IT201800004113A1 - Metodo e sistema per rilevare l'usura di un disco di attrito di un freno, in particolare un freno elettromagnetico per un motore elettrico - Google Patents

Description

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

“METODO E SISTEMA PER RILEVARE L'USURA DI UN DISCO DI ATTRITO DI UN FRENO, IN PARTICOLARE UN FRENO ELETTROMAGNETICO PER UN MOTORE ELETTRICO”

La presente invenzione è relativa ad un metodo per rilevare l’usura di un disco di attrito di un freno.

In particolare, la presente invenzione trova vantaggiosa, ma non esclusiva applicazione, nei freni elettromagnetici dei motori elettrici cosiddetti autofrenanti.

Come noto, il freno elettromagnetico di un motore autofrenante comprende: un corpo ferromagnetico, il quale è coassiale all’albero rotante del motore ed è solidale con la carcassa esterna del motore; una bobina di eccitazione alloggiata in una scanalatura anulare del corpo freno; un’ancora mobile, la quale è montata sul corpo ferromagnetico in modo da scorrere lungo perni paralleli all’albero; un disco freno ricoperto con materiale di attrito, il quale è accoppiato coassialmente all’albero in modo tale da potersi muovere solo assialmente lungo l’albero ed è disposto tra l’ancora mobile ed un fondo della carcassa del motore, altrimenti noto come scudo motore; ed una pluralità di molle parzialmente alloggiate nel corpo ferromagnetico in modo tale da premere l’ancora mobile contro il disco freno e quindi quest’ultimo contro lo scudo motore. Quando la bobina non è alimentata elettricamente, il disco freno si chiude e rimane chiuso contro lo scudo motore, frenando così il motore. Quando invece la bobina viene alimentata, l’ancora mobile viene attratta verso il corpo ferromagnetico contro l’azione delle molle, liberando così il disco freno, ed il motore può girare.

Normalmente, il freno elettromagnetico è provvisto di un sensore di usura disposto nel traferro tra l’ancora mobile ed il corpo ferromagnetico ed in grado di rilevare in maniera diretta lo spessore del materiale di attrito sul disco freno permettendo così di segnalare la necessità di una manutenzione quando tale spessore raggiunge un valore minimo oppure l’ampiezza assiale del traferro raggiunge un valore massimo. Il sensore di usura è tipicamente collegato via cavo ad una centralina elettronica, la quale è atta ad alimentare elettricamente il sensore di usura, a leggere il segnale generato dal sensore di usura ed elaborare il segnale letto per indicare l’eventuale necessità di sostituzione del disco freno.

Il sensore di usura e la centralina elettronica fanno tipicamente parte di un più ampio sistema di misurazione. Ad esempio, la domanda di brevetto internazionale pubblicata con numero WO 2016/142884 A1 descrive un sistema di misurazione applicabile ad un variatore di velocità meccanico, altrimenti noto anche come riduttore di velocità, per misurare lo sfasamento angolare istantaneo tra i due alberi rotanti del variatore di velocità e determinare la coppia istantanea trasmessa da un primo albero al secondo albero in funzione dello sfasamento angolare istantaneo. Il sistema di misurazione comprende due sensori di posizione, ciascuno dei quali è abbinato ad un rispettivo albero del variatore di velocità, ed una centralina elettronica collegata mediante cavi ai due sensori per alimentarli elettricamente, per leggere i segnali generati dai sensori di posizione e per elaborare i segnali letti allo scopo di ottenere lo sfasamento angolare istantaneo e la coppia istantanea.

I cavi di collegamento tra i sensori e la centralina complicano notevolmente l’installazione del sistema di misurazione e ne riducono l’affidabilità, in quanto ad esempio il motore autofrenante può essere installato in macchine con altri organi in movimento nelle vicinanze che potrebbero tranciare i cavi. Inoltre, l’architettura con una centralina collegata via cavo ai sensori rende il sistema di misurazione poco flessibile ad eventuali espansioni, ad esempio nel caso di un numero consistente di motori autofrenanti da monitorare o nel caso si abbia la necessità di montare altri sensori a bordo del motore autofrenante per misurare altre grandezze fisiche che possono essere vantaggiosamente monitorate per valutare la condizioni di lavoro del variatore di velocità.

Scopo della presente invenzione è di fornire un diverso metodo di rilevamento dell’usura di un disco freno di un freno elettromagnetico, che sia esente dagli inconvenienti sopra descritti e, nello stesso tempo, sia di facile ed economica realizzazione.

In accordo con la presente invenzione vengono forniti un metodo ed un sistema per rilevare l’usura di un disco di attrito di un freno, secondo quanto definito nelle rivendicazioni allegate.

La presente invenzione verrà ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano un esempio di attuazione non limitativo, in cui:

- la figura 1 illustra, secondo una vista laterale parzialmente in sezione, un motore autofrenante comprendente un freno elettromagnetico equipaggiato con il sistema per segnalare l’usura del disco di attrito del freno della presente invenzione;

- la figura 2 illustra con maggiore dettaglio un sensore elettromagnetico di un dispositivo trasduttore del sistema della presente invenzione;

- la figura 3 illustra un esempio delle linee di flusso del campo magnetico generato da una parte del sensore elettromagnetico della figura 2;

- la figura 4 illustra un componente del sensore elettromagnetico della figura 2;

- la figura 5 illustra uno schema a blocchi del dispositivo trasduttore del sistema della presente invenzione;

- la figura 6 illustra alcuni esempi di curve di velocità rilevate durante rispettive frenate del motore autofrenante della figura 1; e

- le figura 7 e 8 illustrano, secondo due rispettive forme di attuazione, un passo di elaborazione del metodo per segnalare l’usura di un disco di attrito di un freno della presente invenzione.

