ITMI20000738A1

ITMI20000738A1 - Dispositivo di comando con motore elettrico trifase per elementi avvolgibili

Info

Publication number: ITMI20000738A1
Application number: IT2000MI000738A
Authority: IT
Inventors: Paolo Astengo
Original assignee: Paolo Astengo
Priority date: 2000-04-06
Filing date: 2000-04-06
Publication date: 2001-10-06
Also published as: EP1143101A2; US20020145349A1; EP1143101A3; ITMI20000738A0; US6628029B2

Description

Descrizione dell'invenzione avente per titolo:

"DISPOSITIVO DI COMANDO CON MOTORE ELETTRICO TRIFASE PER ELEMENTI AVVOLGIBILI"

La presente invenzione si riferisce ad un dispositivo di comando con motore elettrico trifase per elementi avvolgibili, quali persiane, serrande, tende da sole e simili.

Sono noti da tempo sul mercato dispositivi per comandare mediante un motore elettrico 1'avvolgimento e lo svolgimento di elementi avvolgibili. La struttura generale di questi dispositivi·>di comando noti, illustrata nelle figg. 1 e 2, comprende essenzialmente un motore elettrico M, un gruppo riduttore R, un gruppo freno elettromagnetico E e infine un gruppo di regolazione delle posizioni di fine corsa F. Queste componenti del dispositivo di comando, come è chiaramente visibile nelle figure, sono montate allineate all'interno di un unico tubo T da una cui estremità fuoriesce l'albero di comando C del riduttore, l'altra estremità essendo invece rigidamente fissata ad un primo vincolo esterno Ai, per esempio costituito dalla muratura del cassonetto di una persiana avvolgibile; il tubo T è dunque sottoposto ad uno sforzo di torsione pari alla coppia utile esercitata durante il sollevamento dell'elemento avvolgibile e viene dimensionato in funzione della coppia massima esprimibile dal motore M.

L'albero di comando C del riduttore, tramite una puleggia G cui è inchiavettato, trasmette il movimento ad un tubo H di avvolgimento dell'elemento avvolgibile, il quale ruota su un cuscinetto a strisciamento Bj.e un cuscinetto a rotolamento B2 rispettivamente fissati al tubo T e a un secondo vincolo esterno A2, il cuscinetto Bi supportando anche, sul suo anello esterno, una corona S di adattamento e di centraggio del tubo H sul tubo T. Il motore M, nelle costruzioni di tipo noto, è normalmente un motore asincrono monofase a doppio avvolgimento, per ottenere i due sensi di rotazione necessari; quando il motore M viene azionato, l'albero di comando C del riduttore mette in movimento la puleggia G e questa, a sua volta, il tubo H, permettendo quindi di ottenere l'avvolgimento o lo svolgimento dell'elemento avvolgibile, che è fissato infatti con una sua estremità, in modo del tutto convenzionale, alla parete laterale esterna del tubo H.

Il gruppo freno elettromagnetico E è normalmente in posizione di serraggio, grazie all'azione di mezzi a molla, e viene invece disimpegnato elettromagneticamente ogni volta che viene alimentata corrente al motore M, per permettere la rotazione del motore stesso e quindi dell'elemento avvolgibile.

Completa il dispositivo il gruppo di fine corsa F, solitamente costituito da due microinterruttori (uno per ogni senso di marcia) che ricevono l'informazione della posizione angolare del tubo H tramite un sistema ad aste filettate interno al gruppo fine corsa, tale sistema essendo comandato in modo meccanico dalla rotazione della corona S. La regolazione dei punti di fine corsa avviene tramite viti di regolazione esterne poste -lateralmente alla corona S o sistemi equivalenti. Con questo sistema, si riescono a determinare le posizioni di fine corsa dell'elemento avvolgibile con una precisione massima non inferiore a ± 15° di rotazione dell'elemento avvolgibile. Altri sistemi conosciuti di gruppi di fine corsa prevedono l'impiego di sistemi elettronici con funzione di ON/OFF ed eventualmente, in aggiunta, una limitazione della potenza erogata con scarsissimi margini di correzione, pari a circa il -30% della potenza massima; in questo caso la precisione di posizionamento del fine corsa migliora fino ad un valore di circa ± 5 ÷ 6° di rotazione del tubo H.

