ITMI20121302A1 - Telaio di una macchina elettrica rotante per aerogeneratore e macchina elettrica rotante - Google Patents

Description

D E S C R I Z I O N E

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

“TELAIO DI UNA MACCHINA ELETTRICA ROTANTE PER AEROGENERATORE E MACCHINA ELETTRICA ROTANTEâ€

La presente invenzione riguarda un telaio di una macchina elettrica rotante per aerogeneratore.

In un aerogeneratore il telaio della macchina elettrica rotante ha le seguenti funzioni: trasmettere le forze e i momenti generati nella macchina rotante al telaio principale dell’aerogeneratore, impedire eccessive vibrazioni della macchina rotante, e supportate il rotore, ed eventualmente, il gruppo pale.

Rispetto alle comuni macchine elettriche rotanti, le macchine elettriche rotanti per aerogeneratori, in particolare per aerogeneratori di grandi dimensioni, devono presentare caratteristiche determinate come, ad esempio, una relativa leggerezza, una facile accessibilità per i manutentori, e una facilità di montaggio e di smontaggio dei suoi componenti sia in fase di primo montaggio, sia in fase di sostituzione per riparazione. Inoltre, la macchina elettrica rotante deve essere facilmente accoppiabile a un telaio principale e a un gruppo pale e deve essere configurata in modo tale da non richiedere telai principali eccessivamente ingombranti e pesanti.

Nel settore degli aerogeneratori vi à ̈ la tendenza a realizzare macchine elettriche rotanti di potenza crescente e, quindi, di grande diametro. Allo stesso tempo occorre realizzare un traferro di ampiezza ridotta per ottimizzare il rendimento della macchina elettrica rotante. È evidente che la difficoltà di realizzare macchine elettriche rotanti con un traferro di piccole dimensioni in direzione radiale e di ampiezza costante in direzione circonferenziale cresce al crescere del diametro delle macchine rotanti stesse.

Lo scopo della presente invenzione à ̈ quello di realizzare un telaio di una macchina elettrica rotante di grandi dimensioni per un aerogeneratore per garantire un rendimento elevato della macchina elettrica rotante.

In accordo con la presente invenzione à ̈ fornito un telaio di una macchina elettrica rotante di un aerogeneratore, il telaio estendentesi attorno a un asse di rotazione e comprendendo una struttura tubolare, la quale ha una faccia cilindrica, ed à ̈ configurata per supportare una pluralità di segmenti attivi lungo la faccia cilindrica; una flangia anulare configurata per collegare la macchina elettrica rotante a un telaio principale di un aerogeneratore; e un anello, il quale presenta una sede anulare per alloggiare un cuscinetto; in cui la struttura tubolare, la flangia anulare e l’anello sono realizzati in un unico pezzo.

Grazie alla presente invenzione à ̈ possibile realizzare un telaio particolarmente rigido in cui la concentricità fra l’anello e la struttura tubolare à ̈ scevra da errori di montaggio e di assemblaggio. Di conseguenza, questa soluzione tecnica permette di realizzare dei traferri di dimensioni relativamente ridotti.

Secondo una preferita forma di attuazione della presente invenzione, il telaio à ̈ realizzato tramite fusione, preferibilmente in acciaio. La fusione permette di ottenere in modo rapido delle forme relativamente complesse che eventualmente necessitano delle lavorazioni di finitura.

In particolare la struttura tubolare e l’anello sono rifiniti tramite una lavorazione meccanica ad asportazione di truciolo rispettivamente lungo la faccia cilindrica e lungo la sede anulare.

La faccia cilindrica e la sede anulare devono essere il più possibile concentriche in modo da permettere la massima riduzione delle dimensioni del traferro.

Secondo una preferita forma di realizzazione della presente invenzione, la faccia cilindrica della struttura tubolare e la sede anulare dell’anello sono realizzate simultaneamente tramite una macchina ad asportazione di truciolo in modo da garantire la massima concentricità possibile.

Secondo una preferita forma di attuazione della presente invenzione, la struttura tubolare presenta una pluralità di elementi di aggancio distribuiti lungo la faccia cilindrica attorno all’asse di rotazione e configurati per ancorare i segmenti attivi alla struttura tubolare, preferibilmente ciascun elemento di aggancio essendo definito da una scanalatura assiale con sezione a coda di rondine.