Nella figura 1, con 1 è genericamente indicato, nel suo complesso, un motore autofrenante comprendente un motore elettrico 2 ed un freno elettromagnetico 3 accoppiati tra loro mediante un singolo albero rotante 4 atto a ruotare attorno ad un asse di rotazione 4a. Il motore 2 ed il freno 3 hanno rispettive carcasse esterne 2a e 3a solidali tra loro. Il motore 2 è provvisto di una propria scatola di collegamenti elettrici 5 fissata sulla carcassa esterna 2a.

Un dispositivo trasduttore 6 è accoppiato all’albero 4 dal lato del motore 2. Il dispositivo trasduttore 6 comprende un rispettivo corpo scatolare di supporto 7, il quale è montabile sulla carcassa esterna 2a del motore 2 in modo tale da essere solidale anche con la carcassa esterna 3a del freno 3. Il dispositivo trasduttore 6 comprende un sensore di posizione angolare 8 elettromagnetico per rilevare la posizione angolare istantanea dell’albero 4. Il sensore di posizione angolare 8 comprende un rispettivo anello magnetico 9, il quale è accoppiabile solidalmente e coassialmente all’albero 4, ed una rispettiva bobina di pickup 10, la quale è disposta nel corpo scatolare di supporto 7 in modo da essere in posizione ravvicinata al rispettivo anello magnetico 9.

Il freno 3 è di tipo noto e comprende: un corpo ferromagnetico 31, il quale è coassiale all’albero 4 ed è solidale con la carcassa esterna 3a; una bobina di eccitazione 32 alloggiata in una scanalatura anulare 33 del corpo ferromagnetico 31; un’ancora mobile 34, la quale è scorrevole lungo perni 35 paralleli all’albero 4 e solidali al corpo ferromagnetico 31; un disco di attrito 36, il quale è accoppiato coassialmente all’albero 4 in modo tale da potersi muovere solo lungo l’asse 4a ed è disposto tra l’ancora 34 ed un fondo della carcassa 2a, altrimenti noto come scudo motore e indicato nella figura 1 con 37; ed una pluralità di molle elicoidali 38, una sola delle quali è visibile nella figura 1, parzialmente alloggiate nel corpo ferromagnetico 31 in modo tale da premere l’ancora 34 contro il disco di attrito 36 e quindi quest’ultimo contro lo scudo motore 37.

Il corpo ferromagnetico 31 è fissato allo scudo motore 37, ad una certa distanza da esso per l’interposizione dell’ancora 34 e del disco di attrito 36, tramite i perni 35, uno solo dei quali è visibile nella figura 1.

Il disco di attrito 36 comprende un disco interno metallico 39 e due elementi di attrito anulari 40 incollati sulle rispettive due facce del disco interno 39. Il disco di attrito 36, ed in particolare il disco interno 39, è accoppiato all’albero 4 tramite un mozzo calettato 41.

In uso, quando la bobina 32 non è alimentata elettricamente, le molle 38 premono l’ancora 34 contro il disco di attrito 36 e quindi quest’ultimo viene premuto contro lo scudo motore 37, così frenando e mantenendo fermo l’albero 4 e quindi il motore 2. In altre parole, in assenza di forze antagoniste, le molle 38 normalmente portano e mantengono il disco di attrito 36 in una posizione di frenata. Lo scudo motore 37 funge da corpo di attrito che coopera con una faccia del disco di attrito 36. Anche l’ancora 34 funge da corpo di attrito che coopera con l’altra faccia del disco di attrito 36.

Quando, invece, la bobina 32 viene alimentata elettricamente, l’ancora 34 viene attratta verso il corpo ferromagnetico 31 contro l’azione delle molle 38, liberando così il disco di attrito 36 e permettendo di conseguenza all’albero 4 e al motore 2 di girare.

Il freno 3 è inoltre provvisto di un microinterruttore 42, il quale è disposto e configurato in modo tale da rilevare se il disco di attrito 36 è nella posizione di frenata. Nell’esempio di attuazione illustrato dalla figura 1, il microinterruttore 42 è solidale allo scudo motore 37 ed è disposto e configurato in modo da rilevare se il disco di attrito 36 preme contro lo scudo motore 37. Ad esempio, il microinterruttore 42 è configurato per chiudersi quando il disco di attrito 46 preme contro lo scudo motore 37.

Con riferimento alla figura 2, che illustra con maggior dettaglio il sensore di posizione angolare 8 secondo una vista in sezione perpendicolare all’asse di rotazione 4a, l’anello magnetico 9 comprende una successione di magneti permanenti 11 disposti con polarità alternate lungo una circonferenza esterna dell’albero 4. In altre parole, l’anello magnetico 9 comprende una successione di coppie polari di magneti permanenti 11, ciascuna coppia polare presentando due magneti permanenti 11 disposti con polarità opposte. La bobina di pick-up 10 è disposta in modo tale da concatenarsi al flusso del campo magnetico generato dall’anello magnetico 9. Il sensore di posizione angolare 8 comprende inoltre un nucleo ferromagnetico 12 associato alla bobina di pick-up 10 per definire un percorso a bassa riluttanza magnetica che favorisce la concatenazione del flusso di campo magnetico.

