IT202200025740A1 - ROTOR FOR A ROTATING ELECTRIC MACHINE - Google Patents

ROTOR FOR A ROTATING ELECTRIC MACHINE Download PDF

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IT202200025740A1
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IT
Italy
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rotor
support cylinder
permanent magnets
main permanent
end discs
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Application number
IT102022000025740A
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Inventor
Davide Ferrara
Paolo Faverzani
Luca Poggio
Original Assignee
Ferrari Spa
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Description

D E S C R I Z I O N E DESCRIPTION

del brevetto per Invenzione Industriale dal titolo: of the patent for Industrial Invention entitled:

?ROTORE PER UNA MACCHINA ELETTRICA ROTANTE? ?ROTOR FOR A ROTATING ELECTRIC MACHINE?

SETTORE DELLA TECNICA TECHNICAL SECTOR

La presente invenzione ? relativa ad un rotore per una macchina elettrica rotante. The present invention relates to a rotor for a rotating electrical machine.

La presente invenzione trova vantaggiosa applicazione ad una macchina elettrica rotante per autotrazione che viene installata a bordo di un veicolo e pu? venire utilizzata come motore (assorbendo energia elettrica e generando una coppia motrice meccanica) oppure come generatore (convertendo energia meccanica in energia elettrica). The present invention finds advantageous application in a rotating electric machine for automotive traction which is installed on board a vehicle and can be used as a motor (absorbing electrical energy and generating a mechanical driving torque) or as a generator (converting mechanical energy into electrical energy).

ARTE ANTERIORE EARLY ART

Una macchina elettrica rotante per autotrazione comprende un albero, il quale ? montato girevole per ruotare attorno ad un asse di rotazione centrale, un rotore generalmente a magneti permanenti calettato all?albero per ruotare assieme all?albero stesso, ed uno statore disposto attorno al rotore per racchiudere al proprio interno il rotore stesso. A rotating electric machine for automotive use comprises a shaft, which is rotatably mounted to rotate about a central axis of rotation, a rotor, usually with permanent magnets, keyed to the shaft to rotate with the shaft itself, and a stator arranged around the rotor to enclose the rotor within itself.

DESCRIZIONE DELLA INVENZIONE DESCRIPTION OF THE INVENTION

Scopo della presente invenzione ? fornire un rotore per una macchina elettrica rotante che presenti una massa ed una inerzia rotazionale particolarmente ridotte. The object of the present invention is to provide a rotor for a rotating electrical machine which has a particularly low mass and rotational inertia.

Secondo la presente invenzione viene fornito un rotore per una macchina elettrica rotante, secondo quanto rivendicato dalle rivendicazioni allegate. According to the present invention, a rotor for a rotating electric machine is provided, as claimed in the appended claims.

Le rivendicazioni descrivono forme di realizzazione preferite della presente invenzione formando parte integrante della presente descrizione. The claims describe preferred embodiments of the present invention and form an integral part of this specification.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

La presente invenzione verr? ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano alcuni esempi di attuazione non limitativi: The present invention will now be described with reference to the attached drawings, which illustrate some non-limiting examples of its implementation:

? la figura 1 ? una vista schematica ed in sezione longitudinale di una macchina elettrica rotante provvista di un rotore realizzato in accordo con la presente invenzione; ? Figure 1 is a schematic and longitudinal sectional view of a rotating electrical machine provided with a rotor made in accordance with the present invention;

? la figura 2 ? una vista prospettica del rotore della figura 1; ? Figure 2 is a perspective view of the rotor of Figure 1;

? la figura 3 ? una vista in sezione longitudinale del rotore della figura 1; e ? Figure 3 is a longitudinal sectional view of the rotor of Figure 1; and

? la figura 4 ? una vista in sezione longitudinale di una variante del rotore della figura 1. ? Figure 4 is a longitudinal sectional view of a variant of the rotor of Figure 1.

FORME DI ATTUAZIONE PREFERITE DELL?INVENZIONE PREFERRED FORMS OF EMBODIMENT OF THE INVENTION

Nella figura 1, con il numero 1 ? indicata nel suo complesso una macchina elettrica sincrona per autotrazione di tipo reversibile (cio? che pu? funzionare sia come motore elettrico assorbendo energia elettrica e generando una coppia meccanica motrice, sia come generatore elettrico assorbendo energia meccanica e generando energia elettrica). In figure 1, the number 1 indicates as a whole a reversible synchronous electric machine for automotive traction (i.e. one that can function both as an electric motor, absorbing electrical energy and generating a mechanical driving torque, and as an electric generator, absorbing mechanical energy and generating electrical energy).

La macchina 1 elettrica ? destinata a venire installata in un veicolo con trazione elettrica o ibrida comprendente almeno due ruote motrici (ovvero in un veicolo con trazione elettrica o ibrida a due ruote motrici oppure a quattro ruote motrici). In particolare, la macchina 1 elettrica ? collegabile alle ruote motrici (direttamente oppure mediante una trasmissione eventualmente provvista di una frizione); ovvero tra la macchina 1 elettrica e le ruote motrici vi pu? essere un collegamento diretto, vi pu? essere un semplice riduttore di velocit?, oppure vi pu? essere anche una frizione. Electric machine 1 is intended to be installed in a vehicle with electric or hybrid traction comprising at least two drive wheels (i.e. in a vehicle with electric or hybrid traction with two or four drive wheels). In particular, electric machine 1 can be connected to the drive wheels (directly or via a transmission possibly equipped with a clutch); i.e. between electric machine 1 and the drive wheels there may be a direct connection, there may be a simple speed reducer, or there may also be a clutch.

La macchina 1 elettrica comprende un albero 2, il quale ? montato girevole per ruotare attorno ad un asse 3 di rotazione centrale, un rotore 4 a magneti permanenti calettato all?albero 2 per ruotare assieme all?albero 2 stesso, ed uno statore 5 di forma tubolare cilindrica disposto attorno al rotore 4 per racchiudere al proprio interno il rotore 4 stesso. The electric machine 1 comprises a shaft 2, which is rotatably mounted to rotate around a central rotation axis 3, a permanent magnet rotor 4 keyed to the shaft 2 to rotate together with the shaft 2 itself, and a stator 5 of cylindrical tubular shape arranged around the rotor 4 to enclose the rotor 4 itself within itself.

