ITVR20130056U1 - Motore sincrono a riluttanza di tipo ottimizzato assistito da magneti permanenti. - Google Patents

Description

Descrizione

"MOTORE SINCRONO A RILUTTANZA DI TIPO OTTIMIZZATO

ASSISTITO DA MAGNETI PERMANENTI"

CAMPO TECNICO DELL'INVENZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un motore sincrono a riluttanza, assistito da magneti permanenti, ad elevate prestazioni.

In particolare, la presente invenzione si riferisce ad un motore sincrono a riluttanza, assistito da magneti permanenti, di tipo ottimizzato rispetto ai motori sincroni a riluttanza di tipo tradizionale.

STATO DELLA TECNICA ANTERIORE

Come noto, i motori sincroni a riluttanza, assistiti da magneti permanenti, comprendono un elemento statore, dotato di avvolgimenti elettrici definenti coppie di poli, all'interno del quale è situato, separato da uno spazio definito traferro, un rotore atto ad essere posto in rotazione intorno ad un asse.

Il rotore, che presenta una forma sostanzialmente cilindrica, comprende dei magneti permanenti.

Secondo diverse forme di realizzazione i magneti permanenti possono essere posizionati in corrispondenza della superficie esterna cilindrica del rotore o al suo interno, in apposite sedi.

II rotore risulta privo di avvolgimenti e presenta delle guide di flusso, cioè delle porzioni di minima riluttanza .

Durante il funzionamento del motore sincrono a riluttanza il rotore segue in modo "sincrono" la rotazione del campo magnetico induttore, imposto da una corrente opportunamente controllata attraverso gli avvolgimenti statori, grazie all'incanalamento preferenziale del flusso magnetico lungo le porzioni di minima riluttanza del rotore stesso.

In funzione della potenza richiesta al motore e della tipologia di impiego prevista, possono variare il numero di poli, la quantità e/o la tipologia dei materiali dei magneti permanenti.

In base alla tipologia di materiale utilizzato per la realizzazione dei magneti permanenti, a parità di efficienza, possono variare le dimensioni del motore sincrono a riluttanza, così come i costi di produzione dello stesso.

Al gruppo dei materiali normalmente impiegati per la realizzazione dei magneti permanenti appartengono la ferrite, nota anche come alfa-ferrite (α-Fe) o le cosiddette "terre rare" Neodimio-Ferro-Boro (NdFeB). Un magnete permanente realizzato con "terre rare" a parità di dimensione presenta un potere magnetico superiore rispetto ad un magnete realizzato in ferrite.

Pertanto, nel caso in cui sia previsto l'impiego di ferrite, in sede delle terre rare, le dimensioni dei magneti permanenti risultano maggiori, determinando così un possibile incremento delle dimensioni complessive del rotore e, conseguentemente, un incremento delle dimensioni del motore sincrono a riluttanza.

Un limite nell'impiego delle terre rare per realizzare i magneti permanenti risiede nell'elevato costo di approvvigionamento del materiale di base che, in media, risulta superiore a quello della ferrite di oltre un ordine di grandezza.

Inoltre, lo smaltimento dei magneti permanenti a terre rare risulta più complesso e costoso di quello dei magneti in ferrite.

I motori sincroni a riluttanza possono essere utilizzati in diverse applicazioni, tra le quali applicazioni in cui è previsto l'impiego del motore a carico parziali.

In tal caso, quindi, oltre ai normali parametri di funzionamento del motore risulta particolarmente importante valutare l'efficienza dello stesso a carichi parziali.

SCOPI DELL'INVENZIONE

Uno scopo della presente invenzione è migliorare lo stato della tecnica anteriore.

Un altro scopo della presente invenzione è quello di fornire un motore sincrono a riluttanza, assistito da magneti permanenti, ad elevate prestazioni con particolare riferimento ad impieghi a carico parziale.

Un ulteriore scopo della presente invenzione è quello di fornire un motore sincrono a riluttanza, assistito da magneti permanenti, dai costi di produzione ridotti rispetto a quelli dei motori sincroni di tipo tradizionale.

