IT202000014242A1

IT202000014242A1 - Sistema di propulsione elettrica in particolare per veicoli da lavoro industriali e veicoli agricoli

Info

Publication number: IT202000014242A1
Application number: IT102020000014242A
Authority: IT
Inventors: Valter CODROICO; Francesco Mocera
Original assignee: Ecothea S R L; Facos S R L
Priority date: 2020-06-15
Filing date: 2020-06-15
Publication date: 2021-12-15

Description

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DESCRIZIONE

del brevetto per Invenzione Industriale dal titolo:

?Sistema di propulsione elettrica in particolare per veicoli da lavoro industriali e veicoli agricoli?

* * *

Campo di applicazione dell?invenzione

La presente invenzione ? relativa ad un sistema di propulsione elettrica.

Stato della tecnica

I motori elettrici sono sempre pi? spesso adoperati in veicoli stradali e fuoristrada, quali quelli ad esempio dedicati in ambito industriale e agricolo.

I veicoli da lavoro industriali e i veicoli agricoli sono generalmente dotati di motori a combustione interna e di un cambio dotato di due intervalli di velocit? contigui. Il primo intervallo ? generalmente adoperato quando il veicolo ? in condizioni operative per spostare beni o per effettuare lavorazioni, mentre il secondo intervallo di velocit? ? adoperato per trasferire da un luogo di lavorazione ad un altro.

Se non specificatamente escluso nella descrizione di dettaglio che segue, quanto descritto nel presente capitolo ? da considerarsi come parte integrante della descrizione di dettaglio.

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Sommario dell?invenzione

Scopo della presente invenzione ? quello di proporre un sistema di propulsione elettrica particolarmente idoneo per veicoli industriali da lavoro e veicoli agricoli.

L?idea di base della presente invenzione ? quella di sostituire non solo il motore a propulsione interna ma anche il cambio con un motore elettrico del tipo Brusheless AC dotato di due avvolgimenti statorici indipendenti e di una scatola di commutazione associata allo statore del motore elettrico in cui sono alloggiati commutatori in grado di collegare elettricamente detti avvolgimenti statorici in serie ed in parallelo tra loro in relazione alla velocit? del rotore che si desidera ottenere.

Il diverso collegamento dei due avvolgimenti statorici permette di variare le propriet? elettriche dell?avvolgimento ottenuto, rendendo possibile il raggiungimento di performance diverse a seconda delle condizioni operative del veicolo. In particolare, secondo una prima condizione operativa, i rispettivi avvolgimenti sono collegati in serie tra loro. Ci? intensifica il campo magnetico statorico permettendo, a parit? di corrente erogata, la generazione di un?elevata coppia. Se da un lato, tale configurazione permette la generazione di una coppia elevata, dall?altro limita la massima velocit? raggiungibile a pari tensione di alimentazione.

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Secondo una seconda condizione operativa le fasi di ciascun avvolgimento statorico sono collegate reciprocamente in parallelo, riducendo l?intensit? del campo magnetico statorico. Questa operazione ha due conseguenze.

- a parit? di corrente di fase fornita al motore elettrico, la coppia erogata risulta pi? bassa,

- a parit? di velocit? di rotazione la forza contro elettromotrice risulta pi? bassa.

Pertanto, secondo la presente invenzione consente di sostituire non solo il motore termico ma anche il cambio di un veicolo industriale da lavoro o di un veicolo agricolo, realizzando un cambio a due marce del tutto equivalente ad un cambio meccanico.

Secondo una variante preferita dell?invenzione, la scatola di commutazione associata allo statore del motore elettrico ? associata fisicamente ad una base dello statore, vale a dire in posizione opposta rispetto alla porzione esternamente accessibile del rotore.

In tale scatola di commutazione ? alloggiata una scheda elettronica con morsetti per collegare i capi delle singole fasi di un avvolgimento, i capi liberi ed il centro stella dell?altro avvolgimento ed i commutatori necessari per realizzare le suddette configurazioni serie e parallelo tra le fasi dei due avvolgimenti.

Secondo una ulteriore variante preferita dell?invenzione, P3223IT00

che si combina con una qualunque delle precedenti varianti, un inverter provvede a convertire la tensione continua generata da una sorgente elettrica a corrente continua in corrente alternata trifase.

