ITFI20110087A1 - Procedimento per realizzare avvolgimenti di materiale conduttore su un nucleo polare - Google Patents

Description

PROCEDIMENTO PER REALIZZARE AWOLGIMENTI DI MATERIALE

CONDUTTORE SU UN NUCLEO POLARE

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda il settore dei metodi ed apparecchiature per realizzare macchine elettriche quali motori e alternatori. Più precisamente, sebbene non esclusivamente, essa si riferisce alla realizzazione di avvolgimenti statorici (o matasse) in cui i poli vengono avvolti singolarmente, e successivamente assemblati per formare uno statore completo.

Soluzioni del genere, nella tecnica nota, prevedono genericamente che un nucleo polare venga portato in rotazione attorno al proprio asse da un mandrino, con ciò trascinando ed avvolgendo un filo di materiale conduttore elettrico, tipicamente rame, che viene alimentato in direzione tangenziale verso il nucleo stesso. Per assicurare una soddisfacente produttività, la velocità di rotazione del mandrino deve necessariamente essere elevata, e questo aumenta la difficoltà dell’operazione, considerata in rapporto all’esigenza di disporre il filo in modo il più accurato possibile e di non compromettere l’integrità del filo, del proprio isolante, o dell’isolante previsto sul nucleo polare (con conseguente pericolo di corto circuito).

Lo scopo della presente invenzione è quello di fornire un procedimento per realizzare avvolgimenti di materiale conduttore su poli singoli, i quali consentano di disporre il materiale accuratamente e con il massimo grado di riempimento con maggiore affidabilità rispetto a quanto attualmente disponibile, minimizzando il rischio di danneggiamenti e dunque ottenendo un prodotto di qualità sensibilmente più elevata.

Tale scopo viene raggiunto con il procedimento per realizzare avvolgimenti di materiale conduttore su un nuclei polari le cui caratteristiche essenziali sono definite dalla rivendicazione 1 annessa.

Secondo l’invenzione, si prevede essenzialmente di controllare la rotazione del mandrino porta-nucleo, variando la velocità e l’accelerazione di rotazione nel tempo in modo continuo, e di usare la legge di moto del mandrino come riferimento unico per il controllo contemporaneo dei movimenti di tutti gli altri organi meccanici e parti necessarie alla distribuzione del filo sul polo.

In questo modo il dispositivo costituito dal mandrino e relativi organi meccanici è in grado di assicurare che il punto di contatto fra filo in avvolgimento e nucleo (o filo già avvolto sul polo, in caso di spire su più strati), segua traiettorie in cui vengono controllate contemporaneamente e simultaneamente:

· la posizione del punto di contatto o deposizione;

• la velocità del punto di contatto o deposizione;

• l’accelerazione del punto di contatto o deposizione.

La deposizione del filo sul nucleo polare avviene secondo geometrie e dinamiche precise che garantiscono il riempimento ottimale della cava, l’integrità del filo, l’integrità dell’isolante filo, e l’integrità dell’isolante cava. Si ottiene altresì: la minimizzazione degli sfregamenti del filo su parti della macchina, sul filo stesso e/o sul nucleo polare; la minimizzazione delle sollecitazioni di trazione sul filo e sul suo isolante durante l’avvolgimento; la minimizzazione delle deformazioni del filo e del suo isolante durante l’avvolgimento; la minimizzazione delle sollecitazione di compressione sull’isolamento cava con conseguente minimizzazione delle relative deformazioni.

Le caratteristiche e i vantaggi del procedimento per realizzare avvolgimenti di materiale conduttore su un nucleo polare secondo la presente invenzione risulteranno più chiaramente dalla descrizione che segue di una sua forma realizzativa, fatta a titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento ai disegni annessi in cui:

le figure da 1a a 1i sono rappresentazioni schematiche di un mandrino porta-pezzo per un nucleo polare, visto assialmente, e di un ago di alimentazione del filo di avvolgimento, in rispettive fasi successive del procedimento di avvolgimento secondo l’invenzione;

- le figure 2a e 2b sono diagrammi cartesiani rappresentativi della posizione dell’ago di alimentazione del filo lungo le coordinate X e Y, rispettivamente, indicate in figura 1a, rispetto all’angolo ed al tempo di rotazione del mandrino (riportati in ascissa) in un procedimento secondo l’invenzione;

la figura 3 è un diagramma cartesiano rappresentativo della velocità di rotazione del mandrino in rapporto all’angolo ed al tempo di rotazione dello stesso (riportati in ascissa), nell’esempio di procedimento di cui alle figure precedenti; le figure 4 e 5 rappresentano schematicamente, in viste prospettiche da differenti angolazioni, un gruppo di mandrino e relativa alimentazione del filo di avvolgimento atto ad operare secondo il procedimento dell’invenzione.

