ITMI20092193A1 - Macchina elettrica e veicolo di trasporto provvisto di tale macchina elettrica - Google Patents

Description

“MACCHINA ELETTRICA E VEICOLO DI TRASPORTO PROVVISTO DI TALE MACCHINA ELETTRICAâ€

La presente invenzione à ̈ relativa a una macchina elettrica e a un veicolo di trasporto provvisto di tale macchina elettrica.

In particolare, la presente invenzione riguarda una macchina elettrica per trasformare energia cinetica in energia elettrica o energia elettrica in energia cinetica a bordo di un veicolo di trasporto, detta macchina elettrica comprende un rotore; e uno statore comprendente un pacco statorico avente delle cave, ciascuna delle quali presenta due facce laterali convergenti verso l’asse, e un avvolgimento elettrico comprendente gruppi di barre, ciascuno dei quali à ̈ alloggiato almeno in parte all’interno di una delle cave e comprende una prima barra e una seconda barra parallele fra loro e disposte in successione in una direzione radiale rispetto all’asse; la prima barra essendo prossimale al rotore; la seconda barra essendo adiacente alla prima barra.

L’impiego di macchine elettriche del tipo sopra identificato trova crescente applicazione nei veicoli di trasporto, in particolare nei veicoli di trasporto equipaggiati con un motore a combustione interna e in cui le macchine elettriche hanno la funzione di generare energia elettrica in fase di frenata del veicolo di trasporto e di trasformare l’energia elettrica in forza motrice in determinate condizioni operative. Questi veicoli di trasporto vengono generalmente definiti veicoli ibridi.

Il processo di trasformazione di energia cinetica in energia elettrica e di energia elettrica in energia cinetica richiede di installare a bordo dell’autoveicolo un impianto aggiuntivo denominato KERS (Kinetic Energy Recovery System), il quale comprende, oltre alla macchina elettrica di tipo reversibile, un’unità di accumulo dell’energia elettrica e un’unità di controllo collegata alla macchina elettrica e all’unità di accumulo.

Tale impianto aggiuntivo pur fornendo incoraggianti risultati dal punto di vista della riduzione dei consumi e degli inquinanti, di fatto, aumenta il peso e l’ingombro del veicolo di trasporto e, in molti casi, l’applicazione di tale tipo di impianto aggiuntivo à ̈ ancora limitata.

Macchine elettriche aventi caratteristiche simili a quella precedentemente descritta sono mostrate nei documenti JP 2006340409, JP 2007227262 e JP 08205441.

Le figure 2, 5, 6, 7 del documento JP 2006340409 e le figure 3a, 3b e 5 del documento JP 2007227262 illustrano una macchina elettrica avente un gruppo di barre comprendente quattro barre.

La macchina elettrica per essere utilizzata a bordo di un autoveicolo deve avere dimensioni ridotte, peso ridotto e potenza elevate, in particolare una coppia alta a un numero di giri basso.

A tale scopo, la soluzione descritta dal documento JP 08205441 risulta essere particolarmente interessante, la macchina elettrica, illustrata nelle figure 12 e 13 di detto documento, comprende un gruppo di barre avente una prima barra e una seconda barra disposte nella cava e disposte in successione lungo una direzione radiale all’asse di simmetria del rotore. La prima barra à ̈ prossimale al rotore, mentre la seconda barra à ̈ disposta nella cava tra la prima barra e l’esterno dello statore.

Un problema tecnico presente nella macchina elettrica à ̈ dato dal fatto che, in uso, le barre della macchina elettrica si surriscaldano a tal punto da danneggiare la macchina elettrica stessa. Generalmente la macchina elettrica comprende un sistema di raffreddamento, il quale a causa delle dimensioni ridotte della macchina elettrica non riesce a raffreddare in modo soddisfacente tutte le barre, in particolare, non riesce a raffreddare in modo efficiente la prima barra. Il calore eccessivo generato dalla prima barra danneggia la macchina elettrica.

Dato che, in generale, il surriscaldamento, prodotto dalle barre a causa dell’effetto Joule, à ̈ direttamente proporzionale alla resistenza in corrente continua delle barre, una soluzione potrebbe essere quella di aumentare la sezione delle barre in modo da diminuire la resistenza in corrente continua delle barre e, di conseguenza, far generare meno calore per effetto Joule.

Tuttavia, questa soluzione risulta soddisfacente solamente se le dimensioni vengono aumentate notevolmente rispetto all’arte nota e, quindi, ha lo svantaggio di aumentare le dimensioni e il peso della macchina elettrica. Le dimensioni e il peso della macchina elettrica a bordo di un veicolo sono un parametro critico.

Un’altra soluzione potrebbe essere quella di progettare un sistema di raffreddamento avente un potere refrigerante maggiore di quello dell’arte nota e che sia in grado di raffreddare in modo soddisfacente le regioni interne della macchina elettrica, in particolare tutte le barre. Tale soluzione, però, aumenterebbe il peso, le dimensioni e la complessità della macchina elettrica.

