ITMI20091616A1 - Dispositivo riduttore o moltiplicatore di giri elettronico - Google Patents

Description

Descrizione del brevetto per invenzione industriale avente per titolo:

“DISPOSITIVO RIDUTTORE O MOLTIPLICATORE DI GIRI ELETTRONICO”

La presente invenzione riguarda un dispositivo riduttore o moltiplicatore di giri elettronico.

Un riduttore o moltiplicatore di giri è un dispositivo che, ricevendo un moto rotante in ingresso, restituisce un moto rotante in uscita con un rapporto definito fra il numero di giri in ingresso e il numero di giri in uscita.

Analogamente, essendo la coppia trasmessa inversamente proporzionale al numero di giri, un dispositivo riduttore di giri funge da moltiplicatore di coppia e viceversa.

In particolare questa prima soluzione (riduttore di giri e moltiplicatore di coppia), risulta quella più diffusa nelle applicazioni pratiche di questi dispositivi riduttori che consentono di utilizzare motori veloci e con coppie limitate (quindi motori di ridotte dimensioni) ottenendo in uscita coppie più elevate ad un numero di giri compatibile con l’utilizzo previsto.

Per questo motivo, per comodità di scrittura, nel proseguo della descrizione il “dispositivo riduttore o moltiplicatore di giri” sarà indicato semplicemente con “riduttore di giri” o “riduttore”.

Il moto rotante in ingresso nel dispositivo riduttore di giri è ricevuto da un asse di ingresso collegato all’organo che eroga la potenza (motore elettrico, endotermico ecc.), mentre il moto rotante in uscita è trasmesso da un asse di uscita, collegato in genere a un organo utilizzatore, con un rapporto definito fra il numero di giri in ingresso e il numero di giri in uscita.

Un riduttore o moltiplicatore di giri ideale dovrebbe possedere determinate caratteristiche elencate in seguito:

- nessun vincolo geometrico, ovvero nessun vincolo sulla posizione dei due assi di ingresso e uscita;

- totale reversibilità, ovvero la possibilità di utilizzare entrambi gli assi sia come ingresso sia come uscita;

- rapporto di trasmissione variabile (in maniera più semplice possibile);

- rendimento elevato, ovvero basse perdite per attrito e riscaldamento; - non introdurre vibrazioni proprie nel sistema;

- esente da usura; ovvero

- manutenzione ridotta al minimo;

- massima versatilità per l’utilizzo in tutti i settori.

Attualmente sul mercato esistono svariate tipologie di riduttori di giri, la maggior parte di cui è classificabile in due categorie principali:

- riduttori meccanici;

- riduttori idraulici (o idrostatici).

I primi comprendono in genere un asse di ingresso e un asse di uscita fra i quali sono interposti uno o più ingranaggi che realizzano la riduzione o la moltiplicazione del numero di giri.

Riduttori meccanici di questo tipo rappresentano praticamente la totalità dei riduttori esistenti sul mercato.

Tuttavia dispositivi così configurati presentano ancora oggi alcuni svantaggi e alcune limitazioni.

Lo svantaggio principale che caratterizza i riduttori meccanici è la presenza di forti vincoli geometrici, in particolare la posizione dell’asse di ingresso e di quello di uscita è predeterminata in fase di progettazione; i due assi di ingresso e uscita sono fissi e in genere sono paralleli o perpendicolari fra loro.

Anche la distanza fra detti assi è fissa e dipende in maniera vincolante dalle dimensioni globali del dispositivo.

Un'altra limitazione dei riduttori meccanici è quella di prevedere quasi sempre il rapporto di riduzione o moltiplicazione fisso (a meno di utilizzare cambi o simili, soluzione che aumenta notevolmente i costi e la complicazione del dispositivo), e possono essere quindi utilizzati solamente in applicazioni compatibili con il rapporto di riduzione o moltiplicazione definito in fase di progettazione.

