ITMI20121606A1 - Metodo per fabbricare un rotore per motori elettrici e rotore realizzato con tale metodo - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

“Metodo per fabbricare un rotore per motori elettrici e rotore realizzato con tale metodoâ€

CAMPO DI APPLICAZIONE

La presente invenzione ha per oggetto un metodo per fabbricare un rotore per un motore elettrico.

Più in particolare, la presente invenzione ha per oggetto un metodo per fabbricare un rotore per un motore elettrico sincrono ad alta velocità periferica a magneti permanenti.

La presente invenzione ha, altresì, per oggetto un rotore fabbricato con il suddetto metodo.

TECNICA NOTA

Come à ̈ ben noto, in elettrotecnica, si definisce con il termine “rotore†l'albero motore di un motore elettrico.

Il rotore, in una macchina avente parti in movimento, à ̈ l'insieme delle parti rotanti contrapposto allo statore che à ̈ la parte fissa.

Sul rotore ferromagnetico di una macchina elettrica soggetta ad un campo magnetico variabile si inducono delle correnti parassite, nello specifico si inducono correnti di circolazione superficiali proporzionali alle dimensioni del rotore ed al quadrato della frequenza, quindi, alla velocità di rotazione del rotore.

In un motore a magneti permanenti le correnti parassite che circolano sul rotore costituito da materiali ferromagnetici conducono al riscaldamento (anche locale) del materiale magnetico che costituisce i poli, in quanto i magneti sono un continuo elettricamente conduttivo.

Solitamente il calore presente sul rotore viene asportato grazie ad un fluido (a circolazione naturale o forzata) che lambisce le parti in movimento, assicurando la temperatura del rotore entro un certo limite. All’aumentare della velocità le correnti superficiali che interessano il magnete sono rilevanti e comportano perdite energetiche importanti ed un aumento della temperatura del magnete, considerando anche che all’aumentare della velocità di rotazione il raffreddamento del rotore diviene man mano più difficile.

In questa condizione à ̈ possibile che si raggiunga la temperatura per cui il flusso di induzione magnetica tende a zero, impedendo il corretto funzionamento della macchina elettrica; in altre parole, la macchina elettrica comincia a perdere efficienza fino a fermarsi.

Se la temperatura aumenta oltre la cosiddetta temperatura di Curie, il surriscaldamento può condurre alla perdita delle caratteristiche tipiche dei materiali magnetici che diventano, di conseguenza, paramagnetici; in altre parole perdono permanentemente le loro caratteristiche magnetiche.

E’ possibile ridurre le correnti di circolazione (quindi le perdite per dissipazione) utilizzando dei magneti laminati o isolati fra loro.

Sfortunatamente, questa soluzione non à ̈ esente da difficoltà realizzative Infatti, il rotore prodotto con i magneti laminati isolati non à ̈ omogeneo sotto il profilo della densità massica.

In applicazioni ad alta velocità, cioà ̈ tra, tipicamente, 10.000 giri/minuto e 300.000 giri/minuto, ciò determina un funzionamento non ottimale con perdite elevate e bassa resa che ne rendono improponibile l’utilizzo.

Il problema tecnico à ̈ realizzare un rotore magnetico omogeneo che mantenga la propria caratteristica di omogeneità anche ad elevate velocità, riducendo nel contempo le correnti parassite, in modo da risolvere i problemi della tecnica nota.

SOMMARIO DELL’INVENZIONE

La presente invenzione fornisce un metodo di realizzazione di rotore per motori elettrici comprendente le fasi di: prevedere un’anima centrale con una predeterminata sezione trasversale; prevedere una pluralità di dischi ferromagnetici aventi un foro sagomato in modo complementare alla sezione trasversale dell’anima centrale; impilare detti dischi ferromagnetici attorno a detta anima centrale, formando così una struttura cilindrica con cavità longitudinale in cui detta cavità longitudinale à ̈ formata da detti fori dei dischi ferromagnetici impilati; bloccare solidalmente assieme detti dischi impilati; e rimuovere l’anima centrale.

