ITMI20121339A1 - Macchina elettrica intelligente - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

Annessa a domanda di brevetto per INVENZIONE INDUSTRIALE avente per titolo

“MACCHINA ELETTRICA INTELLIGENTEâ€

CAMPO DELL’INVENZIONE

La presente invenzione ha per oggetto una macchina elettrica.

TECNICA NOTA

Com’à ̈ noto esistono diverse tipologie di macchine elettriche.

Sono note macchine elettriche a struttura compenetrata, che comprendono, oltre ad uno statore e ad un rotore, un cosiddetto “metarotore†, cioà ̈ un rotore aggiuntivo e radialmente interposto tra statore e rotore. Si creano virtualmente in questo modo due macchine elettriche distinte ma tra loro collegate: l’una formata dallo statore e dal metarotore, l’altra formata dal metarotore e dal rotore.

In funzione della tipologia di alimentazione fornita agli avvolgimenti presenti sui tre citati componenti, ed in funzione di eventuali vincoli di movimentazione meccanica imposta agli stessi (per esempio, una determinata velocità di rotazione imposta al rotore) à ̈ possibile ricavare dalla macchine potenza meccanica e/o potenza elettrica.

Alla luce di quanto sopra, scopo della presente invenzione à ̈ mettere a disposizione una macchina elettrica in grado di ottimizzare la trasmissione meccanica con diverse caratteristiche coppia/velocità, realizzando un disaccoppiamento meccanico rigenerativo tra asse d'ingresso ed asse d'uscita.

Ulteriore scopo del trovato à ̈ mettere a disposizione una macchina elettrica capace sia di scambiare energia elettrica con una rete di alimentazione elettrica o un accumulatore in funzione del segno del bilancio energetico, sia di operare come motore elettrico.

SOMMARIO DELL’INVENZIONE

Questi ed altri scopi sono sostanzialmente raggiunti da una macchina elettrica secondo quanto descritto nelle unite rivendicazioni.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi appariranno maggiormente dalla descrizione dettagliata di forme di esecuzione preferite ma non esclusive dell’invenzione. BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

Tale descrizione à ̈ fornita qui di seguito con riferimento alle unite figure, anch’esse fornite a scopo puramente esemplificativo, in cui:

- la figura 1 mostra una vista laterale schematica di una macchina secondo l’invenzione;

- La figura 1a mostra una variante della macchina di figura 1, secondo l'invenzione;

- la figura 1b mostra componenti della macchina di figura 1a;

- la figura 2 mostra una vista prospettica schematica di una porzione della macchina di figura 1;

- la figura 3 mostra una vista schematica parziale di una sezione secondo un piano assiale PA della porzione di macchina di figura 2;

- la figura 4 mostra una vista schematica parziale di una sezione secondo un piano radiale PR della porzione di macchina di figura 2;

- la figura 5 mostra uno schema a blocchi rappresentativo di una possibile applicazione dell’invenzione;

- la figura 6 mostra uno schema di flusso di potenza dell’applicazione di figura 5;

- la figura 7 mostra una prima modalità di funzionamento della macchina secondo l'invenzione;

- la figura 8 mostra la situazione al traferro Statore/Metarotore in un primo caso della modalità di figura 7;

- la fig. 9 mostra un diagramma fasoriale al traferro Metarotore/Rotore in un primo caso della modalità di figura 7;

- la figura 10 mostra la situazione al traferro Statore/Metarotore in un secondo caso della modalità di figura 7;

- la fig. 11 mostra un diagramma fasoriale al traferro Metarotore/Rotore in un secondo caso della modalità di figura 7;

- la figura 12 mostra una seconda modalità di funzionamento della macchina secondo l'invenzione;

- la figura 13 mostra la situazione al traferro Statore/Metarotore in un primo caso della modalità di figura 12;

- la fig. 14 mostra un diagramma fasoriale al traferro Metarotore/Rotore in un primo caso della modalità di figura 12;

- la figura 15 mostra la situazione al traferro Statore/Metarotore in un secondo caso della modalità di figura 12;

- la fig. 16 mostra un diagramma fasoriale al traferro Metarotore/Rotore in un secondo caso della modalità di figura 12;

- la figura 17 mostra una terza modalità di funzionamento della macchina secondo l'invenzione;

- le figure 17a, 17b, 17c, 17d mostrano fasi della modalità di figura 17.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL’INVENZIONE

Con riferimento alle unite figure, con 1 à ̈ stata complessivamente indicata la macchina elettrica in accordo con l’invenzione.

La macchina elettrica 1 comprende innanzitutto uno statore 10.

Lo statore 10 ha conformazione sostanzialmente cilindrica e si sviluppa lungo un suo asse longitudinale X, come schematicamente mostrato in figura 1.

Preferibilmente lo statore 10 Ã ̈ provvisto di un avvolgimento trifase.

Preferibilmente lo statore 10 à ̈ provvisto di una pluralità di scanalature (le cosiddette “cave statoriche†), interne al pacco di lamierini statorici. Preferibilmente lo statore 10 à ̈ associato ad una unità o rete di alimentazione, dalla quale o verso la quale viene trasferita potenza elettrica.

La macchina 1 comprende inoltre un rotore 20, associato allo statore 10.

Il rotore 20 presenta una struttura sostanzialmente cilindrica.

La struttura cilindrica del rotore 20 si sviluppa longitudinalmente lungo il citato asse longitudinale X. Il rotore 20 à ̈ movimentabile in rotazione intorno all’asse longitudinale X.

Preferibilmente il rotore 20 presenta scanalature (le cosiddette “cave rotoriche†) per accogliere l’avvolgimento rotorico.

Preferibilmente tali scanalature sono ricavate sulla superficie radialmente esterna del rotore 20.

La macchina 1 comprende inoltre un rotore aggiuntivo o metarotore 30.

Il metarotore 30 Ã ̈ radialmente interposto tra lo statore 10 ed il rotore 20.