Tra il rotore 4 e lo statore 5 ? definito un traferro in aria di forma anulare ed avente uno spessore ridotto (normalmente il minimo indispensabile per consentire in piena sicurezza la rotazione del rotore 4 all?interno dello statore 5). Between the rotor 4 and the stator 5 there is an annular air gap of reduced thickness (normally the minimum necessary to allow the rotation of the rotor 4 inside the stator 5 in complete safety).

Secondo quanto illustrato nella figura 3, il rotore 4 comprende una pluralit? di magneti 6 permanenti, i quali sono orientati assialmente e sono disposti uno di fianco all?altro attorno all?asse 3 di rotazione per formare un anello chiuso. I magneti 6 permanenti presentano una disposizione superficiale, ovvero sono disposti in corrispondenza della superficie esterna del rotore 4 e non sono inseriti in cave ricavate nel rotore 4. As illustrated in figure 3, the rotor 4 comprises a plurality of permanent magnets 6, which are axially oriented and are arranged next to each other around the rotation axis 3 to form a closed ring. The permanent magnets 6 have a surface arrangement, that is, they are arranged in correspondence with the external surface of the rotor 4 and are not inserted in slots obtained in the rotor 4.

La successione di magneti 6 permanenti che costituisce l?anello chiuso prevede una disposizione circonferenziale secondo uno schieramento Halbach per annullare il campo magnetico radialmente all?interno dei magneti 6 permanenti e per massimizzare il campo magnetico radialmente all?esterno dei magneti 6 permanenti. In altre parole, i magneti 6 permanenti sono disposti per annullare il campo magnetico radialmente all?interno dei magneti 6 permanenti (verso l?albero 2) e per massimizzare il campo magnetico radialmente all?esterno dei magneti 6 permanenti (verso il nucleo magnetico dello statore 5). Ovvero, i magneti 6 permanenti sono disposti circonferenzialmente uno di seguito all?altro secondo uno schieramento Halbach per annullare il campo magnetico radialmente all?interno dei magneti 6 permanenti e per massimizzare il campo magnetico radialmente all?esterno dei magneti 6 permanenti. The sequence of 6 permanent magnets that constitutes the closed ring provides a circumferential arrangement according to a Halbach array to cancel the magnetic field radially inside the 6 permanent magnets and to maximize the magnetic field radially outside the 6 permanent magnets. In other words, the 6 permanent magnets are arranged to cancel the magnetic field radially inside the 6 permanent magnets (towards the shaft 2) and to maximize the magnetic field radially outside the 6 permanent magnets (towards the magnetic core of the stator 5). That is, the 6 permanent magnets are arranged circumferentially one after the other according to a Halbach array to cancel the magnetic field radially inside the 6 permanent magnets and to maximize the magnetic field radially outside the 6 permanent magnets.

Uno schieramento Halbach ? una particolare unione (disposizione) dei magneti 6 permanenti che sono collocati in modo da rafforzare il campo magnetico lungo una faccia dello schieramento (la faccia radialmente pi? esterna nella presente forma di attuazione) e nel contempo nel cancellare (annullare) per interferenza il campo magnetico nella faccia opposta (la faccia radialmente pi? interna nella presente forma di attuazione). Lo schieramento Halbach prevede di ripetere ciclicamente delle sequenze ciascuna di almeno magneti 6 permanenti (ovvero almeno delle quaterne): un magnete 6 permanente avente una orientazione Sud-Nord disposta circonferenzialmente in verso orario, un successivo magnete 6 permanente avente una orientazione Sud-Nord disposta radialmente verso l?esterno (ovvero allontanandosi dall?asse 3 di rotazione centrale), un successivo magnete 6 permanente avente una orientazione Sud-Nord circonferenzialmente in verso antiorario, ed un successivo magnete 6 permanente avente una orientazione Sud-Nord disposta radialmente verso l?interno (ovvero avvicinandosi dall?asse 3 di rotazione centrale). A Halbach array is a particular union (arrangement) of permanent magnets 6 that are positioned so as to strengthen the magnetic field along one face of the array (the radially outermost face in the present embodiment) while simultaneously canceling (canceling) by interference the magnetic field on the opposite face (the radially innermost face in the present embodiment). The Halbach array involves cyclically repeating sequences of at least 6 permanent magnets (i.e. at least four): a permanent magnet 6 having a South-North orientation arranged circumferentially in a clockwise direction, a subsequent permanent magnet 6 having a South-North orientation arranged radially outwards (i.e. moving away from the central rotation axis 3), a subsequent permanent magnet 6 having a South-North orientation circumferentially in a counterclockwise direction, and a subsequent permanent magnet 6 having a South-North orientation arranged radially inwards (i.e. moving closer to the central rotation axis 3).

Secondo una diversa forma di attuazione, i magneti 6 permanenti non sono disposti secondo uno schieramento Halbach. According to a different embodiment, the 6 permanent magnets are not arranged in a Halbach array.

Secondo una preferita forma di attuazione, ciascun magnete 6 permanente non ? monolitico (ovvero costituito fin dall?inizio da un unico pezzo di materiale magnetico indiviso e indivisibile), ma ? formato da una successione assiale di magneti 7 permanenti (pi? piccoli) disposti assialmente in fila indiana uno di seguito all?altro, ovvero ciascun magnete 6 permanente ? formato da una pluralit? di magneti 7 permanenti (pi? piccoli) che sono disposti assialmente uno di seguito all?altro; secondo una possibile (ma non limitante) forma di attuazione, in ciascun magnete 6 permanente sono ad esempio generalmente previsti da venti a sessanta magneti 7 permanenti disposti assialmente in fila indiana uno di seguito all?altro. According to a preferred embodiment, each permanent magnet 6 is not monolithic (i.e. constituted from the beginning by a single piece of undivided and indivisible magnetic material), but is formed by an axial succession of (smaller) permanent magnets 7 arranged axially in a single file one after the other, or each permanent magnet 6 is formed by a plurality of (smaller) permanent magnets 7 that are arranged axially one after the other; according to a possible (but not limiting) embodiment, each permanent magnet 6 is generally provided for example with between twenty and sixty permanent magnets 7 arranged axially in a single file one after the other.

