ITPN20120005A1 - Motore elettrico a magneti permanenti con rotore perfezionato - Google Patents

Description

«MOTORE ELETTRICO A MAGNETI PERMANENTI CON ROTORE

PERFEZIONATO»

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda un motore elettrico a magneti permanenti, comprendente uno statore esterno ed un rotore interno, in cui detto rotore comprende sostanzialmente un pacco di lamierini ferromagnetici (pacco rotorico) in cui vengono disposti una pluralità di elementi magnetici o magnetizzati atti ad inter-agire magneticamente con gli avvolgimenti elettrici applicati allo statore.

E’ noto che tali tipi di motori elettrici, nella configurazione più convenzionale, presentano un particolare inconveniente che à ̈ intrinseco alla loro natura costruttiva; tale inconveniente consiste nel fatto che il rotore tende a muoversi a scatto quando viene trascinato in rotazione con gli avvolgimenti statorici non elettricamente alimentati, e ciò provoca qualche problema di allineamento del rotore. (Cogging torque)

Inoltre durante il funzionamento del motore si generano delle vibrazioni e conseguente rumorosità continua, cosa che notoriamente à ̈ altamente sgradita quando detti motori sono impiegati nell’ambiente domestico, come ad esempio nella macchine lavatrici o lavastoviglie domestiche.

Dal brevetto WO 2009/098172 à ̈ noto realizzare un motore a magneti permanenti atto a ridurre l’inconveniente descritto; la soluzione ivi identificata consiste nel sagomare in modo opportuno sia il profilo esterno del pacco rotorico, in corrispondenza delle porzioni di questo in cui sono alloggiate gli elementi magnetici, sia la sezione degli stessi elementi magnetici.

Benché migliorativa, tale soluzione tuttavia non risolve in modo completo il problema indicato; ed inoltre presenta l’inconveniente che, essendo detto motore un elemento realizzabile in modo modulare, esso privilegia le tecniche costruttive per realizzare una intera gamma di motori, piuttosto che ottimizzare un singolo tipo di motore.

Dai due brevetti US 2004/0041486 e US 2004/0041489 sono noti due tipi di motori elettrici a magneti permanenti che tendono a superare le seguenti difficoltà: il primo di tali brevetti mira a produrre un motore che presenta un modestissimo livello di vibrazione (chattering), ma che tuttavia eroga una modesta coppia motrice, ed anche con un rendimento limitato.

Il secondo di tali brevetti presenta caratteristiche sostanzialmente inverse, e cioà ̈ presenta una elevata coppia motrice, ma non riduce in modo significativo il fenomeno della vibrazione.

E' quindi scopo principale della presente invenzione poter realizzare un motore elettrico a magneti permanenti, in cui possano coesistere in modo vantaggioso sia la sua semplicità costruttiva con la capacità di erogare elevate coppie motrici, e di sostanzialmente eliminare la vibrazione e quindi la rumorosità tipiche per questo tipo di motore.

Tale motore deve essere realizzabile con materiali e tecnologie liberamente disponibili, ed assicurare un risultato sicuro e facilmente praticabile.

Questo ed altri scopi sono raggiunti da un motore elettrico a magneti permanenti realizzato e funzionante secondo le rivendicazioni allegate.

Caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risulteranno evidenti dalla descrizione che segue, a titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, in cui:

ï‚· la Figura 1 mostra una vista in esploso ed in prospettiva esterna di un motore elettrico di tipo generale, e che quindi comprende anche il tipo a magneti permanenti,

ï‚· la Fig. 2 mostra una sezione del motore di Fig. 1 secondo un piano passante per l'asse di rotazione dell'albero del rotore,

 la Fig. 3 mostra una vista in sezione riferita al piano di sezione B-B di fig. 2, ortogonale all’asse di rotazione dell’albero di rotazione,

ï‚· la Figura 4 mostra un ingrandimento di una porzione delimitata della sezione di Fig. 3,

ï‚· la Fig.5 Ã ̈ una vista ulteriormente ingrandita di una zona specifica della fig.4,

ï‚· la Fig. 6 à ̈ una vista simile alla Fig. 4 ma, allo scopo di à ̈ fornire maggiore chiarezza, viene qui utilizzata per fornire differenti indicazioni.