Preferibilmente, l?inverter ? anche in grado di operare un controllo in tensione/frequenza per incrementare la velocit? di rotazione del motore elettrico in modo noto.

Preferibilmente un? unit? di supervisione ? configurata per controllare il funzionamento dell?inverter e della scatola di commutazione. In particolare, l?unit? di supervisione ? atta a

- comandare alla scatola di commutazione il passaggio dalla configurazione parallelo alla configurazione serie degli avvolgimenti statorici e

- a comandare all?inverter una predeterminata velocit?/coppia eventualmente realizzando una deflussazione degli avvolgimenti statorici con un proporzionale aumento di frequenza per ottenere un aumento della velocit? di rotazione del rotore secondo una tecnica in s? nota.

Vantaggiosamente, sfruttando la configurazione serie il motore riesce a fornire una coppia maggiore a bassa velocit? mentre innescando la configurazione parallelo si ottiene il raggiungimento di velocit? pi? elevate anche in assenza dell?applicazione della suddetta tecnica di deflussazione.

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Le rivendicazioni dipendenti descrivono varianti preferite dell?invenzione, formando parte integrante della presente descrizione.

Breve descrizione delle figure

Ulteriori scopi e vantaggi della presente invenzione risulteranno chiari dalla descrizione particolareggiata che segue di un esempio di realizzazione della stessa (e di sue varianti) e dai disegni annessi dati a puro titolo esplicativo e non limitativo, in cui:

nella figura 1 mostra un esploso secondo una vista prospettica di una porzione di un sistema di propulsione secondo la presente invenzione;

nella figura 2 mostra una vista differente della porzione di figura 1, in condizione assemblata;

nella figura 3 ? mostrato schematicamente il sistema di propulsione delle figure precedenti con ulteriori componenti del sistema di propulsione della presente invenzione;

nelle figure 4a e 4b sono mostrate due configurazioni elettriche del sistema di propulsione della presente invenzione;

nelle figure 5 e 6 sono mostrati diagrammi temporali di grandezze relative al sistema di propulsione secondo le figure precedenti;

nella figura 7 ? mostrato un diagramma di flusso descrittivo di una strategia di cambio di configurazione P3223IT00

elettrica dalla configurazione di figura 4a alla configurazione di figura 4b e viceversa.

Gli stessi numeri e le stesse lettere di riferimento nelle figure identificano gli stessi elementi o componenti.

Nell?ambito della presente descrizione il termine ?secondo? componente non implica la presenza di un ?primo? componente. Tali termini sono infatti adoperati come etichette per migliorare la chiarezza e non vanno intesi in modo limitativo.

Gli elementi e le caratteristiche illustrate nelle diverse forme di realizzazione preferite, inclusi i disegni, possono essere combinati tra loro senza peraltro uscire dall?ambito di protezione della presente domanda come descritta di seguito.

Descrizione di dettaglio di esempi di realizzazione

Le figure 1 e 2 mostrano viste prospettiche di una porzione del sistema di propulsione secondo la presente invenzione secondo due punti di vista reciprocamente contrapposti. Inoltre, mentre in figura 1, tale porzione ? mostrata in esploso, nella figura 2, la stessa porzione ? mostrata assemblata.

La figura 3 mostra i componenti delle figure precedenti insieme ad ulteriori componenti che concorrono a definire la presente invenzione.

La ?Switch Box? o scatola di commutazione rappresentata nelle P3223IT00

figure 1 - 3 contiene al suo interno un circuito stampato EB progettato per trasmissioni elettriche di potenza sul quale vengono saldamente ancorati e collegati rel? di potenza SW a singola via del tipo On/Off, preferibilmente mediante connessione a vite con elementi di anti-svitamento per scongiurare allentamenti durante la vita utile del sistema. Una morsettiera T lato motore ? collegata al circuito stampato per raccogliere i conduttori MW provenienti dallo statore del motore elettrico M.

