ITMI941458A1 - Pacco di lamierini magnetici per macchine elettriche rotanti e simili, ad elevata superficie raffreddante - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

La presente invenzione ha per oggetto un pacco di lamierini magnetici a cave radiali per macchine elettriche rotanti e simili, strutturato in modo da presentare un'elevata superficie esterna raffreddante ed una indipendenza pressoché totale dai fenomeni provocati sia dall'anisotropia magnetica e di laminazione del nastro da cui i singoli lamierini sono tranciati, sia dalle imprecisioni di tranciatura.

Come è ben noto, nelle macchine elettriche rotanti, in particolare nei motori e generatori elettrici sia tradizionali che rovesciati o inout, il raffreddamento dei loro componenti risulta di importanza fondamentale al fine di smaltire il calore che inevitabilmente si genera in essi per effetto Joule. Di questi componenti, quelli che più risentono del riscaldamento sono gli avvolgimenti i quali sono posti nelle cave del pacco di lamierini. Perciò, il raffreddamento del pacco di lamierini ha una grande influenza sulle prestazioni rese dalla macchina rotante, e in particolare sulla durata e rendimento della stessa.

Generalmente, il pacco di lamierini di un motore elettrico presenta la forma di un solido cilindrico con ampia cavità centrale nella quale sfocia una pluralità di cave radiali, angolarmente equidistanziate, entro le quali vengono inseriti gli avvolgimenti di filo conduttore. Attorno all'asse della cavità centrale è destinato a ruotare coassialmente il rotore di vario tipo, a gabbia, ad avvolgimento, a magneti permanenti e simili.

E' anche ben noto che, per ragioni elettro-magnetiche, detto pacco cilindrico non può che essere costituito da elementi separati e accoppiati a strati, cioè da una pluralità di lamierini per cui la superficie esterna del corpo cilindrico rimane definita dal contorno periferico del lamierino.

Questo contorno è molto spesso un cerchio con centro coincidente con quello della cavità centrale del lamierino, oppure, nel caso di pacchi statorici, per utilizzare meglio il materiale, un quadrato o un rettangolo, di solito mancanti degli spigoli sia perchè contenuto in un cerchio, sia anche solo per evitare spigoli taglienti.

La superficie esterna che delimita il solido cilindrico costituito dal pacco di lamierini è la principale superficie raffreddante del pacco statore.

Essa è definita dalla lunghezza dello sviluppo del contorno del lamierino moltiplicata per lo spessore del lamierino e per il numero dei lamierini impaccati. Essa smaltisce il calore per irradiazione e per convezione ed è molte volte posta in corrente d'aria per aumentare lo smaltimento. E' ovvio che tanto maggiore è tale superficie tanto maggiore è il calore smaltito.

E' pure noto che attualmente la tranciatura dei lamierini viene effettuata quasi esclusivamente da un nastro ferromagnetico continuo ottenuto per laminazione e questo fatto comporta in pratica lo svantaggio che ogni lamierino presenta gli stessi difetti insiti nel nastro, quali anisotropie diffuse, sia magnetiche che di laminazione, nonché i difetti dovuti alla tranciatura (per difetti della trancia o del ferro-trancia) o anche per anisotropo comportamento dello stesso lamierino tranciato, anisotropie che provocano vibrazioni meccaniche e anche magnetiche durante il funzionamento della macchina.

Inoltre, le tecniche attuali di produzione di pacchi di lamierini magnetici per macchine elettriche rotanti non sempre sono in grado di realizzare una perfetta coassialità fra l'asse della cavità cilindrica interna del pacco e i riferimenti e/o attacchi esterni previsti per l'accoppiamento del pacco alle parti della macchina a cui sono associati i cuscinetti per l'albero del rotore; ciò, in pratica, provoca una leggera scentratura fra l'asse di rotazione del rotore e l'asse della cavità cilindrica interna del pacco con conseguenti vibrazioni e rumorosità durante il funzionamento.

Scopo pertanto della presente invenzione è quello di realizzare un pacco di lamierini magnetici per macchine elettriche rotanti e simili, concepito in modo da ovviare agli inconvenienti e alle limitazioni presentati dagli attuali pacchi di lamierini e soprattutto tale da consentire un sensibile aumento della superficie raffreddante esterna del pacco.

Altro scopo del presente trovato è quello di realizzare un pacco di lamierini del tipo sopra specificato strutturato in modo da risultare esente dagli effetti negativi dovuti ai vari tipi di anisotropie pur sempre presenti nei lamierini tranciati.

