ITMI20081265A1 - Motore rotativo elettrico a trascinamento intrinseco - Google Patents

Description

Descrizione della domanda di brevetto per invenzione dal titolo: “Motore rotativo elettrico a trascinamento intrinseco"

Descrizione

La presente invenzione si riferisce a un motore elettrico rotativo a trascinamento intrinseco.

Più in particolare, la presente invenzione si riferisce a un motore elettrico rotativo, tipicamente del tipo brushless e formato dalla combinazione di due rotori concentrici e di uno statore comune.

Un tale tipo di motore trova particolare applicazione nel settore ‘'automotive" a sostituzione dei motori elettrici tradizionali per porre in rotazione, ad esempio, la girante di una pompa per la circolazione di fluidi refrigeranti in un motore a combustione interna o in una cella di combustibile o "fuel celi".

E' noto che, nel caso particolare ma non esclusivo dei motori a combustione interna, è fondamentale attuare la circolazione di determinati fluidi per specifici scopi, come ad esempio il raffreddamento o la lubrificazione di particolari organi o parti del motore; ciò allo scopo di garantire un efficiente e durevole funzionamento del motore medesimo. Tradizionalmente viene utilizzata una pompa la cui girante è posta in rotazione da una puleggia motrice o da altro organo motore, che risulta essere sempre in un regime di rotazione con una velocità proporzionale o uguale a quella del motore del veicolo.

L<’>utilizzo di un motore elettrico consente di porre in rotazione la pompa e di regolarne la velocità in funzione delle specìfiche esigenze di funzionamento.

Tuttavia, entrambe queste tradizionali soluzioni applicative presentano degli inconvenienti di rilievo, connessi al fatto che la girante è immersa in acqua o in altro fluido e per realizzare la tenuta e scongiurare la fuoriuscita di fluido verso gli elementi responsabili della rotazione della puleggia vengono impiegati degli elementi di tenuta, fortemente soggetti ad usura primaria causa della frequente sostituzione della pompa.

Ulteriormente svantaggioso è il fatto che i sistemi tradizionali richiedono lunghi tempi di manutenzione e si caratterizzano per difficoltà legate alle operazioni di montaggio/smontaggio dei componenti, con conseguente aumento dei costi connessi.

Un ulteriore svantaggio è rappresentato dal fatto che l'eventuale motore elettrico utilizzato per porre in rotazione la girante della pompa non è di tipo "fail safe", ossia non assicura un funzionamento sicuro della girante della pompa anche in caso di malfunzionamento o guasto del motore o della rete di alimentazione elettrica.

Scopo della presente invenzione è quello di ovviare agli inconvenienti sopra riportati.

Più in particolare, lo scopo della presente invenzione è quello di provvedere un motore elettrico rotativo a trascinamento intrinseco compatto, dagli ingombri contenuti oltre che di semplice e agevole applicazione.

Ulteriore scopo della presente invenzione è quello di provvedere un motore rotativo elettrico da accoppiarsi a una pompa di un circuito di raffreddamento<,>ad esempio di un motore di automobile,così da consentire l<'>eliminazione di quegli elementi di tenuta ad alto rischio di usura causa di complicazioni con riferimento alla vita utile della pompa medesima.

Un ulteriore scopo della presente invenzione è quello di definire un motore rotativo elettrico di tipo “fail-safe” o agevolmente confìgurabile come tale,ossia un motore che, in caso di malfunzionamento o guasto elettrico, permetta alla pompa di continuare a svolgere la propria funzione seppur, eventualmente, con funzionalità ridotta.

Ulteriore scopo delia presente invenzione è quello di mettere a disposizione degli utilizzatori un motore elettrico rotativo a trascinamento intrinseco atto a garantire un elevato livello di resistenza e affidabilità nel tempo e tale, inoltre, da poter essere facilmente ed economicamente realizzato.