Il metarotore 30 presenta conformazione sostanzialmente cilindrica.

Il metarotore 30 si sviluppa longitudinalmente lungo il citato asse longitudinale X.

Il metarotore 30 à ̈ movimentabile in rotazione intorno all’asse longitudinale X.

Il metarotore 30 à ̈ provvisto di opportuni avvolgimenti, che verranno meglio descritti in seguito, così da cooperare elettromagneticamente con lo statore 10 e con il rotore 20.

In particolare, con riferimento alla figura 1, data la struttura sopra descritta, si viene a creare un primo traferro TRsm tra lo statore 10 ed il metarotore 30, ed un secondo traferro TRmr tra il metarotore 30 ed il rotore 20.

In una variante dell’invenzione (fig. 1a,1b) un rotore 10a à ̈ in collegamento magnetico con lo Statore 10 allo scopo di fornire direttamente al rotore 20a l’energia magnetizzante.

La Macchina Elettrica presenta, quindi, anche un terzo traferro TRrs tra il rotore 20a e lo statore 10.

L’avvolgimento à ̈ unico dal punto di vista elettrico, ma differenziato in due avvolgimenti "in serie" tenendo in considerazione i due traferri TRmr e TRsr (fig. 1b).

Preferibilmente, in questa variante, la macchina prevede un metarotore 30 con avvolgimenti avvolti in corto circuito e lo statore 10 alimentato magneticamente da un avvolgimento trifase; il rotore 20a presenta, invece, due avvolgimenti avvolti 120a e 120b su due differenti locazioni e diametri ma elettricamente in serie.

I due avvolgimenti in serie preferibilmente possono avere un raporto spire n:m e, preferibilmente, essere avvolti su differenti piani di sezione longitudinale.

In altre parole, nel passaggio tra un primo avvolgimento ed un secondo ogni conduttore à ̈ avvolto su di un secondo piano caratterizzato da un angolo fisso rispetto al piano del primo avvolgimento.

Lo stesso collegamento e ́ esposto sia nel traferro TRsr che TRmr.

In una forma di realizzazione, lo statore 10 si sviluppa radialmente esternamente al metarotore 30,30a ed al rotore 20,20a, mentre il rotore 20,20a si sviluppa radialmente almeno parzialmente internamente rispetto al metarotore 30,30a.

In una diversa forma di realizzazione, il rotore 20 si sviluppa radialmente esternamente al metarotore 30 ed allo statore 10, mentre lo statore 10 si sviluppa radialmente internamente rispetto al metarotore 30.

Si noti che, nella forma di realizzazione generale considerata (fig. 1), la struttura della macchina elettrica 1 comporta la presenza virtuale di due macchine elettriche: una prima macchina elettrica formata dallo statore 10 e dal metarotore 30, ed una seconda macchina elettrica formata dal metarotore 30 e dal rotore 20.

In virtù della particolare soluzione adottata per il metarotore 30 le due macchine sono necessariamente interagenti tra loro; le modalità secondo cui questo può accadere verranno descritte in seguito.

Nella variante di figura 1a, 1b, la struttura della macchina elettrica 1 comporta la presenza virtuale di tre macchine elettriche, in cui le prime due coincidono con quelle della forma di realizzazione generale, mentre la terza macchina elettrica à ̈ formata dallo statore 10 e dal rotore 20a.

Come schematicamente mostrato nelle unite figure, il metarotore 30 comprende una porzione radialmente interna 31 ed una porzione radialmente esterna 32, separate da una zona di separazione 33.

Il metarotore 30 comprende inoltre un filo elettricamente conduttivo 34 opportunamente disposto in modo da formare una pluralità di spire e permettere l’interazione magnetica tra il metarotore 30 e le altri componenti della macchina 1.

In particolare il filo 34 comprende una pluralità di porzioni 35 contigue.

Ciascuna porzione 35 comprende, in successione:

- un primo tratto 35a che si sviluppa sulla superficie radialmente esterna della porzione radialmente esterna 32 del metarotore 30; il primo tratto 35a à ̈ sostanzialmente parallelo all’asse longitudinale X;

- un secondo tratto 35b che si sviluppa nella zona di separazione 33; il secondo tratto 35b à ̈ sostanzialmente parallelo all’asse longitudinale X;

- un terzo tratto 35c che si sviluppa sulla superficie radialmente interna della porzione radialmente interna 31; il terzo tratto 35c à ̈ sostanzialmente parallelo all’asse longitudinale X.

Preferibilmente ciascuna delle porzioni 35 di detto filo 34 comprende inoltre un quarto tratto 35d successivo a detto terzo tratto 35c. Tale quarto tratto 35d si sviluppa nella zona di separazione 33 parallelamente all’asse longitudinale X.

Preferibilmente il primo ed il terzo tratto 35a, 35c sono alloggiati in rispettive cavità ricavate, rispettivamente, sulla superficie radialmente esterna della porzione radialmente esterna 32 del metarotore 30 e sulla superficie radialmente interna della porzione radialmente interna 31 del metarotore 30.

Preferibilmente la zona di separazione 33 à ̈ presenta una pluralità di coppie di fori passanti 33a, 33b ciascuna disposta per alloggiare il secondo ed il quarto tratto 35b, 35d di una rispettiva porzione 35 del filo 34.

In particolare ciascun foro passante 33a, 33b à ̈ disposto parallelamente all’asse longitudinale X.

Preferibilmente ciascuna porzione 35 del filo 33 comprende inoltre tratti di raccordo 36a, 36b per collegare il primo tratto 35a con il secondo tratto 35b, ed il secondo tratto 35b con il terzo tratto 35c.

Preferibilmente ciascuna porzione 35 comprende inoltre un tratto di raccordo ausiliario (non illustrato) per collegare il terzo tratto 35c con il quarto tratto 35d. Preferibilmente ciascuna porzione 35 comprende inoltre un tratto di raccordo aggiuntivo per un raccordo con la porzione successiva e/o la porzione precedente.

