ITNA20110046A1 - Azionamento elettrico senza spazzole con due rotori indipendenti per propulsione elettrica ibrida. - Google Patents

Azionamento elettrico senza spazzole con due rotori indipendenti per propulsione elettrica ibrida. Download PDF

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Ion Bolden
Sorin Deaconu
Fabrizio Marignetti
Lucian Tutelea
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Boldea Ion
Sorin Deaconu
Fabrizio Marignetti
Lucian Tutelea
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Description

DESCRIZIONE
“Azionamento elettrico senza spazzole con due rotori indipendenti per propulsione elettrica ibridaâ€
La presente invenzione à ̈ relativa ad una macchina con un solo statore e due rotori indipendenti a magneti permanenti per propulsione o trazione di veicoli elettrici ibridi. I campi di applicazione della presente invenzione includono, ma non sono limitati a: veicoli terrestri elettrici ibridi, velivoli elettrici ibridi e navi a propulsione elettrica ibrida.
Sono già note soluzioni per azionare le ruote, le eliche o le turbine di veicoli ibridi, le quali soluzioni sono costituite da un sistema elettrico integrato che include un generatore e un motore, entrambi a magneti permanenti e senza spazzole.
In particolare, nel caso di veicoli ibridi terrestri di tipo parallelo, dette soluzioni comprendono solitamente anche un sistema di trasmissione dotato di ingranaggio epicicloidale. Dette soluzioni servono a mantenere il punto di funzionamento del motore termico intorno al punto di funzionamento ottimo.
Detto punto di funzionamento ottimo à ̈ caratterizzato dal fatto che la coppia viene erogata ad una velocità di rotazione dell'albero del motore termico, che consente il funzionamento di detto motore termico con il massimo rendimento e con minime emissioni.
Dette soluzioni già note richiedono due macchine elettriche, cioà ̈ un generatore e un motore, e due converitori statici di potenza che gestiscono il flusso di energia nella macchina. La potenza viene trasmessa alle ruote sia dal motore termico che dal motore elettrico. Ne risulta un grande volume occupato dall'azionamento elettrico e un costo elevato. La presenza degli organi di trasmissione meccanica richiedono ingrassaggio permanente e manutenzione, come illustrato nei brevetti US 6081042 e US 6098735.
Sono anche note soluzioni alternative per fornire potenza alle ruote dei veicoli ibridi, le quali soluzioni alternative non fanno uso di trasmissione con ingranaggio epicicloidale, dal momento che dette soluzioni alternative utilizzano una trasmissione continua a velocità variabile realizzata tramite una macchina elettrica con doppio rotore di tipo radiale, in cui il primo rotore à ̈ mosso dal motore termico, mentre il secondo rotore trasmette potenza alle ruote motrici. Il primo rotore ospita un avvolgimento trifase alimentato in corrente alternata mediante un sistema di spazzole ed anelli di scorrimento. Il secondo rotore à ̈ dotato di magneti permanenti sia sul lato interno che su quello esterno. Lo statore del motore elettrico di detta macchina elettrica con doppio rotore di tipo radiale ospita un avvolgimento trifase.
Dette soluzioni alternative hanno lo svantaggio di necessitare sia di due convertitori statici di potenza dimensionati per la potenza nominale che di spazzole e anelli di scorrimento, come nel brevetto US 6155364.
Nel caso di veicoli ibridi di tipo serie, sono anche noti sistemi in cui il generatore azionato dal motore termico e l'azionamento elettrico del motore che trasmette potenza alle ruote motrici alla turbina o all'elica, sono separati da un elemento per limmagazzinamento di energia, solitamente una batteria oppure un accumulatore oppure un banco di supercapacitori, come nei brevetti US6554088B2 e US6876098B1. Il flusso di potenza viene trasmesso dal motore termico al generatore a magneti permanenti, da questo allo stadio AC-DC del convertitore statico di potenza, da questo all'elemento di immagazzinamento di energia, da questo allo stadio DC-AC del convertitore statico di potenza, da questo infine alle ruote motrici. Lo svantaggio principale di detti sistemi per veicoli ibridi di tipo serie à ̈ il fatto che tutti gli elementi della trasmissione di potenza sono dimensionati per la potenza nominale e quindi sia le dimensioni geometriche che il costo sono elevati.
