IT201600103099A1

IT201600103099A1 - Attuatore lineare elettromagnetico.

Info

Publication number: IT201600103099A1
Application number: IT102016000103099A
Authority: IT
Inventors: Marcello Rosati
Original assignee: System Di Rosati S R L
Priority date: 2016-10-13
Filing date: 2016-10-13
Publication date: 2018-04-13

Description

“ATTUATORE LINEARE ELETTROMAGNETICO”.

TESTO DELLA DESCRIZIONE

La presente domanda di brevetto per invenzione industriale ha per oggetto attuatore lineare elettromagnetico, in particolare un attuatore in grado di funzionare ad elevata frequenza di movimento, quali ad esempio gli attuatori utilizzati per movimentare porte di macchine selezionatrici di pezzi ed in particolare le macchine selezionatrici di frutti.

Sono noti vari tipi di attuatori lineari provvisti di una carcassa e un albero che trasla linearmente rispetto alla carcassa. Tali attuatori lineari possono essere elettrici, pneumatici, oleodinamici o elettromagnetici.

L’attuatore a solenoide è il più comune degli attuatori elettromagnetici. L’attuatore a solenoide è un dispositivo che converte un segnale elettrico in un movimento lineare causato da un campo elettromagnetico. L’attuatore a solenoide comprende:

- una carcassa,

- una bobina fissata alla carcassa,

- supporti di strisciamento fissati ad estremità della carcassa,

- un albero montato strisciante nei supporti di strisciamento, e

- un nucleo di materiale magnetico fissato all’albero e disposto entro la bobina.

La carcassa è realizzata in materiale metallico di tipo magnetico per generare linee di flusso di campo magnetico che attraversano il nucleo e la carcassa. L’intensità del campo magnetico generato e quindi la forza elettromotrice applicata sull’albero è vincolata dalla potenza della bobina elettrica e dal dimensionamento del materiale metallico magnetico. I due supporti di strisciamento di materiale metallico magnetico servono entrambi da contenimento o chiusura del campo magnetico con la carcassa esterna, inoltre uno dei due supporti attira il nucleo in una posizione di fine corsa.

Possono essere previsti mezzi a molla per richiamare il nucleo nella pozione iniziale di riposo.

Quando è applicato un segnale elettrico alla bobina, si genera una forza elettromotrice che spinge il nucleo in una direzione, allontanandolo dalla pozione iniziale di riposo. Quando la bobina non è alimentata, il nucleo è libero e ritorna nella posizione iniziale di riposo per il richiamo dei mezzi a molla. Durante tale movimento, l’albero deve essere obbligatoriamente supportato in modo strisciante dai supporti di strisciamento. Infatti se i supporti di strisciamento hanno un gioco eccessivo, l’albero si inclinerebbe inceppando l’attuatore.

Tali tipi di attuatori a solenoide noti hanno molti inconvenienti dovuti soprattutto al fatto che essi sono soggetti ad elevati attriti, a causa dello strisciamento dell’albero nei supporti di strisciamento. Tali attriti compromettono il rendimento e la durata dell’attuatore.

Inoltre, la struttura dell’attuatore a solenoide è vincolata alla geometria della carcassa e dei supporti striscianti che sono parti essenziali per il dimensionamento dell’attuatore.

Tali tipi di attuatori a solenoidi raggiungono frequenze di movimento lineare dell’albero molto basse e non possono essere utilizzati in applicazioni in cui sono richieste elevate frequenze di funzionamento.

Per la movimentazione di un albero ad elevate frequenze di funzionamento sono noti motori elettrici lineari in cui il rotore e lo statore del motore, invece di essere circolari ,sono srotolati in una forma lineare. Appare evidente che un motore elettrico lineare risulta essere molto costoso, a causa della sua struttura, dei poli del motore e dell’elettronica di controllo del motore.

Scopo della presente invenzione è di eliminare gli inconvenienti della tecnica nota, fornendo un attuatore lineare di tipo elettromagnetico che sia in grado di assicurare un’elevata frequenza di funzionamento e che nello stesso tempo sia efficiente, efficace, affidabile, versatile, economico e di semplice realizzazione ed istallazione.

Questi scopi sono raggiunti in accordo all’invenzione, con le caratteristiche della rivendicazione indipendente 1.

Realizzazioni vantaggiose dell’invenzione appaiono dalle rivendicazioni dipendenti.

