IT201800003952A1

IT201800003952A1 - INNOVATIVE CONFIGURATION FOR AXIAL FLOW ELECTRIC MACHINES WITH STATOR WITHOUT YOKE

Info

Publication number: IT201800003952A1
Application number: IT102018000003952A
Authority: IT
Inventors: Mario Burigo; Gianni Santarelli; Mascio Fabrizia Di
Original assignee: Mario Burigo
Priority date: 2018-03-27
Filing date: 2018-03-27
Publication date: 2019-09-27

Description

CONFIGURAZIONE INNOVATIVA PER MACCHINE ELETTRICHE A FLUSSO ASSIALE CON STATORE SENZA GIOGO INNOVATIVE CONFIGURATION FOR AXIAL FLOW ELECTRIC MACHINES WITH STATOR WITHOUT YOKE

STATO DELL'ARTE STATE OF THE ART

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. Although the first electric machines were axial flow, with the first prototype built by Michael Faraday in 1831, most of the electric machines currently used are radial flow.

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. While axial flux machines offer excellent torque and power density, they have not yet had a significant spread, most likely due to the difficulty in conveniently manufacturing the stators themselves. The growing demand for electric machines with ever higher performances could however give the axial flux machines, both induction (IM) and permanent magnet (PM), great possibilities of use.

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. In particular, in axial flux machines, with stator without yoke, the electromagnets are generally arranged around the rotation axis of the machine, fill most of the available volume according to the chosen configuration and have both polar ends facing towards the rotors. The magnetic field values, generated by the solenoid windings, are brought to values such as to saturate the respective ferromagnetic cores. The cores are generally made up of stacks of thin sheets of ferromagnetic material or laminations, oriented parallel to the magnetic field, to reduce losses from eddy currents, and these laminations are of magnetically soft materials, with low coercivity, to reduce losses by hysteresis. The cores then have larger sections at the ends, called "pole pieces" or "shoes" similar in shape to isosceles trapezoids to extend the areas of the poles in front of the rotors and make the most of the available volumes.

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. The electromagnets are then fixed to the stator structure so that, in the axial direction, the fixing does not go beyond the faces of the poles facing the rotor. The forces and torques acting on the solenoid windings and cores can be relatively high on high torque density machines and require both ferromagnetic cores and solenoid windings to be securely attached to the stator.

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. For axial flux machines with stator without yoke it is often difficult and / or time-consuming to precisely align the cores and their shoes to the stator and firmly and permanently fix said cores and their respective windings. The scarce diffusion of this type of machines seems to indicate that the solutions present in the known art are not yet adequate. In particular, the axial position of the polar terminations determines the air gap between the rotor (s) and the stator which affects the performance of the machine. It is in fact in the air gap that the greatest losses occur and the construction and integration of the electromagnets must be done with the best possible tolerances.

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. Furthermore, the high-density currents in the windings and the limited exchange surfaces available for thermal control, can be a problem and a limiting factor that prevents the full potential of axial flux machines from being fully exploited and often requires that there be a system. liquid cooling.

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. In the known art there are of course solutions which appear effective in solving some of these problems but it seems to us that they reduce the potential of such machines in other aspects or introduce other problems.

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. For example, in US5925965 a method for constructing stators (and rotors) is presented which seems effective for obtaining well-fixed pole pieces but is elaborated to be made (a single long sheet of suitably shaped metal) and to be assembled (as written in the description of the patent itself precision wrapping of the tape is required to ensure that the protruding portions of the poles overlap properly). Nothing is then provided to keep the tape portions that make up the polar expansions cohesive.

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. Patent US5801473, although intended for specific applications, introduces what appears to be a fairly effective system for rigidly locking the cores in the direction and transverse. However, this solution does not allow enlarged polar expansions and does not allow good axial fixing.

Altri trovati che presentano macchine elettriche dalla struttura più tradizionale non sembrano dare la giusta risposta a questo aspetto. Other founds that present electric machines with a more traditional structure do not seem to give the right answer to this aspect.