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Con riferimento alle Figure, un motore elettrico a magneti permanenti secondo l’invenzione comprende:

- uno statore 1 di forma sostanzialmente cilindrica e dotato di una pluralità di polarità ferromagnetiche, e realizzato mediante un pacco statorico comprendente una pluralità di lamierini ferro-magnetici impaccati e disposti in modo da essere ortogonali ad un asse centrale (X), che nel presente caso coincide con l’asse di rotazione del rotore,

- un rotore 2 di forma sostanzialmente cilindrica, realizzato mediante un pacco rotorico comprendente una pluralità di lamierini ferro-magnetici impaccati e disposti in modo da essere ortogonali a detto stesso asse centrale (X), detto rotore essendo applicato all’interno di detto statore, e comprendente una pluralità di sedi 30, 31, 32… disposte all’interno di detto pacco rotorico, sostanzialmente di forma ribassata ed orientate in senso parallelo a detto asse centrale (X), distribuite in modo perimetrale nelle vicinanze della superficie esterna 3 di detto rotore, ed atte ad alloggiare una rispettiva pluralità di magneti permanenti 41, 42….

La struttura generale di detto motore, composta da un rotore che ruota all’interno dello statore, à ̈ del tutto nota, e non particolarmente rilevante agli effetti dell’invenzione.

Infatti questa si riferisce specificamente ad alcune caratteristiche costruttive, in particolare ad alcuni angoli e/o rapporti tra angoli, e ad alcune dimensioni e/o rapporti tra dimensioni che vengono realizzate nel motore dell’invenzione e che sono meglio osservabili sezionando con il piano di sezione “B-B†ortogonale a detto asse centrale X, sia il rotore che lo statore.

Le caratteristiche dell’invenzione sono particolarmente bene definibili osservando i disegni delle due sezioni, cioà ̈ dello statore e del rotore, così ottenute.

AVVERTENZA: Pertanto, per maggior chiarezza e semplicità, nel seguito della descrizione e delle relative rivendicazioni ci si riferirà alle caratteristiche illustrate nelle due Figure 4 e 5 che rappresentano appunto dette sezioni, rimanendo inteso che quanto verrà spiegato e rivendicato dovrà essere riferito ed esteso all’intera struttura materiale del motore, e cioà ̈ nelle sue tre dimensioni, relative sia al rotore che allo statore.

Tale semplificazione viene data al solo scopo di consentire una maggiore chiarezza della descrizione, e pertanto si assume che questa sia intesa, dal normale tecnico del settore, come:

- non limitativa dell’invenzione,

- ed inequivocabilmente riferibile all’intera struttura materiale del motore, riferita alle tre dimensioni.

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Secondo l’invenzione, il perimetro esterno del pacco rotorico à ̈ formato da una pluralità di lobi sporgenti 6a, 6b, 6c…, tra loro identici, alternati ad una rispettiva pluralità di identiche porzioni rientranti 7a, 7b, 7c,….

Ciascuno di detti lobi sporgenti delimita, insieme a detto asse centrale X, un rispettivo settore angolare entro il quale à ̈ contenuta una rispettiva di dette sedi 30, 31, 32, e presenta un rispettivo profilo esterno, indicato dalla stessa numerazione (vedi Fig. 4).

Con riferimento al lobo 6a, esso definisce un angolo meccanico “AG†avente per vertice detto asse centrale “X†e per due lati i segmenti 10, 11 che congiungono detto asse “X†alle due opposte estremità 13, 14 del rispettivo lobo 6a.

Per quanto appena spiegato sopra, detto asse centrale “X†viene rappresentato con il relativo vertice; pertanto d’ora in poi ci si riferirà a detto asse centrale solo citando il rispettivo vertice, che verrà indicato con lo stesso simbolo “X†, e che costituisce l’intersezione di detto asse con un piano perpendicolare ad esso.

