ITMC20120009A1 - Sistema rotante per girobussola affidabile e a basso costo per trasferire dati e potenza elettrica senza contatti striscianti. - Google Patents

Description

Sistema rotante per girobussola affidabile e a basso costo per trasferire dati e potenza elettrica senza contatti striscianti - Descrizione

1. Motivazioni e finalità della tecnica

Sempre maggiore interesse rivestono i sistemi rotanti di giunzione ad alta affidabilità in grado di poter trasferire potenza elettrica e dati da una parte fissa d una parte rotante. E’ noto che la parte più fallace e costosa di un sistema rotante ò proprio la giunzione rotante. C’è quindi la necessità di avere un giunto rotante privo di manutenzione programmata e che sia il più affidabile possibile. In particolare per alcuni tipi di girobussole con parti rotanti e contatti striscianti, una nuova tecnica di giunzione rotante del tipo descritto rappresenterebbe una svolta in termini di durata ed affidabilità ad oggi limitate da tali contatti striscianti.

2. Stato dell’arte

Una girobussola è un sistema autonomo per la ricerca del nord vero indipendente da campi magnetici e sistemi satellitari quali ad esempio GPS. Tali girobussole utilizzano sensori inerziali quali accelerometri e o giroscopi in grado di calcolare la direzione del nord vero sfruttando il fatto chela terra ruota intorno ad un asse nord sud. Esistono diversi tipi di girobussole che utilizzano sensori inerziali allo stato solido oppure con tecnologie a massa rotante. L'invenzione riguarda in particolare le girobussole con sensori allo stato solido, ma che hanno parti in movimento. In particolare ci si riferisce a tecniche di ricerca del nord note come ad esempio riportate da Watson nel brevetto US5272922A oppure nell’articolo “Automatic north sensor using a fiber-optic gyroscope”, Tomohiro Tanaka in Applied Optics, voi 33 n.1, 1 Gennaio 1994 in cui un giroscopio allo stato solido viene fatto ruotare a basse velocità intorno al suo asse non sensibile su un piano orizzontale per misurare la velocita’ angolare della terra ottenendo un segnale sinusoidale il cui massimo, minimo e zeri rappresentano le posizioni cardinali. In questo caso la parte più vulnerabile del sistema risulta il giunto rotante a contatti striscianti che serve per portare potenza e segnali dalla parte statica al sensore rotante. Un giunto rotante consiste in un sistema per trasferire dati ed potenza elettrica tra una parte fìssa ed una parte rotante.

Sistemi girobussola con una base fissa e che necessitano di ruotare uno o più sensori inerziali solidali ad una parte ruotante che hanno bisogno di essere alimentati e o di trasferire e o ricevere dati e che sono tipicamente accoppiati a contatti striscianti (slip ring) soggetti ad usura. In qualche caso, la parte dati può’ essere trasferita separatamente con giunti ottici in aria o in fibra. Tali trasferimenti ottici hanno diversi svantaggi comuni dovuti al fatto che le sorgenti laser o led sono soggette a deterioramento e invecchiamento soprattutto con numerosi deli in temperatura o lavorando sempre ad alte temperature. In particolare il sistema in fibra ottica è molto costoso fallace in presenza di umidità o sporcizia mentre il sistema di trasferimento ottico in aria tende ad essere fallace in presenza di detriti, sporcizia e umidità in generale.

Tale giunzione rotante quindi è spesso è soggetta a manutenzione programmata nel caso di contati striscianti e intrinsecamente fallace nel caso di contatti ottid per trasmissione e o ricezione dati.

Esistono sistemi per trasmissione della potenza elettrica e dati senza contatto e di tipo induttivo il cui prindpio è noto e viene riportato qui un esempio di standard intemazionale Qi consultabile al sito http://www.wirelesspowerconsortium.com/ su cui sono disponibili numerosi articoli che spiegano la tecnica utilizzata per trasferire dati e potenza elettrica. Tale sistema di trasferimento di potenza e dati senza contatto fìsico è utilizzato per applicazioni come ad esempio ricarica di batterie ricaricabili di cellulari. Non vi è evidenza di utilizzo di tale metodo di trasferimento per applicazioni in rotazione quali ad esempio giunti rotanti per girobussole.

3. Limitazioni e svantaggi delle soluzioni esistenti

Le limitazioni principali delle soluzioni finora proposte sono le seguenti:

1) Una girobussola con sensori giroscopici allo stato solido e parti rotanti non veloci ha una durata della vita media limitata dal giunto rotante a contatti striscianti

2) Nel caso di un giunto rotante per dati e potenza elettrica a contatto strisciante la limitazione sta nell’usura del contatto

3) Nel caso di giunto ottico in aria la vulnerabilità a detriti, sporcizia e umidità uniti alla deteriorabilità della sorgente ottica

4) Nel caso di giunto ottico in fibra l’elevato costo, la vulnerabilità a detriti, sporcizia e umidità uniti alla deteriorabilità della sorgente ottica.

