ITPD20100261A1 - Rotore a gabbia per motori asincroni - Google Patents

Description

ROTORE A GABBIA PER MOTORI ASINCRONI

D E S C R I Z I O N E

Campo di applicazione

La presente invenzione concerne un rotore a gabbia per motori asincroni, secondo il preambolo della rivendicazione indipendente.

Il rotore per motore asincrono, di cui trattasi, à ̈ destinato ad essere vantaggiosamente impiegato per una qualunque applicazione in cui sia, in particolare, richiesto l’impiego di motori altamente efficienti ovvero con rendimenti molto elevati.

Pertanto, la presente invenzione si inserisce nel settore dell’industria elettrotecnica di avanguardia.

Stato della tecnica

Nell’industria elettrotecnica della produzione di motori elettrici, à ̈ particolarmente sentita l’esigenza di ridurre il consumo energetico, anche allo scopo di soddisfare le normative di alcuni paesi che impongono l’innalzamento del rendimento dei motori.

Per raggiungere tale obiettivo, ovvero contenere le perdite ed aumentare il rendimento, i produttori di motori elettrici asincroni hanno riprogettato i propri motori tentando di limitare le diverse possibili perdite ovvero principalmente le perdite per effetto Joule nello statore e nel rotore, le perdite nel ferro dei lamierini e le perdite meccaniche. Le perdite nel ferro dello statore sono state in parte contenute attraverso l’impiego di lamierini in materiali magnetici a bassa cifra di perdita, mentre le perdite meccaniche sono state contenute migliorando le caratteristiche di scorrimento dei cuscinetti e l’efficienza della ventola di raffreddamento. Un contributo importante per la diminuzione delle perdite del motore asincrono sarebbe tuttavia principalmente fornito dal contenimento delle perdite rotoriche per effetto Joule, le quali sono proporzionali alla potenza trasmessa dallo statore al rotore.

In accordo con una ben nota soluzione realizzativa, a cui si riferisce la presente invenzione, il rotore à ̈ del tipo comprendente un pacco di lamierini, in particolare in ferro silicio, aventi la forma di corone circolari con ricavato un foro centrale per il passaggio dell’albero del motore, ed una pluralità di cave in corrispondenza del perimetro esterno. Le cave rotoriche sono destinate ad accogliere barre di materiale conduttore, solitamente di rame o di alluminio, le quali sono unite alle estremità sporgenti da due anelli frontali, anch’essi di materiale conduttore, ovvero solitamente di rame o di alluminio. L’avvolgimento rotorico à ̈ pertanto costituito, nel caso della tipologia di rotore a cui si riferisce la presente invenzione, da una pluralità di barre metalliche inserite nelle cave dei lamierini, unite in cortocircuito alle estremità da anelli conduttori in modo da formare una sorta di gabbia, denominata nel gergo tecnico del settore con l’espressione "gabbia di scoiattolo".

I collegamenti elettrici e meccanici tra le barre e gli anelli sono generalmente ottenuti mediante saldatura o ribattitura.

Al fine di contenere le spese del processo produttivo dei rotori del tipo sopra descritto, la suddetta gabbia à ̈ diversamente sempre più spesso realizzata integralmente, sia nelle barre che negli anelli, mediante un processo di pressofusione di alluminio o di una lega di alluminio.

Le perdite per effetto Joule nel rotore del tipo sopra indicato, sono quindi dovute alla resistenza elettrica della gabbia rotorica.

L’impiego di materiali a bassa resistività nella realizzazione della gabbia rotorica permette di ridurre le perdite per effetto Joule. Una soluzione comunemente adottata à ̈ di sostituire la pressofusione di alluminio (o di lega di alluminio) con una pressofusione di rame, materiale quest’ultimo che presenta notoriamente una resistività pari a circa la metà di quella della lega di alluminio.