In particolare, il nucleo ferromagnetico 12 comprende almeno tre porzioni 13, 14 e 15 rivolte verso l’anello magnetico 9 ed estendentisi lungo tre rispettivi assi 13a, 14a e 15a giacenti su un piano perpendicolare all’asse di rotazione 4a. La porzione 14 è preferibilmente in posizione intermedia rispetto alle altre due porzioni 13 e 15 lungo una direzione perpendicolare all’asse 14a. In sostanza, nell’esempio illustrato dalla figura 2, il nucleo ferromagnetico 12 ha una sezione trasversale a forma di E. La bobina di pick-up 10 è coassiale alla porzione intermedia 14, cioè ha un asse di avvolgimento coassiale all’asse 14a. Le porzioni laterali 13 e 15 definiscono rispettivi percorsi a bassa riluttanza magnetica per agevolare la richiusura delle linee di flusso del campo magnetico.

I magneti permanenti 11 hanno rispettivi assi magnetici orientati radialmente rispetto all’asse di rotazione 4a e la bobina di pick-up 10 è anch’essa orientata radialmente, ossia ha l’asse di avvolgimento orientato radialmente rispetto all’asse di rotazione 4a. Ciò consente di massimizzare la concatenazione il tra flusso di campo magnetico e le spire della bobina di pick-up 10.

Vantaggiosamente, la bobina di pick-up 10 è avvolta attorno alla porzione intermedia 14 essere alloggiata in due cave 16 e 17 definite tra le porzioni 13 e 14 e, rispettivamente, tra le porzioni 14 e 15.

Con particolare riferimento alla figura 4, la porzione intermedia 14 del nucleo ferromagnetico 12 ha una forma circolare secondo una vista in pianta perpendicolare all’asse 14a. In particolare, la porzione intermedia 14 ha forma di cilindro. Le porzioni laterali 13 e 15 presentano rispettive superfici laterali interne 18 e 19 conformate a C e rivolte verso la porzione intermedia 14 in modo tale che le cave 16 e 17 abbiano una larghezza uniforme e consentano di avere un buon coefficiente di riempimento in cava.

Con riferimento di nuovo alla figura 2, il nucleo ferromagnetico 12 presenta una lunghezza L, misurata perpendicolarmente all’asse di rotazione 4a, che è sostanzialmente pari ad un arco di circonferenza coperto da due magneti permanenti 11 contigui, cioè da una coppia polare di magneti permanenti 11, o ad un multiplo di tale arco di circonferenza. Il suddetto arco di circonferenza può essere chiamato passo polare ed indicato con P nella figura 2. Questo dimensionamento consente di massimizzare il flusso di campo magnetico concatenato alla bobina di pick-up 10. L’ampiezza del passo polare P definisce comunque la risoluzione desiderata per il sensore di posizione angolare 8.

Preferibilmente, il nucleo ferromagnetico 12 è fatto di ferrite. Preferibilmente, i magneti permanenti 11 sono fatti di plasto-neodimio compresso. Secondo un’ulteriore forma di attuazione dell’invenzione, i magneti permanenti 11 sono fatti di ferrite.

La figura 3 illustra un esempio delle linee di flusso di campo magnetico generato dell’anello magnetico 9. Come si può notare, la particolare conformazione del nucleo ferromagnetico 12 permette di migliorare la richiusura delle linee di flusso attorno alle cave 16 e 17 e quindi attorno alle spire della bobina di pick-up 10.

In uso, la rotazione dell’albero 4 provoca una variazione sostanzialmente alternata del flusso di campo magnetico concatenato alla bobina di pick-up 10 e conseguentemente in quest’ultima viene indotta una corrente alternata.

Secondo un’ulteriore forma di attuazione non illustrata della presente invenzione, gli assi 13a-15a sono orientati radialmente rispetto all’asse di rotazione 4a. Ciò permette di migliorare la richiusura delle linee di flusso del campo magnetico.

Secondo un’ulteriore forma di attuazione non illustrata della presente invenzione, il nucleo ferromagnetico 12 comprende soltanto le due porzioni 13 e 14 oppure le due porzioni 14 e 15. Ciò consente di ridurre le dimensioni del nucleo ferromagnetico 12 al prezzo di una riduzione del flusso di campo magnetico concatenato alla bobina di pickup 10.

Secondo un’ulteriore forma di attuazione non illustrata della presente invenzione, la bobina di pick-up 10 è planare ed è realizzata su una scheda a circuito stampato.

Secondo un’ulteriore forma di attuazione non illustrata della presente invenzione, gli assi magnetici dei magneti permanenti 11 sono orientati assialmente, cioè paralleli all’asse di rotazione 4a e la bobina di pick-up 10 e anch’essa orientata assialmente.

Con riferimento alla figura 5, in cui gli elementi corrispondenti sono indicati con gli stessi numeri e sigle della figura 2, il sensore di posizione angolare 8 comprende uno stadio di condizionamento di segnale 20 collegato elettricamente ai capi della bobina di pick-up 10. Il dispositivo trasduttore 6 comprende un microcontrollore 21 configurato per misurare la posizione angolare istantanea dell’albero 4 in funzione del segnale di uscita dello stadio di condizionamento di segnale 20. Il microcontrollore 21 è inoltre collegato elettricamente al microinterruttore 42 per conoscere quando il disco di attrito 36 si porta nella posizione di frenata. Lo stadio di condizionamento di segnale 20 ed il microcontrollore 21 sono alloggiati all’interno del corpo scatolare di supporto 7.

