feature of the machine is the possibility of switching one or more stages from series to parallel as needed. This feature also makes it possible to drastically reduce the rotation torque when the switches are all open.

La macchina senza slot proposta elimina il fenomeno di cogging e crea un output di coppia più prevedibile con minimi effetti non lineari. Inoltre, la mancanza di nuclei ferromagnetici riduce l'induttanza e consente accelerazione elevate. The proposed slotless machine eliminates cogging and creates a more predictable torque output with minimal non-linear effects. Furthermore, the lack of ferromagnetic cores reduces inductance and allows for high accelerations.

Questo design, con un singolo conduttore per fase e per polo, riduce la distanza tra i poli, consentendo la possibilità di mantenere una maggiore densità di flusso e consente anche l'uso di conduttori di sezione maggiore per far circolare correnti più elevate e generare quindi forze maggiori per unità di peso. This design, with a single conductor per phase and per pole, reduces the distance between the poles, allowing the possibility of maintaining a higher flux density and also allows the use of conductors of greater section to circulate higher currents and therefore generate greater forces per unit of weight.

La parte esterna o non radiale dei conduttori può essere utilizzata per scambiare meglio il calore con il fluido circostante e migliorare il raffreddamento. The outer or non-radial part of the conductors can be used to better exchange heat with the surrounding fluid and improve cooling.

Il passaggio da serie a parallelo di uno o più stadi consente di realizzare un cambio elettronico. The passage from series to parallel of one or more stages allows to realize an electronic gearbox.

Inoltre, essendo la coppia elettromagnetica principalmente una funzione del diametro esterno della macchina, laddove lo spazio disponibile consenta solo un certo diametro massimo, la coppia richiesta all'albero della macchina può essere ottenuta mediante l’aggiunta di stadi. Furthermore, since the electromagnetic torque is mainly a function of the external diameter of the machine, where the available space allows only a certain maximum diameter, the torque required to the machine shaft can be obtained by adding stages.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

L'invenzione verrà descritta nel seguito con riferimento a esempi non limitativi forniti a titolo esplicativo e non limitativo dei disegni allegati. Questi disegni mostrano alcuni aspetti e forme di realizzazione della presente invenzione e, ove necessario, numeri di riferimento che indicano strutture, componenti, materiali e/o elementi strutturali simili nelle varie figure sono indicati con lo stesso numero di riferimento. The invention will be described below with reference to non-limiting examples provided by way of non-limiting explanation of the attached drawings. These drawings show some aspects and embodiments of the present invention and, where necessary, reference numbers indicating similar structures, components, materials and / or structural elements in the various figures are indicated with the same reference number.

La Fig. 1 mostra un esempio di forme di avvolgimento allo stato dell’arte nelle macchine a flusso assiale. Fig. 1 shows an example of winding forms in the state of the art in axial flow machines.

La Fig. 2 è un'illustrazione della direzione del flusso su una macchina a flusso assiale pluristadio costruita e disposta secondo il principio dell'invenzione. Fig. 2 is an illustration of the flow direction on a multi-stage axial flow machine constructed and arranged according to the principle of the invention.

La Fig. 3a è una vista in prospettiva di alcuni elementi di una macchina a flusso assiale pluristadio costruita e disposta secondo il principio dell'invenzione. Fig. 3a is a perspective view of some elements of a multistage axial flow machine constructed and arranged according to the principle of the invention.

La Fig. 3b è una vista prospettica in esploso di alcuni elementi di una macchina a flusso assiale pluristadio costruita e disposta secondo il principio dell'invenzione. Fig. 3b is an exploded perspective view of some elements of a multistage axial flow machine constructed and arranged according to the principle of the invention.

La Fig. 4a è una vista frontale di un disco di statore di una macchina a flusso assiale pluristadio costruita e disposta secondo il principio dell'invenzione. Fig. 4a is a front view of a stator disc of a multistage axial flux machine constructed and arranged according to the principle of the invention.

La Fig. 4b è una sezione di vista laterale di un disco di statore di una macchina a flusso assiale pluristadio costruita e disposta secondo il principio dell'invenzione. Fig. 4b is a side view section of a stator disc of a multistage axial flow machine constructed and arranged according to the principle of the invention.

La Fig. 5a è una vista in prospettiva di un disco rotore esterno di una macchina a flusso assiale pluristadio costruita e disposta secondo il principio dell’invenzione. Fig. 5a is a perspective view of an external rotor disc of a multi-stage axial flow machine built and arranged according to the principle of the invention.

La Fig.5b è una vista in prospettiva di un particolare di un disco di rotore esterno a una macchina a flusso assiale pluristadio costruita e disposta secondo il principio dell’invenzione. Fig.5b is a perspective view of a detail of a rotor disc external to a multi-stage axial flow machine built and arranged according to the principle of the invention.