In ciascun magnete 6 permanente, tutti i magneti 7 permanenti che compongono il magnete 6 permanente presentano la stessa identica orientazione, ovvero sono tutti equiorientati dal punto vista del campo magnetico; in altre parole, in uno stesso magnete 6 permanente i magneti 7 permanenti che compongono il magnete 6 permanente presentano il campo magnetico orientato nello stesso modo. In each permanent magnet 6, all the permanent magnets 7 that make up the permanent magnet 6 have the exact same orientation, that is, they are all equi-oriented from the point of view of the magnetic field; in other words, in the same permanent magnet 6, the permanent magnets 7 that make up the permanent magnet 6 have the magnetic field oriented in the same way.

Nella forma di attuazione illustrata nelle figure allegate, alternativamente i magneti 6 permanenti presentano sezione trasversale di forma rettangolare e sezione trasversale di forma trapezoidale isoscele; secondo una diversa forma di attuazione non illustrata, i magneti 6 permanenti presentano tutti sezione trasversale di forma trapezoidale isoscele (ovviamente con orientazioni alternate per comporre l?anello). In the embodiment illustrated in the attached figures, the 6 permanent magnets alternatively have a rectangular cross-section and an isosceles trapezoidal cross-section; according to a different embodiment not illustrated, the 6 permanent magnets all have an isosceles trapezoidal cross-section (obviously with alternate orientations to compose the ring).

Secondo quanto illustrato nella figura 3, il rotore 4 comprende un cilindro 8 di supporto che alloggia i magneti 6 permanenti; in particolare, il cilindro 8 di supporto presenta una superficie 9 esterna sulla quale sono appoggiati i magneti 6 permanenti. In altre parole, i magneti 6 permanenti sono disposti superficialmente sull?esterno del cilindro 8 di supporto. Secondo una preferita forma di attuazione, la superficie 9 esterna del cilindro 8 di supporto ? sfaccettata, ovvero ? composta da una pluralit? di facce piane ciascuna delle quali fornisce un appoggio piano ad un corrispondente magnete 6 permanente. As illustrated in figure 3, the rotor 4 comprises a support cylinder 8 which houses the permanent magnets 6; in particular, the support cylinder 8 has an external surface 9 on which the permanent magnets 6 rest. In other words, the permanent magnets 6 are arranged superficially on the outside of the support cylinder 8. According to a preferred embodiment, the external surface 9 of the support cylinder 8 is faceted, that is, it is composed of a plurality of flat faces, each of which provides a flat support for a corresponding permanent magnet 6.

Il cilindro 8 di supporto ? accoppiato (ovvero vincolato per essere angolarmente solidale) all?albero 2 in modo tale da formare insieme un unico blocco coeso. Secondo una preferita forma di attuazione, l?albero 2 ? costituito da due semialberi 10 e 11 ciascuno dei quali ? separato e lontano dall?altro ed ? singolarmente accoppiato (fissato) al cilindro 8 di supporto; ovvero ciascun semialbero 10 o 11 ? indipendente e separato dall?altro semialbero 11 o 10 ed ? accoppiato (fissato) al cilindro 8 di supporto in modo indipendente dall?altro semialbero 11 o 10 (i due semialberi 10 e 11 non si toccano essendo disposti ad una certa distanza uno dall?altro). In particolare, il cilindro 8 di supporto ? internamente cavo e presenta una cavit? 12 centrale passante in cui si inseriscono i due semialberi 10 e 11. Secondo una preferita forma di attuazione, ciascun semialbero 10 o 11 ? piantato ad interferenza (in particolare mediante un accoppiamento caldo-freddo per ottenere una elevata forza di serraggio) all?interno del cilindro 8 di supporto (ovvero dentro alla cavit? 12 centrale del cilindro 8 di supporto). The support cylinder 8 is coupled (i.e. constrained to be angularly integral) with the shaft 2 in such a way as to form a single cohesive block together. According to a preferred embodiment, the shaft 2 is made up of two half-shafts 10 and 11, each of which is separate and distant from the other and is individually coupled (fixed) to the support cylinder 8; that is, each half-shaft 10 or 11 is independent and separate from the other half-shaft 11 or 10 and is coupled (fixed) to the support cylinder 8 independently of the other half-shaft 11 or 10 (the two half-shafts 10 and 11 do not touch each other as they are arranged at a certain distance from each other). In particular, the support cylinder 8 is internally hollow and has a cavity 12 central through-hole into which the two half-shafts 10 and 11 are inserted. According to a preferred embodiment, each half-shaft 10 or 11 is interference-fitted (in particular by means of a hot-cold coupling to obtain a high clamping force) inside the support cylinder 8 (i.e. inside the central cavity 12 of the support cylinder 8).

Secondo una preferita forma di attuazione, all?interno della cavit? 12 centrale del cilindro 8 di supporto ed in corrispondenza delle due estremit? sono ricavati due spallamenti 13 anulari contro i quali si appoggiano i corrispondenti semialberi 10 e 11; ovvero i due spallamenti 13 anulari costituiscono dei finecorsa (delle sedi) per l?inserimento dei semialberi 10 e 11 all?interno della cavit? 12 centrale del cilindro 8 di supporto. In particolare, ciascun semialbero 10 o 11 termina internamente con un anello 14 di montaggio che viene piantato ad interferenza dentro alla cavit? 12 centrale del cilindro 8 di supporto e si appoggia al corrispondente spallamento 13 anulare. According to a preferred embodiment, two annular shoulders 13 are formed inside the central cavity 12 of the support cylinder 8 and at the two ends, against which the corresponding half-shafts 10 and 11 rest; that is, the two annular shoulders 13 constitute limit switches (seats) for the insertion of the half-shafts 10 and 11 inside the central cavity 12 of the support cylinder 8. In particular, each half-shaft 10 or 11 ends internally with a mounting ring 14 which is driven by interference into the central cavity 12 of the support cylinder 8 and rests on the corresponding annular shoulder 13.