Il motore elettrico M ? polifase, per esempio tre, a, b ,c, dotato di un rotore R ed uno statore S, in cui lo statore ? dotato di due avvolgimenti per ciascuna fase definendo un primo insieme di avvolgimenti di fase u, v, w ed un secondo insieme di avvolgimenti di fase u?, v?, w?, ed una scatola di commutazione SB a cui sono operativamente collegati entrambi gli estremi di ciascun avvolgimento di fase ed in cui detta scatola di commutazione comprende mezzi di commutazione, vale a dire i suddetti rel? di potenza, atti a realizzare una prima configurazione elettrica in cui rispettivi avvolgimenti di fase u, u?; v, v?, w, w? di detto primo e secondo insieme di avvolgimenti sono connessi in serie tra loro ed una seconda configurazione elettrica in cui rispettivi avvolgimenti di fase sono connessi in parallelo tra loro ottenendo una variazione della intensit? di corrente circolante in ciascuna fase.

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Le figure 4a e 4b mostrano rispettivamente la prima e seconda configurazione elettrica ottenuta mediante l?interconnessione operata dalla scatola di commutazione. Gli estremi degli avvolgimenti di ciascuna fase consistono nei conduttori isolati MW che attraversano una base dello statore del motore elettrico M per entrare nella scatola di commutazione.

Secondo una variante preferita dell?invenzione che si adatta in modo particolare ad una certa tipologia di veicoli industriali da lavoro e veicoli agricoli, le configurazioni elettriche ottenibili sono soltanto due.

Secondo altre varianti le configurazioni elettriche ottenibili sono pi? di due. Quel che conta ? che in tutte le configurazioni ciascun avvolgimento ha un uguale numero di spire per non creare sbilanciamenti tra le intensit? di correnti circolanti tra gli avvolgimenti quando questi risultano reciprocamente in parallelo.

Pertanto, secondo un?altra variante preferita dell?invenzione, il motore elettrico M comprende un terzo insieme di avvolgimenti di fase u??, v??, w??, non mostrati nelle figure, e nella prima configurazione elettrica i rispettivi avvolgimenti di fase u, u?, u??; v, v?, v??; w, w?, w?? del primo, secondo e terzo insieme di avvolgimenti sono connessi in serie tra loro ed in detta seconda configurazione elettrica i rispettivi avvolgimenti di fase P3223IT00

sono connessi in parallelo tra loro.

Le figure 4a e 4b continuano ad essere chiarificatrici dei concetti qui descritti, seppure essendo chiari al tecnico del ramo.

Secondo una ulteriore variante preferita dell?invenzione, in cui ciascuno degli avvolgimenti di fase ? formato da almeno due sotto-avvolgimenti, in cui la somma delle spire di tutti i sotto-avvolgimenti ? pari alle spire del relativo avvolgimento ed in cui in detta prima configurazione operativa detti sotto-avvolgimenti risultano collegati in serie tra loro ed in detta seconda condizione operativa detti sotto-avvolgimenti risultano in parallelo tra loro.

In altre parole si possono determinare configurazioni in cui nella prima configurazione elettrica tutti i sottoavvolgimenti risultano in serie, mentre secondo la seconda configurazione elettrica tutti i sotto-avvolgimenti risultano in parallelo tra loro.

Si pensi ad esempio ad una prima configurazione elettrica del tipo

u u? u?? u???

dove il simbolo ?+? indica una configurazione serie, ed una seconda configurazione elettrica del tipo

u / u? / u?? / u???

dove il simbolo ?/? indica una configurazione parallelo. E? evidente che risulta possibile ottenere anche una P3223IT00

configurazione elettrica intermedia del tipo

u u? / u?? u???

Secondo la presente invenzione, si pu? optare per commutazioni ?adiacenti? cio? che comportano una minima variazione di impedenza della configurazione, ma pu? anche darsi che la suddetta configurazione intermedia non sia prevista passando da una configurazione in cui tutti gli avvolgimenti o sotto-avvolgimenti sono in serie ad una in cui sono tutti in parallelo tra loro.

La scatola di commutazione ? configurata per disporre corrispondenti avvolgimenti in serie tra loro quando al motore elettrico ? richiesta relativamente bassa velocit? e relativamente alta coppia e viceversa per disporre corrispondenti avvolgimenti in parallelo tra loro quando al motore elettrico ? richiesta relativamente alta velocit? e relativamente bassa coppia.

