ITMI20121592A1 - Metodo per la fabbricazione di un rotore per motori elettrici e relativo rotore - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

“Metodo per la fabbricazione di un rotore per motori elettrici e relativo rotoreâ€

CAMPO DI APPLICAZIONE

La presente invenzione ha per oggetto un rotore per motori elettrici.

Più in particolare, la presente invenzione ha per oggetto un rotore per motori elettrici sincroni.

Ancor più in particolare, la presente invenzione ha per oggetto un rotore per motori elettrici sincroni ad alta velocità periferica a magneti permanenti. La presente invenzione ha, altresì, per oggetto un metodo di fabbricazione del citato rotore.

TECNICA NOTA

Come à ̈ ben noto, in elettrotecnica, si definisce con il termine “rotore†l'albero motore di un motore elettrico. Il rotore, in una macchina avente parti in movimento, à ̈ l'insieme delle parti rotanti contrapposto allo statore che à ̈ la parte fissa.

È noto costruire rotori con materiali sinterizzati.

Il processo di sinterizzazione consiste nella compattazione e trasformazione di materiali ridotti in polveri in un composto unitario; tale trattamento viene svolto ad una temperatura inferiore al punto di fusione del materiale.

La caratteristica di un componente realizzato per sinterizzazione à ̈ l'estrema durezza del componente, unita alla relativa economicità nel produrlo in serie.

In questo modo si ottengono nuclei di materiali magnetici ad elevata permanenza magnetica. Benché i materiali sinterizzati abbiano una buona resistenza meccanica alla compressione, un limitante svantaggio à ̈ rappresentato dalla pessima resistenza meccanica alla trazione; ciò à ̈ determinato dalla natura stessa dei materiali sinterizzati che non sono ottenuti per fusione ma per compattazione di polveri.

Nei motori elettrici sincroni, in particolare quelli a magneti permanenti ad alta velocità, il rotore viene sottoposto a forze centrifughe (perpendicolari alla superficie esterna del rotore stesso) che tendono a rompere il rotore esercitando forze di trazione non sopportabili, arrivando potenzialmente alla sua completa distruzione.

Solitamente tali forze sono contrastate da materiali opportunamente disposti in avvolgimento al rotore, detti nastri di bandaggio, che, limitando l’allargamento del magnete per effetto delle forze centrifughe, esercitano una pressione sul materiale magnetico, per evitarne la distruzione.

Per tale applicazione nei motori caratterizzati da velocità di rotazione oltre i 50.000 giri al minuto, viene di solito utilizzato un materiale composito, ad esempio della fibra di carbonio (per le sue buone qualità amagnetiche, elettriche e meccaniche) avvolta sul rotore e compattata con particolari resine.

Sebbene la fibra di carbonio abbia buone caratteristiche meccaniche, à ̈ comunque presente un limite superiore delle forze di trazione che tale fibra può esercitare sul rotore; l’entità di tale forza varia in funzione del diametro del filo utilizzato per preparare il nastro di bandaggio.

Infatti, considerato che la forza centrifuga esercitata dal magnete sulla fibra aumenta con il quadrato della velocità angolare, appare chiaro che, aumentando quest’ultima, le forze da contrastare da parte della fibra divengono sempre maggiori, fino a rendere insufficienti i bandaggi tradizionali in quanto l’elasticità del bandaggio à ̈ tale da non contenere gli sforzi del magnete e non riuscendo, quindi, ad evitare rotture dovute a carichi in trazione del magnete stesso.

Il problema tecnico à ̈ realizzare un rotore con un bandaggio che precomprima il magnete e non lo metta in condizioni di avere importanti carichi a trazione ma solo a compressione.

SOMMARIO DELL’INVENZIONE

La presente invenzione fornisce un metodo di fabbricazione di un rotore per un motore elettrico, comprendente le fasi di:

a) prevedere un magnete di un materiale magnetico sinterizzato, detto magnete avendo un primo diametro;

b) prevedere una guaina di trattenimento radiale in materiale composito, ad esempio fibra di carbonio, detta guaina avendo un diametro interno minore di detto primo diametro;

c) ridurre detto primo diametro di detto magnete ad un secondo diametro;

d) calzare detta guaina di trattenimento radiale su detto magnete quando detto magnete ha diametro;

e) lasciare che il magnete cilindrico con la guaina calzata su di esso interferiscano consentendo alla guaina di esercitare pressioni dirette verso l’interno sul magnete cilindrico.