La stessa pressofusione produce anche gli anelli frontali senza soluzione di continuità con le barre pressofuse nelle cave. La diminuzione della resistenza rotorica mediante l'utilizzo di rame comporta però l’inconveniente di un più difficoltoso avviamento del motore, dovuto all’aumento della corrente di spunto ed alla conseguente minore coppia di avviamento.

Un ulteriore inconveniente della pressofusione del rame risiede nei maggiori costi rispetto alla pressofusione dell'alluminio, per la più elevata temperatura necessaria nel processo di pressofusione.

Al fine di superare questi inconvenienti sono noti dai brevetti JP 2009-296761, JP 01-252144, JP 10-225034, JP 55-127868, JP 08-149768 e DE 4308683, rotori a gabbia in cui delle barre di rame vengono assialmente inserite con gioco all’interno delle cave rotoriche con le loro estremità sporgenti dalle cave. Quindi viene realizzata una pressofusione di alluminio che riempie lo spazio libero nelle cave formando una barra di alluminio pressofusa posta attorno o di fianco alla barra di rame. Tale soluzione si à ̈ dimostrata nella pratica non scevra di inconvenienti. Un inconveniente risiede nel fatto che le barre di rame necessitano di essere saldamente fermate nelle cave per non spostarsi durante le operazioni di pressofusione ad alta pressione e temperatura onde evitare un considerevole sbilanciamento meccanico del’intera struttura rotorica. Inoltre, durante la colata dell’alluminio sulle barre di rame (che possono essere costituite anche da una lega di rame) possono intervenire reazioni ovvero deformazioni indesiderate sulle barre stesse. All'avviamento à ̈ conveniente disporre un elevato valore di resistenza rotorica per favorire una elevata coppia di spunto associata ad una bassa corrente assorbita, mentre in marcia normale à ̈ conveniente un basso valore di resistenza rotorica, per favorire un basso scorrimento ed un elevato rendimento.

Per aumentare la coppia di spunto all’avviamento dei motori asincroni à ̈ noto impiegare rotori a doppia gabbia, ovvero provvisti di due gabbie coassiali, di cui una esterna ed una interna tra di loro poste in parallelo mediante gli anelli frontali. Le barre della gabbia esterna hanno sezione sensibilmente minore di quella interna e quindi con resistenza più alta.

All'avviamento, le frequenze rotoriche sono più alte (sostanzialmente uguali a quelle statoriche) e l'impedenza di ciascuna barra à ̈ principalmente determinata dalla componente reattiva proporzionale alla frequenza. Pertanto, all’avviamento, la gabbia interna ha una impedenza maggiore della gabbia esterna e di conseguenza la corrente rotorica circolerà prevalentemente nella gabbia esterna che, avendo elevata resistenza, favorisce le condizioni di avviamento con una elevata coppia di spunto. Mano a mano che l'avviamento del motore procede, le frequenze rotoriche diminuiscono fino a ridursi a pochi Hertz con carico nominale. Pertanto, l'impedenza di ciascuna barra à ̈ sempre più determinata dalla componente resistiva e, quindi, la gabbia esterna ha una impedenza che supera quella della gabbia interna e conseguentemente la corrente rotorica circola sempre più nella gabbia interna che, avendo bassa resistenza, favorisce le condizioni di marcia nominale.

Le cave delle due gabbie sono tra loro congiunte da feritoie, ottenute nel processo di stampaggio dei lamierini, che servono a limitare i flussi dispersi dalle correnti che circolano nella gabbia interna durante il normale funzionamento del rotore assorbendo potenza reattiva. Le cave delle due gabbie sono cioà ̈ unite e sono parte di un’unica cava avente come sezione la sezione delle due cave e la sezione della feritoia posta a collegamento tra le due cave. La gabbia interna, essendo molto più immersa nel ferro rotorico, à ̈ autoconcatenata con una maggior quantità di flusso disperso ed ha un coefficiente di autoinduzione molto maggiore.