In questo modo l’inserimento e l’estrazione dei segmenti attivi à ̈ reso molto agevole e semplice.

Secondo una preferita forma di attuazione della presente invenzione, il telaio presenta una pluralità di primi bracci configurati per collegare la flangia anulare alla struttura tubolare, preferibilmente i primi bracci si estendono in direzione radiale rispetto all’asse di rotazione.

In pratica, i bracci radiali consentono di trasmettere le forze e i momenti dalla parete statorica alla flangia anulare e al telaio principale.

Preferibilmente, la flangia anulare à ̈ disposta in corrispondenza di un’estremità della struttura tubolare lungo l’asse di rotazione. In altre parole la struttura tubolare à ̈ montata a sbalzo rispetto alla flangia anulare.

In questo modo, la struttura tubolare definisce un vano ampiamente accessibile e disponibile.

Secondo una preferita forma di attuazione della presente invenzione, la flangia anulare e l’anello sono collegati da secondi bracci a vantaggio della leggerezza del telaio. I secondi bracci trasmettono le forze e i momenti indotti dal rotore e dal gruppo pale alla flangia anulare e al telaio principale in modo efficace e senza appesantire eccessivamente il telaio stesso.

Secondo una preferita forma di attuazione della presente invenzione, l’anello à ̈ disposto in una posizione mediana rispetto alla struttura tubolare lungo l’asse di rotazione. In altre parole, l’anello à ̈ disposto nel vano interno definito dalla struttura tubolare in modo da poter supportare nel modo più possibile bilanciato.

Secondo una preferita forma di attuazione della presente invenzione la flangia anulare à ̈ di diametro inferiore al diametro della faccia cilindrica, e l’anello ha un diametro inferiore al diametro della flangia anulare.

La scalatura dei diametri della faccia cilindrica e dalla flangia anulare permette di realizzare statori tubolari di grandi dimensioni collegati a telai principali di piccolo diametro. La scalatura dei diametri della flangia anulare e dell’anello consente di estrarre il cuscinetto in direzione assiale attraverso la flangia anulare.

La presente invenzione à ̈ inoltre relativa a una macchina elettrica rotante.

Secondo la presente invenzione à ̈ realizzata una macchina elettrica rotante per aerogeneratore per la produzione di energia elettrica, la macchina elettrica rotante comprendendo uno statore tubolare comprendente una struttura tubolare, una pluralità di segmenti attivi montati sulla struttura tubolare; e un rotore tubolare, il quale comprende una pluralità di segmenti attivi affacciati ai segmenti attivi in modo da formare un traferro anulare, à ̈ disposto all’interno dello statore tubolare, ed à ̈ girevole attorno a un asse di rotazione rispetto allo statore tubolare; e un telaio avente le caratteristiche descritte e configurato per definire la struttura tubolare dello statore tubolare e per supportare il rotore tubolare.

In questo modo, Ã ̈ possibile minimizzare la dimensione del traferro sia in direzione radiale, sia in direzione assiale.

Secondo una preferita forma di attuazione della presente invenzione, la macchina elettrica rotante comprende un cuscinetto alloggiato nella sede anulare e configurato per supportare il rotore tubolare. Preferibilmente, la macchina elettrica rotante comprende un singolo cuscinetto per supportare il rotore. Tale cuscinetto à ̈ alloggiato nella sede anulare dell’anello in modo da garantire la maggiore concentricità possibile fra il cuscinetto e la struttura tubolare.

Secondo una preferita forma di attuazione della presente invenzione, il rotore tubolare comprende un’ulteriore struttura tubolare e una struttura radiale configurata per essere collegata al cuscinetto.

In questo modo, il rotore tubolare presenta una conformazione molto semplice e compatta con la finalità di minimizzare le deformazioni del rotore tubolare.

Secondo una preferita forma di attuazione della presente invenzione, il rotore tubolare e il telaio sono collegabili rigidamente l’uno all’altro; in particolare l’anello e il rotore tubolare sono configurati per realizzare una giunzione bullonata.

