IT201800003952A1 - Configurazione innovativa per macchine elettriche a flusso assiale con statore senza giogo - Google Patents

Description

CONFIGURAZIONE INNOVATIVA PER MACCHINE ELETTRICHE A FLUSSO ASSIALE CON STATORE SENZA GIOGO

STATO DELL'ARTE

Anche se le prime macchine elettriche erano a flusso assiale, con il primo prototipo costruito da Michael Faraday nel 1831, la maggior parte delle macchine elettriche attualmente utilizzate sono a flusso radiale.

Pur offrendo un'eccellente densità di coppia e potenza le macchine a flusso assiale, non hanno ancora avuto una diffusione significativa molto probabilmente per la difficoltà nel produrre convenientemente gli statori stessi. La crescente richiesta di macchine elettriche con sempre maggiori prestazioni potrebbe comunque dare alle macchine a flusso assiale, sia a induzione (IM) che a magneti permanenti (PM), grandi possibilità di impiego.

In particolare, nelle macchine a flusso assiale, con statore senza giogo, gli elettromagneti sono generalmente disposti attorno all'asse di rotazione della macchina, riempiono la maggior parte del volume disponibile in base alla configurazione scelta ed hanno entrambe le terminazioni polari che si affacciano verso i rotori. I valori del campo magnetico, generati dagli avvolgimenti solenoidali, vengono portati a valori tali da saturare i rispettivi nuclei ferromagnetici. I nuclei sono generalmente costituiti da pile di sottili fogli di materiale ferromagnetico o lamierini, orientati parallelamente al campo magnetico, per ridurre le perdite da correnti parassite e tali lamierini sono di materiali magneticamente morbidi, a bassa coercitività, per ridurre le perdite per isteresi. I nuclei hanno poi sezioni maggiori alle estremità, dette “pole pieces” o “shoes” di forma simili a trapezi isosceli per estendere le aree dei poli di fronte ai rotori e sfruttare al massimo i volumi disponibili.

Gli elettromagneti vengono quindi fissati alla struttura dello statore in modo che, in direzione assiale, il fissaggio non vada oltre le facce dei poli rivolte verso il rotore. Le forze e le coppie che agiscono sugli avvolgimenti del solenoide e sui nuclei possono essere relativamente elevate su macchine ad alta densità di coppia e necessitano che sia i nuclei ferromagnetici che gli avvolgimenti del solenoide siano saldamente fissati allo statore.

Per le macchine a flusso assiale con statore senza giogo è spesso difficile e/o dispendioso in termini di tempo allineare con precisione i nuclei e le loro “shoes” allo statore e fissare in modo solido e duraturo detti nuclei ed i rispettivi avvolgimenti. La scarsa diffusione di questa tipologia di macchine sembra indicare che le soluzioni presenti nell'arte nota non siano ancora adeguate. In particolare, la posizione assiale delle terminazioni polari determina il traferro tra rotore/i e statore che impatta sulle prestazioni della macchina. È infatti nel traferro che si verificano le perdite maggiori e la costruzione ed integrazione degli elettromagneti deve essere fatta con le migliori tolleranze possibili.

Inoltre, le correnti ad alta densità negli avvolgimenti e le limitate superfici di scambio disponibili per il controllo termico, possono essere un problema e un fattore limitante che impedisce di sfruttare completamente la maggiore potenzialità delle macchine a flusso assiale e richiede spesso che ci sia un sistema di raffreddamento a liquido.

Nell'arte nota vi sono naturalmente delle soluzioni che paiono efficaci per risolvere alcuni di questi problemi ma ci sembra che riducano le potenzialità di tali macchine sotto altri aspetti o introducano altre problematiche.

Ad esempio in US5925965 viene presentato un metodo per costruire statori (e rotori) che sembra efficace per ottenere espansioni polari ben fisse ma è elaborato da realizzare (un unico lungo foglio di metallo opportunamente sagomato) e da assemblare (come scritto nella descrizione del brevetto stesso, è necessario la massima precisione nell'avvolgere il nastro per assicurarsi che le porzioni sporgenti dei poli si sovrappongano correttamente). Nulla è poi previsto per mantenere coesi tra loro le porzioni di nastro che costituiscono le espansioni polari.