È uno scopo della presente invenzione quello di realizzare una macchina elettrica per trasformare energia cinetica in energia elettrica o energia elettrica in energia cinetica che limiti gli inconvenienti dell’arte nota.

Un altro scopo della presente invenzione à ̈ quello di realizzare una macchina elettrica che limiti il surriscaldamento senza aumentare le dimensioni, il peso e la complessità.

Inoltre, Ã ̈ uno scopo della presente invenzione quello di realizzare una macchina elettrica per trasformare energia cinetica in energia elettrica o energia elettrica in energia cinetica a bordo di un veicolo di trasporto con un elevatissimo rapporto potenza/massa e che nello stesso tempo sia affidabile e/o compatta e/o leggera e/o costruttivamente semplice.

In accordo con tali scopi à ̈ realizzata una macchina elettrica per trasformare energia cinetica in energia elettrica o energia elettrica in energia cinetica a bordo di un veicolo di trasporto; la macchina elettrica comprendendo un rotore; e uno statore comprendente un pacco statorico avente delle cave, ciascuna delle quali presenta due facce laterali convergenti verso l’asse, e un avvolgimento elettrico comprendente gruppi di barre; ciascun gruppo di barre essendo alloggiato almeno in parte all’interno di una delle cave e comprendendo una prima barra e una seconda barra parallele fra loro e disposte in successione in una direzione radiale rispetto all’asse; la prima barra essendo prossimale al rotore; la seconda barra essendo adiacente alla prima barra; la macchina elettrica essendo caratterizzata dal fatto che presenta un’altezza della prima barra, misurata nella direzione radiale, minore di un’altezza della seconda barra, misurata nella direzione radiale.

Nella macchina elettrica realizzata secondo la presente invenzione, la macchina elettrica presenta l’altezza della prima barra minore rispetto all’altezza della seconda barra. Detta relazione tra le altezze garantisce un gradiente della densità di corrente sulla prima barra e sulla seconda barra minore rispetto all’arte nota, di conseguenza, il calore generato per effetto Joule sulla prima e sulla seconda barra à ̈ a un livello tale da non danneggiare la macchina elettrica. Infatti, il calore prodotto per effetto Joule à ̈ proporzionale all’integrale di superficie del quadrato della densità di corrente sulla sezione del conduttore, quindi, quanto minore à ̈ il gradiente della densità di corrente sulla sezione del conduttore, tanto minore sarà il calore prodotto per effetto Joule. Questa relazione tra le altezze delle barre à ̈ stata elaborata dopo un approfondito studio sulle cause del surriscaldamento anomalo delle barre, ed à ̈ il risultato di simulazioni con programmi per il calcolo delle densità di correnti e dei campi magnetici della macchina elettrica e di prove sperimentali sulla macchina elettrica.

La presente invenzione à ̈ inoltre relativa e un veicolo di trasporto.

Secondo la presente invenzione à ̈ realizzato un veicolo di trasporto comprendente un telaio di supporto e almeno una ruota girevole rispetto al telaio; il veicolo di trasporto essendo caratterizzato dal fatto di comprendere una prima macchina elettrica secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 12 e atta a ricevere energia cinetica dalla detta ruota e a trasmettere energia cinetica alla detta ruota.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione appariranno chiari dalla descrizione che segue di un suo esempio non limitativo di attuazione, con riferimento alle figure dei disegni annessi, in cui:

- la figura 1 Ã ̈ una vista in sezione longitudinale, con parti asportate per chiarezza di una macchina elettrica realizzata in accordo con la presente invenzione;

- la figura 2 Ã ̈ una vista in elevazione frontale e in scala ingrandita, con parti in sezione e parti asportate per chiarezza, di un particolare della macchina elettrica della figura 1;

- la figura 3 Ã ̈ una vista prospettica, con parti asportate per chiarezza e in scala ingrandita di un componente della macchina elettrica della figura 1; e

- la figura 4 Ã ̈ una vista schematica, con parti asportate per chiarezza, di un veicolo equipaggiato con la macchina elettrica della figura 1.

Nella figura 1 Ã ̈ indicata nel suo complesso con il numero di riferimento 1 una macchina elettrica per trasformare energia cinetica in energia elettrica o energia elettrica in energia cinetica a bordo di un veicolo di trasporto 2 (figura 4).

In particolare, la macchina elettrica 1 à ̈ una macchina elettrica sincrona trifase reversibile molto compatta e in grado di erogare un’elevata potenza rispetto alla massa della macchina elettrica 1 stessa. La macchina elettrica 1 presenta una forma sostanzialmente cilindrica, si estende lungo un asse A ed à ̈ caratterizza dal fatto di avere una lunghezza complessiva maggiore del diametro, in particolare una lunghezza pari a circa due volte il diametro.

La macchina elettrica 1 comprende un involucro di supporto 3; un rotore 4 estendentesi lungo l’asse A; e uno statore 5 disposto attorno al rotore 4.