In questo modo, Ã ̈ possibile procedere agevolmente allo smontaggio del cuscinetto.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione appariranno chiari dalla descrizione che segue di un suo esempio non limitativo di attuazione, con riferimento alle figure dei disegni annessi, in cui:

- la figura 1 Ã ̈ una vista in elevazione laterale in sezione, con parti asportate per chiarezza, di un aerogeneratore comprendente una macchina elettrica rotante realizzata in accordo con la presente invenzione;

- la figura 2 Ã ̈ una vista in elevazione frontale, con parti asportate per chiarezza, di un telaio realizzato in accordo con la presente invenzione;

- la figura 3 Ã ̈ una vista prospettica, in scala ingrandita e con parti asportate per chiarezza, di un dettaglio del telaio della figura 2;

- la figura 4 Ã ̈ una vista in elevazione, con parti asportate per chiarezza e parti schematizzate, di alcuni fasi di lavorazione del telaio della figura 3; e

- la figura 5 Ã ̈ una vista in elevazione, in scala ingrandita e con parti asportate per chiarezza, di un dettaglio della macchina elettrica rotante della figura 1.

Con riferimento alla figura 1, con 1 à ̈ indicato nel suo complesso un aerogeneratore per la generazione di energia elettrica. L’aerogeneratore 1 à ̈ del tipo a trazione diretta. Nella fattispecie, l’aerogeneratore 1 comprende un telaio principale 2; una macchina elettrica rotante 3; e un gruppo pale 4 girevole attorno a un asse di rotazione A. La macchina elettrica rotante 3 à ̈ disposta fra il telaio principale 2 e il gruppo pale 4 e, oltre a produrre energia elettrica, ha la funzione di supportare il gruppo pale 4 e di trasmettere forze e momenti indotti dal gruppo pale 4 e dalla macchina elettrica rotante 3 stessa al telaio principale 2.

Il telaio principale 2, nella fattispecie, à ̈ definito da una navicella 5 di forma tubolare e ricurva e comprendente una flangia di estremità 6 circolare per realizzare un collegamento con la macchina elettrica rotante 3; una flangia di estremità 7 configurata per alloggiare una ralla (non illustrata) di collegamento a un supporto verticale (non illustrato); e un’apertura 8 ricavata nella parete della navicella 5 e configurata per inserire ed estrarre componenti ingombranti all’interno della navicella 5. Preferibilmente, l’apertura 8 à ̈ sostanzialmente allineata alla flangia di estremità 6.

Il gruppo pale 4 comprende un mozzo 9 collegato alla macchina elettrica rotante 3 e una pluralità di pale (non illustrate nelle figure allegate). Il mozzo 9 comprende un elemento cavo 10 di supporto delle pale (non illustrate) e una flangia 11 configurata per essere collegata alla macchina elettrica rotante 3.

La macchina elettrica rotante 3 si estende attorno all’asse di rotazione A ed à ̈ sostanzialmente di forma tubolare in modo da formare un vano di passaggio fra il telaio principale 2 cavo e il mozzo 9 cavo.

La macchina elettrica rotante 3 oggetto della presente invenzione comprende uno statore tubolare 12; un rotore tubolare 13, il quale à ̈ disposto all’interno dello statore tubolare 12, ed à ̈ girevole attorno all’asse di rotazione A rispetto allo statore tubolare 12. La macchina elettrica rotante 3 comprende un telaio 14, il quale ha la funzione di collegare la macchina elettrica rotante 3 al telaio principale 2 e supportare il gruppo pale 4, lo statore tubolare 12, e il rotore tubolare 13.

Il telaio 14 si estende attorno all’asse di rotazione A e comprende una struttura tubolare 15, la quale ha una faccia cilindrica 16, ed à ̈ configurata per supportare una pluralità di segmenti attivi 17 lungo la faccia cilindrica 16; una flangia anulare 18 configurata per collegare la macchina elettrica rotante 3 al telaio principale 2 dell’aerogeneratore 1; e un anello 19, il quale presenta una sede anulare 20 per alloggiare un cuscinetto 21.

In altre parole, il telaio 14 definisce parte dello statore tubolare 12 perché la struttura tubolare 15 à ̈ parte dello statore tubolare 12. Di fatto lo statore tubolare comprende la struttura tubolare 12 comprende la struttura tubolare 12 e i segmenti attivi 17.

