ITMI20122268A1 - Macchina elettrica - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

“MACCHINA ELETTRICAâ€

La presente invenzione riguarda una macchina elettrica.

La macchina elettrica comprende uno statore e un rotore separati da un traferro e in cui il rotore à ̈ girevole rispetto allo statore attorno ad un asse di rotazione.

Lo statore comprende un cilindro esterno e segmenti statorici distribuiti attorno all’asse di rotazione.

Il rotore comprende un cilindro interno e segmenti rotorici distribuiti attorno all’asse di rotazione. Ciascun segmento rotorico comprende dei moduli con proprietà magnetiche e distribuiti all’interno del detto segmento rotorico all’asse di rotazione. Tali moduli saranno richiamati nel corso della descrizione con il termine “moduli†.

In commercio esistono differenti tipi di moduli aventi caratteristiche differenti.

Le principali caratteristiche sono la classe termica, la classe energetica e il prodotto massimo di energia. Il prodotto massimo di energia di ciascun modulo à ̈ il prodotto fra il valore di campo magnetico e il valore di induzione di campo magnetico della curva normale di magnetizzazione, e in cui i detti valori sono scelti in modo tale che il prodotto di detti valori à ̈ massimo alla temperatura di funzionamento nominale.

In uso, il punto di lavoro di ciascun modulo à ̈ determinato dall’intersezione della linea di carico del circuito magnetico della macchina elettrica con la curva normale di magnetizzazione del modulo stesso. Per minimizzare le dimensioni del magnete, la macchina elettrica viene dimensionata in modo che il detto punto di lavoro corrisponda al valore del prodotto massimo di energia. Il dimensionamento viene eseguito in funzione dei valori medi del campo magnetico definiti da un’analisi del circuito magnetico della macchina elettrica.

Uno svantaggio dell’arte nota à ̈ che durante il funzionamento, la linea di carico del modulo varia lungo la curva normale di magnetizzazione e, di conseguenza, il punto di lavoro oscilla nel tempo e non corrisponde al punto di lavoro inizialmente definito.

Se l’oscillazione à ̈ maggiore di una determinata soglia ha luogo una smagnetizzazione irreversibile dei moduli con perdita di efficienza della macchina elettrica.

Uno scopo della presente invenzione à ̈ quello di realizzare una macchina elettrica in grado di limitare gli inconvenienti dell’arte nota.

Secondo la presente invenzione à ̈ realizzata una macchina elettrica comprende uno statore e un rotore separati da un traferro, e in cui il rotore à ̈ girevole rispetto allo statore attorno ad un asse di rotazione; il rotore comprendendo segmenti rotorici distribuiti attorno all’asse di rotazione; ciascun segmento rotorico comprende almeno un primo modulo e un secondo modulo di materiale con proprietà magnetiche; il primo modulo e il secondo modulo avendo caratteristiche magnetiche differenti tra loro.

Grazie alla presente invenzione la macchina elettrica garantisce un’elevata efficienza nel corso del tempo a fronte di un costo relativamente basso del rotore.

Secondo una preferita forma di attuazione, il primo modulo e il secondo modulo sono distribuiti radialmente rispetto all’asse di rotazione, in particolare, allineati radialmente l’uno all’altro rispetto all’asse di rotazione.

Secondo un’altra preferita forma di attuazione, il primo modulo ha una classe termica maggiore della classe termica del secondo modulo.

Secondo un’altra preferita forma di attuazione, il primo modulo ha un valore di forza coercitiva intrinseca maggiore del valore di forza coercitiva intrinseca del secondo modulo.

Secondo un’altra preferita forma di attuazione, il primo modulo ha un valore di induzione residua minore o uguale del valore di induzione residua del secondo modulo.

Secondo un’altra preferita forma di attuazione, il primo modulo ha un valore del prodotto massimo di energia minore o uguale del valore del prodotto massimo di energia del secondo modulo.

Secondo un’altra preferita forma di attuazione, il primo modulo ha una temperatura massima operativa maggiore della temperatura massima operativa del secondo modulo.

Secondo un’altra preferita forma di attuazione, il primo modulo ha una classe energetica minore o uguale della classe energetica del secondo modulo.

Secondo una preferita forma di attuazione, il primo modulo à ̈ adiacente al traferro e ha una distanza radiale dal traferro minore rispetto al secondo modulo.