L’attuatore lineare secondo l’invenzione comprende: - una carcassa di forma tubolare, internamente cava e provvista di un canale assiale passante,

- almeno una bobina montata fissa nella carcassa,

- un albero avente almeno un’estremità uscente all’esterno di detta carcassa per essere collegato ad un carico, e - un nucleo magnetico, in materiale magnetico, fissato a detto albero e disposto entro detta almeno una bobina in modo da essere immerso in una campo magnetico generato da detta bobina.

Detta carcassa, detti cappellotti e detto albero sono in materiale amagnetico.

detto nucleo magnetico e detta almeno una bobina sono configurati in modo che il nucleo magnetico possa galleggiare perfettamente centrato nel campo elettromagnetico generato da detta bobina; e

detto albero non è supportato scorrevolmente né dalla carcassa né da supporti striscianti, in modo che detto albero possa scorrere all’interno di detta almeno una bobina (, senza strisciare con altri elementi.

Appaiono evidenti i vantaggi dell’attuatore lineare secondo l’invenzione. Infatti tale tipo di attuatore lineare prevede che il nucleo magnetico si autocentri e galleggi nel campo magnetico entro la bobina, eliminando totalmente gli attriti tra l’albero e i cappellotti fissati alle estremità della carcassa.

Ulteriori caratteristiche dell’invenzione appariranno più chiare dalla descrizione dettagliata che segue, riferita a una sua forma di realizzazione puramente esemplificativa e quindi non limitativa, illustrate nei disegni annessi, in cui:

la Fig. 1 è una vista frontale, illustrante in esploso vari elementi dell’attuatore lineare secondo l’invenzione;

la Fig. 2 è una vista in prospettiva, illustrante l’attuatore lineare di Fig. 1 assemblato;

la Fig. 3 è una vista in sezione assiale dell’attuatore lineare di Fig. 2; e

la Fig. 3A è una vista ingrandita del particolare racchiuso nel cerchio A di Fig. 3.

Con l’ausilio delle Figure viene descritto l’attuatore lineare secondo il’invenzione, indicato complessivamente con il numero di riferimento 1.

L’attuatore lineare (1) comprende una carcassa (2) di forma tubolare, internamente cava e provvista di un canale assiale passante (20). La carcassa ha un collare (21) che sporge radialmente verso l’interno, nel canale (20), in modo da formare due camere comunicanti. La carcassa (2) è realizzata in materiale amagnetico, quale ad esempio plastica o alluminio.

Almeno una bobina (3a, 3b) è montata e fissata nella carcassa (2). Preferibilmente sono previste una prima bobine (3a) e una seconda bobina (3b) disposte nelle due camere della carcassa separate dal collare (21).

Ciascuna bobina (3a, 3b) comprende un supporto tubolare (30) attorno al quale è avvolto un avvolgimento (31) costituito da un filo conduttore elettrico avente due terminali (32, 32’). Il supporto tubolare (30) è in materiale non metallico. Il supporto tubolare (30) della bobina è internamente cavo e presenta un canale assiale passante (33).

Opzionalmente due cappellotti (4a, 4b) potrebbero essere montati ad estremità opposte della carcassa (2). I cappellotti (4a, 4b) sono in materiale amagnetico, quale ad esempio plastica o alluminio. Ciascun cappellotto (4a, 4b) ha un foro assiale (40) avente un asse coincidente con l’asse delle bobine (3a, 3b).

Un albero (5) ha una prima estremità (5a) ed una seconda estremità (5b). L’albero (5) è realizzato in materiale amagnetico.

Sull’albero (5) è montato un nucleo magnetico (6), in materiale magnetico, con magnetizzazione assiale. Il nucleo magnetico (6) comprende almeno un magnete permanete (60), quale ad esempio un magnete permanete in neodimio o terre rare. Ciascun magnete permanete (60) ha una forma cilindrica o discoidale con magnetizzazione assiale. Ciascun magnete permanete (60) ha un foro assiale che viene impegnato dall’albero (5). Anche se nelle Figure sono mostrati più magneti permanenti (60), il nucleo magnetico (6) potrebbe comprendere un unico magnete permanete cilindrico.