Un altro scopo della presente invenzione è quello di fornire un motore sincrono a riluttanza, assistito da magneti permanenti, in cui sia possibile ottimizzare la quantità di materiale magnetico impiegato.

Conformemente ad un aspetto della presente invenzione è previsto un motore sincrono a riluttanza assistito da magneti permanenti secondo la rivendicazione 1.

Le rivendicazioni dipendenti si riferiscono forme preferite e vantaggiose dell'invenzione.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione di dettaglio di una forma di esecuzione preferita, ma non esclusiva, di un motore elettrico sincrono a riluttanza assistito da magneti permanenti, illustrata a titolo indicativo, ma non limitativo, nelle unite tavole di disegni in cui: la figura 1 è una vista in sezione trasversale schematica di un motore sincrono a riluttanza assistito da magneti permanenti, in cui sono stati illustrati i componenti principali;

la figura 2 è una vista prospettica schematica del rotore di un motore sincrono a riluttanza secondo la presente invenzione;

la figura 3 è una vista schematica in sezione trasversale di un rotore di un motore sincrono a riluttanza assistito da magneti permanenti secondo la presente invenzione;

la figura 4 è una vista schematica in sezione trasversale di un'ulteriore versione di un rotore di un motore sincrono a riluttanza assistito da magneti permanenti secondo la presente invenzione;

la figura 5 è un grafico di confronto tra la curva di efficienza di un motore PM brushless e quella di un motore a riluttanza secondo la presente invenzione.

FORME DI ATTUAZIONE DELL'INVENZIONE

Con riferimento alle figure allegate, un motore sincrono a riluttanza, assistito da magneti permanenti, è indicato complessivamente con 1.

II motore sincrono a riluttanza 1, assistito magneti permanenti, secondo la presente invenzione comprende uno statore 2 definente una sede centrale al cui interno è posto, rotante, un rotore 3.

Come noto, tra lo statore 2 ed il rotore 3 è presente un ridotto spazio di separazione definito "traferro".

In prossimità dalla porzione periferica interna dello statore 2, che si affaccia sul rotore 3, è realizzata una pluralità di avvolgimenti statorici, indicati complessivamente con 4.

In figura 2 è illustrato, a titolo esemplificativo ma non limitativo, una forma di realizzazione di un rotore 3.

Il rotore 3 comprende una pluralità di elementi circolari 5 affiancati in successione l'uno all'altro a costituire un elemento sostanzialmente cilindrico .

Al fine di rendere maggiormente intellegibile la figura 2, gli elementi circolari 5 costituenti il rotore 3 sono stati rappresentati distanziati tra loro.

Il rotore 3 presenta un asse di simmetria centrale 12, intorno al quale viene posto in rotazione durante il funzionamento del motore sincrono a riluttanza 1, assistito da magneti permanenti.

Ciascun elemento circolare 5 presenta un'apertura centrale passante 6, per l'alloggiamento di un albero centrale non illustrato nelle figure, ed una pluralità di sedi sagomate 7.

Il numero e la disposizione delle sedi sagomate 7 può variare in funzione del numero di poli del motore sincrono a riluttanza 1.

Il rotore 3 illustrato nelle figure 1-4 è previsto per un motore sincrono a riluttanza 1 a quattro poli.

Tuttavia, sono possibili ulteriori varianti di un motore sincrono a riluttanza 1 comprendenti un numero maggiore di poli, ad esempio sei, otto, dieci, dodici poli, eccetera, senza per questo uscire dall'ambito di protezione della presente invenzione.

Le sedi 7 sono separate tra loro da porzioni di convogliamento 8.

Tali porzioni di convogliamento 8 costituiscono degli elementi strutturali per ciascun elemento circolare 5.