L’involucro di supporto 3 comprende due semigusci 6 e 7 innestati assialmente uno nell’altro. I semigusci 6 e 7 presentano una forma sostanzialmente cilindrica e sono assemblati uno all’altro attorno al rotore 4 e allo statore 5. Il semiguscio 6 comprende una flangia 8 di estremità perpendicolare all’asse A, e una parete 9 cilindrica parallela all’asse A. La flangia 8 presenta un foro centrale di alloggiamento di un cuscinetto 10 di supporto del rotore 4, mentre la parete 9 presenta uno spallamento 11 interno atto ed essere disposto in battuta con lo statore 5, e una scanalatura 12 esterna elicoidale.

Il semiguscio 7 comprende una flangia 13 di estremità perpendicolare all’asse A, e una parete 14 cilindrica parallela all’asse A. La flangia 13 presenta un foro centrale di alloggiamento di un cuscinetto 15 di supporto del rotore 4; mentre la parete 14 presenta uno spallamento 16 interno atto ed essere disposto in battuta con lo statore 5.

La parete 14 Ã ̈ in parte sovrapposta alla parete 9 in corrispondenza della scanalatura 12 esterna elicoidale in modo da formare una camera di raffreddamento 17 elicoidale e presenta una bocca di alimentazione 18 e una bocca di uscita 19 atte a essere collegate rispettivamente a un condotto di alimentazione e a un condotto di evacuazione di fluido refrigerante (non illustrati nelle figure allegate), in particolare, un liquido di raffreddamento, che viene convogliato lungo la camera di raffreddamento 17 elicoidale per raffreddare lo statore 5.

Il rotore 4 comprende un albero 20, il quale à ̈ supportato dai cuscinetti 10 e 15 e comprende una porzione centrale, lungo la quale sono ricavate quattro facce 21 piane; e una pluralità di magneti permanenti 22, i quali sono disposti in quattro file lungo le facce piane 21. Nella fattispecie illustrata nella figura 1, i magneti permanenti 22 sono disposti in quattro file di cinque magneti permanenti 22.

Ciascun magnete permanente 22 à ̈ preferibilmente realizzato in samario-cobalto, ed à ̈ incollato a una rispettiva faccia piana 21. Il rotore 4 comprende un tubo 23 in fibra di carbonio disposto attorno ai magneti permanenti 22 per impedire l’eventuale distacco dei magneti permanenti 22 dall’albero 20. Secondo una forma di attuazione alternativa non illustrata nelle figure allegate, il tubo in fibra di carbonio à ̈ omesso e il rotore comprende un filo di Zylon® avvolto a elica attorno ai magneti permanenti in modo da impedirne il distacco.

L’albero 20 presenta un’estremità disposta al di fuori dell’involucro di supporto 3 e avente un codolo 24 di attacco a una ruota dentata o a una puleggia non illustrata nelle figure allegate. Il rotore 4, in particolare la parte attiva dello stesso occupata dai magneti permanenti 22, presenta un diametro sensibilmente inferiore alla lunghezza del rotore 4, in particolare della parte attiva dello stesso, in modo da limitare le forze centrifughe e garantire una bassa inerzia alla rotazione e una maggiore reazione al cambio di regime di rotazione.

Lo statore 5 comprende un pacco statorico 25 e un avvolgimento elettrico 26 trifase. Il pacco statorico 25 à ̈ formato da un pacco di lamierini perpendicolari all’asse A e presenta delle cave 27 assiali ossia parallele all’asse A. In altre parole, le cave 27 si estendono in lunghezza parallelamente all’asse A e in altezza radialmente all’asse A.

In accordo con una variante non illustrata nelle figure allegate, le cave assiali sono leggermente inclinate rispetto all’asse A di un angolo denominato angolo di skew.

L’avvolgimento elettrico 26 trifase comprende una prima porzione che si estende all’interno delle cave 27 e una seconda porzione che si estende all’esterno delle cave 27 e che nella fattispecie à ̈ definita da due testate 28 e 29 addossate alle estremità opposte del pacco statorico 25.

Con riferimento alla figura 2, l’avvolgimento elettrico 26 comprende gruppi 30 di barre conduttrici, ciascun gruppo 30 di barre comprende una prima barra 31 conduttrice prossimale al rotore 4 (figura 1), una seconda barra 32 conduttrice adiacente alla prima barra 31 e una terza barra 33 conduttrice adiacente alla seconda barra 32. In particolare, le prime, seconde e terze barre 31, 32 e 33 di ciascun gruppo 30 di barre sono parallele tra loro e disposte in successione in una direzione radiale rispetto all’asse A (figura 1). Inoltre le prime, seconde e terze barre 31, 32 e 33 di ciascun gruppo 30 di barre sono disposte, in parte, nelle cave 27 e, in parte, in corrispondenza delle testate 28 e 29 (figura 1). Le prime, seconde e terze barre 31, 32 e 33 del gruppo di barre 30 sono collegate fra loro in corrispondenza delle testate 28 e 29 (figura 1) in modo da definire uno schema elettrico determinato dell’avvolgimento elettrico 26.