Secondo una preferita forma di attuazione, la macchina elettrica comprende un ulteriore primo modulo, in cui il primo modulo à ̈ adiacente al traferro e ha una distanza radiale dal traferro minore rispetto al secondo modulo e all’ulteriore primo modulo.

Secondo una preferita forma di attuazione, il secondo modulo à ̈ disposto tra il primo modulo e l’ulteriore primo modulo.

Secondo una preferita forma di attuazione, l’ulteriore primo modulo ha una distanza radiale dal traferro maggiore rispetto al primo modulo e al secondo modulo.

Secondo una preferita forma di attuazione, il primo modulo e l’ulteriore primo modulo hanno caratteristiche magnetiche uguali.

Altre caratteristiche e vantaggi della presente invenzione appariranno chiari dalla descrizione che segue di suoi esempi non limitativi di attuazione, con riferimento alle figure allegate, in cui:

- la figura 1 Ã ̈ una vista in elevazione frontale, con parti asportate per chiarezza, di una macchina elettrica realizzata secondo la presente invenzione;

- la figura 2 Ã ̈ una vista in elevazione frontale ingrandita rispetto alla figura 1, con parti asportate per chiarezza e parti in sezione, della macchina elettrica di figura 1;

- la figura 3 Ã ̈ una vista ingrandita, in sezione e con parti asportate per chiarezza, di un particolare della figura 2;

- la figura 4 à ̈ un diagramma di caratteristiche magnetiche di moduli con proprietà magnetiche;

- la figura 5 Ã ̈ una vista in sezione e con parti asportate per chiarezza, di una forma di attuazione alternativa della presente invenzione; e

- la figura 6 à ̈ una vista in sezione e con parti asportate per chiarezza, di un’altra forma di attuazione alternativa della presente invenzione.

Con riferimento alla figura 1, con 1 Ã ̈ indicata una macchina elettrica.

Nella fattispecie illustrata, la macchina elettrica 1 Ã ̈ preferibilmente utilizzata come generatore elettrico in un impianto eolico per la produzione di energia elettrica (non illustrato nelle figure allegate) o come motore elettrico in un impianto di trasporto a fune (non illustrato nelle figure allegate).

La macchina elettrica 1 comprende uno statore 2 e un rotore 3 separati da un traferro 4. Il rotore 3 Ã ̈ cavo e girevole rispetto allo statore 2 attorno ad un asse di rotazione A.

Lo statore 2 comprende un cilindro 5, preferibilmente delle alette di raffreddamento 6 fissate sulla faccia esterna del cilindro 5, e una pluralità di segmenti statorici 8 distribuiti attorno all’asse di rotazione A e fissati al cilindro 5 attraverso dispositivi di fissaggio non illustrati nelle figure allegate.

Nella fattispecie illustrata, il cilindro 5, quindi, ricopre, protegge e sostiene i segmenti statorici 8.

Ciascun segmento statorico 8 comprende degli avvolgimenti e dei pacchi di lamierini statorici 9 attorno ai quali à ̈ disposto un avvolgimento trifase, in modo tale che ciascun segmento statorico 8 possa essere estratto dallo statore 2 senza interagire con gli altri segmenti statorici 8.

Il rotore 3 comprende un cilindro rotorico 10, e segmenti rotorici 12 distribuiti attorno all’asse di rotazione A.

Con riferimento alla figura 2, ciascun segmento rotorico 12 comprende una pinza 13, guide magnetiche 14, primi moduli 15 di materiale con proprietà magnetiche, secondi moduli 16 di materiale con proprietà magnetiche, e elementi di fissaggio 17.

Con riferimento alla figura 2, i primi e i secondi moduli 15 e 16 con proprietà magnetiche sono distribuiti attorno all’asse di rotazione A.

In ciascun segmento rotorico 12, i primi e i secondi moduli 15 e 16 di materiale con proprietà magnetiche sono allineati radialmente all’asse di rotazione A (figura 1) per formare gruppi di moduli, i quali, a loro volta, sono disposti in successione parallelamente all’asse di rotazione A (figura 1) lungo l’intero segmento rotorico 12.