All’interno del corpo scatolare di supporto 7 è presente almeno un accelerometro multiassiale 22, ed in particolare triassiale, per rilevare accelerazioni subite dal corpo scatolare di supporto 7. Preferibilmente, l'accelerometro 22 ha una uscita digitale.

Il dispositivo trasduttore 6 comprende almeno due sensori di temperatura 23a e 23b disposti in due rispettive porzioni diverse del contenitore di supporto 7 per rilevare almeno due temperature, ed in particolare una temperatura del corpo macchina 2 ed una temperatura ambiente, quest’ultima essendo una temperatura la più possibile rappresentativa della temperatura all’esterno del dispositivo trasduttore 6. Ad esempio, il sensore di temperatura 23a è montato in una porzione del contenitore di supporto 7 direttamente a contatto del corpo macchina 2 per misurare la temperatura del corpo macchina 2 ed il sensore di temperatura 23b è montato in una porzione esterna del contenitore di supporto 7, ossia una porzione più lontana possibile dal corpo macchina 2, per misurare la temperatura ambiente. Nell’ipotesi di montare il contenitore di supporto 7 vicino ai cuscinetti dell’albero 3,4, la temperatura misurata dal sensore di temperatura 23a è sostanzialmente quella a cui si trova l’albero 4.

Il microcontrollore 21 è configurato per misurare le grandezze fisiche attraverso i segnali forniti dai mezzi sensori 8, 22, 23a, 23b sopra descritti ossia la posizione angolare istantanea, le accelerazioni e la temperatura, e per calcolare grandezze fisiche derivate, ossia per misurare in maniere indiretta grandezze fisiche derivate. Le grandezze fisiche derivate comprendono la velocità di rotazione istantanea dell’albero 4, calcolata in funzione della relativa posizione angolare istantanea, ed il valore quadratico medio ed il valore di picco delle vibrazioni subite dal corpo scatolare di supporto 7, e quindi dal corpo macchina 2, calcolati in funzione delle accelerazioni misurate. Le accelerazioni dovute alle vibrazioni sono riconoscibili dalla particolare frequenza ed energia associate.

Il dispositivo trasduttore 6 comprende, inoltre, un modulo di comunicazione wireless 24 che trasmette su una banda di frequenze ISM ed è controllato dal microcontrollore 21 allo scopo di trasmettere dati relativi alle grandezze fisiche misurate e/o calcolate ad una entità esterna. Anche il modulo di comunicazione wireless 24 è alloggiato nel corpo scatolare di supporto 7.

Il dispositivo trasduttore 6 comprende, infine, un sistema di raccolta di energia elettrica 25 collegato elettricamente al sensore di posizione angolare 8, ed in particolare ai capi della bobina di pick-up 10, in parallelo all’ingresso dello stadio di condizionamento 20. Il sistema di raccolta di energia elettrica 25 costituisce un carico elettrico per la bobina di pick-up 10, pertanto la corrente alternata che in uso circola nella bobina di pick-up 10 produce una tensione alternata ai capi della bobina di pickup 10, indicata con VAC.

Il sistema di raccolta di energia elettrica 25 è alloggiato nel corpo scatolare di supporto 7 e comprende, in cascata nel seguente ordine, un raddrizzatore di tensione 26 per convertire la tensione VAC in una prima tensione in corrente continua VDC1, un condensatore livellatore di tensione 27, un convertitore di tensione DC/DC 28 per convertire la tensione VDC1 in una seconda tensione in corrente continua VDC2, ed un dispositivo di accumulo di energia elettrica 29, preferibilmente un supercondensatore, altrimenti noto come supercap, caricato dalla tensione VDC2. In particolare, il raddrizzatore di tensione 26 è passivo ed è costituito da un ponte di diodi.

Il convertitore di tensione DC/DC 28 adatta la tensione VDC2 al valore di ampiezza ottimale per la carica del dispositivo di accumulo 29. A seconda del numero di spire della bobina di pick-up 10, il convertitore DC/DC 28 è un abbassatore di tensione passivo di tipo buck oppure è un elevatore di tensione di tipo boost.

Secondo un’ulteriore forma di attuazione della presente invenzione, il dispositivo di accumulo 29 è una batteria ricaricabile. Una batteria ricaricabile ha una capacità superiore a quella di un supercondensatore, ma ha dimensioni maggiori.

Il sensore di posizione angolare 8 va dimensionato in modo da fornire una tensione VAC avente un’ampiezza superiore all’ampiezza della tensione VDC2. I principali parametri del sensore di posizione angolare 8 su cui agire per avere una tensione VAC sufficientemente ampia sono la dimensione radiale dei magneti permanenti 11 ed il numero di spire della bobina di pick-up 10.

Il dispositivo trasduttore 6 comprende, infine, un regolatore di tensione lineare 30 collegato al dispositivo di accumulo 29 per fornire una terza tensione in corrente continua VDC3 stabile, adatta ad alimentare il microcontrollore 21 ed il modulo di comunicazione wireless 25. Ad esempio, se il dispositivo di accumulo 29 è un supercondensatore avente una tensione nominale di 4.2 V ed il microcontrollore 21 ha una tensione di alimentazione di 3.3 v, allora il convertitore di tensione DC/DC 28 deve fornire una tensione VDC2 avente un’ampiezza media di 4.2 V ed il regolatore di tensione 30 deve fornire una tensione VDC3 stabile a 3.3 V.