I numeri dei percorsi o tratti 35a, 35b, 35c non sono necessariamente uguali; preferibilmente, possono presentare un rapporto tra le spire n:m, ad esempio 1:2 o 2:1.

L'effetto tecnico conseguito da questa soluzione à ̈ un'ottimizzazione del trasferimento di potenza tra il traferro TRsm ed il traferro TRmr.

La struttura dell’avvolgimento del metarotore 30 sopra descritta consente di mettere in collegamento elettrico il primo traferro TRsm con il secondo traferro TRmr, invertendo la direzione della corrente e quindi il flusso concatenato con la stessa.

Il campo magnetico generato dallo statore 10, richiudendosi sul metarotore 30, si concatena con la parte di filo 33 che si affaccia sul primo traferro TRsm, inducendo nello stesso correnti tali da generare un campo rotante antagonista.

In particolare la soluzione tecnica rivendicata permette di introdurre, nel secondo traferro TRmr, le correnti raccolte nel primo traferro TRsm.

La n-pla equilibrata di correnti, generata come reazione d’indotto nel metarotore 30, crea il campo magnetico rotante nel secondo traferro TRmr.

Si noti che, in questa situazione, il campo generato à ̈ sincrono con la pulsazione del campo generato dallo statore 10, ma à ̈ sfasato rispetto a questo dell’angolo di coppia instaurato nel primo traferro TRsm.

Questo campo interno di metarotore 30, richiudendosi sul rotore 20, si concatena con il suo avvolgimento, magnetizzando in cascata anche la seconda macchina asincrona.

Inoltre, poiché l’avvolgimento del metarotore 30 à ̈ “a maglia incrociata†, cioà ̈ presenta la peculiare struttura sopra descritta, le correnti fornite dai due traferri si rinforzano e si rifasano reciprocamente.

In particolare, se al primo traferro TRsm si instaura una macchina generatrice, le intensità di corrente addizionali vanno a rinforzare le correnti applicate e le velocità create al secondo traferro TRmr che sta fungendo da motore.

Se, invece, si instaura una macchina generatrice al secondo traferro TRmr, le intensità di corrente addizionali vanno a rinforzare le correnti applicate e le coppie create al primo traferro TRsm che sta fungendo da motore.

La struttura descritta costituisce un cosiddetto giunto elettromeccanico “intelligente†che adatta autonomamente la caratteristica di carico senza coinvolgere il motore che fornisce, a monte, la potenza meccanica (detto anche “Motore Primo†). Questo à ̈ vero soprattutto per i disturbi di carico o carichi impulsivi che non vengono percepiti dal Motore Primo.

In altri termini, al motore primo à ̈ richiesta una potenza costante erogata con numero di giri e coppia pressoché costante, mentre il carico gestisce potenze variabili in termini di coppia/velocità.

Lo statore 10 Ã ̈ alimentato elettricamente tramite un inverter (figura 5) che applica un sistema polifase di tensioni concatenate simmetriche controllate, in tensione e/o in frequenza, da un elaboratore 100 opportunamente programmato.

In altre parole, il sistema di trazione dell’invenzione comprende un inverter 60 controllato da un elaboratore 100.

Vantaggiosamente, tale elaboratore 100 à ̈ associato ad un primo sensore S1, configurato per rilevare un parametro rappresentativo della velocità angolare R del rotore 20, e ad un secondo sensore S2 configurato per rilevare un parametro rappresentativo della velocità angolare M del metarotore 30 e, preferibilmente, un parametro rappresentativo della posizione,ove fosse necessario.

Tali primo e secondo sensore sono convenientemente impiegati per attuare un controllo coordinato sul rotore 20, sul metarotore 30, e sullo statore 10, quest’ultimo tramite la regolazione di tensione, corrente e frequenza.

In altre parole, l’unità di elaborazione 100 à ̈ associata al primo sensore S1 ed al secondo sensore S2 ed à ̈ configurata per pilotare l’inverter 60 in funzione dei valori di velocità R, M rilevati.

In altre parole ancora, la Macchina comprende un elaboratore 100 configurato per controllare l'inverter 60 in funzione di correnti e fasi di alimentazione, velocità e posizione del metarotore 30 e del rotore 20. In questa applicazione il rotore 20 à ̈ solidalmente associato ad un organo di movimentazione 50 quale, ad esempio, un motore termico, che provvede a movimentare in rotazione il rotore 20 stesso ad una velocità angolare R. La velocità angolare R à ̈, quindi, la velocità angolare in ingresso alla macchina.

Tramite un asse solidalmente associato al metarotore 30 viene fornita potenza meccanica in uscita.

In altre parole, il metarotore 30 à ̈ solidalmente associato ai mezzi di rotazione 40 a cui impartisce una velocità angolare d’uscita M.

La macchina elettrica secondo l’invenzione à ̈ stata ideata per eliminare le fluttuazioni di coppia ed i disturbi originati a carichi variabili agenti su di un motore meccanico.

Questa macchina incrementa la coppia applicata in uscita riducendo la velocità in ingresso, cioà ̈ adattando la coppia prodotta a quella richiesta dal carico corrente.

Allo stesso tempo, la potenza meccanica viene convertita; una coppia viene generata in funzione della coppia generata dal motore primo. La potenza meccanica viene trasmessa direttamente dal motore primo al carico finale senza alcuna conversione.

Questa trasmissione diretta consente il mantenimento del dimensionamento della macchina in funzione della potenza meccanica trasmessa.

Solo una parte della potenza in ingresso sarà convertita in funzione del rapporto di trasmissione, cioà ̈ della differenza in termini di coppia/velocità introdotta tra l’asse d’ingresso e l’asse d’uscita.

Lo schema di flusso di potenza à ̈ descritto con riferimento alla figura 6.