Con riferimento alle figure da 1a a 3, un procedimento secondo l’invenzione viene utilizzato in una apparecchiatura comprendente un mandrino 1 girevole attorno ad un asse Z, uscente perpendicolarmente dal foglio secondo le rappresentazioni schematiche delle figure da 1a ad 1i. Il mandrino 1 porta ad un’estremità libera o testa, serrandolo attraverso sistemi porta-pezzo di tipo in sé e per sé noto, un nucleo polare N, nella forma di un corpo allungato su cui deve essere avvolto un filo F in materiale conduttore, tipicamente rame.

Il nucleo N si estende con il proprio asse longitudinale in senso diametrale rispetto al mandrino, ed il filo F viene alimentato verso di esso in direzione tangenziale, uscendo da un beccuccio terminale 2a di un ago di alimentazione 2, che appunto definisce un canale di passaggio, sostanzialmente a misura, del filo.

Nella sola figura 1a, per semplicità illustrativa, sono indicati alcuni ulteriori riferimenti geometrici, ed in particolare assi X e Y che, con l’asse Z, completano una terna cartesiana avente origine sull’asse del mandrino. Il piano XY è in pratica un piano ortogonale all’asse di rotazione del mandrino ed è di norma un piano orizzontale. L’asse Y è parallelo alla direzione di alimentazione del filo F. Inoltre, è indicato con a l’angolo di rotazione del mandrino, solidalmente al quale ruota un morsetto 3 di bloccaggio del primo capo del filo uscente dall’ago 2.

Secondo l’invenzione, si prevede di azionare la rotazione del mandrino con una velocità angolare variabile in funzione del tempo, ed inoltre di variare e controllare (oltre eventualmente e vantaggiosamente ad altri parametri operativi di cui si dirà più avanti) almeno la posizione sul piano XY dell’ago 2, e dunque del punto di uscita del filo dal relativo beccuccio 2a, in modo coordinato alla velocità di rotazione del mandrino, il tutto secondo leggi preimpostate, al fine di massimizzare la regolarità geometrica dell’avvolgimento e di minimizzare le sollecitazioni di tensione sul filo e sul suo isolamento, evitando sfregamenti ed urti.

Un esempio di tali leggi è rappresentato nei diagrammi di cui alle figure 2a, 2b e 3. In figura 3 si nota in primo luogo come la velocità angolare vari a onda quadra tra un valore w ed un valore doppio 2 w, e più precisamente: partendo con il valore doppio dalla posizione di riferimento angolo nullo corrispondente alla situazione di figura 1a mantenendosi tale per un angolo spazzato pari a 135° (figura 1 d); dimezzandosi poi al valore w negli ulteriori 45° che portano l’angolo totale coperto a 180° (figura 1 e); tornando doppia per ulteriori 135° fino alla condizione di figura 1 h; ed infine mantenendosi al valore w per i restanti 45° necessari a completare l’angolo giro che riporta il nucleo polare N nella posizione iniziale (figura 1i). In ascissa in figura 3 si noterà altresì come a fronte di una scala di tempi scandita in modo regolare, la rappresentazione dell’angolo a spazzato sia irregolare, proprio perché nelle zone in cui si ha la velocità minore, a parità di tempo viene coperto un angolo maggiore (ed ovviamente viceversa).

Le figure 2a e 2b mostrano invece come, in rapporto alla suddetta legge di variazione della velocità, muti la posizione sul piano XY del beccuccio 2a. Concettualmente, tale mutamento è funzionale ad un vero e proprio inseguimento, da parte del punto di rilascio del filo determinato dal beccuccio, del punto di deposizione del filo F sul nucleo polare N, punto che percorre in pratica due traiettorie semicircolari per effetto della rotazione del mandrino.

