ITMI982861A1 - Struttura di rotore per motore a magneti permanenti ad alta velocita' - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

Il presente trovato riguarda una struttura di rotore per motore a magneti permanenti . Più particolarmente, il trovato riguarda una struttura di rotore per motori a magneti permanenti sia a flusso assiale sia a flusso radiale, ad alta velocità.

Come è noto, in applicazioni ad alta velocità il rotore di un motore elettrico a magneti permanenti è soggetto a problemi meccanici dovuti alle forze di sollecitazione elevate a cui i magneti permanenti sono sottoposti .

In un motore a magneti permanenti destinato a funzionare a velocità elevata uno dei problemi principali è quello di fornire ai magneti permanenti una precompressione al fine di mantenerli sotto una forza di compressione anche quando il rotore sta ruotando alla 'velocità massima possibile. Infatti, i magneti permanenti hanno un buon comportamento meccanico solamente sotto forza di compressione, dato che sono realizzati con materiali sinterizzati.

Al contrario, se i magneti fossero sottoposti a forze di trazione, quali si verificano quando il rotore sta ruotando ad una velocità elevata e si generano forze centrifughe, i magneti permanenti potrebbero danneggiarsi .

Quindi , al fine di mantenere una forza di compressione sui magneti vengono adottate differenti soluzioni che consistono principalmente nel prevedere un anello di ritenzione disposto attorno ai magneti, e realizzato con materiali ad elevata resistenza meccanica, quali acciaio, un materiale di bendaggio riforzato con fibre o altri materiali ad elevata resistenza quali leghe di titanio o zirconio.

Il collocamento dell'anello di ritenzione attorno ai magneti permanenti viene effettuato riscaldando l'anello, collocandolo in posizione e quindi raffreddandolo in modo tale che questo si serri attorno ai magneti.

Come appare evidente, come soluzione comporta costi di montaggio notevoli, oltre al fatto che per rotori funzionanti a velocità molto elevate non è possibile fornire una forza di precompressione adeguata a mantenere sotto compressione i magneti quando il rotore sta ruotando alla velocità massima possibile.

Infatti, il valore di precompressione che è necessario fornire ai magneti supera la forza che i materiali costituenti gli anelli di ritenzione possono sopportare senza danneggiarsi.

Inoltre, i motori a magneti permanenti di tipo noto risentono di un ulteriore inconveniente dato dal fatto che a velocità elevate si genera un surriscaldamento dei magneti che dà adito a decadimenti nelle loro proprietà magnetiche, specialmente quando si usano magneti permanenti di tipo NdFeB (Neodinio-Ferro-Baro) .

Compito precipuo del presente trovato è quello di realizzare una struttura di rotore per motore a magneti permanenti ad alta velocità che consenta di evitare la necessità di un dispositivo di precompressione dei magneti permanenti, pur evitando dilatazioni in senso radiale dei magneti stessi, quando il rotore ruota a velocità elevate, dannose per il comportamento meccanico dei magneti.

Nell'ambito di questo compito, uno scopo del presente trovato è quello di realizzare una struttura di rotore per motore a magneti permanenti ad alta velocità, che sia leggera e semplice da realizzare.

Un altro scopo del presente trovato è quello di realizzare una struttura di rotore per motore a magneti permanenti che sia particolarmente robusta e tale da richiedere una forma dei magneti semplice ed un processo di magnetizzazione altrettanto semplice.

Un altro scopo del presente trovato è quello di realizzare una struttura di rotore per motore a magneti permanenti in cui il calore generato nel rotore durante la rotazione possa essere facilmente estratto, migliorando quindi le prestazioni magnetiche dei magneti.

Non ultimo scopo del presente trovato è quello di realizzare una struttura di rotore per motore a magneti permanenti che sia di elevata affidabilità, di relativamente facile realizzazione e a costi competitivi.