Il brevetto US5801473, seppur destinato ad applicazioni specifiche, introduce quello che appare un sistema abbastanza efficace per bloccare rigidamente i nuclei nella direzione e trasversale. Tuttavia, tale soluzione non permette espansioni polari allargate e non consente un buon fissaggio assiale.

Altri trovati che presentano macchine elettriche dalla struttura più tradizionale non sembrano dare la giusta risposta a questo aspetto.

US2014009009 prevede l'uso di una resina per fissare gli elettromagneti al telaio. Inoltre, specifica che un posizionamento più preciso può essere ottenuto sfruttando alcuni componenti presenti nella macchina per altri scopi. A nostro avviso sembra una soluzione poco affidabile per macchine ad alta densità di coppia viste le notevoli coppie e forze pulsanti che esse sviluppano.

Anche la domanda di brevetto DE10048492A1 non si discosta molto dal precedente come risultati finali. Gli elettromagneti anche qui vengono fissati o comunque vincolati a degli anelli metallici che coprono tutto il perimetro dello statore, la cui funzione è principalmente realizzare il collegamento elettrico tra essi. Di fatto gli elettromagneti sono tenuti nella loro posizione incollandoli con apposite resine negli alloggiamenti ricavati nel telaio, come specificato nelle rivendicazioni.

Nonostante le macchine elettriche a flusso assiale stiano acquisendo sempre maggiore importanza anche le invenzioni più recenti non si soffermano sufficientemente su questo aspetto.

E' il caso del trovato WO2018015293 che illustra una tipologia di statore adatta per questa tipologia di macchine: si tratta di una struttura che, come dichiarato nella descrizione, è certamente robusta e assicura una buona resistenza alle forze tangenziali da parte degli elettromagneti, ma non sembra introdurre miglioramenti significativi per quel che riguarda il loro rigido posizionamento in direzione assiale per contrastare le elevate forze pulsanti forze in tale direzione e le coppie.

OGGETTO E SOMMARIO DELL'INVENZIONE

Scopo della presente invenzione è di fornire una combinazione innovativa di forma dell'elettromagnete e struttura di supporto dello statore per macchine elettriche a flusso assiale con statore senza giogo, sia IM che PM, opportunamente progettati per superare alcuni inconvenienti dell'arte nota e portare degli ulteriori vantaggi. In particolare, questa combinazione innovativa dovrebbe facilitare la costruzione degli elettromagneti, il loro preciso posizionamento, il loro assemblaggio, la loro integrazione e un fissaggio saldo alla struttura dello statore, mantenendo alti valori di flusso magnetico attraverso i nuclei e fornendo inoltre superfici aggiuntive per lo scambio di calore.

Questi ed altri scopi sono raggiunti per mezzo di un design fornito delle caratteristiche specificate nelle rivendicazioni allegate, che sono parte integrante della presente descrizione.

L'idea di base della presente invenzione è di fornire elettromagneti con un nucleo allungato che, oltre alle “shoes” o espansioni polari, includa delle scanalature sulle parti laterali dei nuclei. Tali scanalature non saranno coperte dagli avvolgimenti solenoidali per essere accoppiate con precisione ad una opportuna struttura di supporto dello statore. Inoltre, gli avvolgimenti del solenoide saranno distribuiti su entrambi i lati delle scanalature, lasciando libero un volume tra i due solenoidi che consente di avere superfici aggiuntive per il raffreddamento degli avvolgimenti e dei nuclei. La struttura di supporto dello statore sarà dotata di adeguate “ribs” o “costole” per accoppiarsi, con la voluta tolleranza, alle scanalature dei nuclei. Costole e scanalature consentiranno quindi di montare in modo rapido e preciso gli elettromagneti completi di avvolgimenti sulla struttura statorica, essendo le loro posizioni radiale ed assiale definite univocamente, e di fornire un fissaggio stabile degli elettromagneti allo statore. Inoltre, una struttura di supporto dello statore opportunamente progettata fornisce, insieme alle superfici interne delle “shoes” dei nuclei, ulteriori supporti per vincolare gli avvolgimenti dei solenoidi, e può contribuire a smaltire il calore generato negli avvolgimenti.