Allo scopo di segnalare l’usura del disco di attrito 36, il microcontrollore 12 è configurato per eseguire il seguente algoritmo, che è oggetto della presente invenzione ed è descritto qui di seguito.

Ogni frenata comincia quando il disco di attrito 36 preme contro lo scudo motore 37. L’istante iniziale t1 di ogni frenata eseguita dal freno 3 viene rilevato leggendo lo stato del microinterruttore 42, ad esempio rilevando quando viene chiuso.

L’istante iniziale t1 innesca la misurazione della velocità di rotazione istantanea dell’albero 4, qui di seguito indicata con V. La misurazione della velocità V viene eseguita in funzione della posizione angolare istantanea rilevata tramite il sensore di posizione angolare 8. I valori misurati di velocità V vengono ottenuti secondo un periodo di campionamento TS prestabilito e definito dal campionamento del segnale fornito dal sensore di posizione angolare 8.

Per ciascuna frenata, viene determinato un rispettivo profilo temporale di velocità, ossia un andamento di velocità al variare del tempo, sulla base di uno o più valori misurati di velocità V ottenuti durante la frenata, e viene calcolata l’area sottesa dal profilo temporale di velocità.

La figura 6 illustra alcuni esempi di curve di velocità, indicate con C1, C2, C3 e C4, rilevate durante rispettive frenate del motore autofrenante 1 ed espresse al variare del tempo T normalizzato ai rispettivi istanti iniziali della frenata. Le curve C1-C3 sono relative a diversi valori di velocità di rotazione a regime, che coincidono con i valori iniziali di velocità ad ogni frenata, e ad una medesima inerzia del carico collegato al motore autofrenante 1. La curva C4 ha lo stesso valore iniziale di velocità della curva C3 ma è relativa ad un differente inerzia di carico. Si osserva che nella particolare applicazione dei motori autofrenanti le frenate terminano sempre con velocità nulla.

Un valore cumulativo di energia dissipata dal freno 3 ad un certo istante viene stimato in funzione di una somma delle aree sottese ai profili di temporali di velocità relativi alle frenate occorse fino a quell’istante.

Infine, il raggiungimento dell’usura massima consentita al disco di attrito 36 viene rilevato sulla base di un confronto tra il valore cumulativo di energia dissipata, indicato qui di seguito con ETot ed un valore massimo di energia dissipata, indicato qui di seguito con EMax, quest’ultimo essendo correlato allo spessore minimo del disco di attrito 36, ed in particolare allo spessore dei due elementi di attrito anulari 40. Il valore massimo di energia dissipata EMax è determinabile sperimentalmente in funzione del particolare disco di attrito 36 utilizzato.

Le ragioni alla base dell’utilizzo dell’algoritmo sopra descritto sono prove di laboratorio, che dimostrano come l’usura del disco di attrito 36, ed in particolare dei due elementi di attrito anulari 40, sia direttamente correlata all’energia dissipata dal freno 3 durante le frenate, e le leggi della fisica che permettono di esprimere l’energia dissipata da una frenata con la seguente formula:

in cui E è l’energia dissipata, M è la coppia frenante del freno 3, V(t) è la velocità V al variare del tempo t, t1 e t2 sono rispettivamente l’istante iniziale e l’istante finale della frenata e K è una costante per l’allineamento delle unità di misura. L’integrale della velocità V(t) tra gli istanti t1 e t2 è l’area sottesa dalla curva definita dalla velocità V(t) stessa.

La coppia frenante M è una grandezza caratteristica del freno 3 che dipende sostanzialmente dal precarico delle molle 38 e dal coefficiente di attrito tra il disco di attrito 36 e lo scudo motore 37 e tra il disco di attrito 36 e l’ancora 34. Nelle normali condizioni di funzionamento del freno 3, la coppia frenante M è ipotizzabile costante. Di conseguenza, il valore cumulativo di energia dissipata ETot ad un certo istante è stimato come il prodotto tra la coppia frenante M, la somma delle aree sottese calcolate per tutte le frenate occorse fino a quell’istante, ossia un valore cumulativo di aree sottese a quell’istante, ed una costante K per l’allineamento delle unità di misura.

La determinazione del profilo temporale di velocità prevede, prima di tutto, di rilevare l’istante finale t2 della frenata viene rilevato in funzione di un confronto dei valori misurati di velocità con un valore nullo. In altre parole, l’istante finale t2 coincide col passo di campionamento per cui si ha il primo valore nullo di velocità.

La figura 7 illustra il profilo temporale di velocità definito in accordo con una prima forma di attuazione dell’invenzione, con particolare riferimento ad una medesima situazione di velocità di rotazione a regime e di carico della curva C3 della figura 6. Secondo questa forma di attuazione, il profilo temporale di velocità è definito come una funzione lineare passante per un primo punto P1, il quale è individuato dall’istante iniziale t1 e da un corrispondente primo valore misurato di velocità V1, ed un secondo punto P2, il quale è individuato dall’istante finale t2 e dal valore nullo di velocità.

Il calcolo dell’area sottesa dal profilo di velocità prevede dunque di calcolare una durata di frenata TB come differenza tra l’istante finale t2 e l’istante iniziale t2 e calcolare l’area del triangolo retto avente come cateti il primo valore misurato di velocità V1 e la durata di frenata TB. In altre parole, l’area sottesa è pari alla metà del prodotto tra il primo valore di velocità V1 per la durata di frenata TB.

