ITBO20090762A1 - Macchina elettrica con rotore a magneti permanenti arretrati - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

“MACCHINA ELETTRICA CON ROTORE A MAGNETI PERMANENTI ARRETRATIâ€

SETTORE DELLA TECNICA

La presente invenzione à ̈ relativa ad una macchina elettrica con rotore a magneti permanenti arretrati.

La presente invenzione trova vantaggiosa applicazione ad una macchina elettrica per autotrazione cui la descrizione che segue farà esplicito riferimento senza per questo perdere di generalità

ARTE ANTERIORE

Nei veicoli stradali sta prendendo sempre più piede la trazione elettrica in abbinamento alla tradizionale trazione termica per realizzare una trazione ibrida.

In un primo schema di trazione ibrida, una macchina elettrica viene meccanicamente collegata ad una trasmissione interposta tra il motore termico e le ruote motrici; in questo modo la macchina elettrica non ha bisogno di propri elementi di trasmissione (cioà ̈ di un proprio differenziale e di propri semiassi), ma condivide gli elementi di trasmissione del motore termico. Tuttavia, tale schema di trazione ibrida pone seri problemi di gestione degli ingombri, in quanto non à ̈ semplice trovare in prossimità della trasmissione del motore termico lo spazio necessario ad alloggiare la macchina elettrica ed il relativo convertitore elettronico di potenza (che deve possibilmente venire disposto in prossimità della macchina elettrica per contenere la lunghezza dei cavi elettrici di collegamento e quindi le perdite di potenza per effetto Joule, la caduta di tensione, ed i disturbi elettromagnetici che si verificano nei cavi elettrici di collegamento).

In un secondo schema di trazione ibrida à ̈ prevista una trasmissione del motore termico che trasmette la coppia motrice del motore termico ad un asse del veicolo (anteriore o posteriore) ed à ̈ prevista una ulteriore trasmissione della macchina elettrica che à ̈ completamente indipendente dalla trasmissione del motore termico e trasmette la coppia motrice del motore elettrico all’altro asse del veicolo (posteriore o anteriore). La trasmissione della macchina elettrica à ̈ più semplice della trasmissione del motore termico in quanto non prevede l’assieme frizione/cambio e comprende solo un differenziale da cui partono una coppia di semiassi solidali alle ruote motrici motorizzate dalla macchina elettrica. Tale soluzione presenta il vantaggio di separare la trasmissione del motore termico dalla trasmissione della macchina elettrica e quindi di permettere una maggiore flessibilità nel piazzamento della macchina elettrica; inoltre, tale soluzione presenta il vantaggio di essere una trasmissione integrale inseribile molto ben controllabile che fornisce, quando necessario, una elevata motricità (cioà ̈ una elevata capacità di trasmettere a terra la coppia motrice). Tuttavia, anche in questo schema di trazione ibrida pone seri problemi di gestione degli ingombri, in quanto non à ̈ semplice trovare lo spazio necessario ad alloggiare la macchina elettrica ed il relativo convertitore elettronico di potenza assieme alla trasmissione dedicata alla macchina elettrica.

Per riuscire a collocare la macchina elettrica all’interno di un veicolo à ̈ necessario contenere le dimensioni della macchina elettrica; tuttavia, una macchina elettrica “piccola†presenta generalmente delle prestazioni ridotte (cioà ̈ a parità di altre caratteristiche, tanto più una macchina elettrica à ̈ piccola, tanto minori sono le sue prestazioni). Per riuscire a costruire una macchina elettrica che pur essendo di ridotte dimensioni presenti delle prestazioni elevate à ̈ necessario aumentare i regimi di rotazione del rotore.

Nell’autotrazione la macchina elettrica più utilizzata à ̈ una macchina elettrica sincrona con rotore a magneti permanenti arretrati (cioà ̈ disposti internamente al rotore); in una macchina elettrica di questo tipo, esiste un problema strutturale di resistenza del rotore quando si arriva ad alte velocità di rotazione (ad esempio sopra ai 10.000 giri/min). In altre parole, ad alte velocità di rotazione i lamierini che costituiscono il nucleo magnetico del rotore non sono sufficientemente robusti per contrastare la forza centrifuga che agisce sui magneti permanenti e quindi i magneti permanenti spinti dalla forza centrifuga possono arrivare a deformare radialmente il rotore provocando una interferenza meccanica tra il rotore e lo statore e quindi l’inchiodamento meccanico del rotore contro lo statore.

