ITMI982829A1 - Attuatore bistabile,particolarmente per dispositivi differenziali - Google Patents

Description

D E S C R I Z I O N E

Il presente trovato riguarda un attuatore bi s tabi 1 e a bassa energia, particolarmente per dispositivi differenziali quali ad esempio interruttori differenziali.

Come è noto, un interruttore differenziale è un interruttore automatico per circuiti a corrente alternata che si apre quando la somma vettoriale delle correnti nei conduttori del circuito, nulla in condizioni normali, supera un valore prestabilito.

Gli interruttori differenziali sono destinati ad impedire che le parti metalliche, come le carcasse di apparecchi e le masse metalliche dell'area protetta, collegate ad un impianto di terra di resistenza appropriata, siano messe sotto tensione (protezione indiretta) e se di sufficiente sensibilità e di sufficiente rapidità di intervento possono, sotto certe condizioni, provvedere anche alla protezione contro il contatto con parti normalmente sotto tensione (protezione diretta).

La principale caratteristica degli interruttori differenziali è quella di ottenere tempi di apertura e chiusura del circuito estremamente brevi .

Un interruttore differenziale è illustrato genericamente nella figura 1. Tale interruttore comprende un sensore 1 per rilevare la corrente di guasto differenziale, costituito generalmente da un nucleo magnetico entro cui passano il neutro 2 e la fase 3, che sono quindi collegati a monte ad un carico (non illustrato), e da un avvolgimento secondario 4 ai cui capi si genera una tensione quando è presente la corrente di guasto. Un circuito elettronico di accoppiamento 5 è previsto tra il sensore di corrente 4 e un attuatore 6 che viene alimentato dalla tensione generata ai capi dell'avvolgimento secondario.

L'interruttore differenziale comprende inoltre un meccanismo di rilascio o sgancio 7 azionato dall'attuatore 6, il quale provvede ad aprire i contatti 8 e 9 del circuito nel caso in cui vi sia una corrente di guasto verso massa.

Gli attuatori di tipo convenzionale impiegati in un interruttore differenziale sono di tipo elettromagnetico (relè elettromagnetico a smagnetizzazione) e presentano i seguenti inconvenienti.

Essi sono sensibili ai campi magnetici e questo porta ad una alterazione del loro funzionamento. Ad esempio può verificarsi la situazione in cui la presenza di un campo elettromagnetico provoca una attuazione indesiderata e non giustificata dell'attuatore. Oppure può verificarsi il caso in cui un campo magnetico esterno alteri la magnetizzazione del relè elettromagnetico alterando di conseguenza la sensibilità dell'interruttore differenziale.

Inoltre, sono sensibili ad urti e vibrazioni, hanno una realizzazione meccanica complessa e un costo elevato.

Compito precipuo del presente trovato è quello di realizzare un attuatore bistabile, particolarmente per dispositivi differenziali, che sia insensibile ai campi magnetici esterni.

Nell'ambito di questo compito, uno scopo del presente trovato è quello di realizzare un attuatore bistabile, particolarmente per dispositivi differenziali, che garantisca sicurezza di intervento con tempi di attuazione rapidissimi.

Un altro scopo del presente trovato è quello di realizzare un attuatore bistabile, particolarmente per dispositivi differenziali, che richieda una bassa energia di innesco, in modo da rendere l'attuatore applicabile all'interno di interruttori differenziali autoalimentati dove l'esigua energia disponibile è derivata unicamente dalla corrente di guasto verso massa.

Un altro scopo del presente trovato è quello di realizzare un attuatore bistabile, particolarmente per dispositivi differenziali, che sia sostanzialmente insensibile ad urti e vibrazioni.

Non ultimo scopo del presente trovato è quello di realizzare un attuatone bistabile, particolarmente per dispositivi differenziali, che sia di elevata affidabilità, di relativamente facile realizzazione ed a costi competitivi.

