ITMI20110378A1 - Macchina elettrica rotante per aerogeneratore - Google Patents

Description

“MACCHINA ELETTRICA ROTANTE PER AEROGENERATOREâ€

La presente invenzione riguarda una macchina elettrica rotante di un aerogeneratore.

In particolare, la presente invenzione riguarda una macchina elettrica rotante segmentata.

Generalmente, una macchina elettrica rotante segmentata per aerogeneratore del tipo descritto in WO 2006/032969 A2 ha un grande diametro e comprende uno statore, e un rotore montato in modo girevole rispetto allo statore attorno a un asse determinato. Il rotore e lo statore comprendono rispettivi corpi tubolari e rispettive pluralità di settori attivi fissati ai rispettivi corpi tubolari. Lo statore e il rotore sono reciprocamente disposti in modo da mantenere affacciati e separati da un traferro i rispettivi settori attivi in modo che, in uso, le rispettive forze magnetiche interagiscano per generare energia elettrica.

Generalmente, l’allestimento di un aerogeneratore prevede di montare i corpi tubolari all’estremità superiore dell’aerogeneratore e di installare, successivamente, i settori attivi sui corpi tubolari.

Inoltre, alcune operazioni di manutenzione prevedono lo smontaggio, il montaggio e, talvolta, la sostituzione dei settori attivi.

Uno scopo della presente invenzione à ̈ quello di realizzare una macchina elettrica rotante che sia facile da realizzare e permetta un facile montaggio e smontaggio dei settori attivi quando montata sull’aerogeneratore.

Secondo la presente invenzione à ̈ realizzata una macchina elettrica rotante per aerogeneratore; la macchina elettrica rotante comprendendo un corpo tubolare, il quale si estende attorno a un asse determinato e comprende una parete cilindrica; e una pluralità di alette di presa, le quali sono parallele all’asse determinato, sono realizzate integralmente e solidali alla parete cilindrica, e sono configurate in modo tale per cui ciascuna coppia di alette di presa affacciate definisca una sede per alloggiare un settore attivo.

Per gli scopi della presente invenzione la generica definizione “due elementi del corpo tubolare sono realizzati integralmente†significa che i due elementi non sono stati giuntati per incollaggio, saldatura, giunzione bullonata, incastro o qualsiasi altra modalità di giunzione, bensì i due elementi sono un unico corpo senza discontinuità di materiale. In particolare, le alette di presa e la parete cilindrica definiscono un solo corpo.

Grazie alla presente invenzione non à ̈ necessario montare le alette di presa sulla parete cilindrica per definire le sedi di alloggiamento dei settori attivi e non à ̈ necessario ricorrere a tecniche di fissaggio alternative, come ad esempio l’incollaggio delle parti attive.

Inoltre, le alette di presa e la parete cilindrica realizzate integralmente come un unico corpo riducono l’induzione delle armoniche della forza magnetomotrice della macchina elettrica sul corpo tubolare e, di conseguenza, diminuiscono le correnti parassite circolanti nel corpo tubolare e le perdite elettromagnetiche, e aumentano l’efficienza dell’aerogeneratore. Inoltre, diminuendo le perdite elettromagnetiche, anche il surriscaldamento del corpo tubolare diminuisce sensibilmente.

In accordo a una preferita forma di attuazione della presente invenzione ciascuna coppia di alette di presa à ̈ configurata per esercitare una forza di serraggio elastica sul settore attivo.

Il serraggio elastico ha anche il vantaggio di mantenere il settore attivo in una posizione determinata senza la necessita di elementi di serraggio come bulloni, dadi, adesivo applicati direttamente sul settore attivo.

Secondo una preferita forma di attuazione della presente invenzione, ciascuna aletta di presa comprende una porzione di base adiacente alla parete cilindrica e una porzione di estremità configurata per afferrare un settore attivo in modo da definire un canale fra ciascuna coppia di alette di presa, il settore attivo, e la parete cilindrica. Il canale così realizzato ha una duplice funzione: in uso può essere percorso da un fluido di raffreddamento, mentre in fase di montaggio o di smontaggio permette l’inserimento di un divaricatore per allargare elasticamente una coppia di alette di presa per inserire ed estrarre agevolmente il settore attivo.