Questi e altri scopi vengono raggiunti dal motore elettrico rotativo a trascinamento intrinseco della presente invenzione comprendente uno statore, con denti e cave in cui sono posti gli avvolgimenti elettrici, un primo rotore o rotore esterno e un secondo rotore o rotore interno tra loro coassiali, un giogo calettato su un albero, con detto motore che comprende mezzi atti a consentire un disaccoppiamento magnetico tra io statore e il rotore interno e/o mezzi atti a smorzare eventuali oscillazioni del rotore interno rispetto al rotore esterno.

Le caratteristiche costruttive e funzionali del motore elettrico rotativo a trascinamento intrinseco della presente invenzione, potranno essere meglio comprese dalla dettagliata descrizione che segue, nella quale si fa riferimento alle allegate tavole di disegno che ne rappresentano una forma di realizzazione preferita e non limitativa e in cui:

la figura 1 rappresenta schematicamente una vista frontale del motore elettrico rotativo a trascinamento intrinseco della presente invenzione; la figura 2 rappresenta una vista frontale schematica del motore elettrico dell'invenzione secondo una prima forma di realizzazione alternativa;

la figura 3 rappresenta una vista schematica e in sezione longitudinale di una porzione del motore rotativo elettrico;

la figura 4 rappresenta una vista schematica in sezione trasversale della porzione di motore rotativo elettrico di cui alla figura precedente;

la figura 5 rappresenta schematicamente una vista frontale del motore rotativo elettrico secondo una ulteriore forma di realizzazione alternativa. Con riferimento alle citate figure, il motore elettrico rotativo a trascinamento intrinseco della presente invenzione, indicato nel complesso con 10, comprende uno statore 12 di tipo convenzionale di forma cilindrica e dotato di denti 14 e cave in cui sono disposti gli avvolgimenti elettrici 16. Internamente allo statore 12 e coassialmente a esso è disposto un primo rotore o rotore esterno 18.

Coassialmente e internamente al primo rotore o rotore esterno 18 è alloggiato un secondo rotore 20 o rotore interno; detto rotore interno 20 è disposto coassialmente a un giogo 22 realizzato in materiale ferromagnetico. Tale giogo 22 è a sua volta calettato su un albero 24 collegato di preferenza con la girante di una pompa (non rappresentata nelle figure) utilizzata di preferenza per la circolazione di un fluido di raffreddamento; in alternativa, l'albero 24 opportunamente sagomato e realizzato in materiale ferromagnetico può fungere esso stesso da giogo. Il giogo 22 ha la funzione di migliorare l’accoppiamento magnetico stabilito tra il rotore esterno 18 e il rotore interno 20 così da consentire la trasmissione di coppie elevate.

Con riferimento particolare alle figure 1 , 3 e 4, il motore dell’invenzione, secondo una prima forma di realizzazione, comprende un rotore esterno 18, costituito da un giogo magnetico 30 definente la base del rotore esterno medesimo.

Tale giogo magnetico 30 ha la funzione di realizzare un disaccoppiamento magnetico tra lo statore 12 e il rotore interno 20 del motore rotativo elettrico.

Il rotore esterno 18 è costituito, inoltre, da uno o più magneti permanenti rispettivamente esterni 26 e interni 26’ al giogo magnetico 30; tali magneti, polarizzati radialmente a settori e con polarità alternate sono realizzati ad esempio in NdFeB (Neodimio-Ferro-Boro), AlNiCo (Alluminio-Nichel-Cobalto), SmCo (Samario-Cobalto) o altro idoneo materiale magnetico permanente.

Il numero dei magneti esterni 26 può, inoltre, essere differente dal numero dei magneti interni 26’; ciò è dovuto all'effetto schermante del giogo magnetico 30, infatti il campo magnetico ''esterno" al giogo magnetico 30 non riesce ad attraversarlo e a influenzare i magneti posti all’interno del giogo stesso.

Detti magneti esterni 26 e interni 26’ sono fissati al giogo magnetico 30 tramite incollaggio o in altro modo noto.

Con riferimento particolare alla figura 4, il giogo magnetico 30 presenta, sia sulla superficie laterale esterna che su quella interna, una pluralità di cave con profilo sagomato, tipicamente ma non esclusivamente a “cosa di rondine", in numero pari a quello dei magneti ed estese in direzione longitudinale; dette cave definiscono la sede di alloggiamento dei magneti esterni 26 e interni 26'.

