IT201800009850A1 - Motore elettrico brushless ad impulsi elettromagnetici con elica integrata - Google Patents

Description

Descrizione dell’invenzione industriale dal titolo: MOTORE ELETTRICO BRUSHLESS AD IMPULSI ELETTROMAGNETICI CON ELICA INTEGRATA;

La presente invenzione riguarda sostanzialmente il settore della propulsione e più specificamente un motore elettrico di tipo “Impulse-brushless” per far ruotare un’elica multipala.

Come si vedrà meglio nel seguito, il trovato è utilizzabile in vari settori e per varie applicazioni, ma nella presente descrizione si farà riferimento particolare, non limitativo, alla sua applicazione nel settore aeronautico. Nello specifico, verrà descritto un innovativo sistema di propulsione aeronautica completamente elettrico.

Il BPRF (Brushless Pulse Rotor Fan) è un motore brushless con rotore interno propulsivo, riconducibile ad un FAN.

Secondo una caratteristica peculiare della presente invenzione, si prevede di integrare l'elica direttamente nel motore elettrico. Ciò è stato ottenuto, secondo il trovato, sfruttando il principio di funzionamento di un motore elettrico, in particolare di un Pulse Motor, riconfigurando la geometria dei componenti del motore ed unendo quest’ultimo ad un elemento propulsivo costituito da un'elica.

Questo concetto è alla base del BPRF. Infatti, esso presenta una struttura che rimanda a quella di un motore ad impulsi, composto da uno statore esterno, che genera degli impulsi elettromagnetici, e da un rotore interno, che è un'elica composta, ad esempio, da 6 pale.

Applicando impulsi alle bobine elettromagnetiche, si è in grado di generare dei campi magnetici che interagendo (come vedremo più avanti) con quello permanente del rotore - è in grado di mettere in rotazione quest'ultimo. Vantaggiosamente il rotore, essendo un'elica, produce una spinta propulsiva T proporzionale alla velocità di rotazione.

Vantaggiosamente, questa soluzione tecnica costituisce anche un ottimo sistema di auto raffreddamento del motore.

Una migliore comprensione dell’invenzione, che nel seguito verrà anche chiamata “BPRF”, si avrà con la seguente descrizione dettagliata e con riferimento alle figure allegate, relative ad una preferita forma realizzativa mostrata a puro titolo esemplificativo e non limitativo.

La Figura 1 è una sezione trasversale frontale di una struttura di un motore Pulse brushless con rotore interno propulsivo secondo una preferita forma di realizzazione della presente invenzione;

La Figura 2 è una sezione longitudinale che illustra la struttura del motore brushless con rotore interno propulsivo di fig. 1;

La Figura 3, simile alla fig. 1, mostra una fase attiva del motore dove - per repulsione di una coppia di elettromagneti A1 e per attrazione di una coppia di elettromagneti B1 - si ha una fase di rotazione delle pale e quindi del rotore;

la figura 4 mostra schematicamente una variante semplificata dell’invenzione.

L'innovativo sistema è, come accennato, costituito da un rotore (E1) e da uno statore (T1).

Nella preferita forma realizzativa dell’invenzione che si descrive, il rotore è composto da 6 pale.

Il valore dell’angolo di attacco di questo esempio realizzativo è preferibilmente di 35 gradi ma può anche essere diverso: la fase iniziale del progetto vede un angolo di calettamento delle pale in grado di rendere massima l’efficienza in crociera (ipotesi base di un’elica a passo fisso). Si può anche pensare ad un’elica a passo variabile, ma in tal caso è necessario valutare e verificare la concatenazione dei flussi al variare del passo dell’elica.

All’estremità, chiamata “tip”, di ogni pala è alloggiato un magnete permanente (12c), dipenderà poi dalle specifiche dell’utente finale se optare per delle winglet integrate alle tip. Come in un normale motore ad impulsi, i magneti permanenti sono disposti radialmente sulle pale con la stessa polarità. Ogni magnete genera un momento meccanico con fulcro il centro del rotore.

E’ opportuno osservare che il momento meccanico generato dal motore, disponibile sull’albero centrale, oltre a far ruotare le pale dell’elica che costituisce il rotore fin qui descritto, è anche utilizzabile per fornire coppia meccanica ad un ulteriore carico utilizzatore, che può essere una seconda elica calettata sullo stesso albero oppure un altro tipo di utilizzatore che sfrutta la coppia meccanica disponibile per mezzo di una opportuna catena cinematica o di un riduttore (Gear Box).

I magneti utilizzati sono preferibilmente al neodimio. Tale preferenza è dettata dalla necessità di avere una forza attrattiva elevata (campo magnetico in modulo alto) a basso peso e costo. Sempre in Figura 1 viene riportata la struttura interna del rotore, costituito dalle 6 pale 42e calettate al mozzo K, alloggiato nello statore T1. L'albero di rotazione è a sua volta sostenuto da un’estensione della struttura dello statore T1.