Preferibilmente, la fase c) di ridurre il primo diametro del magnete comprende la fase di diminuire la temperatura del magnete.

In una forma di realizzazione, la fase di diminuire la temperatura comprende la fase di immergere il magnete in un fluido ad una bassa temperatura. Tale bassa temperatura può essere inferiore a circa -120 °C.

In una forma di realizzazione, il fluido à ̈ azoto liquido o simile.

La fase di calzare la guaina di trattenimento radiale sul magnete cilindrico viene effettuata sostanzialmente senza interferenza meccanica o con interferenza molto bassa.

La fase e) può comprendere la fase di riscaldare il magnete cilindrico e la guaina calzata su di esso a temperatura ambiente.

La fase b) di prevedere una guaina di trattenimento radiale in materiale composito, ad esempio fibra di carbonio che à ̈ materiale con dilatazioni termiche limitatissime, può formare una guaina cilindrica di trattenimento radiale su un mandrino terzo e sfilare la guaina dal mandrino.

Secondo un altro aspetto, la presente invenzione fornisce un motore elettrico, comprendente: un magnete di un materiale magnetico sinterizzato, detto magnete cilindrico avendo un primo diametro; una guaina di trattenimento radiale, ad esempio in fibra di carbonio, detta guaina avendo un diametro interno minore del primo diametro; in cui detta guaina di trattenimento à ̈ associata a detto magnete cilindrico in modo tale che il magnete cilindrico con la guaina calzata su di esso interferiscono così che la guaina esercita una pressione diretta verso l’interno sul magnete cilindrico anche quando il rotore non à ̈ in rotazione. Il motore elettrico comprende anche uno statore.

Il principale vantaggio dell'invenzione à ̈ che il materiale magnetico risulta fortemente compresso sia nella condizione di “riposo†del rotore, sia a velocità nominale quando la forza centrifuga si contrappone alle forze di compressione imposte dal bandaggio, determinando una forza risultante all’interfaccia magnete/materiale composito (ad esempio fibra di carbonio) che continua a tenere compresso il magnete evitando quindi forze di trazione incompatibili con il materiale sinterizzato.

L’invenzione risulterà dettagliatamente descritta con forme di realizzazione date a titolo esemplificativo e non limitativo con riferimento ai disegni allegati.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

• La Figura 1.1 à ̈ una vista schematica in pianta laterale di un nucleo cilindrico montato su un albero centrale ed una guaina di trattenimento radiale da calzare sul nucleo cilindrico;

• La Figura 1.2 à ̈ una vista in assonometria dei componenti della Figura 1.1;

• La Figura 1.3 à ̈ una vista in sezione trasversale ingrandita dei componenti della Figura 1.1;

• La Figura 2 à ̈ una vista in sezione trasversale ingrandita del magnete cilindrico, montato sull’albero centrale, il magnete cilindrico avendo un diametro ridotto affinché la guaina possa essere calzata su di esso; • La Figura 3.1 à ̈ una vista schematica in pianta laterale della fase in cui la guaina à ̈ calzata sul magnete cilindrico;

• La Figura 3.2 à ̈ una vista in assonometria della fase mostrata in Figura • La Figura 3.3 à ̈ una sezione trasversale ingrandita delle fase mostrata in Figura 3.1;

• La Figura 4.1 à ̈ una vista schematica laterale del rotore secondo l’invenzione;

• La Figura 4.2 à ̈ una vista in assonometria del rotore dell’invenzione; e • La Figura 4.3 à ̈ una vista in sezione trasversale ingrandita del rotore dell’invenzione.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA

L'invenzione riguarda un metodo per realizzare un rotore 4 per un motore elettrico. Il motore elettrico non à ̈ mostrato ma à ̈ un motore elettrico di tipo noto, ad esempio un motore elettrico “brushless†. Il motore elettrico tipicamente comprende anche uno statore non mostrato nelle varie figure. Il metodo prevede la fase iniziale di realizzare un magnete cilindrico 2 di materiale sinterizzato montato su un asse 1. L’asse 1 può essere nella forma di un albero cavo di un materiale metallico, ad esempio acciaio.

La Figura 1.1 mostra l’albero 1 e il magnete 2 montato su di esso. Nella parte di destra di Figura 1 viene anche mostrata una guaina 3 di trattenimento radiale. La guaina 3 forma un nastro di bandaggio chiuso ad anello, che, una volta montata, esercita una pressione sul sinterizzato 2 in materiale magnetico. Tale pressione viene diminuita per effetto della forza centrifuga durante la rotazione ad alta velocità per evitare che esso si deformi e/o si distrugga. La pressione esercitata dalla guaina contro il materiale magnetico contrasta la elevata pressione dovuta alla forza centrifuga a velocità di rotazione alte/altissime.