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. US2014009009 involves the use of a resin to fix the electromagnets to the frame. Furthermore, it specifies that a more precise positioning can be obtained by exploiting some components present in the machine for other purposes. In our opinion it seems an unreliable solution for machines with high torque density given the considerable torques and pulsating forces that they develop.

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. Also the patent application DE10048492A1 does not differ much from the previous one as final results. Here, too, the electromagnets are fixed or in any case bound to metal rings that cover the entire perimeter of the stator, whose function is mainly to make the electrical connection between them. In fact, the electromagnets are kept in their position by gluing them with suitable resins in the housings obtained in the frame, as specified in the claims.

Nonostante le macchine elettriche a flusso assiale stiano acquisendo sempre maggiore importanza anche le invenzioni più recenti non si soffermano sufficientemente su questo aspetto. Although axial flux electric machines are gaining more and more importance, even the most recent inventions do not dwell sufficiently on this aspect.

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. This is the case of the invention WO2018015293 which illustrates a type of stator suitable for this type of machine: it is a structure which, as stated in the description, is certainly robust and ensures good resistance to tangential forces by the electromagnets, but not it seems to introduce significant improvements regarding their rigid positioning in the axial direction to counteract the high pulsating forces in that direction and the torques.

OGGETTO E SOMMARIO DELL'INVENZIONE OBJECT AND SUMMARY OF THE INVENTION

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. The purpose of the present invention is to provide an innovative combination of electromagnet shape and stator support structure for axial flux electric machines with stator without yoke, both IM and PM, suitably designed to overcome some drawbacks of the prior art and bring additional benefits. In particular, this innovative combination should facilitate the construction of the electromagnets, their precise positioning, their assembly, their integration and a firm fixing to the stator structure, maintaining high values of magnetic flux through the cores and also providing additional surfaces for the heat exchange.

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. These and other objects are achieved by means of a design provided with the characteristics specified in the attached claims, which are an integral part of the present description.

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. The basic idea of the present invention is to provide electromagnets with an elongated core which, in addition to the "shoes" or pole pieces, includes grooves on the side parts of the cores. These grooves will not be covered by the solenoid windings to be precisely coupled to a suitable stator support structure. Furthermore, the solenoid windings will be distributed on both sides of the grooves, leaving free a volume between the two solenoids which allows for additional surfaces for cooling the windings and cores. The stator support structure will be equipped with adequate "ribs" or "ribs" to couple, with the desired tolerance, to the grooves of the cores. Ribs and grooves will therefore allow the electromagnets complete with windings to be mounted quickly and accurately on the stator structure, as their radial and axial positions are uniquely defined, and to provide a stable fixing of the electromagnets to the stator. Furthermore, a suitably designed stator support structure provides, together with the internal surfaces of the core “shoes”, additional supports to constrain the solenoid windings, and can help dissipate the heat generated in the windings.

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. With an electromagnet fixed precisely and firmly to the stator, it is possible to have the desired air gaps between the poles and the corresponding front elements of the rotors for better performance and efficiencies.

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. Furthermore, having two solenoid windings in agreement for each electromagnet, the two contributions of magnetic flux can be generated on the two sides of the grooves; this allows for maximum flow through the faces of the shoes, where it is actually needed. The small cross section of the core due to the grooves does not significantly affect the magnetic flux since the largest losses in the magnetic circuit occur at the air gaps. Regardless of the polarity variations that will gradually be generated by making the current flow in one direction or another in the windings, in the reduced sections there will in fact be the almost complete contribution of the flow generated by one of the two solenoids and that reduced by the passage in the two air gaps. of the flux generated by the other solenoid, while on both pole ends there will be the almost complete flux generated by both solenoids before the passage between the air gaps.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

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. The invention will be described below with reference to non-limiting examples provided by way of non-limiting explanation of the attached drawings. These drawings show some aspects and embodiments of the present invention and, where necessary, reference numbers indicating similar structures, components, materials and / or structural elements in all the different figures are indicated with the same reference number.

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. Fig 1a is an exploded perspective view of the main elements of an axial flux stator constructed and arranged according to the principle of the invention.

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. Fig 2a is a perspective view of the electromagnet core of an axial flux machine constructed and arranged according to the principle of the invention.

