ITBO20090753A1 - Macchina elettrica per autotrazione con raffreddamento e lubrificazione migliorati - Google Patents

Description

D E S C R I Z I O N E

del brevetto per Invenzione Industriale dal titolo:

“MACCHINA ELETTRICA PER AUTOTRAZIONE CON RAFFREDDAMENTO E LUBRIFICAZIONE MIGLIORATI”

SETTORE DELLA TECNICA

La presente invenzione è relativa ad una macchina elettrica per autotrazione.

La presente invenzione trova vantaggiosa applicazione ad una macchina elettrica per autotrazione di un veicolo ibrido, cui la trattazione che segue farà esplicito riferimento senza per questo perdere di generalità.

ARTE ANTERIORE

Un veicolo ibrido comprende un motore a combustione interna, il quale trasmette la coppia motrice alle ruote motrici mediante una trasmissione provvista di un cambio, ed almeno una macchina elettrica collegata meccanicamente alle ruote motrici; la macchina elettrica viene alimentata da un convertitore elettronico di potenza collegato ad un sistema di accumulo elettrico tipicamente costituito da un pacco di batterie chimiche eventualmente collegate in parallelo ad uno o più supercondensatori.

In un veicolo ibrido è necessario prevedere un sistema di raffreddamento dedicato alle componenti elettriche ed in particolare alla macchina elettrica per evitare surriscaldamenti che possono anche essere distruttivi della macchina elettrica stessa (una temperatura eccessiva degli avvolgimenti può provocare la fusione degli smalti di isolamento dei conduttori con la conseguente formazione di corto circuiti). A tale proposito è importante osservare che normalmente la macchina elettrica deve essere collocata vicina al cambio e/o al motore e quindi non solo deve essere in grado si smaltire il calore che si produce al suo interno, ma deve anche essere adeguatamente schermata dal calore proveniente dal cambio e/o dal motore.

DESCRIZIONE DELLA INVENZIONE

Scopo della presente invenzione è di fornire una macchina elettrica per autotrazione, la quale presenti un raffreddamento ed una lubrificazione ottimali e sia nel contempo di facile ed economica realizzazione.

Secondo la presente invenzione viene fornito una macchina elettrica per autotrazione secondo quanto rivendicato dalle rivendicazioni allegate.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

La presente invenzione verrà ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano alcuni esempi di attuazione non limitativi, in cui:

• la figura 1 è una vista schematica di un veicolo stradale con propulsione ibrida;

• la figura 2 è una vista schematica di una trasmissione del veicolo stradale della figura 1;

• la figura 3 è una vista in sezione, schematica e con parti asportate per chiarezza di un albero di trascinamento della trasmissione della figura 2;

• la figura 4 è una vista schematica di una ulteriore forma di attuazione di una trasmissione del veicolo stradale della figura 1 realizzata in accordo con la presente invenzione;

• la figura 5 è una vista schematica dei collegamenti meccanici di una macchina elettrica della trasmissione della figura 4 realizzata in accordo con la presente invenzione;

• la figura 6 è una vista schematica di un circuito di raffreddamento e lubrificazione della macchina elettrica della figura 5;

• la figura 7 è una vista schematica di ulteriore parte del un circuito di raffreddamento e lubrificazione della figura 6;

• la figura 8 è una vista in sezione, schematica e con parti asportate per chiarezza di un albero di trascinamento della trasmissione della figura 4;

• le figure 9 e 10 sono due diverse viste in sezione, schematiche e con parti asportate per chiarezza della macchina elettrica della figura 5; e

• la figura 11 è uno schema di un circuito elettrico di potenza della propulsione elettrica del veicolo stradale della figura 1.

FORME DI ATTUAZIONE PREFERITE DELL’INVENZIONE

Nella figura 1, con il numero 1 è indicato nel suo complesso un veicolo stradale con propulsione ibrida provvisto di due ruote 2 anteriori e di due ruote 3 posteriori motrici, che ricevono la coppia motrice da un sistema 4 di motopropulsione ibrido.

Il sistema 4 di motopropulsione ibrido comprende un motore 5 termico a combustione interna, il quale è disposto in posizione anteriore ed è provvisto di un albero 6 motore, una trasmissione 7 manuale automatica (denominata comunemente “AMT”), la quale trasmette la coppia motrice generata dal motore 5 a combustione interna verso le ruote 3 posteriori motrici, ed una macchina 8 elettrica reversibile (cioè che può funzionare sia come motore elettrico assorbendo energia elettrica e generando un coppia meccanica motrice, sia come generatore elettrico assorbendo energia meccanica e generando energia elettrica) che è meccanicamente collegata alla trasmissione 7.

La trasmissione 7 comprende un albero 9 di trasmissione che è da un lato è angolarmente solidale all’albero 6 motore e dall’altro lato è meccanicamente collegato ad un cambio 10 a doppia frizione, il quale è disposto in posizione posteriore e trasmette il moto alle ruote 3 posteriori motrice mediante due semiassi 11 che ricevono il moto da un differenziale 12. La macchina 8 elettrica reversibile è meccanicamente collegata al cambio 10 a doppia frizione come verrà meglio descritto in seguito ed è pilotata da un convertitore 13 elettronico di potenza collegato ad un sistema 14 di accumulo che è atto immagazzinare energia elettrica ed è provvisto di batterie chimiche e/o supercondensatori.

Secondo quanto illustrato nella figura 2, il cambio 10 a doppia frizione comprende due alberi 15 e 16 primari tra loro coassiali, indipendenti ed inseriti uno all’interno dell’altro e due frizioni 17 e 18 coassiali e disposte in serie, ciascuna delle quali è atta a collegare un rispetto albero 15 o 16 primario all’albero 9 di trasmissione (quindi all’albero 6 motore del motore 5 termico a combustione interna). Inoltre, il cambio 10 a doppia frizione comprende due alberi 19 e 20 secondari, i quali sono entrambi angolarmente solidali all’ingresso del differenziale 11 che trasmette il moto alle ruote 3 posteriori motrici.