Il semialbero 10 ? conformato per venire montato su un cuscinetto di supporto; inoltre, il semialbero 10 ? conformato anche per venire collegato ad una trasmissione del moto e quindi presenta una lavorazione millerighe. Il semialbero 11 ? conformato per venire montato su un altro cuscinetto di supporto; inoltre, il semialbero 11 ? conformato anche per venire collegato ad un sensore di posizione angolare (in particolare ad un resolver). The half-shaft 10 is shaped to be mounted on a support bearing; furthermore, the half-shaft 10 is also shaped to be connected to a motion transmission and therefore has a serrated finish. The half-shaft 11 is shaped to be mounted on another support bearing; furthermore, the half-shaft 11 is also shaped to be connected to an angular position sensor (in particular to a resolver).

Secondo quanto illustrato nella figura 3, il rotore 4 comprende una coppia di dischi 15 di estremit? (denominati anche dischi di bilanciamento), i quali sono disposti attorno all?albero 2 alle due estremit? opposte del cilindro 8 di supporto e sono atti (tra le altre cose) a contenere ed eventualmente mantenere serrati a pacco i magneti 6 permanenti. In altre parole, i due dischi 15 di estremit? costituiscono le due estremit? opposte del rotore 4 e possono mantenere i magneti 6 permanenti compressi assialmente per mantenere serrati a pacco i magneti 6 permanenti stessi. As illustrated in Figure 3, the rotor 4 comprises a pair of end discs 15 (also called balancing discs), which are arranged around the shaft 2 at the two opposite ends of the support cylinder 8 and are adapted (among other things) to contain and possibly keep the permanent magnets 6 tightly packed. In other words, the two end discs 15 constitute the two opposite ends of the rotor 4 and can keep the permanent magnets 6 compressed axially to keep the permanent magnets 6 tightly packed.

Secondo una possibile forma di attuazione, i dischi 15 di estremit? sono atti a presentare delle aperture di equilibratura che bilanciano il rotore 4 attorno all?asse 3 di rotazione e vengono realizzati mediante foratura cilindrica oppure mediante fresatura. Per permettere al rotore 4 di operare a regimi di rotazione elevati garantendo, nel contempo, una vita operativa lunga ? necessario minimizzare le vibrazioni che si generano durante il funzionamento e che devono venire assorbite dai cuscinetti che supportano l?albero 2. A tale scopo ? spesso necessario procedere ad una equilibratura fine del rotore 4 in modo tale da ridurre gli sbilanciamenti (dovuti alle inevitabili tolleranze costruttive) che generano vibrazioni durante la rotazione. Per consentire l?equilibratura del rotore 4, vengono utilizzati i due dischi 15 di estremit? che agiscono come equilibratori grazie ad asimmetrie calibrate nella loro massa generate dalle aperture di equilibratura (che possono essere cieche o passanti e possono essere disposte radialmente o assialmente). In generale, le asimmetrie calibrate nei due dischi 15 di estremit? possono venire ottenute sia togliendo del materiale (ovvero realizzando le aperture di equilibratura), sia aggiungendo del materiale (ovvero fissando ai dischi 15 di estremit? delle masse di equilibratura). According to a possible embodiment, the end discs 15 are designed to have balancing openings that balance the rotor 4 around the rotation axis 3 and are made by cylindrical drilling or by milling. To allow the rotor 4 to operate at high rotation speeds while ensuring, at the same time, a long operating life, it is necessary to minimize the vibrations that are generated during operation and that must be absorbed by the bearings that support the shaft 2. For this purpose, it is often necessary to proceed with fine balancing of the rotor 4 in such a way as to reduce the imbalances (due to the inevitable construction tolerances) that generate vibrations during rotation. To allow the balancing of the rotor 4, the two end discs 15 are used which act as balancers thanks to calibrated asymmetries in their mass generated by the balancing openings (which can be blind or through and can be arranged radially or axially). In general, the calibrated asymmetries in the two end discs 15 can be obtained either by removing material (i.e. by creating the balancing openings) or by adding material (i.e. by fixing balancing masses to the end discs 15).

Ovviamente la presenza, il numero, la disposizione e la profondit? dei fori di equilibratura sono assolutamente casuali e possono variare completamente da rotore 4 a rotore 4 in quanto dipendono dallo sbilanciamento effettivo (dovuto alle tolleranze costruttive) del rotore 4 al termine della sua realizzazione. In linea teorica, ? anche possibile che il rotore 4 sia del tutto privo dei fori di equilibratura in quanto, per una fortunata combinazione delle tolleranze costruttive, al termine della sua realizzazione presenta uno sbilanciamento attorno all?asse 3 di rotazione cos? ridotto da non richiede correzioni. Obviously, the presence, number, arrangement and depth of the balancing holes are completely random and can vary completely from rotor 4 to rotor 4 as they depend on the actual imbalance (due to the construction tolerances) of rotor 4 at the end of its production. In theory, it is also possible that rotor 4 is completely devoid of balancing holes as, due to a fortunate combination of construction tolerances, at the end of its production it has an imbalance around the rotation axis 3 so small that it does not require corrections.

Ciascun disco 15 di estremit? forma un unico corpo (pezzo) monolitico ed indivisibile con il cilindro 8 di supporto, ovvero ? parte integrante ed indivisibile del cilindro 8 di supporto. Di conseguenza, il cilindro 8 di supporto ed i dischi 15 di estremit? sono costituiti esattamente dello stesso materiale essendo due parti dello stesso unico corpo indiviso e indivisibile fin dall?inizio. I due dischi 15 di estremit? costituiscono dei bordi esterni del cilindro 8 di supporto che si elevano a sbalzo dalla superficie 9 esterna del cilindro 8 di supporto e delimitano da entrambi i lati la superficie 9 esterna stessa. Each end disc 15 forms a single monolithic and indivisible body (piece) with the support cylinder 8, or is an integral and indivisible part of the support cylinder 8. Consequently, the support cylinder 8 and the end discs 15 are made of exactly the same material, being two parts of the same single undivided and indivisible body from the beginning. The two end discs 15 constitute the external edges of the support cylinder 8 which project from the external surface 9 of the support cylinder 8 and delimit the external surface 9 itself on both sides.

