ITMI20081737A1 - Bietta ferromagnetica di chiusura delle cave di una macchina elettrica rotante e struttura di macchina che incorpora detta bietta - Google Patents

Description

BIETTA FERROMAGNETICA DI CHIUSURA DELLE CAVE DI UNA MACCHINA ELETTRICA ROTANTE E STRUTTURA DI MACCHINA CHE INCORPORA DETTA BIETTA"

La presente invenzione riguarda una bietta ferromagnetica perfezionata per la chiusura delle cave statoriche e/o rotoriche di una macchina elettrica rotante, nonché la struttura di macchina risultante.

Nelle macchine elettriche rotanti di una certa potenza gli avvolgimenti elettrici, in generale di tipo distribuito, sono trattenuti all'interno di cave, formate nello statore e/o rotore, per mezzo di biette, nella terminologia anglo sassone denominate "wedges" o "top sticks" .

Queste biette possono essere sia amagnetiche che magnetiche .

Nel primo caso sono costituite da composti polimerici, come resine epossidiche o poliesteri convenientemente caricati con fibre di vetro, mentre le biette ferromagnetiche sono ottenute con dispersioni di ossido di ferro in resina epossidica o con la sinterizzazione di materiali ferromagnetici (ossidi di ferro) in legante organico.

In entrambi i casi le biette, essendo esposte a flussi magnetici variabili, devono essere costituite da materiali aventi una elevata resistività elettrica, per contenere al minimo le correnti parassite indotte, oppure avere una struttura che ottiene lo stesso effetto.

Inoltre le biette devono presentare una sufficiente resistenza meccanica alle sollecitazioni indotte dal campo elettromagnetico e termico e, nel caso dei rotori, anche dalla forza centrifuga.

Sono noti da tempo i vantaggi che risultano dall'impiego di biette magnetiche (ossia aventi una elevata permeabilità magnetica) in termini di limitazione delle perdite addizionali e di riduzione dei flussi dispersi, ma conciliare il requisito di una elevata permeabilità magnetica con quello di una adeguata robustezza meccanica associata a una elevata resistività elettrica ha fino ad oggi portato a soluzioni insoddisfacenti, limitate nelle prestazioni, di produzione laboriosa e costosa.

Biette magnetiche che presentano le migliori caratteristiche magnetiche associate a una elevata resistività possono essere ottenute per sinterizzazione di ossidi metallici (Fe, Ni, Mn) come per esempio descritto in EP 052878.

Sfortunatamente, a dispetto delle buone prestazioni magnetiche, queste biette sinterizzate sono di affidabilità limitata, conseguenza della loro fragilità: esse sono esposte al rischio di rottura nel corso del loro assemblaggio e successivamente per invecchiamento per sollecitazioni meccaniche e termiche combinate.

In alternativa sono usate biette magnetiche ottenute caricando una matrice plastica (resine epossidiche e simili) con ossidi di ferro.

La permeabilità magnetica di queste biette à ̈ molto inferiore a quella delle biette sinterizzate ma in compenso questi componenti non sono fragili e quindi sono meccanicamente più affidabili.

Per conciliare al meglio le esigenze di robustezza meccanica e di elevata permeabilità magnetica sono state anche proposte biette composite in cui un nucleo con permeabilità magnetica relativamente elevata à ̈ incapsulato in (o comunque accoppiato integralmente con) un elemento di irrobustimento meccanico privo di o con modestissime caratteristiche magnetiche.

Esempi di biette composite sono proposti nel documento US 6,683,398 e una presentazione esplicita delle motivazioni che suggeriscono l'impiego di biette composite (con una prima parte che svolge esclusivamente una funzione meccanica e una seconda parte con funzioni magnetiche) Ã ̈ fornita da US 2,201,699.

Tuttavia l'integrazione delle due funzioni in un unico elemento comporta soluzioni costruttive in generale complesse e costose e ragioni di compatibilità impongono limitazioni nell'impiego dei materiali e delle tecnologie produttive .

