IT202000006307A1

IT202000006307A1 - Electromagnetic linear drive

Info

Publication number: IT202000006307A1
Application number: IT102020000006307A
Authority: IT
Inventors: Michele Manfredi; Leonardo Maggi; Annachiara Tonelli; Kai Becker; Massimiliano Benassi; Julius Pretterebner
Original assignee: Gea Mech Equipment Italia S P A
Priority date: 2020-03-25
Filing date: 2020-03-25
Publication date: 2021-09-25

Description

DESCRIZIONE

Annessa a domanda di brevetto per INVENZIONE INDUSTRIALE avente per titolo

?AZIONAMENTO LINEARE ELETTROMAGNETICO?

La presente invenzione si riferisce a un azionamento lineare elettromagnetico per produrre moto lineare, in particolare per l?uso in una pompa ad alta pressione.

Un?applicazione dell?invenzione si trova in un apparato di omogeneizzazione.

Diverse architetture di attuatori lineari sono gi? note sul mercato, per trasformare il moto rotazionale in moto lineare attraverso l?applicazione di una forza lineare. La specifica della progettazione e la scelta di materiali possono variare a seconda del campo tecnico e delle esigenze di progetto.

Le soluzioni basate sulla forza di Maxwell richiedono una grande area per il flusso magnetico, quindi disposizioni di magneti pesanti, che aumentano la massa inerziale e determinano una risposta lenta.

Dal documento WO 93/01646 ? gi? noto un pistone e cilindro elettromagnetico per produrre moto lineare. Il cilindro di questo dispositivo ? dotato di una pluralit? di pezzi magnetici lungo la sua lunghezza per produrre campi magnetici radiali di polarit? alternata. Il pistone ? anche dotato di almeno un organo magnetico che produce un ulteriore campo radiale e vi sono mezzi di controllo per far alternare il campo radiale del pistone o i campi radiali di cilindro in modo da indurre un movimento relativo tra il pistone e il cilindro. Il pistone e il dispositivo sono preferibilmente sigillati ma sono collegati ad un serbatoio di fluido per mezzo del quale il dispositivo funziona come una molla e un attuatore combinati.

Questa soluzione raggiunge un?induttanza elevata ma presenta ancora problemi di bassa efficienza e perdite di attrito, vale a dire nei campi di dispersione delle bobine, il che determina una ridotta durata della vita dei componenti. Ci? non ? compatibile per operazioni continue, vale a dire in una pompa ad alta pressione con miliardi di cicli nella durata di vita.

In questo contesto, il compito tecnico alla base della presente invenzione ? quello di proporre un azionamento lineare elettromagnetico, che superi gli inconvenienti sopra menzionati della tecnica nota.

In particolare, lo scopo della presente invenzione ? quello di proporre un azionamento lineare elettromagnetico avente potenza elevata, accelerazione elevata e perdita bassa.

Un altro scopo della presente invenzione ? quello di proporre un azionamento lineare elettromagnetico avente una lunga durata di vita. Il compito tecnico dichiarato e gli scopi specificati sono sostanzialmente ottenuti mediante un azionamento lineare elettromagnetico comprendente: ? uno statore comprendente un cilindro cavo che alloggia tre gruppi di almeno una spira anulare ciascuno che sono elettricamente connessi in una configurazione trifase e distribuiti lungo la lunghezza del cilindro cavo;

? un pistone scorrevolmente inserito all?interno del cilindro cavo, il pistone comprendendo una pluralit? di spire anulari che sono in cortocircuito e distribuite lungo la lunghezza di detto pistone;

? un sistema di alimentazione elettrica trifase configurato per alimentare corrente alternata ai tre gruppi di almeno una spira anulare dello statore, con una differenza di fase di un terzo di un ciclo tra ciascuno di detti tre gruppi.

Secondo un aspetto dell?invenzione, il passo tra due spire anulari adiacenti dello statore ? differente dal passo tra due spire anulari adiacenti del pistone.

Preferibilmente, il passo tra due spire anulari adiacenti dello statore ? superiore al passo tra due spire anulari adiacenti del pistone.

Nello statore, ciascun gruppo comprende preferibilmente una pluralit? di spire anulari.

Secondo una forma di realizzazione dell?invenzione, lo statore alloggia da dodici a trentatr? spire anulari, divise in tre gruppi.