Con particolare riferimento alle figure 1 e 2, ciascun gruppo di moduli comprende il primo modulo 15 e tre secondi moduli 16 allineati radialmente all’asse di rotazione A, mentre, con riferimento alla figura 3, ciascun segmento rotorico 12 comprende undici gruppi di moduli (nella figura sono mostrati solamente cinque gruppi di moduli) disposti in successione parallelamente all’asse di rotazione A. In particolare, il primo modulo 15 à ̈ adiacente al traferro 4 ed ha una distanza minore dal traferro 4 rispetto ai secondi moduli 16, mentre i secondi moduli 16 sono adiacenti al cilindro rotorico 10 e hanno una distanza minore dal cilindro rotorico 10 rispetto al primo modulo 15. Inoltre, i secondi moduli 16 hanno una distanza maggiore dal traferro 4 rispetto al primo modulo 15.

Con riferimento alla figura 2, ciascun gruppo di moduli à ̈ disposto fra una rispettiva coppia di guide magnetiche 14 costituite ciascuna da rispettivi pacchi di lamierini. Ciascun segmento rotorico 12 comprende, quindi, undici coppie di guide magnetiche 14. Ciascuna coppia di guide magnetiche 14 à ̈ disposta all’interno della pinza 13 che à ̈ fissata al cilindro rotorico 10 attraverso i bulloni di fissaggio 16. Ciascuna coppia di guide magnetiche 14 presenta due facce 19 e in uso à ̈ attraversata dall’induzione magnetica dai primi e dai secondi moduli 15 e 16 e definisce le linee di campo. Inoltre sull’estremità superiore del gruppo di moduli, fra le guide magnetiche 14 sono disposti due elementi di protezione 18 di materiale isolante per proteggere il gruppo di moduli.

In una forma alternativa di attuazione non illustrata nelle figure allegate, i moduli possono essere in un numero qualsiasi, non necessariamente adiacenti, non necessariamente allineati radialmente all’asse, non necessariamente disposti in successione parallelamente all’asse. A titolo di esempio non limitativo della presente invenzione, i moduli di un gruppo di moduli possono essere in un numero qualsiasi e affiancati circonferenzialmente tra loro rispetto all’asse.

La macchina elettrica 1 che à ̈ stata descritta à ̈ una macchina elettrica a magneti permanenti a flusso radiale con magneti permanenti sepolti, resta inteso che l’ambito di protezione si estende a qualsiasi altra macchina elettrica a magneti permanenti come ad esempio una macchina elettrica a flusso radiale con magneti superficiali, o una macchina elettrica a flusso assiale o una macchina elettrica a flusso trasverso.

I primi e i secondi moduli 15 e 16 sono composti da un materiale comprendente generalmente elementi chimici appartenenti alla classe delle terre rare (ad esempio samario-cobalto o neodimio-ferro-boro) e metalli.

I primi e i secondi moduli 15, 16 sono caratterizzati da proprietà magnetiche che sono: classe termica correlata ad una massima temperatura operativa, forza coercitiva intrinseca Hci, prodotto massimo di energia BHmaxe induzione residua Br.

Nella figura 4 à ̈ illustrato a titolo di esempio una diagramma di caratteristiche di un generico modulo. In particolare le proprietà del modulo vengono illustrate nel secondo quadrante di un diagramma cartesiano in cui l’ascissa à ̈ l'intensità di campo magnetico H e l’ordinata à ̈ la densità di flusso magnetico B. Ciascun modulo di materiale con caratteristiche magnetiche à ̈ caratterizzato da una curva normale di magnetizzazione B(H) che varia al variare della temperatura (nella figura allegata sono illustrate tre curve normali di magnetizzazione B(H) relative a differenti temperature). Ciascuna curva normale di magnetizzazione B(H) à ̈ legata a una curva di magnetizzazione intrinseca J(H) anche essa variabile al variare della temperatura. In particolare, la curva normale di magnetizzazione B(H) e la curva di magnetizzazione intrinseca J(H) relative allo stesso modulo e alla stessa temperatura hanno un valore di induzione residua Br uguale. Il valore di induzione residua Br à ̈ definito dall’intersezione della curva normale di magnetizzazione B(H) con la curva di magnetizzazione intrinseca J(H) con l’asse delle ordinate. L’intersezione tra la curva di magnetizzazione intrinseca J(H) e l’asse delle ascisse definisce il valore di forza coercitiva intrinseca Hci. Il valore di forza coercitiva intrinseca Hci determina la soglia di smagnetizzazione.

