ITMI972271A1

ITMI972271A1 - Macchina elettrica rotante modulare con estrazione facilitata degli avvolgimenti

Info

Publication number: ITMI972271A1
Application number: IT002271A
Authority: IT
Inventors: Luigi Sozzi
Original assignee: Abb Sistemi Ind Spa
Priority date: 1997-10-06
Filing date: 1997-10-06
Publication date: 1999-04-06
Also published as: EP0909002A2; EP0909002A3; IT1295285B1

Description

La presente invenzione è relativa ad un sistema di montaggio e smontaggio di macchine elettriche rotanti modulari, in particolare delle unità magnetiche di statore.

Nelle macchine elettriche rotanti di tipo convenzionale, trifase o polifase, gli avvolgimenti sono alloggiati in una unità magnetica ricavata da lamierini magnetici di forma circolare impaccati in modo da costituire l'unità statorica compatta. In tali macchine, in caso di guasto o per un intervento di manutenzione, risulta impossibile intervenire sulla parte statorica senza smontare completamente la macchina. Ciò costituisce un notevole svantaggio quando la macchina è ospitata in spazi molto ristretti e dove è difficile ed oneroso, se non proprio impossibile, lo smontaggio o la rimozione della macchina (ad esempio macchine per sottomarini, motori ospitati in moduli di propulsione tipo POD, macchine per off-shore, ecc.).

Nelle macchine modulari, a magneti permanenti o a riluttanza variabile, essendo la parte statorica costituita da unità magnetiche individuali e indipendenti l'una dall'altra, è possibile effettuare l'estrazione delle singole unità in caso di guasto degli avvolgimenti in esse contenuti. Inoltre, un eventuale guasto rimane limitato all'unità interessata, permettendo comunque alla macchina di funzionare, contrariamente a ciò che avviene nelle macchine convenzionali nelle quali anche un minimo guasto locale coinvolge l'intero avvolgimento di statore.

Un esempio di macchina modulare è descritto nella pubblicazione tecnica "Novel technologies wi th PM-machines for shìp propulsion " (M.Radaelli, L.Sozzi, ABB Industria, 1997, Sesto S. Giovanni-MI), relativa a macchine multielettroniche a magneti permanenti. In tale articolo viene descritta in particolare una macchina costituita da quattro sottomotori e si accenna alla possibilità di estrazione frontale degli avvolgimenti dalla parte superiore del motore. A questo scopo è necessario avere due carcasse di cui quella interna può essere fatta ruotare in modo da portare la sezione di statore interessata dal guasto in una opportuna posizione per poter poi procedere, attraverso la carcassa esterna, all'estrazione dell'unità magnetica di statore. Tale soluzione, anche se vantaggiosa rispetto alle macchine elettriche rotanti di tipo convenzionale, presenta lo svantaggio di limitare la possibilità di intervento ed estrazione su di una unità magnetica di statore ad una posizione specifica. Ulteriore svantaggio è dato dalla presenza di due carcasse e dei complicati e delicati organi di movimentazione della carcassa interna rispetto a quella esterna. Inoltre l'operazione di posizionamento della carcassa interna e di successiva estrazione dell'unità magnetica di statore richiede tempi di esecuzione molto lunghi.

Compito precipuo del presente trovato è quindi quello di realizzare una macchina elettrica rotante che consenta una agevole rimozione delle unità magnetiche di statore.

Nell'ambito di questo compito, uno scopo del presente trovato è quello di realizzare una macchina elettrica rotante in cui l'estrazione delle unità magnetiche di statore sia possibile da qualsiasi posizione circonferenziale.

Un altro scopo del presente trovato è quello di realizzare una macchina elettrica rotante che abbia ridotti tempi di intervento per manutenzione.

Non ultimo scopo del presente trovato è quello di realizzare una macchina elettrica rotante che sia di elevata affidabilità, di relativamente facile realizzazione ed a costi competitivi.

