ITMI20092085A1 - Disposizione di fissaggio e contenimento di magneti in un motore elettrico autoavviante e metodo per l'ottenimento di quest'ultimo - Google Patents

Description

Descrizione di un brevetto d'invenzione a nome:

DESCRIZIONE

Forma oggetto del presente trovato una disposizione di fissaggio e contenimento di magneti di un motore sincrono autoavviante, secondo il preambolo della rivendicazione principale. Forma altresì oggetto del trovato un metodo per realizzare tale motore.

Con particolare, ma non esclusivo riferimento all'ambito dei motori utilizzati nei compressori frigoriferi semi-ermetici o ermetici per refrigerazione commerciale, industriale o climatizzazione, è in fase di crescita la necessità di incrementare l'efficienza elettrica di tali prodotti per ridurre i consumi energetici. A tal fine, nei suddetti compressori vengono usati motori del tipo ad induzione con efficienze già molto spinte .

Un ulteriore incremento dì efficienza può essere ottenuto con motori a magneti permanenti di tipo brushless (BLPM) utilizzati in applicazioni con controllo elettronico a velocità variabile. Tuttavia, laddove non si voglia usufruire della velocità variabile, anche per eliminare il costo del corrispondente dispositivo di controllo elettronico (inverter), si può ricorrere all'utilizzo di motori sincroni autoavvianti, provvisti di statore e rotore e dotati in quest'ultimo di una gabbia pressofusa per esempio in alluminio, come i noti motori asincroni, e di magneti permanenti, come nei motori del tipo brushless .

Il presente trovato si rivolge a questa tipologia di motori (peraltro ben noti agli esperti del settore) ed, in particolare, concerne la problematica di assicurare la posizione dei magneti nel rotore ovvero di vincolare questi ultimi nel rotore stesso.

E' noto che la configurazione costruttiva di un rotore di un motore sincrono autoavviante dipende da molti fattori, quali le dimensioni geometriche, la polarità, la posizione dei magneti (superficiale o interna al rotore), la disposizione dei magneti, la geometria della cave rotoriche, ecc.. In generale, comunque, si può affermare che un tale rotore dispone di cave rotoriche, posizionate in prossimità del suo bordo circonferenziale e di anelli di corto circuito delle suddette cave posti in corrispondenza delle facce laterali esterne del rotore, ottenuti per pressofusione in allumìnio della cosiddetta "gabbia di scoiattolo" costituente l'avvolgimento secondario del motore, nel suo avviamento come asincrono, ed includenti le citate cave rotoriche.

In aggiunta sono inoltre, in generale, presenti in detto rotore, per la versione con magneti interni al rotore (oggetto del trovato), alcune cave di forma pressoché rettangolare ed in numero dipendente dalla polarità, dette cave rettangolari essendo posizionate a ridosso delle cave rotoriche e più internamente rispetto ad esse. In dette cave sono contenuti i magneti usualmente di forma parallelepipedica a base rettangolare.

La consistenza meccanica strutturale del rotore è assicurata dalla pressofusione per esempio in alluminio della "gabbia di scoiattolo", che viene realizzata come prima operazione nel ciclo produttivo del motore. Δ seguire ci sono tutte le lavorazioni meccaniche del rotore (diametro esterno, lavorazione in quota di un usuale foro centrale e della sede della chiavetta per l'accoppiamento con un albero su cui il rotore è calettato) e lavaggio dell'assieme.

Da ultimo, si inseriscono nelle apposite cave ì magneti (in genere non ancora magnetizzati) e se ne assicura la posizione assiale e radiale di ciascuno di essi, onde evitarne il movimento durante il funzionamento del motore.

Poiché il motore in esame è semplicemente costituito da uno statore e da un rotore (già descritto) che vengono poi assemblati dal produttore finale nel compressore frigorifero, è importante che i magneti siano ben fissati e che, anche in presenza di criccature o rotture anche piccole, nessuna parte possa essere libera di staccarsi e rimanere in circolazione nel fluido frigorifero presente nel compressore, cosa che comporterebbe grossi rischi per il funzionamento dello stesso.

Scopo del presente trovato è quello di offrire una disposizione per mantenere saldamente in posizione i magneti del rotore del motore, evitandone ogni tipo di possibile rilascio, nonché un metodo per realizzare tale motore.

Un altro scopo è quello di offrire un trovato che eviti un eccessivo accumulo degli eventuali collanti usati comunemente nel fissaggio dei magneti, accumulo che sarebbe inevitabile negli spazi generalmente presenti ai lati dei magneti nella configurazione usualmente nota.

Scopo del trovato è di realizzare una disposizione del tipo citato che consenta un contenimento dei magneti che sia la più semplice possibile e con costi contenuti, caratteristiche importanti per la produzione di elevate quantità di motori .