La presente invenzione utilizza una sola macchina elettrica avente due rotori dotati di magneti permanenti con due traferri assiali e un solo avvolgimento di statore. Detta macchina elettrica viene alimentata e controllata tramite un solo convertitore statico di potenza, il quale convertitore statico di potenza alimenta entrambi i lati delfavvolgimento trifase di statore. Il sistema di controllo di detto convertitore statico di potenza consente di controllare coppia e potenza separatamente per ogni rotore, consentendo la trasmissione continua della potenza (e-CVT Continous Variable Transmission). Ciascun sottosistema costituito da un rotore e un lato di avvolgimento trifase costituisce un sistema elettromeccanico per la conversione di energia e può operare in tutti e quattro i quadranti.
L'azionamento elettrico senza spazzole oggetto del presente brevetto supera i suddetti svantaggi tramite l'utilizzo di una sola macchina sincrona a flusso assiale avente due rotori a magneti permanenti a montaggio superficiale con diverso numero di poli, due traferri assiali e un solo statore, due gruppi indipendenti di avvolgimenti trifase, bobine avvolte intorno ai denti di statore e disposte su entrambi i lati del nucleo di statore, potendo detti due gruppi indipendenti di avvolgimenti essere connessi in parallelo o in serie, con la possibilità che in alcune condizioni di funzionamento uno solo di esso sia attivo, in dipendenza dalla modalità di funzionamento del veicolo.
Un ulteriore vantaggio presentato dalla presente invenzione à ̈ rappresentato dall'utilizzo di un solo convertitore statico, contro i due necessari nei sistemi attuali, il quale convertitore statico alimenta gli avvolgimenti di statore con un sistema di tensioni trifase con due componenti di frequenza fondamentale le quali componenti consentono che i due rotori operino a diverse velocità, in differenti modalità (cioà ̈ come generatore e/o motore), e producendo diversi momenti della coppia elettromagnetica, positivi o negativi, in dipendenza dalle richieste dei carichi.
L'invenzione presenta quindi i seguenti vantaggi rispetto alle soluzioni esistenti:
-viene adoperata una sola macchina elettrica;
-le dimensioni dell'azionamento sono ridotte in confronto alle soluzioni esistenti;
-il peso à ̈ ridotto;
-il costo à ̈ ridotto;
-le pulsazioni del momento della coppia elettromagnetica sono ridotte a causa del diverso numero di poli dei due rotori;
-il rendimento complessivo à ̈ maggiore;
-le perdite totali del sistema sono ridotte;
-lo scorrimento dei contatti spazzole-anelli di scorrimento à ̈ eliminato;
-in ogni condizione di funzionamento il motore termico funziona nel suo punto di ottimo (caratterizzato dal fatto che la coppia e la velocità vengono fornite al massimo rendimento con le minime emissioni) indipendentemente dalla velocità del veicolo;
-viene adoperato un solo convertitore statico di potenza;
-la dimensione e il costo degli elementi per l'accumulo energetico (batterie o supercapacitori) Ã ̈ ridotto;
-la macchina può operare nei 4 quadranti con ognuno dei due rotori indipendenti; -l'accoppiamento del rotore alla macchina termica consente l'utilizzo della macchina elettrica per ravviamento della macchina termica, a causa della bidirezionalità della macchina elettrica.