Questo compito, nonché questi ed altri scopi che meglio appariranno in seguito sono raggiunti da una macchina elettrica rotante modulare comprendente una carcassa costituente l'involucro di detta macchina elettrica e uno o più sottomotori, ciascuno di detti sottomotori comprendente uno statore suddiviso in una pluralità di unità magnetiche di statore e un rotore, caratterizzata da mezzi di fissaggio di dette unità magnetiche di statore a detta carcassa, detti mezzi di fissaggio consentendo lo sbloccaggio e l'estrazione in direzione assiale di dette unità magnetiche di statore da qualunque posizione circonferenziale. In tal modo l'operazione di estrazione di dette unità magnetiche risulta particolarmente agevole e richiede solo la rimozione degli scudi, quando presenti. In particolare ciascun sottomotore può costituire esso stesso un generatore elettrico rotante o un motore elettrico rotante.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione risulteranno dalla descrizione di forme di realizzazione preferite, ma non esclusive, della macchina elettrica rotante secondo l'invenzione, illustrate a titolo indicativo e non limitativo negli uniti disegni, in cui:

la figura 1 rappresenta una sezione longitudinale di una macchina elettrica rotante modulare a magneti permanenti comprendente due corone statoriche;

la figura 2 rappresenta una sezione trasversale completa della macchina elettrica rotante modulare a magneti permanenti illustrata in figura 1;

la figura 3 rappresenta un particolare della sezione trasversale di figura 2;

la figura 4 rappresenta una sezione longitudinale illustrante due unità magnetiche di statore fissate alla carcassa in accordo con una prima forma di realizzazione;

la figura 5 rappresenta una sezione parziale trasversale illustrante il fissaggio di un'unità magnetica di statore alla carcassa in accordo con tale prima forma di realizzazione;

la figura 6 rappresenta una sezione longitudinale illustrante due unità magnetiche di statore fissate alla carcassa in accordo con una seconda forma di realizzazione;

la figura 7 rappresenta una sezione parziale trasversale illustrante il fissaggio di un'unità magnetica di statore alla carcassa in accordo con tale seconda forma di realizzazione;

la figura 8 rappresenta una vista prospettica del modulo distanziale; la figura 9 rappresenta un possibile utilizzo della macchina elettrica rotante secondo l'invenzione all'interno di un modulo di propulsione e governo di mezzi navali; e

la figura 10 rappresenta una vista dall'alto del modulo di propulsione e governo di mezzi navali di figura 9.

Con riferimento ora più in dettaglio alle figure citate, la macchina elettrica rotante modulare a magneti permanenti comprende una carcassa 1, nella quale è ricavato un circuito di raffreddamento 27 e due sottoraotori, ciascuno di detti sottomotori presenta uno statore 2 suddiviso in una pluralità di unità magnetiche di statore fissate alla carcassa 1 e un rotore 3 sulla cui superficie esterna sono posti i lamierini 5 che alloggiano i magneti permanenti 4 costituenti la corona polare rotorica.

In particolare le figure 4 e 5 illustrano una prima forma di realizzazione preferita del sistema di fissaggio secondo il presente trovato. In questa forma di realizzazione un'unità magnetica di statore 2, recante un avvolgimento 21 collegato al cavo di connessione 28, è fissata alla carcassa 1 mediante mezzi di guida interni 23, mezzi di guida e bloccaggio 22 ed un mezzo esterno di serraggio 24. I mezzi di guida interni 23, costituiti nella forma di realizzazione illustrata da blocchetti di guida saldati alla carcassa 1, permettono lo scorrimento longitudinale dell'unità magnetica di statore 2 rispetto alla carcassa 1. I mezzi di guida e bloccaggio 22, costituiti nella forma di realizzazione illustrata da blocchetti con stelo filettato e base recante inviti per utensile di smontaggio, sono avvitati alla carcassa 1 in modo da bloccare l'unità magnetica di statore 2. Il mezzo esterno di serraggio 24, costituito nella forma di realizzazione illustrata da un blocchetto di forma prismatica, è avvitato alla carcassa 1 e completa il fissaggio dell'unità magnetica di statore 2 alla carcassa 1. All'unità magnetica di statore 2 sono accoppiati un modulo distanziale 25 ed un tirante con dadi di bloccaggio 26.

Nell'eventualità dello smontaggio di un'unità magnetica di statore si toglie il blocchetto di serraggio 24, si allenta il blocchetto 22 in modo che agisca da guida per lo scorrimento dell'unità magnetica di statore 2, si avvita un opportuno utensile sull'estremità filettata del tirante 26 accoppiato all'unità magnetica di statore 2 e si sfila quest'ultima. Il blocchetto interno di guida 23 può essere convenientemente realizzato con sezione cuneiforme. Tale blocchetto 23, fissato alla carcassa disponendo la sezione cuneiforme in direzione longitudinale, costituisce, una volta accoppiato con l'estremità interna di una unità magnetica di statore 2, un ulteriore mezzo di bloccaggio oltre che di guida.