Nell’esempio illustrato a puro titolo di esempio non limitativo, lo statore (T1) - che rappresenta la parte fissa della macchina - sono presenti tre coppie di elettromagneti (A1, B1) uniformemente distribuite lungo la sua circonferenza. Ciascun elettromagnete comprende una propria bobina (D1). Detto statore (T1) è costituito da una piastra anulare in materiale composito, all'interno della quale sono presenti gli alloggiamenti (55f, 56f, 57f, 58f, 59f, 60f) delle bobine (D1).

Ogni bobina (D1) è costituita da un avvolgimento (windings) W* ed un nucleo (core) h*.

Il rotore (E1) è fissato all'albero motore (R), che a sua volta sostenuto da dei bracci di sostegno (B9) tramite dei giunti (J1) visibili in Fig. 2.

Tali bracci di sostegno (B9) del rotore sono parte integrante dello statore (T1) visibile in Fig. 1 e Fig. 2.

Il BPRF traccia la posizione della pala tramite un sensore (Hall) - collocato lungo statore o internamente al rotore - che, monitorando la posizione della pala, controlla gli impulsi elettromagnetici. La presente invenzione prevede anche un controller tramite il quale è possibile variare il tempo di alimentazione - e quindi di impulso – delle bobine (D1). In altre parole, agendo sulla distanza temporale tra le alimentazioni e sulla durata temporale di tali alimentazioni, e quindi sull’anticipo e sul ritardo di tali impulsi, si agisce direttamente sulla velocità dell’elica.

E’ importante notare il fatto che la figura 3 riporta solo un esempio non limitativo di alimentazione delle bobine (D1). Infatti si può scegliere tra diverse sequenze di alimentazione, in funzione dell’elettronica che si vuole adottare e conseguentemente della capacità di calcolo del microcontrollore e delle prestazioni del dispositivo driver.

Nell’esempio che si descrive, l'intero sistema è alimentato da una batteria a 12 V.

Tra i vantaggi ottenuti con la presente invenzione si possono individuare i seguenti:

Un primo vantaggio è dato dal fatto che, rispetto ad un motore tradizionale (brushless elica), a parità di efficienza, coppia, e rapporto peso/potenza, nella presente invenzione si ha un aumento dell'area totale del disco attuatore (diametro dell'elica).

L'aggiunta di ogni pala, vede l'aggiunta di un ulteriore possibile polo e quindi un ulteriore momento torcente che si va ad applicare sul rotore stesso.

Un secondo vantaggio è dato dal fatto che il suddetto aumento del raggio del rotore, implica un aumento del braccio della coppia generata dai campi magnetici. Ciò porta ad un aumento della trazione dell'elica e della coppia disponibile sull’albero (R). In altre parole, se da un lato l'aumento del raggio comporta un incremento della coppia assorbita dall'elica, dall’altro genera anche un aumento del momento torcente generato dal campo magnetico. Il risultato è quello di avere un sistema propulsivo più efficiente rispetto i tradizionali.

Un ulteriore vantaggio dato dal BPRF, è la riduzione della resistenza di forma dovuta all'assenza del blocco motore dietro al fan. Ciò fornisce una maggiore efficienza aerodinamica dato che il flusso a valle del BPRF non incontra ostacoli e quindi può anche essere accelerato tramite un tubo di Venturi.

Inoltre, non è necessario avere un magnete per ogni pala: ad esempio, si potrebbe prevedere un motore secondo il trovato con 6 pale dove ogni pala ha un magnete, oppure con 12 pale ma in cui solo 6 pale hanno un magnete alla propria estremità.

La relazione che intercorre tra il numero di magneti e il numero di elettromagneti è la seguente:

- almeno 2 elettromagneti (A, B)

- almeno 3 magneti permanenti (12c) angolarmente equidistanti tra loro.

Più specificamente, facendo riferimento alla figura 4A, il numero minimo di pale è preferibilmente tre, disposte a 120°. In questo caso i due elettromagneti A e B sono posti ad una distanza angolare pari all’angolo che intercorre tra due magneti adiacenti (posti sulle pale) ridotto di un valore compreso tra 15° e 25°, preferibilmente pari a 20°. Pertanto, nel caso in cui ci siano 3 magneti permanenti disposti a 120°, l’angolo tra i due elettromagneti A e B è preferibilmente 120°-20°=100°.

Nel caso in cui siano previsti 6 magneti disposti a 60° l’uno dall’altro (fig. 4B), l’angolo tra gli elettromagneti A e B è 60°-20°=40°.

Nel caso in cui siano previsti 8 magneti, disposti a 45° l’uno dall’altro, l’angolo tra gli elettromagneti A e B è 45°-20°=25°.

Analizzando il funzionamento in questo caso “limite”, prendiamo dapprima in considerazione come avviene lo spunto iniziale e in seguito come prosegue la rotazione.

Lo spunto iniziale

CASO 1 – una pala, e quindi il suo magnete permanente di estremità, è in posizione perpendicolare all’elettromagnete A: in questo caso l'elettromagnete B, con un primo impulso, attrae la pala più vicina in senso orario;

CASO 2 - una pala, e quindi il suo magnete permanente di estremità, è in posizione perpendicolare all’elettromagnete B: in questo caso l’elettromagnete A, con un primo impulso, allontana la pala più vicina in senso orario.