Secondo un aspetto dell?invenzione, ciascuna spira anulare nello statore ? realizzata in rame.

Secondo un aspetto dell?invenzione, ciascuna spira anulare nello statore ? costituita da un cavo litz comprendente:

? fili di rame o argento;

? fili di ferro;

? un rivestimento isolante esterno per alloggiare i fili.

Secondo un aspetto dell?invenzione, ciascuna spira anulare nel pistone ? realizzata in rame.

Secondo un aspetto dell?invenzione, ciascuna spira anulare nel pistone consiste in un cavo litz comprendente:

? fili di rame o argento;

? fili di ferro;

? un rivestimento isolante esterno per alloggiare i fili.

Secondo un aspetto dell?invenzione, ciascuna spira anulare nello statore o nel pistone ha una sezione trasversale rettangolare o quadrata.

Secondo una forma di realizzazione dell?invenzione, l?azionamento lineare elettromagnetico comprende inoltre una molla a gas alloggiata nel pistone. Il compito tecnico dichiarato e gli scopi specificati sono sostanzialmente ottenuti mediante un apparato di omogeneizzazione comprendente:

? una pompa ad alta pressione;

? l?azionamento lineare elettromagnetico secondo la presente invenzione, che ? collegato operativamente alla pompa ad alta pressione al fine di movimentarla;

? un motore asincrono collegato al sistema di alimentazione elettrica trifase.

Il compito tecnico dichiarato e scopi specificati sono sostanzialmente ottenuti mediante un metodo per azionare una pompa ad alta pressione utilizzando l'azionamento lineare elettromagnetico proposto con la presente, il metodo comprendendo le fasi di:

? alimentare corrente alternata ai tre gruppi di almeno una spira dello statore, con una differenza di fase di un terzo di un ciclo tra ciascun gruppo;

? cortocircuitare le spire del pistone.

Caratteristiche e vantaggi aggiuntivi della presente invenzione appariranno maggiormente chiari dalla descrizione approssimativa, e pertanto non limitativa, di una forma di realizzazione preferita ma non esclusiva di un azionamento lineare elettromagnetico, come illustrata nelle unite figure, in cui:

? la figura 1 illustra una sezione longitudinale di un azionamento lineare elettromagnetico, secondo la presente invenzione;

? la figura 2 illustra schematicamente un sistema di alimentazione elettrica trifase per l'azionamento lineare elettromagnetico di figura 1; ? la figura 3 illustra una vista in spaccato prospettica di parte delle spire anulari dello statore accoppiate alle spire anulari del pistone dell?azionamento lineare elettromagnetico di figura 1.

In riferimento alle figure, il numero 1 identifica un azionamento lineare elettromagnetico comprendente uno statore 2 e un pistone 4.

Lo statore 2 comprende un cilindro cavo 3 all?interno del quale il pistone 4 ? inserito in modo scorrevole.

Lo statore 2 alloggia tre gruppi di almeno una spira anulare 12 ciascuno. Preferibilmente, ciascun gruppo comprende una pluralit? di spire anulari 12.

Ad esempio, per ciascun gruppo vi sono da quattro a undici spire anulari 12, il che significa che il numero complessivo di spire anulari 12 nello statore 2 ? compreso in un intervallo da dodici a trentatr?.

Un numero maggiore di spire anulari 12 nello statore 2 consente di ottenere una forza superiore a bassa velocit?.

I tre gruppi di spire anulari 12 dello statore 2 sono elettricamente connessi nella configurazione trifase e distribuiti lungo la lunghezza del cilindro cavo 3.

Un sistema di alimentazione elettrica trifase 5 ? configurato per alimentare corrente alternata ai tre gruppi di spire anulari 12 dello statore 2, con una differenza di fase di un terzo di un ciclo tra ciascuno di detti tre gruppi. Vantaggiosamente, ciascuna spira anulare 12 dello statore 2 pu? essere attivata / disattivata individualmente consentendo una regolazione pi? flessibile, che ? idonea per applicazioni modulari. Infatti, disattivare le spire che non sono necessarie consente un risparmio di energia. Inoltre, l?induttanza dell?azionamento lineare elettromagnetico 1 viene ridotta, determinando una frequenza pi? elevata del movimento.