Per risolvere il sopra descritto problema à ̈ possibile utilizzare lamierini che presentino una elevata resistenza meccanica; tuttavia, i lamierini che presentano una elevata resistenza meccanica presentano caratteristiche magnetiche più scarse (e quindi penalizzano le prestazioni della macchina elettrica vanificando l’incremento di prestazioni ottenuto aumentando la velocità di rotazione) oppure sono molto costosi.

Per aumentare la robustezza meccanica del rotore in una macchina elettrica sincrona con rotore a magneti permanenti arretrati à ̈ stato proposto di realizzare ciascun polo magnetico del rotore mediante due magneti permanenti che sono disposti tra loro affiancati (spesso formando tra loro una forma a “V†) ad una certa distanza uno all’altro in modo tale che tra i due magneti sia presente un “ponte†(cioà ̈ una striscia di materiale ferromagnetico del nucleo magnetico) che à ̈ orientato radialmente a cavallo dei due magneti ed ha la funzione di aumentare la resistenza meccanica contro le sollecitazioni radiali (cioà ̈ contro la forza centrifuga). Un esempio di una macchina elettrica sincrona con rotore a magneti permanenti arretrati del tipo di quella sopra descritta à ̈ stato proposto in US2008007131A1.

Dal punto di vista magnetico tali “ponti†devono essere il più piccolo possibile, in quanto vengono attraversati da flusso magnetico disperso (cioà ̈ la quota parte del flusso magnetico generato dai magneti permanenti che non si richiude interessando lo statore attraverso il traferro); cioà ̈ tanto più piccolo à ̈ un “ponte†, tanto prima si satura magneticamente contenendo la percentuale del flusso magnetico disperso. Invece dal punto di vista strutturale tali “ponti†devono essere il più grande possibile, in quanto tanto più sono grandi tanto maggiore à ̈ il contributo che forniscono alla resistenza meccanica contro le sollecitazioni radiali. Trovare un compromesso ottimale tra le contrastanti esigenze di minimizzare i flussi magnetici dispersi e di massimizzare la resistenza meccanica contro le sollecitazioni radiali à ̈ spesso impossibile e quindi l’utilità complessiva dei “ponti†à ̈ comunque limitata.

DESCRIZIONE DELLA INVENZIONE

Scopo della presente invenzione à ̈ di fornire una macchina elettrica con rotore a magneti permanenti arretrati, la quale macchina elettrica sia priva degli inconvenienti sopra descritti e sia nel contempo di facile ed economica realizzazione.

Secondo la presente invenzione viene fornita una macchina elettrica con rotore a magneti permanenti arretrati secondo quanto rivendicato dalle rivendicazioni allegate.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

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

· la figura 1 Ã ̈ una vista schematica, in sezione longitudinale e con parti asportate per chiarezza di una macchina elettrica per autotrazione con rotore a magneti permanenti arretrati realizzata in accordo con la presente invenzione;

· la figura 2 Ã ̈ una vista schematica, in sezione trasversale e con parti asportate per chiarezza della macchina elettrica della figura 1;

· la figura 3 Ã ̈ una vista in scala ingrandita di un particolare della figura 2; e

· la figura 4 Ã ̈ una sezione secondo la linea IV-IV, schematica e con parti asportate per chiarezza della macchina elettrica della figura 1.

