ITTO20010183A1 - Induttori per macchine elettriche. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Induttori per macchine elettriche"

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce in generale alle macchine elettriche, in particolare alle macchine con avvolgimenti trifasi.

Più specificamente l'invenzione ha per oggetto un induttore per una macchina elettrica comprendente una (seconda) parte cooperante con l'induttore e presentante almeno una coppia di poli e che definisce, rispetto all'induttore, un traferro; l'induttore presentando, per ogni coppia di poli di detta parte cooperante, n denti e n cave fra loro alternati e presentanti in corrispondenza del traferro rispettive estensioni essenzialmente costanti nella direzione di spostamento relativo fra 1'induttore e detta parte cooperante; l'induttore comprendendo inoltre un avvolgimento formato da conduttori che ' sono disposti in dette cave; la densità di conduttori in dette cave essendo sostanzialmente costante.

In una tale macchina elettrica, provvista di un circuito o nucleo ferromagnetico, i parametri della macchina, quali flussi magnetici, forze magnetomotrici, auto-induttanze, ecc. presentano, in funzione della coordinata di posizione lungo la direzione di movimento relativo fra l'induttore e l'associata parte cooperante, rispettive distribuzioni caratterizzate da rispettivi valori medi e da rispettive ondulazioni o ripple.

La periodicità dell'ondulazione o ripple dei parametri magnetici di una tale macchina è funzione del passo P delle cave dell'induttore, sia per la correlata discretizzazione dell'allocazione dei conduttori nelle cave, sia per la distribuzione alternata di permeanza al traferro dovuta all'alternanza tra aperture di cava ed espansioni di dente al traferro medesimo.

Nella macchine con n=3 e n=6 denti e cave per coppia di poli della suddetta parte cooperante (indotto), provviste di un avvolgimento induttore trifase convenzionale, la periodicità dell'ondulazione dei suddetti parametri è necessariamente pari al periodo o passo P delle cave dell'induttore.

Nelle macchine trifasi con numero n di denti o cave superiore a 6, viene in generale prodotto un contenuto armonico con periodicità superiore, ovvero multipla, del passo di cava P, il quale contenuto può essere qui definito "sub-armonico" con riferimento al periodo elementare P delle distribuzioni.

Tale contenuto sub-armonico è in generale inevitabile quanto indesiderato, non essendo cancellabile con i provvedimenti noti con i quali viene di norma cancellato o attenuato il contenuto armonico superiore, come ad esempio i cosiddetti "skewing" o "stepping" di almeno una delle due parti cooperanti della macchina rispetto all'altra.

Tali provvedimenti potrebbero essere teoricamente estesi per attenuare anche detto contenuto sub-armonico, tuttavia ciò penalizzerebbe eccessivamente l'efficienza della conversione corrente/f.m.m. rendendo più convenienti induttori con bassi numeri di denti per paia poli (n=3, n=6) che sono esenti da detto contenuto sub-armonico.

Uno scopo dell'invenzione è quindi rendere disponibili induttori con più elevata risoluzione, ovvero più elevato numero di denti per paia poli, i quali siano però esenti da contenuto sub-armonico per massimizzare l'efficienza della conversione corrente/f .m.m. .

Il caso della macchina con n=12 ha massimo interesse applicativo per sistemi di potenza media ed alta efficienza e elevate prestazioni.

Nella macchine con n=12 cave di induttore per ogni coppia di poli dell'indotto l'ondulazione dei suddetti parametri presenta in generale anche una periodicità doppia, ovvero in due 2P oltre che in P.

In generale, la cancellazione della componente del ripple di periodicità 2P dei suddetti parametri in una macchina elettrica può essere ottenuta adottando, in alternativa fra loro, una delle seguenti soluzioni per sé note:

realizzazione dell'induttore con un avvolgimento esafase, cioè con una coppia di avvolgimenti trifase diametrali, tipici delle macchine con n=6, sfasati di un passo di cava P al traferro ed alimentati con due terne di correnti trifase sfasate nel tempo di un angolo elettrico pari a π/6 radianti;

adozione di un'opportuna distribuzione dei conduttori nelle cave dell'induttore, accettando la conseguente riduzione di efficienza rispetto alla soluzione precedente.

Uno scopo della presente invenzione è di proporre un induttore per una macchina elettrica, realizzato in modo tale da consentire una drastica riduzione del ripple dei parametri magnetici della macchina .