Secondo una preferita forma di attuazione della presente invenzione la porzione di estremità presenta protrusioni e cavità in modo da conferire alla porzione di estremità una forma complementare alla forma di una parte del settore attivo.

La presenza di protrusioni e cavità e la complementarietà di forma garantiscono una presa sicura del settore attivo. La presa sicura garantisce anche un posizionamento sicuro della parte attiva nel corso del tempo rispetto alle alette di presa e alla parete cilindrica

Secondo una preferita forma di attuazione le coppie di alette di presa sono separate le une dalle altre da un interstizio dimensionato per permettere la divaricazione di ciascuna coppia di alette di presa in misura tale da garantire l’inserimento e l’estrazione dei settori attivi. In questo modo, l’inserimento e l’estrazione dei settori attivi possono essere effettuati senza interferenza e senza attrito per tutti i settori attivi.

Secondo una preferita forma di attuazione della presente invenzione le alette di presa si estendono in direzione assiale per una lunghezza inferiore alla lunghezza della parete cilindrica.

Una porzione della parete cilindrica può essere utilizzata per cooperare con freni, sensori di rilevamento della velocità di rotazione, ecc.

Secondo una preferita forma di attuazione della presente invenzione il corpo tubolare comprende un’ulteriore parete cilindrica, la quale à ̈ realizzata integralmente con la parete cilindrica e configurata per supportare un cuscinetto. In questo modo, la parete cilindrica adibita al supporto del cuscinetto e la parete cilindrica adibita al supporto dei settori attivi sono realizzate in un unico pezzo per minimizzare le fasi di assemblaggio del corpo tubolare.

Nella fattispecie, l’ulteriore parete cilindrica presenta un diametro inferiore al diametro della parete cilindrica; il corpo tubolare comprendendo una parete anulare, la quale collega la parete cilindrica e l’ulteriore parete cilindrica ed à ̈ realizzata integralmente alla parete cilindrica e all’ulteriore parete cilindrica.

Vantaggiosamente il corpo tubolare comprende una flangia per collegare il corpo tubolare a un mozzo di supporto delle pale di una turbina eolica; la flangia essendo adiacente all’ulteriore parete cilindrica e realizzata integralmente all’ulteriore parete cilindrica.

In questo modo, la trasmissione del moto dalle pale al rotore à ̈ semplificata, rigida, e il montaggio richiede meno tempo.

In particolare, il corpo tubolare à ̈ realizzato in un monoblocco e svolge una pluralità di funzioni altrimenti svolte da specifici componenti.

Il corpo tubolare à ̈ preferibilmente realizzato tramite fusione.

Risulta essere particolarmente conveniente realizzare il corpo tubolare in un materiale amagnetico. Infatti, un corpo tubolare in materiale amagnetico permette di ridurre le perdite magnetiche e, di conseguenza, le perdite termiche.

Preferibilmente, il corpo tubolare à ̈ realizzato in alluminio o in una lega di alluminio. Di fatto, allo stato attuale l’alluminio à ̈ fra i materiali amagnetici quello che offre, altre alla proprietà amagnetica, leggerezza, resistenza meccanica, conducibilità termica, facilità di lavorazione, che sono caratteristiche molto importanti nella realizzazione di un rotore di grandi dimensioni per un aerogeneratore.

Di fatto, il corpo tubolare ha un diametro maggiore di 1,5 m.

Secondo una preferita forma di realizzazione della presente invenzione il corpo tubolare comprende una pluralità di alette di raffreddamento realizzate integralmente alla parete cilindrica; preferibilmente le alette di raffreddamento essendo disposte dalla banda opposta della parete cilindrica rispetto alle dette alette di presa.

In questo modo, à ̈ possibile realizzare un buon raffreddamento del corpo tubolare senza la necessità di montare le alette di raffreddamento.

In accordo con una preferita, il corpo tubolare presenta ulteriori alette di raffreddamento realizzate integralmente e integrali alle alette di presa.

