ITMI981957A1 - Portaspazzole variatore di velocita' per motori a corrente continua - Google Patents

Description

Descrizione dell’ invenzione industriale dal titolo: “Portaspazzole variatore di velocità per motori a corrente continua”

L’invenzione riguarda i portaspazzole per motori elettrici in corrente continua.

Come noto, nella prevalenza delle applicazioni attuali questo genere di motore elettrico presenta un avvolgimento di rotore al quale viene applicata una tensione di alimentazione, tramite un contatto strisciante.

Più in particolare, questo contatto avviene tra un collettore di forma cilindrica costituito da una serie di lamelle collegate ai conduttori elettrici predisposti sul rotore, e degli elementi (detti appunto spazzole) che servono a realizzare le prese di corrente sulla superficie esterna del collettore.

Le spazzole sono di solito realizzate in carbone grafitico, metalgrafite o altri simili materiali e vengono montate su un apposito supporto detto comunemente portaspazzole.

Quest’ultimo può assumere differenti configurazioni a seconda del tipo di spazzole e di motore cui è destinato, ed in taluni casi su di esso vengono applicati anche dei componenti passivi (induttanze, condensatori, varistori, resistori etc.) per la riduzione dei disturbi elettromagnetici emessi: tuttavia le operazioni svolte dagli attuali portaspazzole sono abbastanza limitate e consentono in pratica solo il funzionamento dei relativi motori, a tensione e velocità costanti.

L’invenzione si propone di superare questo stato di cose: essa ha infatti lo scopo di realizzare un portaspazzole che consenta il funzionamento di un motore a corrente continua, con velocità variabile.

Questo scopo viene raggiunto attraverso l’integrazione nel portaspazzole di un variatore elettronico di velocità, nel quale sono presenti dei componenti attivi (cioè diodi, transistori, circuiti integrati, etc.) comandati da un microprocessore programmabile.

Le caratteristiche dell’invenzione ed i vantaggi da essa raggiunti verranno meglio compresi alla luce della descrizione che segue di un suo esempio di realizzazione, fornito a titolo indicativo e non limitativo; la figura 1 allegata mostra lo schema a blocchi di tale esempio, mentre le figure 2 e 3 mostrano altrettante possibili configurazioni di esso.

Il portaspazzole dell’invenzione è costituito da una piastra P di supporto in materiale plastico o di altro genere, configurata a corona circolare (come in fig. 2 nella quale una parte della piastra è stata asportata per chiarezza) oppure diversamente (come in fig. 3) ma con un’apertura centrale per la sua applicazione intorno al collettore di un motore elettrico 1.

Sulla piastra P è predisposto un variatore elettronico costituito da un circuito rappresentato nello schema a blocchi di fig. 1; il variatore è collegato direttamente alle spazzole nel senso che non vi sono cavi estesi tra di essi, dato che sono entrambi supportati dalla stessa piastra e quindi la loro distanza lo consente (nello schema a blocchi la distanza spazzolevariatore è stata evidenziata per chiarezza del disegno).

A monte del motore 1 e delle relative spazzole la, lb, nel variatore si trova una sezione di potenza 2 di tipo noto in sé, comandata da una sezione di pilotaggio 3 la quale riceve in ingresso degli impulsi (con frequenza da 12 a 15 Khz) modulati da un PWM a parzializzazione di fase gestito con un microprocessore programmabile indicato come 4 nello schema.

Completano lo schema a blocchi del variatore integrato nel portaspazzole, una sezione di controllo e supervisione 5 la cui uscita rappresenta uno degli ingressi del microprocessore 4, ed una sezione di filtraggio 6 costituita da induttanze e/o condensatori vari, destinata all’abbattimento dei disturbi emessi nonché di quelli provenienti dall’esterno.

Il funzionamento dei componenti appena riferiti avviene come segue.

Il microprocessore 4 riceve in ingresso un segnale di comando che potrà essere di tipo analogico, per esempio inviato tramite un potenziometro, un parzializzatore resistivo, un termistore e quant’altro (in questo caso dovrà ovviamente essere previsto nel circuito un convertitore analogico-digitale), oppure digitale generato per esempio con dei pulsanti.