Preferibilmente viene prevista una fase di rettificare la superficie laterale esterna di detta struttura cilindrica per eliminare discontinuità tra detti dischi ferromagnetici in corrispondenza di profili di contatto circonferenziali esterni di rispettive coppie di superfici di base.

Preferibilmente à ̈ anche prevista una fase di rettifica della superficie della cavità longitudinale di detta struttura cilindrica per eliminare discontinuità tra detti dischi ferromagnetici in corrispondenza di profili di contatto circonferenziali interni di dette rispettive superfici di base.

In forme di realizzazione viene prevista una fase di compressione longitudinale detti dischi ferromagnetici per ridurre gli interspazi tra i detti dischi.

L’anima centrale può essere in acetato di vinile o in polivinil acetato. La fase di rimozione dell’anima centrale potrebbe prevedere la fase di sciogliere detta anima in un fluido solvente, ad esempio etere.

L’anima centrale potrebbe essere, vantaggiosamente, nella forma di un foglio avvolto a formare un’anima sostanzialmente cilindrica.

Il metodo può comprendere anche la fase di frapporre uno strato isolante tra due dischi impilati consecutivi. Lo strato isolante può essere ad esempio uno strato di materiale adesivo.

Secondo forme di realizzazione, viene prevista una fase di predisporre un riferimento di impilamento su ognuno dei dischi ferromagnetici e/o sull’anima centrale per impilare i dischi ferromagnetici secondo una direzione di magnetizzazione prestabilita.

Secondo forme di realizzazione, almeno uno dei dischi ferromagnetici comprende polveri magnetiche isolate tra loro.

Secondo un altro aspetto la presente invenzione riguarda un rotore fabbricato secondo il metodo descritto sopra.

La rettifica esterna ed interna, resa possibile dal metodo dell’invenzione, consente la realizzazione di un rotore omogeneo che si presenta come un magnete tubolare omogeneo ma con perdite per correnti parassite molto più contenute.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

− La fig. 1 mostra un elemento associato al rotore in una fase del metodo dell’invenzione.

− La fig.2 mostra un rotore in una fase del metodo dell’invenzione.

− Le fig. 3 e 4 mostrano rispettivamente una vista laterale ed in pianta del rotore in una fase successiva del metodo dell’invenzione.

− La fig. 5 mostra in vista prospettica il rotore ottenuto con il metodo dell’invenzione.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA

In macchine elettriche sincrone ad alta velocità, cioà ̈ tra circa 10.000 giri/minuto e 300.000 giri al minuto, in particolare brushless, il rotore deve avere caratteristiche specifiche che ne consentano un funzionamento affidabile.

Infatti, difetti che in macchine elettriche a bassa velocità possono essere considerati trascurabili, quali lievi asimmetrie del rotore o residui di lavorazione sulla superficie laterale del rotore, in macchine elettriche ad alta velocità, possono causare malfunzionamenti gravi o danni irreparabili. Ad esempio, uno sbilanciamento di 1 mg di sulla superficie del rotore, che determina una seppur lieve asimmetria dello stesso, può causare un funzionamento non efficiente della macchina rendendo impossibile il raggiungimento delle alte velocità richieste.

Un rotore a magneti permanenti, secondo l’invenzione à ̈ realizzato impilando dischi ferromagnetici attraverso l’uso di un’anima centrale (o mandrino) per realizzare una struttura cilindrica cava che costituisce il rotore stesso; una compressione di tali dischi, e una rettifica delle superfici esterna ed interna di tale struttura cilindrica, consentono di generare un rotore omogeneo ed assial-simmetrico.

Con particolare riferimento alle figure, in figura 1 à ̈ mostrato un mandrino 11 (anche chiamato “anima centrale†nelle rivendicazioni) predisposto in modo da poter essere calzato da elementi opportunamente configurati, ad esempio dischi forati compatibili per dimensione del foro con il diametro del suddetto mandrino 11.