La guaina 3 à ̈ tipicamente realizzata avvolgendo un filamento (o una pluralità di filamenti) attorno ad un mandrino terzo. Preferibilmente, la guaina 3 comprende filamenti di carbonio. L’avvolgimento di filamenti può essere tipicamente consolidato tramite uno strato di resina o altro materiale simile. La guaina 3 forma così un cilindro cavo, come anche mostrato in Figura 1.2. Il magnete cilindrico 2 in materiale sinterizzato à ̈ costruito in modo da avere un diametro esterno D1 maggiore del diametro interno D0 della guaina 3, come mostrato schematicamente in Figura 1.3.

Il dimensionamento dello spessore della guaina 3 in fibra di carbonio (o altro materiale composito) deve essere effettuato in funzione della velocità di rotazione nominale del rotore e del diametro del rotore: la trazione massima esercitata sul filo della fibra e quindi la scelta dello spessore del bandaggio sono, infatti, funzione di tali parametri.

Secondo l'invenzione, la guaina 3 di trattenimento à ̈ associata al magnete cilindrico 2 in modo tale che tale magnete eserciti sulla guaina una spinta radiale diretta verso l’interno quando il rotore 4 non à ̈ in rotazione.

Vantaggiosamente, secondo l'invenzione, Il materiale magnetico risulta perciò fortemente compresso nella condizione di “riposo†del rotore.

Successivamente, secondo l'invenzione, il diametro iniziale D1 del nucleo cilindrico 2 viene ridotto dal valore iniziale ad un secondo valore D2<D1. In Figura 2, la differenza tra i valori D1 e D2 à ̈ stata accentuata per maggior efficacia di rappresentazione; tuttavia, come verrà specificato più avanti, la differenza tra D1 e D2 à ̈, in termini concreti, molto limitata.

Vantaggiosamente, secondo l'invenzione la riduzione del diametro del magnete cilindrico da D1 a D2 avviene tramite diminuzione della temperatura del magnete 2.

In altre parole, il metodo dell’invenzione sfrutta la differente costante di dilatazione termica della fibra di carbonio, del ferro e del magnete nonché la buona resistenza a trazione della fibra di carbonio e la buona resistenza a compressione del magnete sinterizzato.

Preferibilmente, la diminuzione della temperatura prevede di immergere il magnete 2 in un fluido ad una bassa temperatura.

Sottoposto a bassa temperatura, il rotore nel suo complesso (asse ed espansione polare con caratteristiche di dilatazione termica simili) si contrae e il diametro si riduce. La riduzione à ̈ generalmente compresa tra lo 0,1 e 0,2 %, ad esempio circa 60 µm per un diametro di 40 mm.

Per ottenere i risultati descritti, la temperatura deve essere, ad esempio, inferiore a – 120 °C o a -150 °C.

Secondo l'invenzione, il fluido utilizzato per tale abbassamento di temperatura à ̈ azoto liquido o fluidi simili.

Una volta ridotta la temperatura e ridotto di conseguenza il diametro del magnete 2 dal valore D1 al valore D2, la guaina 3 può essere calzata sul magnete cilindrico 2 senza sostanzialmente esercitare alcuno sforzo.

In altre parole, il metodo dell'invenzione prevede una fase di calzare la guaina 3 di trattenimento radiale sul magnete 2 quando il magnete ha il secondo diametro D2 (minore di D1). Quando il magnete e la guaina vengono calzati l’uno rispetto all’altro, il diametro D2 à ̈ minore o uguale al diametro D0, diametro interno della guaina 3.

Vantaggiosamente, secondo l'invenzione la fase di calzare la guaina 3 viene effettuata sostanzialmente senza interferenza meccanica.

Infatti, vantaggiosamente, secondo l'invenzione, il processo di calzatura avviene per interferenza termica (ovvero sfruttando il differente coefficiente di dilatazione termica tra fibra di carbonio e magnete), del bandaggio in fibra di carbonio sul rotore magnetico costituito da materiale sinterizzato.

Nella fase successiva del metodo dell’invenzione, à ̈ previsto di lasciare che il magnete cilindrico 2 con la guaina 3 calzata su di esso interferiscano consentendo al bandaggio di esercitare le pressioni dirette verso l’interno sul magnete.