Nel microprocessore è memorizzata una scala di gradini di velocità, costituita da valori discreti crescenti che approssimano una curva di regolazione prestabilita del motore; tali valori possono essere programmati sul microprocessore in funzione delle diverse esigenze.

Conseguentemente un utilizzatore agendo su una manopola o su dei pulsanti (nel caso di comando manuale), può scegliere una velocità a piacere del motore tra quelle memorizzate nel microprocessore; è agevole comprendere che con un variatore quale quello considerato si potrà programmare un numero di gradini di velocità tale da soddisfare pressoché qualunque richiesta, essendo sufficiente scegliere un microprocessore adatto allo scopo.

Il segnale che giunge al microprocessore 4 dalla sezione di controllo 5 serve ad inibire il funzionamento del motore 1 fornendo al microprocessore 4 un segnale di azzeramento, quando si verificano delle condizioni di funzionamento critiche di sovratensione e/o so vr acorrente.

Il microprocessore elabora la variazione di velocità da apportare al motore, sulla base di una rampa di accelerazione/decelerazione memorizzata al suo interno.

A seguito dell’elaborazione effettuata dal microprocessore, a valle del quale operano la sezione di pilotaggio e quella di potenza, viene applicata alle spazzole del motore 1 la tensione e/o corrente adeguata per aumentare (o diminuire) la sua velocità di rotazione fino al raggiungimento del valore impostato dall’utente.

Da quanto sopra descritto è dunque possibile comprendere come il portaspazzole dell’invenzione raggiunga lo scopo prefissato inizialmente.

Esso infatti è in grado di far variare la velocità del motore cui è associato secondo un numero di gradini impostabile a piacimento, così da renderlo di fatto un motore regolabile.

Dal punto di vista pratico questo risultato viene ottenuto con la massima semplicità grazie all’impiego di un circuito formato da componenti di tipo noto e facilmente reperibili sul mercato, come ad esempio il microprocessore programmabile.

Si è poi visto anche come il comando della variazione di velocità secondo la scala di gradini programmati nel microprocessore, dipende dallinvio ad esso di un semplice segnale d’ingresso; è tuttavia agevole comprendere che un tale segnale potrà essere generato nei modi più disparati e non solo manualmente come si è riferito qui sopra.

Conseguentemente si potranno avere applicazioni nelle quali la variazione di velocità è automatica; più in generale si può dire che la flessibilità funzionale del portaspazzole secondo l’invenzione favorisce il suo impiego in un vasto numero di campi, dove è richiesto l’uso di motori elettrici regolabili in modo manuale o automatizzato.

Un ulteriore effetto vantaggioso da segnalare risiede nella eliminazione dei picchi di corrente di spunto e delle conseguenti sollecitazioni meccaniche, che interessano i motori cui viene applicato il portaspazzole dell’invenzione.

Infatti nell’indotto dei motori a corrente continua tradizionali, durante lo spunto si possono verificare delle correnti elevate che mettono a repentaglio i conduttori elettrici del rotore e sono fonte di sollecitazioni meccaniche dannose per alcuni organi del motore.

Con il portaspazzole qui descritto ciò non accade perché all’avvio e più in generale allo spunto, l’alimentazione della corrente segue un andamento controllato dal microprocessore che ne permette il graduale aumento fino al valore richiesto, secondo la rampa di accelerazione in esso programmata.

L’eliminazione dei picchi di corrente e delle relative sollecitazioni meccaniche favorisce quindi implicitamente l’affidabilità di funzionamento del motore e ne allunga pertanto la vita utile.

Considerazioni simili valgono anche per il caso inverso, vale a dire quando il motore viene staccato o comunque si desidera diminuirne la velocità di rotazione; infatti anche in queste situazioni la variazione di velocità viene controllata dal microprocessore facendo in modo che essa avvenga secondo una curva (rampa) di decelerazione programmata al suo interno.