Infatti, mano a mano che gli avvolgimenti o sottoavvolgimenti di ciascuna fase sono disposti in parallelo fino ad una configurazione di relativa minima impedenza, il motore elettrico pu? esprimere velocit? di rotazione via, via maggiori.

Come si vede dalle suddette figure 4a e 4b la configurazione elettrica ottenuta ? sempre del tipo a stella, indipendentemente che gli avvolgimenti siano collegati per realizzare la prima o seconda condizione operativa, P3223IT00

definendo dunque un centro stella.

Si rimarca che il numero delle fasi pu? essere qualunque, malgrado ne siano state indicate tre: a, b, c.

Il rotore ha forma sostanzialmente cilindrica con due basi reciprocamente contrapposte, ed in cui la scatola di commutazione ? meccanicamente associata ad una di dette basi. Tale configurazione risulta particolarmente vantaggiosa perch? la scatola di commutazione chiude fisicamente le aperture da cui fuoriescono gli estremi delle fasi degli avvolgimenti o sotto-avvolgimenti statorici MW.

Inoltre, l?impiego di un circuito stampato per supportare i rel? di potenza consente di mantenere una configurazione particolarmente ordinata. Ci? risulta particolarmente rilevante in applicazioni per veicoli da lavoro pesanti in cui la semplicit? di manutenzione ? fondamentale.

La scatola di commutazione, comprende inoltre una morsettiera di ingresso a cui sono collegati i conduttori di fase uscenti dall?inverter IV ed un connettore di comando per controllare il comportamento dei vari rel? di potenza alloggiati nella scatola di commutazione.

Grazie alla presente invenzione, si migliora l?efficienza perch? diminuiscono le perdite energetiche sui cavi. Si aumentano l?affidabilit? e la sicurezza perch? diminuisce il numero di punti di connessione tra inverter e la scatola di commutazione, inoltre si migliora l?aspetto organizzativo P3223IT00

del vano motore come conseguenza della riduzione del numero di cavi liberi da organizzare.

Si preferisce che il motore elettrico M ? del tipo brushless AC, perch? nell?ottica della massima robustezza possibile tale tipo di motore risulta essere maggiormente indicato in applicazioni gravose.

L?inverter IV ? configurato per convertire la corrente continua generata da un pacco batteria in corrente alternata polifase, con il medesimo numero di fasi del motore elettrico per alimentare lo stesso motore elettrico M per il tramite della scatola di commutazione SB, che risulta elettricamente interposta tra il motore elettrico e l?inverter ed una unit? di elaborazione (CU) configurata per controllare l?inverter e la scatola di commutazione.

L?unit? di elaborazione ? configurata per comandare l?inverter per fornire una rampa di corrente decrescente prima di una procedura di commutazione da parte della scatola di commutazione, ed una rampa di corrente crescente dopo la procedura di commutazione.

Questo comportamento equivale ad aprire la frizione in una trasmissione meccanica con un motore a combustione interna dotato di una scatola del cambio.

Nella scatola di commutazione ? alloggiato un circuito stampato di potenza su cui sono alloggiati il primo insieme di interruttori SW per realizzare la prima configurazione P3223IT00

elettrica ed un secondo insieme di interruttori per realizzare la seconda configurazione elettrica. La scatola di commutazione ? realizzata in modo che la chiusura del primo insieme ? realizzato dopo un primo predeterminato intervallo di guardia ?T2 dalla apertura del secondo insieme e viceversa. Ci? garantisce da eventuali corto circuiti dovuto alla formazione di archi voltaici.

Allo stesso modo anche la rampa crescente ? ritardata mediante un secondo ?T3 intervallo di guardia dalla commutazione, cio? dalla chiusura del secondo (o primo) insieme di interruttori.

Secondo la presente descrizione, per intervallo di guardia si intende un intervallo temporale di ritardo prima di eseguire una susseguente operazione.

Secondo la presente descrizione, i termini ?interruttore? e ?rel? di potenza? sono equivalenti.

L?unit? di elaborazione CU ? operativamente collegata con una leva o pedale di acceleratore veicolare, non mostrato, e configurata

- per controllare una procedura di commutazione dalla prima configurazione elettrica alla seconda configurazione elettrica quando, con leva o pedale di acceleratore premuto, il rotore R raggiunge una prima predeterminata velocit? di rotazione indicata con il simbolo n1 e

- per controllare una procedura di commutazione dalla seconda P3223IT00

configurazione elettrica alla prima configurazione elettrica quando il rotore scende sotto una seconda predeterminata velocit? di rotazione n2 inferiore a detta prima velocit? di rotazione.