FORME DI ATTUAZIONE PREFERITE DELL’INVENZIONE

Nella figura 1, con il numero 1 à ̈ indicata nel suo complesso una macchina elettrica sincrona per autotrazione di tipo reversibile (cioà ̈ che può funzionare sia come motore elettrico assorbendo energia elettrica e generando un coppia meccanica motrice, sia come generatore elettrico assorbendo energia meccanica e generando energia elettrica). La macchina 1 elettrica comprende un albero 2, il quale à ̈ montato girevole per ruotare attorno ad un asse 3 di rotazione centrale, un rotore 4 di forma cilindrica e calettato all’albero 2 per ruotare assieme all’albero 2 stesso, ed uno statore 5 di forma tubolare cilindrica disposto attorno al rotore 4 per racchiudere al proprio interno il rotore 4 stesso.

Il rotore 4 comprende un nucleo 6 magnetico costituito da una serie di lamierini serrati a pacco. Secondo quanto illustrato nella figura 2, il rotore 4 à ̈ a magneti permanenti arretrati, cioà ̈ comprende una pluralità di poli 7 magnetici costituiti da magneti 8 permanenti che sono annegati all’interno del nucleo 6 magnetico (si dicono macchine sincrone a magneti permanenti interni, le macchine elettriche che presentano i magneti permanenti inglobati dentro la struttura che compone il rotore; questa dicitura à ̈ utilizzata per distinguerle dalle macchine sincrone a magneti superficiali, in cui i magneti sono affacciati al traferro e quindi esposte allo statore).

Secondo quanto meglio illustrato nella figura 3, ciascun polo 7 magnetico à ̈ costituito da due magneti 8 permanenti che sono disposti tra loro affiancati ad una certa distanza uno all’altro in rispettive sedi 9 ricavate assialmente all’interno del nucleo 6 magnetico; secondo una preferita forma di attuazione, in ciascun polo 7 magnetico i due magneti 8 permanenti sono disposti inclinati uno rispetto all’altro in modo tale che i due magneti 8 permanenti formino una forma a “V†(con un angolo ottuso al vertice).

Per ciascun polo 7 magnetico à ̈ prevista una chiavetta 10 di rinforzo, la quale à ̈ realizzata in materiale amagnetico, à ̈ disposta tra i due magneti 8 permanenti del polo 7 magnetico in una sede 11 ricavata assialmente all’interno del nucleo 6 magnetico tra le due sedi 9 alloggianti i magneti 8 permanenti, e presenta una forma tale da realizzare un contenimento radiale del nucleo 6 magnetico. Preferibilmente, ciascuna chiavetta 10 di rinforzo tocca lateralmente i due magneti 8 permanenti del polo 7 magnetico in due punti di contatto in cui la sede 11 della chiavetta 10 di rinforzo si collega con le sedi 9 dei magneti 8 permanenti.

Le chiavette 10 di rinforzo sono realizzate in materiale amagnetico (cioà ̈ non ferromagnetico) che presenta una elevata resistenza meccanica alla trazione; a titolo di esempio, le chiavette 10 di rinforzo sono realizzate in acciaio amagnetico, ottone oppure alluminio (che pur presentando una minore resistenza meccanica alla trazione ha il pregio di essere molto leggero). E’ importante osservare che le chiavette 10 di rinforzo non devono presentare buone caratteristiche ferromagnetiche ma solo buone caratteristiche meccaniche; quindi le chiavette 10 di rinforzo pur essendo realizzate in materiale economico presentano una resistenza meccanica decisamente superiore alla resistenza meccanica del nucleo 6 magnetico costituito da un pacco di lamierini ferromagnetici.

Ciascuna chiavetta 10 di rinforzo presenta una forma allungata ed à ̈ orientata radialmente; inoltre, ciascuna chiavetta 10 di rinforzo comprende un corpo centrale 12 orientato radialmente a cavallo dei due magneti 8 permanenti del polo 7 magnetico, e due estremità 13 che sono disposte su lati opposti dei magneti 8 permanenti del polo 7 magnetico e presentano una dimensione circonferenziale maggiore rispetto al corpo centrale 12 (cioà ̈ sono in sostanza dei “rigonfiamenti†di estremità). Ciascuna estremità 13 di una chiavetta 10 di rinforzo presenta rispettivi sottosquadri 14 che sono orientati circonferenzialmente e sporgono perpendicolarmente dal corpo centrale 12 della chiavetta 10 di rinforzo stessa. Preferibilmente, ciascuna estremità 13 di una chiavetta 10 di rinforzo presenta una sezione trasversale conformata a semicerchio.