Un ulteriore scopo dell'invenzione è in particolare la realizzazione di un induttore per una macchina elettrica con n=12 cave di induttore per ogni coppia di poli dell'indotto, che consenta una sostanziale cancellazione del ripple con periodicità 2P, minimizzando la riduzione di efficienza che ne consegue.

Questo ed altri scopi vengono realizzati secondo l'invenzione con un induttore del tipo sopra specificato, caratterizzato dal fatto che nella suddetta direzione di spostamento relativo le cave dell'induttore presentano periodicamente ampiezze, differenti fra loro, mentre i denti presentano sostanzialmente un'estensione costante.

Idealmente e convenientemente, per una macchina elettrica in cui 1'induttore presenta n=12 cave per coppia di poli dell'indotto, dette cave del1 1induttore presentano alternatamente una prima ed una seconda ampiezza che stanno fra loro sostanzialmente nel rapporto 2:V3 .

Nelle macchine con n=18, che rappresentano ancora ima tipologia di buon interesse applicativo, sono' possibili sub-armoniche di periodo 3P oltre che 2P.

Tali subarmoniche sono cancellabili od attenuabili con:

tre terne di avvolgimenti diametrali alimentati da tre tem e di correnti convenientemente sfasate nel tempo; oppure con

una distribuzione opportuna di conduttori nelle cave, con ulteriore penalizzazione dell'efficienza.

L'applicazione dell'invenzione al caso n=18 porta alla realizzazione di un induttore presentante cave aventi ampiezza variabile nella detta direzione di spostamento relativo, e caratterizzate dalla successione periodica di due cave aventi ampiezza uguale ed una terza cava avente ampiezza differente .

In un primo caso, preferibile per l'efficienza della trasformazione corrente/f .m.m. , l'ampiezza della terza cava è circa il 12% inferiore a quella delle prime due .

In un secondo caso l'ampiezza della terza cava è circa il 6,5% superiore a quella delle prime due.

Altri e differenti casi per n<18 non sono sviluppati in quanto risultano di minore interesse applicativo.

I casi teorici per n>18 non sono sviluppati in quanto sono di scarso interesse applicativo ed inoltre il vantaggio ottenibile secondo l'invenzione svanisce con l'incremento di n.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell1invenzione appariranno dalla descrizione dettagliata che segue, effettuata a puro titolo di esempio non limitativo con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

la figura 1 è una vista parziale in sezione trasversale che mostra una macchina elettrica rotante, con induttore esterno all'indotto e realizzato secondo la tecnica anteriore,-la figura 2 è una vista parzialmente sezionata che mostra la sezione trasversale di una macchina elettrica rotante, con induttore interno all'indotto e realizzato secondo la tecnica anteriore;

la figura 3 è una vista parziale sezionata che mostra una porzione linearizzata di un induttore realizzato secondo la presente invenzione; la figura 4 è una rappresentazione linearizzata estesa di un induttore con n=12 cave per coppia di poli dell'associata parte cooperante (indotto) secondo l'invenzione, le cui cave sono realizzate in conformità con la soluzione descritta in relazione alla figura 3,

la figura 4a è un grafico relativo alla distribuzione dei conduttori di un avvolgimento per l'induttore della figura 4;

la figura 5 mostra un induttore secondo l'invenzione con n=18 cave per coppia di poli dell'indotto;

la figura 5a è un grafico relativo alla distribuzione dei conduttori di un avvolgimento per l'induttore della figura 5;

la figura 6 mostra un ulteriore induttore secondo l'invenzione con n=18,

la figura 6a è un grafico relativo alla distribuzione dei conduttori di un avvolgimento per l'induttore della figura 6.

Con riferimento alla figura 1, una macchina elettrica M secondo la tecnica anteriore comprende un induttore B ed una seconda parte cooperante A, o indotto, solidale ad un albero H.

L'indotto A presenta almeno una coppia di poli magnetici N e S (nord e sud).

L'induttore B presenta, per ogni coppia di poli magnetici dell'indotto A, n denti 20 e n cave 21, fra loro alternati.

Fra l'induttore B e l'indotto A è definito un traferro G.

I denti 20 dell'induttore B presentano, in corrispondenza del traferro G, rispettive espansioni 20a, aventi rispettive estensioni angolari essenzialmente costanti.

Le cave 21 dell'induttore presentano, in corrispondenza del traferro G, rispettive aperture od imboccature 2la, aventi la medesima estensione angolare .