Il mandrino 11 Ã ̈ preferibilmente associato ad una base 10 configurata per mantenere in posizione eretta il mandrino stesso.

Il mandrino 11 e, conseguentemente, una fase di predisposizione dello stesso secondo l’invenzione, à ̈ mostrato In fig.1.

In fig. 2 Ã ̈ mostrato un disco ferromagnetico 20 comprendente un foro passante 24 in corrispondenza del proprio centro.

Per la realizzazione del rotore 1 dell’invenzione, una pluralità di dischi ferromagnetici 20, indicati nelle successive figure con gli identificativi 20a, 20b, 20c, 20d, viene predisposta per una successiva utilizzazione.

Secondo l’invenzione il foro 24 ha diametro compatibile con la sezione del mandrino 11 in modo che i dischi ferromagnetici possano essere calzati sul mandrino.

Con particolare riferimento alle figure 3, 4 e 5, i dischi ferromagnetici 20a, 20b, 20c, 20d vengono calzati sul mandrino 11 con ciò determinando una struttura cilindrica con cavità 12; la cavità 12 à ̈ formata dall’accostamento longitudinale dei suddetti singoli fori 24.

In altre parole, lamierini di materiale ferromagnetico vengono disposti attorno al mandrino 11 a la struttura cilindrica del rotore 1.

Nelle applicazioni ad alta velocità, gli obiettivi identificati sono la dimensione fisica (ingombro) contenuta associata ad una elevata potenza disponibile.

Risulta quindi fondamentale ridurre le perdite dovute a correnti parassite che si generano autonomamente e determinano un decadimento delle prestazioni del motore, fino a determinarne la perdita delle caratteristiche elettromagnetiche.

Per ridurre al minimo le correnti parassite, si cerca di limitare le “richiusure†delle stesse sull’elemento magnetico (rotore).

Vantaggiosamente, secondo l’invenzione, uno strato isolante 21 (fig. 3) viene predisposto tra ogni coppia di dischi ferromagnetici 20a, 20b, 20c, 20d, in modo da evitare la circolazione di correnti parassite tra i dischi.

In riferimento alla figura 3, va notato che lo spessore dello strato isolante 21 à ̈ stato volutamente esagerato per meglio metterlo in evidenza; d’altra parte, la figura non à ̈ in scala in quanto, preferibilmente, lo spessore di tale isolante varia indicativamente tra 2 µm e 6 µm, mentre lo spessore di un disco elettromagnetico varia tra frazioni di mm ed alcuni mm.

Preferibilmente, lo strato isolante 21 à ̈ uno strato di materiale adesivo. Lo strato isolante 21 può essere realizzato con un’opportuna resina, colla o vernice dalle caratteristiche isolanti.

I dischi ferromagnetici 20a, 20b, 20c, 20d predisposti sul mandrino 11 ed isolati tramite lo strato isolante 21 vengono poi compressi per creare una struttura cilindrica in cui à ̈ ridotta al minimo la circolazione di correnti parassite.

In altre parole, il metodo dell’invenzione prevede di incollare i dischi ferromagnetici 20a, 20b, 20c, 20d su di un apposito mandrino per ridurre gli interspazi tra di essi e rendere il rotore risultante il più omogeneo possibile. In forme di realizzazione, il mandrino e/o ogni singolo disco à ̈ dotato di un riferimento. Ad esempio, il mandrino può essere dotato di un dente 25 (mostrato solo in Figura 4) sporgente radialmente verso l’esterno per una certa lunghezza in direzione longitudinale. In modo corrispondente, ogni singolo disco può essere sagomato con un recesso complementare al dente 25. In questo modo tutti i dischi vengono impilati garantendo una stessa e precisa direzione di magnetizzazione.