Ulteriore scopo del trovato è quello di realizzare un pacco di lamierini magnetici a superficie esterna raffreddante maggiorata provvista anche di incastri periferici esterni per l'accoppiamento al pacco di altri elementi, quali basi, razze, basette, condensatori, ventole e agganci vari, in modo semplice e senza richiedere particolari operazioni.

Nelle macchine elettriche rotanti del tipo "rovesciato" dette anche "in-out" nelle quali il rotore è esterno, l’invenzione si applica al rotore stesso il quale, oltre ai vantaggi sopra descritti di maggiore superficie raffreddante qui molto efficiente data la rotazione, di anisotropia e di perfetta centratura, avrà anche il vantaggio di essere perfettamente equilibrato staticamente e dinamicamente e di non richiedere quindi la dispendiosa operazione di equilibratura.

Questi ed altri scopi ancora, che più chiaramente potranno essere evidenziati dalla descrizione che segue, vengono raggiunti da un pacco di lamierini magnetici a cave radiali per macchine elettriche rotanti e simili, il quale è costituito, secondo il presente trovato, da una pluralità di lamierini fra loro dimensionalmente uguali e presentanti ciascuno un perimetro esterno non totalmente concentrico con l'asse della cavità centrale, detti lamierini essendo impaccati in posizione ruotata, intorno all'asse del pacco, l'uno rispetto a quello contiguo di un angolo pari all'angolo esistente fra almeno due cave contigue, così da lasciare esposte al raffreddamento quelle zone delle opposte superfici laterali di ogni lamierino che non risultano combacianti con il lamierino contiguo.

Altra importante particolarità necessaria per la realizzazione della presente invenzione è che la rotazione di un singolo lamierino o di gruppi di lamierini deve essere fatta secondo un angolo uguale all'angolo esistente fra una cava e la successiva o ad un suo multiplo intero, se le cave sono tutte uguali fra loro, mentre, nel caso di lamierini con cave ripetitivamente differenti, detta rotazione deve essere effettuata di un angolo che consenta di ritrovare una configurazione sovrapponibile delle cave stesse.

Più particolarmente, e secondo una prima forma realizzativa, detti lamierini sono realizzati con perimetro esterno sostanzialmente quadrangolare e con angoli arcuati secondo archi di cerchio di diametro maggiore della larghezza del nastro da cui detti lamierini sono tranciati.

Secondo un'altra forma realizzativa, detto pacco di lamierini a profilo esterno in parte rettilineo e in parte arcuato ad arco di cerchio e -con un numero di cave ripetitivo ogni 90’ - presenta su quattro lati del suo profilo esterno, quattro incavi o incastri a coda di rondine o simile, ottenuti mediante tranciatura su ogni lamierino di un solo incastro e posizionamento degli stessi ruotati in successione ciascuno di 90’ rispetto agli altri, ottenendo così un pacco con quattro incavi longitudinali fra loro a 90’.

Dette forme realizzative non sono limitative, ma sono solo due esempi di realizzazione dell'invenzione.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi del presente trovato appariranno più chiaramente dalla seguente dettagliata descrizione, fatta con riferimento alle allegate tavole di disegno, date a solo titolo indicativo e non limitativo, nelle quali:

la figura 1 illustra un qualsiasi lamierino magnetico 12 per statore di macchina elettrica rotante di tipo tradizionale, oppure per rotore di macchina elettrica detta rovesciata o in-out cioè nella quale lo statore è posto all'interno e il rotore all'esterno. Esso lamierino è supposto tranciato mediante un punzone di diametro "d" da un nastro 11 di larghezza "l" (elle minuscola) e con un passo "l1" solitamente uguale alla larghezza del nastro, in cui però la larghezza "l" del nastro è minore del diametro del punzone. Il numero delle cave 13 e le loro dimensioni sono uguali su tutti i lamierini 12,

la figura 2 illustra lo stesso lamierino di figura 1 ma ruotato rispetto ad esso di un angolo compatibile con il numero delle cave, che qui sono supposte tutte eguali. Il lamierino di questa figura è ruotato di 45<*>, la figura 3 illustra la presente invenzione nella sua forma più semplice. Il lamierino di figura 2 è sovrapposto al lamierino di figura 1, il quale è supposto a sua volta sovrapposto ad un altro lamierino di figura 2 (ma ruotato di altri 45") e così via costituendo un pacco nel quale ogni lamierino espone al raffreddamento due volte le superfici S1, S2, S3 e S4, comprese fra il quadrato di lato 1 e il cerchio di diametro d.