Secondo una preferita forma di attuazione, ciascuna chiavetta 10 di rinforzo presenta una pre-compressione radiale all’interno della sede 11 che tira radialmente una verso l’altra le due estremità 13 opposte della chiavetta 10 di rinforzo stessa. La pre-compressione radiale di ciascuna chiavetta 10 di rinforzo à ̈ ottenuta inserendo a caldo la chiavetta 10 di rinforzo nella sede 11. La chiavetta 10 di rinforzo quando viene inserita a caldo nella sede 11 presenta una dimensione radiale maggiore per effetto della dilatazione termica; di conseguenza, quando la chiavetta 10 di rinforzo si raffredda dopo essere stata inserita a caldo nella sede 11, la chiavetta 10 di rinforzo si restringe assialmente all’interno della sede 11 e quindi genera una pre-compressione diretta radialmente che tira una verso l’altra le due estremità 13 opposte della chiavetta 10 di rinforzo stessa. Tale risultato à ̈ ottenuto dimensionando ciascuna sede 11 in modo tale che la sede 11 presenti la dimensione della chiavetta 10 di rinforzo calda (e quindi sia radialmente troppo grande per la chiavetta 10 di rinforzo fredda). Preferibilmente, ciascuna chiavetta 10 di rinforzo viene inserita a caldo nella sede 11 ad una temperatura superiore alla massima temperatura raggiunta in uso dal nucleo 6 magnetico; in questo modo, anche alla massima temperatura raggiunta in uso dal nucleo 6 magnetico le chiavette 10 di rinforzo conservano una forza radiale di pre-compressione residua.

La funzione della pre-compressione radiale delle chiavette 10 di rinforzo à ̈ di aumentare la capacità di resistenza del nucleo 6 magnetico alla sollecitazione radiale determinata dalla forza centrifuga, in quanto prima di arrivare a sollecitare a trazione le chiavette 10 di rinforzo, la forza centrifuga deve prima compensare la precompressione radiale delle chiavette 10 di rinforzo stesse.

Secondo una possibile forma di attuazione illustrata nella figura 4, ciascuna chiavetta 10 di rinforzo sporge assialmente da entrambi i lati del nucleo 6 magnetico ed à ̈ conformata per serrare assialmente a pacco il nucleo 6 magnetico stesso. In particolare, le parti assialmente sporgenti dal nucleo 6 magnetico di ciascuna chiavetta 10 di rinforzo vengono ribattute contro il nucleo 6 magnetico per formare dei rivetti 15 e quindi serrare assialmente a pacco il nucleo 6 magnetico stesso.

Secondo una possibile forma di attuazione, la superficie 16 esterna di ciascuna chiavetta 10 di rinforzo à ̈ rivestita da uno strato di materiale elettricamente isolante (tipicamente uno smalto elettricamente isolante del tipo di quelli utilizzati per isolare i conduttori elettrici degli avvolgimenti statorici) per evitare di creare dei “ponti†tra i lamierini del nucleo 6 magnetico.

Secondo quanto illustrato nella figura 3, le zone comprese tra ciascuna chiavetta 10 di rinforzo ed i magneti 8 permanenti del polo 7 magnetico sono vuote, cioà ̈ sono costituite da rispettivi fori 17 di alleggerimento. In altre parole, le zone comprese tra ciascuna chiavetta 10 di rinforzo ed i magneti 8 permanenti non devono venire attraversate da linee di flusso magnetico “utile†, quindi non vi à ̈ interesse ad avere in queste zone del materiale ferromagnetico; per cercare di minimizzare la massa del rotore 4, in corrispondenza di tali zone vengono ricavati i fori 17 di alleggerimento che sono disposti assialmente ed attraversano tutto il nucleo 6 magnetico da parte a parte.

Inoltre, il nucleo 6 magnetico presenta degli ulteriori fori 18 di alleggerimento di forma circolare che sono disposti assialmente ed internamente al nucleo 6 magnetico ed attraversano tutto il nucleo 6 magnetico stesso da parte a parte.

