ITNA20070104A1 - Alternatore a stadi con statori angolarmente sfalzati - Google Patents

Description

TESTO DELLA DESCRIZIONE

Gli attuali alternatori sincroni sono in genere costituiti da corpi rotolici approssimativamente cilindrici contenenti dei magneti la cui rotazione all'intemo di imo statore comprendente bobine elettriche provoca una corrente indotta.

Esistono anche alternatori in cui i magneti sono distribuiti sulla superficie di un disco rotante in prossimità di un frontistante disco statorico recante bobine da induzione.

Tali alternatori sincroni presentano l'inconveniente di un pronunciato effetto frenante a pila retorica ferma causato dalla attrazione tra magneti e nuclei ferritici delle bobine i quali trovano un punto morto in cui risulta un'attrazione molto pronunciata dovuta all'attrazione tra magneti e nuclei ferritici coincidenti assialmente.

In generale i generatori sincroni a magneti permanenti sono classificati in base alla distribuzione del flusso nel circuito magnetico e sono in genere configurati come segue.

Configurazioni a flusso radiale (RFPM): le linee di flusso escono radialmente dal rotore con i magneti permanenti e si chiudono in piani paralleli alla direzione di rotazione. Configurazione "convenzionale" con magneti permanenti sul rotore e indotto sullo statore; Magneti superficiali (Nd-Fe-B, più semplice) o sepolti (ferrite); Rotore interno o esterno (effetto premente forza centrifuga, raffreddamento PM facilitato, pale montate direttamente su superficie esterna del generatore); Avvolgimento embricato o "single-coil".

Configurazioni a flusso assiale (AFPM): le linee di flusso si sviluppano parallelamente all'asse di rotazione della macchina. La configurazione "convenzionale" è quella Toroidale: Statore interno, nucleo toroidale senza cave con avvolgimento (no "cogging torque", elevato traferro e flusso disperso), rotore esterno doppio con magneti permanenti (elevata densità : di coppia, costo elevato, raffreddamento magneti facilitato). Esiste anche la configurazione a Disco: Statore esterno doppio (con cave o senza cave, raffreddamento avvolgimento facilitato), rotore interno con magneti; permanenti.

Configurazioni a flusso trasverso (TFPM): le linee di flusso si chiudono ini piani perpendicolari alla direzione di rotazione. Lo statore presenta bobine ad anello con elementi ferromagnetici ad U; il rotore presenta magneti permanenti. Lo schema monofase presenta: tre statori monofase più rotore ; con tre file di magneti opportunamente sfasate; magneti superficiali o con j concentratori di flusso; semplicità di avvolgimento (no flussi dispersi);; riduzione massa; difficile costruzione meccanica.

Segue ima breve descrizione delle figure rappresentanti la versione preferita della invenzione in oggetto.

La Fig. 1 mostra l'alternatore (1000) nel suo complesso e identifica la parte statorica e quella rotorica.

La Fig. 2 mostra le pile statoriche e rotoriche con la rappresentazione degli angoli di sfalsamento dei dischi rotorici e dell'allineamento assiale dei dischi rotorici.

La Fig. 3 mostra la distribuzione delle bobine in seno ai singoli dischi statorici e la disposizione alternata dei magneti in seno ai dischi rotolici. La Fig. 4 mostra il supporto dei dischi statorici.

La Fig. 5 mostra la sequenza polare (107) di bobine (102), la composizione delle bobine statoriche, la superficie cilindrica (601) di sezione, su cui giacciono gli assi (106) di avvolgimento delle bobine, il cui sviluppo viene utilizzato per raffigurare in Fig. 8 la rettificazione della sequenza polare (107) di bobine (102). La Fig. 6 mostra il collegamento a stella delle fasi di un singolo disco statorico.

La Fig. 7 mostra la sequenza polare (207) di magneti (202), l'orientamento del flusso magnetico principale del singolo magnete, la superficie cilindrica (601) di sezione, su cui giacciono gli assi (209) dei flussi magnetici dei magneti, il cui sviluppo viene utilizzato per raffigurare in Fig. 8 la rettificazione della sequenza polare (207) di magneti (202).

La Fig. 8 mostra la rettificazione della sequenza polare (107) di bobine (102) e la rettificazione della sequenza polare (207) di magneti (202) in seno all'alternatore (1000 ) al fine di visualizzare lo sfalsamento delle bobine statoriche.