La figura 3a mostra in vista prospettica un pacco ottenuto con una pluralità di lamierini 12, ove ciascun lamierino è disposto ruotato di 45<* >rispetto a quello precedente e le superfici S1-S2-S3-S4 di ogni lamierino sono distanziate da quelle emergenti dai lamierini contigui dallo spessore dello stesso lamierino intermedio.

Le figure 4, 5, 6 e 7 riguardano una variante realizzativa dell'invenzione che, pur godendo degli stessi vantaggi della realizzazione di figura 3, permette anche di ottenere su quattro lati del pacco quattro incastri.

Più precisamente, nella figura 4 è illustrato un tratto di nastro 41a di lamierino magnetico dal quale viene tranciato un lamierino come illu-strato in figura 5.

In detta figura 4, "L" è la larghezza del nastro 41a, D è il diametro del punzone con il quale viene tranciato il lamierino, L+1⁄2 (D-L) il passo di tranciatura.

Il lamierino 4 è supposto con otto cave indicate con C diverse dalle altre 42 e ricorrenti ogni 90* a due a due. Con P è indicata l'impronta, preferibilmente contenuta entro la dimensione 1⁄2 (D-L), del punzone che produce l'incastro a coda di rondine senza spigoli taglienti, impronta che risulta chiusa e che verrà poi intersecata dal punzone circolare, così da realizzare l'incastro R a coda di rondine di ogni lamierino, come meglio apparirà in seguito. Detta impronta P risulta inserita tra un passo e il seguente.

Nella figura 5 è illustrato un lamierino 54 già tranciato e pronto per la sua impaccatura con altri uguali.

La tranciatura del lamierino con incastro R avviene, tenendo presente che L è la larghezza del nastro come indicato nella figura precedente e D il diametro del punzone, pure già individuato, quando il punzone circolare che distacca il lamierino dal nastro interseca l'impronta P, separandola in due parti, e realizzando così la figura dell'incastro a coda di rondine R che in virtù della forma dell'impronta P risulta così con spigoli "T" non taglienti.

La figura 6 illustra in vista assiale o dall'alto la particolare realizzazione del pacco ottenuto con la successiva sovrapposizione di tanti lamierini 54 di figura 5 ruotati ognuno di 90° rispetto al precedente.

La figura 7 illustra il pacco di lamierini di figura 6, ma in vista laterale ed evidenzia come la differenza fra la misura D del diametro di tranciatura e la misura L di larghezza del nastro crei uno scalettamento del bordo periferico di ogni lamierino rispetto al precedente ed esponga al raffreddamento le opposte facce delle superfici S5 del secondo, S6 del terzo, S7 del quarto lamierino che non combaciano col lamierino adiacente.

Più precisamente, nelle figure 6 e 7 è illustrato in vista dall'alto e laterale un pacco ottenuto mediante sovrapposizione di più lamierini 54 di cui alla figura 5, fra loro ruotati di 90* al fine di consentire alle coppie di cave "C" (diverse da quelle indicate con 42) di ritrovarsi nella stessa configurazione, come già detto, in precedenza.

In dette figure 6 e 7, con 54 è indicato il lamierino superiore come risulta visibile nella figura 5; con 55 è indicato il primo lamierino ad esso sottostante, cioè il secondo lamierino del pacco, che è ruotato di 90° rispetto a 54. E' indicato con 56 il terzo lamierino, sottostante al lamierino 55, ruotato di 90° rispetto ad esso, e ruotato quindi di 180° rispetto a 54. E' indicato con 57 il quarto lamierino, sottostante al 56, ruotato di 90° rispetto al 56, di 180° rispetto al 55 e di 270° rispetto al 54. E' indicato con 58 il lamierino (visibile solo nella figura 7) successivo, ruotato ancora di 90° rispetto al 57 e quindi posizionato come il lamierino 54; con 59 il successivo, ecc.

Ogni lamierino sovrapposto al sottostante con gli accorgimenti sopra menzionati non combacia con quest'ultimo (perchè è ruotato di 90°) per quelle zone S5, S6, S7 della sua superficie che sono comprese fra la larghezza "L" del lamierino e del nastro e il diametro "D" del punzone. In effetti, non è necessario che "L" coincida con la larghezza del nastro, come illustrato in figura 4, ma necessariamente dovrà essere "D" maggiore di "L" perchè il pacco si realizzi secondo il presente trovato.

Su quattro lati del pacco di lamierini della figura 6 vengono così a trovarsi,·ogni quattro lamierini impaccati, degli incastri a coda di rondine R, con gli spigoli T non taglienti, disposti a 90° fra loro e diretti longitudinalmente al pacco.