Questo compito, nonché questi ed altri scopi che meglio appariranno in seguito, sono raggiunti da una struttura di rotore per motore a magneti permanenti ad alta velocità, caratterizzata dal fatto di comprendere un‘incastellatura di supporto atta a definire spazi di alloggiamento per una pluralità di magneti, solidale all'albero motore di detto rotore, detta incastellatura di supporto essendo atta ad impedire sollecitazioni di trazione su detti magneti in essa alloggiati, in seguito alla generazione di forze centrifughe dovute alla rotazione di detto rotore.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi del trovato risulteranno maggiormente dalla descrizione di forme di realizzazione preferite, ma non esclusive, della struttura di rotore secondo il trovato, illustrate a titolo indicativo e non limitativo negli uniti disegni, in cui:

la figura 1 è una vista schematica, parziale, in sezione di una prima forma di realizzazione della struttura di rotore secondo il presente trovato;

la figura 2 è una vista prospettica, in esploso, di una porzione della struttura di rotore illustrata nella figura 1;

la figura 3 è una vista in sezione, schematica, illustrante una seconda forma di realizzazione della struttura di rotore secondo il presente trovato;

la figura 4 è una vista in sezione, schematica, illustrante una terza forma di realizzazione della struttura di rotore secondo il presente trovato;

la figura 5 è una vista in sezione, parziale, illustrante una variante della terza forma di realizzazione illustrata nella figura 4; e

la figura 6 è una vista frontale della struttura di rotore secondo il trovato, in cui è mostrata un'ulteriore caratteristica costruttiva.

Con riferimento alle sopra citate figure, la struttura di rotore secondo il presente trovato comprende un'incastellatura di supporto per i magneti permanenti, solidale con l'albero del motore, e tale da consentire ai magneti di lavorare soggetti solamente a forze di compressione, poiché essi non sono direttamente collegati all'albero del motore. I magneti contattano invece appositi inserti inseriti entro la incastellatura di supporto e sono proprio questi inserti che trasmettono la coppia all'incastellatura di supporto e da questa all'albero del motore.

In pratica, gli inserti sono realizzati in materiali sostanzialmente incomprimibili ma possono allungarsi o estendersi nella direzione tangenziale, consentendo quindi di mantenere in compressione i magneti anche quando il rotore sta ruotando a velocità elevate.

In dettaglio, come illustrato nelle varie figure, l'incastellatura di supporto per i magneti può avere differenti configurazioni. La figura 1 illustra una prima forma di realizzazione in cui tale incastellatura di supporto, globalmente indicata dal numero di riferimento 1, comprende un guscio cilindrico centrale 2 formato da una parete radiale 3 e da una superficie esterna 4 disposta circonferenzialmente attorno ad essa. La parete radiale 3 è dotata di un foro centrale 40 per il passaggio dell'albero 5 del rotore, e il guscio centrale 4 risulta quindi solidale all'albero 5.

Una coppia di gusci laterali 6 e 7 sono rispettivamente disposti adiacenti al guscio centrale 4 e sono costituiti da una parete radiale 8 analoga alla parete radiale 3 come dimensioni, e contornata da una parete esterna 9 disposta circonferenzialmente attorno alla parete radiale 8.

Analogamente al guscio centrale 2 la parete radiale 8 presenta un foro 10 per il passaggio dell'albero 5 del rotore.

Il guscio centrale 2 e i rispettivi gusci laterali 6 e 7 ad esso adiacenti sono collegati da uno strato di bendaggio 10.

Il numero dei gusci centrale 2 varia a seconda della lunghezza del rotore.

Gli inserti 11, realizzati in materiale sostanzialmente incomprimibile, sono disposti internamente alla superficie esterna 4 del guscio centrale 2 e dei gusci laterali 6 e 7. I gusci 2, 6 e 7 definiscono spazi di alloggiamento per magneti permanenti 12 i quali sono incollati agli inserti 11.

Gli inserti 11 sono realizzati, come detto, in materiale anisotropo e sono tali da essere sostanzialmente incomprimibili ma possono essere allungati nella direzione tangenziale. Il modulo elastico degli inserti 11 nella direzione tangenziale è tale che la coppia esercitata sui magneti permanenti 12 possa essere trasmessa ai gusci centrale 2 e laterali 6 e 7 e da questi all'albero 5 del rotore.

In alternativa gli inserti 11 possono essere sempre di materiale sostanzialmente incomprimibile ma con bassissimo coefficiente di attrito per permettere ai magneti permanenti, come nel caso precedente, una sostanziale diversa elongazione in senso tangenziale rispetto a quella della struttura di contenimento e, in definitiva, una riduzione o eliminazione della sollecitazione a trazione.

In questo secondo caso la coppia motrice viene sostanzialmente trasmessa all'albero attraverso una coppia di cunei 13 descritti in dettaglio più avanti .

Oltre a questo, come illustrato nella figura 6, i magneti permanenti 12, i quali sono opportunamente segmentati in una pluralità di magneti al fine di facilitare sia la loro costruzione sia la loro magnetizzazione, trasmettono la coppia all'albero 5 tramite una cuneo di separazione 13 il quale si estende attraverso l'intero albero e ha una seconda funzione di allineamento dei diversi poli del rotore. L'angolo tra un polo nord e un polo sud non coperto da magneti permanenti, dove il cuneo 13 è inserito, può variare da 0 a 15° circa, per permettere prestazioni ottimali.