Con un elettromagnete fissato in modo preciso e saldo allo statore, è possibile avere i traferri desiderati tra i poli e i corrispondenti elementi frontali dei rotori per ottenere prestazioni ed efficienze migliori.

Inoltre, avendo due avvolgimenti solenoidali concordi per ciascun elettromagnete si potranno generare i due contributi di flusso magnetico sui due lati delle scanalature; ciò consente di avere il massimo flusso attraverso le facce delle scarpe, dove è effettivamente necessario. La ridotta sezione trasversale del nucleo dovuta alle scanalature non influisce in modo significativo sul flusso magnetico poiché le perdite maggiori nel circuito magnetico si verificano in corrispondenza dei traferri. Indipendentemente dalle variazioni di polarità che via via si genereranno facendo fluire in un senso o nell’altro la corrente negli avvolgimenti, nelle sezioni ridotte vi sarà infatti il contributo quasi completo del flusso generato da uno dei due solenoidi e quello ridotto dal passaggio nei due traferri del flusso generato dell’altro solenoide, mentre su entrambe le terminazioni polari vi sarà il flusso quasi completo generato da entrambi i solenoidi prima del passaggio tra i traferri.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

L'invenzione sarà descritta nel seguito con riferimento a esempi non limitativi forniti a titolo esplicativo e non limitativo dei disegni allegati. Questi disegni mostrano alcuni aspetti e forme di realizzazione della presente invenzione e, ove necessario, numeri di riferimento che indicano strutture, componenti, materiali e /o elementi strutturali simili in tutte le diverse figure sono indicati con lo stesso numero di riferimento.

La Fig 1a è una vista prospettica esplosa degli elementi principali di uno statore a flusso assiale costruito e disposto secondo il principio dell'invenzione.

La Fig 2a è una vista in prospettiva del nucleo dell'elettromagnete di una macchina a flusso assiale costruita e disposta secondo il principio dell'invenzione.

La Fig.2b mostra la vista dall'alto del nucleo dell'elettromagnete.

La Fig.2c mostra la vista frontale del nucleo dell'elettromagnete.

La Fig.2d mostra la vista laterale del nucleo dell’elettromagnete.

La fig.2e mostra la vista prospettica del nucleo che comprende lamierini sottili.

La Fig 3a è una vista in prospettiva dell'elettromagnete di una macchina di flusso assiale costruita e disposta secondo il principio dell'invenzione, comprendente gli avvolgimenti del solenoide.

La Fig 3b mostra la vista dall'alto dell'elettromagnete, inclusi i solenoidi.

La Fig.3c mostra la vista frontale dell'elettromagnete, inclusi i solenoidi.

La Fig.3d mostra la vista laterale dell'elettromagnete, inclusi i solenoidi.

La Fig 4a è una vista in prospettiva di uno statore di una macchina a flusso assiale costruita e disposta secondo il principio dell'invenzione.

La Fig.4b mostra la vista frontale dello statore.

La Fig.5a è una vista prospettica dello statore e di un elettromagnete non ancora inserito nello statore. La Fig.5b è una vista in prospettiva di un elettromagnete che viene inserito nello statore.

La Fig.5c è una vista prospettica di un elettromagnete completamente inserito nello statore.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL'INVENZIONE

Mentre l'invenzione è suscettibile di molte modifiche e costruzioni alternative, alcune sue forme di realizzazione preferite sono mostrate nei disegni e saranno descritte in dettaglio nel seguito. Tuttavia, è da intendersi che la presente invenzione non è limitata alla forma di realizzazione mostrata, ma al contrario, l'invenzione è intesa a coprire tutte le modifiche, costruzioni alternative ed equivalenti nell'ambito dell'invenzione come rivendicata.

Le parole o frasi "per esempio", "ecc.", "o" indicano alternative non esclusive e senza limitazione, se non diversamente specificato. La parola "comprende" significa "comprende ma non limitato a", se non diversamente indicato e la parola "include" significa "include ma non limitato a", se non diversamente specificato.

Con la parola "macchina" si intende sia il motore che il generatore.

La parola “superficie” comprende superfici piatte (come un piano), superfici curve (come il bordo di una sfera o di un cilindro) ed altre.