Il pistone 4 alloggia anche una pluralit? di spire anulari 14 che sono in cortocircuito e distribuite lungo la lunghezza del pistone 4.

Preferibilmente, il passo tra due spire anulari 12 adiacenti dello statore 2 ? differente dal passo tra due spire anulari 14 adiacenti del pistone 4.

Il passo differente determina un profilo di forza liscio che ? generato quando il pistone 4 scorre rispetto allo statore 2.

Secondo un aspetto dell?invenzione, il passo tra due spire anulari 12 adiacenti dello statore 2 ? superiore al passo tra due spire anulari 14 adiacenti del pistone 4.

Il gap di aria tra due spire nulari 12, 14 adiacenti viene anche denominato come ?polo?.

Quindi, il passo tra due spire anulari 12, 14 adiacenti ? la larghezza del polo.

Il materiale delle spire anulari 12, 14 sia nello statore 2 sia nel pistone 4 pu? essere come segue.

Secondo una forma di realizzazione, la spira anulare 12, 14 ? realizzata in rame.

Secondo un?altra forma di realizzazione, la spira anulare 12, 14 consiste in un cavo litz comprendente:

? fili di rame o argento;

? fili di ferro;

? un rivestimento isolante esterno per alloggiare i fili.

Com?? noto, un cavo litz ? un cavo a pi? trefoli frequentemente utilizzato in elettronica per applicazioni ad alta frequenza. Il cavo litz comprende una pluralit? di trefoli di filo sottili, isolati individualmente e ritorti o tessuti insieme. I fili del ferro sono mescolati con i fili di rame o argento. Ciascun filo del cavo litz ? anche singolarmente isolato.

Secondo un?altra forma di realizzazione, le spire anulari 12 dello statore 2 sono realizzate in rame mentre le spire anulari 14 del pistone 4 consistono in cavi litz.

Secondo un?altra forma di realizzazione, le spire anulari 12 dello statore 2 consistono in cavi litz, mentre le bobine anulari 14 del pistone 4 sono realizzate in rame.

Secondo un aspetto dell?invenzione, ciascuna spira anulare 12, 14 nello statore 2 o nel pistone 4 ha una sezione trasversale rettangolare o quadrata.

Questo risulta in un design compatto in cui gli spazi vuoti sono ridotti rispetto all?uso di fili con sezione trasversale circolare.

Vantaggiosamente, una molla a gas 6 ? alloggiata nel pistone 4.

Com?? noto, una molla a gas comprende un cilindro, preferibilmente realizzato in acciaio, contenente un gas pressurizzato (es. azoto) e uno stantuffo che ? montato in modo scorrevole all?interno del cilindro per mezzo di un anello di tenuta.

La molla a gas funge da accumulatore di energia, consentendo di ottenere correnti elettriche basse regolando il punto di funzionamento del carico. Un apparato di omogeneizzazione secondo la presente invenzione comprende:

? una pompa ad alta pressione (di un tipo noto);

? l?azionamento lineare elettromagnetico 1, che ? connesso operativamente alla pompa ad alta pressione al fine di movimentarla; ? un motore asincrono connesso al sistema di alimentazione elettrica trifase 5 dell?azionamento lineare elettromagnetico 1.

La conversione della potenza elettrica in potenza meccanica dell?azionamento lineare elettromagnetico 1 ? eseguita con il principio di motore asincrono utilizzando spire trifase per lo statore 2 al fine di evitare collegamenti di cavi mobili con correnti elettriche alte. La frequenza di impulso della trasmissione nelle spire 12 trifase accoppiate ? elevata in modo tale da ottenere un dispositivo compatto.

Le caratteristiche dell?azionamento lineare elettromagnetico secondo la presente invenzione emergono chiaramente dalla descrizione di cui sopra, cos? come i vantaggi.

In particolare, la conversione diretta dell?energia elettrica in un movimento lineare per mezzo di un accoppiamento magnetico forte consente di ottenere una velocit? di risposta superiore, induttivit? elettrica inferiore e maggiore durata di vita.

Qui di seguito sono riassunti i vantaggi dell?invenzione attuale applicata a una pompa ad alta pressione.

L?efficienza di pompaggio ? aumentata. Infatti, la conversione altamente efficiente di energia elettrica in energia meccanica del pistone con l?aiuto di forze magnetiche contribuisce a risparmiare energia e ridurre il raffreddamento.