Il rotore 4 comprende un elemento 16 di contenimento cilindrico ed internamente cavo che ? disposto attorno ai magneti 6 permanenti per mantenere i magneti 6 permanenti a contatto con il cilindro 8 di supporto; ovvero l?elemento 16 di contenimento ricopre esternamente i magneti 6 permanenti per realizzare un contenimento radiale dei magneti 6 permanenti stessi in modo da evitare che la forza centrifuga possa spingere i magneti 6 permanenti contro il nucleo magnetico dello statore 5. Secondo una preferita forma di attuazione, l?elemento 16 di contenimento ? costituito da un elemento tubolare in materiale composito che viene piantato ad interferenza attorno ai magneti 6 permanenti. In alternativa, l?elemento 14 di contenimento ? realizzato in materiale plastico oppure in materiale metallico leggero non ferromagnetico (ad esempio in alluminio, titanio o magnesio); meno probabile ? realizzare l?elemento 14 di contenimento in materiale metallico ferromagnetico. Come ulteriore alternativa, l?elemento 16 di contenimento ? costituito di un filamento resinato avvolto a spirale attorno ai magneti 6 permanenti. The rotor 4 comprises a cylindrical and internally hollow containment element 16 which is arranged around the permanent magnets 6 to keep the permanent magnets 6 in contact with the support cylinder 8; that is, the containment element 16 externally covers the permanent magnets 6 to provide radial containment of the permanent magnets 6 themselves so as to prevent centrifugal force from pushing the permanent magnets 6 against the magnetic core of the stator 5. According to a preferred embodiment, the containment element 16 is made of a tubular element made of composite material which is interference-fitted around the permanent magnets 6. Alternatively, the containment element 14 is made of plastic material or of light non-ferromagnetic metallic material (for example, aluminium, titanium or magnesium); less likely, the containment element 14 is made of ferromagnetic metallic material. As a further alternative, the containment element 16 is made of a composite material which is interference-fitted around the permanent magnets 6. consisting of a resinated filament wrapped in a spiral around 6 permanent magnets.

Secondo una possibile forma di attuazione, l?elemento 16 di contenimento ? realizzato da un unico pezzo monolitico (ovvero senza soluzione di continuit?). In alternativa, l?elemento 16 di contenimento ? realizzato da due o pi? pezzi che sono tra loro separati ed indipendenti e vengono disposti uno di fianco all?altro; in questa forma di attuazione, i vari pezzi che compongono l?elemento 16 di contenimento vengono calzati singolarmente attorno ai magneti 6 permanenti riducendo la forza complessiva necessaria all?operazione (che, come detto in precedenza, avviene con una certa interferenza). According to a possible embodiment, the containment element 16 is made from a single monolithic piece (i.e. without interruption). Alternatively, the containment element 16 is made from two or more pieces that are separate and independent from each other and are arranged next to each other; in this embodiment, the various pieces that make up the containment element 16 are individually fitted around the permanent magnets 6, reducing the overall force required for the operation (which, as previously stated, occurs with a certain interference).

Generalmente, il semialbero 10 ? realizzato in acciaio ad alta resistenza (o altro materiale equivalente per caratteristiche meccaniche) in quanto deve essere in grado di trasmettere la coppia generata o assorbita dal rotore 4; invece, il semialbero 11 ? realizzato in acciaio o altro materiale metallico avente una minore resistenza rispetto all?acciaio del semialbero 10 in quanto il semialbero 11 non trasmette la coppia generata o assorbita dal rotore 4. Generally, the half-shaft 10 is made of high-strength steel (or other material with equivalent mechanical characteristics) as it must be able to transmit the torque generated or absorbed by the rotor 4; on the other hand, the half-shaft 11 is made of steel or other metallic material with lower resistance than the steel of the half-shaft 10 as the half-shaft 11 does not transmit the torque generated or absorbed by the rotor 4.

Nella forma di attuazione illustrata nella figura 3, il cilindro 8 di supporto (che integra i due dischi 15 di estremit? che sono fatti dello stesso identico materiale del cilindro 8 di supporto) ? realizzato preferibilmente in materiale amagnetico che pu? essere metallico (ad esempio acciaio inossidabile, alluminio, titanio o magnesio) o anche non metallico (tipicamente materiale composito come la fibra di carbonio per avere la necessaria resistenza). Come detto in precedenza, il campo magnetico all?interno dei magneti 6 permanenti ? nullo per effetto della disposizione Halbach dei magneti 6 permanenti e quindi il cilindro 8 di supporto non ? interessato da un campo magnetico apprezzabile; di conseguenza, il cilindro 8 di supporto non deve necessariamente avere propriet? ferromagnetiche. In the embodiment illustrated in figure 3, the support cylinder 8 (which integrates the two end discs 15 which are made of the exact same material as the support cylinder 8) is preferably made of a non-magnetic material which can be metallic (for example stainless steel, aluminium, titanium or magnesium) or even non-metallic (typically composite material such as carbon fibre to have the necessary resistance). As previously stated, the magnetic field inside the permanent magnets 6 is zero due to the Halbach arrangement of the permanent magnets 6 and therefore the support cylinder 8 is not affected by an appreciable magnetic field; consequently, the support cylinder 8 does not necessarily have to have ferromagnetic properties.

