ITRM950023A1

ITRM950023A1 - Macchina elettrica a flusso assiale, utilizzabile con propulsore elettrico e generatore di energia elettrica.

Info

Publication number: ITRM950023A1
Application number: IT95RM000023A
Authority: IT
Inventors: Federico Caricchi
Original assignee: Univ Roma
Priority date: 1995-01-12
Filing date: 1995-01-12
Publication date: 1996-07-12
Also published as: IT1278457B1; ITRM950023A0; WO1996021965A1; AU4354896A

Abstract

Macchina elettrica a flusso assiale utilizzabile come propulsore elettrico per veicoli e come generatore di energia elettrica, caratterizzata dal fatto che consiste essenzialmente dei seguenti componenti: - un nucleo statorico (14) a struttura lamellare; - un avvolgimento statorico (15) costituito da una pluralità di singole bobine (15A, 15B.....) composte da più spire di un conduttore isolato, avvolte intorno a detto nucleo statorico (14); - una coppia di dischi rotorici (10A, 10B) realizzati in acciaio con buone caratteristiche magnetiche, connessi insieme distanziati assialmente in modo da contenere nel loro interno detto nucleo statorico (14) con relativo avvolgimento (15); - una pluralità di magneti permanenti (13) disposti in modo da formare poli della forma desiderata, incollati sulle superfici interne di detti dischi rotorici (10A, 10B). in posizioni affacciate a detto avvolgimento statorico (15), detti magneti essendo disposti con polarità omonima affacciata e magnetizzati in direzione assiale.

Description

DESCRIZIONE

a coredo di una domanda di Brevetto d'invenzione avente per titolo: " MACCHINA ELETTRICA A FLUSSO ASSIALE, UTILIZZABILE COME PROPULSORE ELETTRICO PER VEICOLO E GENERATORE DI ENERGIA ELETTRICA"

La presente invenzione si riferisce in generale alle macchine elettriche a flusso assiale e verrà descritta con particolare riferimento ai motori elettrici utilizzati in propulsione ed in modo specifico ma non limitativo ad un motore elettrico a flusso assiale adatto alla propulsione di veicoli.

Nella propulsione di veicoli elettrici vengono generalmente impiegati motori elettrici tradizionali in luogo del motore termico mantenendo pressoché invariato il sistema di trasmissione fra il motore e le ruote. Tale sistema di trasmissione comprende ingranaggi, giunti, alberi e tutto ciò che è necessario per trasmettere la potenza erogata dal motore alle ruote motrici. La presenza di tali organi è dettata non solo dalla ubicazione del motore rispetto alle mote motrici (alberi giunti etc.) ma anche dalle diverse caratteristiche meccaniche, come coppia e velocità di rotazione, dei motore rispetto a quelle richieste dalle ruote (cambio di velocità). I motori elettrici tradizionali presentano caratteristiche meccaniche assimilabili a quelle di un motore termico; infatti, a pari potenza erogata, la coppia all’albero e la velocità di rotazione sono grandezze confrontabili fra i due tipi di propulsore. Per esempio un apparato termico propulsore da 30 kW (40 CV), tipico di un veicolo di piccole dimensioni, fornisce una coppia di circa 50 Nm a 5500 rpm, facilmente ottenibile anche con un motore elettrico tradizionale. La stessa potenza di 30 kW viene trasmessa alle ruote imprimendo una coppia di circa 250 Nm a 1100 rpm attraverso gli organi riduttori. Utilizzando quindi un sistema di propulsione tradizionale è necessario “adattare”, mediante gli organi di trasmissione, le caratteristiche meccaniche dell'apparato motore a quelle dell’utilizzatore (ruote motrici). Il sistema di trasmissione composto dal cambio, dagli alberi di trasmissione, dai giunti, dal differenziale etc., è in generale complesso e oltre a dare luogo a perdite di potenza, introduce pesi ed ingombri che, soprattutto in un veicolo elettrico, debbono essere assai contenuti.

Il sistema di propulsione proposto utilizza motori elettrici di nuova concezione direttamente accoppiati alle ruote motrici ed alloggiati all’interno del cerchione stesso. La particolare struttura di questi motori consente di ottenere elevati valori di coppia con pesi contenuti dei materiali e di erogare la coppia richiesta dalla ruota motrice con la macchina alloggiata all'interno di essa. Tale soluzione presenta notevoli vantaggi rispetto ad una tradizionale, grazie alla eliminazione di ogni organo di trasmissione normalmente interposto fra motore e ruota motrice, con la conseguente riduzione dei pesi e degli ingombri e l’aumento del rendimento dell’apparato di propulsione.