Il modulo à ̈ caratterizzato inoltre da un prodotto massimo di energia BHmax ossia il prodotto tra il valore di campo magnetico H e il valore di induzione magnetica B, in cui i detti valori danno il prodotto massimo, alla temperatura di funzionamento nominale. Il punto di lavoro A1 del modulo à ̈ dato dall’intersezione di una linea di carico CC del modulo con proprietà magnetiche con la curva normale di magnetizzazione B(H) del circuito magnetico prodotto dalla macchina elettrica 1.

Con riferimento alle figure 2 e 3, per ciascun segmento rotorico 12, i primi moduli 15 hanno caratteristiche magnetiche differenti dai secondi moduli 16. In particolare i primi moduli 15 hanno una classe termica maggiore della classe termica dei secondi moduli 16. Di conseguenza, i primi moduli 15 hanno un temperatura massima operativa maggiore della temperatura massima operativa dei secondi moduli 16. A titolo di esempio non limitativo della presente invenzione, i primi moduli 15 hanno una classe termica H e i secondi moduli 16 hanno una classe termica M.

Inoltre, i primi moduli 15 hanno un valore di forza coercitiva intrinseca Hci maggiore del valore di forza coercitiva intrinseca Hci dei secondi moduli 16.

In una forma di attuazione alternativa, i primi moduli 15 hanno un valore del prodotto massimo di energia Bhmax minore del valore del prodotto massimo di energia Bhmax dei secondi moduli 16. Inoltre, il primo modulo 15 ha un valore di induzione residua Br minore del valore di induzione residua Br dei secondi moduli 16. In altre parole, i primi moduli 15 hanno una classe energetica minore dei secondi moduli 16. A titolo di esempio non limitativo della presente invenzione, i primi moduli 15 hanno una classe energetica N35 e i secondi moduli 16 hanno una classe energetica N38.

La macchina elettrica 1 risulta avere un’efficienza maggiore a parità di costo rispetto all’arte nota, o un costo minore a parità di efficienza rispetto all’arte nota. Infatti, eseguendo uno studio accurato del campo magnetico attraverso un programma di simulazione si à ̈ rilevato che, in particolari condizioni di funzionamento, la smagnetizzazione nell’arte nota à ̈ causata da un campo magnetico critico che si sviluppa esclusivamente in una zona adiacente al traferro 4, di conseguenza, grazie alla presente invenzione si à ̈ provveduto a dividere i moduli e differenziare i primi moduli 15 adiacenti allo statore 2 dai secondi moduli 16, in questo modo si avrà una macchina elettrica 1 che non si smagnetizza durante l’uso come nell’arte nota e che non ha un costo eccessivo, dal momento che i moduli con classe termica superiore sono usati solamente per i primi moduli 15 permettendo delle oscillazioni del punto di lavoro maggiori a parità di temperatura di funzionamento.

Secondo una forma di attuazione alternativa illustrata nella figura 5, ciascun gruppo di moduli comprende una pluralità di primi moduli 15 che hanno una distanza radiale dal traferro 4 minore rispetto alla pluralità di secondi moduli 16, in una versione preferita e non limitativa della presente invenzione, ciascun gruppo di moduli comprende due primi moduli 15 e due secondi moduli 16.

Secondo una forma di attuazione illustrata nella figura 6, in ciascun gruppo di moduli uno dei tre secondi moduli 16 à ̈ omesso e ciascun gruppo di moduli comprende un ulteriore primo modulo 15. L’ulteriore primo modulo 15 à ̈ adiacente al cilindro rotorico 10 ed ha una distanza radiale dal cilindro rotorico 10 minore rispetto ai due secondi moduli 16 e al primo modulo 15.