Secondo un’ulteriore preferita forma di attuazione della presente invenzione, il corpo tubolare comprende una pluralità di fori passanti configurati per convogliare un fluido di raffreddamento. Preferibilmente i fori passanti si estendono attraverso la parete cilindrica per collegare uno spazio compreso fra una coppia di alette di presa e uno spazio in corrispondenza della faccia opposta della parte cilindrica.

In questo modo il corpo cilindrico à ̈ parte integrante del circuito di raffreddamento.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione appariranno chiari dalla descrizione che segue di suoi esempi non limitativi di attuazione, con riferimento alle figure dei disegni annessi, in cui:

- la figura 1 Ã ̈ una vista in elevazione laterale, con parti in sezione e parti asportate per chiarezza, di un aerogeneratore comprendente una macchina elettrica realizzata in accordo con la presente invenzione;

- la figura 2 Ã ̈ una vista prospettica, con parti in sezione e parti asportate per chiarezza, di un corpo tubolare della macchina elettrica oggetto della presente invenzione; e

- la figura 3 Ã ̈ una vista in elevazione frontale, in scala ingrandita e con parti asportate per chiarezza, di un dettaglio del corpo tubolare della figura 2.

Con riferimento alla figura 1, con 1 à ̈ indicato nel suo complesso un aerogeneratore per la produzione di energia elettrica. L’aerogeneratore 1 comprende una struttura di supporto 2; una navicella 3; una macchina elettrica rotante 4; un mozzo 5; e tre pale 6 solo due quali sono illustrate nella figura 1. La navicella 3 à ̈ montata girevole rispetto alla struttura di supporto 2 attorno a un asse A, mentre il mozzo 5 à ̈ girevole rispetto alla navicella 3 attorno a un asse A1. La macchina elettrica rotante 4 comprende uno statore 7 che definisce, in parte, la navicella 3 o meglio il guscio esterno della navicella 3; e un rotore 8 collegato rigidamente al mozzo 5. Fra lo statore 7 e il rotore 8 à ̈ disposto un cuscinetto 9, nella fattispecie illustrata, un solo cuscinetto 9 disposto in prossimità del collegamento fra il mozzo 5 e il rotore 8.

Lo statore 7 comprende un corpo tubolare 10; e una pluralità di settori attivi 11 statorici distribuiti attorno all’asse A1 e supportati dal corpo tubolare 10, mentre il rotore 8 comprende un corpo tubolare 12; e una pluralità di settori attivi 13 rotorici distribuiti attorno all’asse A1 e supportati dal corpo tubolare 12.

I settori attivi 11 e 13 si estendono parallelamente all’asse A sono reciprocamente affacciati e separati da un traferro, e sono inseribili ed estraibili in direzione assiale rispetto ai rispettivi corpi tubolari 10 e 12. Nella fattispecie, la macchina elettrica rotante 4 à ̈ una macchina elettrica sincrona a magneti permanenti e ciascun settore attivo 11 statorico à ̈ definito da una guida magnetica accoppiata a una bobina non meglio identificata nelle figure allegate, mentre ciascun settore attivo 13 rotorico à ̈ definito da guide magnetiche 14 accoppiate a magneti permanenti 15 come mostrato nella figura 3.