I dispositivi di comando noti del tipo sopradescritto presentano tuttavia alcuni inconvenienti, tra i quali soprattutto l'elevata rumorosità, il basso rendimento del motore elettrico e una ridotta durata della vita utile in assenza di manutenzione, inconvenienti che ne hanno fino ad oggi ostacolata una maggiore diffusione .

La rumorosità elevata è sostanzialmente dovuta alla presenza del riduttore di velocità meccanico, indispensabile per ridurre la velocità di rotazione dei motori elettrici monofase utilizzati in queste applicazioni, dalla loro velocità standard di rotazione di circa 2000 giri/min a quella, molto più bassa, necessaria per il comando dell'elemento avvolgibile (10 ÷ 25 g/min). Tali riduttori sono nella maggior parte dei casi costituiti da riduttori epicicloidali a tre stadi, del tipo illustrato nelle figg. 1 e 2, i quali, per il fatto che sono costituiti da.una notevole quantità di particolari meccanici di dimensioni ridotte e in movimento a forte velocità e in parte per l'esasperata riduzione dei costi di realizzazione e quindi della qualità dei materiali e delle tolleranze di lavorazione, sono origine di rumorosità e vibrazioni. Tali rumorosità e vibrazioni vengono poi ad aumentare con l'incremento del carico applicato e con l'usura del dispositivo, e risultano inoltre assai amplificate nelle tipiche applicazioni all'interno dei cassonetti per persiane avvolgibili, in cui si determina un effetto di "cassa armonica", fonte di notevole fastidio, specie nelle applicazioni domestiche e nell'uso nelle ore serali e notturne.

Il basso rendimento del motoriduttore elettrico è determinato sia dalla tipologia del motore stesso, sia dall'indispensabile presenza del riduttore, e si colloca complessivamente per il motoriduttore attorno al 10÷15% della potenza consumata. Questo basso rendimento determina, oltre ad un maggior consumo di energia, soprattutto un forte surriscaldamento del motore, limitando la durata di impiego continuato dei dispositivi di comando noti a periodi di tempo di 4÷5 minuti al massimo, con conseguenze negative in alcuni campi di applicazione quali per esempio 1*azionamento di tendaggi o serrande di grandi dimensioni avvolti su tubi di piccolo diametro. Inoltre, l'aumento del tempo massimo di funzionamento del motore si dimostrerebbe particolarmente utile per garantire la possibilità di effettuare efficacemente un'azionamento di "emergenza" comandato da dispositivi di sicurezza (ad esempio la "sicurezza vento" per tende da sole o, in generale, comandi provenienti da fotocellule o dispositivi analoghi in caso di azionamento di sicurezza di serrande), dopo una serie di azionamenti consecutivi che hanno già elevato la temperatura del motore.

Infine, proprio la presenza del riduttore meccanico è anche causa, nei dispositivi di comando noti, di una vita utile di durata eccessivamente breve in condizioni di prestazioni soddisfacenti e di assenza di manutenzione, come avviene tipicamente nelle applicazioni per uso domestico. A parte infatti le vere e proprie rotture che possono manifestarsi con una certa frequenza, la stessa usura delle parti meccaniche in movimento del riduttore porta frequentemente il dispositivo ad un livello tale di rumorosità, da richiederne la sostituzione o un'integrale manutenzione dopo un periodo di vita insoddisfacentemente breve.

Scopo della presente invenzione è dunque quello di fornire un dispositivo di comando per elementi avvolgibili che sia esente da questi inconvenienti e in particolare presenti: bassa rumorosità, anche dopo un uso prolungato; migliore rendimento del motore e quindi basso surriscaldamento e tempi di azionamento continuato più lunghi; più lunga vita utile in assenza di manutenzione.

Questi ed altri scopi vengono raggiunti, secondo la presente invenzione, da un dispositivo di comando per controllare la rotazione di un tubo di supporto di un elemento avvolgibile del tipo comprendente almeno un motore elettrico e mezzi di trasmissione del movimento di detto motore a detto tubo di supporto, caratterizzato da ciò che detto motore è un motore elettrico trifase avente un numero minimo di quattro poli.

Preferibilmente detti mezzi di trasmissione sono costituiti da un riduttore a stadio singolo, quale un riduttore pianocentrico .