Nella fattispecie della figura 2 à ̈ mostrato un gruppo 30 di barre formato dalla prima, seconda e terza barra 31, 32, e 33 alloggiato all’interno di una delle cave 27. In sostanza ciascuna cava 27 à ̈ occupata da uno dei gruppi 30 di barre.

Ciascuna prima, seconda e terza barra 31, 32 e 33 di ciascun gruppo 30 di barre à ̈ avvolta con un involucro isolante per isolare la rispettiva barra 31, 32 e 33. Inoltre ciascuna prima, seconda e terza barra 31, 32 e 33 à ̈ ulteriormente isolata dal pacco statorico 25 e dalle altre prime, seconde e terze barre 31, 32, 33 degli altri gruppi 30 di barre da una resina amagnetica impregnata nel pacco statorico 25. L’impregnazione con la resina à ̈ realizzata una volta che l’avvolgimento elettrico 26 à ̈ stato completato e assemblato al pacco statorico 25. Nella figura 2, la resina e l’involucro isolante sono indicati nel loro complesso con il numero di riferimento 34.

Con riferimento alla figura 1, il pacco statorico 25 à ̈ disposto in battuta contro gli spallamenti 11 e 16 rispettivamente dei semigusci 6 e 7 ed à ̈ serrato fra i semigusci 6 e 7, i quali sono assemblati per mezzo di tiranti 35 paralleli all’asse A.

Con riferimento alla figura 3, il pacco statorico 25 presenta una forma sostanzialmente cilindrica, una superficie esterna 36 intervallata da scanalature 37 di alloggiamento dei tiranti 35, e una superficie interna 38 interrotta dalle dodici cave 27. Si intende che il numero di cave 27 à ̈ un parametro progettuale e a parità di altre caratteristiche il numero di cave 27 à ̈ generalmente prescelto fra un multiplo di tre.

Ciascuna cava 27 à ̈ delimitata da due facce laterali 39 piane, opposte, e convergenti verso l’asse A; una faccia di fondo 40 raccordata alle facce laterali 39; un’apertura 41 verso l’asse A e verso la quale sono raccordate le facce laterali 39.

Due cave 27 adiacenti sono separate l’una dall’altra da un setto 42 che si espande in corrispondenza dell’apertura 41 in una cosiddetta espansione polare 43.

Il pacco statorico 25 presenta due facce 44 di estremità (una sola delle quali à ̈ illustrata nella figura 3) e, lungo tali facce 44 e in corrispondenza di alcune cave 27, degli scassi 45 definenti rispettive sedi, le quali sono atte a permettere l’inserimento di rispettive linguette di materiale isolante per isolare i gruppi 30 di barre dopo la saldatura delle stesse in corrispondenza delle testate 28 e 29 (figura 1).

Con riferimento alla figura 2, ciascuna cava 27 ha una sezione trasversale sostanzialmente a forma di trapezio isoscele, in cui la faccia di fondo 40, sebbene leggermente arcuata, rappresenta la base maggiore, l’apertura 41 definisce in sostanza la base minore, e le facce laterali 39 definiscono i lati inclinati del trapezio isoscele.

Un’altezza H27 della cava 27 à ̈ misurata in una direzione radiale all’asse A.

Le prime, seconde e terze barre 31, 32, e 33 di ciascun gruppo 30 di barre hanno rispettive sezioni trasversali di forma e di dimensioni diverse fra loro.

La prima barra 31 ha una faccia 31A affacciata all’apertura 41; una faccia 31B rivolta verso la faccia di fondo 40 e due facce inclinate 31C, ciascuna delle quali parallela a una rispettiva faccia laterale 39 della cava 27. La prima barra 31 si caratterizza per una forma appiattita: un’altezza H31 della prima barra 31, misurata nella direzione radiale all’asse A (figura 1), ossia l’altezza H31 della sezione trasversale della prima barra 31, à ̈ sensibilmente inferiore alla larghezza della faccia 31B e addirittura inferiore alla metà della larghezza della faccia 31B.

La seconda barra 32 ha una faccia 32A affacciata alla faccia 31B; una faccia 32B rivolta verso la faccia di fondo 40 e due facce inclinate 32C, ciascuna delle quali parallela a una rispettiva faccia laterale 39 della cava 27. La seconda barra 32 ha un aspetto più robusto rispetto alla prima barra 31 e presenta un’altezza H32 misurata nella direzione radiale, maggiore dell’altezza H31 della prima barra 31.

La terza barra 33 ha una faccia 33A affacciata alla faccia 32B; una faccia 33B affacciata alla faccia di fondo 40 e due facce inclinate 33C, ciascuna delle quali parallela a una rispettiva faccia laterale 39 della cava 27. La terza barra 33 presenta un’altezza H33 misurata nella direzione radiale minore dell’altezza H32 della seconda barra 32.