Nelle figure da 1a a 1d si può in particolare seguire una prima traiettoria semicircolare che accompagna i primi 180° di un ciclo di rotazione del mandrino, con il beccuccio che avanza e arretra (movimento lungo l’asse Y) e si sposta lateralmente nei due sensi fino a riportarsi nella condizione iniziale (corrispondente ad un sostanziale allineamento con l’asse longitudinale del nucleo polare N). Superati i 180° di rotazione (figura 1e) il punto di deposizione del filo F si ripresenta nella posizione iniziale, cioè nei pressi del beccuccio 2a arretrato e, in direzione X, centrato sull’asse del mandrino. A quel punto (figure da 1e a 1i) si ha una nuova traiettoria semicircolare identica alla precedente, e conseguentemente analogo movimento del beccuccio.

La velocità di rotazione del mandrino è coordinata con il movimento del beccuccio in modo da essere maggiore (2w) finché il beccuccio avanza (fino cioè ad una copertura angolare di 135°), e minore (w) per fornire al beccuccio più tempo per arretrare. Lungo la seconda parte del ciclo di deposizione e avvolgimento sopra descritto (un angolo giro di rotazione del mandrino), la posizione in direzione Z dell’ago 2 varierà in modo controllato per ottimizzare la stratificazione deN’avvolgimento, e sarà comunque a sua volta asservita al movimento rotatorio del mandrino.

Entrando ancor più nel dettaglio, i diagrammi delle figure 2a e 2b rappresentano analiticamente esempi di possibili leggi che vantaggiosamente determinano i movimenti del beccuccio nelle coordinate Y e X, rispettivamente. Dalla figura 2a si evince una legge di spostamento Y rispetto al tempo sostanzialmente a onda triangolare, con minimo (cioè massimo avanzamento considerato che per convenzione il verso positivo di Y è in allontanamento dal mandrino) in corrispondenza di angoli spazzati pari a 135° (figura 1d) ed a 315° (figura 1 h) , e creste ad angolo 0°, 180°, 360° (rispettivamente figure 1a, 1e ed 1 i), con massima elevazione (minimo avanzamento) al valore 180°.

La rampa di salita (arretramento) sarà vantaggiosamente dritta, corrispondendo al ritorno del punto di deposizione in senso diametrale, ed all’angolo di rotazione del mandrino a velocità rallentata w, mentre sulla rampa di discesa (avanzamento del beccuccio) potranno riscontrarsi leggere variazioni di velocità che rispondono alla variazione della componente Y della velocità del punto di deposizione nella sua traiettoria semicircolare.

Parimenti, la legge di moto del beccuccio nella direzione X (figura 2b). avrà un andamento sostanzialmente sinusoidale (ma con ramo negativo ribaltato sul semipiano positivo). Più in dettaglio si nota una salita più ripida (decentramento del beccuccio più veloce) ed una discesa (ritorno in posizione centrale) più dolce, identicamente in ciascuna delle due traiettorie a semicerchio di un giro completo del mandrino. Sia in salita che in discesa si riscontrano cambi di pendenza legati anche in questo caso all’esigenza di inseguimento della relativa componente di velocità del punto di deposizione.

Ovviamente, il ciclo sopra descritto andrà a ripetersi un determinato numero di volte fino al completamento dell’avvolgimento desiderato, il movimento dell’ago lungo i tre assi subendo eventualmente degli aggiustamenti che tengano conto del variare delle condizioni geometriche mano a mano che l’avvolgimento si accresce.

Con riferimento adesso anche alle figure 4 e 5, il procedimento secondo l'invenzione è attuabile con una apparecchiatura che può prevedere una pluralità di mandrini 11 affiancati in parallelo, ciascuno servito per l’alimentazione di filo da un proprio ago 12 ed a monte di questo da un tensionatore del filo 13. Un unico di tali gruppi è rappresentato nelle suddette figure.

Su una testa porta-pezzo 111 del mandrino 11 viene serrato un nucleo polare N. La testa 111 è azionata da mezzi di azionamento, non rappresentati, che attraverso rispettivi sistemi di trasmissione a cinghie dentate 112, alimentano la rotazione attorno all’asse Z, alla velocità desiderata, e sono anche in grado di controllare una possibile reclinazione della testa attorno ad un asse H. giacente sul piano XY.