Questo compito, nonché questi ed altri scopi che meglio appariranno in seguito, sono raggiunti da un attuatore bistabile, particolarmente per dispositivi differenziali, caratterizzato dal fatto di comprendere una lamina metallica su almeno una cui faccia, in corrispondenza di almeno una porzione della lamina, è disposto uno strato di materiale piezoelettrico, l'estremità della lamina in corrispondenza di detto strato piezoelettrico essendo incastrata in un elemento di supporto, l'estremità opposta essendo vincolata permantenere in posizione di caricamento detta lamina.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi del trovato risulteranno maggiormente dalla descrizione di forme di realizzazione preferite, ma non esclusive, dell'attuatore secondo il trovato, illustrate a titolo indicativo e non limitativo, negli uniti disegni, in cui:

La figura 1 è uno schema a blocchi di massima di un interruttore differenziale;

la figura 2 è una vista laterale illustrante un attuatore bistabile secondo il presente trovato;

la figura 3 è una vista in pianta della figura 2, illustrante l‘attuatore bistabile secondo il presente trovato;

la figura 4 illustra una seconda forma di realizzazione dell'attuatore bistabile secondo il presente trovato;

la figura 5 illustra una terza forma di realizzazione dell'attuatore bistabile secondo il presente trovato;

la figura 6 illustra una quarta forma di realizzazione dell'attuatore bistabile secondo il presente trovato;

la figura 7 illustra una quinta forma di realizzazione dell'attuatore bistabile secondo il presente trovato;

la figura 8 illustra una sesta forma di realizzazione dell'attuatore bistabile secondo il trovato;

la figura 9 illustra una settima forma di realizzazione dell'attuatore bistabile secondo il trovato;

la figura 10 illustra una ottava forma di realizzazione dell'attuatore bistabile secondo il trovato;

la figura 11 illustra una nona forma di realizzazione dell1attuatore secondo il trovato; e

la figura 12 illustra una decima forma di realizzazione dell'attuatore bistabile secondo il presente trovato.

Con riferimento alle sopra citate figure, e in particolare alle figure da 2 a 12, l'attuatore bistabile secondo il presente trovato, comprende una lamina metallica 10 opportunamente dimensionata e sagomata, come sarà illustrato in dettaglio in seguito, su almeno una faccia della quale e su almeno una cui porzione è disposto uno strato di materiale piezoelettrico 11.

L'estremità della lamina metallica 10 su cui è disposto almeno uno strato di materiale piezoelettrico 11 è incastrata in un elemento di supporto 12.

L'estremità opposta della lamina deve essere invece vincolata in modo da impedire qualsiasi spostamento delle estremità vincolate della lamina 10.

L'elemento piezoelettrico 11 è incastrato con una sua porzione insieme alla lamina 10 nell'elemento di supporto 12. Ciò permette di avere un vincolo rigido in cui l'elemento piezoelettrico 11 si comporta come un perno e trasferisce in modo ottimale il momento flettente alla sola parte utile della lamina 10.

Preferibilmente, sono previsti due strati 11 di materiale piezoelettrico, disposti su superfici opposte della lamina 10.

Il funzionamento dell'attuatore bistabile secondo il trovato è come segue.

La lamina viene caricata di punta assumendo una configurazione deformata. La freccia (deformazione rispetto alla configurazione non deformata) sulla punta non vincolata del piezoelettrico 11 è molto minore rispetto alla freccia sulla parte libera della lamina. Questo perchè la parte piezoelettrica 11 è molto più rigida della parte libera della lamina 10.

Quando una tensione opportuna è applicata, la parte della lamina su cui aderisce almeno uno strato 11 di materiale piezoelettrico si flette e la freccia sulla estremità non incastrata del piezoelettrico si riduce e supera la linea ideale della configurazione non deformata. In questo modo, la lamina 10 diventa instabile e si porta alla seconda posizione deformata compiendo l'attuazione. Opportunamente, questa attuazione comporta l'azionamento ad esempio di un pernetto a cui è collegato il dispositivo di sgancio di un interruttore differenziale.

Occorre rilevare che l'estremità della lamina 10 su cui è disposto lo strato di piezoelettrico 11 è incastrata al fine di massimizzare la stabilità dell’attuatore e la flessione all'estremità del piezoelettrico.