La versione preferita della presente invenzione è un alternatore (1000) sincrono a flusso assiale (AFPM) costituito da ima pila statorica (100) comprendente una serie modulare di una o più lastre dischiformi identiche, impilate denominate dischi statorici (101), ciascuna recante in se stessa una sequenza polare (107) di bobine (102) identiche, in numero multiplo di tre, e da una pila rotorica (200) coassiale alla precedente comprendente due o più lastre dischiformi identiche impilate, denominate dischi rotorici (201), ciascuna recante una sequenza polare (207) di magneti (202) permanenti identici, in numero pari e diverso (maggiore o minore) dal numero delle bobine (102) contenute in ciascun disco statorico (101). Le bobine (102) statoriche presentano le spire disposte con asse (106) di avvolgimento orientato parallelamente all'asse (300) dell'altematore.

In seno a ciascun disco rotorico (201), ogni magnete (202) è disposto col suo flusso principale (209) orientato nel senso assiale e con i poli invertiti rispetto a quelli del magnete precedente. In seno alla pila di dischi rotorici (200) i singoli dischi rotorici sono disposti in posizione angolare allineata, nel senso che ogni magnete (202) di ciascun disco rotorico (201) è posizionato esattamente sopra il magnete omologo del disco rotorico successivo e con orientamento concorde del flusso magnetico principale. Tcile configurazione realizza una distribuzione polare di flussi magnetici assiali concatenati (232) alternati, in numero uguale al numero di magneti di ciascun disco rotorico, a partire dal disco rotorico di testa fino ad arrivare al disco rotorico di coda della pila retorica. Tra ciascun disco rotorico e il successivo è collocato un disco statorico (101) in modo che la rotazione della pila (100) di dischi rotorici, e quindi dei flussi magnetici assiali concatenati (232) alternati, provochi ima variazione del flusso magnetico concatenato in seno ai nuclei ferritici (105) delle bobine dei dischi statorici, provocando, in seno a ciascun disco statorico, la generazione di corrente elettrica alternata (701) a frequenza variabile, con frequenza funzione della velocità di rotazione. Due dischi statorici consecutivi hanno la stessa configurazione strutturale, ma il loro supporto (103) è tale da poter posizionare due dischi statorici (101) consecutivi in maniera che la loro posizione angolare non sia reciprocamente allineata in seno allo stesso asse (300).

Tale disposizione fa si che ciascuna bobina (102) è disposta in maniera sfalsata angolarmente rispetto all'omologa del disco statorico successivo, In tal maniera il nucleo ferritico (105) in asse a ciascuna bobina di un disco statorico instaura una attrazione reciproca con il flusso magnetico assiale concatenato (232) più prossimo. L'effetto di attrazione del singolo nucleo ferritico viene in parte annullato dalla attrazione in seno allo stesso flusso (232) subita dal nucleo ferritico della omologa bobina sfalsata perchè appartenente ad altro disco statorico.

Ciò provoca, quando i dischi rotolici sono in movimento, l’assenza di rilevanti fenomeni di azione frenante pulsante dovuti all'attrazione tra flussi magnetici assiali concatenati e nuclei ferritici delle bobine, tale assenza è ottenuta grazie al fatto che ciascuna bobina, in seno a tutta la pila statorica, è disposta in maniera angolarmente sfalsata rispetto a qualunque altra bobina. In tal maniera l'effetto frenante, relativo al superamento dell' allineamento assiale tra una bobina ed un flusso magnetico assiale concatenato (232), è compensato totalmente o in parte da un effetto accelerante esercitato dal raggiungimento dell'allineamento assiale tra ima bobina omologa e lo stesso flusso magnetico assiale concatenato.

L'alternatore (1000) a flusso assiale oggetto della presente invenzione elimina il predetto effetto frenante sia in fase statica che in fase dinamica. Infatti, quando i dischi rotolici sono fermi ed una causa esterna eccita il movimento rotazionale, l'assenza di rilevanti fenomeni di azione frenante dovuti all'attrazione tra flussi magnetici assiali concatenati (232) e nuclei ferritici (105) delle bobine (102), è tale da ridurre al minimo l'effetto di "attrito di primo distacco" che si impone come forza frenante all'innesco della rotazione stessa.