La figura 6 illustra anche gli assi di magnetizzazione dei differenti magneti 12, indicati da frecce 14. La figura 6 illustra il caso di un motore a magneti permanenti a flusso radiale. Se il motore fosse di tipo a flusso assiale la direzione di magnetizzazione sarebbe perpendicolare alla sezione trasversale del motore.

Nel caso quindi della figura 6, l'asse di magnetizzazione 14 è nella direzione radiale, ossia ciascuno dei segmenti di magnete permanente 12 è magnetizzato in una direzione parallela al raggio del segmento o parallela al raggio medio del segmento stesso.

La figura 3 illustra una seconda forma di realizzazione della struttura di rotore secondo il trovato, indicata in questo caso dal numero di riferimento 110, in cui il guscio centrale, indicato dal numero di riferimento 112, ha una sezione trasversale a H, mentre i gusci laterali 116 e 117 hanno rispettivamente una sezione trasversale a C.

La figura 4 illustra una terza forma di realizzazione della struttura di rotore secondo il trovato, globalmente indicata dal numero di riferimento 210, in cui l 'incastellatura di supporto è in questo caso realizzata da un'unica struttura cilindrica suddivisa da tre pareti di cui due laterali una interna, rispettivamente 216, 217 e 212, che definiscono gli spazi di alloggiamento per i magneti 12. Si noti che in tutte le figure a numero di riferimento uguali corrispondono elementi uguali.

La struttura cilindrica appena descritta ha uno strato di bendaggi o 218 fissato con viti alle pareti 216, 217 e 212, sul quale è disposto un ulteriore stato esterno di bandaggio 219.

In una variante realizzativa illustrata nella figura 5, lo strato di bendaggio interno 218 può essere saldato mediante punti di saldatura 220 alle pareti 216, 217 e 212. Senza ledere la generalità i punti di saldatura 220 possono anche essere posti in altri punti, per esempio lungo le parti 212, 216, 217 e lungo la parete 218, in particolare nei punti soggetti a minori sollecitazioni meccaniche. Anche in questo caso sono presenti gli inserti 11 realizzati in materiale elastico o a basso attrito, contro il quale sono disposti i magneti permanenti 12. Come illustrato nella figura 5, si vengono a creare spazi di aria 221 tra i magneti 12 e le pareti laterali dell'incastellatura di supporto dei magneti. In questo modo, il raffreddamento durante la saldatura dello strato di bandaggio interno 218 è facilitato.

Nel caso in cui la struttura del rotore sia realizzata in materiale non magnetico sono previsti inserti in materiale ferromagnetico 222 per realizzare un circuito magnetico a bassa riluttanza.

Se il motore è di tipo a flusso radiale la struttura deve essere di materiale non magnetico per evitare cortocircuito di flusso magnetico e quindi tali inserti 222 diventano necessari.

Al fine di estrarre calore generato durante la rotazione del rotore l'albero 5 del motore può essere opportunamente dotato di un foro centrale 20 previsto appunto per lo smaltimento del calore generato in fase operativa.

Lo strato di bendaggio 218 può, oltre che essere avvitato come illustrato nella figura 4, o saldato come illustrato nella figura 5, o anche essere incollato.

Lo strato di bandaggio esterno 219 è previsto per rinforzare la struttura del rotore e in questo modo è possibile usare acciaio magnetico per il nucleo del rotore, ossia per le pareti radiali 2, 112 e 212.

La figura 5 illustra nella vista in sezione la presenza di denti 225 utilizzati sia per posizionare assialmente i magneti 12 sia per posizionare l'anello in materiale ferromagnetico 222.

Come precedentemente detto, i magneti sono segmentati in una pluralità di segmenti al fine di semplificare la loro costruzione e la loro magnetizzazione.

Si è in pratica constatato come la struttura di rotore secondo il trovato assolva pienamente il compito prefissato, in quanto l'incastellatura di supporto prevista per alloggiare i magneti consente di evitare una espansione di tali magneti dovuta alle forze centrifughe a cui i magneti sono sottoposti quando il rotore ruota a velocità elevata, consentendo al contempo di realizzare un rotore sia di peso leggero che di struttura semplificata.