La presente invenzione verrà ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano un esempio di attuazione non limitativo in cui:
-la Figura 1 rappresenta la vista frontale della macchina elettrica a doppio rotore;
-la Figura 2 rappresenta la sezione longitudinale della macchina elettrica a doppio rotore;
-la Figura 3 rappresenta la sezione longitudinale dell'azionamento elettrico per veicoli ibridi di tipo parallelo con trasmissione a ingranaggio epicicloidale;
-la Figura 4 rappresenta la sezione longitudinale dell'azionamento elettrico per veicoli ibridi di tipo serie;
-la Figura 5 rappresenta l'esploso del circuito magnetico dell'azionamento: i dischi di rotore 37 e 38 con i magneti permanenti 39 disposti sulla superficie, il nucleo di statore con le cave da entrambi i lati 35 e gli avvolgimenti concentrati 36 avvolti intorno ai denti;
-la Figura 6 rappresenta lo schema di collegamento dell'awolgimento trifase, nella versione in cui gli avvolgimenti sui due lati di macchina sono connessi in parallelo, con gli elementi di commutazione che consentono la disconnessione di ciascun avvolgimento;
-la Figura 7 rappresenta lo schema di collegamento dell'avvolgimento trifase, nella versione in cui gli avvolgimenti sui due lati di macchina sono connessi in serie, con gli elementi di commutazione che consentono la disconnessione di ciascun avvolgimento;
-la Figura 8 rappresenta lo schema a blocchi del doppio controllo vettoriale per due frequenze fondamentali, con trasduttori di posizione.
-la Figura 9 rappresenta la sezione longitudinale semplificata
L'azionamento elettrico senza spazzole con due rotori indipendenti per trazione o propulsione elettrica ibrida secondo la presente invenzione ha come parte principale la macchina elettrica illustrata nelle Figure 1 e 2, comprendente al centro lo statore 1 con i due avvolgimenti trifase 2, collocati nelle cave. Lo statore 1 à ̈ fissato rigidamente all'involucro o carcassa 3, munito di due flange 4 e 5, ciascuna delle quali può ospitare due cuscinetti a sfera (uno radiale e uno assiale) oppure un cuscinetto a rulli conici. Gli alloggiamenti dei cuscinetti sono indicati con 6 e 7. 1 cuscinetti permettono ai due assi 8 e 9 di ruotare indipendentemente, ciascun asse essendo collegato ad un disco di acciaio massiccio sulla cui superfìcie affacciata allo statore sono fissati i magneti permanenti. L'estremità 10 dell'asse 8 à ̈ connessa al motore termico e l'estremità 11 dell'asse 9 à ̈ connessa rispettivamente alle ruote, all'elica o alla turbina tramite eventuali ingranaggi.
L'azionamento elettrico senza spazzole con due rotori indipendenti per trazione o propulsione elettrica ibrida secondo la presente invenzione, in una prima versione costruttiva per veicoli elettrici ibridi mostrata in Figura 3 à ̈ costituito da un ingranaggio epicicloidale i cui satelliti 12 sono connessi tramite un planetario alla macchina termica e il cui pignone o solare à ̈ accoppiato meccanicamente ad uno dei rotori 14. La corona 15 à ̈ connessa rigidamente sia al secondo rotore 16 della macchina elettrica che all'asse che trasmette il moto rispettivamente alle ruote motrici 17, all'elica o alla tubina, dette elica e turbina non rappresentate nella Figura 3. Tra i due assi indipendenti 18 e 19 à ̈ interposta una frizione 20, che à ̈ usata in caso di guasto del sistema elettrico di propulsione. Gli avvolgimenti di statore 21 sono alimentati da un solo convertitore statico di potenza 22 con un filtro di potenza 23 connesso al DC link e un elemento di accumulo di energia elettrica 24.