La Fig.5c è una vista in sezione sul piano ZY della Fig.5b Fig.5c is a sectional view on the ZY plane of Fig.5b

La Fig. 6a è una vista in prospettiva di un disco rotore intermedio di una macchina a flusso assiale pluristadio costruita e disposta secondo il principio dell'invenzione. Fig. 6a is a perspective view of an intermediate rotor disc of a multistage axial flow machine constructed and arranged according to the principle of the invention.

La Fig. 6b è una vista in prospettiva di un disco rotore intermedio di una macchina a flusso assiale pluristadio costruita e disposta secondo il principio dell'invenzione con supporti ferromagnetici segmentati. Fig. 6b is a perspective view of an intermediate rotor disc of a multistage axial flow machine constructed and arranged according to the principle of the invention with segmented ferromagnetic supports.

La Fig.6c è una vista in prospettiva di un particolare di un disco di rotore intermedio di una macchina a flusso assiale pluristadio costruita e disposta secondo il principio dell'invenzione. Fig.6c is a perspective view of a detail of an intermediate rotor disc of a multistage axial flow machine constructed and arranged according to the principle of the invention.

La Fig.7 è un'illustrazione della serie di schemi di commutazione a parallelo applicabile a una macchina a flusso assiale pluristadio costruita e disposta secondo il principio dell’invenzione. Fig.7 is an illustration of the series of parallel switching schemes applicable to a multi-stage axial flow machine built and arranged according to the principle of the invention.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL'INVENZIONE DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Mentre l'invenzione è suscettibile di molte modifiche e costruzioni alternative, una forma di realizzazione della macchina è mostrata nei disegni e verrà descritta in dettaglio nel seguito. Tuttavia, è da intendersi che la presente invenzione non è limitata alla forma di realizzazione mostrata, ma al contrario, l'invenzione è intesa a coprire tutte le modifiche, costruzioni alternative ed equivalenti entro l'ambito dell'invenzione come rivendicato. While the invention is susceptible of many modifications and alternative constructions, one embodiment of the machine is shown in the drawings and will be described in detail below. However, it is to be understood that the present invention is not limited to the embodiment shown, but on the contrary, the invention is intended to cover all modifications, alternative and equivalent constructions within the scope of the invention as claimed.

Le parole o le frasi "per esempio", "ecc.", "o" indicano alternative non esclusive e senza limitazione, se non diversamente specificato. The words or phrases "for example", "etc.", "or" indicate non-exclusive and without limitation alternatives, unless otherwise specified.

La parola "comprende" significa “comprende ma non limitato a", se non diversamente indicato e la parola "include" significa "include ma non limitato a", se non diversamente specificato. The word "includes" means "includes but not limited to", unless otherwise indicated and the word "includes" means "includes but not limited to", unless otherwise specified.

La parola "macchina" si riferisce sia a motori che a generatori. The word "machine" refers to both motors and generators.

Il termine "macchine pluristadio" intende includere macchine che comprendono due o più statori. La parola "giogo" si riferisce alla parte ferromagnetica del circuito magnetico eccetto i magneti e la loro possibile struttura di fissaggio ai dischi. The term "multi-stage machines" is intended to include machines comprising two or more stators. The word "yoke" refers to the ferromagnetic part of the magnetic circuit except the magnets and their possible attachment structure to the discs.

Il termine "disco rotore" si riferisce alla parte di un rotore che comprende i magneti permanenti rivolti, con i loro poli, agli statori adiacenti. Nelle macchine pluristadio qui descritte il rotore comprende tre o più dischi rotore. The term "disc rotor" refers to the part of a rotor which includes the permanent magnets facing, with their poles, adjacent stators. In the multi-stage machines described herein, the rotor comprises three or more rotor discs.

Il termine "disco statore" si riferisce alla parte dello statore che comprende i conduttori disposti radialmente tra due dischi rotore. Nella macchina pluristadio descritta lo statore comprende due o più dischi statore. The term "stator disc" refers to the portion of the stator which includes conductors arranged radially between two rotor discs. In the multi-stage machine described, the stator comprises two or more stator discs.

I termini "senza slot" "senza cave" o “slot-less" sono intesi includere macchine che non hanno materiale ferromagnetico lungo il flusso magnetico principale che attraversa i dischi statore dove sono disposti i segmenti radiali dei conduttori. The terms "slotless" "slotted" or "slot-less" are intended to include machines that do not have ferromagnetic material along the main magnetic flux which passes through the stator discs where the radial segments of the conductors are arranged.