L’altezza H31 della prima barra 31, l’altezza H32 della seconda barra 32 e l’altezza H33 della terza barra 33 sono crescenti dall’apertura 41 fino alla seconda barra 32, e uguali o decrescenti dalla seconda barra 32 fino alla faccia di fondo 40. Mentre la larghezza media delle prime, seconde e terze barre 31, 32 e 33 à ̈ crescente a partire dall’apertura 41 verso la faccia di fondo 40. Inoltre, la faccia 33B à ̈ parallela alla faccia di fondo 40, mentre le facce 31A, 32A, 33A, e le facce 31B, 32B, 33B, di ciascuna prima, seconda e terza barra 31, 32, 33, sono parallele fra loro. Inoltre, le facce inclinate 31C, 32C e 33C delle barre 31, 32 e 33 sono allineate tra loro.

Con riferimento alla figura 2, la prima, seconda e terza barra 31, 32 e 33 hanno dimensioni dipendenti tra loro e dipendenti dall’altezza H27 della cava 27.

In altre parole, il rapporto tra l’altezza H31 della prima barra 31 e l’altezza H27 della cava 27 à ̈ maggiore di 0.105 ed à ̈ minore di 0.264, preferibilmente à ̈ uguale a 0.176.

Il rapporto tra l’altezza H32 della seconda barra 32 e l’altezza H27 della cava 27 à ̈ maggiore di 0.141 ed à ̈ minore di 0.412, preferibilmente à ̈ uguale a 0.294.

Il rapporto tra l’altezza H33 della terza barra 33 e l’altezza H27 della cava 27 à ̈ maggiore di 0.141 e minore di 0.363, preferibilmente à ̈ uguale a 0.259.

Inoltre, il rapporto tra l’area della sezione trasversale della prima barra 31 e l’area della sezione trasversale della seconda barra 32 à ̈ maggiore di 0.20 ed à ̈ minore di 0.92, preferibilmente à ̈ uguale a 0.488.

Inoltre, il rapporto tra l’area della sezione trasversale della seconda barra 32 e l’area della sezione trasversale della terza barra 33 à ̈ maggiore di 0.50 ed à ̈ minore di 1.50, preferibilmente à ̈ uguale a 1.004.

Il rapporto tra l’altezza H41 dell’apertura 41 misurata nella direzione radiale e l’altezza H27 della cava 27 à ̈ maggiore di 0.105 e minore di 0.247, preferibilmente à ̈ uguale a 0.176.

Il rapporto tra l’area della sezione trasversale della prima barra 31 e l’area della sezione trasversale della terza barra 33 à ̈ maggiore di 0.20 ed à ̈ minore di 0.90, preferibilmente à ̈ uguale a 0.490.

Inoltre, il rapporto tra l’altezza H31 della prima barra 31 e l’altezza H32 della seconda barra 32 à ̈ maggiore di 0.36 ed à ̈ minore o uguale a 0.95, preferibilmente à ̈ uguale a 0.60.

Il rapporto tra l’altezza H33 della terza barra 33 e l’altezza H32 della seconda barra 32 à ̈ maggiore di 0.52 ed à ̈ minore o uguale a 1.00, preferibilmente à ̈ uguale a 0.88.

Tutti rapporti citati fino ad ora possono variare all’interno degli intervalli dichiarati, ma bisogna sempre rispettare il vincolo che l’altezza H31 della prima barra 31 sia minore dell’altezza H32 della seconda barra 32, e l’altezza H33 della terza barra 33 sia minore o uguale all’altezza H32 della seconda barra 32.

Secondo una variante della presente invenzione non illustrata nelle figure allegate, ciascun gruppo di barre comprende una quarta barra parallela alla terza barra e disposta tra la terza barra e la faccia di fondo.

L’altezza, misurata nella direzione radiale, della quarta barra à ̈ minore o uguale all’altezza della terza barra. In altre parole, le altezze della seconda, terza e quarta barra sono uguali o decrescenti a partire dalla seconda barra verso la faccia di fondo e l’altezza della prima barra à ̈ minore dell’altezza della seconda barra. Mentre, le larghezze medie delle barre del gruppo di barre sono crescenti a partire dalla prima barra verso la faccia di fondo.

Con particolare riferimento alla figura 2, la sezione trasversale della cava 27 non à ̈ completamente riempita dal gruppo 30 di barre, in particolare una regione 53 libera dalla prima, seconda e terza barra 31, 32 e 33 à ̈ presente all’interno di ciascuna cava 27 tra la prima barra 31 e l’apertura 41, tale regione 53 libera à ̈ riempita con la resina isolante 34 amagnetica.

La distanza, misurata nella direzione radiale all’asse A, tra la faccia 31A della prima barra 31 e il rotore 4 à ̈ maggiore dell’altezza H31 della prima barra 31. In particolare, il rapporto tra l’altezza H31 della prima barra 31 e la distanza tra la faccia 31A della prima barra 31 e il rotore 4 à ̈ maggiore di 0.10 e minore di 0.50, preferibilmente à ̈ uguale a 0.33.