Per la costruzione di detto lobo, si seguano le seguenti istruzioni:

1) Si tracci da detto vertice “X†la bisettrice “B†che intercetta il cerchio “C†che iscrive i lamierini del rotore; detta bisettrice delimita ai suoi lati due semi-lobi 6a-1 e 6a-2 simmetrici a detta bisettrice “B†;

2) Si traccino ora i due archi di cerchio 20, 21 /Fig. 5), in cui ciascun arco à ̈ centrato su un rispettivo centro O-1, O-2 simmetrico rispetto alla rispettiva bisettrice; ciascuno di detti centri à ̈ quindi compreso all’interno di un rispettivo di detti lobi 6a-1 e 6a-2.

Inoltre i due archi di cerchio 20, 21 vengono determinati in modo simmetrico alla bisettrice “B†(Fig.5), e pertanto presentano un raggio uguale.

3) Viene infine determinata la retta “t†ortogonale a detta bisettrice “B†e tangente a detti due archi di cerchio 20, 21; questi pertanto vengono determinati in modo da intercettare ma non superare detta retta “t†in rispettivo punto N-1, N-2, come risulta chiaramente nella Figura 5.

Tra detti punti N-1, N-2 sulla retta “t†viene quindi definito il segmento tangente 25.

4) Viene quindi determinato il profilo esterno di ciascuno lobo, risultante dalla composizione di:

- detti due archi di cerchio 20, 21 in cui ciascun arco à ̈ centrato su un rispettivo centro O-1, O-2 compreso all’interno di detto angolo meccanico “AG†e simmetrico rispetto alla rispettiva bisettrice “B†,

- il segmento 25 tangente a detti due archi di cerchio 20, 21 e compreso tra i rispettivi punti di tangenza N-1, N-2.

Con le precedenti informazioni l’esperto del settore à ̈ facilmente in grado di individuare, con facili sperimentazioni, una posizione circa ottimale per detti centri O-1, O-2 e per il raggio di detti archi di cerchio 20, 21 in modo da conseguire una significativa riduzione degli inconvenienti sopra segnalati.

Tuttavia sono stati individuati con relativa precisione alcuni vantaggiosi perfezionamenti dell’invenzione:

- in un primo perfezionamento, ciascuno di detti centri O-1, O-2 presenta le seguenti coordinate, rispetto a detta bisettrice “B†:

P(x) = 4∠. (R+ gap)/ (24,514 . 2pm) ove:

- P(x) à ̈ la distanza di ciascuno di detti punti O-1, O-2 da detta bisettrice “B†, - R à ̈ il raggio del cerchio “C†con centro su “X†e che iscrive i lamierini del rotore; - gap à ̈ la distanza minima del rotore dallo statore, e cioà ̈ à ̈ la differenza tra il raggio interno Rs dello statore e detto raggio “C†.

Detto gap quindi rappresenta l’intervallo che separa radialmente detto cerchio “C†dal profilo interno dello statore; detto gap viene scelto arbitrariamente, sulla base dei vincoli e limitazioni costruttive.

- p à ̈ il numero di coppie polari (cioà ̈ à ̈ la metà del numero di magneti permanenti), - m à ̈ il numero delle fasi dell’alimentazione elettrica.

Per quanto riguarda la seconda coordinata di detti due punti O-1, O-2, Ã ̈ stato individuato il relativo valore, come segue

P(y) = R/m ove:

- P(y) à ̈ la distanza della proiezione “K†di ciascuno di detti punti O-1, O-2 su detta bisettrice “B†, da detto vertice “X†,

- R Ã ̈ il raggio che inscrive il rotore.

Risulta quindi che il raggio “RL†di detti semi-lobi 20, 21 à ̈:

RL = (Rs-gap) –

dove Rs à ̈ il diametro interno dello statore, come illustrato in Fig.5.

E’ altresì noto che detta distanza “gap†deve essere quanto minore possibile, e quindi essa viene delimitata sostanzialmente da vincoli di tipo costruttivo, e pertanto viene automaticamente e subito definito dal costruttore del motore.