Con riferimento alla figura 2, il corpo tubolare 12 comprende una parete cilindrica 16; una parete cilindrica 17 di diametro inferiore alla parete cilindrica 16; una parete anulare 18 di collegamento fra le pareti cilindriche 16 e 17; e una flangia 19 adiacente alla parete cilindrica 17. La parete anulare 18 à ̈ provvista di una pluralità di aperture 20 radiali uniformemente distribuite attorno all’asse A1 in modo da formare nella parete 18 una pluralità di bracci 21 radiali. La flangia 19 à ̈ provvista di una pluralità di fori 22 configurati per alloggiare degli elementi di collegamento per fissare il corpo tubolare al mozzo 5 (figura 1). La parete cilindrica 17 definisce la sede del cuscinetto 9 illustrato nella figura 1 ed à ̈ delimitata assialmente dalla flangia 19 e da uno spallamento anulare 23 adiacente la parete 18. La parete cilindrica 16 à ̈ configurata per alloggiare i settori attivi 13 rotorici (figura 3) e, a questo scopo, presenta una pluralità di alette di presa 24 configurate per definire una pluralità di sedi 25 di alloggiamento per una pluralità di settori attivi 13 (figura 3). Ciascuna aletta di presa 24 à ̈ solidale e realizzata integralmente con la parete cilindrica 16. Di fatto, la parete cilindrica 16 e le alette di presa 24 formano un corpo unico. In particolare, ciascuna aletta di presa 24 si estende radialmente rispetto all’asse A1 e parallelamente all’asse A1 per una lunghezza inferiore alla lunghezza assiale della parete 16. In particolare, la parete 16 presenta una porzione 26 priva di alette di presa 24 disposta dalla banda opposta alla parete anulare 18.

Con riferimento alla figura 3, ciascuna sede 25 di alloggiamento di un settore attivo 13 si estende fra una coppia di alette di presa 24 affacciate. Le coppie di alette di presa 24 affacciate e definenti una sede 25 sono spaziate le une dalle altre da interstizi assiali 27 dimensionati in modo tale da permettere una divaricazione elastica di ciascuna coppia di alette di presa 24 in direzione circonferenziale. La citata deformazione elastica permette l’inserimento e l’estrazione dei settori attivi 13 nelle e dalle rispettive sedi 25 e di serrare i settori attivi 13 tramite la forza elastica esercitata dalle alette di presa 24. In pratica, una coppia di alette di presa 24 viene divaricata elasticamente tramite un dispositivo divaricatore 28 provvisto di due elementi allungati 29 e di una camma 30 disposta fra i due elementi allungati 29 e girevole attorno ad un asse A2 longitudinale. Quando la camma 30 ruota attorno all’asse A2 rispetto alla posizione di riposo, gli elementi allungati tendono ad allontanarsi e a divaricare le alette di presa 24 su cui poggiano. Grazie all’attrezzo 28 à ̈ possibile divaricare leggermente le alette di presa 24 per tutta la loro estensione longitudinale.

In alternativa o congiuntamente all’impiego del dispositivo divaricatore 28 à ̈ possibile riscaldare in modo differenziale le alette di presa 24 per divaricare termicamente le alette di presa 24.

Ciascuna aletta di presa 24 comprende una porzione di base 31 adiacente alla parete cilindrica e una porzione di estremità 32 configurata per afferrare un settore attivo 13 in modo da definire un canale 33 fra ciascuna coppia di alette di presa 24, il settore attivo 13 e la parete cilindrica 16. In altre parole, il settore attivo 13 occupa solo in parte la sede 25 e si estende parzialmente al di fuori della sede 25. Il canale 33 ha la duplice funzione di permettere l’inserimento del dispositivo divaricatore 28 nelle fasi di inserimento e di estrazione dei settori attivi 13 e di permettere, in uso, la circolazione di un fluido di raffreddamento anche a diretto contatto con una fila di magneti permanenti 15.

Ciascuna porzione di estremità 32 presenta protrusioni 34 e cavità 35 complementari alla forma del settore attivo 13 in modo da definire una posizione precisa del settore attivo 13 rispetto alle alette di presa 24 e alla parete 16.

Nella figura 3 sono indicate a linee tratteggiate delle alette di raffreddamento 36 parallele fra loro che di protendono dalla parete cilindrica 16 Le alette di raffreddamento 36 hanno la funzione di accrescere la superficie di scambio termico del corpo tubolare 12. In particolare, le alette di raffreddamento 36 sono realizzate integralmente con la parete cilindrica 16 e l’intero corpo tubolare 12.

Secondo un’altra forma di attuazione illustrata a linee tratteggiate nella figura 3, il corpo tubolare 12 comprende ulteriori alette di raffreddamento 37 disposte all’interno dei canali 33. Tali alette di raffreddamento 37 si protendono dalle alette di presa 24 e sono realizzate integralmente e sono integrali alle alette di presa 24.