Queste caratteristiche rendono quindi i riduttori meccanici poco versatili e richiedono in genere un dimensionamento ad hoc per ogni applicazione.

Un ulteriore problema che presentano questi riduttori è il decadimento del rendimento ad un numero di giri elevato, sia in ingresso che in uscita.

Difatti con la trasmissione del moto attraverso organi striscianti e/o battenti (ad esempio i denti degli ingranaggi), è inevitabile che si sviluppi un certo attrito che viene dissipato sotto forma di calore.

Anche ricorrendo alla lubrificazione con olio o grasso si riesce a limitare solo parzialmente questo fenomeno, anzi, in realtà si introduce un ulteriore perdita causata dallo “sbattimento” del lubrificante.

Ad un elevato numero di giri il contatto fra gli organi genera anche delle vibrazioni che talvolta non sono trascurabili e costringono all’adozione di ulteriori sistemi smorzanti con un aumento dei costi e della complicazione del dispositivo.

La maggior parte dei riduttori meccanici, inoltre, è irreversibile o parzialmente reversibile, in pratica la trasmissione del moto può avvenire solo da un asse (quello di ingresso) verso l’altro (quello di uscita) mentre non è possibile il contrario; in alcuni casi l’inversione è possibile a pena di rendimenti molto scarsi.

L’altra categoria di riduttori racchiude invece i riduttori idraulici o idrostatici.

I riduttori o moltiplicatori di giri idraulici sono costituiti in genere da una pompa idraulica, collegata all’organo che eroga la potenza (motore), atta a mettere in circolazione una certa portata di olio in pressione che è inviata verso un motore idraulico a sua volta collegato a un organo utilizzatore.

Le pompe e i motori generalmente sono pompe e motori volumetrici, ad esempio a pistoni assiali, radiali o simili.

Questi dispositivi risolvono alcuni problemi citati per i riduttori meccanici, ma ne introducono altri.

In particolare rispetto ai riduttori meccanici si presentano molto più versatili dal punto di vista del posizionamento (vincoli geometrici) e dell’irreversibilità.

Difatti il collegamento fra la pompa idraulica e il motore idraulico è realizzata tramite tubazioni flessibili, che consentono quindi di ottenere praticamente qualunque posizionamento dell’asse di uscita rispetto all’asse d’ingresso e viceversa. Questo consente anche di poter collocare i due assi, ingresso e uscita, a distanze anche molto elevate.

Un altro vantaggio di questo tipo di riduttori rispetto a quelli meccanici è la totale reversibilità del dispositivo; difatti è possibile trasmettere la potenza dalla pompa verso il motore e viceversa mantenendo sostanzialmente lo stesso rendimento.

Per contro i riduttori idraulici presentano rendimenti piuttosto bassi rispetto ai riduttori meccanici, questo a causa delle elevate perdite dovute alle numerose parti che si muovono con notevole attrito (i pistoni), e alle perdite dovute alla circolazione dell’olio.

Un altro svantaggio sempre collegato al precedente è la pesante manutenzione richiesta da questi dispositivi, come ad esempio la sostituzione delle varie tenute striscianti che sono soggette a una notevole usura.

Un ulteriore svantaggio di questo tipo di riduttori è la limitazione dell’utilizzo nei vari settori industriali.

Questi dispositivi difatti sono soggetti spesso a piccole perdite o trafilamenti di olio e di conseguenza non sono utilizzabili in industrie come quella alimentare o farmaceutica, dove vi sono norme sanitarie molto restrittive.

In questo contesto, lo scopo della presente invenzione è proporre un dispositivo riduttore o moltiplicatore di giri elettronico che superi gli inconvenienti della tecnica nota sopra citati, in particolare un dispositivo riduttore o moltiplicatore di giri che consenta di unire i pregi delle due tipologie di riduttori appena illustrate e di eliminare le rispettive carenze.