Ulteriori caratteristiche dell'invenzione risulteranno comunque più chiare dalla descrizione che segue, data con riferimento ai disegni allegati che si riferiscono ad una preferita forma di esecuzione della stessa, e nei quali:

fig. 1 è una vista in sezione laterale del dispositivo di comando per elementi avvolgibili di tipo noto già più sopra descritto, inserito all'interno di un tubo di avvolgimento e supporto dell'elemento avvolgibile;

fig. 2 è una vista in sezione laterale e a scala ingrandita del solo dispositivo di comando di fig. 1;

fig. 3 è una vista analoga a fig. 2, che illustra il dispositivo di comando secondo la presente invenzione;

fig. 4 è uno schema a blocchi che illustra il sistema di alimentazione e di gestione del motore elettrico incorporato nel dispositivo della presente invenzione;

fig. 5 è uno schema del circuito elettrico di un motore asincrono monofase utilizzato nei dispositivi di comando noti; fig. 6 è uno schema del circuito elettrico del motore asincrono trifase utilizzato nel dispositivo di comando della presente invenzione;

fig. 7A e 7B sono viste rispettivamente in sezione trasversale e laterale e a scala ingrandita del gruppo riduttore compreso nel dispositivo di comando di fig. 3; e

fig. 8 è una vista in sezione laterale e a scala ingrandita del gruppo freno compreso nel dispositivo di comando di fig. 3.

In fig. 3 è illustrato il dispositivo di comando secondo la presente invenzione, che comprende essenzialmente un tubo 1, un motore elettrico 2 alloggiato all'interno del tubo 1, un albero 3 del motore che trascina in movimento, con la sua estremità di comando 3a, un gruppo riduttore 4, un gruppo freno 5 montato su detto albero 3, un rilevatore 6 della posizione angolare dell'albero 3, per esempio del tipo ad encoder ottici o ad effetto magnetico, e infine un'unità elettronica 7 di alimentazione e gestione del motore 2.

Il motore 2 è un motore asincrono trifase multipoli, e preferibilmente esso è un motore avente un numero minimo di quattro poli, così da ottenere una velocità di rotazione dell'albero 3 del motore pari alla metà di quella di un motore tradizionalmente usato in queste applicazioni, del tipo sopradescritto.

L'adozione di un motore del tipo sopraindicato permette di utilizzare un riduttore a stadio singolo anziché un riduttore a più stadi come nella tecnica nota precedente, con un rapporto di riduzione di circa 1/60-1/80. Secondo l'invenzione, un riduttore idoneo ad ottenere questo scopo è un riduttore pianocentrico, del tipo illustrato in maggior dettaglio nelle figg. 7a e 7b.

Tale riduttore è costituito da una ruota dentata 41 montata eccentrica e folle sull'estremità di comando 3a del motore 3, grazie all'interposizione del cuscinetto a sfere 42. La ruota dentata 41 è ingranata all'interno di una corona dentata 43 fissa, avente un numero di denti superiore di uno a quello della ruota dentata 42. Durante la rotazione del motore 3, il centro di rotazione della ruota dentata 41 viene spostato lungo un circonferenza avente centro sull'asse del motore 3 e raggio pari all'eccentricità di detta ruota, così che la ruota 41 viene via via portata in rotolamento sulla corona dentata 43. Per ogni giro completo compiuto dal motore 3, la ruota 41 subisce dunque una rotazione in direzione contraria di un dente, rotolando sul cuscinetto 42 e realizzando così un movimento rotatorio opposto a quello del motore 3 con un rapporto di riduzione pari a 1/N, dove N è il numero di denti della ruota dentata 41.

Il movimento rotatorio ridotto della ruota dentata 41 viene quindi trasferito all'albero di uscita 45 del riduttore grazie al fatto che questo termina, dalla parte del riduttore, con una pluralità di dita 44 che s'impegnano, con gioco, all'interno di corrispondenti fori previsti nella ruota dentata 41.

Un riduttore pianocentrico del tipo sopradescritto ha un rendimento alto e permette così di mantenere elevato il rendimento totale del gruppo motoriduttore. Esso inoltre è costituito da un numero ridotto di pezzi di dimensioni abbastanza elevate e non soffre quindi degli inconvenienti di usura, inaffidabilità e rumorosità sopra descritti in relazione ai riduttori di tipo epicicloidale.