I segmenti attivi 17, nella fattispecie avvolgimenti elettrici supportati da un nucleo ferromagnetico, sono segmenti modulari di forma sostanzialmente prismatica che si estendono prevalentemente in una direzione parallela all’asse di rotazione A e sono uniformemente distribuiti attorno all’asse di rotazione A.

Con riferimento alla figura 2, la faccia cilindrica 16 Ã ̈ una faccia interna della parete 15. Lungo la faccia cilindrica 16 sono ricavati degli elementi di aggancio 22 per i segmenti attivi 17 (figura 1). Con riferimento alla figura 3 ciascun elemento di aggancio 22 Ã ̈ preferibilmente definito da una scanalatura assiale avente una sezione trasversale a coda di rondine e impegnabile da una costola (non illustrate nelle figure allegate) di un segmento attivo 17 (figura 1).

Con riferimento alla figura 2, la struttura tubolare 15 à ̈ di forma cilindrica e si estende attorno all’asse di rotazione A. La flangia anulare 18 à ̈ coassiale alla struttura tubolare 15 e ha un diametro inferiore al diametro della faccia cilindrica 16. L’anello 19 à ̈ coassiale alla struttura tubolare 15 e ha un diametro inferiore rispetto al diametro della flangia anulare 18.

La flangia anulare 18 à ̈ disposta all’interno della parete 15 statorica in corrispondenza dell’estremità della struttura tubolare 15 lungo l’asse di rotazione A.

L’anello 19 à ̈ disposto all’interno della struttura tubolare 15 ed à ̈ disposto in corrispondenza della zona centrale della parte statorica 15 lungo l’asse di rotazione A.

La struttura tubolare 15, la flangia anulare 18 e l’anello 19 sono rigidamente collegati fra loro da bracci 23 e 24. In particolare, la struttura tubolare 15 à ̈ collegata alla flangia anulare 18 dai bracci 23 i quali si estendono prevalentemente in direzione radiale con una piccola componente assiale, mentre la flangia anulare 18 à ̈ collegata all’anello 19 dai bracci 24 che si estendono prevalentemente in direzione assiale con una piccola componente radiale.

Ciascun braccio 23 comprende due piastre 25 parallele fra loro e all’asse di rotazione A. In modo analogo, ciascun braccio 24 comprende due piastre 26 parallele fra loro e all’asse di rotazione A.

Con riferimento alla figura 1, la flangia anulare 18 presenta una sede di accoppiamento 27 con il telaio principale 2 dell’aerogeneratore. Il collegamento fra il telaio 14 e il telaio 2 à ̈ preferibilmente realizzato tramite una giunzione bullonata (non illustrata nelle figure allegate) fra la flangia anulare 18 e la flangia di estremità 6. Attraverso questa giunzione le forze e momenti indotti dalla macchina elettrica rotante 3 e dal gruppo pale 4 sono trasmessi al telaio principale 2.

La struttura tubolare 15, la flangia anulare 18 e l’anello 19 sono realizzati in un unico pezzo. In pratica, l’intero telaio 14 à ̈ realizzato in un unico pezzo tramite fusione. Il materiale impiegato nella realizzazione del telaio 14 à ̈ preferibilmente acciaio.

Alcune parti del telaio 14 sono rifinite tramite lavorazioni meccaniche, in particolare, lavorazioni meccaniche ad asportazione di truciolo. In particolare, tali lavorazioni meccaniche sono eseguite lungo la struttura tubolare 15, la flangia anulare 18 e l’anello 19. In particolare, viene eseguita un’operazione di tornitura lungo la faccia cilindrica 16 e lungo la sede anulare 20 tramite utensili U1, U2, e U3 della macchina utensile T come illustrato nella figura 4.

In particolare, la tornitura della faccia cilindrica 16 della struttura tubolare 15 e della sede anulare 20 della flangia anulare 18 sono realizzate simultaneamente tramite la stessa macchina ad asportazione di truciolo T per garantire la maggiore concentricità possibile fra la faccia cilindrica 16 e la sede anulare 20.