Secondo una ulteriore forma di attuazione illustrata a linee tratteggiate nella figura 3, il corpo tubolare 12 à ̈ provvisto di una pluralità di fori passanti 38 per convogliare un fluido di raffreddamento. Nella fattispecie illustrata i fori passanti attraversano la parete cilindrica 16 e mettono in comunicazione i canali 33 con il vano interno alla parete cilindrica 16. I fori passanti 38 sono parte integrante di un circuito di raffreddamento e permettono di convogliare un flusso, nella fattispecie, di aria ai canali 33.

Con riferimento alla figura 2, il corpo tubolare 12 Ã ̈ preferibilmente realizzato in un monoblocco. In altre parole, le pareti cilindriche 16 e 17, la parete anulare 18, la flangia 19 e le alette di presa 24 definiscono un monoblocco, ossia un corpo unico. Preferibilmente, il corpo tubolare 12 Ã ̈ realizzato come un monoblocco tramite un procedimento di fusione.

Il corpo tubolare 12 Ã ̈ preferibilmente realizzato in un materiale amagnetico. Questa caratteristica presenta particolari vantaggi: nelle fasi di inserimento e di estrazione dei settori attivi 13 il corpo tubolare 12 non interagisce con i settori attivi 13 che comprendono magneti permanenti 15 e, in uso, riduce le dispersioni magnetiche e le perdite termiche.

Allo stato attuale, i materiali amagnetici preferibili per realizzare il corpo tubolare 12 sono l’alluminio e le leghe di alluminio. Di fatto, l’alluminio e le sue leghe hanno una considerevole resistenza meccanica, facilità di lavorazione, leggerezza, oltre alle citate proprietà amagnetiche.

Altri materiali amagnetici particolarmente adatti per questo tipo di applicazione sono il titanio, l’acciaio amagnetico, e i polimeri.

È infine evidente che alla presente invenzione possono essere apportate modifiche e varianti senza uscire dall’ambito di protezione delle rivendicazioni allegate.

In particolare, nella fattispecie illustrata nelle figure allegate, la macchina elettrica rotante à ̈ una macchina elettrica rotante di tipo tubolare con rotore disposto all’interno dello statore, beninteso che la presente invenzione si estende a generatori elettrici in cui il rotore à ̈ disposto attorno allo statore.

Secondo una forma di attuazione non illustrata nelle figure allegate, le alette di presa possono essere massicce e prive sostanzialmente di elasticità in direzione circonferenziale. In questo caso i settori sono inseriti frontalmente e bloccati con altre modalità di bloccaggio.

Nella presente descrizione la definizione “parete cilindrica†indica una parete di forma sostanzialmente anulare non necessariamente di forma circolare.

Claims (19)