Ulteriormente, le porzioni di convogliamento 8 definiscono dei percorsi preferenziali, detti "canali", lungo i quali si incanala il flusso magnetico generato dagli avvolgimenti statorici 4. Le sedi 7 consentono il posizionamento di magneti permanenti 9, 10, 11 il cui numero e dimensione varia in funzione delle prestazioni del motore sincrono a riluttanza, ad esempio con riferimento al numero di poli, alla potenza del motore, eccetera. La lunghezza dei magneti permanenti 9, 10, 11 si estende sostanzialmente pari alla lunghezza longitudinale del rotore 3.

I principi di funzionamento di un motore sincrono a riluttanza sono dati per noti e, pertanto, non saranno ulteriormente descritti nel prosieguo.

Ciascuna sede 7 comprende una porzione centrale 13, sostanzialmente rettilinea, in corrispondenza della quale sono posizionati i magneti permanenti 9.

Con riferimento alla forma di realizzazione illustrata in figura 3, all'interno delle sedi 7, in corrispondenza della porzione centrale 13, sono posizionati dei magneti permanenti 10 a terre rare. In figura 4 è illustrata una ulteriore versione della presente invenzione, in cui all'interno delle sedi 7, in corrispondenza della porzione centrale 13, sono posizionati dei magneti permanenti 11 in ferrite.

Con riferimento alle viste in sezione trasversale illustrate nelle figure 1, 3 e 4, i magneti permanenti 9, 10, 11 sono posizionati, a gruppi, allineati lungo gli assi definenti i poli del motore sincrono a riluttanza 1, assistito da magneti permanenti .

Come noto, per garantire un corretto bilanciamento meccanico e magnetico del rotore 3, i magneti permanenti 9, 10, 11 sono disposti in modo simmetrico all'interno del rotore 3.

A titolo esemplificativo, ma non limitativo, ciascun magnete permanente 9, 10, 11 presenta una forma sostanzialmente prismatica.

Lungo il piano di sezione trasversale, come illustrato nelle figure 1, 3 e 4, ciascun magnete permanente 9, 10, 11 presenta un lato lungo 14 ed un lato corto 15.

Preferibilmente, la porzione centrale 13 di ciascuna sede 7 presenta un tratto allungato in direzione circonferenziale .

Ciascun magnete permanente 9, 10, 11 viene posizionato all'interno di una corrispondente sede 7, con il lato lungo 14 orientato parallelamente alla porzione centrale 13.

A parità di potere magnetico, un magnete in ferrite presenta dimensioni maggiori rispetto ad un magnete a terre rare del tipo Neodimio-Ferrite-Boro (NdFeB). Generalmente, è richiesta circa una quantità in peso doppia di ferrite per ottenere un magnete permanente di potenza magnetica uguale a quella di un magnete in Neodimio-Ferrite-Boro.

A fronte di una maggior quantità in peso di ferrite, tuttavia il costo ridotto dei quest'ultima rispetto alle terre rare NdFeB ne rende vantaggioso 1'impiego.

Mediamente, infatti, il costo al chilogrammo di un magnete in ferrite risulta inferiore di oltre un ordine di grandezza rispetto a quello di un magnete in NdFeB.

Il rotore 3 secondo la presente invenzione presenta sedi 7 tali da poter alloggiare indipendentemente magneti permanenti 10 in NdFeB o magneti permanenti in ferrite 11 di eguale potenza magnetica.

Le singole porzioni centrali 13, infatti, consentono di posizionare, in sede di magneti permanenti a terre rare NdFeB 10, dei magneti permanenti in ferrite 11 che, come sopra indicato, risultano a parità di potenza di dimensioni maggiori.

A titolo esemplificativo, un magnete permanente 11 in ferrite da installare in una delle sedi 7 risulterà più lungo di un magnete permanente in NdFeB 10.

La conformazione delle singole sedi 7, tuttavia, consente di scegliere quale tipologia di magnete permanente utilizzare, senza alcuna limitazione.

In tal modo, non risulta necessario realizzare rotori 3 diversi a seconda della tipologia di materiale utilizzato per i magneti permanenti 9, 10, 11.

Di fatto, la struttura e le prestazioni di un motore sincrono a riluttanza 1, assistito da magneti permanenti, secondo la presente invenzione possono essere facilmente modificate in base all'impiego previsto per lo stesso, senza dover modificare la struttura complessiva dell'intero motore. Infatti, è sufficiente modificare la tipologia dei magneti permanenti 9, 10, 11 utilizzati.