Un motore meccanico immetterà nel sistema di trasmissione una potenza meccanica con un prefissato punto di lavoro, cioà ̈ a coppia ( e velocità) costante per ottimizzare le prestazioni del motore, principalmente l’erogazione di potenza.

La potenza disponibile in uscita sarà disponibile in termini di vari punti di lavoro coppia/velocità a patto che il prodotto (cioà ̈ la potenza) rimanga costante.

Per ottenere questo obiettivo, la macchina dell’invenzione sfrutta un’efficienza elettromeccanica alta e costante attraverso l’intero intervallo di valori di velocità d’uscita M previsti e delle rispettive coppie.

Precisamente, lo scambio di potenza può essere ben interpretato in riferimento alla macchina dell’invenzione dotata di un asse d’ingresso collegato al rotore, di un asse d’uscita collegato al metarotore e di un asse a comando elettrico bidirezionale interposto tra di due assi suddetti.

Con riferimento al sistema di trasmissione dell’invenzione, l’asse d’ingresso à ̈ collegato al motore primo (motore meccanico) 50, l’asse d’uscita à ̈ collegato ai mezzi di rotazione 40 e l’asse a comando elettrico bidirezionale à ̈ comandato dall’inverter 60 comandato dall’elaboratore 100.

Un effetto tecnico garantito dal motore elettrico dell’invenzione à ̈ il risparmio di potenza garantito reso possibile dal passaggio da un intervallo di funzionamento unico a due sotto intervalli di funzionamento corrispondenti a tre modalità di funzionamento:

• I)(fig. 7, 8, 9, 10, 11): funzionamento in cascata, in cui M < S < R;

• II) (fig. 12, 13, 14, 15, 16): funzionamento in sovralimentazione (“overdrive†) in cui M > S > R;

• III) (fig. 17, 17a, 17b, 17c, 17d): passaggio dalla modalità I a II e viceversa.

In altre parole, l’unità di elaborazione 100 comanda l’inverter 60 in funzione dei valori delle velocità di rotazione M e R per determinare un passaggio da un intervallo di funzionamento unico a due sotto-intervalli di funzionamento corrispondenti alle due modalità di funzionamento.

In altre parole ancora, l'elaboratore 100 comanda l'inverter 60 in funzione di correnti e fasi di alimentazione, velocità e posizione del metarotore 30 e rotore 20 per determinare un passaggio da un intervallo di funzionamento unico a due sotto-intervalli di funzionamento corrispondenti alle due modalità di funzionamento.

Alla luce di quanto sopra, verranno qui di seguito descritte, in modo esemplificativo e pertanto non limitativo, le due possibili modalità di funzionamento della macchina 1 secondo l’invenzione.

La prima modalità di funzionamento I prevede che venga imposta una velocità della pulsazione elettrica (o di sincronismo) inferiore a quella di rotore, mentre il metarotore 30 ruota ad una velocità M inferiore ad entrambe le velocità statorica S e rotorica R.

In altre parole, vale la relazione M < S< R, con particolare riferimento alla figura 7.

Questa modalità di funzionamento comporta quindi l’instaurazione di due macchine asincrone in cascata. La macchina radialmente più esterna à ̈ formata dallo statore 10 e dal metarotore 30, e funge da motore. La macchina radialmente più interna à ̈ formata dal metarotore 30 e dal rotore 20 e causa una sottrazione di velocità.

La caratteristica di potenza meccanica in ingresso viene trasformata. La differenza di velocità genera potenza elettrica presso il secondo traferro TRmr e serve ad alimentare la maggiore coppia erogata al primo traferro TRsm.

La prima modalità di funzionamento I può essere spiegata in riferimento a due possibili casi:

• I.1:M=0, cioà ̈ metarotore bloccato (fig.8 e 9).

Ne consegue che M < S < R.

• I.2: 0< M < S << R , cioà ̈ metarotore in movimento (fig.10 e 11).

Caso I.1

La dimostrazione della possibilita di funzionamento della macchina dell'invenzione nel primo caso I.1 e ́ fornita tramite i Diagrammi Fasoriali delle tensioni, correnti e flussi attivi nella macchina ai due traferri. Questa modalita ́ funzionale instaura due macchine asincrone in cascata, in cui la piu ́ esterna opera come motore, aggiungendo coppia, e la piu ́ interna come generatore, sottraendo velocità.

La caratteristica di potenza meccanica Pin all ́ingresso viene trasformata, il salto di velocita ́ genera potenza elettrica al Traferro TrMRche serve ad alimentare la maggiore coppia erogata al Traferro TrSM.

Al fine di rendere il funzionamento piu ́comprensibile si inizia col dimostrare la situazione di Metarotore fermo. Questa situazione e ́ pienamente rappresentativa della condizione di partenza da fermo o di "spunto" contro un carico rappresentato dalla "resistenza di primo distacco". In questo caso la coppia deve essere la massima in assoluto erogabile dalla macchina anche se la potenza istantanea puo ́anche superare la potenza media richiesta.

Il primo diagramma (fig. 8) rappresenta la situazione al traferro Statore/Metarotore.

Da questo, si deriva il diagramma fasoriale al traferro Metarotore/Rotore (fig.9) dove l ́effetto della maglia incrociata e ́ riportato come ribaltamento di 180<0>del flusso MR.

L ́anello disegnato nella figura 8 dimostra il luogo dei punti sui quali la corrente di Metarotore puo ́ trovarsi, dipendendo dallo scorrimento.

Poiche ́ in questo caso lo scorrimento da motore e ́ al suo massimo la IM0assume la posizione a maggiore sfasamento.

L ́anello disegnato nella figura 9 serve a mostrare il luogo dei punti sui quali la corrente di Rotore puo ́ trovarsi, dipendendo dallo scorrimento.

Questo scorrimento e ́modificabile controllando la frequenza della pulsazione di Statore in relazione alla velocita ́ di Motore Primo.