Inoltre, la prima barra 31 presenta un’area della sezione trasversale minore dell’area della sezione trasversale della seconda barra 32 e una resistenza, misurata in corrente continua, maggiore della resistenza, misurata in corrente continua, della seconda barra 32. In particolare, il rapporto tra la resistenza, misurata in corrente continua, della prima barra 31 e la resistenza, misurata in corrente continua, della seconda barra 32 à ̈ maggiore di 1, minore di 2.93, preferibilmente à ̈ uguale a 2.098.

Mentre, la resistenza della prima barra 31, misurata in corrente alternata alla tensione media e alla frequenza media di alimentazione della macchina elettrica 1 stessa, à ̈ minore rispetto all’arte nota. Inoltre, il rapporto tra la resistenza della prima barra 31, misurata in corrente alternata, e la resistenza della seconda barra 32, misurata in corrente alternata, à ̈ maggiore di 1, à ̈ minore di 2.4, e preferibilmente à ̈ uguale a 1.30.

Grazie al fatto che la resistenza in corrente alternata à ̈ minore rispetto all’arte nota, la macchina elettrica 1 si surriscalda in misura minore e non si danneggia.

Nella detta macchina elettrica 1, la distribuzione della densità di corrente delle prime, seconde e terze barre 31, 32 e 33 dello statore 4 non à ̈ uniforme, cioà ̈ le prime, seconde e terze barre 31, 32 e 33 presentano regioni in cui la densità di corrente à ̈ maggiore rispetto ad altre regioni della stessa prima, seconda, terza barra 31, 32, 33. Detta variazione della distribuzione della densità di corrente non à ̈ una variazione monotona con direzione radiale dal centro del conduttore verso l’esterno. In questo caso, infatti, ciascuna prima, seconda e terza barra 31, 32 e 33 presenta una densità di corrente maggiore in corrispondenza delle rispettive facce 31A, 32A, 33A, e una densità di corrente minore in corrispondenza delle rispettive facce 31B, 32B, 33B, fino a raggiungere valori negativi. È evidente, quindi, che la densità di corrente varia secondo una direzione radiale rispetto all’asse A e non à ̈ uniforme in ciascuna prima, seconda e terza barra 31, 32 e 33, in particolare la prima barra 31 presenta un gradiente maggiore della seconda e terza barra 32 e 33. Nell’arte nota, a causa di un gradiente della distribuzione della densità di corrente eccessivo, le barre si surriscaldano in maniera eccessiva, perché il calore prodotto per effetto Joule à ̈ proporzionale all’integrale di superficie del quadrato della densità di corrente sulla sezione del conduttore, quindi, un gradiente della distribuzione della densità di corrente maggiore provoca un surriscaldamento maggiore rispetto a un gradiente minore a parità di corrente che scorre in una barra. In altre parole, quanto maggiore à ̈ il gradiente della distribuzione della densità di corrente, tanto maggiore à ̈ il calore generato per effetto Joule a parità di corrente elettrica che scorre all’interno della barra.

Grazie alla presente invenzione, le altezze H31, H32 e H33 delle rispettive prime, seconde e terze barre 31, 32 e 33 sono in relazione tra loro e con l’altezza H27 della cava 27 mediante i rapporti citati in precedenza. Dette relazioni tra le altezze garantiscono un gradiente della densità di corrente sulle prime, seconde e terze barre 31, 32 e 33 minore rispetto all’arte nota, di conseguenza, il calore generato per effetto Joule sulle prime, seconde e terze barre 31, 32 e 33 à ̈ minore rispetto all’arte nota, in particolare à ̈ minore sulle prime barre 31 ed à ̈ accettabile, cioà ̈ non à ̈ a un livello tale da danneggiare la macchina elettrica 1. Questa relazione tra le altezze delle barre à ̈ stata elaborata dopo un approfondito studio sulle cause del surriscaldamento anomalo delle barre, ed à ̈ il risultato di simulazioni con programmi per il calcolo delle correnti e del campo magnetico della macchina elettrica e di prove sperimentali sulla macchina elettrica 1.