Con il termine "traferro" o “airgap” si intende la distanza assiale tra i poli dei magneti permanenti di due dischi rotore adiacenti. Gli airgap o traferri saranno parzialmente occupati da parti dei dischi statore. The term "air gap" or "airgap" refers to the axial distance between the poles of the permanent magnets of two adjacent rotor discs. The airgaps or air gaps will be partially occupied by parts of the stator discs.

La parola "conduttore" si riferisce al conduttore elettrico che può includere diversi fili o strisce o nastri, smaltati o meno. The word "conductor" refers to the electrical conductor which may include several wires or strips or tapes, enameled or not.

Il termine "segmento radiale" è inteso includere la parte di un conduttore che è disposto radialmente in un disco statore. The term "radial segment" is intended to include the portion of a conductor which is radially disposed in a stator disk.

Il termine "segmento esterno" intende includere la parte di un conduttore del disco statore che non è disposto radialmente tra i poli dei rotori adiacenti. Ciascun disco statore avrà quindi un conduttore per ciascuna fase che include segmenti radiali e segmenti esterni per completare il circuito elettrico fino alle terminazioni. The term "outer segment" is intended to include the portion of a stator disc conductor that is not radially disposed between the poles of adjacent rotors. Each stator disk will then have a conductor for each phase which includes radial segments and outer segments to complete the electrical circuit up to the terminations.

Il termine "terminazioni" si riferisce alle estremità dei conduttori elettrici in modo tale che ogni disco statore comprende un conduttore per fase e due terminazioni per collegarlo alla linea di tensione di alimentazione e/o alla terminazione di altri dischi statore. The term "terminations" refers to the ends of electrical conductors such that each stator disc comprises one conductor per phase and two terminations for connecting it to the supply voltage line and / or to the termination of other stator discs.

Il termine "casing" si riferisce all'involucro della parte fissa della macchina, che include elementi per fornire il supporto strutturale ai dischi statore, alle sedi dei cuscinetti e agli elementi per vincolare la macchina. A seconda delle applicazioni, il casing può essere completamente chiuso, parzialmente chiuso o aperto. The term "casing" refers to the casing of the stationary part of the machine, which includes elements for providing structural support to the stator discs, the bearing seats and the elements for constraining the machine. Depending on the applications, the casing can be completely closed, partially closed or open.

Nelle figure e nella descrizione degli elementi viene utilizzato un sistema di coordinate ortogonali indicato dalle lettere X, Y e Z per l'intera macchina e/o per i suoi elementi con l'asse Z disposto lungo l'asse di rotazione della macchina. In the figures and in the description of the elements, an orthogonal coordinate system indicated by the letters X, Y and Z is used for the entire machine and / or for its elements with the Z axis arranged along the rotation axis of the machine.

In generale è qui descritta una macchina elettrica rotante pluristadio del tipo AFIR-NS, cioè macchina a Flusso Assiale Slot-Less con Rotore Interno e statore esterno, con diverse caratteristiche di progettazione innovative che, opportunamente combinate, rendono possibile la costruzione di macchine con un elevato rapporto coppia / peso in un'ampia gamma di coppia e velocità di rotazione. Nelle macchine slot-less proposte il flusso principale, prodotto dai magneti, passa assialmente da un polo Nord di un disco rotore a un polo Sud di un disco rotore adiacente e non viaggia lungo la circonferenza dei dischi statore ciò rende non necessario avere un nucleo ferromagnetico nei dischi statore. Il flusso magnetico può viaggiare assialmente anche attraverso i dischi rotore intermedi. Una caratteristica di progettazione di queste macchine pluristadio è che il numero di dischi rotore complessivo è superiore al numero di dischi statore. I dischi rotore esterno comprendono quindi gioghi ferromagnetici o includono “Halbach array” per completare in modo efficiente i circuiti magnetici. In general, a multi-stage rotating electric machine of the AFIR-NS type is described, i.e. a Slot-Less Axial Flow Machine with Internal Rotor and External Stator, with several innovative design features which, when suitably combined, make it possible to build machines with a high torque / weight ratio in a wide range of torque and rotation speed. In the slot-less machines proposed, the main flux produced by the magnets passes axially from a North pole of a rotor disc to a South pole of an adjacent rotor disc and does not travel along the circumference of the stator discs, which makes it unnecessary to have a ferromagnetic core. in the stator discs. The magnetic flux can also travel axially through the intermediate rotor discs. A design feature of these multi-stage machines is that the total number of rotor discs is greater than the number of stator discs. External rotor discs therefore include ferromagnetic yokes or include “Halbach arrays” to efficiently complete magnetic circuits.