A monte di ciascun mandrino 11 il relativo ago di alimentazione 12 è supportato da un carro 121 montato su una prima guida lineare 122 che la rende scorrevole lungo la direzione X. Tale assieme di traversa e guida, eventualmente unico per più aghi 12 affiancati dei diversi gruppi, è supportato da una slitta 123 mobile in avanzamento ed in arretramento lungo la direzione Y, essendo scorrevole su seconde guide lineari 124 a loro volta supportate da una mensola 125, connessa alla struttura portante esterna, rappresentata schematicamente ed indicata con 10, in modo da risultare sollevabile lungo l’asse Z.

Gli azionamenti di alimentazione delle componenti appena menzionate sono forniti rispettivamente: da un primo motore 127 di azionamento dell’ago, montato solidalmente alla slitta 123 ed operante sul carro 121, per spostarlo lungo la direzione X, attraverso una prima trasmissione a vite senza fine 127a; un secondo motore 128 di alimentazione dell’ago, montato solidalmente alla mensola 125 ed operante sulla slitta 123 per spostarla lungo la direzione Y, attraverso una seconda trasmissione a vite senza fine 128a; ed un terzo motore di alimentazione dell’ago, non rappresentato, montato solidalmente alla struttura portante 10 ed operante sulla mensola 125 per spostarla lungo la direzione Z, attraverso una terza trasmissione a vite senza fine 129.

Tutti questi azionamenti sono vantaggiosamente asserviti ad un sistema di controllo basato sul fondamentale riferimento fornito dalla legge di variazione del moto del mandrino, per cui il sistema di controllo, determinato da un’unità logica programmabile non rappresentata in quanto di per sé ovviamente implementabile, regola non solo, e ad esempio come da leggi sopra discusse, la posizione X e Y dell’ago, ma anche quella in altezza (direzione Z) dell’ago stesso in risposta al variare della velocità di rotazione del mandrino, ed anche eventualmente dell’angolo con cui può essere inclinata la relativa testa.

A monte dell’ago 12, il filo F, proveniente da un aspo non mostrato, subisce l’azione di un tensionatore 13 il quale, ad esempio attraverso rulli motorizzati interni, non rappresentati, è in grado di trattenere o rilasciare il filo F per fornire un’ulteriore regolazione di controllo, anche in questo caso asservita alla velocità di rotazione del mandrino.

Si comprenderanno facilmente da quanto precede le prerogative vantaggiose del procedimento secondo l’invenzione e della relativa apparecchiatura. L’invenzione, grazie al sistema di avvolgimento con preciso controllo sia geometrico, sia dinamico (velocità ed accelerazioni), consente di realizzare un avvolgimento del nucleo polare con il massimo coefficiente di riempimento della cava risultante dall’assemblaggio dei poli, contestualmente salvaguardando l’integrità del filo fino ad avvolgimento completato, minimizzando la sollecitazione meccanica sul filo ed evitando sfregamenti sullo stesso.

Come visto, la pratica attuazione del procedimento secondo l’invenzione può prevedere l’utilizzo del mandrino porta-nucleo in accoppiamento con un ago porta filo in grado di muoversi su tre assi cartesiani e con un tensionatore del filo in grado di spingere il filo stesso o retrarlo in modo controllato. La posizione dell’ago portafilo rispetto all’ asse di rotazione del mandrino è regolata in funzione della legge di rotazione del mandrino, così come la corsa del filo all'interno del tensionatore.

Peraltro, un procedimento secondo l’invenzione potrà essere realizzato anche con mezzi di alimentazione fissi e mandrino (e dunque nucleo) spostabile lungo almeno le direzioni X e Y (ed eventualmente anche la direzione Z). Tutte le considerazioni sopra svolte circa la legge di moto della rotazione del mandrino e il relativo controllo di posizione sulla terna XYX si applicheranno per analogia, mutatis mutandis, a tale differente soluzione realizzativa.

La legge di moto del mandrino sopra descritta a titolo esemplificativo, ed in cascata dell’ago porta-filo e del tensionatore, pur vantaggiose, possono essere diverse anche in funzione di altri parametri secondari quali: la dimensione del nucleo polare, la sezione del filo, le caratteristiche geometriche, meccaniche ed elettriche dell’ isolamento, le caratteristiche geometriche, meccaniche ed elettriche dell’isolamento cava eventualmente presente sul nucleo polare o su simili elemento usati per avvolgere il filo in forma di bobina.