In particolare è scopo dell’invenzione, proporre un dispositivo riduttore o moltiplicatore di giri esente da vincoli geometrici, in maniera da poter disporre i due assi di ingresso e uscita nella posizione più comoda e conveniente, nella maggioranza dei casi completamente reversibile, che presenti un rendimento elevato, spesso superiore al rendimento dei migliori riduttori meccanici, versatile e utilizzabile in ogni settore (anche alimentare e farmaceutico).

Ulteriore scopo della presente invenzione è quello di fornire un dispositivo riduttore o moltiplicatore di giri con all’occorrenza rapporto di trasmissione variabile in maniera semplice, senza significativi costi aggiuntivi e senza dover modificare sostanzialmente gli organi che lo compongono.

Scopo della presente invenzione è anche quello di proporre un dispositivo riduttore o moltiplicatore di giri caratterizzato da un’usura il più limitata possibile e che richieda quindi una manutenzione minima o praticamente nulla.

Questi scopi specificati sono sostanzialmente raggiunti da un dispositivo riduttore o moltiplicatore di giri, comprendente le caratteristiche tecniche esposte in una o più delle unite rivendicazioni.

In particolare l’invenzione prevede un riduttore o moltiplicatore di giri elettronico comprendente almeno una prima macchina elettrica collegata meccanicamente ad un organo che eroga una potenza con un moto determinato, almeno una seconda macchine elettrica collegata meccanicamente ad un organo utilizzatore atto a ricevere detta potenza, dette almeno due macchine elettriche essendo collegate elettricamente fra loro, caratterizzato dal fatto che detta prima macchina elettrica e detta seconda macchina elettrica sono configurate elettricamente in maniera che detta seconda macchina elettrica eroghi la potenza all’organo utilizzatore con un moto trasformato differente da quello in ingresso nella prima macchina.

Nel dettaglio l’invenzione prevede un riduttore di giri elettronico che, sfruttando la capacità delle macchine elettriche di convertire l’energia cinetica in energia elettrica e viceversa, sia in grado di ricevere un’energia cinetica in ingresso e di fornire in uscita un energia cinetica trasformata.

Ad esempio l’energia cinetica in ingresso può essere sotto forma di moto rotante a un dato numero di giri e l’energia cinetica in uscita può essere sempre sotto forma di moto rotante a un numero di giri diverso.

Secondo l’invenzione la trasformazione dell’energia può avvenire anche nel tipo di moto, ad esempio da un moto rotante in ingresso è possibile ottenere un moto lineare in uscita o viceversa.

Il riduttore secondo l’invenzione comprende almeno due macchine elettriche collegate elettricamente fra loro, una di queste funzionando da generatore, quella in ingresso, e l’altra da motore, quella in uscita.

La macchina che funge da generatore costituisce l’asse di ingresso del riduttore, ovvero l’organo che riceve la potenza in ingresso con un moto dato, mentre la macchina che funge da motore costituisce l’asse di uscita, ovvero l’organo che fornisce all’esterno la potenza in ingresso trasformata sotto forma di un’altro moto predefinito.

Se necessario fra le due macchine elettriche può essere interposta una terza macchina elettrica statica o un circuito di controllo e/o regolazione.

Sia la macchina elettrica che costituisce il generatore, che quella che costituisce il motore potranno essere macchine elettriche a corrente alternata sincrone o asincrone, oppure macchine a corrente continua.

Ognuna di queste macchine a corrente alternata o continua potrà essere ad esempio una macchina brushless, a campo avvolto, a riluttanza variabile, passo a passo o simili.

Una caratteristica fondamentale delle macchine elettriche è la reversibilità, ovvero la possibilità che ha un motore di funzionare come generatore quando riceve un’energia cinetica dall’esterno e viceversa di un generatore di funzionare da motore quando alimentato con una corrente dall’esterno.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente innovazione appariranno maggiormente chiari dalla descrizione indicativa, e pertanto non limitativa, di alcuni esempi di realizzazione di un dispositivo riduttore o moltiplicatore di giri elettronico.