Il profilo temporale di velocità definito come una funzione lineare è una discreta approssimazione del reale andamento della velocità e richiede tempi di calcolo ridottissimi.

La figura 8 illustra il profilo temporale di velocità definito in accordo con una seconda forma di attuazione dell’invenzione, anche in questo caso con particolare riferimento ad una medesima situazione di velocità di rotazione a regime e di carico della curva C3 della figura 6. Secondo questa forma di attuazione, il profilo temporale di velocità comprende l’intera sequenza dei valori misurati di velocità V che sono stati ottenuti tra l’istante iniziale t1 e l’istante finale t2.

L’area sottesa dal profilo di velocità è calcolata come prodotto del periodo di campionamento TS per la somma dei valori misurati di velocità dell’intero profilo temporale di velocità (metodo dei trapezi).

Il profilo temporale di velocità definito dall’intera sequenza dei valori misurati di velocità V compresi tra i due istanti t1 e t2 fornisce una stima più accurata del valore cumulativo di energia dissipata ETot rispetto a quella fornita dal profilo linearizzato, però al prezzo di tempi di calcolo superiori.

Secondo un’ulteriore e preferita forma di attuazione della presente invenzione, l’istante iniziale t1 viene rilevato in funzione delle accelerazioni misurate tramite l’accelerometro triassiale 22, ossia non viene utilizzato il microinterruttore 42. In particolare, le accelerazioni misurate vengono elaborate in modo da rilevare le vibrazioni generate dal disco di attrito 36 quando si porta nella posizione di frenata, ossia quando produce un colpo secco sbattendo contro lo scudo motore 37 in seguito alla diseccitazione della bobina 32, e l’istante iniziale t1 viene determinato in funzione delle vibrazioni rilevate.

Più in dettaglio, viene determinato il valore di picco delle vibrazioni e l’stante iniziale t1 viene determinato in funzione di un confronto tra il valore di picco delle vibrazioni ed un valore di soglia rappresentativo del colpo secco generato dal disco di attrito 36.

Vantaggiosamente, il microcontrollore 21 ha una architettura DSP ed ha un clock compreso tra 30 e 40 MHz: questa soluzione è il miglior compromesso tra basso consumo di energia elettrica e capacità di elaborazione necessaria per controllare le unità elettroniche a bordo del dispositivo trasduttore 6 ed eseguire l’algoritmo sopra descritto.

Il microcontrollore 21 è inoltre configurato per comandare il proprio modulo di comunicazione wireless 24 in modo da trasmettere un segnale di usura che indica il raggiungimento dell’usura massima consentita.

Con riferimento di nuovo alla figura 2, una unità di monitoraggio 43 separata dal dispositivo trasduttore 6 e dal motore autofrenante 1 riceve il segnale di usura. In particolare, l’unità di monitoraggio 43 comprende un modulo di comunicazione wireless 44, mezzi di segnalazione acustica e/o visiva 45 ed un microcontrollore 46 configurato per comandare il modulo comunicazione wireless 44 allo scopo di ricevere il segnale di usura e conseguentemente comandare i mezzi di segnalazione 45 affinché emettano un segnale acustico e/o visivo in grado di avvertire un operatore che è il momento di procedere con la sostituzione del disco di attrito 36.

Il dispositivo trasduttore 6 e l’unità di monitoraggio 43 formano in generale un sistema per segnalare l’usura del disco di attrito 36.

Vantaggiosamente, il modulo di comunicazione wireless 24 del dispositivo trasduttore 6 e il modulo di comunicazione wireless 44 dell’unità di monitoraggio 43 sono entrambi configurati con un protocollo di comunicazione per una rete mesh sincrona. Ad esempio, i moduli di comunicazione wireless 24 e 44 sono configurati con un protocollo WirelessHART® oppure con un protocollo SmartMesh®. Il protocollo per una rete mesh sincrona permette di eliminare le latenze di comunicazione non deterministiche e dunque permette di segnalare l’usura del disco di attrito 36 in tempo reale.

Secondo un’ulteriore forma di attuazione della presente invenzione, il microcontrollore 21 comanda periodicamente, secondo un periodo di tempo relativamente lungo, ad esempio pari a qualche ora, la trasmissione di un valore cumulativo di aree sottese all’unità di monitoraggio 43 ed il microcontrollore 46 dell’unità di monitoraggio 43 si occupa di calcolare il corrispondente valore cumulato di energia dissipata Etot e segnalare l’usura del disco di attrito in funzione del confronto tra il valore cumulativo ETot ed il valore massimo EMax.

Secondo un’ulteriore forma di attuazione della presente invenzione, il microcontrollore 21 comanda periodicamente la trasmissione del valore cumulativo di energia dissipata Etot all’unità di monitoraggio 43 ed il microcontrollore 46 dell’unità di monitoraggio 43 si occupa solamente di segnalare l’usura del disco di attrito in funzione del confronto tra il valore cumulativo ETot ed il valore massimo EMax.

Secondo un’ulteriore forma di attuazione non illustrata dell’invenzione, l’unità di monitoraggio 43 è alloggiata nella scatola di collegamenti elettrici 5.