Nella forma di attuazione illustrata nella figura 4, il cilindro 8 di supporto (che integra i due dischi 15 di estremit? che sono fatti dello stesso identico materiale del cilindro 8 di supporto) ? realizzato preferibilmente in materiale ferromagnetico (quindi metallico). Il cilindro 8 di supporto realizzato in materiale metallico ferromagnetico semplifica il montaggio del rotore 4, in quanto i magneti 6 permanenti aderiscono per attrazione magnetica alla superficie 9 esterna del cilindro 8 di supporto e quindi, durante il montaggio, sono pi? facili da disporre sulla superficie 9 esterna del cilindro 8 di supporto. Quando il cilindro 8 di supporto (e quindi i dischi 15 di estremit? che sono integrati nel cilindro 8 di supporto) ? realizzato in materiale ferromagnetico, possono essere previsti due dischi 17 di separazione che sono interposti tra i magneti 6 permanenti ed i dischi 15 di estremit?, sono realizzati in materiale amagnetico (metallico o non metallico), ed hanno la funzione di creare un traferro (quindi una ?barriera? al flusso magnetico) che riduce il flusso magnetico disperso che viene generato dai magneti 6 permanenti e si richiude attraverso i dischi 15 di estremit? senza interessare lo statore 5. In the embodiment illustrated in figure 4, the support cylinder 8 (which integrates the two end disks 15 which are made of the exact same material as the support cylinder 8) is preferably made of ferromagnetic (i.e. metallic) material. The support cylinder 8 made of ferromagnetic metallic material simplifies the assembly of the rotor 4, since the permanent magnets 6 adhere by magnetic attraction to the external surface 9 of the support cylinder 8 and are therefore easier to arrange on the external surface 9 of the support cylinder 8 during assembly. When the support cylinder 8 (and therefore the end disks 15 which are integrated into the support cylinder 8) is made of ferromagnetic metallic material, the rotor 4 is easier to assemble. made of ferromagnetic material, two separation disks 17 can be provided which are placed between the permanent magnets 6 and the end disks 15, they are made of non-magnetic material (metallic or non-metallic), and have the function of creating an air gap (therefore a "barrier" to the magnetic flux) which reduces the dispersed magnetic flux which is generated by the permanent magnets 6 and closes through the end disks 15 without affecting the stator 5.

Secondo una possibile forma di attuazione, in ciascun magnete 6 permanente i singoli magneti 7 permanenti sono incollati uno all?altro mediante l?interposizione di una colla di montaggio (che costituisce un isolante elettrico) in modo da ridurre le perdite di energia per correnti parassite. In altre parole, ciascuno magnete 6 permanente viene realizzato incollando uno all?altro i singoli magneti 7 permanenti mediante la colla di montaggio (che costituisce un isolante elettrico). According to a possible embodiment, in each permanent magnet 6 the individual permanent magnets 7 are glued to each other by means of the interposition of a mounting glue (which constitutes an electrical insulator) in order to reduce energy losses due to eddy currents. In other words, each permanent magnet 6 is made by gluing the individual permanent magnets 7 to each other by means of the mounting glue (which constitutes an electrical insulator).

Secondo una preferita forma di attuazione, i magneti 6 permanenti sono direttamente montati sulla superficie 9 esterna del cilindro 8 di supporto; in particolare, ciascun magnete 6 permanente ? incollato alla parete 9 esterna del cilindro 8 di supporto mediante una colla di montaggio che ? preferibilmente un isolante elettrico (per evitare di ?cortocircuitare? tra loro i vari magneti 7 permanenti di uno stesso magnete 6 permanente attraverso la parete 9 esterna del cilindro 8 di supporto). In altre parole, tra la parete 9 esterna del cilindro 8 di supporto ed i magneti 6 permanenti ? interposto uno strato elettricamente isolante costituito dalla colla di montaggio. According to a preferred embodiment, the permanent magnets 6 are directly mounted on the external surface 9 of the support cylinder 8; in particular, each permanent magnet 6 is glued to the external wall 9 of the support cylinder 8 by means of a mounting glue which is preferably an electrical insulator (to avoid "short-circuiting" the various permanent magnets 7 of the same permanent magnet 6 through the external wall 9 of the support cylinder 8). In other words, an electrically insulating layer consisting of the mounting glue is interposed between the external wall 9 of the support cylinder 8 and the permanent magnets 6.

La colla di montaggio ha la funzione di isolare elettricamente i magneti 6 permanenti dalla sottostante parete 9 esterna del cilindro 8 di supporto ed ha soprattutto la funzione di collegare i magneti 6 permanenti alla parete 9 esterna del cilindro 8 di supporto durante la costruzione del rotore 4 (il trattenimento meccanico dei magneti 6 permanenti viene realizzato dall?elemento 16 di contenimento in quanto la colla di montaggio non ? in grado di resistere alla forza centrifuga quando il rotore 4 ruota ad alta velocit?). The assembly glue has the function of electrically isolating the permanent magnets 6 from the underlying external wall 9 of the support cylinder 8 and above all has the function of connecting the permanent magnets 6 to the external wall 9 of the support cylinder 8 during the construction of the rotor 4 (the mechanical retention of the permanent magnets 6 is achieved by the containment element 16 since the assembly glue is not able to resist the centrifugal force when the rotor 4 rotates at high speed).

Le forme di attuazione qui descritte si possono combinare tra loro senza uscire dall'ambito di protezione della presente invenzione. The embodiments described herein may be combined with each other without departing from the scope of protection of the present invention.

Il rotore 4 sopra descritto presenta numerosi vantaggi. In primo luogo, il rotore 4 sopra descritto presenta sia una massa contenuta, sia una bassa inerzia rotazionale a tutto vantaggio delle prestazioni (in particolare la ridotta inerzia rotazionale permette di ridurre le sollecitazioni dinamiche su tutta la linea di trasmissione). The rotor 4 described above has several advantages. First of all, the rotor 4 described above has both a low mass and a low rotational inertia, which is beneficial for performance (in particular, the low rotational inertia allows for a reduction in dynamic stresses along the entire transmission line).