L’invenzione è in generale applicabile ad un mandrino da usare nell’avvolgimento di filo di rame su di un nucleo polare di uno statore per macchina elettrica e, anche se non limitata a ciò, è specialmente destinata all’avvolgimento di poli di motori elettrici multifase e/o multipolo. Come detto, la destinazione principale e più specifica è quella delle macchine avvolgitrici di poli singoli, da utilizzarsi in accoppiamento con altre macchine per l’assemblaggio di statori di macchine elettriche. In ogni caso, aspetti dell’invenzione possono essere utili anche nell’avvolgimento di altri componenti elettrici e/o elettromeccanici

La presente invenzione è stata in ogni caso fin qui descritta con riferimento a una forma preferita di realizzazione. È da intendersi che possano esistere altre forme di realizzazione che afferiscono al medesimo nucleo inventivo, come definito dall’ambito di protezione delle rivendicazioni qui di seguito riportate.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per realizzare un avvolgimento di materiale conduttore su un nucleo polare, in cui detto nucleo polare viene portato in rotazione attorno ad un asse di rotazione (Z) trascinando ed avvolgendo un filo (F) di detto materiale conduttore alimentato verso il nucleo stesso, caratterizzato dal fatto che detto nucleo viene portato in rotazione ad una velocità angolare variabile secondo una legge predeterminata, e l’alimentazione del filo sul nucleo viene controllata in relazione a detta legge.
2. 2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, in cui il controllo di alimentazione del filo prevede un controllo di posizione di mezzi di distribuzione del filo almeno su un piano (X. Y) normale a detto asse di rotazione (Z), per cui almeno un punto di rilascio del filo da parte di detti mezzi di distribuzione insegue un punto di deposizione del filo (F) su detto nucleo.
3. 3. Procedimento secondo la rivendicazione 2, in cui detto controllo di posizione prevede un movimento di avanzamento e arretramento lungo una direzione (Y) di alimentazione del filo (F) ed un movimento di spostamento laterale lungo una direzione trasversale (X) ortogonale a detta direzione di alimentazione (Y).
4. 4. Procedimento secondo la rivendicazione 3, in cui una relazione tra velocità di rotazione ed il movimento di detti mezzi di distribuzione è tale che un aumento della velocità angolare del nucleo corrisponde ad un avanzamento dei mezzi di distribuzione lungo detta direzione di alimentazione (Y) verso il nucleo, mentre ad un arretramento lungo la medesima direzione corrisponde una diminuzione di detta velocità angolare.
5. 5. Procedimento secondo la rivendicazione 4, in cui detto punto di deposizione del filo percorre per ciascuna spira di avvolgimento due traiettorie semicircolari sovrapposte, detta legge prevedendo una variazione della velocità angolare del nucleo a onda quadra tra una velocità maggiore ed una velocità minore, ad una prima parte e ad una seconda parte di ciascuna traiettoria semicircolare essendo associate rispettivamente detta velocità di rotazione maggiore e detta velocità di rotazione minore, e, sempre rispettivamente, un avanzamento ed un arretramento di detto punto di rilascio del filo lungo detta direzione di alimentazione (Y).
6. 6. Procedimento secondo la rivendicazione 5, in cui detto punto di rilascio si muove lungo detta direzione trasversale (X) seguendo una funzione di posizione rispetto al tempo di andamento sostanzialmente sinusoidale con ramo negativo ribaltato sul semipiano positivo.
7. 7. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 2 a 6, in cui detto punto di rilascio si muove anche lungo una direzione (Z) parallela all’asse di rotazione del nucleo, sempre controllato in relazione a detta legge di variazione della velocità di rotazione del nucleo.
8. 8. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta legge di variazione della velocità di rotazione del nucleo prevede una variazione di accelerazione rispetto al tempo.
9. 9. Apparecchiatura per la realizzazione del procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 3 a 8, in cui detti mezzi di distribuzione comprendono un ago con un’estremità che definisce detto punto di rilascio, supportato da mezzi di supporto atti a consentirne lo spostamento controllato almeno lungo detta direzione di alimentazione (Y) e detta direzione trasversale (X).
10. 10. Apparecchiatura per la realizzazione del procedimento secondo la rivendicazione 1 , in cui detto nucleo è portato in rotazione da un mandrino supportato da mezzi di supporto atti a consentirne lo spostamento controllato almeno su un piano (X. Y) normale a detto asse di rotazione (Z).