Il cambio 10 a doppia frizione illustrato nella figura 2 presenta sette marce avanti indicate con numeri romani (prima marcia I, seconda marcia II, terza marcia III, quarta marcia IV, quinta marcia V, sesta marcia VI e settima marcia VII) ed una retromarcia (indicata con la lettera R). Gli alberi 15 e 16 primari sono meccanicamente accoppiati agli alberi 19 e 20 secondario mediante una pluralità di coppie 21 di ingranaggi, ciascuna delle quali definisce una rispettiva marcia e comprende un ingranaggio primario montato su di un albero 15 o 16 primario ed un ingranaggio secondario che è montato su di un albero 19 o 20 secondario ed ingrana permanentemente con l’ingranaggio primario. Per permettere il corretto funzionamento del cambio 10 a doppia frizione, tutte le marce dispari (prima marcia I, terza marcia III, quinta marcia V, settima marcia VII) sono accoppiate allo stesso albero 15 primario, mentre tutte le marce pari (seconda marcia II, quarta marcia IV, e sesta marcia VI) sono accoppiate all’altro albero 16 primario.

Ciascun ingranaggio primario è calettato ad un rispettivo albero 15 o 16 primario per ruotare sempre in modo solidale con l’albero 15 o 16 primario stesso ed ingrana in modo permanente con il rispettivo ingranaggio secondario; invece, ciascun ingranaggio secondario è montato folle sul proprio albero 19 o 20 secondario. Il cambio 10 a doppia frizione comprende per ciascuna coppia 21 di ingranaggi un corrispondente sincronizzatore 22, il quale è montato coassiale al relativo albero 19 o 20 secondario ed è atto a venire attuato per innestare il rispettivo ingranaggio secondario all’albero 19 o 20 secondario (cioè per rendere il rispettivo ingranaggio secondario angolarmente solidale all’albero 19 o 20 secondario).

La macchina 8 elettrica presenta un albero 23, il quale è permanentemente collegato all’albero 15 primario in modo da ruotare sempre in modo solidale con l’albero 15 primario stesso. Secondo una preferita forma di attuazione, partendo da un cambio 10 a doppia frizione esistente e non inizialmente progettato per la trazione ibrida l’albero 15 primario viene allungato dal lato opposto rispetto alle frizioni 17 e 18 in modo da fuoriuscire da una scatola 24 del cambio; quindi, al di fuori della scatola 24 del cambio l’albero 15 primario viene reso angolarmente solidale (ad esempio mediante un accoppiamento testa-testa) all’albero 23 della macchina 8 elettrica.

Per una descrizione delle modalità di funzionamento della macchina 8 elettrica si rimanda a quanto descritto nella domanda di brevetto IT2008BO00594 qui incorporata per riferimento.

Il cambio 10 a doppia frizione comprende una pompa 25 di circolazione, la quale ha la funzione di fare circolare un olio di lubrificazione attraverso gli ingranaggi del cambio 10 in modo da assicurare una adeguata lubrificazione agli ingranaggi stessi. Inoltre, il cambio 10 a doppia frizione comprende una pompa 26 di attuazione che fornisce la pressione idraulica necessaria al funzionamento degli attuatori idraulici di innesto delle marce (cioè degli attuatori dei sincronizzatori 22) e degli attuatori di comando delle frizioni 17 e 18.

Le due pompe 25 e 26 del cambio 10 vengono azionate da un albero 27 di trascinamento ausiliario passante (cioè che passa attraverso ciascuna pompa 25 e 26) che da un lato prende il moto, mediante una trasmissione 28 meccanica, da un cestello 29 anteriore delle frizioni 17 e 18 che è solidale all’albero 6 motore con l’interposizione dell’albero 9 di trasmissione) e dal lato opposto prende il moto, mediante una trasmissione 30 meccanica, dall’albero 15 primario che è solidale all’albero 23 della macchina 8 elettrica. Il cestello 29 anteriore costituisce una parte normalmente conduttrice delle frizioni 17 e 18, in quanto normalmente riceve il moto dal motore 5 termico e lo trasmette alle parti normalmente condotte (cioè i mozzi delle frizioni 17 e 18) solidali agli alberi 15 e 16 primari.

La trasmissione 28 meccanica è preferibilmente composta da una cascata di ruote dentate ed è provvista di una ruota libera 31 (o ruota folle 31) che trasmette il moto (cioè ingrana) quando ruota con un certo verso e non trasmette il moto (cioè non ingrana) quando ruota nel verso opposto. Analogamente anche la trasmissione 30 meccanica è preferibilmente composta da una cascata di ruote dentate ed è provvista di una ruota libera 32 (o ruota folle 32) che trasmette il moto (cioè ingrana) quando ruota con un certo verso e non trasmette il moto (cioè non ingrana) quando ruota nel verso opposto. La ruota libera 32 della trasmissione 30 meccanica presenta un verso di ingranamento opposto rispetto alla ruota libera 31 della trasmissione 28 meccanica; in altre parole, la ruota libera 32 trasmette il moto (cioè ingrana) quando ruota con un certo verso, mentre la ruota libera 31 trasmette il moto (cioè ingrana) quando ruota con il verso opposto.

Infine, il rapporto di trasmissione determinato dalla trasmissione 28 meccanica è maggiore del rapporto di trasmissione determinato dalla trasmissione 30 meccanica in modo tale che a parità di velocità di ingresso la trasmissione 28 meccanica faccia ruotare l’albero 27 di trascinamento più velocemente della trasmissione 30 meccanica.

Secondo una possibile forma di attuazione, lungo l’albero 27 di trascinamento ed a monte della trasmissione 32 meccanica è interposto un manicotto 33 di disaccoppiamento, il quale ha la funzione di permettere uno scorrimento assiale della porzione dell’albero 27 di trascinamento disposta a destra del manicotto 33 di disaccoppiamento rispetto alla porzione dell’albero 27 di trascinamento disposta a sinistra del manicotto 33 di disaccoppiamento. Lo scopo del manicotto 33 di disaccoppiamento è di permettere aggiustamenti assiali della posizione della trasmissione 32 meccanica (tipicamente per recuperare le tolleranze costruttive in fase di montaggio) senza influire sulle pompe 25 e 26 del cambio 10 e sulla trasmissione 30 meccanica.

