ITFI20080167A1 - Macchina elettrica rotante. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda una macchina elettrica rotante.

In particolare, la presente invenzione può essere vantaggiosamente applicata nella realizzazione di macchine quali generatori e motori sincroni multifase. E’ noto che dal punto di vista costruttivo le macchine rotanti sono costituite, essenzialmente, da due elementi, uno capace di ruotare attorno ad un asse della macchina e l’altro fisso, detto rispettivamente rotore e statore.

E’ altresì noto che in una macchina sincrona la velocità angolare del rotore à ̈ strettamente legata alla frequenza della tensione alternata prodotta od applicata, a seconda che la macchina funzioni da generatore o da motore, ed i campi induttore e indotto ruotano in sincronismo, senza scorrimento alcuno.

La presente invenzione riguarda una macchina del tipo sopra descritto e si propone, principalmente, di consentire la realizzazione di macchine elettriche rotanti, quali generatori e motori sincroni multifase, ad elevato rendimento. Un ulteriore scopo della presente invenzione à ̈ quello di semplificare le operazioni di assemblaggio delle macchine elettriche rotanti, con particolare riferimento alla realizzazione del rotore e dello statore.

Ancora un altro scopo della presente invenzione à ̈ di proporre una macchina elettrica rotante che per la sua semplicità costruttiva risulti particolarmente affidabile.

A questo risultato si à ̈ pervenuti, in conformità della presente invenzione, adottando l’idea di realizzare una macchina avente le caratteristiche indicate nella rivendicazione 1. Altre caratteristiche della presente invenzione sono oggetto delle rivendicazioni dipendenti.

Una macchina elettrica in conformità della presente invenzione presenta un elevato rendimento nonostante la relativa semplicità strutturale. Inoltre, una macchina elettrica in conformità della presente invenzione à ̈ strutturata in modo tale da consentirne l’assemblaggio in tempi ridotti e con maggiore semplicità rispetto alle macchine convenzionali, il che si riflette positivamente anche sul costo di fabbricazione della macchina, e ciò con particolare riferimento alla realizzazione del rotore e dello statore.

Questi ed ulteriori vantaggi e caratteristiche della presente invenzione saranno più e meglio compresi da ogni tecnico del ramo grazie alla descrizione che segue ed agli annessi disegni, forniti a titolo esemplificativo ma da non considerare in senso limitativo, nei quali:

- la Fig.1A rappresenta una schematica vista esplosa di una macchina elettrica in conformità della presente invenzione, in cui alcune parti non sono illustrate per meglio evidenziarne altre;

- la Fig.1B rappresenta schematicamente una fase del montaggio del pacco statorico interno su di un mozzo di supporto;

- la Fig.1C rappresenta una schematica vista prospettica di una macchina elettrica in conformità della presente invenzione;

- la Fig.1D rappresenta una schematica vista frontale della macchina di Fig.1C;

- la Fig.1E rappresenta una vista in sezione secondo la linea A-A di Fig.1D; - le Figg.2 e 3 rappresentano schematicamente la disposizione relativa di due lamierini dei pacchi statorici interno ed esterno secondo una possibile forma di realizzazione;

- le Figg.4A e 4B sono schemi che servono per illustrare la relazione dimensionale tra i denti e la corona dei lamierini dei pacchi statorici;

- la Fig.5 rappresenta una schematica vista prospettica dell’induttore;

- la Fig.6 rappresenta una vista frontale dell’induttore mostrato in Fig.5; - le Figg.7A-7G rappresentano schematicamente una procedura di assemblaggio del rotore di una macchina in conformità della presente invenzione;

- la Fig.8 rappresenta schematicamente la disposizione dei magneti rotorici rispetto ai lamierini dei pacchi statorici interno ed esterno, con il lamierino interno ruotato di 6° per meglio evidenziare la relazione dimensionale tra i denti D1 e D2;

- la Fig.9 rappresenta schematicamente un magnete rotorico;

- la Fig.10 rappresenta una vista esplosa del gruppo statorico esterno, in cui sono illustrate solo alcune delle bobine associate al pacco statorico interno; - la Fig.11 rappresenta una vista esplosa dei due gruppi statorici, interno ed esterno, in cui per semplicità le bobine non sono illustrate;

- la Fig.12 rappresenta schematicamente una fase del collegamento dei due gruppi statorici;

- la Fig.13 rappresenta l’insieme dei due gruppi statorici assemblati;

- la Fig.13 rappresenta schematicamente una fase di assemblaggio della presente macchina, con l’inserimento del rotore tra i due gruppi statorici; - la Fig.14 illustra schematicamente il posizionamento del rotore tra i due pacchi statorici della macchina.