L'attuatore bistabile, essendo innescato preferibilmente da due strati 11 di materiale piezoelettrico, è intrinsecamente immune ai campi magnetici. Gli strati piezoelettrici 11 sono inoltre incollati sulla lamina 10 e questo garantisce una struttura molto compatta e meccanicamente semplice da realizzare, con conseguente riduzione di costi rispetto ad attuatori di tipo noto.

La struttura dell'attuatore così concepito è inoltre bistabile: questo favorisce una bassa energia di innesco che rende l'attuatore applicabile all'interno di interruttori differenziali autoalimentati, dove l'esigua energia disponibile è derivata unicamente dalla corrente di guasto verso massa.

Nonostante la sua natura testabile, l'attuatore secondo il trovato può comunque essere reso sufficientemente insensibile ad urti e vibrazioni, mediante opportune sagomature o riduzioni locali dello spessore della lamina 10, come sarà illustrato in dettaglio nelle figure da 4 a 12.

La lamina 10 può vantaggiosamente essere realizzata in materiale superelastico, in modo da garantire, a parità di corsa e forze fornite, una minore energia necessaria allo scatto. Questa scelta diventa obbligata quando la lunghezza dell'attuatore scende al di sotto di un certo valore.

Inoltre, le estremità della lamina 10 sono preferibilmente vincolate a quote diverse nel supporto 12 e nel supporto 13 disposti in corrispondenza delle due estremità.

Questo consente di ridurre l'energia necessaria per far scattare la lamina da una configurazione all'altra.

I supporti 12 e 13 possono essere realizzati in modo da formare un corpo unico.

Oltre ad essere realizzata in materiale superelastico o pseudo-elastico, la lamina 10 può altresì essere realizzata in materiale superelastico lineare.

Dato che entro un interruttore differenziale, soprattutto se autoalimentato, si ha a disposizione una esigua energia per realizzare l'attuazione dell'attuatore, e al contempo si ha la necessità di rapidi tempi di intervento, è quindi necessario che la lamina bistabile 10 soddisfi a determinati requisiti di rigidezza, di massa e.dimensionali.

Alla luce di quanto sopra esposto, si rende quindi necessario minimizzare l'energia di pilotaggio dell'attuatore, aumentarne la stabilità meccanica e ottimizzarne la caratteristica forza-spostamento.

A questo fine, l 'estremità della lamina metallica 10 opposta all 'incastro nel supporto 12 è sagomata opportunamente in modo da realizzare una sorta di cerniera in corrispondenza del supporto 13.

La sagomatura della lamina 10 in prossimità del contatto con il supporto 13 può essere realizzata in modo tale sia da diminuirne la larghezza sia da diminuirne lo spessore.

Come illustrato nella figura 4 e nella figura 5, che sono viste laterali dell'attuatore secondo il trovato, può essere realizzata una riduzione di spessore, in un'area indicata dal numero di riferimento 15, che può essere prevista sia in corrispondenza di un'unica estremità della lamina metallica 10, sia in corrispondenza di entrambe le estremità di tale lamina.

Un'ulteriore forma di realizzazione illustrata nelle figure 6 e 7 prevede la realizzazione di smanchi 16 in corrispondenza o di una estremità della lamina adiacente al supporto 13, o in corrispondenza di entrambe le estremità, come illustrato nella figura 7.

In un'altra forma di realizzazione, illustrata nelle figure 8 e 9, gli smanchi delle figure 6 e 7 sono realizzati con forma arrotondata ed indicati dal numero di riferimento 17. Anche in questo caso, gli smanchi possono essere realizzati o in corrispondenza di una sola estremità della lamina 10, ossia l'estremità in corrispondenza del supporto 13, oppure in corrispondenza di entrambe le estremità, come illustrato nella figura 9.

La seconda estremità della lamina, opposta al supporto 13 è in realtà da intendersi come la porzione di lamina 10 adiacente agli strati di matenaie piezoelettrico.