Per illustrare meglio il funzionamento del dispositivo riduttore della presente invenzione si farà riferimento ad alcuni concetti relativi alle macchine elettriche che verranno riassunti qui di seguito per maggiore chiarezza di descrizione.

Motori e generatori elettrici sono costituiti da due unità fondamentali: l’induttore, ovvero l’elettromagnete con il proprio avvolgimento, e l’indotto, ovvero l’elemento che porta i conduttori immersi nel campo magnetico e che sono percorsi da una corrente indotta (nel caso dei generatori) o da una corrente di alimentazione (nel caso dei motori).

La macchina elettrica comprende quindi due circuiti elettrici, rispettivamente induttore e indotto, accoppiati fra loro mediante un terzo circuito magnetico, con modalità costruttive variabili in funzione del tipo di macchina elettrica considerata (sincrona, asincrona, brushless, ecc.).

Il circuito induttore genera il flusso magnetico del circuito magnetico grazie alla circolazione di una corrente di eccitazione all’interno dell’avvolgimento del magnete dell’induttore.

Il circuito indotto invece è soggetto all’azione del flusso magnetico del circuito magnetico ed è percorso da correnti indotte che nascono per il fenomeno dell’induzione.

MACCHINE IN CORRENTE ALTERNATA

Nelle macchine elettriche alimentate in corrente alternata da sistemi elettrici polifasi per ogni polo sono presenti più circuiti induttore-magneticoindotto, e in particolare il numero di questi circuiti è uguale al numero di fasi dell’alimentazione; nel caso di sistemi trifasi abbiamo delle terne di questi circuiti per ogni polo.

Nei generatori di corrente la frequenza della corrente erogata è uguale al semiprodotto del numero dei poli per il numero di giri al secondo del rotore.

Ogni fase genera quindi una corrente che raggiunge un valore massimo, cala fino a zero, raggiunge un valore minimo negativo e ritorna a zero un numero di volte al secondo quanta è la frequenza.

Nei motori invece il numero di giri al secondo del rotore è dato dalla frequenza della corrente di alimentazione diviso il numero di coppie di poli del motore, ovvero il numero di terne (nel caso di sistemi trifase) che costituiscono ogni avvolgimento o coppia polare.

MACCHINE IN CORRENTE CONTINUA

I generatori di corrente continua possono essere considerati una particolare tipologia di generatori di corrente alternata.

In queste macchine il campo magnetico è stazionario e il circuito indotto (sul rotore) che ruota all’interno di questo campo magnetico stazionario è percorso da una corrente indotta che cambia il verso di circolazione ogni volte che il rotore ruota di un valore angolare uguale a mezzo polo.

Queste macchine prevedono quindi dei dispositivi che invertano il flusso di corrente in uscita ogni mezzo polo per ottenere una corrente continua e uniforme.

Nei generatori di corrente continua è possibile determinare un fattore di tensione dato dal rapporto fisso fra il numero di giri del generatore e la tensione in uscita dallo stesso.

Nei motori invece il fattore di tensione è un rapporto fisso fra la tensione di alimentazione del motore e il numero di giri dello stesso.

Come già detto l’invenzione prevede un riduttore comprendente almeno una prima macchina elettrica collegata meccanicamente ad un organo che eroga una potenza con un moto determinato, almeno una seconda macchine elettrica collegata meccanicamente ad un organo utilizzatore atto a ricevere detta potenza, dette almeno due macchine elettriche essendo collegate elettricamente fra loro, caratterizzato dal fatto che detta prima macchina elettrica e detta seconda macchina elettrica sono configurate elettricamente in maniera che detta seconda macchina elettrica eroghi la potenza all’organo utilizzatore con un moto trasformato differente da quello in ingresso nella prima macchina.

Nel caso di macchine elettriche rotanti la caratteristica che definisce la trasformazione del moto è il numero di giri e, di conseguenza, anche la coppia motrice.