In modo per sé noto, l'induttore B è provvisto di un avvolgimento W formato da conduttori avvolti attorno ai denti 20 ed allocati nelle cave 21.

Nella figura 2 è mostrata la struttura generale di una macchina elettrica secondo la tecnica anteriore in cui l'indotto A circonda l'induttore B. Nella figura 2 a parti ed elementi già descritti con riferimento alla figura 1 sono stati attribuiti nuovamente gli stessi simboli alfanumerici.

Una macchina elettrica può peraltro essere realizzata (in modo per sé noto) con induttore e indotto lineari.

Nelle soluzioni secondo la tecnica anteriore, quali quelle sopra descritte con riferimento alla figura 1 e 2, le cave 20 (e i denti) dell'induttore B presentano, nella direzione di spostamento relativo fra induttore ed indotto, una medesima ampiezza costante.

Nelle figure 3 e 4 sono mostrate porzioni linearizzate di un induttore realizzato secondo la presente invenzione.

In particolare, nella figura 3 è mostrata una porzione linearizzata di un induttore B con due cave adiacenti 21' e 21" aventi differenti ampiezze b' e b". Tali cave sono comprese tra denti 20 aventi essenzialmente la medesima conformazione e presentanti comunque rispettive espansioni 20a che presentano al traferro una medesima estensione nella direzione di spostamento relativo fra induttore ed indotto. Anche le imboccature 21a delle cave 21' e 21" presentano la medesima estensione secondo detta direzione di spostamento relativo.

Convenientemente, per una macchina con n=12 cave per coppie di poli dell'indotto, al fine di ottenere una sostanziale cancellazione del ripple e al contempo una massima efficienza della macchina le cave dell'induttore B delle figure 3 e 4 presentano alternatamente ampiezze che stanno fra loro sostanzialmente nel rapporto 2/V3, come le ampiezze indicate con b' e b" nella figura 3.

La figura 4 mostra un induttore linearizzato realizzato con cave ad ampiezza diversificata secondo quanto sopra descritto.

La figura 4a mostra la distribuzione dei conduttori dell'avvolgimento di una fase di un induttore B secondo 1'invenzione per una macchina trifase. Tale distribuzione di conduttori è finalizzata all'ottenimento di massime prestazioni. La figura 4a mostra in ordinata il numero di conduttori, in funzione della coordinata di posizione (secondo la direzione di spostamento relativo fra induttore ed indotto) riportata in ascissa, e riferita alla porzione linearizzata di induttore mostrata nella figura 4.

In ciascuna cava "ristretta" 21' dell'induttore, avente larghezza b', vengono alloggiati

conduttori di una sola fase, z conduttori della medesima fase essendo alloggiati nelle due cave "allargate" 21" contigue aventi larghezza b". Le cave 21" sono allargate in quanto debbono accogliere anche z conduttori di un'altra delle tre fasi. L'isolamento fra le fasi può richiedere che b" sia in pratica un po' maggiore di tale numero è peraltro attenuato dall'isolamento fra i conduttori e le pareti delle cave.

L'assenza di cosiddette "subarmoniche" (periodo 2P) di tale distribuzione di conduttori si può dedurre, tra l'altro, dalla cancellazione del cosiddetto "doppino" di quinta e settima armonica della distribuzione di fase. Essendo l'ampiezza Zh della "h-esima" armonica descritta da:

V hdispari,

si può notare come per h=5,7 risulti Z5 = Z7 = 0.

La componente fondamentale risulta invece

per cui il rapporto tra ampiezza fonda-

mentale e valore massimo della distribuzione dei conduttori risulta

Per confronto, e secondo quanto noto, partendo dalla consueta distribuzione di conduttori a passo raccorciato nella quale due cave contigue uguali ospitano z conduttori di una fase, inserendo un numero kz di conduttori nelle due cave contigue alle prime due è possibile cancellare il doppino di quinta e settima armonica.

Tale transizione della distribuzione di conduttori è anche nota come (1, 3, 3, 1) in quanto il contenuto armonico della transizione (kz, z, z, kz) è così descritto analiticamente:

V h dispari

per cui il doppino di quinta e settima si annulla . .

per k=0,3660, cioè numero in pratica ben ap-

prossimato da 1/3. Tuttavia il rapporto tra l'ampiezza fondamentale e l'ampiezza massima della distribuzione di conduttori risulta

In definitiva, in una macchina con n=12 cave per coppia di poli di indotto la realizzazione dell'induttore secondo l'invenzione permette di incrementare del 3,5% il coefficiente di conversione della corrente in f.m.m, ovvero di ridurre di circa il 7% la dissipazione nel rame a parità di f.m.m. fondamentale prodotta.