L'alternatore (1000) è configurato seguendo una tecnica costruttiva modulare di statori opportunamente impilati assialmente per cui la disposizione delle bobine omologhe risulta essere sfalsata. Si riesce ad ottenere, nella distribuzione statorica ottenuta, a dischi rotorici fermi, un punto morto caratterizzato da un equilibrio instabile tra forze di attrazione esercitate tra flussi magnetici assiali concatenati e nuclei ferritici delle bobine. Si riesce così ad ottenere, per alcuni flussi magnetici assiali concatenati, un effetto di attrazione in senso orario mentre per altri un effetto di attrazione in senso antiorario, in ima misura tale che i due effetti si annullino vicendevolmente, eliminando quasi totalmente l'inconveniente di effetto frenante a pila retorica (200) ferma. Ciò si traduce in una elevata riduzione delle resistenze passive a bassissimo numero di giri, ed in una assenza di rilevanti fenomeni di azione frenante pulsante, a rotazione avviata, con un forte aumento del rendimento complessivo della macchina. Le Figg. 1, 2 e 3 descrivono la presente invenzione nella sua configurazione preferita, comprendente un alternatore (1000) costituito da 5 dischi rotorici (201) (che vengono singolarmente indicati come R1,R2,R3,R4,R5) e 4 dischi statorici (101) (che vengono singolarmente indicati come S1,S2,S3,S4) Ognuno dei dischi rotorici è identico a quelli sottostanti ed è collocato in modo che i singoli magneti siano sovrapponibili, poiché hanno i flussi magnetici assiali concatenati (232).

Ciascun disco rotorico (201) porta magneti denominati come segue:

Ml= magnete (202) sul disco rotorico RI

Mll= magnete sul disco rotorico RI, occupante il primo posto.

Ciascun disco statorico porta bobine, in numero diverso da quello dei magneti denominate secondo il criterio che segue:

A = bobina che genera la fase A di ima corrente trifase.

Al= bobina di tipo A che si trova sul disco statorico SI

All= bobina di tipo A che si trova sul disco statorico SI e che occupa la posizione 1 di una sequenza di bobine collegate tra loro in serie.

Dalla Fig. 1 e dalla Fig. 8, facendo riferimento alla bobina A12, si vede che la sua omologa A22 del disco statorico S2 è posizionata con un certo discostamento dalla verticale relativa alla detta bobina A12. Del pari la bobina A32 rispetto alla A22. Del pari la bobina A42 rispetto alla A32. Ciò comporta, con riferimento allo statore SI ed alla bobina A12, che quando la pila rotorica (200) è ferma, alcune bobine presenteranno il proprio nucleo ferritico in modo da essere attirato verso destra dal flusso magnetico assiale concatenato (232) determinato dai magneti Mll, M21, M31, M41, M51, ma tale attrazione, che risulta inversamente proporzionale al quadrato della distanza tra l'asse del nucleo ferritico e l'asse del flusso magnetico concatenato, sarà annullata dalla attrazione che un'altra bobina riceverà verso sinistra dal flusso magnetico assiale concatenato (232) determinato dai magneti M12, M22, M32, M42, M52, a causa dello sfalsamento. Pertanto sarà evitato che un flusso magnetico concatenato vada reciprocamente a bloccarsi per attrazione su una serie di nuclei ferritici allineati di una pila di bobina perfettamente allineate (non oggetto di questa invenzione), causando il blocco dell'alternatore, o comunque un forte attrito di primo distacco al suo riavvio, o che, quando i dischi rotolici sono in movimento, si verifichino fenomeni di azione frenante pulsante dovuti all'attrazione tra flussi magnetici assiali concatenati e nuclei ferritici delle bobine. Tale inconveniente è impedito anche dal fatto che il numero dei magneti su un disco rotorico è diverso dal numero delle bobine con nucleo ferritico collocate su un disco statorico. Con riferimento al disco statorico SI le bobine ad esso applicate fanno parte dei gruppi di fase A, B e C. I gruppi di fase sono ottenuti alla seguente maniera: gruppo di fase A del disco statorico SI costituita dalle bobine denominate All, A12, A13 e A14, collegate tra di loro in serie ed avente un principio (401) ed una fine (501); gruppo di fase B del disco statorico SI costituita dalle bobine denominate Bll, B12, B13, B14, collegate tra di loro in serie ed avente un principio (402) ed ima fine (502); gruppo di fase C del disco statorico SI costituita dalle bobine denominate Cll, C12, C13, C14, collegate tra di loro in serie ed avente un principio (403) ed una fine (503). I singoli gruppi di fase (Fig. 6) vengono collegati tra loro mediante tipologia "a stella" unendo i finali (501, 502, 503) e producendo dai principi (401, 402, 403) la corrente alternata trifase (701), a frequenza variabile con il numero di giri della pila rotorica (200), successivamente raddrizzate con un "ponte raddrizzatore (303), alla cui uscita si ottiene corrente continua (304) a potenziale variabile. La descrizione di cui sopra vale analogamente anche per i dischi statorici S2, S3, S4.