Ulteriormente, al fine di ottimizzare i costi di produzione di un motore sincrono a riluttanza 1, assistito da magneti permanenti, secondo la presente invenzione, si è verificato che per valori di sfasamento tra la corrente e la tensione pari a di coscp compresi tra 0.75 e 0.82 si ottiene un'elevata efficienza del motore stesso per impieghi a carico parziale.

In particolare si è verificato che per valori di coscp=0.8 si raggiunge un compromesso ideale tra costi di produzione ed efficienza del motore sincrono a riluttanza 1, assistito da magneti permanenti.

Infatti, per impieghi a carichi parziali, un motore sincrono a riluttanza 1 assistito da magneti permanenti 9, 10, il presenta un incremento di efficienza di circa il 20% rispetto a un motore del tipo PM brushless (Permanet Magnet brushless) di uguale potenza.

In figura 5 è illustrato, a titolo esemplificativo ma non limitativo, un grafico di confronto tra una curva di efficienza di un motore di tipo PM brushless, della potenza di circa 7.5 kW, raffigurata con una linea a tratto continuo 16, e quella di un motore a riluttanza 1, assistito da magneti permanenti, di potenza equivalente, secondo la presente invenzione, raffigurata con una linea a tratto discontinuo 17.

Nel suddetto grafico (figura 5), è riportato in ascissa il numero di giri del motore mentre in ordinata l'efficienza in percentuale.

Le suddette curve di efficienza 16, 17 si riferiscono al funzionamento di un motore PM brushless e di un motore a riluttanza, assistito da magneti permanenti 1 secondo la presente invenzione con applicato un carico resistente tipico di una pompa.

Come illustrato nel suddetto grafico, per carichi di tipo parziale, cioè con un numero di giri motore limitato rispetto al regime di rotazione massimo (pieno regime), la curva 17 del motore a riluttanza 1, assistito da magneti permanenti, secondo la presente invenzione risulta superiore alla curva 16 di un motore PM brushless.

Ciò è dovuto al fatto che nei motori PM brushless le perdite parassite rimangono sostanzialmente inalterate sia in condizioni di carico parziale che a pieno carico.

In un motore sincrono a riluttanza 1, assistito da magneti permanenti secondo la presente invenzione, invece, per carichi di tipo parziale le perdite indotte dalle correnti statoriche risultano inferiori rispetto a quelle parassite dei motori PM brushless.

Pertanto, a carichi parziali l'efficienza di un motore a riluttanza 1, assistito da magneti permanenti, secondo la presente invenzione è maggiore di quella di un motore PM brushless di potenza corrispondente.

Per carichi a pieno regime, invece il motore a riluttanza 1, assistito da magneti permanenti, secondo la presente invenzione ed un motore PM brushless presentano sostanzialmente la medesima efficienza .

Di fatto, qualora sia previsto l'impiego di un motore sincrono per applicazioni a carico parziale, la scelta di un motore a riluttanza 1, assistito da magneti permanenti, secondo la presente invenzione risulta vantaggiosa rispetto ad un motore PM brushless, in termini di efficienza e, conseguentemente, di costi di esercizio.

Al fine di ottimizzare l'efficienza di un motore sincrono a riluttanza 1, assistito da magneti permanenti, con particolare riferimento ad impieghi a carico parziale, è necessario installare all'interno del rotore 3 la quantità di magneti permanenti 9, 10, il sufficiente a garantire il suddetto valore di sfasamento, con coscp=0.8.

Si è notato, infatti, che per lievi incrementi di tale valore di sfasamento, seppure vi sia un modesto incremento di efficienza, tuttavia si ha un elevato incremento di costi di produzione, poiché sono richieste quantità superiori di magneti permanenti 9, 10, il.

A titolo esemplificativo, per incrementare il valore di coscp=0.8 ad un valore di coscp=0.85 è necessario utilizzare quasi un volume doppio di magneti permanenti 9, 10, il.

