ITMI20122047A1 - Sollevatore a magneti elettropermanenti - Google Patents

Description

SOLLEVATORE A MAGNETI ELETTROPERMANENTI

La presente invenzione riguarda i sollevatori magnetici, ed in particolare un sollevatore a magneti elettropermanenti in grado di operare in sicurezza anche su materiali ferromagnetici ad elevata temperatura fino a 600-650°C quali billette, blumi, bramme ed analoghi prodotti di acciaieria.

Come à ̈ noto, i sollevatori magnetici si dividono in tre categorie a seconda del tipo di magneti utilizzati, vale a dire magneti permanenti, elettromagneti e magneti elettropermanenti, ciascun tipo di magneti avendo specifici vantaggi ed inconvenienti.

I sollevatori a magneti permanenti hanno il vantaggio di un consumo di energia quasi inesistente e della sicurezza che la forza magnetica prodotta à ̈ costante ed indipendente da fonti di alimentazione esterne. Per contro, non à ̈ possibile aumentare la forza magnetica in caso di necessità e gli ingombri dei magneti diventano notevoli per il sollevamento di carichi elevati. Inoltre, il distacco del carico richiede l’applicazione di una notevole forza meccanica per ridurre la forza magnetica ad un valore inferiore al peso del carico oppure occorre rendere mobili i magneti in modo da poterli allontanare dal carico e ridurre così l’attrazione magnetica.

Al contrario, nei sollevatori ad elettromagneti à ̈ possibile variare liberamente la forza magnetica semplicemente regolando la corrente che circola negli avvolgimenti che producono il campo magnetico. Tuttavia qualsiasi interruzione, anche brevissima, dell’alimentazione elettrica produce l’immediato annullamento della forza magnetica e quindi il distacco del carico. Risulta quindi evidente che sono indispensabili sistemi di sicurezza che garantiscano la continuità della alimentazione.

I sollevatori a magneti elettropermanenti riescono a superare gli svantaggi principali dei due tipi di sollevatori sopra esposti combinando magneti permanenti a polarizzazione fissa con magneti permanenti di tipo reversibile, ossia magneti nei quali la polarizzazione viene invertita facilmente tramite l’applicazione di un impulso elettrico. Quando la polarizzazione delle masse magnetiche, fisse e reversibili, risulta in serie Nord-Sud-Nord-Sud, il flusso magnetico si cortocircuita all’interno del sollevatore rendendolo inattivo, mentre quando la polarizzazione dei magneti reversibili à ̈ in opposizione, ovvero in parallelo Nord-Sud-Sud-Nord, il flusso magnetico si divide passando dalle espansioni polari, attraverso il materiale ferromagnetico da movimentare ed il sollevatore risulta attivo. Un magnete reversibile produce quindi un flusso magnetico orientabile che può orientare anche il flusso di un tradizionale magnete permanente non reversibile ad esso abbinato, così da cortocircuitare i due magneti quando si desidera disattivare il sollevatore oppure metterli in parallelo per attivare il sollevatore.

Poiché per l’inversione del magnete reversibile à ̈ necessario solo un impulso elettrico ma non una alimentazione continua, sono evitati i problemi di sicurezza degli elettromagneti. Allo stesso tempo, pur utilizzando magneti permanenti, à ̈ possibile variare la forza magnetica entro certi limiti ed il distacco del carico à ̈ facilmente realizzabile con un minimo consumo di energia e senza complicate strutture di movimentazione dei magneti.

Tuttavia i sollevatori a magneti elettropermanenti costruiti finora hanno dei significativi limiti di impiego per quanto riguarda la temperatura dei materiali che possono sollevare in sicurezza. Infatti i magneti reversibili sono solitamente realizzati in una lega di alluminio-nichel-cobalto (Alnico), mentre i magneti a polarizzazione fissa sono realizzati in neodimio o ferrite che hanno il punto di Curie rispettivamente a circa 310°C e circa 450°C. Ciò significa che i sollevatori con magneti elettropermanenti in Alnico-neodimio operano senza problemi su materiali ferromagnetici con temperature al massimo di 150-200°C, dato che la temperatura massima operativa del neodimio à ̈ di 180°C, mentre quelli con magneti in Alnico-ferrite possono operare su materiali fino a 350-400°C.

Un altro inconveniente dei suddetti sollevatori a magneti elettropermanenti à ̈ che in prossimità delle temperature massime citate il punto di lavoro dei magneti fissi in neodimio o ferrite à ̈ posto dove il campo coercitivo rimanente non à ̈ sufficiente a reggere all’impulso di inversione dell’Alnico durante la fase di attivazione del sollevatore. Si noti infatti che durante tale fase il flusso magnetico generato dalle bobine di inversione dell’Alnico ha un orientamento contrario alla polarizzazione dei magneti in neodimio o ferrite, per cui se in quel momento i campi coercitivi rimanenti sono inferiori al campo contrario generato dalle bobine ciò provocherà nei magneti in neodimio o ferrite una graduale ma irreversibile riduzione della loro energia magnetica intrinseca rendendo pericoloso ed inutilizzabile il sollevatore così costruito.