Nella vista esplosa di Fig.1A sono illustrati un induttore anulare rotorico (1) provvisto di una pluralità di magneti permanenti (2), come ulteriormente descritto nel seguito, e lo statore, che comprende da due pacchi di lamierini (S1, S2) posizionati coassialmente all’induttore (1), l’uno all’interno e l’altro all’esterno di quest’ultimo e perciò definiti “pacco statorico interno†e “pacco statorico esterno†nel prosieguo della presente descrizione. Analogamente, i lamierini del pacco statorico interno sono definiti “lamierini interni†ed i lamierini del pacco statorico esterno sono definiti “lamierini esterni†.

Nella stessa Fig.1A à ̈ illustrato un mozzo (3) sul quale viene ancorato il pacco statorico interno (S1) e attraverso il quale passa l’albero (4) della macchina, come ulteriormente descritto nel seguito. Inoltre, in Fig.1A sono illustrati un distanziale anulare (5) a tergo del pacco statorico esterno (S2) ed un coperchio di protezione (6) montato dietro al distanziale (5). Quest’ultimo permette il montaggio del detto coperchio (6) senza interferire con l’induttore (1). Sul fronte opposto, si può osservare una flangia (7) che, in cooperazione con il predetto anello (5) stringe, ammorsandolo, il pacco statorico esterno (S2). A tale scopo, si utilizzano più bulloni (8) posizionati passanti attraverso corrispondenti fori (60, 50, F2, 72) previsti sui bordi periferici del coperchio (6), del distanziale (5), degli elementi (L2) che formano il pacco statorico esterno (S2) e della flangia (7). I detti bulloni (8) sono orientati parallelamente all’asse (x-x) della macchina e sono disposti, nell’esempio illustrato nelle figure degli annessi disegni, con la testa in corrispondenza della flangia (7) e con l’estremità anteriore sporgente oltre il predetto coperchio (6) per potervi avvitare corrispondenti dadi di serraggio (80). La flangia (7) presenta una pluralità di cave di alleggerimento (70) che, nell’esempio mostrato nelle figure degli annessi disegni, sono disposte simmetricamente rispetto all’asse longitudinale della stessa flangia (7). Il coperchio (6), il distanziale (5), i lamierini dei pacchi statorici interno ed esterno (S1, S2), il mozzo (3) e la flangia (7) sono coassiali all’asse (x-x) della macchina.

Il pacco statorico interno (S1) à ̈ investito sul mozzo (3). Questo, come illustrato in Fig.1B, presenta una testa anulare (30) su cui sono praticati più fori filettati (31) attraverso i quali passano più corrispondenti bulloni (32). Questi passano anche attraverso corrispondenti fori (F1) dei lamierini statorici interni (L1) e di un anello (300) collocato da parte opposta della detta testa anulare (30) rispetto ai lamierini (L1). In tal modo, il pacco dei lamierini interni (L1) risulta solidale al mozzo (3), essendo ammorsato tra l’anello (300) e la testa anulare (30) del mozzo (3). Come illustrato in Fig.1C, Fig.1D e Fig.1E, le estremità anteriori dei detti bulloni (32) sporgono oltre la testa (30) del mozzo (3) per consentire il fissaggio della flangia (7) menzionata in precedenza. Quest’ultima, infatti, presenta una serie di fori (71) predisposti sul relativo bordo interno e attraverso i quali passano le parti anteriori (320) dei bulloni (32). Sulle parti anteriori (320) dei bulloni (32) sporgenti oltre i fori (71) della flangia (7) sono avvitati corrispondenti dadi (33) che bloccano la flangia (7) alla testa anulare (30) del mozzo (3).

In assetto di macchina assemblata, il mozzo (3), il pacco statorico interno (S1) e l’anello (300) sono coassiali all’asse (x-x) della macchina.