Il dispositivo riduttore riceverà quindi in ingresso nella prima macchina elettrica una certa potenza attraverso un moto rotante con un determinato numero di giri e con una determinata coppia e la seconda macchina elettrica erogherà in uscita una potenza a un numero di giri differente con una coppia motrice differente.

Il rapporto di riduzione o di moltiplicazione dei giri per macchine in corrente alternata è funzione del numero di poli della prima e della seconda macchine elettrica, mentre per le macchine a corrente continua è funzione del fattore di tensione della prima e della seconda macchina elettrica.

In particolare, applicando i concetti esposti in precedenza, si ottiene che per le macchine elettriche in corrente alternata il rapporto di riduzione o moltiplicazione del numero di giri diventa uguale al rapporto fra il numero di poli della prima e della seconda macchina elettrica.

Per quanto riguarda le macchine in corrente continua invece il rapporto di riduzione o moltiplicazione del numero di giri è uguale al rapporto fra il fattore di tensione della prima e della seconda macchine elettrica.

In questo modo scegliendo opportunamente la prima e la seconda macchina elettrica è possibile realizzare il rapporto di riduzione o moltiplicazione desiderato.

Il fatto di trasmettere la potenza attraverso una connessione elettrica comporta una serie di vantaggi rispetto ai riduttori della tecnica nota.

Innanzitutto non esistono vincoli geometrici sul posizionamento degli assi di ingresso e di uscita, ovvero sul posizionamento dei collegamenti meccanici delle due macchine elettriche rispettivamente con l’organo che eroga la potenza e l’organo che la riceve.

L’asse di ingresso e di uscita possono quindi trovarsi anche a distanze elevate nella posizione più conveniente per l’applicazione.

Un altro vantaggio nella maggioranza delle applicazione dell’invenzione è la totale reversibilità del dispositivo riduttore grazie alla reversibilità intrinseca delle macchine elettriche (motori e generatori) che consente di invertire il flusso della potenza da una macchina verso l’altra mantenendo rendimenti sostanzialmente identici.

Anche il rapporto di trasmissione se pur dipendente dal tipo di macchina elettriche scelta, è variabile in maniera semplice e veloce.

Difatti modificando il cablaggio degli avvolgimenti di una macchina elettrica è possibile variare il numero di poli effettivi della stessa e quindi ottenere un diverso valore del rapporto fra il numero di poli della prima e della seconda macchina elettrica o nel caso che sia interposta una terza macchina elettrica statica o un circuito di controllo e/o regolazione modificando cablaggi o parametri di questi organi di interfaccia.

Un ulteriore vantaggio del dispositivo dell’invenzione rispetto ai riduttori noti è il rendimento molto elevato, che coincide con il prodotto dei rendimenti delle macchine elettriche utilizzate, e che rimane sostanzialmente invariato all’aumentare del numero di giri.

Grazie all’utilizzo di macchine elettriche inoltre, il dispositivo riduttore dell’invenzione è praticamente esente da usura e quindi manutenzione (se non nel caso di macchine con organi striscianti, ad esempio in corrente continua) e può essere utilizzato praticamente in ogni settore dell’industria.

Oltre all’accoppiamento fra macchine elettriche rotanti, l’invenzione prevede anche l’utilizzo di macchine elettriche lineari.

I motori e i generatori lineari possono essere considerati come delle macchine rotanti molto grandi, nelle quali il raggio del rotore tende all’infinito fino ad assumere una geometria lineare; nella pratica è come se lo statore e il rotore fossero svolti lungo un piano.

Per questo tipo di macchine elettriche la caratteristica che definisce la trasformazione del moto è appunto la velocità lineare.

L’invenzione prevede quindi l’accoppiamento fra due macchine elettriche lineari, un generatore e un motore, oppure fra una macchina elettrica rotante e una lineare.