Scopo della presente invenzione à ̈ quello di fornire un sollevatore a magneti elettropermanenti che superi i suddetti inconvenienti. Tale scopo viene conseguito per mezzo di un sollevatore dotato di magneti a polarizzazione fissa in una lega di samariocobalto, che ha un punto di Curie di circa 770°C ed un campo coercitivo residuo in grado di resistere all’impulso di inversione dell’Alnico anche quando il sollevatore opera su materiali ad elevata temperatura fino a 600-650°C. Altre vantaggiose caratteristiche sono elencate nelle rivendicazioni dipendenti.

Il vantaggio fondamentale del sollevatore in oggetto à ̈ quindi quello di potere ampliare notevolmente l’intervallo di temperature operative fino a valori molto superiori a quelli raggiungibili dagli attuali sollevatori con magneti elettropermanenti.

Un altro importante vantaggio del sollevatore secondo la presente invenzione à ̈ dato dalla massima sicurezza operativa garantita nel tempo, grazie alla capacità dei magneti fissi di resistere agli impulsi di inversione dei magneti reversibili.

Ulteriori vantaggi e caratteristiche del sollevatore secondo la presente invenzione risulteranno evidenti agli esperti del ramo dalla seguente dettagliata descrizione di una sua forma realizzativa con riferimento agli annessi disegni in cui:

- la Fig.1 Ã ̈ una vista in sezione trasversale lungo il piano di mezzeria di un sollevatore secondo la presente invenzione, in condizione inattiva;

- la Fig.2 à ̈ una vista in pianta dall’alto del sollevatore di Fig.1, con uno dei poli magnetici mostrato in sezione longitudinale; e

- la Fig.3 Ã ̈ una vista frontale del sollevatore di Fig.1 con una porzione in sezione che mostra alcuni dettagli.

Facendo riferimento alle suddette figure, si vede che il sollevatore a magneti elettropermanenti secondo la presente invenzione comprende in modo noto una struttura portante esterna, una pluralità di magneti elettropermanenti ed un circuito di regolazione e controllo.

La struttura portante consiste in un coperchio superiore 2, dotato di attacchi per il fissaggio a mezzi di sollevamento (ad es. una gru), due fiancate 3, due testate 4 ed una lastra inferiore di chiusura provvista di uno scudo termico 9 per proteggere i magneti dall’irraggiamento del calore dei materiali ferromagnetici caldi da sollevare.

Ovviamente tale struttura à ̈ realizzata con materiali ad alta conducibilità magnetica, tipicamente in acciaio dolce al carbonio, per minimizzare la riluttanza del circuito magnetico, così come i poli circuitali 1 e le espansioni polari 5 eventualmente applicate ad essi che sporgono inferiormente dalla lastra di chiusura.

Ogni magnete elettropermanente comprende un magnete reversibile 6, disposto sopra ad un polo 1 ed in contatto con esso, ed un magnete a polarizzazione fissa 7 formato da una pluralità di blocchi collocati lungo le facce laterali di detto polo 1. Attorno al magnete reversibile 6 à ̈ situata una bobina di commutazione 8 che comanda l’inversione della sua polarizzazione, per commutare tra la situazione di sollevatore inattivo illustrata in Fig.1 con i poli in serie Nord-Sud-Nord-Sud e la situazione di sollevatore attivo con i poli in parallelo Nord-Sud-Sud-Nord.

Ciascun polo 1 Ã ̈ fissato al coperchio 2 tramite quattro barre che attraversano il magnete reversibile 6 e che sono trattenute da dadi in apposite sedi ricavate sul coperchio 2 (vd. Figg.2, 3), mentre le eventuali espansioni polari 5 destinate ad andare a contatto col carico da sollevare sono fissate ai poli 1 mediante viti (vd. Fig.1).

Il circuito di regolazione e controllo comprende preferibilmente un dispositivo 10 del tipo descritto in EP 0929904 B1, il cui contenuto viene qui incorporato mediante richiamo. In breve, tale dispositivo comprende per ciascuna polarità un primo sensore magnetico disposto in prossimità della base del polo 1 ed un secondo sensore magnetico disposto tra il magnete fisso 7 ed il magnete reversibile 6, in modo da misurare sostanzialmente il solo flusso magnetico che attraversa il magnete reversibile 6, nonché una unità di controllo per elaborare i segnali trasmessi da detti sensori magnetici (non mostrati nei disegni) e ricavare il punto di funzionamento del sollevatore sulla curva di magnetizzazione del magnete reversibile 6.