La macchina 1 elettrica sopra descritta presenta numerosi vantaggi.

In primo luogo, la macchina 1 elettrica sopra descritta à ̈ di semplice ed economica realizzazione, in quanto le chiavette 10 di rinforzo non devono presentare buone caratteristiche ferromagnetiche ma solo buone caratteristiche meccaniche, quindi le chiavette 10 di rinforzo possono venire realizzate in materiale economico.

Inoltre, la presenza delle chiavette 10 di rinforzo à ̈ in grado di aumentare notevolmente la resistenza meccanica del rotore 4 alle sollecitazioni radiali generate dalla forza centrifuga; tale aumento della resistenza meccanica del rotore 4 à ̈ ancora più elevato in caso di precompressione radiale delle chiavette 10 di rinforzo all’interno delle sedi 11. Come detto in precedenza, le chiavette 10 di rinforzo possono venire realizzate in materiali amagnetici che pure essendo economici hanno una resistenza meccanica decisamente superiore alla resistenza meccanica dei lamierini componenti il nucleo 6 magnetico.

Essendo realizzate in materiale amagnetico, le chiavette 10 di rinforzo permettono di minimizzare i flussi dispersi: le linee di flusso magnetico tendono a non passare nello spazio compreso tra i due magneti 8 permanenti di un polo 7 magnetico in quanto dal punto di vista magnetico tale spazio à ̈ equivalente ad un grande traferro. In altre parole, le linee di flusso magnetico tendono a girare attorno ad entrambi i magneti 8 permanenti di un polo 7 magnetico passando per il piccolo traferro tra il rotore 4 e lo statore 5 (quindi contribuendo alla interazione magnetica tra rotore e statore) piuttosto che girare attorno ad un solo magnete 8 permanente di un polo 7 magnetico passando attraverso la chiavette 10 di rinforzo che corrispondente dal punto di vista magnetico ad un grande traferro. Minimizzare l’entità del flusso magnetico disperso à ̈ importante per massimizzare la coppia di allineamento, che à ̈ uno dei due contributi fondamentali di coppia di questo tipo di macchina 1 elettrica.

Grazie alla presenza delle chiavette 10 di rinforzo, la velocità massima di rotazione della macchina 1 elettrica può venire sostanzialmente aumentata rispetto alla macchina 1 elettrica priva delle chiavette 10 di rinforzo: a titolo di esempio la macchina 1 elettrica provvista delle chiavette 10 di rinforzo può raggiungere una velocità massima di rotazione di almeno 16.000 giri/min, mentre la macchina 1 elettrica priva delle chiavette 10 di rinforzo può raggiungere una velocità massima di rotazione non superiore a 10.000 giri/min.

Claims (15)