Seguendo il verso della freccia la fase della corrente di Rotore rifasa sempre meglio la corrente IMrisultante, che abbandona la posizione piu ́ estrema IM0e si porta in una posizione piu vantaggiosa per la generazione di coppia in relazione con il fasore di flusso di Statore. Come si puo ́vedere dalla figura cio ́si ottiene incrementando lo scorrimento, cioe ́ diminuendo la pulsazione di Statore rispetto alla velocita ́di Rotore (la velocita ́del Metarotore, anche se interposto, non conta).

Quindi la condizione piu ́vantaggiosa risulta 0 = M < S << R.

Infine à ̈ rappresentato, nella condizione di coppia ottimale un diagramma vettoriale completo dei soli flussi al Rotore/Metarotore e allo Statore/metarotore, per dimostrare che le coppie generate sono funzionali agli scopi indicati.

Nel traferro più interno il Rotore trascina ii metarotore mentre nel traferro piu’esterno lo statore trascina ii metarotore come e’ evidenziato dal verso delle coppie generate ai due Traferri.

Quindi teoricamente e qualitativamente l’architettura proposta funziona allo spunto e tramite un’opportuno vàlore di scorrimento può ottimizzare ii rendimento generale della conversione meccanico-elettricomeccanico.

Caso I.2

Risulta più semplice ora derivare il funzionamento a metarotore in movimento.

Con riferimento alle figure 10 e 11, il flusso che si instaura nel metarotore à ̈ leggermente in ritardo con il fasore della corrente di metarotore come avveniva nel caso precedente.

Quindi i flussi nei due traferri non sono più in fase, ma sono ruotati di un angolo positivo in funzione dello scorrimento al traferro statore/metarotore;

Dal punto di vista della coppia prodotta ai due traferri la situazione à ̈ sicuramente più vantaggiosa della precedente e questo non e’ in accordo con la stabilità di funzionamento.

Questa stabilità à ̈ dimostrata solo se alla diminuzione di velocità del metarotore corrisponde un aumento della coppia esercitata sul metarotore.

La figura chiaramente mostra che questo non si raggiunge in maniera automatica perché ad un aumento dello scorrimento del metarotore corrisponde un aumento dello sfasamento della corrente di metarotore rispetto a quella di statore con conseguente diminuzione di coppia. Il funzionamento desiderato si può ottenere diminuendo la pulsazione allo Statore: questa, da un lato, diminuisce il valore di scorrimento del metarotore (non molto efficace quando la velocità approssima lo zero), ma soprattutto aumenta lo scorrimento al rotore con conseguente maggior rifasamento della corrente di rotore IRe quindi anche della corrente di metarotore IM.

Quindi e’ necessario che l’elaboratore 100 sia in grado di variare la frequenza dell’inverter 60 in maniera direttamente proporzionale alla velocità di metarotore M.

Per far ciò, l’elaboratore 100 à ̈ configurato per ricevere il valore di velocità M del metarotore tramite il secondo sensore S2 di velocità già descritto, installato sull’asse d’uscita del metarotore.

La seconda modalità di funzionamento II prevede che venga imposta una velocità di pulsazione elettrica (o di sincronismo) superiore a quella di rotore, mentre il metarotore 30 ha una velocità di rotazione superiore ad entrambe le velocità statorica e rotorica.

In altre parole, vale la relazione R < S < M, con particolare riferimento alla figura 12.

La dimostrazione della possibilità di funzionamento della macchina in questa modalità à ̈ fornita tramite i diagrammi fasoriali delle tensioni, correnti e flussi attivi nella macchina ai due traferri.

Questa modalità funzionale instaura due macchine asincrone in cascata; la più esterna opera come generatore, sottraendo coppia, ed la più interna come motore, aggiungendo velocità.

La caratteristica di potenza meccanica Pin all’ingresso viene trasformata tramite riduzione di coppia che genera potenza elettrica at Traferro TRsm che serve ad alimentare la maggiore velocità erogata al Traferro TRmr.

La seconda modalità di funzionamento II può essere spiegata in riferimento a due possibili casi:

• II.1:M= , cioà ̈ metarotore a velocità infinita (fig.13 e 14).

Ne consegue che R << S < M = ;

• II.2: funzionamento ad elevato scorrimento (fig.15 e 16).

Ne consegue che R < S < M < .

Caso II.1

Nel funzionamento da motore nel traferro TRmr instaura una coppia che agendo dal metarotore crea sempre coppia resistente verso il Rotore.

La coppia meccanica trasmessa dal metarotore al rotore consente un trasferimento di potenza meccanica direttamente all’asse d’uscita senza conversione in potenza elettrica.

In fig. 13 à ̈ rappresentato il diagramma vettoriale completo dei due traferri quando la velocità angolare R del Rotore à ̈ inferiore alla velocità angolare elettrica S della pulsazione applicata alto Statore.

In fig. 13 Ã ̈ rappresentato il diagramma vettoriale dei soli flussi risultanti per evidenziare il verso delle coppie generate ai due Traferri.

Per spiegare meglio il funzionamento comprensibile si inizia col dimostrare la situazione di Metarotore in fuga a velocità infinita. Questa situazione e pienamente rappresentativa della condizione di coppia resistente nulla contro un carico “negativo†(trazione in discesa). In questo caso la velocità deve essere la massima consentita erogabile dalla macchina.

La figura 13 rappresenta la situazione al traferro Statore/Metarotore.

Da questa, si deriva la figura 14 che mostra il diagramma fasoriale al traferro Metarotore/rotore dove l’effetto della maglia incrociata e’ riportato con ribaltamento di 180° del flusso MR.

L’anello disegnato nella figura 13 mostra il luogo dei punti sui quali la corrente di Metarotore può trovarsi, dipendendo dallo scorrimento. Poiché, in questo caso lo scorrimento da generatore e’ al suo massimo, la IMOassume la posizione a maggiore sfasamento.