Preferibilmente più gruppi (G1, G2, G3) di magneti permanenti (60) sono montati sull’albero (5). I gruppi (G1, G2, G3) di magneti permanenti sono separati tra loro da distanziali (7) in materiale amagnetico, quale ad esempio plastica. Ad esempio è previsto un nucleo (6) con venti magneti permanenti (60) suddivisi in un primo gruppo (G1) di sei magneti permanenti (60), un secondo gruppo (G2) di otto magneti permanenti (60) e un terzo gruppo (G1) di sei magneti permanenti (60). In alternativa sempre ad esempio si possono prevedere due gruppi di dieci magneti permanenti ciascuno.

Alle estremità del nucleo magnetico (6), opzionalmente, potrebbero essere disposti due distanziali d’estremità (7a, 7b) destinati ad andare in battuta contro i cappellotti (4a, 4b). I distanziali di estremità (7a, 7b) sono realizzati in materiale amagnetico ed ammortizzante, quale ad esempio gomma.

Il nucleo magnetico (6) ha un diametro esterno inferiore rispetto al diametro interno del supporlo tubolare (30) della bobina. In questo modo, quando il nucleo magnetico (6) è disposto entro il supporto tubolare (30) della bobina, e la bobina è eccitata, il nucleo magnetico (6) si trova immerso in un campo magnetico generato dalla bobina e si può individuare un traferro (T) (vedere Fig. 3A) tra il nucleo magnetico (6) e il supporto (30) della bobina. Il nucleo magnetico (6) galleggia perfettamente centrato nel traferro (T).

Con riferimento a Fig. 3, il primo gruppo (G1) di magneti permanenti si trova nel campo magnetico della prima bobina (3a), il terzo gruppo (G3) di magneti permanenti si trova nel campo magnetico della seconda bobina (3b) e il secondo gruppo (G2) di magneti permanenti si trova sia nel campo magnetico della prima bobina (3a) sia nel campo magnetico della seconda bobina (3b).

Le due estremità (5a, 5b) dell’albero fuoriescono esternamente dai cappellotti (4a, 4b). Il diametro dell’albero è inferiore rispetto al diametro del foro (40) dei cappellotti, in modo da lasciare un gioco (J) (Fig. 3) più o meno elevato rispetto alla potenza dei campi magnetici, per assicurarsi che l’albero (5) non tocchi con i cappellotti (4a, 4b), evitando qualsiasi tipo di attrito di strisciamento.

Anche se non mostrato nelle figure, l’albero (5) può avere una sola estremità che esce dalla carcassa per collegarsi ad un carico. Se sono presenti i cappellotti (4a, 4b) l’estremità dell’albero esce dal foro (40) di un cappellotto, mentre l’altra estremità dell’albero rimane all’interno della carcassa. In questo caso, solo uno dei due cappellotti è provvisto del foro (40) per far passare l’albero.

L’attuatore lineare (1) non è limitato nella sua funzionalità dai cappellotti (4a, 4b); infatti i cappellotti (4a, 4b) fungono soltanto da fine corsa. Senza i cappellotti (4a, 4b), il nucleo magnetico (6) resterebbe libero entro il campo magnetico dei magneti permanenti (60) e della bobina (3a, 3b).

I terminali (32, 32’) delle due bobine sono collegati ad un alimentatore in grado di alimentare la bobina con un segnale di tensione ad onda quadra con periodi di ON e OFF. In questo modo l’albero (5) esegue corse avanti ed indietro, entro la carcassa (2). La lunghezza di ciascuna corsa è data dalla differenza tra la distanza tra i due cappellotti (4a, 4b) e la distanza tra le estremità esterne dei due distanziali d’estremità (7a, 7b). Durante tali corse dell’albero, il nucleo magnetico (6) galleggia nei campi elettromagnetici delle bobine (3a, 3b) e non c’è attrito di strisciamento tra l’albero (5) e i cappellotti (4a, 4b).

La frequenza del segnale di alimentazione dell’attuatore lineare (1) può essere ad onda quadra oppure un segnale periodico variato mediante un regolatore di tensione PWM (modulazione di ampiezza di impulsi).

L’albero (5) dell’attuatore lineare (1) può essere movimentato con una frequenza che varia in funzione della potenza magnetica e della lunghezza della corsa del nucleo raggiungendo frequenze elevate, anche superiori a 1000 Hz, grazie all’assenza di attrito tra l’albero (5) e i cappellotti (4a, 4b).