La transizione della distribuzione di conduttori secondo l'invenzione può essere descritta in via di principio dalla sequenza (1, V3, 1).Vari numeri interi sono in grado di approssimarla con ottima accuratezza, il minimo numero intero a fattore comune essendo pari a 3, ottenendo in tal caso la sequenza approssimata (3,5,3): in questo caso l'ampiezza delle cave risulta proporzionale ai numeri interi 6-5-6. L'efficienza della trasformazione corrente-f.m.m. rispetto all'onda quadra, ovvero rapporto fra ampiezza della componente fondamentale in rapporto all'onda quadra e valore massimo della distribuzione dei conduttori, è pari al 92,7% (contro il 92,8% della distribuzione ideale 1-V3-1).

Altre sequenze sono ovviamente ottenibili con interi più grandi e tra loro risultano particolarmente accurate quelle che presentano le ampiezze di cava proporzionali a:

• 8-7-8, con sequenza di conduttori (4-7-4) ed efficienza 92,9%,

• 14-12-14, con sequenza di conduttori (7-12-7) ed efficienza 92,8%,

• 16-13-16, con sequenza di conduttori (8-13-8), efficienza 92,6% ,

• 22-19-22, sequenza (11-19-11), efficienza 92,8% #

• 20-17,20, sequenza (10-17-10), efficienza 92,8%.

Per una macchina con n=18 cave per coppia di poli dell'indotto A il fine di ottenere una sostanziale cancellazione del ripple e al contempo una massima efficienza della macchina può essere raggiunto in due modi.

Nel primo caso, preferibile per l'efficienza della trasformazione corrente-f.m.m. in quanto caratterizzato dalla presenza di spire diametrali, l'induttore B presenta una successione di gruppi di cave, ogni gruppo essendo costituito da 3 cave; per ciascun gruppo di cave l'ampiezza delle singole cave è proporzionale ai seguenti valori:

In figura 5 è mostrato un tale induttore B secondo l'invenzione con n=18.

La figura 5a mostra invece la distribuzione dei conduttori dell'avvolgimento di una fase di un induttore B secondo la figura 5 per una macchina ‘ trifase: in ordinata è specificato il numero di conduttori in funzione della coordinata di posizione (spostamento relativo fra induttore ed indotto) riportata in ascissa e riferita alla porzione linearizzata di induttore mostrata in figura 5.

In ciascuna cava avente larghezza minore b2 sono alloggiati z conduttori di una sola fase X, mentre 0,742z conduttori della stessa fase X sono alloggiati nella cava immediatamente successiva e 0,395z conduttori della stessa fase X sono alloggiati nella cava seguente; tali cave sono destinate ad alloggiare inoltre e rispettivamente 0,395z e 0,742z conduttori di un'altra fase Y.

Questa soluzione di realizzazione dell'induttore presenta un'efficienza rispetto all'onda quadra pari al 91,6%.

In questo caso, come nel caso n=12, esistono buone sequenze approssimanti per le larghezze di cava :

• 6-6-S-6-6, avente un'efficienza rispetto ad un'onda quadra del 91,7% e sequenza di conduttori di fase 2-4-S-4-2,

• 9-9-8-9-9, con efficienza 91,8% e sequenza di conduttori 3-6-8-6-3,

14-14-12-14-14, efficienza 91,4%, sequenza di conduttori 5-9-12-9-5,

• 15-15-13-15-15, efficienza 91,8%, sequenza di conduttori 5-10-13-10-5

• 17-17-15-17-17, efficienza 91,6%, sequenza di conduttori 6-11-15-11-6,

• 20-20-18-20-20, efficienza 91,3%, sequenza di conduttori 7-13-18-13-7,

• 25-25-22-25-25 , efficienza 91,5%, sequenza di conduttori 9-16-22-16-9.

In un secondo caso, l'induttore B presenta ancora una successione di gruppi di cave, ogni gruppo essendo costituito da 3 cave; per ciascun gruppo di cave l'ampiezza delle singole cave è però proporzionale ai seguenti valori:

In figura 6 è mostrato un altro induttore con n=18 con tali valori di bi, b2 e b3.