Nel primo caso si otterrà una trasformazione del moto dall’ingresso all’uscita solamente per quel che riguarda il valore della grandezza di riferimento, ovvero la velocità lineare.

Nel secondo caso invece il dispositivo riduttore opera anche una trasformazione del tipo di moto da rotante a lineare o viceversa.

In questi casi il principio di funzionamento rimane invariato rispetto al caso in cui si accoppiano due macchine elettriche rotanti, così come i vantaggi descritti sopra.

Gli accoppiamenti possibili fra macchine elettriche con caratteristiche differenti (rotanti o lineari, asincrone o sincrone, a corrente continua, ecc.) consentono di trovare vantaggiose applicazioni dell’invenzione in svariati campi dell’industria.

Claims (7)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo riduttore o moltiplicatore di giri elettronico comprendente almeno una prima macchina elettrica collegata meccanicamente ad un organo che eroga una potenza con un moto determinato, almeno una seconda macchina elettrica collegata meccanicamente ad un organo utilizzatore atto a ricevere detta potenza, dette almeno due macchine elettriche essendo collegate elettricamente fra loro, caratterizzato dal fatto che detta prima macchina elettrica e detta seconda macchina elettrica sono configurate elettricamente in maniera che detta seconda macchina elettrica eroghi la potenza all’organo utilizzatore con un moto trasformato differente da quello in ingresso nella prima macchina.
2. 2. Dispositivo riduttore o moltiplicatore di giri elettronico, secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta prima macchina elettrica è una macchina elettrica in corrente alternata con un determinato numero di poli effettivi e detta seconda macchina elettrica è una macchina elettrica in corrente alternata con un determinato numero di poli effettivi, il rapporto fra il numero di poli effettivi della prima macchina elettrica e quello della seconda macchina elettrica essendo uguale al rapporto di trasmissione del dispositivo.
3. 3. Dispositivo riduttore o moltiplicatore di giri elettronico, secondo le rivendicazioni 1 e 2, caratterizzato dal fatto che detta prima e detta seconda macchina elettrica sono macchine in corrente alternata sincrone o asincrone.
4. 4. Dispositivo riduttore o moltiplicatore di giri elettronico, secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta prima macchina elettrica è una macchina elettrica in corrente continua con un determinato fattore di tensione e detta seconda macchina elettrica è una macchina elettrica in corrente continua con un determinato fattore di tensione, il rapporto fra il fattore di tensione della prima macchina elettrica e quello della seconda macchina elettrica essendo uguale al rapporto di trasmissione del dispositivo.
5. 5. Dispositivo riduttore o moltiplicatore di giri elettronico, secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta prima macchina elettrica è una macchina elettrica in corrente continua con un determinato fattore di tensione e detta seconda macchina elettrica è una macchina elettrica in corrente alternata con un determinato numero di poli effettivi, il rapporto fra il fattore di tensione della prima macchina elettrica e il numero di poli della seconda macchina elettrica sarà determinato dall’interfaccia interposta tra le due macchine elettriche, una terza macchina elettrica statica o un circuito di controllo e/o regolazione, essendo uguale al rapporto di trasmissione del dispositivo.
6. 6. Dispositivo riduttore o moltiplicatore di giri elettronico, secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta prima macchina elettrica è una macchina elettrica in corrente alternata con un determinato numero di poli effettivi e detta seconda macchina elettrica è una macchina elettrica in corrente continua con un determinato fattore di tensione, il rapporto fra il numero di poli della prima macchina elettrica e il della fattore di tensione seconda macchina elettrica sarà determinato dall’interfaccia interposta tra le due macchine elettriche, una terza macchina elettrica statica o un circuito di controllo e/o regolazione, essendo uguale al rapporto di trasmissione del dispositivo.
7. 7. Dispositivo riduttore o moltiplicatore di giri elettronico, secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta prima e detta seconda macchina elettrica sono macchine elettriche rotanti o lineari. Milano, 23 settembre 2009