La Fig.2b mostra la vista dall'alto del nucleo dell'elettromagnete. Fig.2b shows the top view of the electromagnet core.

La Fig.2c mostra la vista frontale del nucleo dell'elettromagnete. Fig.2c shows the front view of the electromagnet core.

La Fig.2d mostra la vista laterale del nucleo dell’elettromagnete. Fig.2d shows the side view of the electromagnet core.

La fig.2e mostra la vista prospettica del nucleo che comprende lamierini sottili. Fig. 2e shows the perspective view of the core comprising thin laminations.

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. Fig 3a is a perspective view of the electromagnet of an axial flux machine constructed and arranged according to the principle of the invention, comprising the windings of the solenoid.

La Fig 3b mostra la vista dall'alto dell'elettromagnete, inclusi i solenoidi. Fig 3b shows the top view of the electromagnet, including the solenoids.

La Fig.3c mostra la vista frontale dell'elettromagnete, inclusi i solenoidi. Fig.3c shows the front view of the electromagnet, including the solenoids.

La Fig.3d mostra la vista laterale dell'elettromagnete, inclusi i solenoidi. Fig.3d shows the side view of the electromagnet, including the solenoids.

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. Fig 4a is a perspective view of a stator of an axial flux machine constructed and arranged according to the principle of the invention.

La Fig.4b mostra la vista frontale dello statore. Fig.4b shows the front view of the stator.

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. Fig.5a is a perspective view of the stator and an electromagnet not yet inserted into the stator. Fig.5b is a perspective view of an electromagnet being inserted into the stator.

La Fig.5c è una vista prospettica di un elettromagnete completamente inserito nello statore. Fig.5c is a perspective view of an electromagnet fully inserted into the stator.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL'INVENZIONE DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

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. While the invention is susceptible to many modifications and alternative constructions, some of its preferred embodiments are shown in the drawings and will be described in detail below. However, it is to be understood that the present invention is not limited to the embodiment shown, but on the contrary, the invention is intended to cover all modifications, alternative and equivalent constructions within the scope of the invention as claimed.

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. The words or phrases "for example", "etc.", "or" indicate non-exclusive and without limitation alternatives, unless otherwise specified. The word "includes" means "includes but not limited to", unless otherwise indicated and the word "includes" means "includes but not limited to", unless otherwise specified.

Con la parola "macchina" si intende sia il motore che il generatore. The word "machine" means both the engine and the generator.

La parola “superficie” comprende superfici piatte (come un piano), superfici curve (come il bordo di una sfera o di un cilindro) ed altre. The word "surface" includes flat surfaces (such as a plane), curved surfaces (such as the edge of a sphere or cylinder) and others.

La parola "nucleo" comprende il nucleo ferromagnetico dell’elettromagnete. Il termine "asse del nucleo” equivale ad asse del solenoide e asse dell’elettromagnete. The word "core" includes the ferromagnetic core of the electromagnet. The term "core axis" is equivalent to the axis of the solenoid and the axis of the electromagnet.

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. The terms "winding terminations" or "solenoid terminations" are intended to encompass the leading and / or trailing part of the conductor cable (s).

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. The word "groove" includes all possible grooves or cuts or channels with different shapes obtained on the cores of the electromagnets or on its constituent elements.

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. The word “ribs” or “ribs” encompasses the elements of the stator supporting structure, including those in relief, which fit correctly inside the grooves.

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 the figures and in the description of the elements, an orthogonal coordinate system is used indicated by the capital letters X, Y and Z for the whole machine and / or for the stator and an orthogonal coordinate system indicated by the lowercase letters x, y and z for the electromagnets . For each electromagnet the y axis is oriented along the local radial and the origin of the x, y and z axes coincides with the center of the core axis.

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. In general, an innovative combination of electromagnet shape and stator support structure for axial flux electric machines with yoke-free stators, applicable to Induction Machines (IM) or Permanent Magnets (PM), is described here. These machines may include one or more stators with a number of electromagnets arranged circularly around the rotation axis of the machine. These machines can include two or more rotors.