Ovunque la pala si trovi, conoscendo la posizione della pala, si può quindi avviare il motore in maniera autonoma, semplicemente attivando i due magneti in modo opportuno.

E’ preferibile prevedere un’elettronica di controllo comprendente - ad esempio – un H-BRIDGE, configurato per permettere di controllare la polarità dell’elettromagnete nella fase di spunto.

Secondo una caratteristica peculiare dell’invenzione, per evitare la possibilità che tutti i magneti 12c siano contemporaneamente fuori dal campo di azione degli elettromagneti A e B, si prevede che il motore fin qui descritto sia realizzato con proporzioni tali che – in funzione della potenza dei magneti e degli elettromagneti utilizzati - ci sia sempre almeno un magnete 12c all’interno del campo di azione di almeno un elettromagnete A o B.

La rotazione

Dopo lo spunto iniziale dato dall'elettromagnete B o A, che forza il rotore a girare nel verso di rotazione desiderato, il motore è pronto per iniziare il suo normale ciclo di rotazione, attivando gli elettromagneti ad impulsi.

Infine, è interessante notare che il controllo può essere realizzato anche facendo a meno dei sensori di posizione. E’ quello che viene definito come controllo di tipo sensorless, che ricava l’informazione della posizione del rotore sfruttando la generazione della f.c.e.m. (forza contro elettromotrice) a livello dell’elettromagnete ogni volta che quest’ultimo interagisce con le linee di campo magnetico del magnete permanente.

Claims (9)

1. RIVENDICAZIONI: 1. Motore elettrico brushless ad impulsi elettromagnetici con elica integrata, caratterizzato dal fatto che comprende, in combinazione: - un rotore interno (E1), costituito sostanzialmente da un'elica che comprende tre o più pale, delle quali almeno tre sono dotate di rispettivi magneti permanenti (12C) disposti all’estremità della pala; - uno statore (T1) esterno, dotato di almeno due bobine (D1) fisse che generano un campo magnetico ad impulsi; in cui: - detti almeno tre magneti permanenti (12C) sono disposti ad una distanza angolare pari o inferiore a 120°; - dette almeno due bobine (D1) sono disposte ad una distanza angolare reciproca il cui valore è calcolabile sottraendo dalla distanza angolare tra i magneti permanenti (12C) un valore compreso tra 15° e 25°; - i magneti permanenti (12c) sulle pale sono tutti dello stesso segno e sono equidistanti tra loro; ed in cui sono previsti mezzi per alimentare le bobine (D1) con tensioni ad impulsi con differenti fasi, in grado di generare un campo magnetico pulsante che - interagendo con quello permanente dei magneti (12c) del rotore - è atto a mettere in rotazione quest'ultimo che, essendo un'elica, produce una spinta propulsiva (T) proporzionale alla velocità di rotazione.
2. 2. Motore secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che dette bobine (D1) sono disposte a coppie sullo statore (T1), in cui gli impulsi di alimentazione delle coppie di bobine (D1) sono tali che ogni coppia ha un elettromagnete (A1) che spinge il magnete (12c) mentre l’altro elettromagnete (B1) lo attrae.
3. 3. Motore secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il rotore (E1) è composto da pale (42e) calettate ad un mozzo con un angolo di attacco di 35° o di altro valore in grado di rendere massima l’efficienza dell’elica in crociera.
4. 4. Motore secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto rotore (E1) ruota ed è fissato su un albero di rotazione (R) sostenuto da una struttura dello statore (T1).
5. 5. Motore secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto statore (T1) - che è la parte fissa della macchina -è costituito da una piastra anulare in materiale composito, all'interno della quale sono presenti degli alloggiamenti (55f, 56f, 57f, 58f, 59f, 60f) per le bobine (D1).
6. 6. Motore secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che prevede una parte elettronica ed un sistema di controllo configurati per alimentare gli elettromagneti (A1, B1) con una frequenza ad impulsi ed una sfasatura che sono determinate mediante un controllo in retroazione del sistema in cui l'uscita del sistema - cioè la posizione delle pale - è monitorata e misurata mediante uno o più sensori ad effetto Hall collocati lungo lo statore (T1), oppure mediante encoder magnetici, potenziometrici, capacitivi, ottici, ecc.
7. 7. Motore secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che, essendo privo del blocco motore dietro all’elica del rotore (E1), è dotato di una ridotta resistenza di forma, ottenendosi così di avere un’elevata efficienza aerodinamica dato che il flusso a valle dell’elica non incontra ostacoli.
8. 8. Motore secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato del fatto che detto rotore (E1) ruota ed è fissato su un albero di rotazione (R) sul quale è applicabile una seconda elica, o un riduttore, ecc.
9. 9. Motore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato del fatto che dette bobine (D1) sono disposte ad una distanza angolare reciproca il cui valore è pari alla distanza angolare tra i magneti permanenti (12C) ridotta di 20°.