I rotori a doppia gabbia, attualmente disponibili sul mercato non consentono tuttavia di raggiungere rendimenti elevati.

Presentazione dell’invenzione

In questa situazione, il problema alla base della presente invenzione à ̈ pertanto quello di ovviare agli inconvenienti manifestati dai rotori di tipo noto mettendo a disposizione un rotore a gabbia per motori asincroni, il quale consenta di ridurre le perdite rotoriche per effetto Joule consentendo al motore asincrono di raggiungere rendimenti elevati.

Un altro scopo della presente invenzione à ̈ quello di mettere a disposizione un rotore a gabbia per motori asincroni, il quale assorba una limitata corrente di spunto e sviluppi una elevata coppia di avviamento.

Un altro scopo della presente invenzione à ̈ quello di mettere a disposizione un rotore a gabbia per motori asincroni, il quale sia bilanciato meccanicamente, dotato di elevata rigidità e robustezza meccanica.

Un altro scopo della presente invenzione à ̈ quello di mettere a disposizione un rotore a gabbia per motori asincroni, il quale sia costruttivamente semplice ed operativamente del tutto affidabile.

Questi scopi ed altri ancora, vengono tutti raggiunti dal rotore a gabbia per motori asincroni, oggetto della presente invenzione secondo le rivendicazioni sottoriportate.

Breve descrizione dei disegni

Le caratteristiche tecniche dell’invenzione, secondo i suddetti scopi, sono chiaramente riscontrabili dal contenuto delle rivendicazioni sottoriportate ed i vantaggi dello stesso risulteranno maggiormente evidenti nella descrizione dettagliata che segue, fatta con riferimento ai disegni allegati, che ne rappresentano una forma di realizzazione puramente esemplificativa e non limitativa, in cui:

- la FIG.1 mostra una vista frontale di un particolare ingrandito del rotore a gabbia per motori asincroni oggetto della presente invenzione, relativo ad un lamierino del pacco rotorico;

- la FIG. 2 mostra una vista in sezione longitudinale, del rotore a gabbia per motori asincroni oggetto della presente invenzione passante per una cava del pacco rotorico.

Descrizione dettagliata di un esempio di realizzazione preferita Con riferimento agli uniti disegni à ̈ stata indicata nel suo complesso con un rotore a gabbia per motori asincroni oggetto della presente invenzione.

Il rotore 1, oggetto della presente invenzione, à ̈ destinato ad essere impiegato in un motore asincrono trifase comprendete, in modo di per sé del tutto tradizionale, uno statore ed un rotore montato coassialmente all’interno dello statore e da quest’ultimo separato attraverso un traferro.

Lo statore à ̈ costituito preferibilmente, in modo del tutto usuale, da una carcassa (ottenuta solitamente in lega leggera per pressofusione, per motori di piccola potenza ed in ghisa o in acciaio saldato per motori di grandi dimensioni), la quale contiene il un pacco di lamierini statorici, chiuso alle estremità da due scudi che supportano il rotore attraverso l’albero non illustrato.

Il pacco di lamierini dello statore à ̈ provvisto di una pluralità di cave che contengono, in modo noto, gli avvolgimenti statorici per la realizzazione delle tre fasi alimentate da una terna di tensioni sinusoidali sfasate di 120°.

La forma dello statore e dei relativi elementi non formano oggetto di specifica rivendicazione ed essi potranno variare notevolmente in funzione della potenza del motore e delle caratteristiche del progetto, in modo noto ad un tecnico del ramo.

Il pacco statorico à ̈ preferibilmente ottenuto, anch’esso in modo noto, con lamierini in materiale ferromagnetico a bassa cifra di perdita (ad esempio con lamierini in ferro e silicio isolati tra loro) per limitare le perdite nel materiale causate dalle correnti parassite. Il rotore 1 a sua volta comprende un pacco rotorico 2 formato anch’esso da una pluralità di lamierini 3 sovrapposti lungo una direzione di sviluppo assiale Y.