Inoltre, il rotore 4 sopra descritto permette di utilizzare materiali innovativi (in particolare materiali compositi) che permettono di ottenere un rapporto tra prestazioni e massa mai raggiunto in precedenza. In particolare, il rotore 4 sopra descritto permette di utilizzare materiali differenti per le parti principali (cilindro 8 di supporto integrante i dischi 15 di estremit?, semialbero 10, semialbero 11) che compongono il rotore 4 stesso; in questo modo ogni parte principale (cilindro 8 di supporto integrante i dischi 15 di estremit?, semialbero 10, semialbero 11) pu? venire realizzata nel materiale migliore per resistere alle sollecitazioni meccaniche che si generano in uso e per ottimizzare il rapporto prestazioni/massa. Furthermore, the rotor 4 described above allows the use of innovative materials (in particular composite materials) which allow for a performance/mass ratio never achieved before. In particular, the rotor 4 described above allows the use of different materials for the main parts (support cylinder 8 integrating the end discs 15, half-shaft 10, half-shaft 11) which make up the rotor 4 itself; in this way each main part (support cylinder 8 integrating the end discs 15, half-shaft 10, half-shaft 11) can be made from the best material to withstand the mechanical stresses generated in use and to optimise the performance/mass ratio.

Il rotore 4 sopra descritto presenta una significativa riduzione di massa e di inerzia anche grazie all?integrazione dei dischi 15 di estremit? nel cilindro 8 di supporto in quanto vengono eliminati tutti i collegamenti meccanici aggiuntivi (come, ad esempio, una saldatura) dei due dischi 15 di estremit? al cilindro 8 di supporto. The rotor 4 described above features a significant reduction in mass and inertia also thanks to the integration of the end discs 15 into the support cylinder 8 as all additional mechanical connections (such as, for example, welding) of the two end discs 15 to the support cylinder 8 are eliminated.

Nel rotore 4 sopra descritto il collegamento meccanico tra i dischi 15 di estremit? ed il cilindro 8 di supporto ? ottimale essendo i dischi 15 di estremit? direttamente integrati senza soluzione di continuit? nel cilindro 8 di supporto e quindi il rotore 4 sopra descritto pu? resistere a forze centrifughe elevate. Di conseguenza, questa modalit? costruttiva ? particolarmente adatta alla realizzazione di rotori 4 di grande diametro in cui la forza centrifuga che agisce sui dischi 15 di estremit? arriva a valori particolarmente elevati. In the rotor 4 described above, the mechanical connection between the end discs 15 and the support cylinder 8 is optimal, since the end discs 15 are directly integrated seamlessly into the support cylinder 8 and therefore the rotor 4 described above can withstand high centrifugal forces. Consequently, this construction method is particularly suitable for the construction of large-diameter rotors 4 in which the centrifugal force acting on the end discs 15 reaches particularly high values.

Il rotore 4 sopra descritto permette di ottenere una elevata efficienza energetica (ovvero un elevato rendimento tra la potenza meccanica o elettrica in ingresso e la potenza elettrica o meccanica in uscita); a tale proposito ? importante osservare che la presenza dell?elemento 16 di contenimento, garantendo una elevata precisione di posizionamento radiale e di circolarit?, permette di ridurre al minimo il traferro in aria esistente tra il rotore 4 e lo statore 5. The rotor 4 described above allows for high energy efficiency (i.e. a high efficiency between the mechanical or electrical power input and the electrical or mechanical power output); in this regard, it is important to note that the presence of the containment element 16, ensuring high precision in radial positioning and circularity, allows for the air gap between the rotor 4 and the stator 5 to be reduced to a minimum.

Infine, il rotore 4 sopra descritto ? di realizzazione facile in quanto ? composto da un ridotto numero di pezzi di forma semplice e rapidamente combinabili tra loro anche in processi automatici. Finally, the rotor 4 described above is easy to manufacture as it is composed of a small number of pieces of simple shape that can be quickly combined with each other even in automatic processes.

ELENCO DEI NUMERI DI RIFERIMENTO DELLE FIGURE LIST OF FIGURE REFERENCE NUMBERS

1 macchina elettrica 1 electric machine

2 albero 2 tree

3 asse di rotazione 3 axis of rotation

4 rotore 4 rotor

5 statore 5 stator

6 magneti permanenti 6 permanent magnets

7 magneti permanenti 7 permanent magnets

8 cilindro di supporto 8 support cylinder

9 superficie esterna 9 external surface

10 semialbero 10 half shafts

11 semialbero 11 half shaft

12 cavit? centrale 12 central cavities

13 spallamenti anulari 13 annular shoulders

14 anello di montaggio 14 mounting ring

15 disco di estremit? 15 end disc?

16 elemento di contenimento 17 disco di separazione 16 containment element 17 separation disc

Claims (14)