La Fig. 2 è un'illustrazione prospettica della direzione del flusso su una macchina a flusso assiale pluristadio costruita e disposta secondo il principio dell'invenzione. Mostra una macchina a 3 stadi, cioè 3 dischi statore e 4 dischi rotore. Il flusso, come mostrato, gira lungo la circonferenza sui gioghi 311 e 321 rispettivamente dei dischi rotore esterno 31 e 32, che includono magneti permanenti 312 e 322 rispettivamente ed assialmente lungo i dischi di statore 21, 22 e 23 e i dischi rotore intermedi 33, e 34, che includono a loro volta magneti permanenti 332 e 342 e interposti elementi ferromagnetici 331 e 341 rispettivamente. Fig. 2 is a perspective illustration of the flow direction on a multi-stage axial flow machine constructed and arranged according to the principle of the invention. It shows a 3-stage machine, i.e. 3 stator discs and 4 rotor discs. The flux, as shown, rotates around the circumference on the yokes 311 and 321 of the outer rotor discs 31 and 32 respectively, which include permanent magnets 312 and 322 respectively and axially along the stator discs 21, 22 and 23 and the intermediate rotor discs 33. and 34, which in turn include permanent magnets 332 and 342 and interposed ferromagnetic elements 331 and 341 respectively.

Le caratteristiche innovative proposte riguardano sia i dischi statore che i dischi rotore intermedi. The innovative features proposed concern both the stator discs and the intermediate rotor discs.

La Fig.3a è una vista prospettica di alcuni elementi di una macchina elettrica pluristadio tipo AFIR-NS costruita e disposta secondo il principio dell'invenzione, in questo esempio una macchina a 3 stadi con 12 poli e 3 fasi. Nella figura è indicato un casing 10 (parzialmente tagliato per mostrare parti degli elementi interni) per fissare i dischi statore 21, 22 e 23 e per alloggiare i cuscinetti 12 per un albero di rotore 11 che può ruotare rispetto al casing e su cui i dischi rotore 31, 32, 33 e 34 del rotore possono essere fissati attraverso appropriati elementi strutturali 315. Questi elementi strutturali 315 devono sopportare i carichi statici e dinamici e trasferire la coppia tra i dischi rotore e l'albero del rotore; essi possono comprendere materiale non ferromagnetico e possono includere dischi e/o razze e possono anche includere flange o scanalature per essere correttamente assemblati all'albero rotore 11. Nella Fig.3a sono anche indicate le terminazioni Txa e Txb dei conduttori per ciascuna fase per ciascun disco statore. Fig.3a is a perspective view of some elements of a multi-stage electric machine type AFIR-NS constructed and arranged according to the principle of the invention, in this example a 3-stage machine with 12 poles and 3 phases. The figure shows a casing 10 (partially cut to show parts of the internal elements) for fixing the stator discs 21, 22 and 23 and for housing the bearings 12 for a rotor shaft 11 which can rotate with respect to the casing and on which the discs rotor 31, 32, 33 and 34 of the rotor can be fixed through appropriate structural elements 315. These structural elements 315 must withstand the static and dynamic loads and transfer torque between the rotor discs and the rotor shaft; they may comprise non-ferromagnetic material and may include discs and / or spokes and may also include flanges or grooves to be correctly assembled to the rotor shaft 11. Fig.3a also indicates the terminations Txa and Txb of the conductors for each phase for each stator disc.

La Fig.3b è una vista prospettica esplosa di alcuni elementi della macchina elettrica pluristadio AFIR-NS mostrata in figura 3a. In particolare, in Fig.3b sono mostrati: due dischi rotore esterni 31 e 32, due dischi rotore intermedi 33 e 34 e tre dischi statore slot-less 21, 22 e 23. Fig.3b is an exploded perspective view of some elements of the AFIR-NS multistage electric machine shown in figure 3a. In particular, Fig.3b shows: two external rotor discs 31 and 32, two intermediate rotor discs 33 and 34 and three slot-less stator discs 21, 22 and 23.

I dischi statore slot-less della macchina proposta comprendono conduttori elettrici non ferromagnetici che, per certe parti della loro lunghezza, sono disposti lungo la radiale locale e posti alla stessa distanza dall'asse di rotazione della macchina come i poli dei dischi rotore. Con questa disposizione questi segmenti di conduttori disposti radialmente sono in corrispondenza dei magneti permanenti dei dischi rotore. The slot-less stator discs of the proposed machine comprise non-ferromagnetic electrical conductors which, for certain parts of their length, are arranged along the local radial and placed at the same distance from the axis of rotation of the machine as the poles of the rotor discs. With this arrangement these radially arranged conductor segments correspond to the permanent magnets of the rotor discs.

Questi segmenti radiali sono immersi in una matrice o legante non ferromagnetici come la resina per formare un materiale composito, come struttura dei dischi statore, con questi segmenti come elementi di rinforzo. These radial segments are immersed in a non-ferromagnetic matrix or binder such as resin to form a composite material, such as stator disk structure, with these segments as reinforcing elements.