Il trovato considera anche le problematiche connesse con un eventuale addizionale utilizzo di collante per fissare i magneti in cava, definendo una configurazione specifica di detta cava per ottimizzare l’applicazione riducendo le quantità utilizzate, tenendo comunque conto delle tematiche elettromagnetiche, che impongono determinate limitazioni, quali ad esempio l'adozione di una particolare strizione del lamierino ai lati dì ciascun magnete, eliminando altri possibili passaggi al flusso magnetico emesso dai magneti al fine di contenere l'entità del flusso magnetico disperso ed il conseguente decadimento dell'efficienza energetica del motore.

Questi ed altri scopi che risulteranno evidenti all'esperto del ramo vengono raggiunti da una disposizione secondo le unite rivendicazioni.

Per una miglior comprensione del presente trovato si allegano a titolo puramente esemplificativo, ma non limitativo, i seguenti disegni, in cui:

la figura 1 mostra una vista prospettica parziale del rotore di un motore sincrono autoavviante provvista di una disposizione secondo il trovato;

la figura 2 mostra una vista analoga a quella di figura 1, ma mostrante una variante della disposizione secondo il trovato;

la figura 3 mostra una vista dall'alto del rotore di figura 2;

la figura 4 mostra una sezione secondo la traccia 4-4 di figura 3;

la figura 5 mostra una vista ingrandita della parte indicata con A in figura 4;

la figura 6 mostra una vista dall'alto del rotore di figura 2 provvisto di una ulteriore variante del trovato;

la figura 7 mostra una sezione secondo la traccia 7-7 di figura 6;

la figura 8 mostra una vista ingrandita della parte indicata con B in figura 7;

la figura 9 mostra una vista dall'alto di un rotore noto, sprovvisto del trovato, con una parte asportata per maggior chiarezza;

la figura 10 mostra una vista ingrandita della parte indicata con K in figura 9;

la figura 11 mostra una vista dall'alto del rotore di figura 1 provvisto del trovato e con una parte asportata per maggior chiarezza; e

la figura 12 mostra una vista ingrandita della parte indicata con C in figura 11.

Con riferimento alle citate figure, un motore sincrono autoavviante comprende un rotore 1 presentante un corpo a gabbia di scoiattolo 2, una pluralità di lamierini 3 (definenti il pacco rotorico) delimitanti un'apertura centrale 8, ed una pluralità di cave rotoriche 4 nonché un anello di cortocircuito 5 perimetrale per ogni faccia (10, 11) del pacco (3). Internamente al pacco rotorico attorno all'asse longitudinale W, è presente una pluralità di cave 7 rappresentate esemplificativamente di forma sostanzialmente rettangolare in cui sono inseriti magneti permanenti 9 di forma parallelepipedica a base rettangolare .

In corrispondenza di almeno una di due facce contrapposte 10 e 11 del rotore 1 sono presenti piattelli anulari 12 (metallici o non metallici, ad esempio in alluminio) atti a trattenere nelle rispettive cave 7 i magneti 9.

Ogni piattello metallico 12, a forma per esempio di corona circolare, è fissato alla corrispondente faccia del rotore tramite la ribaditura meccanica di specifici pioli 13 (o similari) ottenuti nello stampaggio degli anelli di cortocircuito 5 aggettantisi da essi ed in pezzo con essi, in specifiche asole (non mostrate) predisposte nel piattello 12.

In tal modo ogni piattello risulta rigidamente fissato sul pacco (3) e, coprendo le cave contenenti i magneti, permette un contenimento assiale completo degli stessi.

La posizione dei pioli di ribaditura 13 può essere sulla parte superiore, libera 5A di ciascun anello 5 a cui ogni piattello giunge tramite linguette 16 aggettantisi da un bordo 16Δ sovrapponent isi all'anello 5 o più convenientemente nella parte interna dell'anello stesso, come una protuberanza di tale anello presente nella zona della faccia del rotore compresa tra due magneti contigui e posta superiormente ai lamierini 3 (figura 1).

I piattelli di contenimento possono vantaggiosamente presentare nervature circolari 19 e/o radiali 20, come mostrato in figura 1, al fine di incrementare eventualmente la robustezza meccanica del piattello stesso.

L'uso dei piattelli 12 è anche vantaggioso qualora si usi del collante per un fissaggio dei magneti 9 nelle cave 7, in quanto fungono da elemento di contenimento e copertura anche di eventuali fuoriuscite di tale collante sulle facce 10, 11 de1 rotore 1, risultando comunque tali fuoriuscite ulteriori elementi di fissaggio dei piattelli stessi alle facce del rotore.