Secondo quanto illustrato nella figura 3, la trasmissione 28 meccanica è composta da una cascata di ruote dentate e comprende una ruota 34 dentata solidale al cestello 29 anteriore ed una ruota 35 dentata che ingrana con la ruota 34 dentata ed è collegata all’albero 27 di trascinamento attraverso la ruota libera 31; in particolare, la ruota libera 31 è integrata nella ruota 35 dentata, cioè costituisce il mozzo della ruota 35 dentata. Analogamente anche la trasmissione 30 meccanica è composta da una cascata di ruote dentate e comprende una ruota 36 dentata solidale all’albero 15 primario ed una ruota 37 dentata che ingrana con la ruota 36 dentata ed è collegata all’albero 27 di trascinamento attraverso la ruota libera 32; in particolare, la ruota libera 32 è integrata nella ruota 37 dentata, cioè costituisce il mozzo della ruota 37 dentata.

Viene di seguito descritto il funzionamento della trasmissione 7 con riferimento all’attuazione delle pompe 25 e 26 del cambio 10.

Quando la velocità di rotazione imposta all’albero 27 di trascinamento dalla trasmissione 28 meccanica (quindi dall’albero 6 motore del motore 5 termico) è superiore alla velocità di rotazione imposta all’albero 27 di trascinamento dalla trasmissione 30 meccanica (quindi dall’albero 15 primario solidale alla macchina 8 elettrica), allora la ruota 31 libera risulta ingranata e quindi trasmette il moto verso le pompe 25 e 26 del cambio 10 mentre la ruota 32 libera risulta non ingranata e quindi non trasmette il moto verso le pompe 25 e 26 del cambio 10; in altre parole, l’albero 27 di trascinamento viene fatto ruotare dall’albero 6 motore del motore 5 termico mentre l’albero 27 di trascinamento risulta isolato dall’albero 15 primario solidale alla macchina 8 elettrica.

Quando la velocità di rotazione imposta all’albero 27 di trascinamento dalla trasmissione 28 meccanica (quindi dall’albero 6 motore del motore 5 termico) è inferiore alla velocità di rotazione imposta all’albero 27 di trascinamento dalla trasmissione 30 meccanica (quindi dall’albero 15 primario solidale alla macchina 8 elettrica), allora la ruota 32 libera risulta ingranata e quindi trasmette il moto verso le pompe 25 e 26 del cambio 10 mentre la ruota 31 libera risulta non ingranata e quindi non trasmette il moto verso le pompe 25 e 26 del cambio 10; in altre parole, l’albero 27 di trascinamento viene fatto ruotare dall’albero 15 primario solidale alla macchina 8 elettrica mentre l’albero 27 di trascinamento risulta isolato dall’albero 6 motore del motore 5 termico.

In uso, quando il motore 5 termico è acceso, cioè l’albero 6 motore del motore 5 termico ruota, ed una delle frizioni 17 e 18 è chiusa la velocità di rotazione imposta all’albero 27 di trascinamento dalla trasmissione 28 meccanica (quindi dall’albero 6 motore del motore 5 termico) è sempre superiore alla velocità di rotazione imposta all’albero 27 di trascinamento dalla trasmissione 30 meccanica (quindi dall’albero 15 primario solidale alla macchina 8 elettrica), in quanto il rapporto di trasmissione determinato dalla trasmissione 28 meccanica è maggiore del rapporto di trasmissione determinato dalla trasmissione 30 meccanica in modo tale che a parità di velocità di ingresso la trasmissione 28 meccanica faccia ruotare l’albero 27 di trascinamento più velocemente della trasmissione 30 meccanica. In questa situazione, l’albero 27 di trascinamento viene fatto ruotare dall’albero 6 motore del motore 5 termico.

Quando il motore 5 termico è acceso, cioè l’albero 6 motore del motore 5 termico ruota, e le frizioni 17 e 18 sono entrambe aperte, l’albero 27 di trascinamento può venire fatto ruotare dall’albero 6 motore del motore 5 termico oppure può venire fatto ruotare dall’albero 15 primario solidale alla macchina 8 elettrica in funzione della velocità di rotazione dell’albero 23 della macchina 8 elettrica (cioè dell’albero 15 primario del cambio). Infatti, quanto entrambe le frizioni 17 e 18 sono aperte, la velocità di rotazione dell’albero 15 primario del cambio è completamente svincolata dalla velocità rotazione dell’albero 6 motore del motore 5 termico. In ogni caso, quando il motore 5 termico è acceso l’albero 27 di trascinamento viene fatto preferibilmente ruotare dall’albero 6 motore del motore 5 termico; generalmente, quando il motore 5 termico è acceso, l’albero 27 di trascinamento viene fatto ruotare dall’albero 15 primario solidale alla macchina 8 elettrica solo in caso di frenata rigenerativa quando la macchina 8 elettrica viene fatta funzionare come generatore per recuperare l’energia cinetica del veicolo 1.

Quando il motore 5 termico è spento, cioè l’albero 6 motore del motore 5 termico è fermo, e l’albero 23 della macchina 8 elettrica (quindi in caso di rotazione dell’albero 15 primario) ruota la velocità di rotazione imposta all’albero 27 di trascinamento dalla trasmissione 28 meccanica (quindi dall’albero 6 motore del motore 5 termico) è sempre inferiore alla velocità di rotazione imposta all’albero 27 di trascinamento dalla trasmissione 30 meccanica (quindi dall’albero 15 primario solidale alla macchina 8 elettrica). In questa situazione, l’albero 27 di trascinamento viene fatto ruotare dall’albero 15 primario solidale alla macchina 8 elettrica.

Quando il motore 5 termico è spento, cioè l’albero 6 motore del motore 5 termico è fermo, e l’albero 23 della macchina 8 elettrica è fermo allora anche l’albero 27 di trascinamento rimane fermo.

Secondo quanto illustrato nella figura 2, il cambio 10 comprende una retromarcia R che riceve il moto dall’albero 16 primario; quindi il movimento di retromarcia del veicolo 1 viene realizzato attraverso il cambio 10 e sfruttando la coppia motrice generata dal motore 5 a combustione interna. Secondo una diversa forma di attuazione non illustrata, il cambio 10 potrebbe essere privo della retromarcia R che viene sostituita da una ulteriore marcia avanti (in questo caso una ottava marcia VIII) ed il movimento di retromarcia del veicolo 1 viene realizzando sfruttando la macchina 8 elettrica; in altre parole, la macchina 8 elettrica viene fatta funzionare come motore con una verso di rotazione opposto al consueto per applicare alle ruote 3 posteriori motrici una coppia motrice che spinge il veicolo 1 in retromarcia. In questa forma di attuazione, il cambio 10 può avere una marcia avanti aggiuntiva senza alcun aumento della sua complicazione costruttiva (anzi con una semplificazione in quanto viene a mancare l’ingranaggio ozioso della retromarcia R) sfruttando la versatilità della macchina 8 elettrica che può ruotare indifferentemente nei due versi.