La figura 6a mostra invece la distribuzione dei conduttori dell'avvolgimento di una fase di un induttore B secondo la figura 6 per una macchina trifase: in ordinata è specificato il numero di conduttori in funzione della coordinata di posizione (spostamento relativo fra induttore ed indotto) riportata in ascissa e riferita alla porzione linearizzata di induttore mostrata in figura 6.

In una cava avente larghezza minore bi sono posti z conduttori di una fase X nonché 0,227z conduttori di un'altra fase Y, nella cava immediatamente successiva, avente larghezza b2>bi sono posti 0,653z conduttori della fase X e lo stesso numero 0,653z di conduttori della fase Y, nella cava seguente, avente ampiezza b3=bi, sono posti 0,227z conduttori della fase X e z conduttori della fase Y.

Questa soluzione di realizzazione dell'induttore presenta un'efficienza rispetto all'onda quadra pari al 90,2%.

Buone sequenze di numeri interi approssimanti la distribuzione ideale di conduttori, in questo caso, hanno le seguente ampiezze di cava:

• 7-8-7, con efficienza rispetto all'onda quadra del 91,1% e sequenza di distribuzione dei conduttori 6-4-1,

• 11-12-11, efficienza 90,3%, sequenza 9-6-2, • 12-14-12, efficienza 90,5%, sequenza 10-7-2, • 15-16-15, efficienza 89,9%, sequenza 12-8-3, • 16-18-16, efficienza 90,1%, sequenza 13-9-3, • 17-18-17, efficienza 90,4%, sequenza 14-9-3, • 21-22-21, efficienza 90,1%, sequenza 17-11-4.

Naturalmente, fermo restando il principio del trovato, le forme di attuazione ed i particolari di realizzazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto è stato descritto ed illustrato a puro titolo di esempio non limitativo, senza per questo uscire dall'ambito dell'invenzione, come definito nelle annesse rivendicazioni.

Claims (5)

1. RIVENDICAZIONI 1. Induttore (B) per una macchina elettrica (M) comprendente una parte (A) cooperante con l'induttore e presentante almeno una coppia di poli magnetici (N, S) e definente rispetto all'induttore (B) un traferro (G); l'induttore (B) presentando, per ogni coppia di poli di detta parte (A), n denti (20, 20a) ed n cave (21, 21a) fra loro alternati e presentanti, in corrispondenza del traferro (G), rispettive estensioni essenzialmente costanti nella direzione di spostamento relativo tra induttore (B) e detta parte (A); l'induttore (B) comprendendo inoltre un avvolgimento (W) formato da conduttori che si estendono in dette cave (21); la densità di conduttori in dette cave (21) essendo sostanzialmente costante; 1'induttore (B) essendo caratterizzato dal fatto che in detta direzione di spostamento relativo le cave (21, 2la) presentano periodicamente ampiezze (b1, b"; bi, b2, b3) prefissate e differenti fra loro, mentre i denti (20) presentano un'estensione sostanzialmente costante; in ciascuna cava (21) essendo allocato un numero di conduttori sostanzialmente proporzionale alla sua ampiezza (b',
2. 2 . Induttore per una macchina elettrica secondo la rivendicazione 1, presentante n=12 cave (21) per coppia di poli (N, S) di detta parte cooperante (A); 11induttore (B) essendo caratterizzato dal fatto che presenta alternatamente una prima (b1) e una seconda ampiezza (bn) delle cave (21', 21") che stanno fra loro sostanzialmente nel rapporto 2:->/3.
3. 3. Induttore per una macchina elettrica secondo la rivendicazione 1, presentante n=18 cave (21) per coppia di poli (N, S) di detta parte cooperante (A), caratterizzato dal fatto che presenta periodicamente una prima, una seconda ed una terza ampiezza (bi, b2, b3) che stanno fra loro sostanzialmente nelle proporzioni 1,137 : 1 : 1,137.
4. 4. Induttore per una macchina elettrica secondo la rivendicazione 3, presentante n=18 cave (21) per coppia di poli (N, S) di detta parte cooperante (A), caratterizzato dal fatto che presenta periodicamente una prima, una seconda ed una terza ampiezza (bi, b2, b3) che stanno fra loro sostanzialmente nelle proporzioni 1,227 : 1,305 : 1,227.
5. 5. Induttore per una macchina elettrica, sostanzialmente secondo quanto descritto ed illustrato, e per gli scopi specificati.