Il gruppo di freno 5 è costituito da un freno del tipo a deviazione di flusso. Un tale tipo di freno, per sé noto, è disposto in modo coassiale al motore 2 e parzialmente all'interno dello stesso, così che esso risulta attraversato centralmente dall'albero 3 del motore. Il freno 5 comprende dunque una parte mobile costituita da un cilindro di ferro 51, su un'estremità del quale è fissato un disco 52 di supporto dell'elemento anulare di frizione 53. In posizione di riposo il cilindro 51 - e quindi l'elemento di frizione 53 ad esso fissato - è spinto contro una superficie fissa di contrasto 54 grazie all'azione di una molla 55 alloggiata in un'apposita sede 56 formata nel rotore del motore 2. Dal punto di vista elettrico, tale rotore viene inoltre modificato, eseguendo una modifica alla lavorazione delle cave "a gabbia di scoiattolo" tradizionale, per realizzare un anello di corto circuito 56.

Quando il motore 2 non è azionato, la molla 55 spinge l'elemento di frizione 53 contro la superficie di contrasto 54, mantenendo così perfettamente bloccato l'albero 3 del motore. Quando invece viene fornita corrente al motore 2, il deviatore di flusso costituito dall'anello di corto circuito 56 produce una forza di attrazione magnetica assiale capace di attrarre il cilindro 51 in contrasto all'azione della molla 55, liberando così alla rotazione l'albero 3 del motore.

L'unità elettronica 7 di alimentazione e di gestione del motore 2, comprende una serie di componenti organizzati secondo lo schema di fig. 4. Uno stadio di potenza 70 viene alimentato dalla corrente monofase della rete domestica e provvede, mediante un raddrizzatore e un inverter trifase, a trasformare il segnale ricevuto in un segnale alternato trifase per l'alimentazione del motore 2. L'inverter trifase viene pilotato da un generatore PWM 71, il quale genera un segnale specifico per ognuna delle tre fasi in funzione delle informazioni ricevute da un microcontrollore 72, variando sia lo stato logico del segnale (high/low), sia la fase del segnale, sia infine la durata della fase attiva (high) rispetto alla fase non attiva (low)

Il segnale elettrico prodotto dall'inverter, che è direttamente proporzionale al segnale emesso dal generatore PWM 71 può dunque essere regolato su ognuna delle tre fasi in modo preciso e puntuale. A questa operazione provvede il microcontrollore 72, il quale controlla e modifica in tempo reale e in continuo il segnale emesso dal generatore PWM 71 sulla base di un apposito algoritmo che elabora i dati relativi a: riferimenti esterni quali lo stato ON/OFF dei comandi di azionamento, il feedback del segnale di corrente sul motore 2 (linea 73, comprensiva di un convertitore analogico/digitale 74) e il feedback della posizione angolare dell'albero 3 del motore 2 (linea 75); dati calcolati, quali la velocità di rotazione dell'albero 3; e infine dati memorizzati in un'unità di memoria non volatile (EEP-ROM) contenuta nello stesso microcontrollore 72, quali la posizione dei fine corsa, la velocità e la coppia di regime, i gradienti di transitorio e simili.

L'algoritmo in base al quale opera il microcontrollore 72 deve permettere di ottimizzare il rendimento del motore 2 approssimando nel modo migliore i valori predefiniti di posizione, velocità, coppia e corrente del motore stesso. Esso costituisce un metodo di calcolo alla portata di un tecnico esperto del ramo, e per questo la sua analitica formulazione non rientra nell'oggetto della presente invenzione. Con questo tipo di controllo elettronico, il motore 2 può arrivare a rendimenti energetici molto elevati, per esempio fino al 903⁄4 dell'energia alimentata.

In una forma di esecuzione alternativa che prevede un notevole contenimento della capacità elaborativa e quindi del costo del controllo elettronico, l'unità elettronica 7 non prevede lo stadio di potenza sopra descritto, bensì l'alimentazione del motore 2 direttamente tramite l'alimentazione elettrica monofase a 220 V di tipo domestico, realizzando la seconda e la terza fase fittizia mediante la sfasatura della monofase con opportuni condensatori. In considerazione del fatto che la potenza di entrata del motore ha normalmente un valore massimo compreso entro 1 kW, la perdita di rendimento del motore è contenuta entro un 20 - 30%, ed è quindi possibile mantenere il rendimento totale del gruppo motoriduttore entro il 50-60% della potenza consumata, e cioè un valore nettamente più elevato dei motori di tipo noto.