Un limite della forma di attuazione della trasmissione 7 illustrata nelle figure 2 e 3 è costituito dal fatto che se la macchina 8 elettrica viene utilizzata per realizzare il movimento di retromarcia del veicolo 1, la macchina 8 elettrica non è in grado di portare in rotazione l’albero 27 di trascinamento (quindi le pompe 25 e 26 del cambio) per effetto della presenza della ruota 32 libera nella trasmissione 30 meccanica. Di conseguenza, se la macchina 8 elettrica viene utilizzata per realizzare il movimento di retromarcia del veicolo 1, la pompa 26 di attuazione che fornisce la pressione idraulica necessaria al funzionamento degli attuatori idraulici di innesto delle marce (cioè degli attuatori dei sincronizzatori 22) e degli attuatori di comando delle frizioni 17 e 18 non può funzionare; in questa situazione, per evitare il blocco del funzionamento degli attuatori idraulici è necessario prevedere nel circuito idraulico cella pompa 26 di attuazione un accumulatore idraulico di dimensioni rilevanti. Tuttavia, non è semplice trovare in prossimità del cambio 10 uno spazio adeguato a contenere tale accumulatore idraulico di dimensioni rilevanti.

Per risolvere il sopra descritto inconveniente, è stata proposta l’alternativa forma di attuazione della trasmissione 7 illustrata nella figura 4.

La trasmissione 7 illustrata nella figura 4 si differenzia dalla trasmissione 7 illustrata nella figura 2, in quanto nella trasmissione 7 illustrata nella figura 4 l’albero 23 della macchina 8 elettrica non è permanentemente vincolato all’albero 15 primario del cambio 10 (come avviene nella trasmissione 7 illustrata nella figura 2), ma l’albero 23 della macchina 8 elettrica collegato all’albero 15 primario del cambio 10 in modo separabile (cioè disinnestabile) mediante un dispositivo 38 di collegamento pilotabile elettronicamente. Quindi agendo sul dispositivo 38 di collegamento è possibile vincolare l’albero 23 della macchina 8 elettrica all’albero 15 primario del cambio 10 oppure è possibile separare l’albero 23 della macchina 8 elettrica dall’albero 15 primario del cambio 10. Secondo una preferita forma di attuazione, il dispositivo 38 di collegamento è costituito da una “dog clutch” elettromagnetica che non permette uno scorrimento relativo tra l’albero 23 della macchina 8 elettrica e l’albero 15 primario del cambio 10 e viene descritta in modo più dettagliato in seguito.

Grazie alla presenza del dispositivo 38 di collegamento è possibile scollegare l’albero 23 della macchina 8 elettrica dall’albero 15 primario del cambio 10 quando necessario per ottenere delle modalità di funzionamento che non sarebbero possibili nella forma trasmissione 7 illustrata nella figura 2.

In questa forma di attuazione, la trasmissione 30 meccanica collega l’albero 27 di trascinamento all’albero 23 della macchina 8 elettrica, quindi il dispositivo 38 di collegamento è disposto a valle della trasmissione 30 meccanica rispetto alla macchina 8 elettrica.

Secondo quanto illustrato nella figura 5, l’albero 23 della macchina 8 elettrica è montato girevole attorno ad un asse 39 di rotazione che è comune anche all’albero 15 primario (cioè l’albero 23 della macchina 8 elettrica è coassiale all’albero 15 primario). Inoltre, l’albero 23 della macchina 8 elettrica ha una forma tubolare in modo da presentare centralmente una cavità passante. All’interno della cavità passante centrale dell’albero 23 della macchina 8 elettrica è disposto un albero 40 di collegamento che è montato girevole attorno all’asse 39 di rotazione e costituisce un prolungamento dell’albero 15 primario a cui è giuntato di testa mediante una giunzione 41. L’albero 40 di collegamento attraversa da una parte all’altra tutto l’albero 23 della macchina 8 elettrica e da una parte opposta rispetto all’albero 15 primario è vincolabile all’albero 23 mediante il dispositivo 38 di collegamento. In altre parole, il dispositivo 38 di collegamento è disposto dal lato opposte della macchina 8 elettrica rispetto all’albero 15 primario e riceve il moto dall’albero 15 primario mediante l’albero 40 di collegamento che è disposto all’interno dell’albero 23 della macchina 8 elettrica ed attraversa da una parte all’altra tutto l’albero 23 steso.

Il dispositivo 38 di collegamento comprende una ruota 42 dentata a denti diritti solidale all’albero 40 di collegamento, una ruota 43 dentata a denti diritti solidale all’albero 23 e disposta parallela ed affacciata alla ruota 42 dentata, un manicotto 44 dentato portato dalla ruota 42 dentata e montato assialmente mobile, ed un dispositivo 55 attuatore elettromagnetico che è atto a spostare assialmente il manicotto 44 tra una posizione di disaccoppiamento (illustrata nella figura 5), in cui il manicotto 44 non ingrana con la ruota 43 dentata, ed una posizione di accoppiamento (non illustrata), in cui il manicotto 44 ingrana con la ruota 43 dentata per rendere la ruota 43 dentata stessa angolarmente solidale alla ruota 42 dentata.

Per potere spostare il manicotto 44 dalla posizione di disaccoppiamento alla posizione di accoppiamento, cioè per rendere la ruota 42 dentata che ruota assieme all’albero 15 primario solidale alla ruota 43 dentata che ruota insieme con l’albero 23 della macchina 8 elettrica, è necessario che le due ruote 42 e 43 dentate siano tra loro sincrone, cioè ruotino sostanzialmente alla stessa velocità. Di conseguenza, per potere spostare il manicotto 44 dalla posizione di disaccoppiamento alla posizione di accoppiamento è necessario pilotare la macchina 8 elettrica per inseguire la rotazione dell’albero 15 primario (cioè dell’albero 40 di collegamento); a tale scopo, sono previsti un encoder 46 che rileva in tempo reale la posizione angolare dell’albero 15 primario (cioè dell’albero 40 di collegamento) ed un encoder 47 che rileva in tempo reale la posizione angolare dell’albero 23 della macchina 8 elettrica: sfruttando le misure fornite dai due encoder 46 e 47 è possibile pilotare la macchina 8 elettrica per sincronizzare la rotazione delle due ruote 42 e 43 dentate in modo da permettere l’innesto del manicotto 44 sulla ruota 43 dentata. Secondo una preferita forma di attuazione, l’encoder 46 è solidale alla ruota 42 dentata ed è disposto dal lato opposto rispetto all’albero 40 di collegamento.