La detta corrente continua (304) a potenziale variabile prodotta da SI va combinata con le analoghe correnti, prodotte dagli altri statori della pila. Tra le combinazioni possibili sono comprese le seguenti:

1. Combinando in serie il contributo di potenziale proveniente da SI, S2, S3, S4 ottenendo il potenziale "Va". Tale configurazione conferisce una bassissima velocità di cut-in tipica per utilizzo a basse velocità angolari, cioè quando la si utilizza l'alternatore per la produzione di energia elettrica da fonte eolica in zone caratterizzate da bassa ventosità e vento a raffiche.

2. Combinando il contributo proveniente da SI in serie con il contributo proveniente da S2 ottenendo il potenziale V12. Analogamente la corrente continua prodotta da S3 va combinata in serie con il contributo proveniente da S4 ottenendo il potenziale V34. I due potenziali V12 e V34 vengono combinati in parallelo, ottenendo il potenziale "Vb", così da raddoppiare l'intensità della corrente elettrica fruibile. Tale configurazione conferisce ima bassa velocità di cut-in ed ottimizza la macchina a tutti i regimi di utilizzo, cioè quando si utilizza l'alternatore per la produzione di energia elettrica da fonte eolica in zone a caratterizzate da vento costante e di media intensità.

3. Combinando in parallelo il contributo di potenziale proveniente da SI, S2, S3, S4 ottenendo il potenziale "Ve". Tale configurazione conferisce una elevata velocità di cut-in tipica per utilizzo ad alte velocità angolari, cioè quando la si utilizza l'alternatore per la produzione di energia elettrica da fonte eolica in zone a caratterizzate da vento di elevata intensità ed a raffiche.

La corrente continua ottenuta coi potenziali Va, Vb, Ve può essere sia regolata al fine di essere utilizzata per ricaricare batterie, sia convertita mediante apposito inverter in corrente alternata monofase utilizzata per le metodologie di "scambio sul posto" con il distributore di energia elettrica, Avendo descritto la versione preferita dell'invenzione, si precisa che si intende proteggere non soltanto a tale versione ma la protezione si estende a tutte le versioni realizzabili applicando le caratteristiche indicate, corne meglio precisato nelle rivendicazioni che seguono.

Claims (11)