Al giogo magnetico 30 è, inoltre, fissato con collegamento di tipo filettato o in altro equivalente modo noto un'espansione o ulteriore albero 27 sul quale è calettata la puleggia motrice (non rappresentata nelle figure). Anche il secondo rotore o rotore interno 20, così come il rotore esterno 18, è costituito da uno o più ulteriori magneti 28, permanenti e polarizzati radialmente; tali ulteriori magneti 28, come nel caso dei magneti del rotore esterno 18, sono realizzati ad esempio in NdFeB (Neodimio-Ferro-Boro), AINiCo (Alluminio-Nichel-Cobalto), SmCo (Samario-Cobalto) o in altro idoneo materiale magnetico permanente.

Il funzionamento del motore rotativo a trascinamento magnetico della presente invenzione, secondo la forma di realizzazione preferita di cui alla figura 1 , è di seguito descritto.

Gli avvolgimenti elettrici 16 dello statore 12, quando percorsi da corrente elettrica, generano un campo magnetico rotante; tale campo magnetico, interagendo con il campo magnetico prodotto dai magneti esterni 26 del rotore esterno 18, pone il rotore medesimo in rotazione nello stesso senso del campo magnetico dello statore 12 con una frequenza che è funzione della frequenza di alimentazione dello statore 12 medesimo.

I magneti interni 26’ del rotore esterno 18, invece, garantiscono il trascinamento magnetico dello stesso rotore esterno 18 e del rotore interno 20,

La figura 2 illustra una prima forma di realizzazione alternativa a quella preferita sopra descritta,

II motore rotativo elettrico dell' invenzione, sviluppato in accordo con tale prima forma di realizzazione alternativa e individuato con 10’ alla figura 2, comprende gli stessi elementi costitutivi sopra descritti con riferimento alla torma di realizzazione preferita di cui alla figura 1 che per tale motivo non saranno oggetto di ulteriore descrizione e che sono individuati con il medesimo riferimento numerico.

Detto motore 10' presenta, calzata sugli ulteriori magneti 28 del rotore interno 20, una gabbia conduttiva o camicia 36 realizzata in materiale conduttivo non-ferromagnetico quale, ad esempio, rame o alluminio o altra tipologia di materiale con tali caratteristiche.

La gabbia conduttiva 36 ha la funzione dì smorzare eventuali oscillazioni del rotore interno 20 rispetto al rotore esterno 18, generalmente causate da brusche variazioni di coppia (assorbita o applicata}; tali oscillazioni, se non smorzate, hanno la tendenza a far perdere il sincronismo tra il rotore esterno e il rotore interno.

Secondo una ulteriore forma di realizzazione alternativa a quella preferita e indicata in figura 5 con 10”, il rotore esterno 50 è definito da un cilindro cavo in materiale conduttivo non-ferromagnetico quale, ad esempio, rame o alluminio o altra nota tipologia di materiale con tali caratteristiche; in questa forma di realizzazione alternativa, sul cilindro cavo non è disposto alcun magnete.

Il rotore interno 20 presenta le stesse caratteristiche costruttive descritte dettagliatamente con riferimento alla forma di realizzazione preferita e alla prima forma di realizzazione alternativa e, come tale, non è oggetto di ulteriore descrizione.

In tale ulteriore forma di realizzazione alternativa, quando lo statore 12 è alimentato a mezzo delle correnti che fluiscono negli avvolgimenti elettrici 16, il motore funziona come un tradizionale motore brushless. Nel caso in cui, invece, gli avvolgimenti elettrici 16 dello statore 12 non sono percorsi da corrente, il motore rotativo dell’Invenzione funziona in maniera analoga a un motore asincrono; in detta condizione il movimento relativo tra il rotore esterno 50 (generalmente collegato a una puleggia) e il rotore interno 20 induce delle correnti nei rotore esterno 50 che sono, a loro volta, responsabili della generazione di una coppia che mette in rotazione il rotore interno 20.