L'adozione del motore asincrono trifase per il dispositivo di comando della presente invenzione consente infatti, come è noto, di avere un campo magnetico rotante perfettamente circolare e quindi di aumentare il rendimento del motore e diminuirne corrispondentemente la temperatura di esercizio, rispetto a quanto avviene nel caso dei motori asincroni monofase in cui il campo magnetico rotante prodotto ha una forma notevolmente ellittica dovuta alla dissimmetria dei campi magnetici formati dai suoi avvolgimenti .

Come è infatti illustrato in fig. 5, i motori dei dispositivi di comando noti sono motori asincroni monofase a doppio avvolgimento. In tali motori la rotazione in ciascun senso di marcia avviene alimentando il motore con la tensione nominale tra il conduttore comune 20 e uno dei due conduttori 21 e 22. In questo modo un avvolgimento è alimentato direttamente (non considerando la caduta di tensione provocata dall'avvolgimento del freno elettromagnetico E collegato in serie sul conduttore comune 20), mentre l'altro è alimentato attraverso il condensatore 23, e quindi con una tensione sfasata rispetto a quella dell'avvolgimento alimentato direttamente. I vettori che rappresentano il campo magnetico rotante determinato dai due avvolgimenti non hanno dunque modulo uguale; di conseguenza il campo magnetico risultante presenta la sopraddetta forma notevolmente ellittica che condiziona negativamente le caratteristiche del motore.

Al contrario, nel motore asincrono trifase del dispositivo di comando dell'invenzione, il cui circuito è illustrato in fig.

6, le tre fasi 31, 32 e 33 vengono alimentate come visto in modo indipendente e singolarmente controllato; è così possibile operare in modo che i campi magnetici rotanti prodotti dai singoli avvolgimenti del motore siano perfettamente uguali e quindi il campo magnetico complessivo sia circolare. Il raggiungimento di questo risultato è agevolato dal fatto che le condizioni di alimentazione dei singoli avvolgimenti non sono in questo caso condizionate dalla caduta di tensione sull'avvolgimento del freno elettromagnetico .

Un ulteriore vantaggio - possibile grazie alla presenza a bordo del dispositivo microcontrollore 72 - si verifica nella gestione dell'interruttore di protezione termica. Nei dispositivi di comando noti, detto interruttore 24 è posto in serie al conduttore comune 20, così che in caso di surriscaldamento del motore l'operatività del dispositivo di comando viene istantaneamente e irrimediabilmente interrotta. Al contrario, nel dispositivo di comando secondo la presente invenzione, l'interruttore di protezione termica 34 è disposto fisicamente a contatto degli avvolgimenti del motore 2 ma non è ad essi elettricamente connesso.

L'informazione di sovratemperatura non viene quindi utilizzata per interrompere il funzionamento del motore 2 ma inviata al microcontrollore 72 che può gestire tale informazione in modo diverso, per esempio riducendo la velocità o la coppia applicata o emettendo un segnale di allarme o ancora con altri sistemi, permettendo di mantenere una, sia pur ridotta, operatività del dispositivo di comando.

Si è prima affermato che il motore 2 ha preferibilmente un numero minimo di 4 poli, e infatti si è verificato che un motore di questo tipo permette di avere una velocità di regime più bassa dei motori tradizionali senza che questo comporti un'eccessiva complicazione strutturale del motore e quindi un'inaccettabile incremento dei costi. Resta ovviamente inteso che, a parte quest'ultimo problema, secondo l'invenzione potrebbero essere altrettanto favorevolmente utilizzati motori trifase aventi un numero più elevato di poli.

Dalla descrizione che precede dovrebbe risultare chiaro come la presente invenzione abbia pienamente raggiunto lo scopo prefisso, offrendo un dispositivo di comando per elementi avvolgibili dotato di rendimento elevato, silenzioso e particolarmente affidabile .