Detti piattelli 12 possono presentare o supportare linguette 31 sporgenti, opportunamente tranciate, sagomate e piegate (nel caso di piattelli metallici), che possono fungere da elementi di contenimento radiale dei magneti 9 (vedasi figura 5) se posizionate in modo tale da inserirsi assialmente in opportuni spazi 23 previsti nelle cave 7 in corrispondenza dei bordi laterali estremali di queste ultime, tra il magnete 9 ed il pacco rotorico (definito dai lamierini 3), nella posizione più conveniente ed allo scopo di premere sulle facce longitudinale 9A di ogni magnete (ovvero sulla faccia parallela all'asse longitudinale W del rotore). In alternativa, dette linguette 31 potrebbero essere sagomate in maniera tale da operare come una molla agente sul magnete sia in senso assiale che in quello radiale, come mostrato nelle figure 6-8.

Come detto, la configurazione geometrica più conveniente per i magneti 9 (ottenuti generalmente in terre rare) è quella del parallelepipedo rettangolare. Di conseguenza, nel rotore 1 di un motore a magneti permanenti disposti internamente devono essere previste le cave assiali 7 idonee all'inserimento di detti magneti.

Ovviamente la posizione di tali cave 7 dovrà essere la più vicina possibile al perimetro esterno del rotore 1, compatibilmente anche con le cave rotoriche 4 nel caso di un motore sincrono autoavviante .

Inoltre, è necessario prevedere ostacoli alla richiusura del flusso magnetico del magnete 9, ai lati dello stesso: secondo il trovato viene lasciato uno spazio vuoto 7K molto piccolo alle estremità delle cave 7 e si fa in modo di far passare il flusso magnetico in "ponticelli" metallici 7A (definiti nei lamierini 3) molto sottili che così vanno a saturarsi magneticamente con poco dispendio di energia e quindi riduzione delle perdite magnetiche.

In merito alla configurazione della cava 7 contenente il magnete, usualmente essa presenta in corrispondenza di ogni bordo laterale estremale, in particolare nella configurazione nota di un motore autoavviante, uno spazio 33. Al fine dì valutare tale configurazione, vanno tenute presenti nello specifico due necessità costruttive e tecnologiche nella realizzazione del rotore di un motore sincrono autoavviante:

a) si deve pressoiondere per esempio in alluminio una gabbia di scoiattolo 2, pur essendo presenti le cave 7 per i magneti 9, e

b) si possono usare dei collanti per fissare meglio i magneti 9 nelle proprie cave 7.

La necessità di una gabbia pressofusa prevede lo studio di una configurazione delle cave rotoriche 4 tale da assicurare una significativa coppia di avviamento del motore come un asincrono, ma nel contempo tale da ottimizzare la fase di sincronizzazione del rotore 1 alla velocità del campo magnetico rotante senza contrastare negativamente l'azione che i magneti sviluppano.

II tutto senza penalizzare l'efficienza elettrica del motore.

Tuttavia, la presenza delle cave rotoriche 4 e delle cave 7 per i magneti 9 è generalmente in contrasto con un'ottimale pressofusione degli anelli di corto circuito 5 in quanto esiste il rischio di riempimento di alluminio anche delle cave 7; si sono pertanto studiate, secondo il trovato, varianti geometriche alla nota ed usuale configurazione delle cave rotoriche 4 specie laddove risulterebbero coesistenti o troppo vicine alle cave 7 per magneti 9. Ciò anche perchè i magneti 9, seppur non ancora magnetizzati (vengono convenientemente magnetizzati alla conclusione della realizzazione del rotore), non possono essere inseriti nelle loro cave 7 prima della pressofusione in alluminio, in quanto il calore generato durante tale processo potrebbe danneggiarli irrimediabilmente.

L'operazione di pressofusione deve pertanto considerare e risolvere il problema della presenza di cave 7 vuote prossime alle cave rotoriche; questo viene ottenuto mediante inserimento nelle medesime di inserti in metallo facenti parte dello stampo di pressofusione che provvede anche a chiudere sulle facce 10 e 11 la parte di cave rotoriche 40 fuoriuscenti dall'anello di cortocircuito 5 verso i.1 centro del rotore.

In merito al fissaggio dei magneti 9 all'interno delle rispettive cave 7 nel rotore 1 si potrebbero utilizzare collanti specifici (mono o bi-componenti, polimerizzanti a caldo o a freddo) che devono essere in qualche modo posizionati o iniettati o distribuiti nelle cave 7 prima dell'inserimento dei magneti 9.

L'esperienza pratica dimostra che lo spazio 33 presente ai lati di ogni cava 7 occupata dal magnete 9 nelle configurazioni usuali non facenti parte del trovato, rappresenta un volume in cui il collante, preventivamente posto nella cava stessa, va facilmente a sfogare nella fase di inserimento del magnete.