Sul lato esterno della testa del mozzo (3) à ̈ previsto un gradino anulare (35) la cui altezza à ̈ uguale alla profondità della luce centrale della flangia (7), ovvero allo spessore della faccia frontale di questa flangia. In fase di assemblaggio dei gruppi statorici (fase illustrata in Fig.12), il detto gradino (35) si posiziona coassialmente nella luce centrale della flangia (7) che, pertanto, funge da elemento di guida .agevolando l’assemblaggio.

Il detto mozzo (3) presenta una pluralità di fori longitudinali e radiali (34) che favoriscono il passaggio dell’aria all’interno della macchina e, pertanto, il raffreddamento della stessa.

In Fig.2 e Fig.3 sono illustrati due lamierini (L1, L2) dei pacchi statorici interno (S1) ed esterno (S2). I lamierini in oggetto sono a profilo circolare e sono sagomati in maniera che ognuno di essi presenta più cave radiali (C1, C2). Più precisamente, ogni lamierino (L1) del pacco statorico interno presenta una pluralità di cave radiali (C1) esterne, cioà ̈ previste sul lato esterno del lamierino, e quindi rivolte verso un corrispondente lamierino (L2) del pacco statorico esterno (S2). Viceversa, ogni lamierino (L2) del pacco statorico esterno (S2) presenta le rispettive cave (C2) sul lato interno del lamierino, e quindi rivolte verso un corrispondente lamierino (L1) del pacco statorico interno (S1). Ognuna delle dette cave (C1, C2) à ̈ delimitata lateralmente da due denti (D1, D2) sporgenti radialmente da una corrispondente parte anulare (CR1, CR2). I denti (D1) dei lamierini interni (L1) sporgono verso l’esterno, centrifugamene, dalla corrispondente parte anulare (CR1). Viceversa, i denti (D2) dei lamierini esterni (L2) sporgono verso l’interno, centripetamente, dalla corrispondente parte anulare (CR2). Pertanto, i detti denti (D1, D2) risultano all’interno dello spazio delimitato dalle parti anulari (CR2, CR1) dei lamierini (L1, L2). I denti (D1) dei lamierini interni (L1) sono allineati con la mezzeria delle cave (C2) dei lamierini esterni (L2) e, viceversa, i denti (D2) dei lamierini esterni (L2) sono allineati con la mezzeria delle cave (C1) dei lamierini interni (L1). In pratica, ogni dente (D1, D2) à ̈ di fronte ad una corrispondente cava (C2, C1).

L’area della superficie in pianta di ogni cava (C1) à ̈ uguale all’area della superficie in pianta di ogni cava (C2).

Con riferimento all’esempio mostrato in Fig.2, e Fig.3, l’angolo (Î ́) formato da due denti adiacenti del lamierino interno (L1) à ̈ pari a 12°, e l’angolo (γ) formato dagli assi longitudinali di un dente (D1) del lamierino interno e di un dente (D2) di un lamierino esterno che delimita un lato della cava (C2) opposta à ̈ pari a 6°.

I lamierini interni (L1) presentano una serie di rientranze (R1) lungo i rispettivi bordi interni che, quando il pacco statorico interno (S1) à ̈ sul mozzo (3), formano una serie di corrispondenti canali tra la superficie del mozzo (3) ed il pacco statorico interno (S1) agevolando la circolazione dell’aria e, pertanto, il raffreddamento della macchina, anche grazie alla presenza dei fori radiali (34) previsti sul mozzo (3). Infatti, come schematicamente mostrato nelle Figg.1A, 1B, 11 e 12 i canali formati dalle predette rientranze (R1) risultano sui fori radiali (34) del mozzo (3).

Con riferimento agli schemi di Fig.4A e Fig.4B, nei quali un dente (D1, D2) à ̈ rappresentato idealmente isolato dagli altri denti del lamierino (L1, L2) per meglio evidenziare la parte anulare (CR1, CR2) di quest’ultimo, la superficie in pianta della parte anulare à ̈ “n†volte maggiore della superficie in pianta del dente (D1, D2), definendo “n†il numero dei denti (D1, D2). In altri termini, detta “AC†l’area della superficie in pianta della parte anulare di un lamierino (L1) o (L2), e detta “AD†l’area della superficie in pianta di un corrispondente dente (D1) o (D2) à ̈ AC/AD=n. Nelle figure esemplificative degli annessi disegni à ̈ rappresentato il caso in cui à ̈ n=30.