L’anello disegnato nella figura 14 serve a mostrare il luogo dei punti sui quali la corrente di Rotore può trovarsi, dipendendo dallo scorrimento.

Questo scorrimento e’modificabile controllando la frequenza della pulsazione di Statore in relazione alla velocità di motore primo. Seguendo il verso della freccia la fase della corrente di Rotore rifasa la corrente IM risultante, che abbandona la posizione più estrema IMOe Si porta in una posizione più vantaggiosa per la generazione di potenza elettrica in relazione con il fasore di flusso di Statore.

Come si può vedere dalla figura ciò si ottiene incrementando lo scorrimento, cioà ̈ aumentando la pulsazione di Statore rispetto alla velocità di Rotore (la velocità del Metarotore, anche se interposto, non conta).

Quindi la condizione più vantaggiosa risulta essere R << S < M = .

Infine e’rappresentato, nella condizione di coppia ottimale un diagramma vettoriale completo dei soli flussi al Rotore/Metarotore e allo Statore/Metarotore, per dimostrare che le coppie generate sono funzionali agli scopi indicati.

Nel traferro più interno il rotore spinge il metarotore mentre nel traferro più esterno lo statore frena il metarotore come à ̈ evidenziato dal verso delle coppie generate ai due traferri.

Quindi, teoricamente e qualitativamente l’architettura proposta funziona a carico nullo e velocità d’uscita elevata.

Tramite un opportuno valore di scorrimento si può ottimizzare il rendimento generale della conversione meccanico-elettrico-meccanico.

CASO II.2

Risulta più semplice ora derivare il funzionamento del metarotore a velocità realistica.

Il flusso che si instaura nel metarotore à ̈ leggermente in ritardo con il fasore della corrente di rotore come avveniva nel caso precedente.

Quindi flussi nei due traferri non sono più in fase ma sono ruotati di un angolo negativo funzione dello scorrimento al traferro statore/metarotore;

Da punto di vista della coppia prodotta ai due traferri, la situazione à ̈ sicuramente più vantaggiosa della precedente e ciò à ̈ in linea con il requisito di stabilità di funzionamento.

Questa si raggiunge se, alla diminuzione di velocità del Rotore corrisponde un aumento della coppia esercitata sul Metarotore.

Dalle figura 15, 16 si dimostra the questo e’ vero perchà ̈ ad un aumento della velocità (e dello scorrimento) del metarotore corrisponde un aumento dello sfasamento della corrente di metarotore rispetto a quella di statore con conseguente diminuzione di coppia. Il funzionamento desiderato à ̈ quindi già raggiunto in maniera naturale.

Quindi e necessario che il Controller, in overdrive†mantenga ad un valore constante la frequenza dell’Inverter. Questo valore dovrà essere determinato in accordo con la richiesta di coppia nel tratto di “Overdrive†.

In altre parole, l’elaboratore 100 à ̈ configurato per controllare l’inverter 60 per mantenere ad un valore costante la frequenza di tale inverter 60; il valore della frequenza à ̈ determinato in accordo con la richiesta di coppia nella seconda modalità di funzionamento.

La terza modalità di funzionamento III prevede il passaggio dalla modalità I a II e viceversa (fig. 17, 17a, 17b, 17c, 17d).

Nella macchina elettrica dell’invenzione, l’elaboratore 100 à ̈ configurato per controllare l’inverter 60 in funzione dei valori della velocità di rotazione M del metarotore e delle velocità di rotazione R del rotore per determinare un passaggio tra la prima modalità di funzionamento I e la seconda modalità di funzionamento II.

Fino ad ora sono state descritte due modalità di funzionamento che presentano una discontinuità alla velocità di sincronismo.

Infatti a questa velocità non e’ possibile trasmetter coppia e la macchina cessa di funzionare.

Per ovviare a questo inconveniente la macchina implementa una funzionalità particolare o manovra che consente il passaggio della velocità di metarotore attraverso questa discontinuità.

Ciò comporta l’inversione della relazione tra la velocità di rotore e la velocità di sincronismo.

Tutto e’ controllato in funzione della curva (che ipotizziamo retta) di carico.

Quando la coppia resistente e’ superiore alla coppia erogata (erogabile) dal Motore primo nel suo Punto di Lavoro prescelto, la macchina funziona “in cascata†cioà ̈ la velocità di Rotore e’ superiore alla velocità di sincronismo; quando la coppia resistente e inferiore, la macchina funziona “in overdrive†.

Se il Metarotore raggiunge il sincronismo la macchina cessa di erogare coppia all’asse d’uscita, ragion per cui questa situazione va saltata.

Ciò si ottiene con due distinte azioni:

1. la prima à ̈ una leggera diminuzione di velocità del Motore Primo (fig. 17c);

2. la seconda à ̈ un leggero incremento della pulsazione che sposta verso l’alto la velocità di sincronismo (fig. 17d).

In altre parole, l’elaboratore 100 à ̈ configurato per realizzare detto passaggio dalla prima modalità di funzionamento (I) a detta seconda modalità di funzionamento (II) effettuando:

• Una rilevazione della velocità del rotore (10) tramite il primo sensore (S1) ;

• Un confronto del valore letto con il valore di sincronismo.

• Nel caso la velocità di rotore sia maggiore della velocità di sincronismo,

o lieve diminuzione di velocità di rotore ( R); o lieve incremento della pulsazione che alza la velocità di sincronismo.

Quando la retta di carico porta il punto di lavoro troppo a ridosso della velocità di sincronismo, deve essere aumentata la pulsazione applicata allo statore per evitare lo stallo.

La velocità di sincronismo, portata oltre la velocità di rotore genera una nuova situazione.

Sul Traferro Rotore/Metarotore si instaura un motore al posto del generatore; la coppia generata precedentemente al traferro di Statore deve essere sostenuta tutta dalla Batteria per breve periodo; la coppia sostenuta dal Motore Primo cresce e quindi il Rotore rallenta, mentre Il Metarotore accelera.