Con riferimento alle figure 6 e 7 è illustrata una seconda forma di realizzazione del sistèma di fissaggio per la macchina rotante secondo il presente trovato.

In questa forma di realizzazione un'unità magnetica di statore 2, recante un avvolgimento 21 collegato al cavo di connessione 28, è fissata alla carcassa 1, nella quale è ricavato un circuito di raffreddamento, mediante una guida a coda di rondine a sezione longitudinale cuneiforme 30 e da un mezzo esterno di serraggio 24. La guida 30, accoppiata all'unità magnetica di statore 2 tramite una rotaia a sezione longitudinale cuneiforme, costituisce un elemento continuo di guida e fissaggio dell'unità magnetica di statore 2 alla carcassa 1. Il mezzo esterno di serraggio 24 avvitato alla carcassa 1 completa il fissaggio dell'unità magnetica di statore 2 alla carcassa 1. Tale mezzo di serraggio 24 ha forma analoga alla soluzione precedentemente descritta. All'unità magnetica di statore 2 sono accoppiati il modulo distanziale 25 ed il tirante con dadi di bloccaggio Nell'eventualità dello smontaggio di un'unità magnetica di statore si toglie il blocchetto di serraggio (24), si avvita un opportuno utensile sull'estremità filettata del tirante 26 accoppiato all'unità magnetica di statore 2 e si sfila quest'ultima facendola scorrere rispetto alla carcassa 1 sulla guida a coda di rondine cuneiforme 30.

In figura 8 è illustrata una forma di realizzazione preferita del modulo distanziale 25 che presenta una configurazione ad L con uno dei due lati avente una sezione ad U 100 e l'altro recante il foro 101 di accoppiamento con il tirante 26.

Con riferimento alle figure 9 e 10, è illustrata una possibile applicazione di una macchina elettrica rotante modulare secondo l'invenzione, in questo caso un motore multielettronico a magneti permanenti, in un modulo di propulsione e governo di mezzi navali. Tale modulo di propulsione e governo comprende un bulbo sommerso 40 a tenuta stagna ed un supporto 50 sostanzialmente verticale la cui parte inferiore è vincolata al bulbo 40 e la cui parte superiore è collegata con lo scafo del mezzo navale in modo tale da poter ruotare rispetto all'asse longitudinale dello scafo.

All'interno del bulbo sono alloggiati un circuito di raffreddamento comprendente una pompa 49 e uno scambiatore di calore 45 ed il motore multielettronico a magneti permanenti 44 di elevata potenza (circa 15 MW a 150 rpm) al cui albero di trasmissione 46 sono associati un cuscinetto reggispinta 48 ed un cuscinetto di supporto 47. All'interno del supporto 50 sono alloggiati i moduli dell'elettronica di potenza 42 e mezzi di accesso 43 del personale. Al fine di garantire l'ispezione dell'interno del bulbo 40 e l'eventuale estrazione delle unità magnetiche di statore, anche durante la navigazione, nell'involucro del bulbo 40 sono ricavate delle aperture 51 che mettono in comunicazione l'interno del bulbo 40 con l'interno del supporto 50. In particolare la figura 9 mostra un'unità magnetica di statore in posizione estratta 41. La sistemazione dei moduli dell'elettronica di potenza 42 all'interno del supporto 50 consente di liberare ulteriori spazi all'interno della nave e rende possibile avere solo due conduttori (DC bus) tra lo scafo della nave e la parte rotante (bulbo e supporto) per la trasmissione dell'energia elettrica rispetto ai 5 o 8 necessari per i motori sincroni di tipo convenzionale e rispetto ai 6 necessari per i motori a magneti permanenti di tipo convenzionale con l'elettronica sistemata all'interno dello scafo. Oltre ai vantaggi sopra descritti, l'utilizzo di un motore multielettronico a magneti permanenti in applicazioni di questo tipo presenta il vantaggio di avere elevati rendimenti anche ad un basso numero di giri, in quanto a potenze ridotte è possibile far lavorare solo una parte delle unità magnetiche e della relativa elettronica di alimentazione.