Il motore elettrico in oggetto è una macchina sincrona trifase a magneti permanenti a flusso assiale, indicata nei seguito semplicemente come macchina a flusso assiale. Da un punto di vista elettromagnetico la macchina a flusso assiale si differenzia da quelle sincrone con struttura tradizionale per la direzione del flusso magnetico che risulta essere assiale invece che radiale; a causa di questa differenza la macchina presenta uno sviluppo radiale molto pronunciato rispetto a quello assiale.

L’utilizzo di magneti permanenti per la generazione del campo magnetico induttore, in luogo dei poli di eccitazione, permette sia di eliminare gli inconvenienti legati al collettore ad anelli, sia di diminuire il peso e le perdite per l'assenza dell 'avvolgimento di eccitazione. I considerevoli valori di coppia specifica (coppia/peso dei materiali attivi) che caratterizzano la macchina a flusso assiale, la diminuzione di peso ed il forte sviluppo di nuovi materiali, quali le leghe di ferro amorfo per la realizzazione del circuito magnetico ed i magneti a base di terre rare per il circuito di eccitazione, fanno ben sperare in un pronto e felice ingresso della macchina a flusso assiale secondo l’invenzione in diversi settori industriali.

Ulteriori particolarità e vantaggi della presente invenzione appariranno evidenti dal seguito della descrizione con riferimento ai disegni allegati, in cui è rappresentata a titolo illustrativo e non restrittivo la preferita forma di realizzazione.

Nei disegni:

la Figura 1 mostra una vista in sezione parziale di un motore a flusso assiale secondo la presente invenzione incorporato nella ruota di un veicolo,

la Figura 2 mostra una vista frontale (assiale) di un disco retorico del motore della Figura 1,

la Figura 3 mostra una vista frontale del disco rotorico dal lato dei magneti permanenti,

la Figura 3A mostra una vista di taglio del disco rotorico, la Figura 36 mostra una vista di taglio del disco rotorico in sezione lungo la linea A -A della Figura 3,

la Figura 4 mostra una vista frontale del nucleo statorico con alcune bobine,

la Figura 5 mostra una vista del particolare di un polo, la Figura 5A mostra una vista in sezione lungo la linea A -A della Figura 5,

la Figura 6 mostra una vista del particolare di una bobina, la Figura 6A mostra una vista in sezione lungo la linea A - A della Figura 6.

Con riferimento ora alle Figure, si vede che il motore elettrico a flusso assiale secondo la presente invenzione è composto da una parte fissa o statore e da una parte mobile o rotore.

Il rotore è costituito da due dischi 10A, 10B di ferro massiccio resi solidali per mezzo di una ghiera periferica 11 : la coppia generata viene trasmessa al carico rendendo solidale un disco rotorico 10A alla ruota 12 del veicolo. I dischi rotorici 10A, 10B hanno il compito di supportare i magneti permanenti 13 che sono disposti con polarità omonima affacciata e sono magnetizzati in direzione assiale.

Tra i dischi rotorìci 10A e 10B è posto il nucleo magnetico statorico 14, costituito da un nastro di lamierino magnetico avvolto a spirale in modo da formare una struttura toroidale. La direzione della laminazione tiene conto dell’andamento del flusso magnetico nello statore, il quale viene investito assialmente, per poi essere attraversato secondo percorsi concentrici. Lo statore, oltre a costituire il circuito di richiusura del flusso magnetico, ha anche la funzione di supportare ravvolgimento di indotto, che è l'unico avvolgimento presente nella macchini dato che non è presente alcun avvolgimento di eccitazione. L’awoigimento è formato da bobine 15 a passo diametrale, avvolte intorno al nucleo toroidale 14 ed è completamente incapsulato con resina epossidica 16 che, oltre alle funzioni note, conferisce alla macchina semplicità e compattezza.

Il complesso di statore 14, 15, 16 è supportato tra i due dischi rotorici 10A, 10B mediante due cuscinetti assiali 17.

PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO.

L’interazione tra il campo magnetico a direzione assiale, creato dai magneti permanenti 13, e la corrente che percorre le bobine 15 disposte in senso radiale, dà luogo ad una forza tangenziale che genera la coppia elettromagnetica. La particolare forma del nucleo statorico 14 permette di sfruttare entrambi i lati della bobina 15 che risultano essere percorsi da correnti di verso contrario e che, affacciandosi su due traferri con magneti di polarità omonima, danno luogo ad una coppia pari alla somma dei contributi delle singole interazioni nei due traferri.