L’ulteriore forma di realizzazione alternativa, sopra descritta, comprende, nello specifico, due possibili condizioni di funzionamento;

V<">rotore esterno 50 inserito in modo permanente

s rotore esterno 50 estraibile.

Di seguito viene data una dettagliata spiegazione di dette due condizioni di funzionamento.

Nella condizione in cui il rotore esterno 50 è inserito in modo permanente con lo statore 12 alimentato, il rotore esterno deve poter ruotare lìberamente, mentre la rotazione del rotore interno 20 è indotta dal campo magnetico generato dalle correnti che fluiscono negli avvolgimenti eìettrici 16 deilo statore medesimo.

Il moto di rotazione relativa tra il rotore esterno 50 e il rotore interno 20 e il campo magnetico rotante generato dallo statore 12 inducono, nel rotore esterno 50, delle forze-elettro-motrici che causano deile correnti, che producono sul rotore esterno medesimo una coppia tendente a porlo in rotazione a una velocità di rotazione Inferiore rispetto a quella del rotore interno 20; ciò genera uno scorrimento del rotore interno 20 rispetto al rotore esterno 50.

Detto scorrimento è generalmente basso tenuto conto dei fatto che il rotore esterno 50 ruota senza carico resistente.

Quando lo statore 12 non è alimentato e quindi non ci sono correnti che fluiscono negli avvolgimenti elettrici 16 dello statore medesimo, il rotore esterno 50 può esser posto in rotazione, ad esempio, da una puleggia in modo diretto o tramite un giunto di tipo on/off o similare. Le correnti indotte nel rotore esterno 50, a causa del moto relativo tra il rotore esterno 50 e il rotore interno 20, generano una coppia sul rotore interno 20, che verrà posto in rotazione a una velocità inferiore rispetto a quella del rotore esterno 50; in tai modo si realizza uno scorrimento relativo tra i rotori.

Di seguito viene data spiegazione della seconda possibile condizione di funzionamento per l’ulteriore forma di realizzazione alternativa a quella preferita, ossia quella con rotore esterno 50 estraibile,

in tale condizione dì funzionamento, con lo statore 12 alimentato a mezzo delle correnti che fluiscono negli avvolgimenti elettrici 16, il rotore esterno 50 deve essere estratto rispetto allo statore 12 e al rotore interno 20; l’estrazione del rotore esterno 50 è realizzata con mezzi meccanici (ad esempio leveraggi), pneumatici, idraulici o elettromagnetici.

Con ii rotore esterno 50 estratto rispetto allo statore 12 e al rotore interno 20 non vengono indotte correnti ne! rotore esterno 50 che, quindi, può essere mantenuto in libera rotazione a mezzo, ad esempio, della puleggia alla stessa velocità di quest'ultìma.

Nel caso in cui lo statore 12 non è alimentato e quindi non ci sono correnti che fluiscono negli avvolgimenti elettrici \ 6, il rotore esterno 50 può essere inserito (rispetto allo statore 12) e posto in rotazione a mezzo della puleggia. Le correnti indotte nel rotore esterno 50, a causa del moto relativo tra il rotore esterno 50 e il rotore interno 20, generano sul rotore interno 20 una coppia che provoca la rotazione del medesimo rispetto al rotore esterno 50; si realizza in tal modo lo scorrimento del rotore interno 20 rispetto al rotore esterno 50.

Come sì può rilevare da quanto precede sono evidenti i vantaggi che il motore elettrico della presente invenzione consegue.

Il motore elettrico rotativo a trascinamento intrinseco della presente invenzione presenta il considerevole vantaggio di consentire l’eliminazione degli elementi di tenuta ad alto rischio di usura che tendono a ridurre la vita utile della pompa per il circuito di raffreddamento cui il motore medesimo è collegato.

Ulteriormente vantaggioso è il fatto che tale motore ha ingombri contenuti ed è di semplice e agevole applicazione.