Le figure 10, 11 e 12 illustrano ulteriori forme di realizzazione della lamina metallica 10 in cui almeno una delle estremità della lamina 10 è sagomata in modo da assottigliarsi a punta in corrispondenza del supporto 13. In alternativa, anche la porzione di lamina 10 adiacente alla regione di disposizione dello strato o strati piezoelettrici 11 può essere sagomata in modo da essere assottigliata rispetto alla porzione centrale della lamina 10.

In pratica, la riduzione di spessore o larghezza della lamina 10 può avvenire o in corrispondenza del supporto 13 o anche in corrispondenza della zona adiacente agli strati piezoelettrici 11.

Si è in pratica constatato come l'attuatore secondo il trovato assolva pienamente il compito prefissato in quanto consente di ottenere tempi di attuazione estremamente ridotti con bassissimo consumo di energia.

Infatti, in presenza di una corrente di guasto verso terra, nel caso in cui l'attuatore sia impiegato in un interruttore differenziale, viene prodotto un segnale elettrico di attivazione per i piezoelettrici che provoca la loro deformazione. La porzione di lamina metallica interessata dall'incollaggio dei piezoelettrici si deflette causando durante la deflessione lo scatto della parte libera nella seconda posizione di stabilità.

Il fatto di disporre le estremità della lamina metallica 10 a quote differenti consente di ridurre l'energia di attuazione necessaria.

L'attuatore così concepito è suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell'ambito del concetto inventivo; inoltre tutti i dettagli potranno essere sostituiti da altri elementi tecnicamente equivalenti.

In pratica, i materiali impiegati, purché compatibili con l'uso specifico, nonché le dimensioni, potranno essere qualsiasi secondo le esigenze e lo stato della tecnica.

Claims (13)

1. RIVENDICAZIONI 1. Attuatore bistabile, particolarmente per dispositivi differenziali, caratterizzato dal fatto di comprendere una lamina metallica su almeno una cui faccia, in corrispondenza di almeno una porzione della lamina, è disposto uno strato di materiale piezoelettrico, l'estremità della lamina in corrispondenza di detto strato piezoelettrico essendo incastrata in un elemento di supporto, l estremità opposta essendo vincolata permantenere in posizione di caricamento detta lamina.
2. 2. Attuatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto strato di materiale piezoelettrico è incastrato per un tratto con detta lamina in detto elemento di supporto.
3. 3. Attuatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di prevedere due strati di materiale piezoelettrico fissati sulle due facce di una porzione di detta lamina.
4. 4. Attuatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che le estremità di detta lamina metallica sono disposte a quote diverse, per ridurre l'energia di attivazione di detta lamina.
5. 5. Attuatore secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta lamina è realizzata in materiale superelastico o pseudoelastico
6. 6. Attuatore secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta lamina è realizzata in materiale superelastico lineare o pseudoelastico lineare.
7. 7. Attuatore secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta lamina è sagomata, almeno in corrispondenza dell'estremità opposta alla regione in cui sono disposti detti strati di materiale piezoelettrico, con una larghezza ridotta.
8. 8. Attuatore secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta lamina metallica è sagomata, in corrispondenza almeno dell’estremità opposta a detta estremità incastrata, con una sezione trasversale ridotta in spessore.
9. 9. Attuatore secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che detta lamina metallica è dotata, in corrispondenza dell'estremità opposta a detta estremità incastrata, di una coppia di smanchi.
10. 10. Attuatore secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che detta coppia di smanchi hanno un profilo squadrato.
11. 11. Attuatore secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che detta coppia di smanchi hanno un profilo arrotondato.
12. 12. Attuatore secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che detta lamina presenta, sia in corrispondenza di detta estremità opposta all'estremità incastrata, sia in corrispondenza di una regione adiacente a detti strati di materiale piezoelettrico, una coppia di smanchi.
13. 13. Attuatore secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta lamina metallica presenta, almeno in corrispondenza dell'estremità opposta a detta estremità incastrata, una rastrematura.