Il notevole sviluppo radiale, rispetto a quello assiale del nucleo statorico 14, permette di avere un migliore sfruttamento dei conduttori, dato che solo la parte che si affaccia sul traferro contribuisce alla nascita della coppia elettromagnetica, a differenza delle macchine tradizionali dove sono presenti lunghe connessioni frontali.

Nel funzionamento da motore le fasi del’avolgimento statorico 15 sono alimentate con correnti aventi forma d’onda e frequenza opportune. Le interazioni fra le correnti nei lati attivi del'avvolgimento ed il campo magnetico assiale sostenuto dai magneti permanenti 13 danno luogo ad una coppia motrice che vincendo quella resistente porta in rotazione il rotore e quindi la ruota solidale ad esso.

La macchina a flusso assiale come tutte le macchine elettriche è reversibile: portando in rotazione il rotore 10A, 10B attraverso una coppia motrice applicata alla macchina dall’esterno, i conduttori che costituiscono l’avvolgimento statorico 15 sono sede di forze elettromotrici indotte. Collegando la macchina a flusso assiale ad un carico (per esempio resistenze di frenatura, batteria di accumulatori) essa funziona da generatore convertendo energia meccanica in elettrica e, nel caso della propulsione di un veicolo elettrico, è possibile frenare il veicolo convertendo l’energia cinetica o potenziale del veicolo in energia chimica (accumulatori) rendendola disponibile per una successiva utilizzazione, contrariamente a quanto avviene con la frenatura meccanica dove si dissipa energia in calore.

ASPETTI COSTRUTTIVI

Riepilogando quanto già sopra descritto, la macchina a flusso assiale secondo la presente invenzione è in pratica costituita da quattro elementi fondamentali: - il nucleo statorico, - l'avvolgimento statorico, - i dischi retorici, - i magneti permanenti.

Con riferimento alle Figure 1 e 4, il nucleo statorico è un nucleo toroidale 14 realizzato con lamierino magnetico. La costruzione del nucleo viene effettuata a partire da un nastro di lamierino magnetico, ad esempio di spessore pari a 0,3 mm, avvolto a spirale su di uno stampo circolare, sovrapponendo le singole spire una sull’altra, fino ad ottenere il desiderato spessore radiale. I lembi di estremità del nastro vengono bloccati mediante elettrosaldatura ed il nucleo completato viene impregnato sotto vuoto in maniera nota, allo scopo di conferirgli rigidezza.

Con riferimento alle Figure 1, 4, 6 e 6A, l'avvolgimento statorico è formato da singole bobine 15, 15A, 15B, .... composte da più spire di un conduttore isolato, avvolte attorno al nucleo statorico 14. L'operazione di avvolgimento può essere effettuata con macchine avvolgitrici convenzionali. I due terminali di ciascuna bobina 15 vengono collegati ai terminali di altre bobine per realizzare le fasi dell’ avvolgimento ed i terminali delle fasi dell’ avvolgimento vengono connessi ad una morsettiera per la alimentazione della macchina.

I dischi rotorici 10A, 10B, rappresentati nelle Figure 2, 3, 3A, 3B, sono realizzati in acciaio avente buone caratteristiche magnetiche e possono essere ricavati sia da lastra, sia da tondo, in funzione della dimensione radiale e dello spessore.

Con riferimento alle Figure 1, 5A, 5B, ciascun polo della macchina è costituito da uno o più magneti permanenti 13, 13A, .... disposti in modo da ottenere la desiderata forma del polo (rettangolare, trapezoidale, etc.) ed incollati sulla superficie interna dei due dischi rotolici 10 A, 10B. I singoli magneti possono già essere magnetizzati al momento del loro montaggio sul disco retorico o possano essere magnetizzati successivamente al montaggio. Gli esperti nel ramo comprenderanno che la superficie del disco retorico su cui avviene l’incollaggio dei magneti potrebbe essere munita di incassi per facilitare il posizionamento dei magneti stessi e per aumentarne la resistenza meccanica , in caso di forti sollecitazioni centrifughe.

I quattro elementi che costituiscono la macchina a flusso assiale secondo la presente invenzione vengono assiemati in una struttura meccanica di supporto che consente il movimento relativo tra statore e rotore, l’ancoraggio dello statore al telaio ed il collegamento con i rotori per la trasmissione della coppia elettromagnetica. La struttura meccanica di supporto assume, in funzione della specifica applicazione a cui la macchina è destinata, la forma più idonea. Nella forma di realizzazione rappresentata nei disegni, il collegamento che rende solidali i due dischi retorici è stato realizzato a mezzo di una ghiera circonferenziale esterna 11, fissata ai dischi tramite apposita bullonatura (i cui fori filettati sono visibili nella vista in sezione della Figura 3B), oppure per mezzo di un mozzo interno.