Per quanto riguarda l’ampiezza dell’angolo “AG†del lobo in costruzione, si consideri che tutti detti lobi sono adiacenti, e pertanto ciascun lobo à ̈ tale che dove termina un lobo ne comincia quello successivo.

Pertanto se “p†à ̈ il numero di coppie polari, il numero di lobi à ̈ naturalmente uguale a: 2p.

Ed in definitiva ciascun lobo presenta un angolo AG al vertice “X†uguale a:

AG =360°/2p.

E pertanto la definizione della geometria esterna del rotore viene così esattamente definita.

Naturalmente le indicazioni sopra fornite non devono essere intese in senso assoluto; infatti à ̈ stato vantaggiosamente rilevato che si possono ottenere prestazioni ancora soddisfacenti se le coordinate P(x) e P(y), ed anche il raggio RL, permangono entro tolleranze del ± 15% dal loro valore nominale sopra definito.

E quindi risulta che, per costruzione, detto asse “B†diventa la bisettrice di detto angolo “G†.

In un ulteriore perfezionamento, e con riferimento alla Fig. 6, dette sedi 30, 31, … presentano una sezione sostanzialmente ribassata, così che anche i relativi magneti 41, 42…. presentano una sezione del tutto simile.

In questo caso, si considerino le rispettive rette mediane 41a, 42a,… tracciate nello spessore dei rispettivi magneti.

Ciascuna di dette mediane naturalmente intercetta i bordi laterali del relativo magnete in due corrispondenti punti: se consideriamo il magnete 41, la rispettiva mediana 41a, ortogonale a detta bisettrice “B†, intercetta detti bordi laterali in due rispettivi punti 41-1 e 41-2.

E’ risultato che una ottimale definizione della larghezza di detto magnete 41 si ottiene se l’angolo “N†al vertice “X†sotteso tra detti due punti 41-1 e 41-2 à ̈:

N = 100°/ p , ove p naturalmente rappresenta il numero di coppie polari.

Anche nel presente caso il valore di “N†può vantaggiosamente variare entro tolleranze del ± 15% dal valore nominale sopra definito.

E’ stato inoltre sperimentato che, con riferimento alla Fig. 4, un ulteriore perfezionamento viene ottenuto se anche la larghezza minima “So†(Slot opening) tra le porzioni più interne e tra loro affacciate “Ca†e “Cb†di cave adiacenti dello statore viene dimensionata sulla base della seguente relazione:

So = 4∠. (R+ gap)/(3,846 . 2pm)

ove i simboli introdotti sono stati sopra definiti.

In questo modo sia una caratteristica dimensionale del rotore, e cioà ̈ detto P(x), sia una caratteristica dimensionale dello statore, e cioà ̈ detto “So†vengono messe in relazione tra loro, nel senso che entrambe sono rese direttamente proporzionali al raggio dello statore (R+ gap).

Anche nel presente caso il valore di “So†può vantaggiosamente variare entro tolleranze del ± 15% dal valore nominale sopra definito.

Inoltre à ̈ stato anche determinato che il valore ottimale del parametro “g†, che individua il gap tra che separa radialmente detta circonferenza “C†dal profilo esterno del rotore, deve essere inferiore a 0, 5 mm.

Claims (7)