Ogni dente (D1, D2) presenta un gambo (G1, G2) di collegamento alla parte anulare (CR1, CR2) del rispettivo lamierino (L1, L2) ed una porzione di testa (T1, T2) più larga. In altri termini, ogni dente (D1, D2) presenta un’espansione (T1, T2) in corrispondenza della sua estremità rivolta verso il lamierino (L2, L1) ad esso contrapposto.

Nelle Figg.5 e 6 à ̈ illustrata la disposizione anulare dei magneti (2) dell’induttore (1). Preferibilmente, i detti magneti sono blocchetti di neodimio. I magneti (2) sono disposti in maniera che le rispettive polarità (N, S) si alternino lungo l’anello da essi formato. Inoltre, i magneti (2) sono posizionati con il lato lungo parallelo all’asse (x-x) della macchina.

Con riferimento all’esempio illustrato in Fig.5 e Fig.6, l’induttore (1) comprende dieci coppie polari, per cui i magneti (2) di ogni coppia polare sono angolarmente distanziati di un valore (β) pari a 18°.

Le Fig.7A-7G illustrano una possibile procedura di assemblaggio del rotore (R) si una macchina in conformità della presente invenzione:

- si predispone una flangia anulare (9) provvista di fori (91) angolarmente equidistanti sul suo bordo esterno;

- quindi si introduce un’asta filettata (13) in ognuno dei detti fori (91) e si bloccano le aste (13) perpendicolarmente alla flangia (9) mediante corrispondenti dadi (92) posizionati sul versante esterno della flangia (v. Fig.7A);

- successivamente (v. Fig.7B), su ognuna delle dette aste filettate (13) si infila un elemento (12) - costituito da un corpo con sezione trasversale a “C†che presenta una parte centrale piana con un foro passante (121) e due bracci (122) da parti opposte di detta parte centrale forata, orientati perpendicolarmente e bilateralmente sporgenti da essa – disponendolo con la parte centrale in appoggio sul versante interno della flangia (9) e con i bracci (122) orientati verso l’alto;

- in seguito (v. Fig.7C), su ognuna delle aste filettate (13) si infila un distanziale tubolare (11);

- eseguita tale operazione, su ognuna delle aste filettate si infila un ulteriore elemento (12) – identico a quello precedentemente descritto – con i bracci (122) rivolti verso il basso (v. Fig. 7D) formando, in tal modo, una serie anulare di guide orientate perpendicolarmente alla flangia (9);

- a questo punto (v. Fig.7E), si introducono i magneti (2) nelle guide precedentemente formate;

- ora, sui versanti esterni degli elementi (12) collocati sopra i distanziali (11) si posiziona una seconda flangia (90) provvista di una serie di fori (93) attraverso i quali passano le estremità anteriori delle aste filettate (13), dopodiché la seconda flangia (90) viene bloccata per mezzo di più corrispondenti dadi (94), per cui l’anello induttore (1) risulta ammorsato tra la prima flangia (9) e la seconda (90), come mostrato in Fig.7F.

Le flange (9) e (90), i distanziali (11) e gli elementi (12) sono in materiale diamagnetico.

Per rendere solidale l’induttore (1) all’albero (4) della macchina, si può utilizzare, ad esempio, una contro-flangia (100) posta davanti ad una delle flange (9, 90) solidali all’induttore (1). Nell’esempio mostrato in Fig.7G e Fig.1E, la detta contro-flangia (100) à ̈ posta dietro alla flangia (9) ed à ̈ resa solidale a quest’ultima mediante più bulloni (101) che passano attraverso corrispondenti fori previsti sia nella flangia (9) che nella contro-flangia (100). Nella luce della contro-flangia (100) à ̈ disposto un calettatore (110) che impegna la superficie esterna dell’albero (4). In tal modo, la rotazione dell’albero (4) implica la corrispondente rotazione dell’induttore (1).

Come illustrato in Fig.1C, tra l’albero (4) ed il mozzo (3) sono interposti due cuscinetti (43).

In Fig.8 si può osservare la disposizione dei magneti (2) rispetto ai lamierini (L1, L2) dei pacchi statorici interno ed esterno.