La macchina elettrica 1 risulta avere un’efficienza maggiore a parità di costo rispetto all’arte nota, o un costo minore a parità di efficienza rispetto all’arte nota. Infatti, eseguendo uno studio accurato del campo magnetico attraverso un programma di simulazione si à ̈ rilevato che in particolari condizioni di funzionamento la smagnetizzazione nell’arte nota à ̈ causata da un campo magnetico critico che si sviluppa esclusivamente in una zona adiacente allo statore 2 e un campo magnetico critico che si sviluppa esclusivamente in una regione del rotore 3 lontana dallo statore, in particolare all’estremità interna del rotore 3. Di conseguenza, grazie alla presente invenzione si à ̈ provveduto a dividere il modulo e a utilizzare moduli con caratteristiche magnetiche differenti in base alla criticità del campo magnetico in ciascun modulo. In particolare i primi moduli 15 e i secondi moduli 16 sono soggetti ad un campo magnetico critico rispettivamente quando si riduce o aumenta il traferro 4 tra il rotore 3 e lo statore 2, in questo modo si avrà una macchina elettrica 1 che non si smagnetizza durante l’uso come nell’arte nota e che non ha un costo eccessivo, dal momento che i moduli con classe termica superiore sono usati solamente per i primi moduli 15 permettendo delle oscillazioni del punto di lavoro maggiori a parità di temperatura di funzionamento.

È inoltre evidente che la presente invenzione copre anche forme di attuazione non descritte nella descrizione dettagliata e forme di attuazione equivalenti che rientrano nell’ambito di protezione delle rivendicazioni allegate.

Claims (13)

1. RIVENDICAZIONI 1. Macchina elettrica comprendente uno statore (2) e un rotore (3) separati da un traferro (4), e in cui il rotore (3) à ̈ girevole rispetto allo statore (2) attorno ad un asse di rotazione (A); il rotore (3) comprendendo segmenti rotorici (7) distribuiti attorno all’asse di rotazione (A); ciascun segmento rotorico (7) comprendendo almeno un primo modulo (15) e almeno un secondo modulo (16) di materiale con proprietà magnetiche; il primo modulo (15) e il secondo modulo (16) avendo caratteristiche magnetiche differenti tra loro.
2. 2. Macchina elettrica secondo la rivendicazione 1, in cui il primo modulo (15) e il secondo modulo (16) sono distribuiti radialmente rispetto all’asse di rotazione (A), in particolare, allineati radialmente l’uno all’altro rispetto all’asse di rotazione (A).
3. 3. Macchina elettrica secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui il primo modulo (15) ha una classe termica maggiore della classe termica del secondo modulo (16).
4. 4. Macchina elettrica secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui il primo modulo (15) ha un valore di forza coercitiva intrinseca (Hci) maggiore del valore di forza coercitiva intrinseca (Hci) del secondo modulo (16).
5. 5. Macchina elettrica secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui il primo modulo (15) ha un valore di induzione residua (Br) minore o uguale del valore di induzione residua (Br) del secondo modulo (16).
6. 6. Macchina elettrica secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui il primo modulo (15) ha un valore del prodotto massimo di energia (Bhmax) minore o uguale del valore del prodotto massimo di energia (Bhmax) del secondo modulo (16).
7. 7. Macchina elettrica secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui il primo modulo (15) ha un temperatura massima operativa maggiore della temperatura massima operativa del secondo modulo (16).
8. 8. Macchina elettrica secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui il primo modulo (15) ha una classe energetica minore o uguale della classe energetica del secondo modulo (16).
9. 9. Macchina elettrica secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui il primo modulo (15) Ã ̈ adiacente al traferro (4) e ha una distanza radiale dal traferro (4) minore rispetto al secondo modulo (16).
10. 10. Macchina elettrica secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 8, comprendente un ulteriore primo modulo (15), in cui il primo modulo (15) à ̈ adiacente al traferro (4) e ha una distanza radiale dal traferro (4) minore rispetto al secondo modulo (16) e all’ulteriore primo modulo (15).
11. 11. Macchina elettrica secondo la rivendicazione 10, in cui il secondo modulo (16) à ̈ disposto tra il primo modulo (15) e l’ulteriore primo modulo (15).
12. 12. Macchina elettrica secondo la rivendicazione 10 o 11, in cui l’ulteriore primo modulo (15) ha una distanza radiale dal traferro (4) maggiore rispetto al primo modulo (15) e al secondo modulo (15).
13. 13. Macchina elettrica secondo la rivendicazione 10 o 11, in cui il primo modulo (15) e l’ulteriore primo modulo (15) hanno caratteristiche magnetiche uguali.