Benché l’invenzione sopra descritta faccia particolare riferimento ad un esempio di attuazione ben preciso, essa non è da ritenersi limitata a tale esempio di attuazione, rientrando nel suo ambito tutte quelle varianti, modifiche o semplificazioni coperte dalle rivendicazioni allegate, quali ad esempio:

- un nucleo ferromagnetico 12 con una porzione intermedia avente una forma rettangolare secondo una vista in pianta perpendicolare all’asse della porzione intermedia stessa;

- un raddrizzatore di tensione 26 di tipo attivo;

- differenti mezzi a ritorno elastico al posto delle molle 38;

- il dispositivo trasduttore 6 è accoppiato all’albero 4 dal lato della carcassa 3a del freno 3, ed in particolare il corpo scatolare di supporto 7 è montabile sulla carcassa 3a del freno 3; e

- il microinterruttore 42 è solidale al corpo ferromagnetico 31 ed è disposto e configurato in modo tale da rilevare quando l’ancora 34 si stacca dal corpo ferromagnetico 31 per effetto delle molle 38 in seguito alla diseccitazione della bobina 32; ad esempio, il microinterruttore 42 è configurato per chiudersi quando l’ancora 34 si stacca dal corpo ferromagnetico 31.

Claims (16)

1. Metodo per segnalare l’usura di un disco di attrito di un freno, in particolare un freno elettromagnetico per un motore elettrico, il disco di attrito (36) essendo accoppiato ad un albero (4) rotante, in particolare l’albero motore di detto motore elettrico, il metodo comprendendo: - rilevare l’istante iniziale (t1) di ogni frenata eseguita dal freno (3) tramite mezzi rilevatori di attivazione del freno (42; 21, 22); - almeno durante ciascuna frenata, misurare la velocità di rotazione istantanea (V) di detto albero (4) tramite mezzi misuratori di velocità (8, 21); - per ciascuna frenata, determinare un rispettivo profilo temporale di velocità sulla base di uno o più valori misurati di velocità ottenuti durante la frenata; - per ciascuna frenata, calcolare l’area sottesa da detto profilo temporale di velocità; - stimare un valore cumulativo (ETot) di energia dissipata dal freno (3) in funzione di una somma delle aree sottese dai profili temporali di velocità relativi alle frenate occorse; e - segnalare l’usura del disco di attrito (36) in funzione di un confronto tra detto valore cumulativo (ETot) di energia dissipata ed un valore massimo (EMax) di energia dissipata correlato ad uno spessore minimo del disco di attrito (36).

2. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui detto freno (3) comprende una carcassa esterna (3a) ed un corpo di attrito (37) solidale a detta carcassa esterna (3a) e detto disco di attrito (36) è accoppiato all’albero (4) in modo assialmente mobile da e verso una posizione di frenata, in cui il disco di attrito (36) preme contro il corpo di attrito (37); detti mezzi rilevatori di attivazione del freno (42; 21, 22) comprendendo un microinterruttore (42) disposto in modo tale da rilevare se il disco di attrito (36) è nella posizione di frenata.

3. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui detto freno (3) comprende una carcassa esterna (3a) ed un corpo di attrito (37) solidale con detta carcassa esterna (3a) e detto di disco di attrito (36) è accoppiato all’albero (4) in modo assialmente mobile da e verso una posizione di frenata, in cui il disco di attrito (36) preme contro il corpo di attrito (37); detti mezzi rilevatori di attivazione del freno (42; 21, 22) comprendendo mezzi sensori di accelerazione multiassiale (22) per rilevare le accelerazioni subite da detta carcassa esterna (3a); rilevare l’istante iniziale (t1) di ogni frenata eseguita dal freno (3) comprendendo: - misurare accelerazioni tramite detti mezzi sensori di accelerazione multi-assiale (22); - elaborare le accelerazioni misurate in modo da rilevare vibrazioni generate dal disco di attrito (36) quando si porta nella posizione di frenata; e - determinare l’istante iniziale di frenata (t1) in funzione delle vibrazioni rilevate.

4. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 3, in cui determinare un rispettivo profilo temporale di velocità sulla base di uno o più valori misurati di velocità ottenuti durante la frenata comprende: - rilevare un istante finale di frenata (t2) in funzione di un confronto dei valori misurati di velocità con un valore nullo; e - definire detto profilo temporale di velocità come una funzione lineare passante per un primo punto (P1), il quale è individuato dall’istante iniziale di frenata (t1) e da un corrispondente primo valore misurato di velocità (V1), ed un secondo punto (P2), il quale è individuato dall’istante finale di frenata (t2) e dal valore nullo di velocità.

5. Metodo secondo la rivendicazione 4, in cui calcolare l’area sottesa a detto profilo temporale di velocità comprende: - calcolare una durata di frenata (TB) come differenza tra detto istante finale di frenata (t2) e detto istante iniziale di frenata (t1); e - calcolare l’area come metà del prodotto del primo valore misurato di velocità (V1) per la durata di frenata (TB).

6. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 5, in cui determinare un rispettivo profilo temporale di velocità tramite almeno uno o più valori misurati di velocità ottenuti durante la frenata comprende: - determinare un istante finale di frenata (t2) in funzione di un confronto dei valori misurati di velocità con un valore nullo; e - definire detto profilo temporale di velocità come quella sequenza dei valori misurati di velocità che sono stati ottenuti tra detto istante iniziale di frenata (t1) e detto istante finale di frenata (t2).

7. Metodo secondo la rivendicazione 6, in cui detti mezzi misuratori di velocità (8, 21) ottengono valori misurati di velocità in accordo con un periodo di campionamento (TS) prestabilito; detta area sottesa essendo calcolata come prodotto del periodo di campionamento (TS) per la somma dei valori misurati di velocità del profilo temporale di velocità.