L'azionamento elettrico senza spazzole con due rotori indipendenti per trazione o propulsione elettrica ibrida secondo la presente invenzione nella seconda versione costruttiva, illustrata nella Figura 4, à ̈ costituito da un rotore 25 accoppiato al motore termico, un rotore 26 accoppiato alla trasmissione 27 che aziona rispettivamente le ruote motrici 28, l'elica o la tubina attraverso un ingranaggio 29, chà ̈ un ingranaggio differenziale nel caso delle ruote motrici, e uno statore 30 fornito di avvolgimenti 31 alimentati da un solo convertitore statico di potenza che ha un filtro di potenza 33 nel circuito intermedio in DC e un elemento di accumulo di energia elettrica 34.
In entrambe le versioni costruttive, il rotore 14 o 25 connesso al motore termico e la parte di avvolgimento di statore ad esso affacciata costituiscono un sottosistema funzionante da generatore di energia elettrica, la quale viene trasmessa all'altra parte dell'avvolgimento di statore attraverso il convertitore statico. L'altro rotore (16 nella prima versione o 26 nella seconda), aziona rispettivamente le ruote motrici, l'elica o la turbina. Le parti di avvolgimento 21 nella prima versione e 31 nella seconda versione e il rotore collegato alle ruote motrici 16 nella prima versione e 26 nella seconda versione possono funzionare da motore, ma anche da generatore durante la fase di frenatura Se l'energia prodotta dal generatore à ̈ maggiore di quella richiesta dalla parte di macchina che funge da motore elettrico, il surplus à ̈ inviato all'elemento di accumulo 24. Se il motore richiede una energia superiore a quella prodotta in un dato istante nella parte che funge da generatore, il surplus può essere prelevato dall'energia immagazzinata nell'elemento di accumulo 24.
La Figura 5 presenta la vista tridimensionale del nucleo di statore 35 a cave aperte, gli avvolgimenti trifase 36 e i dischi di ferro massiccio 37 e 38, su cui sono disposti i magneti permanenti 39. Vantaggiosamente, il numero di coppie polari dei due rotori 37 e 38 Ã ̈ diverso.
Gli avvolgimenti possono essere collegati in parallelo (Figura 6) o in serie (Figura 7), con la possibilità che in un dato istante il circuito dei due avvolgimenti possa essere separato elettricamente, lasciando un solo lato di avvolgimento attivo. Detto avvolgimento attivo può essere o quello relativo al sotto sistema funzionante da motore (quando il motore termico à ̈ spento) o al sottosistema funzionante da generatore (nel caso di soste prolungate).
Il convertitore statico di potenza à ̈ controllato mediante una tecnica basata su un doppio vettore di spazio (illustrata in Figura 8) con due frequenze fondamentali sovrapposte la cui uscita à ̈ rappresentata dalle tensioni di alimentazione rappresentate da due vettori di spazio sommati insieme.
La coppia prodotta dalla macchina costituente il primo sottosistema à ̈ ottenuta alla velocità angolare ωr1e la coppia prodotta dalla macchina costituente il secondo sottosistema à ̈ ottenuta alla velocità angolare ωr2. Indicando con pi il numero di coppie polari del primo rotore e con p2 numero di coppie polari del secondo rotore, al sincronismo nell'avvolgimento di statore circoleranno due sistemi di corrente sovrapposti, uno a pulsazione ωr1*Ï 1 e uno a pulsazione ωr2*p2.
Il controllo à ̈ di tipo scalare o vettoriale, di tipo diretto oppure indiretto, che adopera una strategia PWM con regolatori in coordinate sincrone con ciascun rotore. La trasformazione di coordinate avviene usando l'angolo Î ̧erper il primo rotore 41 e l'angolo Î ̧er2per il secondo rotore 42. Detti angoli Î ̧er1 e Î ̧er2sono forniti dai trasduttori di posizione 40 solidali ai rotori 41 e 42. Usando i trasduttori di corrente 53 si ricavano due correnti di fase e anche la corrente totale di statore. Mediante i blocchi di trasformazione 43 e i filtri 44 sono ottenute le correnti id1e iq1 nel sistema di riferimento dlql solidale al primo rotore e id2e iq2 sistema di riferimento d2q2 solidale al secondo rotore.