Ci? pu? avvenire perch? il pedale o leva dell?acceleratore ? almeno parzialmente rilasciato o perch?, ad esempio, il carico diventa eccessivo per il motore elettrico.

Il fatto che n2 sia minore di n1 evita ripetute commutazioni tra le due configurazioni che porterebbe a corrispondenti disalimentazioni del motore elettrico e ad un possibile surriscaldamento degli interruttori.

Secondo una variante preferita della presente invenzione, sia il pacco batteria che l?inverter sono atti a mantenere invariata una intensit? di corrente in ciascun avvolgimento o sotto-avvolgimento di fase, tra prima e dopo una commutazione, indipendentemente dalla prima o seconda configurazione elettrica.

In altre parole, anche quando l?impedenza si riduce drasticamente a causa del passaggio dalla prima alla seconda configurazione elettrica, l?inverter riesce comunque ad erogare sufficiente corrente. Ci? evita che si generino forti variazioni di coppia erogata dal motore elettrico che si traducono in contraccolpi nel veicolo dotato del presente sistema di propulsione.

Le figure 5 e 6 mostrano due diagrammi temporali P3223IT00

rappresentativi di due commutazioni rispettivamente dalla prima alla seconda configurazione elettrica e viceversa. L?inverter all?istante t0 inizia a disalimentare il motore elettrico, mediante una rampa discendente di corrente I1. Quando la corrente erogata ? nulla allora si apre il primo insieme di interruttori che definiscono la prima configurazione elettrica, indicati in figura con ?Low speed switches?. Dopo il tempo di guardia ?T2, sono chiusi gli interruttori del secondo insieme, indicati con ?High speed switches?. Solo dopo il secondo tempo di guardia ?T3 l?inverter inizia ad erogare una corrente I2 secondo una rampa crescente che si stabilizza ad un valore diverso da quello iniziale, indicato con I1, proprio per l?avvenuta variazione della impedenza statorica.

Si deve notare che grazie alla presente soluzione la coppia T erogata prima e dopo la commutazione risulta sostanzialmente invariata.

La figura 6 mostra una situazione in cui la corrente I1 erogata dall?inverter dopo la commutazione ? inferiore a quella erogata prima I2 alla commutazione. Ci? indica evidentemente un aumento dell?impedenza statorica, vale a dire il passaggio alla seconda configurazione elettrica alla prima.

I tempi ?T1 e ?T4 definiscono l?intervallo in cui la corrente di alimentazione del motore ? erogata secondo le suddette P3223IT00

rampe rispettivamente decrescente e crescente.

In caso il veicolo stia accelerando, questo continua ad accelerare con lo stesso vigore anche dopo il cambio di configurazione elettrica.

La presente invenzione propone anche un metodo preferito di cambio tra le configurazioni elettriche con l?aiuto del diagramma di figura 7:

- (Passo 1) erogazione di una rampa di corrente decrescente fino a valore nullo,

- (Passo 2) apertura di detto primo insieme di interruttori, - (Passo 3) attesa di un primo intervallo di guardia (?T3), - (Passo 4) chiusura di detto secondo insieme di interruttori,

- (Passo 5) attesa di un secondo intervallo di guardia (?T4), - (Passo 6) erogazione di una rampa di corrente crescente da un valore nullo fino ad un predeterminato valore di intensit?.

Tale metodo ? preferibilmente implementato nella unit? di elaborazione che supervisione il funzionamento dell?inverter e della scatola di commutazione.

Il metodo preferito di cambio proposto con la presente invenzione pu? essere vantaggiosamente realizzato tramite un programma per computer che comprende mezzi di codifica per la realizzazione di uno o pi? passi del metodo, quando questo programma ? eseguito su di un computer. Pertanto si intende P3223IT00

che l?ambito di protezione si estende a detto programma per computer ed inoltre a mezzi leggibili da computer che comprendono un messaggio registrato, detti mezzi leggibili da computer comprendendo mezzi di codifica di programma per la realizzazione di uno o pi? passi del metodo, quando detto programma ? eseguito su di un computer.