A conferma di quanto esposto e illustrato nelle figure, è stato sperimentato un motore elettrico frazionario, di potenza 1/10 di KW con pacco statore a superficie raffreddante aumentata secondo la presente invenzione e si è constatato che:

- le vibrazioni sono risultate molto limitate e la silenziosità è risultata ottima, e

- la temperatura dell'avvolgimento si è mantenuta inferiore a quella di un analogo motore con statore tradizionale.

In particolare, rispetto al motore con statore tradizionale, si è rilevato un notevole abbassamento di temperatura quando il pacco statore è esposto a corrente d'aria, tale da compensare ampiamente la complicazione costruttiva del pacco realizzato secondo il trovato.

Si è inoltre constatato che la quantità di materiale ferromagnetico richiesta per un pacco con 4 incastri come rivendicato nella presente invenzione è inferiore del 15% circa a quella richiesta per lo stesso pacco con 4 incastri eseguito coi metodi tradizionali.

Infatti un lamierino con 4 incastri, del diametro, ad esempio di 102 mm, tradizionale, consuma un rettangolo di lamiera di lati (102 mm 3 mm) per (102 mm 1,5 mm) poiché per necessità tecniche di tranciatura bisogna lasciare circa 1,5 mm tutto attorno alla figura tranciata con 4 incastri R, cioè un'area di lamiera pari a (102 3) x (102 1,5) = 10.867 mm<2>, mentre il lamierino con un solo incastro tranciato secondo la figura 5 sul diametro di 102 mm, ma da nastro di larghezza di 95 min, consuma un rettangolo dato dalla larghezza della striscia di 95 mm per il passo di 95 1⁄2 (102-95) = 98,5, cioè 9.357 mm , pur ottenendo però 4 incastri posti sul diametro 102. Il risparmio di lamiera è dunque di 10.867-9.357 = 1.510 mm , cioè circa il 15%.

L'invenzione è stata descritta come perfezionamento di un pacco di lamierini di macchina elettrica rotante, ma essa è applicabile a qualsiasi altra macchina costituita da lamierini o gruppi di lamierini impaccati, ove si voglia aumentare la superficie raffreddante ed eliminare anisotropie.

E' ovvio pure che nella realizzazione pratica al trovato come descritto ed illustrato secondo alcune sue forme preferite di pratica attuazione, possono essere apportate modifiche e varianti strutturalmente e funzionamente equivalenti, senza uscire dall'ambito di protezione del trovato stesso.

Claims (4)

1. R I V E N D I C A Z I O N I 1. Pacco di lamierini a cave radiali per macchine elettriche rotanti e simili, caratterizzato dal fatto che è costituito da una pluralità di lamierini fra loro dimensionalmente uguali e presentanti ciascuno un perimetro esterno almeno in parte diverso da un cerchio concentrico con l'asse del foro centrale, detti lamierini essendo impaccati singolarmente o in gruppi in posizione ruotata, intorno all'asse del pacco, l'uno rispetto a quello contiguo di un angolo eguale o multiplo dell'angolo esistente fra due cave contigue, nel caso di cave tutte fra loro uguali, nel caso di cave ripetitivamente diverse detta rotazione essendo effettuata secondo un angolo tale da consentire di ritrovare una configurazione sovrapposta e coincidente di dette cave, così da lasciare esposte al raffreddamento quelle zone delle opposte superfici laterali di ogni lamierino o di ogni gruppo che non risultano combacianti con il lamierino o gruppo contiguo.
2. 2. Pacco di lamierini secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti lamierini sono realizzati, secondo una prima forma di attuazione, con perimetro esterno sostanzialmente quadrangolare a lati preferibilmente fra loro raccordati agli angoli mediante archi di cerchio di diametro maggiore della larghezza del nastro magnetico da cui detti lamierini sono tranciati.
3. 3. Pacco di lamierini secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che presenta, secondo un'altra forma realizzativa, sui suoi quattro lati del profilo esterno quattro incastri prismatici, a coda di rondine o simili, ottenuti mediante tranciatura su ogni lamierino, provvisto di cave ripetitive ogni 90°, di una sola impronta di incastro e successivo posizionamento dei lamierini ruotati di 90° gli uni rispetto agli altri.
4. 4. Pacco di lamierini magnetici a cave radiali per macchine elettriche rotanti e simili, secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che è realizzato per gli scopi e gli impieghi sopra specificati, secondo quanto descritto ed illustrato.