La presente invenzione supera queste limitazioni con una struttura di bietta costituita da due o più elementi o strati indipendenti: le diverse configurazioni possibili del sistema hanno in comune un primo strato costituito da un composto caricato, meccanicamente robusto (resina epossidica, poliestere e simili) che si affaccia sul traferro e un secondo strato, disposto tra il primo e l'avvolgimento alloggiato nella cava, che e costituito da materiale magnetico sinterizzato.

La compattezza complessiva del sistema à ̈ assicurata dalla impregnazione sotto vuoto degli avvolgimenti disposti nelle cave e dell'intero statore con un processo in sé noto, che consolida strutturalmente le biette ancorandole saldamente nelle cave.

Tuttavia per semplificare l'inserzione delle biette nelle cave l'elemento magnetico delle biette può essere preliminarmente fissato all'elemento meccanico con nastro bi-adesivo.

Le caratteristiche e i vantaggi dell'invenzione, quale essa à ̈ caratterizzata dalle rivendicazioni, risulteranno più chiari dalla descrizione che segue, fatta con riferimento ai disegni allegati in cui:

- la figura 1 Ã ̈ una vista prospettica di una forma preferita di bietta realizzata in accordo con la presente invenzione ;

- la figura 2 Ã ̈ una vista frontale di una variante realizzativa di un componente della bietta di figura 1;

- la figura 3 Ã ̈ una vista parziale, in sezione, della struttura di una macchina elettrica rotante in cui le cave sono chiuse da una bietta come quella mostrata in figura 1, nella variante di figura 2;

- la figura 4 à ̈ una vista parziale, in sezione, della struttura di figura 3 in cui à ̈ previsto un elemento ausiliario della bietta;

- la figura 5 à ̈ una vista parziale in sezione, della struttura di figura 4 in cui à ̈ previsto un ulteriore elemento ausiliario;

- la figura 6 Ã ̈ una vista parziale in sezione di una variante realizzativa della struttura di figura 5;

- la figura 7 Ã ̈ una vista parziale in sezione di una prima variante realizzativa della struttura di figura 3;

- la figura 8 Ã ̈ una vista parziale in sezione di una seconda variante realizzativa della struttura di figura 3 .

Nelle diverse figure gli elementi funzionalmente equivalenti sono indicati con lo stesso numero di riferimento .

Con riferimento alla figura 1 la bietta secondo l'invenzione comprende un primo elemento 1 a forma di parallelepìpedo rettangolo, con una altezza HI, una larghezza W1 commisurata alle dimensioni delle cave in cui l'elemento deve essere inserito e una lunghezza LI che può essere eguale allo spessore del pacco statorico o rotorico che forma le cave, oppure una frazione dello stesso, nel qual caso più elementi 1 vengono disposti nelle cave in serie, giustapposti di testa l'uno all'altro nella direzione della lunghezza.

L'elemento 1 à ̈ convenientemente formato per sinterizzazione di materiale avente elevata permeabilità magnetica, come per esempio ossido di ferro.

Un secondo componente della bietta à ̈ costituito da un elemento 2, a forma di barra allungata, con una sezione trasversale conformata secondo la sezione delle cave in cui l'elemento deve essere inserito.

In generale la sezione à ̈ a forma di trapezio isoscele, come appunto mostrato in figura 1 ma, secondo altri orientamenti i fianchi delle cave possono presentare una gola semicircolare: pertanto i fianchi dell'elemento 2 possono presentare degli spallamenti arrotondati che si estendono all'infuori di una sezione rettangolare, come mostrato in figura 2.

E' chiaro che la larghezza W2 e l'altezza H2 dell'elemento 2 sono imposte dalle dimensioni della cava in cui l'elemento deve essere inserito.

Anche in questo caso la lunghezza L2 può essere eguale alla lunghezza delle cave, e preferibilmente lo à ̈, oppure può essere una frazione della stessa.