Lo stesso principio, illustrato a titolo di esempio in macchine elettriche rotanti modulari con due corone statoriche, può essere applicato a seconda della potenza richiesta ad una macchina elettrica rotante modulare con un sottomotore, e con opportune modifiche a macchine elettriche rotanti modulari con più sottomotori. A titolo di esempio non illustrato da figure, nel caso di macchina elettrica rotante con quattro sottoraotori di cui due interni e due esterni, le unità magnetiche delle due corone statoriche interne sono collegate a cavi di connessione alloggiati in opportune sedi ricavate nella carcassa. Il collegamento tra i cavi di connessione ed il sistema di alimentazione elettrica avviene sulla parte frontale della macchina. Nell'eventualità dell'estrazione di un'unità magnetica di una corona statorica interna, si estrae la corrispondente unità magnetica della corona magnetica esterna, si collega al cavo di connessione di detta unità-magnetica interna un cavo guida e si estrae quest'ultima lasciando sfilare il cavo di connessione e il cavo guida nella sede ricavata nella carcassa. Si reinserisce quindi l'unità magnetica nella corona statorica interna e si riposiziona il cavo di connessione nella sua sede originale estraendo da essa il cavo guida. Il sistema proposto è molto flessibile in quanto, avendo tutte le connessioni sulla parte frontale consente di effettuare collegamenti in serie, in parallelo, in serie/parallelo tra i vari avvolgimenti, indipendentemente dal numero di sottomotori in cui è stata realizzata la macchina elettrica rotante modulare. Ciò permette di dimensionare la macchina, sia dal punto di vista elettronico che meccanico, in funzione delle esigenze derivanti dal sistema di alimentazione e dagli spazi disponibili.

Il sistema di fissaggio così concepito è suscettibile di numerose modifiche e varianti tutte rientranti nell'ambito del concetto inventivo; inoltre tutti i dettagli potranno essere sostituiti da altri elementi tecnicamente equivalenti. In pratica, i materiali impiegati, purché compatibili con l'uso specifico, nonché le dimensioni, potranno essere qualsiasi secondo le esigenze dello stato della tecnica.

Claims

R I V E N D I C A Z I O N I 1. Macchina elettrica rotante modulare, comprendente - uno o più sottomotori, ciascuno di detti sottomotori comprendendo uno statore suddiviso in una pluralità di unità magnetiche di statore e un rotore, e - una carcassa costituente l'involucro di detta macchina elettrica rotante caratterizzata dal fatto di comprendere mezzi di fissaggio di dette unità magnetiche di statore a detta carcassa, detti mezzi di fissaggio consentendo lo sbloccaggio e l'estrazione in direzione assiale di dette unità magnetiche di statore da qualunque posizione circonferenziale.
2. Macchina elettrica rotante modulare, secondo la rivendicazione 1 caratterizzata dal fatto che detti mezzi di fissaggio comprendono almeno un mezzo di guida interno per dette unità magnetiche di statore fissato a detta carcassa, almeno un mezzo di guida e bloccaggio per dette unità magnetiche di statore fissato a detta carcassa, almeno un mezzo di serraggio esterno fissato a detta carcassa, e almeno un tirante con dadi di bloccaggio.
3. Macchina elettrica rotante modulare, secondo una o più delle rivendicazioni precedenti caratterizzata dal fatto che detto almeno un mezzo di guida interno è un blocchetto con sezione cuneiforme fissato a detta carcassa.
4. Macchina elettrica rotante modulare, secondo una o più delle rivendicazioni precedenti caratterizzata dal fatto che detti mezzi di fissaggio comprendono almeno una guida a coda di rondine avente sezione longitudinale cuneiforme fissata a detta carcassa, almeno un mezzo esterno di serraggio fissato a detta carcassa, e almeno un tirante con dadi di bloccaggio.
5. Macchina elettrica rotante modulare a riluttanza variabile, secondo una o più delle rivendicazioni precedenti caratterizzata dal fatto di comprendere una o più delle caratteristiche descritte e/o illustrate.
6. Macchina elettrica rotante secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto di essere un motore elettrico modulare.
7. Macchina elettrica rotante secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto di essere un generatore elettrico rotante modulare.
8. Modulo di propulsione e governo di mezzi navali comprendente un bulbo sommerso a tenuta stagna, un supporto sostanzialmente verticale la cui parte inferiore è vincolata a detto bulbo e la cui parte superiore è collegata con lo scafo di detti mezzi navali in modo tale da poter ruotare rispetto all'asse longitudinale dello scafo, detto bulbo contenendo un circuito di raffreddamento comprendente una pompa e uno scambiatore di calore, detto supporto comprendendo moduli di elettronica di potenza e mezzi di accesso a detto supporto, caratterizzato dal fatto di comprendere un motore elettrico rotante modulare secondo la rivendicazione 6.