1. RIVENDICAZIONI 1. Si rivendica l'alternatore (1000) (Figg. 1 e 2) comprendente: a. una pila statorica (100) comprendente una serie modulare di una o più lastre dischiformi impilate secondo l'asse (300), denominate dischi statorici (101), b. una pila rotorica (200) coassiale alla precedente pila statorica (100) comprendente una o più lastre dischiformi impilate, denominate dischi rotorici (201). Due dischi statorici (101) consecutivi hanno la stessa configurazione strutturale e ciascuno reca in se stesso una sequenza polare (107) di bobine (102), identiche tra loro. Le bobine (102) presentano le spire disposte con asse (106) di avvolgimento orientato parallelamente all'asse (300) dell'alternatore. Ciascuna delle dette bobine (102) comprende un avvolgimento (104) di materiale conduttore ed un nucleo ferritico (105) disposto in seno all'asse (106) dell'avvolgimento (104). Le dette bobine (102) di ciascun disco statorico (101) sono in numero multiplo di tre. Caratterizzato dal fatto che ciascun disco statorico (101) non risulta angolarmente allineato, in seno allo stesso asse (300), con nessun altro disco statorico (101) della stessa pila statorica (100) e quindi, ciascuna bobina (102), in seno a tutta la pila statorica (100), risulta disposta in maniera angolarmente sfalsata rispetto a qualunque altra bobina della pila statorica stessa.
2. 2. Alternatore come alla rivendicazione 1, in cui due dischi statorici (101) consecutivi abbiano un «ingoio (120) di relativo sfasamento in seno alla pila statorica (100) il cui valore risulta essere pari all'angolo (220) compreso tra due magneti (202) consecutivi di ciascun disco rotorico (201) diviso il numero di dischi statorici (101) statorici compresi nella pila statorica (200).
3. 3. Alternatore come alle rivendicazioni precedenti, tale che due dischi rotorici (201) consecutivi abbiano la stessa configurazione strutturale e che ciascuno di essi rechi una sequenza polare (207) di magneti (202) permanenti tra loro identici ed in numero pari così che ciascuno di essi è orientato con le polarità invertite rispetto al precedente ed è orientato con il proprio asse magnetico principale (206) parallelamente all'asse di rotazione (300) del disco rotorico.
4. 4. Alternatore come alle rivendicazioni precedenti, caratterizzato da dischi rotorici (201) comprendenti magneti in numero pari e diverso (maggiore o minore) dal numero delle bobine (102) contenute in ciascun disco statorico (101).
5. 5. Alternatore come alle rivendicazioni precedenti, comprendente dischi rotorici (201) disposti in posizione angolare allineata, nel senso che ogni magnete di ciascun disco rotorico è posizionato esattamente sopra il magnete omologo del disco statorico successivo e con orientamento concorde, realizzando così ima distribuzione polare (231) di flussi magnetici assiali concatenati (232) alternati, in numero uguale al numero di magneti di ciascuna serie polare (207) in seno a ciascun disco rotorico, a partire dal disco retorico di testa fino ad arrivare al disco retorico di coda della pila retorica (200).
6. 6. Alternatore come alle rivendicazioni precedenti, tale che tra ciascun disco rotorico (202) e il successivo è collocato un disco statorico (102) in modo che la rotazione della pila di dischi retorici, e quindi dei flussi magnetici assiali concatenati (210) alternati, provochi una variazione del flusso magnetico concatenato in seno ai nuclei ferritici delle bobine dei dischi statorici, provocando, in seno a ciascun disco statorico, la generazione di corrente elettrica alternata a frequenza variabile, con frequenza funzione della velocità di rotazione.
7. 7. Alternatore come alle rivendicazioni precedenti, tale che tra ciascun disco statorico (102) e il successivo è collocato un disco rotorico (202) in modo che la rotazione della pila di dischi retorici, e quindi dei flussi magnetici assiali concatenati (210) alternati, provochi una variazione del flusso magnetico concatenato in seno ai nuclei ferritici delle bobine dei dischi statorici, provocando, in seno a ciascun disco statorico, la generazione di corrente elettrica alternata a frequenza variabile, con frequenza funzione della velocità di rotazione. Alternatore come alle rivendicazioni precedenti, comprendente dischi statorici (101) in cui i le bobine sono suddivise in 3 gruppi di fase ciascuno di essi comprendente un numero di bobine uguale al numero di bobine costituenti la sequenza polare (107) diviso tre.
8. 8. Alternatore come alle rivendicazioni precedenti, in cui i tre gruppi di fase di ciascun disco statorico vengono combinati mediante collegamento a stella ottenendo una corrente alternata trifase (701) a frequenza variabile con il numero di giri della pila rotorica (200).
9. 9. Alternatore come alle rivendicazioni precedenti, in cui la corrente alternata trifase (701) prodotta da ciascun disco statorico viene trasformata in corrente continua (304) a potenziale variabile mediante un ponte raddrizzatore (303).
10. 10. Alternatore come alle rivendicazioni precedenti, in cui la corrente continua (304) a potenziale variabile di un disco statorico (101) viene combinata in serie con la corrente continua a potenziale variabile di un altro disco statorico (101) della stessa pila statorica (100).
11. 11. Alternatore come alle rivendicazione 10, in cui la corrente continua (304) a potenziale variabile di un disco statorico (101) viene combinata in parallelo con la corrente continua (304) a potenziale variabile di un altro disco statorico (101) della stessa pila statorica (100).