In pratica, i magneti (2) si muovono tra le espansioni (T1, T2) dei denti (D1, D2) dei lamierini (L1, L2) che formano i pacchi statorici interno (S1) ed esterno (S2).

I magneti (2) possono essere parallelepipedi di neodimio i cui parametri dimensionali (W2, H2, P2) sono schematicamente indicati in Fig.9.

La distanza radiale (DR) tra le espansioni (T1, T2) di due denti (D1, D2) contrapposti dei lamierini (L1) ed (L2) Ã ̈ pari allo spessore (H2) dei magneti (2) aumentato di un valore prestabilito (ad esempio, 4 mm).

La larghezza (LG1) dei gambi (G1) dei denti (D1) dei lamierini interni (L1) à ̈ preferibilmente pari al 30% della larghezza (W2) dei magneti (2) e la larghezza (LT1) delle rispettive espansioni (T1) à ̈ pari al 40% di detta larghezza (W2). La larghezza (LG2) dei gambi (G2) dei denti (D2) dei lamierini esterni (L2) à ̈ sostanzialmente pari alla larghezza (LT1) delle espansioni (T1) dei denti (D1) dei lamierini interni (LG2≈LT1). Il valore “LG2†relativo ad un dente (D2) può essere determinato anche ricorrendo alla costruzione grafica indicata nello schema di Fig.8: a partire dal centro comune dei lamierini (L1, L2) si tracciano due raggi (ri, re) passanti per i bordi laterali dell’espansione (T1) del rispettivo dente (D1) e, dato lo spessore (H2) dei magneti (2), ovvero la distanza (DR) menzionata in precedenza, il valore “LG2†risulta conseguentemente definito dalla corda dell’arco di circonferenza, delimitato dai detti raggi (ri, re), di raggio R=R1+DR dove R1 à ̈ il raggio della circonferenza lungo la quale giacciono le espansioni (T1) dei lamierini interni (L1). La larghezza (LT2) delle espansioni (T2) può essere fissata al 110% del valore “LG2†. Il valore “R1†à ̈ determinato a partire dal raggio medio (RM) dell’induttore (1) e dalla distanza (DR) tra le espansioni dei denti (D1) e (D2): R1=RM-1/2DR.

Inoltre, il passo (P) tra due magneti (2) consecutivi, misurato tra i rispettivi bordi inferiori contraffacciati, Ã ̈ preferibilmente di valore compreso tra il 65% ed il 70% della larghezza (W2) dei magneti.

Prove sperimentali sono state condotte utilizzando magneti (2) in forma di parallelepipedi di neodimio di larghezza (W2) pari a 20 mm, spessore (H2) pari a 10mm, e lunghezza (P2) pari a 50 mm, con valori dei predetti parametri (DR) e (P) rispettivamente pari a 14 mm e 13.5 mm. Quest’ultimo valore del passo (P) corrisponde al 67.5% della larghezza (W2) dei magneti. L’induttore (1) utilizzato nelle prove sperimentali aveva un raggio medio (RM) pari a 110.35 mm.

Si à ̈ detto, in precedenza, che il pacco dei lamierini interni (L1) viene reso solidale al mozzo (3), bloccandolo tra l’anello (300) e la testa anulare (30) del mozzo (3). Una volta eseguita questa operazione, nelle cave delimitate dai denti dei lamierini interni (L1) vengono posizionate le bobine (B1). Queste sono disposte con i rispettivi fianchi negli spazi risultanti tra i denti dei lamierini del pacco statorico (S1), dopodiché si inserisce una piastrina (ad esempio di vetroresina) tra la parte superiore delle bobine (B1) e le espansioni (T1) dei denti (D1) per il bloccaggio definitivo delle bobine. In ognuno dei detti spazi sono posizionati i fianchi di due bobine (B1) adiacenti.

Analogamente si procede per il pacco statorico esterno (S1) che à ̈ bloccato tra la flangia (7) e l’anello (5). Il posizionamento ed il bloccaggio delle relative bobine (B2) avviene come descritto per le bobine (B1) del pacco statorico interno (S1).