Infatti, non è necessario prevedere anelli di ritenzione atti ad esercitare una precompressione sui magneti, in modo da farli lavorare sempre in compressione, situazione in cui essi hanno un comportamento meccanico ottimale.

L’incastellatura di supporto dei magneti consente unicamente di impedire una dilatazione degli stessi in senso radiale quando il rotore ruota a velocità elevata, senza tuttavia richiedere una loro precompressione. Inoltre, il montaggio dell'incastellatura di supporto è molto semplificato rispetto all’anello di ritenzione attualmente usato, in quanto tale anello richiede di essere installato previo riscaldamento, in modo tale che, una volta raffreddato, esso possa restringersi e bloccare in precompressione i magneti .

Le diverse forme di realizzazione illustrate forniscono differenti modalità costruttive per l’incastellatura di supporto, non modificando tuttavia il concetto inventivo alla base del presente trovato.

Inoltre, la segmentazione dei magneti in una pluralità di segmenti facilita sia loro realizzazione che la loro magnetizzazione.

La struttura di rotore cosi concepita 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 dimensioni, potranno essere qualsiasi secondo le esigenze e lo stato della tecnica.

In particolare, i materiali per realizzare i gusci dell'inncatellatura di supporto dei magneti sono materiali ad elevata resistenza quali titanio, lega di titanio, zirconio, lega di zirconio e simili.

Claims (15)

1. RIVENDICAZIONI 1. Struttura di rotore per motore a magneti permanenti, caratterizzata dal fatto di comprendere un'incastellatura di supporto atta a definire spazi di alloggiamento per una pluralità di magneti, solidale all'albero motore di detto rotore, detta incastellatura di supporto essendo atta ad impedire sollecitazioni di trazione su detti magneti in essa alloggiati, in seguito alla generazione di forze centrifughe dovute alla rotazione di detto rotore.
2. 2. Struttura di rotore secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detta incastellatura di supporto prevede almeno un guscio centrale e due gusci laterali ad esso adiacenti, detti gusci definendo spazi di alloggiamento per detti magneti permanenti.
3. 3. Struttura di rotore secondo la rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto che detto guscio centrale è costituito da un elemento cilindrico dotato di una parete radiale ed una parete esterna disposta circonferenzialmente attorno a detta parete radiale, detti gusci laterali essendo ciascuno realizzato da una parete radiale attorno alla quale è circonferenzialmente disposta una parete esterna.
4. 4. Struttura di rotore secondo la rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto che detti gusci prevedono un foro centrale per il passaggio di detto albero.
5. 5. Struttura di rotore secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detto guscio centrale ha una sezione trasversale ad H e detti gusci laterali hanno una sezione trasversale a C.
6. 6. Struttura di rotore secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detto albero di detto rotore è dotato di un foro centrale per l'asportazione del calore generato durante la rotazione di detto rotore.
7. 7. Struttura di rotore secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detto guscio centrale e detti gusci laterali sono fra loro collegati tramite almeno uno strato di bendaggio.
8. 8. Struttura di rotore secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che dette pareti esterne di detti gusci prevedono internamente inserti in materiale sostanzialmente incomprimibile a basso attrito a cui sono destinati ad essere incollati detti magneti permanenti.
9. 9. Struttura di rotore secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detta incastellatura di supporto è realizzata in un unico pezzo, solidale a detto albero.
10. 10. Struttura di rotore secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto di comprendere uno strato interno di bendaggio collegato a detta incastellatura di supporto e sul quale è disposto uno strato esterno di bandaggio atto a rinforzare la struttura del rotore.
11. 11. Struttura di rotore secondo la rivendicazione 10, caratterizzata dal fatto che detto strato di bandaggio interno è avvitato a detta incastellatura di supporto.
12. 12. Struttura di rotore secondo la rivendicazione 10, caratterizzata dal fatto che detto strato di bandaggio interno è saldato a detta incastellatura di supporto.
13. 13. Struttura di rotore secondo la rivendicazione 10, caratterizzata dal fatto che detto strato di bendaggio interno è incollato a detta incastellatura di supporto.
14. 14. Struttura di rotore secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che gli spazi di alloggiamento di detti magneti permanenti definiti in detta incastellatura di supporto presentano, in corrispondenza di detto albero, denti di posizionamento di detti magneti permanenti .
15. 15. Struttura di rotore secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detti magneti permanenti sono segmentati in una pluralità di segmenti fra cui sono disposti almeno due cunei estendenti si assialmente lungo il rotore e compattanti detti segmenti.