La macchina elettrica rotante 3 presenta preferibilmente il solo cuscinetto 21 per supportare carichi radiali e assiali trasmessi dal rotore tubolare 13 e dal gruppo pale 4.

Con riferimento alla figura 5, il cuscinetto 21 comprende un anello esterno 28 e un anello interno 29 ed à ̈ alloggiato nella sede anulare 20 dell’anello 19. In particolare, l’anello esterno 28 à ̈ alloggiato nella sede anulare 20, mentre l’anello interno 29 à ̈ collegato al rotore tubolare 13. La sede anulare 20 presenta un profilo scalinato con facce cilindriche alternate a facce anulari di battuta. In pratica, l’anello esterno 28 del cuscinetto 21 à ̈ disposto nella sede anulare 20 e bloccato in posizione da un anello di bloccaggio 30, il quale à ̈ fissato all’anello 19 e all’anello esterno 28 tramite una giunzione bullonata.

Il rotore tubolare 13 comprende una struttura tubolare 31 avente una faccia cilindrica 32; una pluralità di parti attive rotoriche 33 distribuite lungo la faccia cilindrica 32 della struttura tubolare 31; e una struttura radiale 34, la quale à ̈ disposta all’interno della struttura tubolare 31 ed à ̈ collegata al cuscinetto 21, in particolare all’anello interno 29 del cuscinetto 21. In pratica, la struttura radiale 34 à ̈ fissata, da un lato, al cuscinetto 21 e, dal lato opposto, al mozzo 9, in particolare alla flangia 11 del mozzo 9.

Il fissaggio della struttura radiale 34 al cuscinetto 21 e al mozzo 9 à ̈ realizzato tramite due giunzioni svincolabili in modo indipendente l’una dell’altra. Il fissaggio della struttura radiale 34 prevede l’impiego di un anello di bloccaggio 35 configurato per alloggiare, in parte, l’anello interno 29 del cuscinetto 21 e l’estremità della struttura radiale 34 con la flangia 11 del mozzo 9.

Una giunzione bullonata comprende bulloni uno dei quali à ̈ indicato con 36 nella figura 5 e impegna l’anello di bloccaggio 35, la struttura radiale 34 del rotore 13 e la flangia 11 del mozzo 9. L’altra giunzione bullonata comprende bulloni 37 che impegnano unicamente la struttura radiale 34 del rotore 13 e la flangia 11 del mozzo 9 (Figura 1).

Inoltre, la struttura radiale 34 à ̈ vincolabile tramite giunzione in particolare bullonata, direttamente all’anello 19. La struttura radiale 34 à ̈ disposta in prossimità di una faccia 38 dell’anello 19 e sia la struttura radiale 34, sia l’anello 19 sono configurati per essere resi solidali. Il collegamento fra la struttura radiale 34 e l’anello 19 à ̈ effettuata per collegare il rotore tubolare 13 direttamente al telaio 14 quando à ̈ necessario sostituire il cuscinetto 21.

Le parti attive rotoriche 33, nella fattispecie magneti permanenti montati su relativi supporti, sono segmenti modulari di forma prismatica che si estendono prevalentemente in una direzione parallela all’asse di rotazione A e sono uniformemente distribuiti attorno all’asse di rotazione A.

Con riferimento alla figura 2, l’apertura definita dai bracci 23 adiacenti à ̈ atta a permettere l’estrazione o l’inserimento dei segmenti attivi 17 e 33 attraverso l’apertura stessa.

Con riferimento alla figura 1, il telaio 14 presenta un cuscinetto di emergenza 39 disposto lungo i bracci 24 e atto a essere disposto a contatto del rotore tubolare 13, nella fattispecie alla struttura tubolare 31.

Risulta infine evidente che alla macchina elettrica rotante possono essere apportate modifiche e varianti senza uscire dall’ambito di protezione delle rivendicazioni allegate.