Grazie infatti all'adozione del motore elettrico asincrono trifase a quattro poli è possibile infatti ottenere: che la velocità massima a cui si muovono le parti in movimento del motoriduttore sia la metà della velocità massima dei motoriduttori tradizionali con corrispondente riduzione di attriti, usura e rumorosità; che il rendimento globale del motore aumenti notevolmente e quindi diminuiscano le problematiche dovute al surriscaldamento del motore e quindi si allunghino i tempi di funzionamento continuato, ovvero che, a parità di prestazioni, sia possibile adottare motori più economici; che possa essere utilizzato un riduttore a stadio singolo e di struttura più semplice, in grado di offrire un'affidabilità più elevata, una potenza resa finale più alta e una drastica riduzione della rumorosità e delle vibrazioni emesse. Il maggior rendimento complessivo del motore trifase, che anche nella forma di esecuzione più semplice sopra descritta arriva fino al 50 ÷ 603⁄4 della potenza consumata rispetto al 10 153⁄4 dei motoriduttori monofase di tipo noto, permette poi di avere un notevole risparmio energetico e dimensioni più contenute del dispositivo di comando a parità di potenza installata, e tempi di azionamento fino a 6 ÷ 7 volte più lunghi di quelli dei dispositivi di comando esistenti in commercio attualmente.

Claims

RIVENDICAZIONI 1) Dispositivo di comando per controllare la rotazione di un tubo di supporto di un elemento avvolgibile del tipo comprendente almeno un motore elettrico alloggiato in detto tubo e mezzi di trasmissione del movimento di detto motore a detto tubo di supporto, caratterizzato da ciò che detto motore è un motore elettrico trifase avente un numero minimo di quattro poli.
2) Dispositivo di comando come in 1), in cui detti mezzi di trasmissione sono costituiti da un riduttore meccanico a stadio singolo .
3) Dispositivo di comando come in 2), in cui detto riduttore meccanico a stadio singolo è un riduttore pianocentrico comprendente una ruota dentata montata a N denti, folle ed eccentrica sull'albero di uscita di detto motore e collegata all'albero di uscita del riduttore, detta ruota dentata essendo ingranata su una corona dentata fissa a N M denti, dove M è preferibilmente uguale a 1.
4) Dispositivo di comando come in 1), in cui detti mezzi di trasmissione sono costituiti da una connessione diretta, senza riduzione del numero di giri, tra l'albero di detto motore e detto tubo di supporto dell'elemento avvolgibile.
5) Dispositivo di comando come in 1), comprendente inoltre un freno a deviazione di flusso, coassiale a detto motore e parzialmente alloggiato all'interno dello stesso.
6) Dispositivo di comando come in 1), comprendente inoltre un rivelatore di posizione angolare fissato su un prolungamento dell'albero di detto motore.
7) Dispositivo di comando come in 6), in cui detto rivelatore di posizione angolare è un encoder ottico o magnetico.
8) Dispositivo di comando come in una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, comprendente inoltre un'unità elettronica di alimentazione e gestione di detto motore.
9) Dispositivo di comando come in 8), in cui detta unità elettronica comprende uno stadio di potenza in cui un segnale monofase viene trasformato, mediante un raddrizzatore ed un inverter trifase, in un segnale trifase di alimentazione di detto motore, detto inverter essendo pilotato da un generatore PWM controllato da un microcontrollore, sulla base di un algoritmo che elabora dati rilevati, dati calcolati e dati memorizzati in un'unità di memoria non volatile.
10) Dispositivo di comando come in 9), in cui detti dati rilevati comprendono lo stato ON/OFF dei comandi di azionamento, il feedback del segnale di corrente sul motore e il feedback della posizione angolare dell'albero del motore.
11) Dispositivo di comando come in 9), in cui detti dati calcolati comprendono la velocità dell'albero del motore.
12) Dispositivo di comando come in 9), in cui detti dati memorizzati comprendono la posizione dei fine corsa, la velocità e la coppia di regime, i gradienti di transitorio.
13) Dispositivo di comando come in 8),- comprendente inoltre un interruttore di protezione termica, il cui circuito è alimentato in parallelo al motore e controllato direttamente da detta unità elettronica.
14) Dispositivo come in una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, contenuto all'interno di un tubo coassiale all'albero del motore e solidale allo statore del motore.