Come illustrato in Fig. 14, una volta predisposte le due unità dello statore, si posiziona il rotore (R) tra tali unità ed infine si applica il coperchio (6) che viene fissato a tergo del rotore (R) mediante i dadi (80) stretti sulle estremità dei bulloni (8) sporgenti oltre i fori (60) dello stesso coperchio (6).

Dalla descrizione che precede risulta evidente che le dispersioni dei flussi magnetici sono ridotti al minimo, realizzando l’unità statorica in due gruppi (S1, S2) collocati sia al di sopra che al di sotto dei magneti (2) inclusi nell’unità rotorica (R). Risulta altresì evidente la particolare semplicità costruttiva della macchina.

Si precisa che il termine “induttore†à ̈ stato impiegato ipotizzando il funzionamento della macchina come generatore elettrico. Questo termine non à ̈ tuttavia da intendere in senso restrittivo, in quanto la presente invenzione trova applicazione anche nella realizzazione di motori elettrici.

In pratica i particolari di esecuzione possono comunque variare in maniera equivalente per ciò che attiene alla forma, alle dimensioni e alla disposizione dei singoli elementi descritti e illustrati, e alla natura dei materiali indicati, senza per questo uscire dall’ambito dell’idea di soluzione adottata e perciò restando nei limiti della tutela offerta dal presente brevetto.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI 1) Macchina elettrica rotante, comprendente un rotore (R) solidale ad un albero (4) con asse longitudinale (x-x) ed uno statore (S1; S2) formato da due unità statoriche (S1, S2) disposte coassialmente l'una all'interno e l'altra all'esterno del rotore (R), in cui l'unità statorica interna (S1) à ̈ costituita da una pluralità di lamierini sovrapposti (L1) presentanti una parte coronale (CR1) dalla quale emerge una pluralità di denti (D1) radialmente verso l'esterno, in cui l'unità statorica esterna (S2) à ̈ costituita da una pluralità di lamierini sovrapposti (L2) presentanti una parte coronale (C2) dalla quale emerge una pluralità di denti (D2) radialmente verso l'interno, in cui ognuno dei detti denti (D1, D2) presenta un gambo (G1, G2) di collegamento alla parte coronale (CR1, CR2) del rispettivo lamierino (L1, L2) ed una espansione di testa (T1, T2), ed in cui il rotore (R) comprende un anello rotorico (1) formato da una pluralità di magneti permanenti (2) di forma parallelepipeda aventi prestabilite larghezza, altezza e lunghezza (W2, H2, P2), caratterizzata dal fatto che: - la larghezza (LG1) dei denti (D1) dell'unità statorica interna (S1) à ̈ LG1=30%W2; - la larghezza (LT1) dell'espansione di testa dei denti (D1) dell'unità statorica interna (S1) à ̈ LT1=40%W2; - la larghezza (LG2) dei denti (D2) dell'unità statorica esterna (S2) à ̈ pari alla corda di un arco di circonferenza delimitato da due raggi (ri, re) tangenti ai bordi dell'espansione (T1) di un dente (D1) dell'unità statorica interna (S1), il raggio di tale arco di circonferenza essendo R=R1+DR, con R1=RM-1/2DR e dove RM à ̈ il raggio medio dell'anello rotorico (1) e DR à ̈ la distanza radiale tra le espansioni (T1, T2) dei detti denti (D1, D2); - la larghezza (LT2) dell'espansione di testa dei denti (D2) dell'unità statorica esterna (S2) à ̈ LT2=110%LG2 2) Macchina elettrica secondo la rivendicazione 1 caratterizzata dal fatto che DR=H2+4mm. 3) Macchina secondo la rivendicazione 1, in cui i detti magneti (2) sono disposti nel detto anello rotorico (1) con il bordo inferiore di ogni magnete (2) contraffaciato al bordo inferiore di un magnete (2) adiacente, caratterizzata dal fatto che la distanza (P) tra i detti bordi inferiori à ̈ compresa tra il 65% ed il 70% della larghezza (W2) dei magneti (2). 4) Macchina secondo la rivendicazione 3 caratterizzata dal fatto che la detta distanza (P) à ̈ pari al 67,5% della detta larghezza (W2). 5) Macchina secondo una o più delle rivendicazioni precedenti caratterizzata dal fatto che W2=20 mm, H2=10 mm, P2=50 mm, DR=14 mm, RM= 110.35 mm e P=13.5 mm.