Nello stesso tempo, la progressiva riduzione dell’altezza H32 e H33 delle rispettive seconde e terze barre 32 e 33 dalla seconda barra 32 verso la faccia di fondo 40 e l’aumento della larghezza media delle prime, seconde e terze barre 31, 32 e 33 in direzione radiale dall’asse A verso la faccia di fondo 40 garantisce un efficiente scambio termico per le seconde e terze barre 32 e 33 più esterne e, di conseguenza, aumenta l’efficienza e il rendimento della macchina elettrica 1. Per meglio comprendere questa affermazione à ̈ opportuno ricordare che la camera di raffreddamento 17 delimitata dai semigusci 6 e 7 à ̈ in sostanza a contatto del pacco statorico 25 lungo la superficie esterna 36 dello stesso. Di conseguenza, il pacco statorico 25 presenta un gradiente termico crescente a partire dalla superficie esterna 36 verso la superficie interna 38. Ne consegue che la prima barra 31 à ̈ maggiormente sfavorita per quanto concerne il salto termico, il quale à ̈ un parametro fondamentale che regola lo scambio termico. Per questo motivo la prima barra 31 non riesce a essere raffreddata efficientemente dalla camera di raffreddamento 17, per cui à ̈ dimensionata con un'altezza H31 minore rispetto all’altezza H32 della seconda barra 32; in modo che la distribuzione di corrente sulla prima barra 31 abbia un gradiente minore dell’arte nota e, di conseguenza, la produzione di calore per effetto Joule sia accettabile e minore dell’arte nota, cioà ̈ non sia tale da danneggiare la macchina elettrica 1. Al contrario dalla seconda barra 32 alla terza barra 33 l’altezza à ̈ decrescente in modo che la progressiva riduzione dell’altezza e il progressivo incremento della larghezza media delle seconde e terze barre 32 e 33 permetta di definire delle facce 32C, 33C progressivamente crescenti dalla faccia di fondo 40 alla seconda barra 32 e realizzare uno scambio termico soddisfacente.

Con riferimento alla figura 4, la macchina elettrica 1 à ̈ montata sul veicolo di trasporto 2. Nella fattispecie, il veicolo di trasporto 2 comprende un telaio 46 quattro ruote 47; un motore a combustione interna 48; un cambio 49; una trasmissione 50 per trasferire il moto fra il cambio 49 e due delle quattro ruote 47; e tre macchine elettriche 1 reversibili. Una macchina elettrica 1 à ̈ collegata al motore 48 e ha la funzione di alternatore e nello stesso tempo di motorino di avviamento, mentre le altre due macchine elettriche 1 sono accoppiate rispettivamente alle due ruote 47 non collegate alla trasmissione 50. Ciascuna macchina elettrica 1 à ̈ collegata a una rispettiva unità di controllo 51, la quale a sua volta à ̈ collegata a un’unità di accumulo 52 comune a tutte e tre le macchine elettriche 1.

Fra la macchina elettrica 1 e il motore 48 à ̈ interposto un motoriduttore 53, il quale ha la funzione di realizzare un rapporto fra il numero di giri nella macchina elettrica 1 e il numero di giri del motore 48 pari a 2. Questo rapporto di trasmissione permette di sfruttare al meglio le caratteristiche della macchina elettrica 1: la potenza erogata dalla macchina elettrica 1 à ̈ direttamente proporzionale al numero di giri della macchina elettrica 1 stessa, mentre il suo peso à ̈, in prima approssimazione, direttamente proporzionale alla sua coppia massima. Un motore a velocità elevata e coppia relativamente bassa gode, pertanto, di un’elevata densità di potenza.

Le macchine elettriche 1 montate sulle ruote 47 azionano in rotazione tali ruote 47 in funzione dei comandi impartiti dalle rispettive unità di controllo 51, che, a loro volta, sono governate da segnali emessi da un dispositivo di controllo della stabilità di tipo noto e non illustrato nelle figure allegate.

Risulta infine evidente che alla macchina elettrica 1 qui descritta e al suo impiego possono essere apportate modifiche e varianti senza uscire dall’ambito delle rivendicazioni allegate.

In particolare, la presente descrizione si riferisce a uno statore con dodici cave beninteso che l’invenzione à ̈ applicabile anche a statore con un numero maggiore o minore di cave.

La presente invenzione à ̈ particolarmente vantaggiosa per il fatto di permettere di disporre più barre nella stessa cava e quindi realizzare degli schemi di avvolgimento complessi senza aumentare eccessivamente il numero di cave e senza ridurre le dimensioni dei setti di separazione delle cave. Se i setti fossero eccessivamente sottili si potrebbe riscontrare addirittura la rottura dei setti. Infatti, la macchina elettrica oggetto della presente invenzione à ̈ destinata a sviluppare una notevole potenza superiore ai 150 CV presenta un ingombro molto limitato, considerando che la sua lunghezza complessiva à ̈ dell’ordine dei 150 mm e il suo diametro dell’ordine di 100 mm.

È quindi comprensibile che i materiali costituenti la macchina elettrica 1 siano fortemente sollecitati.

Claims (15)