In altre parole, tale dente 25 consente la disposizione dei dischi ferromagnetici 20a, 20b, 20c, 20d secondo il loro orientamento magnetico (spin); ogni disco ferromagnetico 20a, 20b, 20c, 20d ha infatti una direzione di magnetizzazione preferenziale.

Per rendere il rotore più omogeneo possibile l’invenzione prevede che venga rettificata la superficie laterale esterna 22a, 22b, 22c, 22d della struttura cilindrica 1.

Con particolare riferimento alle figure 3 e 4, preferibilmente la rettifica viene effettuata in corrispondenza di profili di contatto circonferenziali esterni di coppie di superfici di base 41,42; 43,44; 45,46 dei dischi ferromagnetici 20a,20b,20c,20d.

Una volta terminata la fase di rettifica esterna, il mandrino 11 viene rimosso.

In altre parole, la presenza del mandrino 11 ha garantito il posizionamento di dischi ferromagnetici e la loro stabilità durante l’operazione fondamentale di rettifica esterna; terminata la sua funzione, esso può essere rimosso.

La rimozione del mandrino 11 avviene tramite estrazione del mandrino 11 da dalla cavità 12 per fusione dello stesso.

Secondo una preferita forma di realizzazione dell’invenzione, il mandrino 11 à ̈ realizzato in acetato di vinile o in polivinil acetato.

Secondo una preferita forma di realizzazione dell’invenzione, la rimozione del mandrino 11 in acetato avviene tramite immersione dello stesso e del cilindro 1 in un fluido in grado di sciogliere il mandrino. Ad esempio, per l’acetato di vinile ed il polivinil acetato, il mandrino può essere immerso in etere, con conseguente scioglimento del mandrino 11.

Secondo un’ulteriore forma di realizzazione, il mandrino 11 à ̈ realizzato in teflon.

Una volta rimosso il mandrino 11, la superficie della cavità 12 rimane libera e può essere sottoposta a trattamento in un’ottica di rendere anche questa parte più omogenea possibile.

Secondo l’invenzione, mantenendo bloccato il rotore tramite serraggio della superficie laterale esterna, una fase di realizzazione del rotore 1 prevede di rettificare la superficie della cavità 12 della struttura cilindrica 1 per eliminare discontinuità tra detti dischi ferromagnetici 20a, 20b, 20c, 20d. In altre parole, à ̈ prevista una rettifica in corrispondenza di profili di contatto circonferenziali interni delle rispettive superfici di base 41,42; 43,44; 45,46 dei dischi ferromagnetici 20a,20b,20c,20d.

L’effetto raggiunto à ̈ una sostanziale omogeneità sia della cavità 12, quanto della superficie laterale esterna 22a, 22b, 22c, 22d del rotore 1.

La realizzazione del rotore secondo l’invenzione comprende un’ultima fase in cui vengono magnetizzati i dischi ferromagnetici 20a, 20b, 20c, 20d per realizzare un rotore 1 dotato di caratteristiche magnetiche.

A conclusione della procedura di realizzazione di un rotore 1 secondo l’invenzione, il rotore 1 risulta comprendere:

- dischi ferromagnetici 20a, 20b, 20c, 20d magnetizzati;

- strato isolante ed adesivo 21 interposto tra ogni coppia dei dischi. Secondo l’invenzione, i dischi ferromagnetici 20a, 20b, 20c, 20d e lo strato 21 sono configurati per essere compressi, secondo quanto mostrato nel metodo dell’invenzione, e le superficie laterali interna ed esterna sono configurate per essere rettificate in modo da rendere il rotore più omogeneo possibile.

Secondo forme di realizzazione vantaggiose dell’invenzione, il rotore à ̈ costruito con polveri magnetiche isolate tra loro. Ad esempio, possono essere previsti dischi di spessore infinitesimo (dell’ordine di alcuni micron, fino ad alcuni millimetri), composti da strati concentrici di magnete di spessore infinitesimo. In pratica, vantaggiosamente, viene costruito un magnete che ha già intrinsecamente un isolamento tra le polveri.