Anche se non sempre indicato nelle figure, alcuni bordi interni ed esterni degli elementi disegnati possono essere arrotondati o smussati. Although not always indicated in the figures, some internal and external edges of the drawn elements can be rounded or beveled.

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. Figure 1 is an exploded perspective view of some elements of an axial flux electric machine, with stator without yoke, constructed and arranged according to the principle of the invention, which, in this case, includes a stator 1 with a number of electromagnets 10 arranged circularly with the axes of the respective cores parallel to the axis of rotation of the machine Z and of the rotors. For example, Fig.1 shows a machine with twelve electromagnets 10 and two rotor discs 2a and 2b on each side of the stator 1. The rotors can be induction machine rotors or include permanent magnets. The shaft is not shown in the figure and may include, for example, one or more splined parts for transferring torque from or to the rotors. Alternative configurations may include, for example, two stators and three rotors. Electromagnets with their cores and windings fill most of the stator volume. For a more effective use of the available volumes, the cross sections of the cores of the electromagnets 11 and of the "shoes" 111 are approximately in the shape of an isosceles trapezoid with the larger bases on the outside.

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. Figure 2a is a perspective view of the core of an electromagnet of an axial flux machine constructed and arranged according to the principle of the invention. The electromagnet 10 comprises a core 11 which can comprise pole extensions or "shoes" 111 to extend the termination area of the poles 111e, orthogonal to the z axis. The core of the electromagnet may comprise stacks of superimposed thin flat laminations, with insulating material on the surfaces, oriented along planes parallel to the zx plane but it could also comprise other types of arrangement of soft ferromagnetic materials, such as laminations arranged on planes parallel to both the zx and at the zy plane or suspensions of ferromagnetic particles in resins or organic materials, which reduce Eddy eddy currents and allow good core saturation values. The shoes also include 111i internal surfaces to help keep the solenoid windings fixed. For example, these surfaces 111i can be flat and lie on planes orthogonal to the z axis, as for the example in Figures 2, or they can have different shapes and not lie on planes orthogonal to the z axis. The core includes upper surfaces 112, side surfaces 113, lower surfaces 114 (not shown in the figure). The grooves 115 of the core 10 are arranged along the lateral surfaces 113 of the core and extend to a certain depth. In the case of cores comprising laminations oriented parallel to the plane zy, the cores can comprise grooves on the upper and lower faces. In the case of cores that include thin laminations oriented parallel to the flow and the zx plane, as indicated in Fig. 2e, the outline of each lamination will have lateral notches to generate, when stacked with all the other laminations, the grooves of the shape and dimensions desired. The cross section of the grooves can have different shapes, widths and depths to adequately withstand the expected loads. The directions of the grooves can lie on planes parallel to the xy plane, as shown in Figures 2, or on planes inclined to it. The stator support structure includes “ribs” which couple, with the desired dimensional tolerance, to the grooves. Additional materials can be included between the grooves and the "ribs" or ribs, such as resin or glue, for a more secure fixation. When the electromagnet (considered as a rigid body) with grooves parallel to the xy plane and oriented in the y direction is coupled to the stator support structure, most of its six degrees of freedom are constrained. In particular, all the rotations around the x, y and z axes and the translations along the z and x axes in both directions are prevented as well as the translation along the y axis in the negative inward direction. Only the translation along the y axis in the positive direction (towards the outside) is allowed. In axial flux machines the electromagnets are mainly subjected to tangential, axial and torque forces; the radial forces in direction and y are very limited. Once the electromagnets 10 are in their final position, it is therefore sufficient to block the translation along y in the positive direction (outwards) by fixing the cores of the electromagnets and the upper faces of the windings individually, in groups of two, three, etc… or even fixing them all together with one or more bands along the external circumference. Also the external part of the frame, when present, can be used in order to block the translation along y in the positive direction. Fig. 2b shows the top view of the electromagnet core. Fig.2c shows the front view of the electromagnet core and the highlighted area of the central section 11cs which is, in the example, an isosceles trapezoid with the major bases arranged externally. Fig.2d shows the side view of the electromagnet core. Fig.2e shows the perspective view of the core comprising laminations oriented parallel to the flow and to the zx plane.