La macchina 8 elettrica comprende un rotore 48 cilindrico che è portato dall’albero 23 per ruotare attorno all’asse 39 di rotazione ed uno statore 49 cilindrico che è disposto in posizione fissa attorno al rotore 48. Il rotore 48 supporta direttamente la ruota 36 dentata della trasmissione 30 meccanica; in questa forma di attuazione, la ruota 36 dentata è conformata a tazza, sporge a sbalzo da un lato del rotore 48, e presenta la dentatura esterna in modo da ingranare con la dentatura della altra ruota 37 dentata facente parte della trasmissione 30 meccanica. La ruota 37 dentata che ingrana con la ruota 36 dentata è collegata all’albero 27 di trascinamento attraverso la ruota libera 32; in particolare, la ruota libera 32 è integrata nella ruota 37 dentata, cioè costituisce il mozzo della ruota 37 dentata, e trasmette il moto ad un albero 50 di collegamento che si innesta di testa sull’albero 27 di trascinamento. Preferibilmente, l’albero 50 di collegamento è vincolato all’albero 27 di trascinamento mediante un giunto 51 di Oldham (o, in alternativa, un giunto 51 di Schmidt) che permette un certo disassamento tra i due alberi 27 e 50 stessi; la funzione del giunto 51 di Oldham è di compensare le inevitabili tolleranza costruttive evitando di generare delle tensioni meccaniche derivanti da un non perfetto allineamento tra i due alberi 27 e 50. Il centraggio della macchina 8 elettrica viene effettuato rispetto all’albero 15 primario (cioè montando la macchina 8 elettrica viene ricercata la perfetta coassialità tra gli alberi 15 e 40); di conseguenza, tutte le tolleranze costruttive si scaricano nell’accoppiamento tra gli alberi 27 e 50 che quindi possono presentare una non perfetta coassialità e tali disallineamenti vengono assorbiti e compensati dal giunto 51 di Oldham.

Secondo una preferita forma di attuazione, l’encoder 47 legge la posizione angolare della corona della ruota 37 dentata (che ingrana permanentemente con la ruota 36 dentata e quindi è angolarmente solidale al rotore 48 ed all’albero 23 della macchina 8 elettrica); in particolare, la corona della ruota 37 dentata supporta un elemento 52 a tazza che sporge a sbalzo da un lato della ruota 37 dentata stessa ed è accoppiato all’encoder 47.

Secondo una preferita forma di attuazione, l’albero 40 di collegamento in prossimità della giunzione 41 presenta una zona 53 indebolita che è destinata a fratturarsi determinando una rottura controllata in caso di sovraccarichi eccessivi. In altre parole, in caso di errore nel controllo della macchina 8 elettrica è possibile che tra l’albero 15 primario del cambio 10 e l’albero 23 della macchina 8 elettrica si manifestino coppie anomale di intensità molto elevata che potrebbero determina la distruzione meccanica del cambio 10 e/o della macchina 8 elettrica; per evitare danneggiamento del cambio 10 e/o della macchina 8 elettrica, viene realizzata la zona 53 indebolita che si rompe quando la coppia agente sull’albero 40 di collegamento è troppo elevata (cioè supera un valore massimo stabilito in fase di progettazione). La sostituzione dell’albero 40 di collegamento dopo una rottura nella zona 53 indebolita è relativamente semplice e veloce, in quanto è possibile sfilare assialmente l’albero 40 di collegamento dalla macchina 8 elettrica dalla parte del dispositivo 38 di collegamento dopo avere aperto la giunzione 41 (ovviamente smontando preventivamente il dispositivo 38 di collegamento).

La ruota 37 dentata (che ingrana permanentemente con la ruota 36 dentata e quindi è angolarmente solidale al rotore 48 ed all’albero 23 della macchina 8 elettrica) porta anche in rotazione mediante una cascata di ingranaggi (non illustrata) una pompa 54 di circolazione che è parte di un circuito 55 di raffreddamento e lubrificazione della macchina 8 elettrica (illustrato nella figura 6) che verrà descritto in seguito.

La macchina 8 elettrica comprende una scatola 56, la quale alloggia al proprio interno il rotore 48, lo statore 49, l’albero 23, l’albero 40 di collegamento (che fuoriesce ad una propria estremità dalla scatola 56), la trasmissione 30 meccanica (cioè le ruote 36 e 37 dentate e la ruota 32 libera) e l’albero 50 di collegamento terminante con il giunto 51 di Oldham. La scatola 56 supporta direttamente lo statore 49, mentre supporta mediante dei cuscinetti 57 l’albero 23 (che supporta a sua volta direttamente il rotore 48 e mediante dei cuscinetti 58 l’albero 40 di collegamento), e supporta mediante dei cuscinetti 59 i componenti della trasmissione 30 meccanica. La scatola 56 della macchina 8 elettrica è realizzato in metallo e viene fissata (tipicamente avvitata) alla scatola 24 del cambio 10 per costituire un tutt’uno con la scatola 24 stessa; quando la scatola 56 della macchina 8 elettrica viene fissata alla scatola 24 del cambio 10 vengono contestualmente collegati tra loro l’albero 40 di collegamento e l’albero 15 primario mediante la giunzione 41 e l’albero 27 di trascinamento e l’albero 50 di collegamento mediante il giunto 51 di Oldham.

La trasmissione 7 sopra descritta presenta diversi vantaggi.

In primo luogo, la trasmissione 7 sopra descritta è di semplice ed economica realizzazione particolarmente partendo da una trasmissione esistente che non è nata per applicazioni ibride, in quanto la struttura generale del cambio 10 ed in particolare la posizione delle pompe 25 e 26 del cambio 10 non viene modificata; in sostanza, partendo da una trasmissione esistente che non è nata per applicazioni ibride gli unici interventi che devono venire effettuati sono l’allungamento dell’albero 15 primario e dell’albero 27 di trascinamento, l’inserimento delle ruote libere 31 e 32 e l’inserimento della trasmissione 30 meccanica.