R I V E N D I C A Z I O N ICLAIM S 1) Rotore (4) per una macchina (1) elettrica rotante e comprendente:1) Rotor (4) for an electric machine (1) rotating and comprising: un cilindro (8) di supporto che presenta una superficie (9) esterna ed una cavit? (12) centrale;a support cylinder (8) which has an external surface (9) and a central cavity (12); una pluralit? di magneti (6) permanenti principali, i quali sono orientati assialmente, sono appoggiati alla superficie (9) esterna del cilindro (8) di supporto, e sono disposti uno di fianco all?altro attorno ad un asse (3) di rotazione per formare un anello chiuso; ea plurality of main permanent magnets (6), which are axially oriented, are supported on the external surface (9) of the supporting cylinder (8), and are arranged next to each other around a rotation axis (3) to form a closed ring; and due dischi (15) di estremit? che sono fissati alle estremit? assialmente opposte del cilindro (8) di supporto;two end discs (15) which are fixed to the axially opposite ends of the supporting cylinder (8); il rotore (4) ? caratterizzato dal fatto che ciascun disco (15) di estremit? ? integrato nel cilindro (8) di supporto e quindi ? una parte senza soluzione di continuit? del cilindro (8) di supporto ed ? realizzato nello stesso materiale con cui ? realizzato il cilindro (8) di supporto.the rotor (4) is characterised by the fact that each end disc (15) is integrated into the support cylinder (8) and is therefore a seamless part of the support cylinder (8) and is made of the same material as the support cylinder (8). 2) Rotore (4) secondo la rivendicazione 1, in cui i due dischi (15) di estremit? contengono assialmente i magneti (6) permanenti.2) Rotor (4) according to claim 1, wherein the two end discs (15) axially contain the permanent magnets (6). 3) Rotore (4) secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui i dischi (15) di estremit? presentano rispettive aperture di equilibratura che bilanciano il rotore (4) attorno all?asse (3) di rotazione. 3) Rotor (4) according to claim 1 or 2, wherein the end discs (15) have respective balancing openings which balance the rotor (4) around the rotation axis (3). 4) Rotore (4) secondo la rivendicazione 1, 2 o 3, in cui i due dischi (15) di estremit? costituiscono dei bordi esterni del cilindro (8) di supporto che si elevano a sbalzo dalla superficie (9) esterna del cilindro (8) di supporto e delimitano da entrambi i lati la superficie (9) esterna stessa.4) Rotor (4) according to claim 1, 2 or 3, wherein the two end discs (15) constitute external edges of the support cylinder (8) which protrude from the external surface (9) of the support cylinder (8) and delimit the external surface (9) itself on both sides. 5) Rotore (4) secondo una delle rivendicazioni da 1 a 4, in cui il cilindro (8) di supporto ed i due dischi (15) di estremit? sono realizzati in materiale amagnetico.5) Rotor (4) according to one of claims 1 to 4, wherein the support cylinder (8) and the two end discs (15) are made of non-magnetic material. 6) Rotore (4) secondo una delle rivendicazioni da 1 a 4, in cui il cilindro (8) di supporto ed i due dischi (15) di estremit? sono realizzati in materiale ferromagnetico.6) Rotor (4) according to one of claims 1 to 4, wherein the support cylinder (8) and the two end discs (15) are made of ferromagnetic material. 7) Rotore (4) secondo la rivendicazione 6 e comprendente due dischi (17) di separazione che sono interposti tra i magneti (6) permanenti principali ed i dischi (15) di estremit? e sono realizzati in materiale amagnetico.7) Rotor (4) according to claim 6 and comprising two separation discs (17) which are interposed between the main permanent magnets (6) and the end discs (15) and are made of non-magnetic material. 8) Rotore (4) secondo una delle rivendicazioni da 1 a 7 e comprendere due semialberi (10, 11) i quali sono indipendenti e separati uno dall?altro e sono inseriti singolarmente in estremit? opposte della cavit? (12) centrale del cilindro (8) di supporto in modo tale da formare un unico blocco coeso con il cilindro (8) di supporto stesso.8) Rotor (4) according to one of claims 1 to 7 and comprising two half-shafts (10, 11) which are independent and separate from each other and are inserted individually into opposite ends of the central cavity (12) of the support cylinder (8) in such a way as to form a single cohesive block with the support cylinder (8) itself. 9) Rotore (4) secondo la rivendicazione 8, in cui ciascun semialbero (10, 11) ? piantato ad interferenza nella cavit? (12) centrale del cilindro (8) di supporto. 9) Rotor (4) according to claim 8, wherein each half-shaft (10, 11) is interference-fitted into the central cavity (12) of the support cylinder (8). 10) Rotore (4) secondo la rivendicazione 8 o 9, in cui un primo semialbero (10) ? costituito di un materiale diverso da un materiale che costituisce un secondo semialbero (11).10) Rotor (4) according to claim 8 or 9, wherein a first half-shaft (10) is made of a material other than a material constituting a second half-shaft (11). 11) Rotore (4) secondo la rivendicazione 8, 9 o 10, in cui il cilindro (8) di supporto ? costituito di un materiale diverso dai materiali che costituiscono i due semialberi (10, 11).11) Rotor (4) according to claim 8, 9 or 10, wherein the support cylinder (8) is made of a material different from the materials constituting the two half-shafts (10, 11). 12) Rotore (4) secondo una delle rivendicazioni da 1 a 11, in cui ciascun magnete (6) permanente principale ? formata da una pluralit? di magneti (7) permanenti secondari pi? piccoli che sono disposti assialmente uno di seguito all?altro.12) Rotor (4) according to one of claims 1 to 11, wherein each main permanent magnet (6) is formed by a plurality of smaller secondary permanent magnets (7) which are arranged axially one after the other. 13) Rotore (4) secondo una delle rivendicazioni da 1 a 12, in cui i magneti (6) permanenti principali sono disposti circonferenzialmente uno di seguito all?altro secondo uno schieramento Halbach per annullare il campo magnetico radialmente all?interno dei magneti (6) permanenti principali e per massimizzare il campo magnetico radialmente all?esterno dei magneti (6) permanenti principali.13) Rotor (4) according to one of claims 1 to 12, wherein the main permanent magnets (6) are arranged circumferentially one after the other in a Halbach array to cancel the magnetic field radially inside the main permanent magnets (6) and to maximize the magnetic field radially outside the main permanent magnets (6). 14) Rotore (4) secondo la rivendicazione 13, in cui lo schieramento Halbach prevede di ripetere ciclicamente delle sequenze ciascuna di almeno quattro magneti (6) permanenti principali: un magnete (6) permanente principale avente una orientazione Sud-Nord disposta circonferenzialmente in verso orario, un successivo magnete (6) permanente principale avente una orientazione Sud-Nord disposta radialmente verso l?esterno, un successivo magnete (6) permanente principale avente una orientazione Sud-Nord circonferenzialmente in verso antiorario, ed un successivo magnete (6) permanente principale avente una orientazione Sud-Nord disposta radialmente verso l?interno. 14) Rotor (4) according to claim 13, wherein the Halbach array provides for cyclically repeating sequences each of at least four main permanent magnets (6): a main permanent magnet (6) having a South-North orientation arranged circumferentially in a clockwise direction, a subsequent main permanent magnet (6) having a South-North orientation arranged radially towards the outside, a subsequent main permanent magnet (6) having a South-North orientation arranged circumferentially in a counterclockwise direction, and a subsequent main permanent magnet (6) having a South-North orientation arranged radially towards the inside.
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