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. Fig.3a is a perspective view of the electromagnet of an axial flux machine constructed and arranged according to the principle of the invention, including the volumes of the solenoid windings. The figures do not indicate the individual conductors of the solenoid windings but the volumes that delimit them; in particular, the solenoid winding volumes 20a and 20b are indicated. The windings can comprise different types of conductors with different cross sections: square, round or rectangular (for example ribbons) and use 1, 2 or more conductors in parallel. The winding terminations are not shown in the figure. The terminations of the windings of the various electromagnets can also be connected to the respective phases of the controller when the electromagnets are in their final position; position which is determined by the grooves / ribs coupling. Fig.3a indicates the additional heat exchange surface 201b (the similar surface 201a is not visible in the figure) which this configuration allows to obtain by leaving the perimeter volume around the core of the width of the grooves free from windings. Fig.3b shows the top view of the electromagnet including the solenoids 20a and 20b, their upper faces 20au and 20bu and the free core surface 115u. Fig.3c shows the front view of the electromagnet including the extended polar termination surface 111e ,. Fig.3d shows the side view of the electromagnet including the side faces of the indicative volumes of the solenoids 20as and 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. Fig.4a is a perspective view of a stator of an axial flux machine constructed and arranged according to the principle of the invention. These figures show, as an example, a stator supporting 12 electromagnets. The figure shows the main radial support structures 130 and the respective “ribs” structures 140 which fit into the grooves. The figure also indicates the surfaces 150 which help to constrain the windings of the solenoids and the seats 160 of the shaft bearings.

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. Fig.4b shows the front view of the stator. The support structures of the solenoid can also comprise holes indicated with 170 to allow and / or facilitate the circulation of fluids in the stator for a more effective heat exchange.

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. Figure 5a is a perspective view of the stator 1 and of an electromagnet 10 not yet inserted into the structure. In this example the “ribs” are arranged along the local radial direction y. Fig. 5b is a perspective view of an electromagnet 10 which is inserted into the support structure 140 of the stator 1.

La Fig.5c è una vista prospettica di un elettromagnete completamente inserito nella struttura di supporto dello statore. Fig.5c is a perspective view of an electromagnet fully inserted into the stator support structure.

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. Once the electromagnets 10 are in their final position, it is possible to constrain the translation along y in the positive direction by fixing the cores of the electromagnets and the upper faces of the windings individually, in groups of two, three, etc ... or even by fixing all together the electromagnets with one or more bands along the outer circumference. The fixing system is not shown in the figures.

Dipendentemente dalla configurazione scelta, è anche possibile connettere le terminazioni degli avvolgimenti alle rispettive fasi quando gli elettromagneti sono nella loro posizione finale Depending on the chosen configuration, it is also possible to connect the winding terminations to the respective phases when the electromagnets are in their final position

Claims

Claims 1) An axial flux electric machine without with one or more stators without yoke comprising: - a structure with supports to fix the electromagnets and to house bearings for a shaft which can rotate with respect to the stator and on which the rotors are fixed, - a plurality of electromagnets arranged circularly around the axis of rotation of the machine, with the axes of the cores parallel to the axis of rotation of the machine, where the cores of the electromagnets comprise soft and low coercivity ferromagnetic materials, wherein the electromagnets comprise cores elongated in the axial direction to include grooves of suitable shape and size on the sides of said cores, in which for each electromagnet there are two sinusoidal windings positioned on both sides of the grooves, leaving the perimeter volume around the cores, in correspondence with said grooves, free from the windings, wherein said sinusoidal windings have additional external surfaces in front of the aforementioned volume in order to increase the heat exchange surface, where the electromagnets are integrated into the stator with the solenoids wrapped around the cores, wherein the stator support structure includes, for each electromagnet, ribs to fit in shape and size within the grooves on the sides of the cores to guide, during assembly, the electromagnets into their final positions on the stator, wherein when the ribs are fully inserted into the grooves the electromagnets have reached their final position on the stator, e in which the electromagnets in their final position have all six degrees of freedom with respect to the stator supports, i.e. the three rotations and the three translations, blocked in both directions except the radial translation and directed towards the outside.