L'elemento 2 Ã ̈ convenientemente formato in stampo con un composto resinoso caricato, per esempio resina epossidica o poliestere caricato con fibra di vetro.

Questi materiali assicurano una eccellente resistenza meccanica associata ad una elevata resistività elettrica.

E' da notare che i processi produttivi dei due componenti, che vengono prodotti separatamente, sono completamente indipendenti l'uno dall'altro, così che le caratteristiche di permeabilità magnetica dell'uno e di resistenza meccanica dell'altro possono essere esaltate senza condizionamenti di compromesso e conciliazione di esigenze produttive.

E' da notare altresì che il processo di formatura in stampo dell'elemento 2 eventualmente consente di caricare in qualche misura la resina impiegata per la sua formatura con materiale ferromagnetico in polvere o granuli senza comprometterne la resistenza meccanica, così da ottenere un prodotto con una certa permeabilità che contribuisce in qualche misura alle caratteristiche magnetiche della bietta.

La figura 3 mostra in vista parziale, in sezione traversale e nei suoi aspetti essenziali, la struttura di una macchina elettrica rotante in cui le cave di statore (o rotore) sono chiuse da una bietta come quella descritta.

Con i riferimenti numerici 1,2, 3, 4, 5 sono rispettivamente indicati l'elemento magnetico 1 della bietta di chiusura, l'elemento meccanico 2 della bietta di chiusura della cava, il pacco statorico o rotorico 3 dei lamierini che formano la cava 4.

Infine con 5 Ã ̈ indicato l'avvolgimento disposto nella cava.

Nel seguito vengono descritte le fasi per l'allestimento della struttura.

Per esempio à ̈ possibile inserire, anche a forza, da una estremità della cava l'elemento 2 (o la serie di elementi 2) nella sua sede.

Si procede poi all'inserzione nella cava, con un certo gioco quindi senza sforzo, dell'elemento magnetico 1 (o della serie di elementi magnetici) in interposizione tra l'avvolgimento 5 e l'elemento meccanico 2.

L'impregnazione sotto vuoto del gruppo, in modo noto, assicura la compattezza della struttura e ancora saldamente l'elemento meccanico 2 e l'elemento magnetico 1 tra loro, con il pacco statorico (o rotorico) e con l'avvolgimento 5.

La figura 4 mostra una possibile variante di allestimento .

In questo caso tra l'elemento magnetico 1 e l'avvolgimento 5 Ã ̈ disposto un nastro bi-adesivo e l'elemento magnetico 1 (o la serie di elementi magnetici) viene preliminarmente disposta nella cava, attraverso la sua apertura (operazione possibile solo nel caso di cave aperte) dove viene trattenuta in posizione, a contatto dell'avvolgimento 5, dal nastro bi-adesivo.

Successivamente la cava viene chiusa con l'introduzione, da una sua estremità, dell'elemento meccanico 2 e il tutto viene sottoposto al consueto trattamento di impregnazione sotto vuoto.

La figura 5 mostra una ulteriore possìbile variante di allestimento che differisce da quello di figura 4 per il solo fatto che in interposizione tra l'elemento magnetico 1 e l'elemento meccanico 2 della bietta à ̈ presente uno strato soffice e poroso di tessuto o feltro 7, preferibilmente fissato con adesivo all'elemento 2 o all'elemento magnetico 1 preliminarmente all'inserzione dell'elemento meccanico 2 nella cava.

Questo strato ha la funzione di impedire il contatto diretto tra elemento 1 ed elemento 2 riducendo altresì il volume libero che deve essere riempito dal materiale di impregnazione .

Per quanto le forme descritte di allestimento siano preferibili à ̈ anche possibile scambiare i ruoli del nastro bi-adesivo 6 e del tessuto poroso 7, come mostrato in figura 6.

In questo caso l'elemento magnetico 1 viene preliminarmente fissato con il nastro bi-adesivo 6 all'elemento meccanico 2 e lo strato poroso di tessuto 7, fissato all'elemento 1 o all'avvolgimento 5 impedisce il contatto diretto tra l'elemento 1 e l'avvolgimento 5 nel corso dell'introduzione della bietta nella cava.