Inoltre, nella trasmissione 7 sopra descritta in caso di trazione elettrica (cioè quando il motore 5 termico è spento), le frizioni 17 e 18 possono venire aperte in quanto le pompe 25 e 26 del cambio 10 vengono portate in rotazione attraverso la trasmissione 30 meccanica.

Infine, la trasmissione 7 sopra descritta è particolarmente efficiente dal punto di vista energetico in quanto quando il motore 5 termico è spento l’energia meccanica assorbita dalle pompe 25 e 26 del cambio 10 viene prelevata direttamente dall’albero 6 motore del motore 5 termico senza alcun tipo di conversione elettromeccanica.

Secondo quanto illustrato nella figura 6, all’interno della scatola 56 della macchina 8 elettrica è presente il circuito 55 di raffreddamento e lubrificazione che fa circolare nel rotore 48 e nello statore 49 dell’olio 60 avente la funzione di raffreddare il rotore 48 e lo statore 49; è importante sottolineare che l’olio 60 presenta delle buone caratteristiche dielettriche in modo da essere elettricamente isolante e quindi evitare la formazione ci corto-circuiti attraverso l’olio 60 stesso. Inoltre, il circuito 55 di raffreddamento e lubrificazione fa circolare nei cuscinetti 57, 58 e 59 l’olio 60 avente, in questo caso, la funzione di lubrificare i cuscinetti 57, 58 e 59 stessi.

Il circuito 55 di raffreddamento e lubrificazione comprende una coppa 61 di raccolta dell’olio 60 che è definita all’interno della scatola 56 e nella parte inferiore della scatola 56 stessa. La coppa 61 di raccolta ha la funzione di raccogliere l’olio 60 che per gravità scende verso il basso all’interno della scatola 56 e quindi costituisce un serbatoio dell’olio 60 stesso. In sostanza, il circuito 55 di raffreddamento e lubrificazione presenta una struttura a “carter secco” in cui l’olio 60 viene ciclicamente raccolto per gravità nella coppa 61 di raccolta definita nella parte inferiore della scatola 56.

Il circuito 55 di raffreddamento e lubrificazione comprende una camera 62 di raffreddamento anulare, la quale si sviluppa circolarmente attorno all’asse 39 di rotazione (cioè attorno all’albero 40 di collegamento) ed è disposta di fianco allo statore 49 della macchina 8 elettrica nel lato dello statore 49 rivolto verso il cambio 10 (cioè la camera 62 di raffreddamento è interposta tra il cambio 10 e lo statore 49). Da una porzione superiore della camera 62 di raffreddamento si originano alcuni ugelli 63 di raffreddamento (solo tre dei quali sono illustrati nella figura 6), i quali ricevono l’olio 60 in pressione dalla camera 62 di raffreddamento ed indirizzano un getto di olio 60 nebulizzato verso lo statore 49 della macchina 8 elettrica; in altre parole, grazie all’azione degli ugelli 63 di raffreddamento lo statore 49 (ed in parte anche il rotore 48 che è attiguo allo statore 49) è costantemente investito da una nebbia di olio 60. Tra lo statore 49 della macchina 8 elettrica e la parete della scatola 56 sono definiti dei canali 64 di raffreddamento (uno solo dei quali è illustrato nella figura 6) che sono disposti assialmente nella parte superiore dello statore 49 ed hanno la funzione di alimentare l’olio 60 “sparato” dagli ugelli 63 di raffreddamento lungo tutta la superficie esterna cilindrica dello statore 49.

Il circuito 55 di raffreddamento e lubrificazione comprende un canale 65 di distribuzione che è ricavato in posizione centrale all’interno dell’albero 40 di collegamento. Il canale 65 di distribuzione presenta una apertura centrale di ingresso dell’olio 60 ad una estremità dell’albero 40 di collegamento ed una pluralità di fori 66 di uscita, che sono disposti radialmente e sono ricavati attraverso l’albero 40 di collegamento per sfociare dall’albero 40 di collegamento stesso in corrispondenza dei cuscinetti 57 e 58, del dispositivo 38 di collegamento, e della ruota 36 dentata.

Secondo quanto illustrato nella figura 7, il circuito 55 di raffreddamento e lubrificazione comprende un canale 67 di distribuzione che è analogo al canale 65 di distribuzione ed è ricavato in posizione centrale all’interno dell’albero 50 di collegamento. Il canale 67 di distribuzione presenta una apertura centrale di ingresso dell’olio 60 ad una estremità dell’albero 40 di collegamento ed una pluralità di fori 68 di uscita, che sono disposti radialmente e sono ricavati attraverso l’albero 50 di collegamento per sfociare dall’albero 50 di collegamento stesso in corrispondenza dei cuscinetti 59, della ruota 32 libera e della ruota 37 dentata.

Secondo quanto illustrato nella figura 6, il circuito 55 di raffreddamento e lubrificazione comprende un radiatore 69 tipicamente di tipo aria-olio, mediante il quale l’olio 60 viene costantemente raffreddato da un flusso di aria normalmente generato dall’avanzamento dell’automobile 1. Il radiatore 69 riceve l’olio 60 in pressione dalla pompa 54 di circolazione che a sua volta pesca l’olio 60 dal fondo della coppa 61 di raccolta; da una uscita del radiatore 69, l’olio 60 in pressione viene alimentato alla camera 62 di raffreddamento anulare, al canale 64 di distribuzione dell’albero 40 di collegamento, ed al canale 67 di distribuzione dell’albero 50 di collegamento.

Viene di seguito descritto il funzionamento del circuito 55 di raffreddamento e lubrificazione con riferimento alle figure 6 e 7. In uso, la pompa 54 di circolazione pesca l’olio 60 dal fondo della coppa 61 di raccolta ed alimenta l’olio 60 in pressione attraverso il radiatore 69 e quindi alla camera 62 di raffreddamento anulare, al canale 64 di distribuzione dell’albero 40 di collegamento, ed al canale 67 di distribuzione dell’albero 50 di collegamento.