La parola "nucleo" comprende il nucleo ferromagnetico dell’elettromagnete. Il termine "asse del nucleo” equivale ad asse del solenoide e asse dell’elettromagnete.

I termini "terminazioni di avvolgimento" o "terminazioni del solenoide" sono intesi a comprendere la parte iniziale e / o la parte finale del o dei cavi conduttori.

La parola "scanalatura" comprende tutte le possibili scanalature o tagli o canali con forme diverse ricavate sui nuclei degli elettromagneti o sui suoi elementi costituenti.

La parola “ribs” o “costole” comprende gli elementi della struttura portante dello statore, compresi quelli in rilievo, che si adattano correttamente all'interno delle scanalature.

Nelle figure e nella descrizione degli elementi viene utilizzato un sistema di coordinate ortogonali indicate dalle lettere maiuscole X, Y e Z per l'intera macchina e/o per lo statore e un sistema di coordinate ortogonali indicate dalle lettere minuscole x, y e z per gli elettromagneti. Per ciascun elettromagnete l’asse y è orientato lungo la radiale locale e l’origine degli assi x, y e z coincide con il centro dell’asse del nucleo.

In generale, viene qui descritta una combinazione innovativa di forma dell'elettromagnete e struttura di supporto dello statore per macchine elettriche a flusso assiale con statori senza giogo, applicabile a Macchine a Induzione (IM) o a Magneti Permanenti (PM). Queste macchine possono includere uno o più statori con un numero di elettromagneti disposti circolarmente attorno all'asse di rotazione della macchina. Queste macchine possono includere due o più rotori.

Anche se non sempre indicato nelle figure, alcuni bordi interni ed esterni degli elementi disegnati possono essere arrotondati o smussati.

La figura 1 è una vista prospettica esplosa di alcuni elementi di una macchina elettrica a flusso assiale, con statore senza giogo, costruita e disposta secondo il principio dell'invenzione, che, in questo caso, include uno statore 1 con un numero di elettromagneti 10 disposti circolarmente con gli assi dei rispettivi nuclei paralleli all'asse di rotazione della macchina Z e dei rotori. Ad esempio, la Fig.1 mostra una macchina con dodici elettromagneti 10 e due dischi rotorici 2a e 2b su ciascun lato dello statore 1. I rotori possono essere rotori per macchina ad induzione o includere magneti permanenti. L'albero non è indicato nella figura e può includere, ad esempio una o più parti scanalate per trasferire la coppia dai o ai rotori. Configurazioni alternative possono comprendere ad esempio due statori e tre rotori. Gli elettromagneti con i loro nuclei e avvolgimenti riempiono la maggior parte del volume dello statore. Per un più efficace utilizzo dei volumi disponibili le sezioni trasversali dei nuclei degli elettromagneti 11 e delle “shoes” 111 sono approssimativamente a forma di trapezio isoscele con le basi maggiori all’esterno.