Dato che la frequenza rotorica à ̈ più piccola di quella statorica, le perdite per correnti parassite nel rotore 1, proporzionali al quadrato della frequenza, sono inferiori e di conseguenza i lamierini 3 che costituiscono il pacco rotorico 2 possono non essere isolati ed ottenuti in normali lamiere di materiale ferromagnetico. Diversamente, anch’essi possono essere ottenuti in un materiale ferromagnetico a bassa cifra di perdita per limitare le perdite dovute alle correnti parassite indotte nel pacco rotorico 2.

In modo di per sé tradizionale, i singoli lamierini 3 da impilare per realizzare il pacco rotorico 2, possono essere ricavati per stampaggio di fogli di lamiera (tranciatura con pressa) in un sol pezzo a forma di corona circolare oppure, specie per diametri del rotore 1 molto elevati, in settori circolari da assemblare accostati in fase di montaggio del rotore 1.

Ciascun lamierino 3 di rotore à ̈ inoltre provvisto di una cavità centrale 4 per l’inserimento dell’albero del motore (non rappresentato) e di una pluralità di prime aperture 5, le quali sono uniformemente distribuite in prossimità della sua circonferenza esterna ovvero in corrispondenza del traferro di separazione con lo statore.

Una volta formato il pacco rotorico 2 impilando i lamierini 3 uno sull’altro lungo la suddetta direzione di sviluppo assiale Y, parallela all’asse dell’albero motore, con la sovrapposizione della suddetta prima apertura 5, si viene a formare una corrispondente pluralità di prime cave longitudinali 6.

Queste ultime vengono occupate da una corrispondente pluralità di prime barre 7, ottenute in un primo materiale conduttore, ed unite alle estremità da anelli frontali 8 ottenuti nel medesimo materiale e disposti su piani ortogonali alla direzione assiale Y di sviluppo del pacco rotorico 2. Gli anelli frontali 8, o anelli di cortocircuito, sono funzionalmente destinati a porre in cortocircuito le fasi del rotore 1, collegando elettricamente le estremità delle prime barre 7.

In accordo con la presente invenzione, ed in modo di per sé noto, la pluralità di prime barre 7 e gli anelli frontali 8 sono ottenuti in corpo unico senza soluzione di continuità e rigidamente fissati tra loro mediante pressofusione.

Più in dettaglio, il pacco rotorico 2 viene pressato, preferibilmente in una pressa verticale, tra due stampi di estremità di cui almeno uno dotato di un condotto per l’iniezione di metallo fuso (alluminio o lega di alluminio) in pressione, che va ad occupare tutto lo spazio delle prime cave 6 in comunicazione con due scanalature anulari ricavate negli stampi ed atte a formare gli anelli frontali 8.

Secondo l’idea alla base della presente invenzione, il pacco rotorico 2 à ̈ provvisto di una pluralità di seconde cave 9, le quali sono ottenute con seconde aperture sagomate 10, distinte e separate dalle prime 5, ricavate nei singoli lamierini 3 e disposte radialmente in posizione più esterna rispetto alle prime aperture 5.

Le seconde cave 9, uniformemente distribuite sulla periferia del pacco rotorico 2, possono essere a seconda della potenza del motore o della specifica scelta progettuale di tipo chiuso, semichiuso o aperto.

Una volta formato il pacco rotorico 2 impilando i lamierini, lungo la direzione di sviluppo assiale Y e con la pluralità di seconde aperture sovrapposte, si viene a formare la corrispondente pluralità di seconde cave longitudinali 9 separate dalle prime 6.

In sostanza, dal punto di vista elettrico ogni cava di tipo tradizionale per l’alloggiamento dei conduttori rotorici, à ̈ realizzata, in accordo con la presente invenzione, da due fori di cui uno radialmente più esterno ed uno radialmente più interno ricavati nel pacco rotorico di lamierini.