Quando la velocità di Metarotore e’ sufficientemente maggiore della velocità di Rotore, la pulsazione di sincronismo deve essere ridotta al fine di portare la velocità di sincronismo tra le due velocità di Rotore e Metarotore.

Ciò crea una situazione stabile di funzionamento “in overdrive†.

Una possibile applicazione della macchina 1 in accordo con il presente trovato à ̈ nella trazione di veicoli con sistema ibrido termico-elettrico.

Il trovato descrive anche un sistema di trazione che sfrutta la macchina elettrica sopra descritta.

Il sistema di trazione, secondo il trovato, comprende:

• organi di movimento 50, ad esempio un motore termico o motore primo,

• mezzi di rotazione 40, ad esempio ruote,

• la macchina elettrica dell’invenzione, come descritta, interposta tra gli organi di movimento 50 ed i mezzi di rotazione 40.

Questa applicazione dell’invenzione, come mostrato in figura 5, ha il vantaggio di semplificare sia la parte elettrica, sia la parte meccanica sostituendosi al tradizionale cambio meccanico/frizione o cambio automatico.

Ritornando, ora alla descrizione del concetto generale dell’invenzione, la macchina 1, nell’architettura mostrata, può svolgere anche i compiti di motore di avviamento e/o di motore secondario di trazione utilizzando la potenza elettrica erogata da una batteria.

Inoltre, controllando opportunamente la potenza di magnetizzazione sviluppata nella macchina 1 Ã ̈ possibile svolgere la funzione di frizione in maniera sostanzialmente automatica.

Va notato che, ogniqualvolta il bilancio tra la potenza erogata dal motore termico e la potenza erogata alle ruote del veicolo dovesse essere positivo, Ã ̈ possibile impiegare la potenza in eccesso per ricaricare la citata batteria.

Vantaggiosamente, l’elaboratore che sovrintende il controllo della macchina 1 può essere costituito dalla centralina elettronica che controlla il motore termico. Con riferimento all’applicazione qui sopra descritta, va notato che i motori termici non sono sufficientemente flessibili per seguire in maniera idonea le variazioni di carico a cui à ̈ sottoposto un veicolo durante il suo esercizio.

Per questo attualmente tutti i veicoli con motore a scoppio installano almeno altri due dispositivi che permettono di risolvere il problema: uno à ̈ la frizione, e l’altro à ̈ il cambio.

Questi due dispositivi permettono un adattamento delle caratteristiche del motore alle caratteristiche di carico.

Quindi, i veicoli presentano da questo punto di vista una notevole complessità, che tuttavia non à ̈ percepita in maniera sostanziale dagli utilizzatori, poiché i dispositivi citati sono stati adottati fin dai primi autoveicoli e sono stati poi soggetti ad un lunghissimo processo di miglioramento.

Dal momento che non sono ad oggi disponibili altre soluzioni, questo tipo di complessità à ̈ attualmente sopportata e considerata normale; un effetto macroscopico à ̈ però rilevabile in termini di costi finali delle automobile, e dei veicoli in generale.

I veicoli elettrici sono caratterizzati da una maggiore semplicità; ad esempio, vi sono alcuni veicoli (p.e. tram) che, pur essendo ormai vetusti, operano ancora in maniera soddisfacente, poiché dotati di motore elettrico. Quest’ultimo infatti à ̈ molto più versatile nei confronti di richieste di trazione, presenta una limitata inclinazione all’usura ed un’elevata affidabilità.

Con specifico riferimento alle automobili elettriche, queste ultime presentano un sostanziale problema relativo al fatto che l’energia accumulabile in una batteria à ̈ ancora non sufficiente, e non può quindi garantire percorrenze soddisfacenti.

Una prima soluzione à ̈ rappresentata dalle auto ibride, che riescono a combinare i vantaggi del motore a scoppio (alimentato da carburante) a quelli del motore elettrico.

Anche in questo caso, tuttavia, le architetture risultano oltremodo complesse, dal momento che ad una intera struttura meccanica viene aggiunta un’intera struttura elettrica.

La soluzione qui descritta e rivendicata permette di alleggerire la struttura meccanica aggiungendo una semplice struttura elettrica.

Un'altra possibile applicazione della macchina 1, in accordo con la presente invenzione, riguarda una possibile protezione dei generatori sincroni nella generazione di energia elettrica in centrale.

I generatori sincroni, se sottoposti ad eccessivo carico della rete, tendono a slittare e superare l'angolo di coppia massimo di funzionamento. Ciò viene, di norma, compensato da una crescita di corrente di eccitazione del rotore. Quando tale corrente ha raggiunto, però, il suo valore massimo e nessuna compensazione à ̈ più possibile, l'angolo di coppia scivola e supera il massimo valore di 90°. Il generatore entra in una fase di oscillazione con seri problemi elettrici, meccanici e di sicurezza.

L'invenzione, come descritta, può essere interposta tra l'asse d'ingresso, cioà ̈ l'asse di una turbina, e l'asse del generatore sincrono garantendo il disaccoppiamento meccanico tra asse elettrico del sincrono ed asse meccanico d'ingresso rendendo possibile uno slittamento del generatore sincrono, ed impedendo che il rotore vada in oscillazione e si sganci dalla rete.

La macchina oggetto della presente invenzione può altresì operare in modalità “rigenerativa†, cioà ̈ convertendo la potenza persa in scivolamento direttamente in potenza elettrica, che può essere poi restituita alla rete.