La figura 2a è una vista in prospettiva del nucleo di un elettromagnete di una macchina a flusso assiale costruita e disposta secondo il principio dell'invenzione. L'elettromagnete 10 comprende un nucleo 11 che può comprendere estensioni polari o “shoes” 111 per estendere l'area di terminazione dei poli 111e, ortogonali all'asse z. Il nucleo dell’elettromagnete può comprendere pile di lamierini piani sottili sovrapposti, con materiale isolante sulle superfici, orientati lungo piani paralleli al piano zx ma potrebbe anche comprendere altri tipi disposizione di materiali ferromagnetici morbidi, quali lamierini disposti su piani paralleli sia al piano zx che al piano zy o sospensioni di particelle ferromagnetiche in resine o materiali organici, che riducono le correnti parassite di Eddy e consentono buoni valori di saturazione del nucleo. Le “shoes” comprendono anche superfici interne 111i per contribuire a mantenere fissi gli avvolgimenti del solenoide. Ad esempio, queste superfici 111i possono essere piatte e giacere su piani ortogonali all'asse z, come per l'esempio nelle figure 2, oppure possono avere forme diverse e non giacere su piani ortogonali all'asse z. Il nucleo include superfici superiori 112, superfici laterali 113, superfici inferiori 114 (non mostrate nella figura). Le scanalature 115 del nucleo 10 sono disposte lungo le superfici laterali 113 del nucleo e si estendono fino ad una certa profondità. Nel caso di nuclei che comprendono lamierini orientati paralleli al piano zy i nuclei possono comprendere scanalature sulle facce superiori ed inferiori. Nel caso di nuclei che comprendono sottili lamierini orientati parallelamente al flusso e al piano zx, come indicato nella Fig.2e, il contorno di ciascuno lamierino avrà degli intagli laterali per generare, quando impilato con tutti gli altri lamierini, le scanalature della forma e dimensioni volute. La sezione trasversale delle scanalature può avere diverse forme, larghezza e profondità per sopportare adeguatamente i carichi previsti. Le direzioni delle scanalature possono giacere su piani paralleli al piano xy, come mostrato nelle figure 2, o su piani inclinati rispetto ad esso. La struttura di supporto dello statore include “ribs” o costole che si accoppiano, con la voluta tolleranza dimensionale, alle scanalature. Materiali supplementari possono essere compresi tra le scanalature e le “ribs” o costole come, per esempio, resina o colla, per un fissaggio più saldo. Quando l'elettromagnete (considerato come un corpo rigido) con scanalature parallele al piano xy e orientate nella direzione y è accoppiato alla struttura di supporto dello statore, la maggior parte dei suoi sei gradi di libertà è vincolata. In particolare, tutte le rotazioni attorno agli assi x, y e z e le traslazioni lungo gli assi z e x in entrambi i versi sono impedite così come la traslazione lungo l'asse y nel verso negativo verso l’interno. È permessa solo la traslazione lungo l'asse y nel verso positivo (verso l’esterno). Nelle macchine a flusso assiale gli elettromagneti sono soggetti prevalentemente a forze tangenziali, assiali e a coppie; le forze radiali in direzione e y sono molto limitate. Una volta che gli elettromagneti 10 si trovano nella loro posizione finale, è quindi sufficiente bloccare la traslazione lungo y nel verso positivo (verso l’esterno) fissando i nuclei degli elettromagneti e le facce superiori degli avvolgimenti individualmente, a gruppi di due, tre, etc… o anche fissandoli tutti insieme con una o più fasce lungo la circonferenza esterna. Anche la parte esterna del telaio, quando presente, può essere usata allo scopo di bloccare la traslazione lungo y nel verso positivo. La Fig. 2b mostra la vista dall'alto del nucleo dell'elettromagnete. La Fig.2c mostra la vista frontale del nucleo dell'elettromagnete e l'area evidenziata della sezione centrale 11cs che è, nell'esempio, un trapezio isoscele con le basi maggiori disposte esternamente. La Fig.2d mostra la vista laterale del nucleo dell’elettromagnete. La Fig.2e mostra la vista prospettica del nucleo che comprende lamierini orientati parallelamente al flusso e al piano zx.

La Fig.3a è una vista in prospettiva dell'elettromagnete di una macchina a flusso assiale costruita e disposta secondo il principio dell'invenzione, compresi i volumi degli avvolgimenti del solenoide. Nelle figure non sono indicati i singoli conduttori degli avvolgimenti solenoidali ma i volumi che li delimitano; in particolare sono indicati i volumi di avvolgimento solenoidali 20a e 20b. Gli avvolgimenti possono comprendere diversi tipi di conduttori con differenti sezioni trasversali: quadrate, rotonde o rettangolari (per esempio nastri) e utilizzare 1, 2 o più conduttori in parallelo. Nella figura non sono mostrate le terminazioni degli avvolgimenti. Le terminazioni degli avvolgimenti dei vari elettromagneti potranno anche essere collegate alle rispettive fasi del controllore quando gli elettromagneti sono nella loro posizione finale; posizione che è determinata dall’accoppiamento scanalature/ribs. In Fig.3a è indicata la superficie addizionale di scambio termico 201b (l’analoga superficie 201a non è visibile nella figura) che questa configurazione permette di ottenere lasciando libero da avvolgimenti il volume perimetrale attorno al nucleo della larghezza delle scanalature. La Fig.3b mostra la vista dall'alto dell'elettromagnete includente i solenoidi 20a e 20b, le loro facce superiori 20au e 20bu e la superficie di nucleo libero 115u. La Fig.3c mostra la vista frontale dell'elettromagnete comprensiva della superficie di terminazione polare estesa 111e,. La Fig.3d mostra la vista laterale dell'elettromagnete incluse le facce laterali dei volumi indicativi dei solenoidi 20as e 20bs.