Un'altra caratteristica innovativa è che ciascun disco statore comprende un solo segmento radiale per ciascuna fase elettrica tra ciascun polo di due dischi rotore adiacenti. Quindi in ogni disco statore vi è un numero di segmenti radiali per ogni conduttore di ciascuna fase pari al numero di poli della macchina. Another innovative feature is that each stator disc comprises only one radial segment for each electrical phase between each pole of two adjacent rotor discs. Therefore in each stator disc there is a number of radial segments for each conductor of each phase equal to the number of poles of the machine.

Ciascun segmento radiale può includere più fili, strisce o nastri, smaltati o meno, per un migliore flusso della corrente e/o per avere superfici di contatto maggiori con la matrice per una migliore resistenza meccanica della struttura e può anche includere conduttori cavi per far circolare un fluido per il raffreddamento. Each radial segment can include more wires, strips or tapes, enamelled or not, for better current flow and / or to have larger contact surfaces with the matrix for better mechanical strength of the structure and can also include hollow conductors to circulate a cooling fluid.

La Fig.4a è una vista su un piano XY ortogonale all'asse Z di alcuni elementi di un disco statore di una macchina elettrica costruita e disposta secondo il principio dell’invenzione, nell’esempio 3-fasi e 12 poli. Per una migliore indicazione di alcuni elementi compresi nello statore, la matrice 25 non è mostrata su una parte della figura. Per ogni fase elettrica vi è un conduttore che, come mostrato in Fig.4a, comprende i segmenti orientati radialmente 211, tra il raggi ri ed re, i segmenti esterni 212 per raggi con r <ri e r> re e le terminazioni Txa e Txb per ogni fase, per permettere di collegare ciascun conduttore del disco statore alla tensione di alimentazione, o ad altre terminazioni dei dischi statore, al fine di completare i circuiti elettrici. Fig.4a is a view on an XY plane orthogonal to the Z axis of some elements of a stator disk of an electric machine built and arranged according to the principle of the invention, in the example 3-phases and 12 poles. For a better indication of some elements comprised in the stator, the matrix 25 is not shown on a part of the figure. For each electrical phase there is a conductor which, as shown in Fig.4a, includes the radially oriented segments 211, between the rays ri and re, the outer segments 212 for rays with r <ri and r> re and the terminations Txa and Txb for each phase, to allow each conductor of the stator disc to be connected to the supply voltage, or to other terminations of the stator discs, in order to complete the electrical circuits.

Fig.4b mostra una sezione su un piano YZ di alcuni elementi del disco statore. Nella sezione è possibile vedere che la lunghezza assiale dei dischi dello statore può essere diversa ai diversi raggi. In particolare, la lunghezza assiale del disco statore a1 è minima tra il raggio ri ed il raggio re, dove i conduttori elettrici sono disposti radialmente, ma hanno lunghezze assiali maggiori a2 per raggi più piccoli di ri e/o maggiori di re per completare in modo efficiente i circuiti elettrici. Fig.4b shows a section on a YZ plane of some elements of the stator disk. In the section you can see that the axial length of the stator discs can be different at different radii. In particular, the axial length of the stator disk a1 is minimum between the radius ri and the radius re, where the electrical conductors are arranged radially, but have axial lengths greater than a2 for radii smaller than ri and / or greater than re to complete in efficiently the electrical circuits.

I "segmento esterni" 212 dei conduttori, vale a dire per raggi con r <ri e r> re, possono anche essere anch’essi incorporati in una matrice legante per una migliore costruzione dei dischi e/o per il loro fissaggio al casing e/o per un migliore scambio di calore con il fluido circostante. Gli elementi per il fissaggio dei dischi statore al casing non sono mostrati nelle figure. The "outer segments" 212 of the conductors, i.e. for rays with r <ri and r> re, can also be incorporated into a binding matrix for better construction of the discs and / or for their attachment to the casing and / or for better heat exchange with the surrounding fluid. The elements for fixing the stator discs to the casing are not shown in the figures.

La forma della sezione trasversale e l'area dei segmenti radiali può essere diversa dalla forma della sezione trasversale e dall'area dei segmenti esterni. La forma e l'area della sezione trasversale possono anche variare lungo la lunghezza dei segmenti stessi. The shape of the cross section and the area of the radial segments can be different from the shape of the cross section and the area of the outer segments. The shape and cross-sectional area can also vary along the length of the segments themselves.