I regolatori di velocità 45 e i regolatori di corrente 46 possono essere vantaggiosamente realizzati tramite controllori sliding mode con caratteristiche proporzionali integrali. Per elimirare le oscillazioni dovute alle due componenti di frequenza, il segnale dato da un regolatore proporzionale integrale 47 à ̈ applicato al funzionale sliding mode, che à ̈ attivo solo in prossimità del valore di riferimento del parametro da controllare. La tecnica di controllo sliding mode consente la sintesi di un controllore robusto senza la necessità di compensare la forza elettromotrice indotta
Successivamente alla trasformazione di coordinate dai riferimenti ortogonali dlql e d2q2 ai riferimenti di statore 1abc e 2abc, le tensioni ottenute V<*>labce V*2abcsono sommate nel blocco space vector PWM 48 e i segnali in uscita sono applicati ai drivers di gate degli switch del convertitore statico di potenza 49, modulando in questo modo la forma d'onda di tensione con due frequenze. La tensione à ̈ infine applicata all'avvolgimento trifase di statore 50. Nel circuito intermedio del convertitore statico sono inseriti un filtro di potenza 51 e l'elemento di accumulo di energia 52.

Claims (13)

  1. RIVENDICAZIONI Si rivendica: 1. Azionamento elettrico senza spazzole a flusso assiale con due rotori indipendenti (25) e (26) per propulsione elettrica ibrida di veicoli, caratterizzato dal fatto che al fine di azionare rispettivamente le ruote motrici, l'elica o la turbina, viene usata una sola macchina elettrica con due rotori con magneti permanenti e traferro assiale e un solo statore (31), con il primo rotore (25) accoppiato al motore termico mediante un organo di trasmissione meccanica, con detto primo rotore (25) operante principalmente da generatore e il secondo rotore (26) accoppiato mediante un organo di trasmissione meccanica rispettivamente alle ruote motrici, all'elica o alla turbina, detto secondo rotore (26) operante principalmente da motore.
  2. 2. Azionamento elettrico senza spazzole con due rotori indipendenti per veicoli elettrici ibridi caratterizzato dal fatto che al fine di azionare rispettivamente le ruote motrici, l'elica o la turbina, viene usata una sola macchina elettrica con due rotori con magneti permanenti e traferro assiale e un solo statore (31) con il primo rotore (14) accoppiato alla macchina termica attraverso un ingranaggio epicicloidale, detto primo rotore essendo azionato dal pignone che ingrana con i satelliti (12) e il secondo rotore (16) essendo accoppiato alla corona (15) e rispettivamente alle ruote motrici, all'elica o alla turbina.
  3. 3. Azionamento elettrico senza spazzole a flusso assiale con due rotori indipendenti, secondo una delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che per semplicità costruttiva i due rotori (37) e (38) sono dotati di magneti permanenti (39) con un numero diverso di poli o con lo stesso numero di poli, avendo detto azionamento un solo statore con un avvolgimento trifase su ogni lato (36) oppure un singolo avvolgimento trifase che passa da un lato all'altro del nucleo magnetico di statore ed à ̈ avvolto toroidalmente sul nucleo di statore.
  4. 4. Azionamento elettrico senza spazzole con due rotori indipendenti secondo una delle rivendicazioni 1 e 2 caratterizzato dal fatto che realizza una conversione di energia bidirezionale a quattro quadranti tra la macchina elettrica e le ruote motrici e conversione unidirezionale di energia tra la macchina termica e la macchina elettrica.
  5. 5. Azionamento elettrico senza spazzole con due rotori indipendenti secondo la rivendicazione 3 caratterizzato dal fatto che al fine di semplificare la sorgente di alimentazione trifase le due parti dell'avvolgimento trifase di statore possono essere collegate in parallelo o in serie, in dipendenza dal regime di funzionamento del veicolo e in un dato istante possono essere connesse entrambe o singolarmente alla sorgente di alimentazione.