Tuttavia poiché le quantità di collante che si raccolgono in questi volumi sono quantità perse, non utili sostanzialmente al fissaggio del magnete e poiché il costo di questi collanti è anche elevato, secondo il trovato, al fine di ridurre le quantità perse di collante, permettendo una migliore distribuzione del medesimo nelle cave 7, si è previsto che ogni cava 7 dei magneti 9 abbia conformazione corrispondente a quella del relativo magnete e le cave rotoriche 4 siano a simmetrìa differenziata (vedasi figure 11 e 12); le cave rotoriche 40 prossime alle estremità laterali delle cave 7, si prolungano pertanto verso queste ultime. Ciò garantisce il giusto grado di ostacolo ai flussi laterali dei magneti in modo da ottimizzare l'efficienza elettrica, garantisce una consistenza dimensionale a tutti ì ponticelli 7A esistenti tra le cave asimmetriche 40 e quelle 7 in modo da facilitarne la tranciabilìtà, dà alle cave 7 per i magneti 9 una forma molto prossima a quella del magnete stesso permettendo una riduzione dello spazio 33 al risultante spazio 7K e conseguentemente della quantità di collante utilizzato ed una migliore distribuzione dello stesso per riempimento volumetrico durante la fase di inserimento dei magneti e garantisce una pressoiondibilità della gabbia di scoiattolo prevedendo l'uso di inserti di allineamento e riempimento nelle cave dei magneti durante il processo stesso.

Sono state descritte forme specifiche del trovato. Altre ancora sono tuttavia possibili alla luce della descrizione che precede (come quella secondo la quale i piattelli non sono corpi, pieni, anulari , ma corpi raggiati o con incavi tra bracci sovrappo sti ai magneti 9 e sono da ritenersi ricadere nell'ambito delle rivendicazioni che seguono .

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Disposizione di fissaggio e contenimento di magneti permanenti (9) in corrispondenti cave (7) di un rotore (1) di un motore elettrico sincrono autoavviante, dette cave essendo previste entro un pacco di lamierini (3), il rotore avendo una gabbia pressofusa (2) provvista di anelli di cortocircuito perimetrale (5) e di una pluralità di cave rotoriche (4), tale pacco (3) avendo facce contrapposte (10, 11), caratterizzata dal fatto che in corrispondenza di almeno una di tali facce (10, 11) è previsto un elemento (12) di contenimento dei magneti (9) nelle corrispondenti cave (7), detto elemento (12) essendo almeno parzialmente sovrapposto a tali magneti (9) così da impedirne la fuoriuscita dalle cave (7).
2. 2. Disposizione di cui alla rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che l'elemento di contenimento (12) è un piattello anulare.
3. 3. Disposizione di cui alla rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto che tale piattello è un corpo pieno.
4. 4. Disposizione di cui alla rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto di comprendere elementi di vincolo (13) aggettantisi dall 'anello di cortocircuito (5) ed atti a cooperare col piattello (12), tali elementi (13) essendo in alternativa sporgenti da una parte superiore libera (5Δ) di tale anello (5) oppure emergenti come molteplici protuberanze all'interno dell'anello (5) stesso, su ogni faccia (10, 11) del pacco (3) e in corrispondenza di ogni magnete permanente (9).
5. 5. Disposizione di cui alla rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che ogni piattello è provvisto di nervature di irrigidimento circolari (19) e/o radiali (20).
6. 6. Disposizione di cui alla rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che comprende nei piattelli (12) elementi di pressione (31) agenti sui magneti (9) ed atti a spingere questi ultimi entro le corrispondenti cave (7).
7. 7. Disposizione di cui alla rivendicazione 6, caratterizzata dal fatto che detti elementi di pressione (31) sono inseriti in spazi (23) delle cave (7) dei magneti ricavati tra questi ultimi e il pacco dei lamierini (3).
8. 8. Disposizione di cui alla rivendicazione 6, caratterizzata dal fatto che detti elementi dì pressione (31) sono disposti in corrispondenza di almeno una faccia libera (10, 11) del pacco (3).
9. 9. Disposizione di cui alla rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che ogni cava (7) per il magnete (9) ha conformazione sostanzialmente identica a quella del corrispondente magnete e quindi presenta uno spazio laterale estremale (7K) limitato, in prossimità di tale spazio (7K) essendo previste cave rotoriche asimmetriche (40) prolungatesi verso i bordi dei magneti (9) e definenti ponticelli metallici (7A) tra tali cavi e detti bordi.
10. 10. Metodo per realizzare un motore elettrico con un rotore avente una disposizione di cui alla rivendicazione 1, detto metodo comprendendo il pressoiondere la gabbia rotorica (2). caratterizzato dal fatto che si prevede durante tale pressofusione, 1*inserimento di inserti metallici nelle cave (7) dei magneti (9) al fine di garantirne l<!>allineamento assiale e prevenire l’entrata del metallo fuso nelle medesime. Riferimento archivio del mandatario A27919