Il materiale magnetico risulta perciò fortemente compresso nella condizione di “riposo†; a velocità nominale la forza centrifuga si contrappone alle forze di compressione imposte dal bandaggio, determinando una forza risultante all’interfaccia magnete/fibra di carbonio che continua a tenere compresso il magnete evitando quindi forze di trazione incompatibili con il materiale sinterizzato.

Ciò risolve le problematiche relative all’impossibilità di fornire la tensione necessaria al contrasto delle forze di trazione (centrifughe) alla fibra di carbonio e consente al sinterizzato di lavorare in una situazione di pressione permanente.

Vantaggiosamente, durante il riscaldamento si instaurano delle forze di compressione tra il bandaggio e il materiale magnetico del rotore, maggiori di quelle determinabili avvolgendo il filo di fibra di carbonio con tecnologie note a temperatura ambiente.

L'invenzione come descritta consente l'inserimento, per interferenza termica (ovvero sfruttando il differente coefficiente di dilatazione termica tra fibra di carbonio e magnete), del bandaggio in fibra di carbonio (già avvolto e consolidato grazie all’utilizzo di particolari resine) sul rotore magnetico costituito da materiale sinterizzato; questa azione risolve le problematiche relative all’impossibilità di fornire la tensione necessaria al contrasto delle forze di trazione (centrifughe) alla fibra di carbonio e consente al sinterizzato di lavorare in una situazione di pressione permanente.

L'invenzione come descritta sfrutta la differente costante di dilatazione termica della fibra di carbonio, del ferro e del magnete nonché la buona resistenza a trazione della fibra di carbonio e la buona resistenza a compressione del magnete sinterizzato.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo di fabbricazione di un rotore (4) per un motore elettrico, comprendente le fasi di: a) prevedere un magnete (2) di un materiale magnetico sinterizzato, detto magnete (2) avendo un primo diametro (D1); b) prevedere una guaina (3) di trattenimento radiale in materiale composito, detta guaina (3) avendo un diametro interno (D0) minore di detto primo diametro (D1); c) ridurre detto primo diametro (D1) di detto magnete (2) ad un secondo diametro (D2); d) calzare detta guaina (3) di trattenimento radiale su detto magnete (2) quando detto magnete (2) ha diametro (D2); e e) lasciare che il magnete cilindrico (2) con la guaina (3) calzata su di esso interferiscano consentendo alla guaina (3) di esercitare pressioni dirette verso l’interno sul magnete cilindrico (2).
2. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui detta fase c) di ridurre detto primo diametro (D1) di detto magnete (2) comprende la fase di diminuire la temperatura di detto magnete (2).
3. 3. Metodo secondo la rivendicazione 2, in cui detta fase di diminuire la temperatura comprende la fase di immergere detto magnete (2) in un fluido ad una bassa temperatura.
4. 4. Metodo secondo la rivendicazione 3, in cui detta bassa temperatura à ̈ una temperatura inferiore a circa -120 °C.
5. 5. Metodo secondo la rivendicazione 3 o 4, in cui detto fluido à ̈ azoto liquido o simile.
6. 6. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui detta fase di calzare detta guaina (3) di trattenimento radiale su detto magnete cilindrico (2) viene effettuata sostanzialmente senza interferenza meccanica o con interferenza molto bassa.
7. 7. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti in cui detta fase e) comprende la fase di riscaldare il magnete cilindrico (2) e detta guaina (3) calzata su di esso a temperatura ambiente.
8. 8. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta fase b) di prevedere una guaina (3) di trattenimento radiale in materiale composito comprende formare una guaina cilindrica di trattenimento radiale su un mandrino e sfilare detta guaina (3) dal mandrino.
9. 9. Rotore (4) per un motore elettrico, comprendente: un magnete (2) di un materiale magnetico sinterizzato, detto magnete cilindrico (2) avendo un primo diametro (D1); una guaina (3) di trattenimento radiale in materiale composito, detta guaina (3) avendo un diametro interno (D0) minore di detto primo diametro (D1); in cui detta guaina (3) di trattenimento à ̈ associata a detto magnete cilindrico (2) in modo tale che il magnete cilindrico (2) con la guaina (3) calzata su di esso interferiscono così che la guaina (3) esercita una pressione diretta verso l’interno sul magnete cilindrico (2) anche quando detto rotore (4) non à ̈ in rotazione.
10. 10. Motore elettrico comprendente un rotore (4) secondo la rivendicazione 9 ed uno statore.