L’olio 60 che perviene all’interno della camera 62 di raffreddamento ha la funzione di raffreddare questa zona (quindi di asportare calore da questa zona) per evitare che il calore proveniente dal cambio 10 possa determinare un surriscaldamento della macchina 8 elettrica. In altre parole, il calore proveniente dal cambio 10 viene “schermato” dalla camera 62 di raffreddamento (che, come detto in precedenza, è interposta tra il cambio 10 e la macchina 8 elettrica) per evitare che tale calore possa raggiungere la macchina 8 elettrica. Inoltre, l’olio 60 che perviene all’interno della camera 62 di raffreddamento viene spruzzato dagli ugelli 63 di raffreddamento verso lo statore 49 della macchina 8 elettrica (e quindi, inevitabilmente, anche verso il rotore 48 che è disposto in prossimità dello statore 49) per raffreddare direttamente lo statore 49 (ed anche il rotore 48); per aumentare ed uniformare il raffreddamento dello statore 49, l’olio 60 che viene spruzzato dagli ugelli 63 di raffreddamento verso lo statore 49 scorre in parte anche lungo i canali 64 di raffreddamento assiali.

E’ importante osservare che gli ugelli 63 di raffreddamento sono concentrati maggiormente in una porzione superiore della camera 62 di raffreddamento (indicativamente in una metà superiore della camera 62 di raffreddamento), in quanto la parte bassa dello statore 49 è immersa a bagno nell’olio 60 contenuto nella coppa 61 di raccolta; inoltre, l’olio 60 che viene spruzzato dagli ugelli 63 di raffreddamento della porzione superiore della camera 62 di raffreddamento scende verso il basso (cioè verso la coppa 61 di raccolta) per gravità e quindi investe continuamente la porzione inferiore dello statore 49 (e quindi, inevitabilmente, anche del rotore 48 che è disposto in prossimità dello statore 49).

Secondo la forma di attuazione illustrata nella figura 6, è prevista una unica camera 62 di raffreddamento anulare disposta di fianco allo statore 49 della macchina 8 elettrica nel lato dello statore 49 rivolto verso il cambio 10 (come detto in precedenza la funzione principale della camera 62 di raffreddamento è di “schermare” il calore proveniente dal cambio 10). Secondo una diversa forma di attuazione non illustrata, sono previste due camere 62 di raffreddamento anulari tra loro specularmente identiche (quindi entrambe provviste di rispettivi ugelli 63 di raffreddamento) disposte da lati opposti dello statore 49.

L’olio 60 in pressione che viene alimentato nei canali 65 e 67 di distribuzione degli alberi 40 e 50 di collegamento fuoriesce dai fori 66 e 68 di uscita sia per la propria pressione, sia per effetto centrifugo e quindi va a lubrificare i cuscinetti 57, 58 e 59, il dispositivo 38 di collegamento, le ruote 36 e 37 dentate, e la ruota 32 libera. In questo modo, tutte le parti meccaniche rotanti vengono lubrificate ad olio garantendo una lubrificazione migliore e soprattutto costante nel tempo (al contrario una lubrificazione con grasso perdere efficacia nel tempo a causa del progressivo invecchiamento del grasso che tende a seccare); di conseguenza, la macchina 8 elettrica sopra descritta presenta una vita operativa molto lunga senza bisogno di interventi di manutenzione (se non, al limite, il cambio dell’olio 60 che è semplice e veloce).

Secondo quanto illustrato nella figura 11, il sistema 14 di accumulo comprende due banchi 70 di batterie tra loro gemelli ed indipendenti che sono collegati tra loro in serie. Inoltre, il sistema 14 di accumulo comprende per ciascun banco 70 di batterie un rispettivo interruttore 71 di bypass elettronico o elettromeccanico che è collegato in parallelo al banco 70 di batterie per costituire un bypass del banco 70 di batterie; in caso di guasto in un banco 70 di batterie, il banco 70 di batterie stesso viene escluso chiudendo il rispettivo interruttore 71 di bypass ed il sistema 14 di accumulo continua a lavorare solo con l’altro banco 70 di batterie.

Attraverso un interruttore 72 di separazione elettronico o elettromeccanico bipolare, il sistema 14 di accumulo è collegato al convertitore 13 elettronico di potenza. Il convertitore 13 elettronico di potenza è provvisto di un convertitore 73 bidirezionale continuacontinua (“DC-DC converter”) di tipo “Buck-Boost” che ha la funzione di modificare la tensione per collegare elettricamente il sistema 14 di accumulo che opera a media tensione (tipicamente 200 Volt quando entrambi i banchi 70 di batterie sono operativi) ed il convertitore 13 elettronico di potenza che opera ad alta tensione (tipicamente 650 Volt). Inoltre, il convertitore 13 elettronico di potenza comprende un inverter 74 trifase che nel lato a corrente continua è collegato al convertitore 73 bidirezionale e nel lato a corrente alternata è collegato a delle sbarre 75 trifase. Tra il convertitore 73 e l’inverter 74 sono collegati in parallelo un condensatore avente la funzione di ridurre le oscillazioni della tensione ed una resistenza (di valore elevato) avente la funzione di scaricare il condensatore quando il circuito non è utilizzato per evitare che nel circuito rimangano per tempi lunghi delle tensioni pericolose per un eventuale tecnico che effettua un intervento di manutenzione/riparazione.

La macchina 8 elettrica è collegate alle sbarre 75 trifase mediante un interruttore 76 di separazione elettronico o elettromeccanico tripolare. Inoltre, alle sbarre 75 trifase sono collegate un connettore 77 trifase (cioè dotato di tre morsetti collegati rispettivamente alle tre sbarre 75 trifase) ed un connettore 78 monofase (cioè dotato di due morsetti collegati rispettivamente a solo due delle tre sbarre 75 trifase).

Al sistema 14 di accumulo è collegato anche un convertitore 79 monodirezionale continua-continua (“DC-DC converter”) di tipo “Buck” che ha la funzione di ridurre la tensione per fornire in uscita una tensione di 12 Volt. L’uscita del convertitore 79 monodirezionale è collegato ad una batteria 80 del veicolo 1 e quindi ad un impianto 81 elettrico del veicolo 1 operante a 12 Volt. La funzione del convertitore 79 monodirezionale è di fornire all’impianto 81 elettrico del veicolo 1 l’energia necessaria al proprio funzionamento e di mantenere carica la batteria 80 del veicolo 1.

E’ prevista una unità 82 di controllo che ha la funzione di sovraintendere al funzionamento di tutti gli impianti elettrici comandando gli interruttori 71 di bypass e gli interruttori 72 e 76 di separazione, pilotando i convertitori 73 e 79 e pilotando l’inverter 74.