1. «MOTORE ELETTRICO A MAGNETI PERMANENTI CON ROTORE PERFEZIONATO» RIVENDICAZIONI MODIFICATE 1) Motore elettrico a magneti permanenti, comprendente: - uno statore (1) dotato di una pluralità di polarità ferromagnetiche, e realizzato mediante un pacco statorico comprendente una pluralità di lamierini ferromagnetici impaccati e disposti in modo da essere ortogonali ad un asse centrale (X), - un rotore (2) realizzato mediante un pacco rotorico comprendente una pluralità di lamierini ferro-magnetici impaccati e disposti in modo da essere ortogonali a detto stesso asse centrale (X), detto rotore essendo applicato all’interno di detto statore, - e comprendente una pluralità di sedi (30, 31,…) disposte all’interno di detto pacco rotorico, sostanzialmente di forma ribassata ed orientate in senso parallelo a detto asse centrale (X), distribuite in modo perimetrale nelle immediate vicinanze della superficie esterna di detto rotore, ed atte ad alloggiare una rispettiva pluralità di magneti permanenti (41, 42…), in cui il perimetro esterno del pacco rotorico à ̈ formato da una pluralità di lobi sporgenti (6a, 6b, 6c ….) alternati ad una rispettiva pluralità di porzioni rientranti (7a, 7b, 7c…), ed in cui detti lobi sporgenti sono simmetrici rispetto ad una rispettive bisettrice (B) detti due rispettivi centri (O-1, O-2) essendo distinti tra loro, e separati dalla bisettrice (B) del relativo lobo (6a) rispetto alla quale sono simmetrici, passante per detto asse centrale (X), - ciascuno di detti lobi sporgenti essendo iscritto all’interno di una circonferenza centrata su detto asse (X), ed ortogonale a questa, caratterizzato dal fatto che: ï‚· ciascuno di detti lobi sporgenti (6a, 6b, 6c…) delimita, insieme a detto asse centrale (X) un rispettivo settore angolare entro il quale e’ contenuta una rispettiva di dette sedi (30, 31, 32…), ï‚· ciascuno di detti lobi sporgenti (6a, 6b, 6c…) presenta un profilo esterno risultante dalla composizione di: - due archi di cerchio (20, 21), aventi il medesimo raggio, ed in cui ciascun arco à ̈ centrato su un rispettivo centro (O-1, O-2) compreso all’interno dell’area del rispettivo settore angolare e simmetrico rispetto alla rispettiva bisettrice (B), detti due archi, - ed il segmento (25) tangente a detti due archi di cerchio (20, 21) e compreso tra i rispettivi punti di tangenza (N1, N2).
2. 2) Motore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti centri (O-1, O-2) presentano coordinate, rispetto alla rispettiva detta bisettrice (B), determinate come segue: la distanza ((P(X)) di detti centri dalla rispettiva bisettrice (B) à ̈ data dalla seguente relazione: P(x) = 4∠. (R+ gap)/ (24,514 . 2pm) ± 15% dove i simboli utilizzati sono definiti nella descrizione allegata.
3. 3) Motore secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detti centri (O-1, O-2) presentano coordinate, rispetto alla rispettiva detta bisettrice (B), determinate come segue:- la distanza ((P(Y)) della proiezione (K) su detta bisettrice (B) di detti centri (O-1, O-2) da detto asse (X) Ã ̈ data dalla seguente relazione: P(y) = R/m ± 15%, dove i simboli utilizzati sono definiti nella descrizione allegata.
4. 4) Motore secondo la rivendicazione 2 oppure 3, caratterizzato dal fatto che il raggio (RL) di detti archi di cerchio (20, 21) centrati su detti centri (O-1, O-2) à ̈ uguale a: RL = [ (Rs-gap) – ± 15%, dove i simboli utilizzati sono definiti nella descrizione allegata.
5. 5) Motore secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che tutti detti lobi sporgenti sono uguali tra loro, come lo sono le relative porzioni rientranti, e dove termina un lobo inizia il lobo successivo, di modo che l’ampiezza su detto asse centrale (X) dell’angolo “AG†di un lobo qualsiasi presenta una ampiezza, in gradi, definita da: AG = 360°/2p.
6. 6) Motore secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti magneti (41, 42…) presentano una sezione ribassata, e che l’angolo (N) sotteso a detto asse centrale (X) e passante per le intersezioni (41-1, 41-2,--- 42-1, 42-2..) tra la rispettiva linea mediana (41a -- 42a) ed i bordi laterali del rispettivo magnete, presenta una ampiezza (N): N = 100°/p ± 15% .
7. 7) Motore secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la larghezza minima “So†(Slot opening) tra le porzioni più interne e tra loro affacciate (“Ca†, “Cb†) di cave adiacenti dello statore viene dimensionata sulla base della seguente relazione: So = 4∠. (R+ gap) / (3,846 . 2pm) ± 15% 8) Motore secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la distanza massima dell’intervallo (gap) tra detto statore e detto rotore à ̈ di 0,5 mm. * * * * *