Questa struttura dei dischi statore, che comprende i conduttori come elementi di rinforzo del materiale composito e che comprende solo un segmento radiale per fase e per disco statore tra ciascun polo magnetico, consente di avere una lunghezza assiale ridotta dei dischi statore. Quindi viene ridotta la distanza tra i poli dei dischi rotore ed è quindi possibile mantenere flussi magnetici maggiori. Questa disposizione consente inoltre di sfruttare meglio lo spazio disponibile e utilizzare conduttori con sezione maggiore per far circolare correnti più elevate. Inoltre, essendo i segmenti conduttori 211 disposti radialmente essi interagiscono in modo più efficiente con la direzione del flusso magnetico quando le correnti circolano in essi. This structure of the stator discs, which includes the conductors as reinforcing elements of the composite material and which comprises only one radial segment per phase and per stator disc between each magnetic pole, allows to have a reduced axial length of the stator discs. Then the distance between the poles of the rotor discs is reduced and it is therefore possible to maintain greater magnetic fluxes. This arrangement also makes it possible to make better use of the available space and to use conductors with a larger section to circulate higher currents. Furthermore, since the conductive segments 211 are arranged radially, they interact more efficiently with the direction of the magnetic flux when currents circulate in them.

Queste tre caratteristiche consentono coppie maggiori per unità di peso. These three characteristics allow for higher torques per unit of weight.

I dischi statore vengono quindi fissati al loro esterno al casing della macchina per contrastare meglio le forze e le coppie che agiscono su di essi attraverso elementi rimovibili per rendere possibile un facile assemblaggio della macchina. The stator discs are then fixed on their outside to the casing of the machine to better counteract the forces and torques that act on them through removable elements to make easy assembly of the machine possible.

Ogni disco rotore ha un numero pari di poli magnetici comprendenti magneti permanenti in modo che vi sia un'alternanza di poli Sud e Nord lungo le circonferenze dei dischi rotore. Il flusso principale, guidato dai magneti, passa assialmente da un polo Nord su un disco rotore ad un polo Sud del disco rotore adiacente che gli sta di fronte, quindi tutti i poli dei vari dischi rotore, attraversati da una linea retta parallela all'asse di rotazione Z della macchina Each rotor disc has an even number of magnetic poles including permanent magnets so that there is an alternation of South and North poles along the circumferences of the rotor discs. The main flux, guided by the magnets, passes axially from a North pole on a rotor disc to a South pole of the adjacent rotor disc in front of it, then all the poles of the various rotor discs, crossed by a straight line parallel to the axis of rotation Z of the machine

sono orientati nella stessa direzione come indicato in Fig.2. they are oriented in the same direction as shown in Fig. 2.

La Fig.5a è una vista prospettica di un disco rotore esterno della macchina elettrica costruito e disposto secondo il principio dell'invenzione per l'esempio di 12 poli. Il disco rotore esterno 31 comprende il giogo ferromagnetico 311 e i 12 poli magnetici 312. Invece dei gioghi ferromagnetici è anche possibile avere Halbach array per completare i circuiti magnetici sui dischi rotore esterni. I dischi rotore saranno quindi connessi rigidamente all'albero attraverso elementi strutturali appropriati, non indicati nella figura, che possono comprendere materiali non ferromagnetici. Questi elementi strutturali possono comprendere dischi o razze e flange o scanalature. Fig.5a is a perspective view of an external rotor disk of the electric machine constructed and arranged according to the principle of the invention for the example of 12 poles. The outer rotor disc 31 comprises the ferromagnetic yoke 311 and the 12 magnetic poles 312. Instead of the ferromagnetic yokes it is also possible to have Halbach arrays to complete the magnetic circuits on the outer rotor discs. The rotor discs will then be rigidly connected to the shaft through appropriate structural elements, not indicated in the figure, which may comprise non-ferromagnetic materials. These structural elements may include discs or spokes and flanges or grooves.

Le caratteristiche innovative proposte per i dischi rotore intermedi tengono conto che i magneti permanenti ad alta energia, che possono includere "terre rare" come neodimio o samario e cobalto, sono piuttosto fragili. Il design proposto per i dischi rotore intermedi comprende elementi strutturali di supporto ferromagnetico sulle cui facce, perpendicolari all'asse di rotazione, sono fissati i magneti permanenti. E i magneti permanenti sono montati su entrambe le facce di questi elementi. Questi elementi ferromagnetici vengono quindi fissati a una struttura per collegarli rigidamente all’albero. Queste caratteristiche consentono ai magneti permanenti di essere in grado di sopportare meglio i carichi dinamici a cui saranno sottoposti grazie sia alla maggiore resistenza e resilienza fornita dagli elementi ferromagnetici interposti e alle maggiori superfici disponibili per il fissaggio dei magneti permanenti a questi elementi. The innovative features proposed for the intermediate rotor discs take into account that high-energy permanent magnets, which may include "rare earths" such as neodymium or samarium and cobalt, are quite brittle. The proposed design for the intermediate rotor discs includes structural elements of ferromagnetic support on whose faces, perpendicular to the axis of rotation, the permanent magnets are fixed. And permanent magnets are mounted on both sides of these elements. These ferromagnetic elements are then fixed to a structure to connect them rigidly to the shaft. These characteristics allow the permanent magnets to be able to better withstand the dynamic loads to which they will be subjected thanks to both the greater resistance and resilience provided by the interposed ferromagnetic elements and the greater surfaces available for fixing the permanent magnets to these elements.