Normalmente, entrambi i banchi 70 di batterie sono attivi e sono tra loro collegati in serie per fornire all’uscita del sistema 14 di accumulo una tensione di 200 Volt (ciascun banco 70 di batteria presenta ai suoi morsetti una tensione di 100 Volt). In caso di guasto in un banco 70 di batterie, il banco 70 di batterie stesso viene escluso chiudendo il rispettivo interruttore 71 di bypass ed il sistema 14 di accumulo continua a lavorare solo con l’altro banco 70 di batterie; quindi all’uscita del sistema 14 di accumulo viene fornita una tensione dimezzata rispetto al valore nominale (100 Volt invece di 200 Volt) e tale dimezzamento della tensione viene compensato pilotando opportunamente i convertitori 73 e 79 in modo tale che all’uscita del convertitore 73 sia sempre presente la tensione nominale pari a 650 Volt ed all’uscita del convertitore 79 sia sempre presente la tensione nominale pari a 12 Volt.

Quando il veicolo 1 è in moto, l’interruttore 76 di separazione è chiuso in modo tale che l’inverter 74 possa pilotare la macchina 8 elettrica come motore o come generatore.

Quando il veicolo 1 è fermo, l’interruttore 76 di separazione è aperto ed è possibile ricaricare il sistema 14 di accumulo collegando le sbarre 75 trifase alla rete elettrica mediante il connettore 77 trifase oppure mediante un connettore 78 monofase; quando viene utilizzato il connettore 77 trifase tutti e tre i rami dell’inverter 74 sono attivi, mentre quando viene utilizzato il connettore 78 monofase solo due dei tre rami dell’inverter 74 sono attivi. Durante la ricarica dalla rete elettrica, l’inverte 74 ed il convertitore 73 vengono pilotati per fare in modo che la tensione alternata di rete in ingresso (normalmente 220 V tra fase e terra e 380 Volt tra due fasi) sia trasformata in una tensione continua di 200 Volt ai capi del sistema 15 di accumulo (100 Volt se uno dei due banco 70 di batterie è stato escluso mediante il rispettivo interruttore 71 di bypass).

Claims (9)

1. R I V E N D I C A Z I O N I 1) Macchina (8) elettrica per autotrazione comprendente: un rotore (48) montato girevole; uno statore (49) che è disposto in posizione fissa attorno al rotore (48); una scatola (56), la quale alloggia al proprio interno il rotore (48) e lo statore (49); ed un circuito (55) di raffreddamento e lubrificazione che fa circolare dell’olio (60) all’interno della scatola (56) ed è provvisto di una pompa (54) di circolazione che riceve il moto dal rotore (48); la macchina (8) elettrica è caratterizzata dal fatto che: il circuito (55) di raffreddamento e lubrificazione comprende una coppa (61) di raccolta dell’olio (60) che è definita all’interno della scatola (56) e nella parte inferiore della scatola (56) stessa; la pompa (54) di circolazione pesca l’olio (60) dalla coppa (61) di raccolta ed alimenta l’olio (60) in pressione ad una porzione superiore della scatola (56) in modo tale che l’olio (60) scendendo per gravità investa tutta la superficie esterna dello statore (49).
2. 2) Macchina (8) elettrica secondo la rivendicazione 1, in cui il circuito (55) di raffreddamento e lubrificazione comprende un radiatore (69) che è disposto all’esterno della scatola (56) e viene attraversato dall’olio (60) in pressione proveniente dalla pompa (54) di circolazione.
3. 3) Macchina (8) elettrica secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui il circuito (55) di raffreddamento e lubrificazione comprende degli ugelli (63) di raffreddamento che indirizzano un getto di olio (60) verso una porzione superiore dello statore (49) della macchina (8) elettrica.
4. 4) Macchina (8) elettrica secondo la rivendicazione 3, in cui nello statore (49) sono definiti dei canali (64) di raffreddamento disposti assialmente ed hanno la funzione di alimentare l’olio (60) “sparato” dagli ugelli (63) di raffreddamento lungo tutta l’estensione dello statore (49).
5. 5) Macchina (8) elettrica secondo la rivendicazione 3 o 4, in cui il circuito (55) di raffreddamento e lubrificazione comprende almeno una camera (62) di raffreddamento anulare che è disposta di fianco allo statore (49) della macchina (8) elettrica e riceve l’olio (60) in pressione; gli ugelli (63) di raffreddamento si originano da una porzione superiore della camera (62) di raffreddamento.
6. 6) Macchina (8) elettrica secondo una delle rivendicazioni da 1 a 5, in cui il circuito (55) di raffreddamento e lubrificazione comprende una camera (62) di raffreddamento anulare che riceve l’olio (60) in pressione ed è disposta di fianco allo statore (49) della macchina (8) elettrica nel lato dello statore (49) rivolto verso un cambio (10) che viene accoppiata alla macchina (8) elettrica.
7. 7) Macchina (8) elettrica secondo una delle rivendicazioni da 1 a 6, in cui all’interno della scatola (56) sono disposti dei cuscinetti (57, 58, 59) che supportano gli elementi girevoli; il circuito (55) di raffreddamento e lubrificazione fa circolare nei cuscinetti (57, 58, 59) dell’olio (60) avente la funzione di lubrificare i cuscinetti (57, 58, 59) stessi.
8. 8) Macchina (8) elettrica secondo la rivendicazione 7, in cui il circuito (55) di raffreddamento e lubrificazione comprende almeno un canale (65, 67) di distribuzione che è ricavato in posizione centrale all’interno di un albero (40, 50) portato dai cuscinetti (57, 58, 59); il canale (65, 67) di distribuzione presenta una apertura centrale di ingresso dell’olio (60) ad una estremità dell’albero (40, 50) di collegamento ed una pluralità di fori (66, 68) di uscita, che sono disposti radialmente e sono ricavati attraverso l’albero (40, 50) di collegamento per sfociare dall’albero (40, 50) di collegamento stesso in corrispondenza dei cuscinetti (57, 58, 59).
9. 9) Macchina (8) elettrica secondo una delle rivendicazioni da 1 a 8, in cui la parte bassa dello statore (49) è immersa a bagno nell’olio (60) contenuto nella coppa (61) di raccolta.