Il suddetto dispositivo 10 garantisce la sicurezza assoluta durante ogni manovra di sollevamento e trasporto del carico verificando che la somma delle perdite reversibili delle masse magnetiche 6, 7 e della riduzione della permeabilità magnetica del circuito ferromagnetico del sollevatore, ed in particolare del materiale caldo da sollevare, consenta comunque al sollevatore di rispettare il coefficiente di sicurezza nel sollevamento secondo la normativa EN 13155 (od altra normativa analoga in uso in altri paesi).

Tale dispositivo 10 verifica inoltre l’efficienza delle bobine 8 che sono fatte preferibilmente in nastro di alluminio o nastro di rame in modo da minimizzarne i volumi ed ottimizzare la dissipazione termica per effetto Joule. Le bobine 8 sono progettate in modo da poter operare correttamente con impulsi di inversione sia a corrente costante che a tensione costante, ma date le condizione critiche operative di alta temperatura del materiale à ̈ preferibile l’uso di apparecchiature a corrente costante.

Il circuito di regolazione e controllo utilizza anche i segnali di doppie sonde termiche 11 che si estendono in ciascun polo 1. La prima serie di sonde 11 segnala una prima soglia di temperatura che consente di eseguire le ultime manovre programmabili, mentre la seconda serie di sonde 11 verifica che sia possibile eseguire l’ultima manovra in sicurezza e passare al raffreddamento programmato del sollevatore.

Passando ora agli specifici aspetti innovativi del presente sollevatore, i magneti fissi 7 sono magneti sinterizzati al samario-cobalto con punto di Curie pari a circa 770°C, mentre i magneti reversibili 6 sono realizzati in lega Alnico tipo VDG o VDGS con punto di Curie pari a circa 850°C. In particolare, i magneti reversibili 6 vengono prodotti portandoli ad una temperatura di circa 500°C e poi facendoli raffreddare lentamente in modo da annullare le perdite irreversibili proprie di tali tipi di lega magnetica, pari a circa il 2%, per evitare squilibri durante il funzionamento del sollevatore dal momento che dovrà operare su materiali caldi.

Per un equilibrio di funzionamento ottimale, il presente sollevatore prevede preferibilmente anche dei rapporti dimensionali specifici tra le masse magnetiche in Alnico ed in SmCo di un singolo dipolo magnetico Nord-Sud. Più specificamente, il rapporto della lunghezza della masse magnetiche 2R/P illustrato in Fig.1 à ̈ compreso preferibilmente tra 2,5 e 3 mentre il rapporto della sezione della masse magnetiche à ̈ compreso preferibilmente tra 0,84 e 0,88.

Si noti che il rapporto di lunghezza à ̈ pari a 2R/P poiché i magneti reversibili 6 sono collegati in serie mentre i vari blocchi che compongono i magneti fissi 7 sono in parallelo, e viceversa per lo stesso motivo il rapporto di sezione à ̈ calcolato tenendo conto della sezione di uno solo dei magneti reversibili 6 ma di entrambi i magneti fissi 7 (quindi il rapporto di sezione Alnico/SmCo visibile in Fig.2 à ̈ in realtà il doppio del rapporto effettivo).

Anche il funzionamento del suddetto sollevatore prevede un metodo operativo che tiene conto delle peculiarità dei materiali magnetici utilizzati per i magneti 6, 7 e della elevata temperatura del materiale da sollevare.

In particolare, in un diagramma cartesiano che riporta la curva di magnetizzazione dei magneti 6, 7 indicante il rapporto tra l’induzione residua Br e l’intensità del campo coercitivo Hc, il metodo operativo prevede di individuare un punto di funzionamento nel momento critico entro uno specifico intervallo di valori. Tale momento critico à ̈ inteso come la condizione di progetto in cui il materiale da sollevare à ̈ alla massima temperatura prevista di 600-650°C e presenta il massimo traferro operativo e allo stesso tempo il magnete elettropermanente ha raggiunto la massima temperatura operativa, ovvero stanno per intervenire le sonde termiche 11 di secondo livello.

In questa particolare condizione il valore del rapporto Br/Hc dell’Alnico deve essere compreso fra 10 e 15 e contemporaneamente il valore del rapporto Br/Hc del samario-cobalto deve essere compreso fra 1 e 2. Il mantenimento del rapporto Br/Hc del samario-cobalto in questo intervallo non solo assicura l’efficienza del magnete elettropermanente nel sollevamento del materiale alle alte temperature, ma evita anche che durante l’impulso di inversione dell’Alnico emesso dalla bobina 8 l’intensità del campo contrario alla polarizzazione del magnete fisso 7 in SmCo si avvicini ai valori del campo coercitivo (Hc) propri di tale composto magnetico, in modo da salvaguardare la sua integrità operativa nel tempo.