4. Descrizione delia soluzione proposta

Oggetto della presente invenzione è un sistema girobussola con giunto rotante che si basa su dispositivi ad induzione magnetica (tipicamente usati per caricare batterie ricaricabili come ad esempio spazzolini da denti, cellulari, riproduttori mp3, ecc) formati da una stazione base di trasmissione potenza e ricetrasmissione dati e da una parte mobile che riceve la potenza elettrica e ricetrasmette i dati. Scegliendo tale base e parte mobile con simmetria circolare è possibile avvicinare le due parti senza che si tocchino, tenere ferma la base e far ruotare la parte mobile trasferendo energia e dati da una parte all’altra senza contatto diretto. La simmetria circolare garantisce il corretto trasferimento della potenza e dati senza perdita di efficienza e dati durante la rotazione.

La Figura 1 mostra un disegno in prospettiva del sistema girobussola (100) con parte sensore giroscopio rotante (108). Una base (101) di sostegno, una scheda di calcolo dei segnali e di alimentazione (102), una scheda di controllo (103) del motore (107) e del modulo di trasferimento della potenza elettrica e ricetrasmissione dati statico (104), un modulo di ricezione potenza elettrica e ricetrasmissione dei dati rotante con relativa elettronica di controllo (105) solidale ed in rotazione con l'albero (201) del motore elettrico il cui statore (107) è fissato alla base (101) tramite il supporto (109), un encoder (106) il cui asse passante è collegato ed in rotazione all’albero (201) del motore, un sensore giroscopico (108) che necessita di ruotare solidale all’albero (202) del motore (107).

In Figura 2 un disegno in pianta della soluzione proposta. Le parti (104) e (105) sono essenzialmente spire circolari simmetriche. Viene in questa vista evidenziato anche l'albero motore (201).

La Figura 3 mostra la simmetria circolare delle linee di campo magnetico (301) generate da una spira circolare (302) percorsa da corrente (303) generata dalla parte statica (104). La parte rotante (105) riceve il campo magnetico accoppiato per vicinanza e la spira è percorsa dalla corrente elettrica. In Figura 4 vengono rappresentate le spire (404) e (405) corrispondenti rispettivamente alla parte statica (104) e alla parte rotante (105).

5. Vantaggi della soluzione proposta rispetto agli schemi tradizionali

1) Aumento dell’affidabilità e della durata della vita media dei sistemi girobussola con l'utilizzo di giunti rotanti senza contatti striscianti

2) Trasmissione di potenza elettrica da una parte statica ad una parte in rotazione senza contatti striscianti soggetti ad usura

3) Trasmissione di dati da una parte statica ad una parte in rotazione senza contatti striscianti soggetti ad usura e senza sistemi ottici soggetti ad usura o a problemi legati al deposito di detriti o umidità sulle superfici sensibili.

Claims (1)

1. Sistema rotante per girobussola affidabile e a basso costo per trasferire dati e potenza elettrica senza contatti striscianti - Rivendicazioni 1) Un metodo a basso costo per aumentare ('affidabilità’ di una girobussola che utilizza sensori inerziali allo stato solido, ma con parti in movimento rotanti lente sotto 200 giri al minuto eliminando l’uso di contatti striscianti e o sistemi ottici soggetti a difettosità per polvere e umidità’, basato viceversa su induzione elettro-magnetica per trasferire potenza elettrica e dati tra una parte statica (104) e una parte rotante (105) avvicinate, ma senza essere a contatto, caratterizzato dal fatto di comprendere almeno i seguenti componenti: a) Una parte statica (104) formata da spire elettriche con simmetria circolare percorse da corrente controllata da un opportuno circuito elettronico in grado di generare un campo elettromagnetico con simmetria circolare (301) b) Una parte rotante (105) formata da spire elettriche con simmetria circolare speculare alla parte statica (104) in grado di accoppiarsi efficientemente in maniera elettromagnetica con la parte statica (104) anche mentre ruota per via della simmetria circolare (301). c) Un sistema meccanico (109) in grado di avvicinare la parte statica e la parte rotante senza che tocchino Cuna con l’altra, ma abbastanza vicini da poter trasferire potenza elettrica e dati per induzione elettromagnetica mentre la parte ruotante (105) gira. d) Una scheda di alimentazione e calcolo (102) ed una scheda di controllo (103) che alimenti e controlli sia la parte statica (104) che la parte in rotazione (105), alimenti il motore (107) e l’encoder (106) e venga utilizzata per calcolare il nord vero in base ad un certo algoritmo e) La parte rotante (105) di tale giunto sia accoppiato con un albero motore (201), il quale motore non abbia contatti striscianti e abbia l’albero (201) con un foro passante f) La parte rotante (105) di tale giunto sia accoppiato con un encoder (106) ad induzione magnetica, il quale encoder non abbia contatti striscianti e sia accoppiato all’albero (201) con foro passante g) Un sensore inerziale (108) giroscopico e o accelerometro allo stato solido, solidale con l’albero cavo (201) in rotazione, alimentato tramite un cablaggio passante nell’albero cavo (201) del motore (107) e collegato alla parte rotante (105) in grado di ricevere senza fili potenza e trasmettere e ricevere dati a e da (104) ed in grado quindi di comunicare con la scheda di calcolo (102) affinché’ i dati possano essere usati da un appropriato algoritmo per il calcolo del nord vero.