Lo svantaggio in termini economici derivante da un così ampio incremento di materiale supera i vantaggi tecnici di una tale soluzione, rendendola, di fatto, poco efficace da un punto di vista economico.

L'invenzione così concepita è suscettibile di numerose modifiche e varianti tutte rientranti nell'ambito del concetto inventivo.

Inoltre, tutti i dettagli sono sostituibili da altri elementi tecnicamente equivalenti. In pratica, i materiali impiegati, nonché le forme e le dimensioni contingenti, potranno essere qualsiasi a seconda delle esigenze senza per questo uscire dall'ambito di protezione delle seguenti rivendicazioni.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Motore sincrono a riluttanza (1) assistito da magneti permanenti comprendente uno statore (2) dotato di avvolgimenti statorici (4), detto statore (2) definendo una sede centrale in cui è posto un rotore (3) di forma sostanzialmente cilindrica comprendente una pluralità di elementi circolari (5) affiancati in successione l'uno all'altro, ciascuno di detti elementi circolari (5) essendo dotato di un asse di simmetria centrale (12), detto rotore (3) essendo associato rotante rispetto a detto statore (2) intorno a detto asse di simmetria centrale (12), detto rotore (3) comprendendo sedi (7), separate tra loro da porzioni (8) di convogliamento di un flusso magnetico, caratterizzato dal fatto che detto rotore (3) comprende in dette sedi (7) magneti permanenti (9, 10, 11) in quantità tale da determinare un valore di sfasamento tra corrente e tensione per detto motore sincrono a riluttanza (1) assistito da magneti permanenti di coscp compreso tra 0.75 e 0.82.
2. 2. Motore sincrono a riluttanza (1) assistito da magneti permanenti secondo la rivendicazione 1, in cui detto valore di sfasamento tra corrente e tensione è preferibilmente pari a coscp=0.8.
3. 3. Motore sincrono a riluttanza (1) assistito da magneti permanenti secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detti magneti permanenti (10) sono realizzati in Neodimio-Ferro-Boro, NdFeB.
4. 4. Motore sincrono a riluttanza (1) assistito da magneti permanenti secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detti magneti permanenti (11) sono realizzati in ferrite.
5. 5. Motore sincrono a riluttanza (1) assistito da magneti permanenti secondo la rivendicazione 1, comprendente un numero di poli maggiore di o uguale a 4.
6. 6. Motore sincrono a riluttanza (1) assistito da magneti permanenti secondo la rivendicazione 1, in cui dette porzioni di convogliamento (8) sono sagomate per guidare le linee di flusso di un campo magnetico generato da detto avvolgimento statorico (4) attraverso detto rotore (3).
7. 7. Motore sincrono a riluttanza (1) assistito da magneti permanenti secondo la rivendicazione 1, in cui dette sedi (7) comprendono una porzione centrale (13) in corrispondenza della quale sono posizionati magneti permanenti (9, 10, 11) in ferrite o in NdFeB.
8. 8. Motore sincrono a riluttanza (1) assistito da magneti permanenti secondo la rivendicazione 1, in cui detti magneti permanenti (9, 10, 11) presentano forma sostanzialmente prismatica, di lunghezza sostanzialmente pari alla lunghezza longitudinale di detto rotore (3).
9. 9. Motore sincrono a riluttanza (1) assistito da magneti permanenti secondo la rivendicazione 7, in cui detti magneti permanenti (9, 10, 11) presentano lungo un piano di sezione trasversale un lato lungo (14) ed un lato corto (15), in cui detti magneti permanenti (9, 10, 11) sono inseriti in dette sedi sagomate (7) con detto lato lungo (14) orientato parallelamente a detta sezione centrale (13).
10. 10. Motore sincrono a riluttanza (1) assistito da magneti permanenti secondo la rivendicazione 1, in cui detto motore sincrono a riluttanza (1) assistito da magneti permanenti è installato in pompe o ventilatori o macchine atte a lavorare prevalentemente a carichi parziali.