Claims (15)

1. RIVENDICAZIONI 1. Telaio di una macchina elettrica rotante di un aerogeneratore, il telaio (14) estendentesi attorno a un asse di rotazione (A) e comprendendo una struttura tubolare (15), la quale ha una faccia cilindrica (16), ed à ̈ configurata per supportare una pluralità di segmenti attivi (17) lungo la faccia cilindrica (16); una flangia anulare (18) configurata per collegare la macchina elettrica rotante (3) a un telaio principale (2) di un aerogeneratore (1); e un anello (19), il quale presenta una sede anulare (20) per alloggiare un cuscinetto (21); in cui la struttura tubolare (15), la flangia anulare (18) e l’anello (19) sono realizzati in un unico pezzo.
2. 2. Telaio come rivendicato nella rivendicazione 1, e caratterizzato dal fatto di essere realizzato tramite fusione, preferibilmente in acciaio.
3. 3. Telaio come rivendicato nella rivendicazione 1 o 2, in cui la struttura tubolare (15) e l’anello (19) sono rifiniti tramite una lavorazione meccanica ad asportazione di truciolo rispettivamente lungo la faccia cilindrica (16) e lungo la sede anulare (20).
4. 4. Telaio come rivendicato nella rivendicazione 3, in cui la faccia cilindrica (16) della struttura tubolare (15) e la sede anulare (20) dell’anello (19) sono realizzate simultaneamente tramite una macchina ad asportazione di truciolo (T).
5. 5. Telaio come rivendicato in una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 4, in cui la struttura tubolare (15) presenta una pluralità di elementi di aggancio (22) distribuiti lungo la faccia cilindrica (16) attorno all’asse di rotazione (A) e configurati per ancorare i segmenti attivi (17) alla struttura tubolare (15), preferibilmente ciascun elemento di aggancio (22) essendo definito da una scanalatura assiale con sezione trasversale a coda di rondine.
6. 6. Telaio come rivendicato in una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, e comprendente una pluralità di primi bracci (23) configurati per collegare la flangia anulare (18) alla struttura tubolare (15), preferibilmente i primi bracci (23) si estendono in direzione radiale rispetto all’asse di rotazione (A).
7. 7. Telaio come rivendicato in una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui la flangia anulare (18) à ̈ disposta in corrispondenza di un’estremità della struttura tubolare (15).
8. 8. Telaio come rivendicato in una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui la flangia anulare (18) e l’anello (19) sono collegati da secondi bracci (24).
9. 9. Telaio come rivendicato in una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui l’anello (19) à ̈ disposto in una posizione mediana rispetto alla struttura tubolare (15) lungo l’asse di rotazione (A).
10. 10. Telaio come rivendicato in una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui la flangia anulare (18) Ã ̈ di diametro inferiore al diametro della faccia cilindrica (16).
11. 11. Telaio come rivendicato in una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui l’anello (19) ha un diametro inferiore al diametro della flangia anulare (18).
12. 12. Macchina elettrica rotante per aerogeneratore per la produzione di energia elettrica, la macchina elettrica rotante (3) comprendendo uno statore tubolare (12) comprendente una struttura tubolare (15), e una pluralità di segmenti attivi (17) montati sulla struttura tubolare (15); un rotore tubolare (13), il quale comprende una pluralità di ulteriori segmenti attivi (33) affacciati ai segmenti attivi (17) in modo da definire un traferro, à ̈ disposto all’interno dello statore tubolare (12), ed à ̈ girevole attorno a un asse di rotazione (A) rispetto allo statore tubolare (12); e un telaio (14) come rivendicato in una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni e configurato per definire la struttura tubolare (15) dello statore tubolare (12) e per supportare il rotore tubolare (13).
13. 13. Macchina elettrica rotante come rivendicata nella rivendicazione 12, e comprendente un cuscinetto (21) alloggiato nella sede anulare (20) e configurato per supportare il rotore tubolare (13).
14. 14. Macchina elettrica rotante come rivendicata nella rivendicazione 12 o 13, in cui il rotore tubolare comprende un’ulteriore struttura tubolare (31) e una struttura radiale (34) configurata per essere collegata al cuscinetto (21).
15. 15. Macchina elettrica rotante come rivendicata in una qualsiasi delle rivendicazioni da 12 a 14, in cui il rotore tubolare (13) e il telaio (14) sono collegabili rigidamente l’uno all’altro; in particolare l’anello (19) e il rotore tubolare (13) essendo configurati per realizzare una giunzione bullonata.