Le prestazioni di tale attuatore lineare (1) non dipendono dalla carcassa (2) né tanto meno dai cappellotti (4a, 4b). Infatti la carcassa (2) ha solo una funzione di contenimento e supporto delle bobine (3a, 3b) e i cappellotti (4a, 4b) hanno solo funzione di costituire dei finecorsa per l’albero (5).

Alla presente forma di realizzazione dell'invenzione, possono essere apportate variazioni e modifiche equivalenti, alla portata di un tecnico del ramo, che rientrano comunque entro l'ambito dell'invenzione.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Attuatore lineare (1) comprendente: - una carcassa (2) di forma tubolare, internamente cava e provvista di un canale assiale passante (20), - almeno una bobina (3a, 3b) montata fissa nella carcassa (2), - un albero (5) avente almeno un’estremità (5a, 5b) uscente all’esterno di detta carcassa, per potere essere collegata ad un carico, - un nucleo magnetico (6), in materiale magnetico, fissato a detto albero (5) e disposto entro detta almeno una bobina (5a, 5b) in modo da essere immerso in un campo elettromagnetico generato dalla bobina (3a, 3b), caratterizzato dal fatto che detta carcassa (2) e detto albero (5) sono in materiale amagnetico, detto nucleo magnetico (6) e detta almeno una bobina (3a, 3b) sono configurati in modo che il nucleo magnetico (6) possa galleggiare perfettamente centrato nel campo elettromagnetico generato da detta bobina; e detto albero (5) non è supportato scorrevolmente né dalla carcassa né da supporti striscianti, in modo che detto albero (5) possa scorrere all’interno di detta almeno una bobina (3a, 3b), senza strisciare con altri elementi.
2. Attuatore lineare (1) secondo la rivendicazione 1, comprende inoltre due cappellotti (4a, 4b) fatti in materiale amagnetico e montati ad estremità della carcassa, in cui almeno un cappello ha un foro assiale (40), tra detto albero (5) e detto foro assiale (40) di almeno un cappellotto è lasciato un gioco (J) più o meno elevato rispetto alla potenza dei campi magnetici, in modo che detto nucleo (6) possa galleggiare perfettamente centrato nel campo elettromagnetico generato da detta bobina e detto albero (5) possa scorrere entro detto foro (40) del cappellotto, senza strisciare con il cappellotto.
3. Attuatore lineare (1) secondo la rivendicazione 2, in cui i due cappellotti (4a, 4b) hanno rispettivi fori assiali (40) e detto albero (5) ha due estremità (5a, 5b) uscenti all’esterno di detta carcassa, attraverso detti fori assiali (40) dei due cappellotti.
4. Attuatore lineare (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente una prima bobina (3a) e una seconda bobina (3b) disposte entro detta carcassa (2).
5. Attuatore lineare (1) secondo la rivendicazione 4, in cui detta carcassa comprende un collare (21) che sporge internamente in modo da definire due camere comunicanti entro le quali sono disposte dette prima bobina (3a) e seconda bobina (3b).
6. Attuatore lineare (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto nucleo magnetico (6) comprende una pluralità di magneti permanenti (60) di forma cilindrica o discoidale, provvisti di un foro assiale impegnato da detto albero (5).
7. Attuatore lineare (1) secondo la rivendicazione 6, in cui detto nucleo magnetico (6) comprende una pluralità di gruppi (G1, G2, G3) di magneti permanenti (60), separati tra loro da distanziali (7) in materiale amagnetico.
8. Attuatore lineare (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 3 a 7, comprendente due distanziali di estremità (7a, 7b) montati sull’albero (5) alle estremità di detto nucleo magnetico (6), per andare in battuta contro detti cappellotti (4a, 4b), detti distanziali di estremità (7a, 7b) essendo in materiale amagnetico ammortizzante.
9. Attuatore lineare (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente un alimentatore collegato a terminali (32, 32’) dell’avvolgimento di detta almeno una bobina (3a, 3b); detto alimentatore essendo configurato in modo da alimentare un segnale di tensione ad onda quadra, con periodi di ON e OFF per eccitare detta almeno una bobina ad una frequenza preimpostata.
10. Attuatore lineare (1) secondo la rivendicazione 9, comprendente un regolatore di tensione PWM collegato all’alimentatore, per regolare la tensione di alimentazione generata da detto alimentatore con una modulazione ad ampiezza di impulsi.