La Fig.4a è una vista in prospettiva di uno statore di una macchina a flusso assiale costruita e disposta secondo il principio dell'invenzione. In queste figure è rappresentato, come esempio, uno statore che supporta 12 elettromagneti. La figura mostra le strutture principali di supporto radiali 130 e le rispettive strutture “ribs” o costole140 che si inseriscono nelle scanalature. Nella figura sono anche indicate le superfici 150 che contribuiscono a vincolare gli avvolgimenti dei solenoidi e le sedi 160 dei cuscinetti per l’albero.

La Fig.4b mostra la vista frontale dello statore. Le strutture di supporto del solenoide possono anche comprendere fori indicati con 170 per consentire e/o agevolare la circolazione di fluidi nello statore per un più efficace scambio termico.

La Fig.5a è una vista in prospettiva dello statore 1 e di un elettromagnete 10 non ancora inserito nella struttura. In questo esempio le “ribs” o costole sono disposte lungo la direzione radiale locale y. La Fig. 5b è una vista in prospettiva di un elettromagnete 10 che viene inserito nella struttura di supporto 140 dello statore 1.

La Fig.5c è una vista prospettica di un elettromagnete completamente inserito nella struttura di supporto dello statore.

Una volta che gli elettromagneti 10 si trovano nella loro posizione finale, è possibile vincolare la traslazione lungo y nel verso positivo fissando i nuclei degli elettromagneti e le facce superiori degli avvolgimenti individualmente, a gruppi di due, tre, ecc... o addirittura fissando tutti insieme gli elettromagneti con una o più fasce lungo la circonferenza esterna. Il sistema di fissaggio non è indicato nelle figure.

Dipendentemente dalla configurazione scelta, è anche possibile connettere le terminazioni degli avvolgimenti alle rispettive fasi quando gli elettromagneti sono nella loro posizione finale

Claims (1)

1. Rivendicazioni 1) Una macchina elettrica a flusso assiale senza con uno o più statori senza giogo comprendente: - una struttura con supporti per fissare gli elettromagneti e per alloggiare cuscinetti per un albero che può ruotare rispetto allo statore e sul quale sono fissati i rotori, - una pluralità di elettromagneti disposti circolarmente intorno all'asse di rotazione della macchina, con gli assi dei nuclei paralleli all'asse di rotazione della macchina, in cui i nuclei degli elettromagneti comprendono materiali ferromagnetici morbidi e a bassa coercitività, in cui gli elettromagneti comprendono nuclei allungati nella direzione assiale per includere scanalature di forma e dimensioni opportune sui lati di detti nuclei, in cui per ogni elettromagnete ci sono due avvolgimenti sinusoidali posizionati ad entrambi i lati delle scanalature, lasciando il volume perimetrale intorno ai nuclei, in corrispondenza di dette scanalature, libero dagli avvolgimenti, in cui detti avvolgimenti sinusoidali possiedono superfici esterne aggiuntive di fronte al summenzionato volume allo scopo di incrementare la superficie di scambio termico, in cui gli elettromagneti sono integrati nello statore con i solenoidi avvolti intorno i nuclei, in cui la struttura di supporto dello statore comprende, per ciascun elettromagnete, nervature per adattarsi in forma e dimensioni all'interno delle scanalature che si trovano sui lati dei nuclei per guidare, durante l'assemblaggio, gli elettromagneti nelle loro posizioni finali sullo statore, in cui quando le nervature sono completamente inserite nelle scanalature gli elettromagneti hanno raggiunto la loro posizione finale sullo statore, e in cui gli elettromagneti nella loro posizione finale hanno tutti i sei gradi di libertà rispetto ai supporti statorici, i.e. le tre rotazioni e le tre traslazioni, bloccati in entrambi i versi eccetto la traslazione radiale e diretta verso l’esterno.