Claims (14)

1. RIVENDICAZIONI 1. Macchina elettrica comprendente: - uno statore (10) avente conformazione sostanzialmente cilindrica e sviluppantesi lungo un asse longitudinale (X); - un rotore (20) avente conformazione sostanzialmente cilindrica e movimentabile in rotazione intorno a detto asse longitudinale (X); - un metarotore (30), radialmente interposto tra detto statore (10) e detto rotore (20) e movimentabile in rotazione intorno a detto asse longitudinale (X); in cui detto metarotore (30) presenta una conformazione sostanzialmente cilindrica, avente una porzione radialmente interna (31) ed una porzione radialmente esterna (32) separate da una zona di separazione (33), detto metarotore (30) comprendendo almeno un filo (34) elettricamente conduttivo comprendente una pluralità di porzioni (35) contigue ciascuna comprendente in successione: un primo tratto (35a) sviluppantesi sulla superficie radialmente esterna di detta porzione radialmente esterna (32) parallelamente a detto asse longitudinale (X); un secondo tratto (35b) sviluppantesi in detta zona di separazione (33) parallelamente a detto asse longitudinale (X); un terzo tratto (35c) sviluppantesi sulla superficie radialmente interna di detta porzione radialmente interna (31) parallelamente a detto asse longitudinale (X).
2. 2. Macchina elettrica secondo la rivendicazione 1 in cui ciascuna delle porzioni (35) di detto filo (34) comprende inoltre un quarto tratto (35d) successivo a detto terzo tratto (35c) e sviluppantesi in detta zona di separazione (33) parallelamente a detto asse longitudinale (X).
3. 3. Macchina elettrica secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti in cui ciascuna porzione (35) di detto filo (34) comprende inoltre tratti di raccordo (36a-36b) per collegare detto primo tratto (35a) a detto secondo tratto (35b), detto secondo tratto (35b) a detto terzo tratto (35c) e, preferibilmente, detto terzo tratto (35c) a detto quarto tratto (35d).
4. 4. Macchina elettrica secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti in cui detto statore (10) si sviluppa radialmente esternamente al metarotore (30,30a) ed al rotore (20,20a), mentre il rotore (20,20a) si sviluppa radialmente almeno parzialmente internamente rispetto al metarotore (30,30a).
5. 5. Macchina elettrica secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti comprendente un primo traferro (TRsm) tra lo statore (10) ed il metarotore (30), ed un secondo traferro (TRmr) tra il metarotore (30) ed il rotore (20,20a).
6. 6. Macchina elettrica secondo la rivendicazione 5 comprendente un un terzo traferro (TRrs) tra il rotore (20a) e lo statore (10).
7. 7. Macchina elettrica secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti in cui detta zona di separazione (33) presenta una pluralità di coppie di fori passanti (33a, 33b), ciascun foro passante (33a, 33b) essendo disposto parallelamente a detto asse longitudinale (X), ciascuna di dette coppie di fori passanti (33a, 33b) alloggiando un secondo tratto (35b) e preferibilmente un quarto tratto (35d) di una rispettiva delle porzioni (35) di detto filo (34) elettricamente conduttivo.
8. 8. Macchina elettrica secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti comprendente un elaboratore (100) à ̈ associato a: • un primo sensore (S1) configurato per rilevare un parametro rappresentativo della velocità angolare R del rotore (20), • un secondo sensore (S2) configurato per rilevare un parametro rappresentativo della velocità angolare M del metarotore (30). detti primo (S1) e secondo (S2) sensore essendo impiegati per attuare un controllo coordinato sul rotore (20) e sul metarotore (30).
9. 9. Macchina elettrica secondo la rivendicazione precedente comprendente un inverter (60) controllato da detto elaboratore (100).
10. 10. Macchina elettrica secondo la rivendicazione 9 in cui detto elaboratore (100) à ̈ configurato per controllare detto inverter (60) in funzione dei valori delle velocità di rotazione di metarotore( M) e rotore ( R) per determinare un passaggio da un intervallo di funzionamento unico a due sotto-intervalli di funzionamento corrispondenti a due modalità di funzionamento: • prima modalità di funzionamento (I) in cui detta velocità di rotazione di metarotore ( M) à ̈ minore della velocità di rotazione di rotore ( R); • seconda modalità di funzionamento (II) in cui detta velocità di rotazione di metarotore ( M) à ̈ maggiore della velocità di rotazione di rotore ( R).
11. 11. Macchina elettrica secondo la rivendicazione 10 in cui, in detta prima modalità di funzionamento (I), detta unità di elaborazione (100) à ̈ configurata per controllare detto inverter (60) per variare la frequenza di detto inverter (60) in modo direttamente proporzionale a detta velocità di metarotore ( R).
12. 12. Macchina elettrica secondo la rivendicazione 10 in cui, in detta seconda modalità di funzionamento (II), detto elaboratore (100) à ̈ configurato per controllare detto inverter (60) per mantenere and un valore costante la frequenza di detto inverter (60), dove il valore della frequenza à ̈ determinato in accordo con la richiesta di coppia in detta seconda modalità di funzionamento.
13. 13. Macchina elettrica secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 10 a 12 in cui detta unità di elaborazione (100) à ̈ configurata per controllare detto inverter (60) in funzione dei valori delle velocità di rotazione ( M) del metarotore (30)e della velocità di rotazione ( R) del rotore (10) per determinare un passaggio tra detta prima modalità di funzionamento (I) e detta seconda modalità di funzionamento (II).
14. 14. Macchina elettrica secondo la rivendicazione 13 in cui detto elaboratore (100) à ̈ configurato per realizzare detto passaggio da detta prima modalità di funzionamento (I) a detta seconda modalità di funzionamento (II) effettuando: • una rilevazione della velocità del rotore (10) tramite il primo sensore (S1) ; • un confronto del valore letto con il valore di sincronismo; • in caso la velocità di rotore sia maggiore della velocità di sincronismo o diminuire lievemente la velocità di rotore ( R); o incrementare lievemente la pulsazione per incrementare la velocità di sincronismo. 15. sistema di trazione comprendente: • organi di movimento (50); • mezzi di rotazione (40) configurati per essere mossi da detti organi di movimento (50), • la macchina elettrica secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 13 interposta tra gli organi di movimento (50) ed i mezzi di rotazione (40).