La Fig.6a è una vista in prospettiva di un disco rotore intermedio della macchina elettrica costruito e disposto secondo il principio dell'invenzione per l'esempio a 12 poli. Il disco rotore intermedio 33 comprende elementi strutturali di supporto ferromagnetico, in questo esempio un disco 331; 12 poli, ciascuno dei quali comprende magneti permanenti 332 fissati su entrambe le superfici del supporto ferromagnetico interposto 331. Il disco rotore 33 sarà quindi fissato all'albero attraverso elementi strutturali appropriati, non indicati nella Fig. 6a, che possono comprendere materiali non ferromagnetici. Fig.6a is a perspective view of an intermediate rotor disc of the electric machine constructed and arranged according to the principle of the invention for the 12-pole example. The intermediate rotor disc 33 comprises ferromagnetic support structural elements, in this example a disc 331; 12 poles, each of which comprises permanent magnets 332 fixed on both surfaces of the interposed ferromagnetic support 331. The rotor disc 33 will then be fixed to the shaft through appropriate structural elements, not indicated in Fig. 6a, which may comprise non-ferromagnetic materials.

I vari poli possono includere anche magneti segmentati. The various poles may also include segmented magnets.

Una caratteristica opzionale è quella di avere i supporti strutturali ferromagnetici dei dischi rotore intermedi 33 suddivisi in vari elementi 3312, orientati radialmente, ciascuno per polo e separati l'uno dall'altro, come indicato in Fig.6b per consentire la circolazione di un fluido tra di essi per un migliore raffreddamento della macchina. Anche in questo caso i magneti permanenti 332 sono fissati su entrambe le superfici dei supporti ferromagnetici 3312. An optional feature is that of having the ferromagnetic structural supports of the intermediate rotor discs 33 divided into various elements 3312, radially oriented, each for pole and separated from each other, as indicated in Fig.6b to allow the circulation of a fluid between them for better cooling of the machine. Also in this case the permanent magnets 332 are fixed on both surfaces of the ferromagnetic supports 3312.

Come indicato nella Fig.5b e 5c per i dischi rotore di estremità e nella Fig. 6c per i dischi rotore intermedi, gli elementi 311 e 331 rispettivamente possono comprendere degli anelli esterni di contenimento per contrastare ulteriormente la forza centrifuga che agisce sui magneti permanenti agli alti regimi di rotazione. As indicated in Fig. 5b and 5c for the end rotor discs and in Fig. 6c for the intermediate rotor discs, the elements 311 and 331 respectively may comprise external containment rings to further counteract the centrifugal force acting on the permanent magnets at the high rotation speeds.

Un'altra caratteristica di queste macchine è la possibilità di includere tre interruttori on/off per fase nelle connessioni elettriche tra ogni stadio per consentire la commutazione da serie a parallela. La Fig.7 è un'illustrazione dello schema di commutazione applicabile a ciascuna fase per consentire la commutazione serie parallelo di uno o più stadi di una macchina a flusso assiale a 4 stadi costruita e disposta secondo il principio dell’invenzione. In particolare, sono mostrate le terminazioni dei conduttori T11 e T12 dello stadio 1, T21 e T22 dello stadio 2 e così via e gli interruttori s11 tra le terminazioni T11 e T21, s12 tra le terminazioni T12 e T21 e s13 b tra le terminazioni T12 e T22 e così via. Another feature of these machines is the ability to include three on / off switches per phase in the electrical connections between each stage to allow for switching from series to parallel. Fig.7 is an illustration of the switching scheme applicable to each phase to allow the parallel series switching of one or more stages of a 4-stage axial flow machine built and arranged according to the principle of the invention. In particular, the terminations of conductors T11 and T12 of stage 1, T21 and T22 of stage 2 and so on are shown and switches s11 between terminations T11 and T21, s12 between terminations T12 and T21 and s13 b between terminations T12 and T22 and so on.