Un ulteriore vantaggio è rappresentato dal fatto che il motore dell’invenzione è di tipo “fail-safe" e, in caso di malfunzionamento o guasto elettrico, permete alla pompa di continuare a svolgere la propria funzione seppur, eventualmente, con funzionalità ridota.

Un ulteriore vantaggio è rappresentato dal fato che, essendo il motore di tipo “fail-safe", nel caso della configurazione dì funzionamento con rotore esterno estraibile, esso non necessita di un giunto di tipo on/off; ciò in quanto il rotore esterno può essere sempre mantenuto in rotazione alla stessa velocità di rotazione della puleggia ed estratto (non sono indotte in esso delle correnti e quindi non sì sviluppano coppie).

Benché l’invenzione sia stata sopra descritta con particolare riferimento a una sua forma di realizzazione, data solo a scopo esemplificativo e non limitativo, numerose modifiche e varianti appariranno evidenti a un tecnico del ramo alla luce della descrizione sopra riportata. La presente invenzione, pertanto, intende abbracciare tutte le modifiche e le varianti che rientrano nello spirito e nell'ambito delle rivendicazioni che seguono.

Claims (11)

1. Rivendicazioni L Un motore elettrico rotativo (10, 10', 10") tipicamente del tipo brushless, specialmente adatto a essere applicato nel settore "automotive" a sostituzione dei motori elettrici tradizionali per porre in rotazione la girante di una pompa per la circolazione di fluidi refrigeranti in un motore a combustione interna o in una cella di combustibile o ”fuel celi", comprendente uno statore (12), con denti (14) e cave in cui sono posti gli avvolgimenti elettrici (16), un primo rotore o rotore esterno (18, 50) e un secondo rotore o rotore interno (20) tra loro coassiali, un giogo (22) calettato su un albero (24), con detto motore caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi atti a consentire un disaccoppiamento magnetico tra lo statore (12) e il rotore interno (20) e/o mezzi atti a smorzare eventuali oscillazioni del rotore interno (20) rispetto al rotore esterno (18, 50).
2. 2. Il motore elettrico secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i mezzi atti a consentire detto disaccoppiamento magnetico sono costituiti da un giogo magnetico (30) costituente la base del rotore esterno (18).
3. 3. Il motore elettrico secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i mezzi atti a smorzare eventuali oscillazioni del rotore interno (20) rispetto al rotore esterno (18) sono definiti da una gabbia conduttiva o camicia (36), in materiale conduttivo non-ferromagnetico, calzata sul rotore interno (20).
4. 4. Il motore secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il rotore esterno (18) è costituito da uno o più magneti (26, 26'), rispettivamente esterni e interni al giogo magnetico (30) e che il rotore interno (20) è costituito da uno o più ulteriori magneti (28), con detti magneti (26, 26' e 28) essendo definiti da magneti permanenti polarizzati radialmente.
5. 5. Il motore secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che sulla superficie laterale esterna e sulla superficie laterale interna del giogo magnetico (30) sono realizzate una pluralità di cave, con profilo sagomato tipicamente a "cosa di rondine", in numero pari a quello dei magneti (26, 26'), estese in direzione longitudinale e atte a definire la sede di alloggiamento dei magneti esterni (26) e dei magneti interni (26').
6. 6. Il motore secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che i magneti (26, 26', 28) sono realizzati in NdFeB (Neodimìo-Ferro-Boro).
7. 7. Il motore secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che I magneti (26, 26', 28) sono realizzati in AlNiCo (Alluminio-Nichel-Cobalto).
8. 8. Il motore secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che i magneti (26, 26', 28) sono realizzati in SmCo (Samario-Cobalto).
9. 9. Il motore elettrico secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il rotore esterno (50) è definito da un cilindro cavo in materiale conduttivo non-ferromagnetico.
10. 10. Il motore secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che il rotore esterno (50) è permanentemente inserito rispetto allo statore (12),
11. 11. Il motore secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fato che il rotore esterno (50) è estraibile rispetto allo statore (12) tramite mezzi meccanici, pneumatici, idraulici o elettroma