La flessibilit? di pompaggio ? aumentata. Infatti, la forza, la posizione e la velocit? dello stantuffo possono essere controllate dalla corrente elettrica attraverso il sistema magnetico. Questa libert? di funzionamento genera la possibilit? di regolare il flusso secondo il tipo di fluido che viene utilizzato, sia che questo cambi giorno per giorno oppure ora per ora.

Il rumore e la vibrazione sono ridotti. Infatti, l'eliminazione di parti rotanti riduce notevolmente l'ambito di trasmissione delle vibrazioni dai supporti del motore e nella struttura circostante.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Azionamento lineare elettromagnetico (1) comprendente: ? uno statore (2) comprendente un cilindro cavo (3) che alloggia tre gruppi di almeno una spira anulare (12) ciascuno che sono elettricamente conessi in una configurazione trifase e distribuiti lungo la lunghezza di detto cilindro cavo (3); ? un pistone (4) scorrevolmente inserito all?interno del cilindro cavo (3), detto pistone (4) comprendendo una pluralit? di spire anulari (14) che sono in cortocircuito e distribuite lungo la lunghezza di detto pistone (4); ? un sistema di alimentazione elettrica trifase (5) configurato per alimentare corrente alternata ai tre gruppi di almeno una spira anulare (12) dello statore (2), con una differenza di fase di un terzo di un ciclo tra ciascuno di detti tre gruppi.
2. Azionamento lineare elettromagnetico (1) secondo la rivendicazione 1, in cui il passo tra due spire anulari (12) adiacenti dello statore (2) ? differente dal passo tra due spire anulari (14) adiacenti del pistone (4).
3. Azionamento lineare elettromagnetico (1) secondo la rivendicazione 2, in cui il passo tra due spire anulari (12) adiacenti dello statore (2) ? superiore al passo tra due spire anulari (14) adiacenti del pistone (4).
4. Azionamento lineare elettromagnetico (1) secondo qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui nello statore (2) ciascun gruppo comprende una pluralit? di spire anulari (12).
5. Azionamento lineare elettromagnetico (1) secondo la rivendicazione 4, in cui lo statore (2) alloggia da dodici a trentatr? spire anulari (12), divise in detti tre gruppi.
6. Azionamento lineare elettromagnetico (1) secondo qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui ciascuna spira anulare (12) nello statore (2) ? realizzata in rame.
7. Azionamento lineare elettromagnetico (1) secondo qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 5, in cui ciascuna spira anulare (12) nello statore (2) consiste in un cavo litz comprendente: ? fili di rame o argento; ? fili di ferro; ? un rivestimento isolante esterno per alloggiare i fili.
8. Azionamento lineare elettromagnetico (1) secondo qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui ciascuna spira anulare (14) nel pistone (4) ? realizzata in rame.
9. Azionamento lineare elettromagnetico (1) secondo qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 7, in cui ciascuna spira anulare (14) nel pistone (4) consiste in un cavo litz comprendente: ? fili di rame o argento; ? fili di ferro; ? un rivestimento isolante esterno per alloggiare i fili.
10. Azionamento lineare elettromagnetico (1) secondo qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui ciascuna spira anulare (12, 14) nello statore (2) o nel pistone (4) ha una sezione rettangolare o quadrata.
11. Azionamento lineare elettromagnetico (1) secondo qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, comprendente inoltre una molla a gas (6) alloggiata in detto pistone (4).
12. Apparato di omogeneizzazione comprendente: ? una pompa ad alta pressione; ? l?azionamento lineare elettromagnetico (1) secondo qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, detto azionamento lineare elettromagnetico (1) essendo connesso operativamente alla pompa ad alta pressione al fine di movimentarla; ? un motore asincrono connesso a detto sistema di alimentazione elettrica trifase (5).
13. Metodo per azionare una pompa ad alta pressione utilizzando l'azionamento lineare elettromagnetico (1) secondo qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 11 comprendente le fasi di: ? alimentare corrente alternata ai tre gruppi di almeno una spira (12) dello statore (2), con una differenza di fase di un terzo di un ciclo tra ciascun gruppo; ? cortocircuitare le spire (14) del pistone (4).