Un sollevatore a magneti elettropermanenti così costruito ed operato risulta quindi in grado di movimentare in sicurezza materiali quali billette, blumi, bramme, etc. alla temperatura di 600-650°C e idoneo per cicli operativi di scarico delle placche di raffreddamento poste all’uscita della laminazione a caldo di detti prodotti in un’acciaieria.

È ovvio che la forma realizzativa del sollevatore secondo l’invenzione sopra descritta ed illustrata costituisce solo un esempio suscettibile di numerose variazioni. In particolare, l’esatto numero, forma e disposizione delle polarità magnetiche può variare a seconda della specifica applicazione, ad esempio prevedendo un sollevatore con un solo dipolo magnetico oppure con tre o più dipoli magnetici invece dei due dipoli magnetici illustrati nella presente forma realizzativa.

Claims (9)

1. RIVENDICAZIONI 1. Sollevatore a magneti elettropermanenti comprendente una struttura portante esterna (2, 3, 4) chiusa inferiormente da una lastra provvista di uno scudo termico (9), i poli circuitali (1) di detti magneti elettropermanenti con le loro eventuali espansioni polari (5) sporgendo da detta piastra inferiore, ciascuno dei magneti elettropermanenti essendo composto da un magnete reversibile (6), disposto sopra ad uno di detti poli (1) ed in contatto con esso, da un magnete a polarizzazione fissa (7) formato da una pluralità di blocchi collocati lungo le facce laterali di detto polo (1), e da una bobina (8) disposta attorno a detto magnete reversibile (6) ed atta a provocare l’inversione della polarizzazione di quest’ultimo mediante un impulso elettrico, caratterizzato dal fatto che il magnete a polarizzazione fissa (7) à ̈ realizzato in una lega di samario-cobalto che ha un punto di Curie di circa 770°C ed un campo coercitivo residuo in grado di resistere a detto impulso di inversione della polarizzazione del magnete reversibile (6) anche quando il sollevatore opera su materiali a 600-650°C.
2. 2. Sollevatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il magnete reversibile (6) Ã ̈ realizzato in una lega Alnico tipo VDG o VDGS con punto di Curie di circa 850°C.
3. 3. Sollevatore secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che il magnete reversibile (6) Ã ̈ prodotto portandolo ad una temperatura di circa 500°C e poi facendolo raffreddare lentamente in modo tale da annullare le sue perdite irreversibili.
4. 4. Sollevatore secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che in un singolo dipolo magnetico Nord-Sud il rapporto della lunghezza dei magneti reversibili (6) e dei magneti a polarizzazione fissa (7) Ã ̈ compreso tra 2,5 e 3.
5. 5. Sollevatore secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che in un singolo dipolo magnetico Nord-Sud il rapporto della sezione dei magneti reversibili (6) e dei magneti a polarizzazione fissa (7) Ã ̈ compreso tra 0,84 e 0,88.
6. 6. Sollevatore secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la bobina (8) à ̈ fatta in nastro di alluminio o nastro di rame ed à ̈ in grado di operare con impulsi di inversione sia a corrente costante che a tensione costante.
7. 7. Sollevatore secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di essere provvisto di un circuito di regolazione e controllo comprendente doppie sonde termiche (11) che si estendono in ciascun polo (1).
8. 8. Sollevatore secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di essere provvisto di un dispositivo (10) comprendente per ciascuna polarità un primo sensore magnetico disposto in prossimità della base del polo (1) ed un secondo sensore magnetico disposto tra il magnete a polarizzazione fissa (7) ed il magnete reversibile (6), nonché una unità di controllo per elaborare i segnali trasmessi da detti sensori magnetici e ricavare il punto di funzionamento del sollevatore sulla curva di magnetizzazione del magnete reversibile (6).
9. 9. Metodo di funzionamento di un sollevatore a magneti elettropermanenti secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che nella condizione di progetto in cui il materiale da sollevare à ̈ ad una temperatura di 600-650°C e presenta il massimo traferro operativo e contemporaneamente il magnete elettropermanente ha raggiunto la massima temperatura operativa, il punto di funzionamento del sollevatore in un diagramma cartesiano che riporta la curva di magnetizzazione dei magneti (6, 7) indicante il rapporto tra l’induzione residua (Br) e l’intensità del campo coercitivo (Hc) à ̈ individuato in modo tale che il valore di detto rapporto (Br/Hc) per il magnete reversibile (6) à ̈ compreso fra 10 e 15 e allo stesso tempo il valore di detto rapporto (Br/Hc) per il magnete a polarizzazione fissa (7) à ̈ compreso fra 1 e 2.