Una pluralità di seconde barre 11, ottenute in un secondo materiale conduttore a maggiore conducibilità del primo, à ̈ alloggiata a misura mediante inserimento assiale entro le seconde cave 9, da cui le stesse seconde barre 11 sporgono con porzioni di estremità 11’ rigidamente fissate agli anelli frontali 8 mediante la stessa pressofusione che ha portato alla formazione di questi ultimi unitamente alle prime barre 7.

Le seconde barre 11 sono preferibilmente ottenute in rame o in una lega di rame, mentre le prime barre 7 e gli anelli frontali 8 sono ottenuti in un materiale che può essere agevolmente pressofuso quale l’alluminio od una lega di alluminio.

Le seconde barre 11 sono vantaggiosamente ottenute per estrusione e trafilatura e presentano una sezione controsagomata rispetto a quella delle seconde cave 9, in cui sono semplicemente posizionate prima della pressofusione dell’alluminio volta ad assiemare tra loro le prime e le seconde barre 7, 11 mediante gli anelli frontali 8.

Per agevolare l'avvitamento del motore e renderlo più silenzioso durante la marcia, le prime cave 6 e le seconde cave 9 del pacco rotorico 2 sono vantaggiosamente inclinate rispetto all'asse Y.

In accordo con una forma realizzativa preferenziale della presente invenzione, illustrata nelle allegate figure, le prime cave 6 hanno forma allungata in senso radiale la quale va rastremandosi verso l’asse di sviluppo Y del pacco rotorico 2.

Le prime cave 6 hanno inoltre una porzione esterna 6’ che à ̈ contraffacciata ad una corrispondente porzione interna 9’ delle seconde cave 9, previste come detto più esternamente alle prime cave 6. Le due porzioni contraffacciate 6’, 9’ sono tra loro separate da un ponte 12 ottenuto dalla sovrapposizione di elementi a ponte ricavati nello stampaggio dei singoli lamierini 3 che compongono il pacco rotorico 2.

La porzione esterna 6’ delle prime cave 6 e la porzione interna 9’ delle seconde cave 9 si sviluppano, nel tratto in cui sono contraffacciate, parallelamente tra loro per mantenere una larghezza sostanzialmente costante del ponte 12 atta a garantire un sufficiente flusso magnetico.

Per semplicità di comprensione le suddette porzioni 6’ e 9’, rispettivamente delle prime cave 6 e delle seconde cave 9, sono state indicate nella figura 1 ancorché quest’ultima si riferisca alla vista in pianta di un singolo lamierino 3. La sovrapposizione dei lamierini 3 produce attraverso le prime e le seconde aperture 5, 10 rispettivamente le prime e le seconde cave 6, 9 che sono state indicate ad una loro estremità nella stessa vista di figura 1.

Le seconde aperture 10 hanno preferibilmente forma circolare per alloggiare a misura le seconde barre 11 di rame di omologa forma circolare, che à ̈ facile da ottenere mediante i tradizionali processi di estrusione e trafilatura e quindi da reperire sul mercato a basso costo.

Corrispondentemente la porzione esterna 6’ delle prime cave 6 ha profilo arcuato esternamente concavo per mantenere sostanzialmente costante la sopra citata larghezza del ponte 12.

Il rotore 1 oggetto della presente invenzione consente di ottenere tra l’altro i vantaggi qui di seguito specificati.

Il contatto fra le seconde barre di rame 11 e le prime barre di pressofusione in alluminio 7 Ã ̈ limitato ai soli anelli frontali 8, dato che le barre 7, 11 sono tra loro radialmente separate dai ponti metallici 12 ricavati durante la tranciatura dei lamierini 3. Ogni barra in rame 11 si viene dunque a trovare riparata, lungo il suo sviluppo assiale, dalla colata ad alta temperatura e pressione che ha luogo durante il processo di pressofusione.