Sono possibili varianti realizzative all'esempio non limitativo descritto, senza per altro uscire dall?ambito di protezione della presente invenzione, comprendendo tutte le realizzazioni equivalenti per un tecnico del ramo, al contenuto delle rivendicazioni.

Dalla descrizione sopra riportata il tecnico del ramo ? in grado di realizzare l?oggetto dell?invenzione senza introdurre ulteriori dettagli costruttivi.

Claims

P3223IT00 RIVENDICAZIONI

1. Sistema di propulsione elettrica (EP) comprendente

- un motore elettrico (M) polifase dotato di un rotore (R) ed uno statore (S), in cui lo statore ? dotato di due avvolgimenti per ciascuna fase definendo un primo insieme di avvolgimenti di fase (u, v, w) ed un secondo insieme di avvolgimenti di fase (u?, v?, w?), ed

- una scatola di commutazione (SB) a cui sono operativamente collegati entrambi gli estremi di ciascun avvolgimento di fase ed in cui detta scatola di commutazione comprende mezzi di commutazione atti a realizzare una prima configurazione elettrica in cui rispettivi avvolgimenti di fase (u, u?; v, v?, w, w?) di detto primo e secondo insieme di avvolgimenti sono connessi in serie tra loro ed una seconda configurazione elettrica in cui rispettivi avvolgimenti di fase sono connessi in parallelo tra loro ottenendo una variazione della intensit? di corrente complessiva circolante in ciascuna fase.

2. Sistema secondo la rivendicazione 1, in cui detto statore ha forma sostanzialmente cilindrica con due basi reciprocamente contrapposte, ed in cui detta scatola di commutazione ? meccanicamente associata ad una prima di dette basi ed in cui una seconda base, opposta alla prima, aggetta da detto rotore (R).

3. Sistema secondo la rivendicazione 2, in cui detta scatola P3223IT00

di commutazione definisce un coperchio per detta prima base dello statore.

4. Sistema secondo una qualunque delle rivendicazioni 1 - 3, in cui detto motore elettrico comprende un terzo insieme di avvolgimenti di fase (u??, v??, w??) ed in cui in detta prima configurazione elettrica in cui rispettivi avvolgimenti di fase (u, u?, u??; v, v?, v??; w, w?, w??) di detto primo, secondo e terzo insieme di avvolgimenti sono connessi in serie tra loro ed in detta seconda configurazione elettrica i rispettivi avvolgimenti di fase sono connessi in parallelo tra loro.

5. Sistema secondo la rivendicazione 3 o 4, in cui ciascuno di detti avvolgimenti di fase ? formato da almeno due sottoavvolgimenti, in cui la somma delle spire di tutti i sottoavvolgimenti ? pari alle spire del relativo avvolgimento ed in cui in detta prima configurazione operativa detti sottoavvolgimenti risultano collegati in serie tra loro ed in detta seconda condizione operativa detti sotto-avvolgimenti risultano in parallelo tra loro.

6. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 - 5, in cui detta scatola di commutazione ? configurata per disporre corrispondenti avvolgimenti in serie tra loro quando al motore elettrico ? richiesta relativamente bassa velocit? e relativamente alta coppia e viceversa per disporre corrispondenti avvolgimenti in parallelo tra loro, quando al P3223IT00

motore elettrico ? richiesta relativamente alta velocit? e relativamente bassa coppia.

7. Sistema secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, in cui detto primo o detto secondo insieme di avvolgimenti statorici sono stabilmente collegati a stella definendo un centro stella.

8. Sistema secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, in cui detto motore elettrico (M) ? del tipo brushless AC.

9. Sistema secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, ulteriormente comprendente un inverter (IV) configurato per convertire corrente continua in corrente alternata polifase, alimentando detto motore elettrico (M) per il tramite di detta scatola di commutazione (SB), questa ultima risultando elettricamente interposta tra il motore elettrico e detto inverter ed una unit? di elaborazione (CU) configurata per controllare detto inverter e detta scatola di commutazione.

10. Veicolo agricolo o da lavoro comprendente un sistema di propulsione secondo una qualunque delle rivendicazioni 1 ? 9.