1. R I V E N D I C A Z I O N I 1. Una macchina elettrica per trasformare energia cinetica in energia elettrica o energia elettrica in energia cinetica a bordo di un veicolo di trasporto (2); la macchina elettrica (1) comprendendo un rotore (4); e uno statore (5) comprendente un pacco statorico (25) avente delle cave (27), ciascuna delle quali presenta due facce laterali (39) convergenti verso l’asse (A), e un avvolgimento elettrico (26) comprendente gruppi (30) di barre; ciascun gruppo (30) di barre essendo alloggiato almeno in parte all’interno di una delle cave (27) e comprendendo una prima barra (31) e una seconda barra (32) parallele fra loro e disposte in successione in una direzione radiale rispetto all’asse (A); la prima barra (31) essendo prossimale al rotore (4); la seconda barra (32) essendo adiacente alla prima barra (31); la macchina elettrica (1) essendo caratterizzata dal fatto che presenta un’altezza (H31) della prima barra (31), misurata nella direzione radiale, minore di un’altezza (H32) della seconda barra (32), misurata nella direzione radiale.
2. 2. Macchina elettrica secondo la rivendicazione 1, in cui il rapporto tra l’altezza (H31) della prima barra (31), misurata nella direzione radiale, e un’altezza (H27) della cava (27), misurata nella direzione radiale, à ̈ maggiore di 0.105 ed à ̈ minore di 0.264, preferibilmente à ̈ uguale a 0.176.
3. 3. Macchina elettrica secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui il rapporto tra l’altezza (H32) della seconda barra (32), misurata nella direzione radiale, e l’altezza (H27) della cava (27), misurata nella direzione radiale, à ̈ maggiore di 0.141 ed à ̈ minore di 0.412, preferibilmente à ̈ uguale a 0.294.
4. 4. Macchina elettrica secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui una distanza tra una faccia (31A), affacciata al rotore (4), della prima barra (31) e il rotore (4) stesso à ̈ maggiore dell’altezza (H31) della prima barra (31).
5. 5. Macchina elettrica secondo la rivendicazione 4, in cui il rapporto tra l’altezza (H31) della prima barra (31) e la distanza tra la faccia (31A) della prima barra (31) e il rotore (4) à ̈ maggiore di 0.10 ed à ̈ minore di 0.50, preferibilmente à ̈ uguale a 0.33.
6. 6. Macchina elettrica secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui il rapporto tra l’area della sezione trasversale della prima barra (31) e l’area della sezione trasversale della seconda barra (32) à ̈ maggiore di 0.200 ed à ̈ minore di 0.920, preferibilmente à ̈ uguale a 0.488.
7. 7. Macchina elettrica secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui ciascun gruppo (30) di barre comprende una terza barra (33) parallela alla prima e alla seconda barra (31, 32); la prima, la seconda e la terza barra (31, 32, 33) essendo disposte in successione nella direzione radiale; la prima e la terza barra (31, 33) essendo disposte da bande opposte della seconda barra (32); e in cui un’altezza (H33) della terza barra (33), misurata nella direzione radiale, à ̈ minore dell’altezza (H32) della seconda barra (32), misurata nella direzione radiale.
8. 8. Macchina elettrica secondo la rivendicazione 7, in cui il rapporto tra l’altezza (H33) della terza barra (33) e l’altezza (H27) della cava (27) à ̈ maggiore di 0.141 ed à ̈ minore di 0.363, preferibilmente à ̈ uguale a 0.259.
9. 9. Macchina elettrica secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui ciascuna cava (27) presenta un’apertura (41) in prossimità del rotore (4); e in cui la cava (27) comprende una regione (53) libera da barre (31; 32) e disposta nella cava (27) tra la prima barra (31) e l’apertura (41).
10. 10. Macchina elettrica secondo la rivendicazione 9 in cui la regione (53) Ã ̈ riempita con una resina isolante (34) amagnetica.
11. 11. Macchina elettrica secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui la prima barra (31) di ciascun gruppo (30) di barre presenta una resistenza, misurata in corrente continua, maggiore di una resistenza della seconda barra (32) misurata in corrente continua.
12. 12. Macchina elettrica secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui la prima barra (31) di ciascun gruppo (30) di barre à ̈ dimensionata in modo tale che il rapporto tra una resistenza in corrente alternata della prima barra (31), misurata con tensione media e frequenza media di alimentazione della macchina elettrica (1), e una resistenza in corrente alternata della seconda barra (32), misurata con tensione media e frequenza media di alimentazione della macchina elettrica (1), à ̈ maggiore di 1.00 ed à ̈ minore di 2.40, preferibilmente à ̈ uguale a 1.30.
13. 13. Veicolo di trasporto comprendente un telaio di supporto (46) e almeno una ruota (47) girevole rispetto al telaio (46); il veicolo di trasporto (2) essendo caratterizzato dal fatto di comprendere una prima macchina elettrica (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 12 e atta a ricevere energia cinetica dalla detta ruota (47) e a trasmettere energia cinetica alla detta ruota (47).
14. 14. Veicolo di trasporto secondo la rivendicazione 13, caratterizzato dal fatto di comprendere due ruote (47) girevoli rispetto al telaio (46) e una seconda macchina elettrica (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 12, la prima e la seconda macchina elettrica (1) essendo accoppiate a rispettive ruote (47).
15. 15. Veicolo secondo la rivendicazione 14, caratterizzato dal fatto di comprendere un motore a combustione interna (48) atto a fornire l’energia necessaria alla trazione del veicolo di trasporto (2); e una terza macchina elettrica (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 12, collegata al motore a combustione interna (48) e avente le funzioni di alternatore e di motorino di avviamento.