Nella descrizione che precede e nelle relative figure la larghezza W1 dell'elemento magnetico 1 Ã ̈ sostanzialmente eguale alla ampiezza delle cave e il suo spessore HI Ã ̈ sostanzialmente eguale allo spazio disponibile tra l'elemento meccanico 2 e l'avvolgimento.

E' però evidente, come mostrato nelle figure 7 e 8 che le dimensioni in larghezza W1 e spessore HI dell'elemento magnetico 1 possono essere inferiori (l'una o l'altra o ambedue).

In questo modo non solo si riduce l'impiego di materiale sinterizzato ma à ̈ anche possibile controllare e limitare l'induttanza di fase contenendola entro valori appropriati .

II volume libero può essere riempito con materiale amagnetico di elevata resistività elettrica o lasciato vuoto per il successivo riempimento con la resina utilizzata per l'impregnazione sotto vuoto.

Claims (11)

1. RI VENDICAZIONI 1. Bietta magnetica per la chiusura delle cave di una macchina elettrica rotante caratterizzata dal fatto di comprendere due elementi indipendenti: - un primo elemento (1) a forma di parallelepipedo rettangolo costituito da materiale sinterizzato avente elevata permeabilità magnetica e - un secondo elemento (2) di chiusura meccanica di cava, costituito da materiale plastico, come resina epossidica o poliestere caricato con fibra di vetro, formato in stampo e avente elevate caratteristiche di resistenza meccanica alle sollecitazioni.
2. 2. Bietta secondo la rivendicazione 1, in cui detto secondo elemento à ̈ caricato con polveri o granuli di materiale ferromagnetico.
3. 3. Bietta secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detto primo e secondo elemento sono accoppiati tra loro con nastro bi-adesivo (6).
4. 4. Bietta secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui tra detti elementi à ̈ interposto un tessuto poroso impregnabile (7).
5. 5. Struttura di macchina elettrica rotante con pacco statorico o rotorico (3) provvisto di cave (4) caratterizzata dal fatto che dette cave (4) sono chiuse ordinatamente dall'interno verso il traferro da un primo elemento (1) a forma di parallelepipedo rettangolo costituito da materiale sinterizzato avente elevata permeabilità magnetica e da un secondo elemento (2) sovrapposto al primo e costituito da materiale plastico, come resina epossidica o poliestere, caricato con fibra di vetro e avente elevate caratteristiche di resistenza meccanica alle sollecitazioni, entrambi detti elementi (1,2) essendo saldamente fissati alla struttura (3) della macchina mediante il processo di impregnazione sotto vuoto con cui gli avvolgimenti (5) della macchina vengono fissati nelle cave (4).
6. 6. Struttura secondo la rivendicazione 5, in cui detto secondo elemento (2) Ã ̈ caricato con polveri di materiale ferromagnetico .
7. 7. Struttura secondo la rivendicazione 5 o 6, in cui detti primo (1) e secondo (2) elemento sono accoppiati tra loro con nastro bi-adesivo (6).
8. 8. Struttura secondo la rivendicazione 5, 6 o 7, in cui tra detto primo elemento (1) e l'avvolgimento (5) interno alla cava à ̈ interposto un nastro poroso di tessuto o feltro impregnabile (7).
9. 9. Struttura secondo la rivendicazione 5 o 6, in cui detto primo elemento (1) Ã ̈ fissato con nastro bi-adesivo (6) all'interno della cava (4).
10. 10. Struttura secondo la rivendicazione 9, in cui tra detto primo elemento (1) e l'avvolgimento (5) interno alla cava à ̈ interposto un nastro poroso di tessuto o feltro impregnabile (7).
11. 11. Struttura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti da 5 a 10, in cui detti primo elemento (1) ha una larghezza W2 inferiore alla larghezza di detta cava (4).