La decelerazione controllata del motore previene il rischio di generare delle sovratensioni nel circuito qualora esso, nella fase di rallentamento, si trovi a funzionare da generatore.

Alla stessa stregua si deve poi mettere in evidenza come l’ampia gamma di velocità ottenibili, contribuisce ad. una riduzione dei consumi, di energia elettrica.

Grazie al numero elevato di gradini di regolazione si può infatti alimentare il motore nel modo più adatto alle condizioni di carico richieste, senza dover dissipare energia elettrica come avviene invece nei casi di regolazione con pacchetti di resistori di potenza. In relazione a quest’ultimo punto si noti che l’eliminazione di tali resistori evita il pericolo del loro incendio nel caso di surriscaldamento, con evidenti vantaggi sotto il profilo della sicurezza e dellaffidabilità.

Da ultimo occorre infine sottolineare come l’aver incorporato il variatore elettronico di velocità nei portaspazzole consente di eliminare qualsiasi cavo di collegamento tra esso e le spazzole: ciò agevola l’applicazione di un tale variatore ai motori in corrente continua e ne favorisce le prestazioni.

E’ infatti comprensibile come la presenza di un cablaggio tra il variatore e le spazzole introduce inevitabilmente una resistenza aggiuntiva e quindi una caduta di tensione che influisce sulla corretta alimentazione del motore. Inoltre i cavi di collegamento delle spazzole potrebbero diventare degli elementi attraverso i quali vengono condotti (per effetto antenna) eventuali disturbi elettromagnetici generati all’estemo, influenzando quindi in modo negativo la regolazione di velocità impostata dal variatore.

Naturalmente non sono da escludere varianti dell’invenzione rispetto alla forma esecutiva che di essa è stata qui riportata.

Indicativamente si può ritenere che nel caso di motori con un numero di poli superiore a due, il circuito elettronico associato al portaspazzole potrà subire delle modifiche rispetto allo schema a blocchi visto in precedenza.

E’ poi del tutto evidente che si potranno aumentare le funzioni svolte dal portaspazzole; per esempio oltre a far funzionare il motore solo sulla base del segnale di comando, si potrebbe pensare di fargli compiere anche una regolazione per mantenere costante la velocità al variare del carico. Ciò richiederebbe qualche modifica allo schema di cui si è detto ed anche un microprocessore adeguato, ma tuttavia essi potrebbero sempre venire predisposti sul portaspazzole.

Per quanto riguarda invece il circuito elettronico del variatore, esso potrà venire direttamente stampato, in parte o del tutto, sulla piastra di supporto delle spazzole oppure applicato in altra maniera ad essa.

Queste ed altre possibili varianti rientrano comunque nell’ambito delle rivendicazioni che seguono.

Claims (5)

1. RIVENDICAZIONI 1. Portaspazzole per motori a corrente continua, comprendente un supporto (P) per le spazzole (la, lb), caratterizzato dal fatto di avere un variatore elettronico (2-6) predisposto su tale supporto e collegato alle spazzole per variare la tensione e/o corrente da applicare al motore mediante esse.
2. 2. Portaspazzole secondo la rivendicazione 1, in cui il variatore elettronico (2-6) comprende un microprocessore (4) programmabile che comanda una sezione (3) di pilotaggio di una sezione di potenza (2) collegata alle spazzole (la, lb).
3. 3. Portaspazzole secondo la rivendicazione 2, in cui il variatore elettronico (2-6) comprende una sezione di controllo (5) collegata in ingresso alla sezione di potenza (2) ed in uscita al microprocessore (4), atta ad inibire il funzionamento del motore in caso di sovratensioni e/o sovracorrenti.
4. 4. Portaspazzole secondo le rivendicazioni 2 e 3, in cui il variatore elettronico (2-6) comprende una sezione di filtraggio (6) per l’abbattimento di disturbi elettromagnetici emessi o provenienti dall’esterno.
5. 5. Portaspazzole secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il supporto (P) delle spazzole (la, lb) è di tipo a piastra,