  6. 6. Azionamento elettrico senza spazzole con due rotori indipendenti secondo la rivendicazione 3 caratterizzato dal fatto che al fine di immagazzinare il surplus di energia elettrica in un dato istante, nel circuito intermedio del convertitore statico di potenza (22) o (32) à ̈ connesso ad un filtro di potenza realizzato con capacitori e/o con un elemento di immagazzinamento di energia con batterie e/o supercapacitori (23) e (24) oppure (33) e (34), la cui energia può essere usata quando il motore termico fornisce meno energia di quanta ne viene consumata oppure quando detto motore termico à ̈ arrestato.
  7. 7. Azionamento elettrico senza spazzole con due rotori indipendenti secondo una delle rivendicazioni 1 o 2 caratterizzato dal fatto che mediante il suo sistema di controllo viene ottenuto un funzionamento a regime ottimizzato del motore termico, in un intorno del punto di funzionamento ottimale, ottenendo la coppia e la velocità desiderate con la massima efficienza e con le minime emissioni inquinanti nell' intero campo di funzionamento del veicolo.
  8. 8. Azionamento elettrico senza spazzole con due rotori indipendenti secondo la rivendicazione 3 caratterizzato dal fatto che il sistema di controllo vettoriale, scalare o diretto in coppia (DTC) del convertitore di potenza à ̈ del tipo sensorless, la tensione di uscita verso gli avvolgimenti trifase contenendo due frequenze, ciascuno dei due rotori ruotando alla velocità corrispondente alla frequenza e al verso del momento della forza elettromagnetica.
  9. 9. Azionamento elettrico senza spazzole con due rotori indipendenti secondo la rivendicazione 3 caratterizzato dal fatto che al fine di ridurre il contenuto armonico della forza elettromotrice vengono adoperati avvolgimenti frazionari con bobine avvolte intorno ai denti (36), disposti su di un lato e sull'altro del nucleo magnetico di statore, fornito di cave, oppure un solo avvolgimento a cave frazionarie che passa da un lato all'altro del nucleo magnetico di statore.
  10. 10. Azionamento elettrico senza spazzole con due rotori indipendenti secondo la rivendicazione 8 caratterizzato dal fatto che sviluppa un principio di controllo ad orientamento di campo per il controllo ottimo del movimento e della potenza, usando la modulazione delle correnti trifase mediante due vettori di spazio di frequanza diversa con applicazione alle macchine sincrone con avvolgimenti multipli e/o rotori con differente numero di poli.
  11. 11. Azionamento elettrico senza spazzole con due rotori indipendenti secondo la rivendicazione 3 caratterizzato dal latto che dividendo i magneti e/o introducendo alcune barre di conduttore tra i magneti si ottiene una gabbia di smorzamento per migliorare il funzionamento in regime dinamico.
  12. 12. Azionamento elettrico senza spazzole con due rotori indipendenti secondo una delle rivendicazioni 1 o 2 caratterizzato dal fatto che per semplificazione costruttiva e la riduzione dei costi, sostituendo i magneti permanenti con una gabbia di scoiattolo in corto circuito si ottiene una macchina ad induzione con due rotori e un solo nucleo magnetico di statore e uno o due avvolgimenti trifase di statore.
  13. 13. Azionamento elettrico senza spazzole con due rotori indipendenti secondo una delle rivendicazioni 1 o 2 caratterizzato dal fatto che per semplificazione costruttiva e la riduzione dei costi, sostituendo i magneti permanenti con rotori a riluttanza variabile si ottiene una macchina sincrona o di tipo Switched Reluctance con due rotori e un solo nucleo magnetico di statore e uno o due avvolgimenti trifase di statore con avvolgimenti a cave frazionarie o distribuiti a 2 o 4 strati.
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