Il suddetto ponte metallico 12 che separa le prime 6 dalle seconde cave 9, aumenta la reattanza di dispersione rotorica limitando la corrente allo spunto del motore e mitigando così l'effetto della bassa resistenza rotorica ottenuta mediante l'utilizzo delle barre in rame 11.

Attraverso un dimensionamento del ponte metallico 12 à ̈ possibile agevolmente tarare il rapporto tra la resistenza e la reattanza del rotore 1 ottenendo così l'ottimale comportamento del motore anche nel punto di lavoro nominale.

Il trovato così concepito raggiunge pertanto gli scopi prefissi.

Ovviamente, esso potrà assumere, nella sua realizzazione pratica anche forme e configurazioni diverse da quella sopra illustrata senza che, per questo, si esca dal presente ambito di protezione.

Inoltre tutti i particolari potranno essere sostituiti da elementi tecnicamente equivalenti e le dimensioni, le forme ed i materiali impiegati potranno essere qualsiasi a seconda delle necessità.

Claims (9)

1. R I V E N D I C A Z I O N I 1. Rotore a gabbia per motori asincroni del tipo comprendente: - un pacco rotorico formato da una pluralità di lamierini sovrapposti lungo una direzione di sviluppo assiale (Y), provvisto di una pluralità di prime cave ottenute con prime aperture sagomate sostanzialmente sovrapposte ricavate nei singoli lamierini; - una pluralità di prime barre ottenute in un primo materiale conduttore, alloggiate entro dette prime cave; - due anelli frontali disposti su piani ortogonali a detta direzione di sviluppo assiale, ottenuti in detto primo materiale conduttore; detta pluralità di prime barre e detti anelli frontali essendo ottenuti in corpo unico, senza soluzione di continuità e rigidamente fissati tra loro, mediante pressofusione; caratterizzato dal fatto che: - detto pacco rotorico à ̈ provvisto di una pluralità di seconde cave ottenute con seconde aperture sagomate distinte e separate dalle prime aperture sagomate, sostanzialmente sovrapposte ricavate nei singoli lamierini e disposte radialmente in posizione più esterna rispetto a dette prime aperture sagomate; - una pluralità di seconde barre ottenute in un secondo materiale conduttore a conducibilità maggiore del primo materiale, à ̈ alloggiata a misura entro dette seconde cave, da cui sporge con porzioni di estremità rigidamente fissate a detti anelli mediante detta pressofusione di questi ultimi.
2. 2. Rotore a gabbia per motori asincroni secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che dette seconde barre sono ottenute in rame od in una lega di rame.
3. 3. Rotore a gabbia per motori asincroni secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che dette prime barre e detti anelli frontali sono ottenuti in alluminio od in una lega di alluminio.
4. 4. Rotore a gabbia per motori asincroni secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che dette seconde barre sono ottenute per estrusione e trafilatura con sezione controsagomata rispetto a quella di dette seconde cave.
5. 5. Rotore a gabbia per motori asincroni secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che la sezione di dette seconde barre à ̈ circolare.
6. 6. Rotore a gabbia per motori asincroni secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che dette prime cave hanno forma allungata in senso radiale.
7. 7. Rotore a gabbia per motori asincroni secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che dette prime cave hanno forma radialmente rastremata verso l’asse (Y) di detto pacco rotorico.
8. 8. Rotore a gabbia per motori asincroni secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che dette prime cave hanno una porzione esterna contraffacciata ad una corrispondente porzione interna di dette seconde cave, separata da quest’ultima mediante un ponte di detto pacco rotorico, la porzione esterna di dette prime cave e la porzione interna di dette seconde cave sviluppandosi parallelamente tra loro per mantenere una larghezza sostanzialmente costante di detto ponte.
9. 9. Rotore a gabbia per motori asincroni secondo le rivendicazioni 5 e 8, caratterizzato dal fatto che la porzione esterna di dette prime cave ha profilo arcuato ed esternamente concavo.