APPLICAZIONI E VANTAGGI.

Come accennato, la macchina a flusso assiale secondo la presente invenzione è perfettamente reversibile e può funzionare sia come motore elettrico, sia come generatore. La utilizzazione della macchina si dimostra particolarmente vantaggiosa in tutte le applicazioni che richiedono elevata coppia e bassa velocità di rotazione. Alcuni esempi sono quelli della propulsione elettrica di veicoli stradali e su rotaia, la propulsione elettrica navale, la generazione di energia elettrica con motori primi lenti, come le turbine eoliche ed idrauliche, gli azionamenti per antenne, telescopi, e simili.

Rispetto ad una macchina elettrica tradizionale, la macchina a flusso assiale presenta un rapporto coppia elettromagnetica/peso dei materiali attivi molto elevato. Questa caratteristica che deriva dalla particolare forma costruttiva "a disco” consente, a pari specifiche di impiego, di avere una macchina estremamente compatta, leggera e con un rendimento elevato sia per la presenza dei magneti permanenti che per la particolare tipologia dell’avvolgimento. La macchina proposta si presta bène per realizzare macchine “multistadio" cioè costituite da più macchine elementari assiemate assialmente alternando statori e rotori. La struttura multistadio consente una costruzione ed un funzionamento della macchina modulare con vantaggi sia nei processi produttivi che nell’esercizio della macchina stessa.

In quel che precede sono state descritte le preferite forme di realizzazione e sono state suggerite delle varianti della presente invenzione, ma deve essere chiaro che gli esperti nel ramo potranno apportare modificazioni e cambiamenti senza con ciò uscire dall'ambito di protezione della presente privativa industriale.

Claims

RIVENDICAZIONI 1.- Macchina elettrica a flusso assiale utilizzabile come propulsore elettrico per veicoli e come generatore di energia elettrica, caratterizzata dai fatto che consiste essenzialmente dei seguenti componenti : - un nucleo statorico (14) a struttura lamellare, - un avvolgimento statorico (15) costituito da una pluralità di singole bobine (15A, 15B, ...) composte da più spire di un conduttore isolato, avvolte intorno a detto nucleo statorico (14), - una coppia di dischi rotolici (10A, 10B) realizzati in acciaio con buone caratteristiche magnetiche, connessi insieme distanziati assialmente in modo da contenere nel loro interno detto nucleo statorico (14) con relativo avvolgimento (15), - una pluralità di magneti permanenti (13) disposti in modo da formare poli della forma desiderata, incollati sulle superfici interne di detti dischi rotorici (10A, 10B), in posizioni affacciate a detto avvolgimento statorico (15), detti magneti essendo disposti con polarità omonima affacciata e magnetizzati in direzione assiale.. 2.- Macchina elettrica a flusso assiale secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detto nucleo statorico (14) è realizzato da una nastro di lamierino magnetico avvolto a spirale, con le singole spire sovrapposte fino a formare lo spessore desiderato, i lembi di estremità del nastro essendo bloccati, ad esempio per elettrosaldatura, ed il nucleo completo essendo impregnato per motivi di rigidezza. 3.- Macchina elettrica a flusso assiale secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che i terminali delle singole bobine (15A, 15B, ...) che costituiscono l'avvolgimento statorico (15) sono collegati ai terminali di altre bobine per realizzare le fasi dell ’avvolgimento ed i terminali delle fasi dell’avvolgimento sono collegati ad una morsettiera per la alimentazione della macchina. 4.- Macchina elettrica a flusso assiale secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detti magneti (13) sono premagnetizzati al momento del montaggio sui dischi rotorici (10A, 10B). 5.- Macchina elettrica a flusso assiale secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detti magneti (13) vengono magnetizzati dopo il montaggio tra detti dischi rotorici (10A, 10B). 6.- Macchina elettrica a flusso assiale secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detti dischi rotorici (10A, 10B) sono resi solidali a mezzo di una ghiera esterna (11) fissata circonferenzialmente a detti dischi rotorici (10A, 10B). 7.- Macchina elettrica a flusso assiale secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detti dischi rotorici (10A, 10B) sono resi solidali mediante un mozzo interno. 8.- Macchina elettrica a flusso assiale secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzata dal fatto che, per il funzionamento come propulsore per veicoli e simili, detto gruppo rotorico (10A, 10B) viene fissato solidalmente alla ruota di detto veicolo da muovere. 9.- Macchina elettrica a flusso assiale secondo una qualsiasi delle precedènti rivendicazioni e sostanzialmente come in precedenza descritta e come rappresentata nei disegni allegati.