1. RIVENDICAZIONI 1) Macchina (1) elettrica comprendente: un albero (2) montato girevole per ruotare attorno ad un asse (3) di rotazione centrale; un rotore (4) portato dall’albero (2) e presentante: un nucleo (6) magnetico costituito da una serie di lamierini serrati a pacco; ed una pluralità di poli (7) magnetici, ciascuno dei quali à ̈ costituito da almeno due magneti (8) permanenti che sono disposti tra loro affiancati ad una certa distanza uno all’altro in rispettive prime sedi (9) ricavate assialmente all’interno del nucleo (6) magnetico; ed uno statore (5) disposto attorno al rotore (4) per racchiudere al proprio interno il rotore (4) stesso; la macchina (1) elettrica à ̈ caratterizzata dal fatto di comprendere per ciascun polo (7) magnetico una chiavetta (10) di rinforzo, la quale à ̈ realizzata in materiale amagnetico, à ̈ disposta tra i due magneti (8) permanenti del polo (7) magnetico in una seconda sede (11) ricavata assialmente all’interno del nucleo (6) magnetico tra le due prime sedi (9) alloggianti i magneti (8) permanenti, e presenta una forma tale da realizzare un contenimento radiale del nucleo (6) magnetico.
2. 2) Macchina (1) elettrica secondo la rivendicazione 1, in cui ciascuna chiavetta (10) di rinforzo presenta una forma allungata ed à ̈ orientata radialmente.
3. 3) Macchina (1) elettrica secondo la rivendicazione 2, in cui ciascuna chiavetta (10) di rinforzo comprende: un corpo centrale (12) orientato radialmente a cavallo dei due magneti (8) permanenti del polo (7) magnetico; e due estremità (13) che sono disposte su lati opposti dei magneti (8) permanenti del polo (7) magnetico e presentano una dimensione circonferenziale maggiore rispetto al corpo centrale (12).
4. 4) Macchina (1) elettrica secondo la rivendicazione 3, in cui ciascuna estremità (13) di una chiavetta (10) di rinforzo presenta rispettivi sottosquadri (14) che sono orientati circonferenzialmente e sporgono perpendicolarmente dal corpo centrale (12) della chiavetta (10) di rinforzo stessa.
5. 5) Macchina (1) elettrica secondo la rivendicazione 3 o 4, in cui ciascuna estremità (13) di una chiavetta (10) di rinforzo presenta una sezione trasversale conformata a semicerchio.
6. 6) Macchina (1) elettrica secondo una delle rivendicazioni da 1 a 5, in cui ciascuna chiavetta (10) di rinforzo presenta una pre-compressione radiale all’interno della seconda sede (11) che tira radialmente una verso l’altra due estremità (13) opposte della chiavetta (10) di rinforzo stessa.
7. 7) Macchina (1) elettrica secondo la rivendicazione 6, in cui la pre-compressione radiale di ciascuna chiavetta (10) di rinforzo à ̈ ottenuta inserendo a caldo la chiavetta (10) di rinforzo nella seconda sede (11).
8. 8) Macchina (1) elettrica secondo la rivendicazione 7, in cui ciascuna chiavetta (10) di rinforzo viene inserita a caldo nella seconda sede (11) ad una temperatura superiore alla massima temperatura raggiunta in uso dal nucleo (6) magnetico.
9. 9) Macchina (1) elettrica secondo la rivendicazione 8, in cui ciascuna seconda sede (11) Ã ̈ dimensionata per presentare la dimensione della chiavetta (10) di rinforzo calda.
10. 10) Macchina (1) elettrica secondo una delle rivendicazioni da 1 a 9, in cui ciascuna chiavetta (10) di rinforzo sporge assialmente da entrambi i lati del nucleo (6) magnetico ed à ̈ conformata per serrare assialmente a pacco il nucleo (6) magnetico stesso.
11. 11) Macchina (1) elettrica secondo la rivendicazione 10, in cui le parti assialmente sporgenti dal nucleo (6) magnetico di ciascuna chiavetta (10) di rinforzo vengono ribattute contro il nucleo (6) magnetico per formare dei rivetti (15) e quindi serrare assialmente a pacco il nucleo (6) magnetico stesso.
12. 12) Macchina (1) elettrica secondo una delle rivendicazioni da 1 a 11, in cui ciascuna chiavetta (10) di rinforzo tocca lateralmente i due magneti (8) permanenti del polo (7) magnetico in due punti di contatto in cui la seconda sede (11) della chiavetta (10) di rinforzo si collega con le prime sedi (9) dei magneti (8) permanenti.
13. 13) Macchina (1) elettrica secondo una delle rivendicazioni da 1 a 12, in cui le zone comprese tra ciascuna chiavetta (10) di rinforzo ed i magneti (8) permanenti del polo (7) magnetico sono vuote e costituite da rispettivi fori (17) di alleggerimento.
14. 14) Macchina (1) elettrica secondo una delle rivendicazioni da 1 a 13, in cui la superficie (16) esterna di ciascuna chiavetta (10) di rinforzo à ̈ rivestita da uno strato di materiale elettricamente isolante.
15. 15) Macchina (1) elettrica secondo una delle rivendicazioni da 1 a 14, in cui in ciascun polo (7) magnetico i due magneti (8) permanenti sono disposti inclinati uno rispetto all’altro in modo tale che i due magneti (8) permanenti formino una forma a “V†.