1. RIVENDICAZIONI 1. Macchina elettrica rotante per aerogeneratore; la macchina elettrica rotante (4) comprendendo un corpo tubolare (12), il quale si estende attorno a un asse (A1) determinato e comprende una parete cilindrica (16); e una pluralità di alette di presa (24), le quali sono parallele all’asse (A1) determinato, sono realizzate integralmente e solidali alla parete cilindrica (16), e sono configurate in modo tale per cui ciascuna coppia di alette di presa (24) affacciate definisca una sede (25) per alloggiare, almeno in parte, un settore attivo (13).
2. 2. Macchina elettrica rotante secondo la rivendicazione 1, in cui ciascuna coppia di alette di presa (24) Ã ̈ configurata per esercitare una forza di serraggio elastica sul settore attivo (13).
3. 3. Macchina elettrica rotante secondo una qualsiasi fra le rivendicazioni 1 e 2, in cui ciascuna aletta di presa (24) comprende una porzione di base (31) adiacente alla parete cilindrica (16) e una porzione di estremità (32) configurata per afferrare un settore attivo (13) in modo da definire un canale (33) fra ciascuna coppia di alette di presa (24), il settore attivo (13) e la parete cilindrica (16).
4. 4. Macchina elettrica rotante secondo la rivendicazione 3, in cui la porzione di estremità (32) presenta protrusioni (34) e cavità (35) in modo da conferire alla porzione di estremità (32) una forma complementare alla forma di una parte del settore attivo (13).
5. 5. Macchina elettrica rotante secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui le coppie di alette di presa (24) sono separate le une dalle altre da interstizi assiali (27) dimensionati per permettere una divaricazione elastica di ciascuna coppia di alette di presa (24) in misura tale da garantire l’inserimento e l’estrazione di un settore attivo (13).
6. 6. Macchina elettrica rotante secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui le alette di presa (24) si estendono in direzione assiale per una lunghezza inferiore alla lunghezza della parete cilindrica (16) in modo da definire una porzione di parete cilindrica (16) priva di alette di presa (24).
7. 7. Macchina elettrica rotante secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui il corpo tubolare (12) comprende un’ulteriore parete cilindrica (17), la quale à ̈ realizzata integralmente con la parete cilindrica (16) ed à ̈ configurata per supportare un cuscinetto (9).
8. 8. Macchina elettrica rotante secondo la rivendicazione 7, in cui l’ulteriore parete cilindrica (17) presenta un diametro inferiore al diametro della parete cilindrica (16); il corpo tubolare (12) comprendendo una parete anulare (18), la quale collega la parete cilindrica (16) e l’ulteriore parete cilindrica (17) ed à ̈ realizzata integralmente alla parete cilindrica (16) e all’ulteriore parete cilindrica (17).
9. 9. Macchina elettrica rotante secondo una qualsiasi fra le rivendicazioni 7 e 8, in cui il corpo tubolare (12) comprende una flangia (19) per collegare il corpo tubolare (12) a un mozzo (5) di supporto delle pale (6) di un aerogeneratore (1); la flangia (19) essendo adiacente alla ulteriore parete cilindrica (17) e realizzata integralmente all’ulteriore parete cilindrica (17).
10. 10. Macchina elettrica rotante secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui il corpo tubolare (12) Ã ̈ realizzato in un monoblocco, in particolare la parete cilindrica (16) e le alette di presa (24) sono realizzate come un corpo unico.
11. 11. Macchina elettrica rotante secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui il corpo tubolare (12) Ã ̈ realizzato tramite fusione.
12. 12. Macchina elettrica rotante secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni in cui il corpo tubolare (12) Ã ̈ realizzato in un materiale amagnetico.
13. 13. Macchina elettrica rotante secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui il corpo tubolare (12) Ã ̈ realizzato in alluminio o in una lega di alluminio.
14. 14. Macchina elettrica rotante secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni in cui, il corpo tubolare presenta un diametro maggiore di 1,5 m.
15. 15. Macchina elettrica secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, comprendente un rotore (8) comprendente il detto corpo tubolare (12) e una pluralità di settori attivi (13) alloggiati nelle dette sedi (25); ciascun settore attivo (13) comprendendo magneti permanenti (15).
16. 16. Macchina elettrica secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui il corpo tubolare (12) comprende una pluralità di alette di raffreddamento (36) realizzate integralmente alla parete cilindrica (16); preferibilmente le alette di raffreddamento (36) essendo disposte dalla banda opposta della parete cilindrica (16) rispetto alle dette alette di presa (24).
17. 17. Macchina elettrica secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui il corpo tubolare (12) comprende una pluralità di ulteriori alette di raffreddamento (37) realizzate integralmente e integrali alla parete cilindrica (16); preferibilmente le alette di raffreddamento (37) si protendono dalle alette di presa (24).
18. 18. Macchina elettrica secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui il corpo tubolare (12) comprende una pluralità di fori passanti (38) configurati per convogliare un fluido di raffreddamento, preferibilmente i fori passanti (38) si estendono attraverso la parete cilindrica (16) per collegare uno spazio compreso fra una coppia di alette di presa (24) e uno spazio in corrispondenza della faccia opposta alle alette di presa (24).
19. 19. Aerogeneratore secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, e comprendente un mozzo (5), una pluralità di pale (6) supportate dal mozzo (5); il detto corpo tubolare (12) essendo collegato direttamente al mozzo (5).