In conclusione, secondo l’invenzione, l’utilizzo di magneti isolati permette di ridurre le correnti parassite del materiale ferromagnetico e limitare, quindi, le perdite conseguenti. Il processo di laminazione dei magneti mediante l’utilizzo di una colla isolante consente di limitare le correnti di circolazione nei magneti alle alte frequenze (le perdite sono proporzionali alla frequenza) così da ridurre le correnti parassite. La possibilità, introdotta da questa modalità costruttiva, di poter rettificare sia la parte interna che quella esterna del cilindro costituito dalle “rondelle†magnetiche migliora e semplifica la fase di equilibratura del rotore.

L’invenzione, quindi, consegue l’importante vantaggio di realizzare un rotore assial simmetrico ed omogeneo particolarmente adatto per l’applicazione a motori elettrici ad alta velocità.

Claims (11)

1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo per fabbricare un rotore (1) a magneti permanenti comprendente le fasi di: a) prevedere un’anima centrale (11) con una predeterminata sezione trasversale; b) prevedere una pluralità di dischi ferromagnetici (20a, 20b, 20c, 20d) aventi un foro (24) sagomato in modo complementare alla sezione trasversale dell’anima centrale (11); c) impilare detti dischi ferromagnetici (20a, 20b, 20c, 20d) attorno a detta anima centrale (11), formando così una struttura cilindrica con cavità longitudinale (12) in cui detta cavità longitudinale (12) à ̈ formata da detti fori (24) dei dischi ferromagnetici impilati; d) bloccare solidalmente assieme detti dischi impilati; e e) rimuovere l’anima centrale (11).
2. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, comprendente anche la fase f) di rettificare la superficie laterale esterna (22a, 22b, 22c, 22d) di detta struttura cilindrica per eliminare discontinuità tra detti dischi ferromagnetici (20a, 20b, 20c, 20d) in corrispondenza di profili di contatto circonferenziali esterni di rispettive coppie di superfici di base (41, 42; 43, 44; 45, 46).
3. 3. Metodo secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto di comprendere anche la fase g) di rettificare la superficie della cavità longitudinale (12) di detta struttura cilindrica per eliminare discontinuità tra detti dischi ferromagnetici (20a, 20b, 20c, 20d) in corrispondenza di profili di contatto circonferenziali interni di dette rispettive superfici di base (41, 42; 43, 44; 45, 46).
4. 4. Metodo secondo la rivendicazione 1 comprendente la fase: h) di comprimere longitudinalmente detti dischi ferromagnetici (20a, 20b, 20c, 20d) per ridurre gli interspazi tra i detti dischi.
5. 5. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti in cui detta anima centrale (11) Ã ̈ in acetato di vinile o in polivinil acetato e detta fase di rimuovere detta anima centrale (11) comprende la fase di sciogliere detta anima in un fluido solvente.
6. 6. Metodo secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che detta anima centrale à ̈ nella forma di un foglio avvolto a formare un’anima sostanzialmente cilindrica.
7. 7. Metodo secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che detto fluido solvente à ̈ etere.
8. 8. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente anche la fase di frapporre uno strato isolante (21) tra due dischi impilati consecutivi (20a, 20b, 20c, 20d), in cui detto strato isolante (21) Ã ̈ ad esempio uno strato di materiale adesivo.
9. 9. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti comprendente la fase di predisporre un riferimento di impilamento su ognuno di detti dischi ferromagnetici (20a, 20b, 20c, 20d) e/o su detta anima centrale per impilare detti dischi ferromagnetici secondo una direzione di magnetizzazione prestabilita.
10. 10. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui almeno uno di detti dischi ferromagnetici comprende polveri magnetiche isolate tra loro.
11. 11. Rotore (1) fabbricato secondo il metodo in accordo con una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.