8. Metodo secondo una qualsiasi rivendicazione da 1 a 7, in cui detto freno (3) comprende una carcassa esterna (3a) ed un corpo di attrito (37) solidale con detta carcassa esterna (3a) e detto di disco di attrito (36) è accoppiato all’albero (4) in modo assialmente mobile da e verso una posizione di frenata, in cui il disco di attrito (36) preme contro il corpo di attrito (37); il freno (3) comprendendo mezzi a ritorno elastico (38) per mantenere detto disco di attrito (36) nella posizione di frenata; il valore cumulativo (ETot) di energia dissipata dal disco di attrito (36) essendo stimato in funzione del precarico dei mezzi a ritorno elastico (38) e del coefficiente di attrito tra disco di attrito (36) e corpo di attrito (37).

9. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 8, in cui detti mezzi misuratori di velocità (8, 21) comprendono mezzi sensori di posizione angolare (8) accoppiati a detto albero (4) per rilevare la posizione angolare istantanea di detto albero (4); detta velocità di rotazione istantanea (V) essendo misurata in funzione della posizione angolare istantanea.

10. Sistema per segnalare l’usura di un disco di attrito di un freno, in particolare un freno elettromagnetico per un motore elettrico, il disco di attrito (36) essendo accoppiato ad un albero (4) rotante, in particolare l’albero motore di detto motore elettrico, il sistema comprendendo: mezzi rilevatori di attivazione del freno (42; 21, 22); mezzi sensori di posizione angolare (8) per rilevare la posizione angolare istantanea dell’albero (4) e mezzi di elaborazione e controllo (21; 21, 46) configurati per misurare la velocità di rotazione istantanea (V) dell’albero (4) in funzione della posizione angolare istantanea e implementare il metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 9.

11. Sistema secondo la rivendicazione 10 e comprendente un dispositivo trasduttore (6), il quale è accoppiato a detto albero (4) e comprende detti mezzi sensori di posizione angolare (8), detti mezzi di elaborazione e controllo (21) e mezzi di comunicazione wireless (24) per trasmettere un segnale indicante l’usura del disco di attrito (36).

12. Sistema secondo la rivendicazione 10 o 11, in cui detti mezzi rilevatori di attivazione del freno (42; 21, 22) (3) comprendono un microinterruttore (42) disposto solidale col corpo di attrito (37) in modo da rilevare se il disco di attrito (36) è nella posizione di frenata.

13. Sistema secondo la rivendicazione 10 o 11, in cui detto dispositivo trasduttore (6) comprende mezzi di supporto (7) montabili in modo tale da essere solidali con una carcassa esterna (3a) di detto freno (3); detti mezzi rilevatori di attivazione del freno (42; 21, 22) facendo parte di detto dispositivo trasduttore (6) e comprendendo mezzi sensori di accelerazione multi-assiale (22) montati sui mezzi di supporto (7); detti mezzi di elaborazione e controllo (21; 21, 46) essendo configurati per implementare il metodo secondo la rivendicazione 3.

14. Sistema secondo la rivendicazione 10, in cui detti mezzi dei elaborazione e controllo (21, 46) comprendono: primi mezzi di elaborazione e controllo (21) configurati per implementare i detti passi di rilevare l’istante iniziale (t1) di ogni frenata e, per ciascuna frenata, di misurare la velocità di rotazione istantanea (V) di detto albero (4), determinare un rispettivo profilo temporale di velocità e calcolare l’area sottesa da detto profilo temporale di velocità; e secondi mezzi di elaborazione e controllo (46) configurati per implementare i detti passi di stimare un valore cumulativo (ETot) di energia dissipata dal freno (3) e segnalare l’usura del disco di attrito (36) in funzione di un confronto tra detto valore cumulativo (ETot) di energia dissipata ed un valore massimo (EMax) di energia dissipata; il sistema comprendendo un dispositivo trasduttore (6), il quale è accoppiato a detto albero (4) e comprende detti mezzi sensori di posizione angolare (8), detti primi mezzi di elaborazione e controllo (21) e rispettivi mezzi di comunicazione wireless (24), ed una unità di monitoraggio (43), la quale è separata dal dispositivo trasduttore (6) e comprende detti secondi mezzi di elaborazione e controllo (46) e rispettivi mezzi di comunicazione wireless (44) per comunicare col dispositivo trasduttore (6) allo scopo di ricevere da quest’ultimo valori misurati di velocità.

15. Sistema secondo una qualsiasi rivendicazione da 10 a 14, in cui detto dispositivo trasduttore (6) comprende mezzi di supporto (7) montabili in modo tale da essere solidali con una carcassa esterna (3a) di detto freno (3); detti mezzi sensori di posizione angolare (8) comprendendo una anello magnetico (9), il quale è accoppiabile solidalmente e coassialmente a detto albero (4) e comprende una successione di coppie di magneti permanenti (11) disposti con polarità alternate, ed almeno una bobina di pick-up (10), la quale è montata su detti mezzi di supporto (7) in modo da concatenarsi al flusso del campo magnetico generato dall’anello magnetico (9).

16. Freno, in particolare un freno elettromagnetico per un motore elettrico, comprendente un disco di attrito (36) accoppiato ad un albero (4) rotante, in particolare l’albero motore del motore elettrico, ed un sistema per segnalare l’usura di un disco di attrito di un freno secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 10 a 15.