La macchina accelera fino alla velocità di base, per esempio, connettendo in serie tutti gli stadi della macchina; ciò si ottiene chiudendo gli interruttori s12, s22 e s32 e mantenendo aperti tutti gli altri interruttori, in modo che la corrente massima che l'inverter può erogare venga utilizzata per produrre la coppia nominale della macchina. Quando l'EMF si avvicina alla tensione di ingresso CC dell'inverter, le connessioni della macchina possono essere cambiate per avere uno o più stadi commutati in parallelo. Con la disposizione degli interruttori proposta è possibile mettere in parallelo due, tre o tutti e quattro gli stadi (o n stadi). Ad esempio, il parallelo di tutti i 4 gli stadi si ottiene chiudendo gli interruttori s11, s13, s21, s23, s31 e s33 con tutti gli altri interruttori aperti. Poiché la tensione ai terminali del motore si riduce, la tensione continua fornita dall’inverter può essere comunque utilizzata per dare la corrente massima e produrre la coppia proporzionalmente ridotta della macchina fino alla velocità di base aumentata. The machine accelerates to base speed, for example, by connecting all the machine stages in series; this is achieved by closing the switches s12, s22 and s32 and keeping all the other switches open, so that the maximum current that the inverter can deliver is used to produce the rated torque of the machine. As the EMF approaches the DC input voltage of the inverter, the machine connections can be changed to have one or more stages switched in parallel. With the proposed arrangement of the switches it is possible to parallel two, three or all four stages (or n stages). For example, the parallel of all 4 stages is obtained by closing the switches s11, s13, s21, s23, s31 and s33 with all the other switches open. Since the voltage at the motor terminals is reduced, the direct voltage supplied by the inverter can still be used to give the maximum current and produce the proportionally reduced torque of the machine up to the increased base speed.

La soluzione proposta è modulare e applicabile a qualsiasi numero di stadi: comprende tre interruttori (si1, si2, si3) tra due stadi qualsiasi per ogni fase elettrica che sono opportunamente collegati agli interruttori dello stadio o degli stadi adiacenti. The proposed solution is modular and applicable to any number of stages: it includes three switches (si1, si2, si3) between any two stages for each electrical phase which are suitably connected to the switches of the adjacent stage or stages.

Con tutti gli interruttori aperti, la macchina può girare senza coppia di resistenza elettromagnetica. With all switches open, the machine can run without electromagnetic resistance torque.

Claims

AXIAL FLOW MULTISTAGE ROTARY MACHINE WITH PERMANENT MAGNETS AND "SLOT-LESS" STATORS, WITH INNOVATIVE STRUCTURE FOR ROTOR DISCS AND CLAIMS STATOR 1. A slot-less axial flux multi-stage rotary electric machine with internal rotor and external stator configuration that includes: - a casing for fixing the stator discs and housing the bearings for a rotor shaft which can rotate with respect to the body and on which the rotor discs are fixed, - a number n 1 of rotor discs with permanent magnets fixed on them, - a number n of stator discs arranged along the axis of rotation of the machine and fixed to the casing structure with their axes parallel to the axis of rotation of the machine, where n is 2 or more, wherein each rotor disc of the machine comprises surfaces with permanent magnets whose polarities are facing on both sides of each stator disc, in which each rotor disc has an even number of magnetic poles comprising permanent magnets and in which there is an alternation of South and North poles along the circumferences of the rotor discs and in which all the poles of the various discs of the rotor, crossed by a line line parallel to the axis of rotation of the machine, they are oriented with the same North-South direction along the axial direction, in which the intermediate rotor discs comprise structural elements which include ferromagnetic material to support the permanent magnets and in which the permanent magnets are attached to both sides of these structural elements and in which these structural elements are then attached to a structure to be rigidly connected to the 'tree, in which each stator disc comprises non-ferromagnetic electrical conductors which, for certain parts of their lengths, are arranged along a radial direction and placed at the same distance from the axis of rotation of the machine as the poles of the rotor discs, and in which the number of these segments of the conductor arranged radially for each stator disk and for each phase is equal to the number of poles of the machine, wherein the non-ferromagnetic segments of the electrical conductors of each stator disc, which are arranged radially, are also immersed in a non-ferromagnetic matrix or binder in order to have a composite material, as a structure of the stator discs, which includes the electrical conductors as elements reinforcement, in which all stator discs are without yoke, in which all the stator discs are fixed, through their external side, to the casing of the machine.

A machine according to claim 1, wherein the terminations of the electrical conductors of each stator disc are connected to those of the adjacent stage including 3 switches for each electrical phase to allow switching from series to parallel between the stages.

A machine according to claim 1 or 2 wherein each intermediate rotor disc comprises structural ferromagnetic elements, one for each pole, radially oriented and separated from each other.

4. A machine according to claims 1 or 2 in which also the segments of the conductors of each stator disc which are not radially arranged, are immersed in a matrix or binder, in order to have a composite material with these segments as reinforcing elements.