ITPD940036A1

ITPD940036A1 - ELECTRIC MOTOR WITH PERMANENT MAGNET ROTOR WITH STARTING AND SPEED CONTROL DEVICE

Info

Publication number: ITPD940036A1
Application number: IT94PD000036A
Authority: IT
Inventors: Luciano Dassi; Vanni Gallocchio
Original assignee: Luciano Dassi; Vanni Gallocchio
Priority date: 1994-02-25
Filing date: 1994-02-25
Publication date: 1995-08-25
Also published as: IT1268949B1; ITPD940036A0

Abstract

Il motore elettrico con rotore a magnete permanente secondo l'invenzione, presenta un avvolgimento di statore doppio a presa centrale.Ciascuno dei due semiavvolgimenti è alimentato a tensione e frequenza di rete mediante la chiusura di un proprio interruttore statico comandato o da un circuito elettronico a sequenza programmata o da una rete di controreazione capace di riconoscere la posizione angolare istantanea del rotore.The electric motor with permanent magnet rotor according to the invention has a central socket double stator winding.Each of the two half-windings is powered by mains voltage and frequency by closing its own controlled static switch or by an electronic circuit with programmed sequence or from a feedback network capable of recognizing the instantaneous angular position of the rotor.

Description

"MOTORE ELETTRICO CON ROTORE A MAGNETE PERMANENTE CON DISPOSITIVO DI CONTROLLO DELL'AVVIAMENTO E DELLA VELOCITA' DI REGIME" "ELECTRIC MOTOR WITH PERMANENT MAGNET ROTOR WITH STARTING AND RUNNING SPEED CONTROL DEVICE"

DESCRIZIONE DESCRIPTION

Forma oggetto della presente invenzione un motore elettrico con rotore a magnete permanente con dispositivo di controllo dell'avviamento e della velocità di regime. The present invention relates to an electric motor with a permanent magnet rotor with a device for controlling starting and operating speed.

I motori elettrici con rotore a magnete permanente, sono dei particolari motori che hanno, quale caratteristica, un alto rendimento quando ruotano a regime ovvero quando funzionano come motori sincroni con la rete. Electric motors with permanent magnet rotor are particular motors that have, as a characteristic, a high efficiency when they rotate at full speed or when they work as synchronous motors with the mains.

Anche la struttura meccanico-costruttiva è particolarmente semplice, il che implica dei bassi costi di produzione e prezzi molto competitivi se rapportati a motori asincroni di pari caratteristiche di potenza resa all'asse. The mechanical-constructive structure is also particularly simple, which implies low production costs and very competitive prices when compared to asynchronous motors with the same power output characteristics.

II loro scarso utilizzo è dovuto a problemi non ancora del tutto risolti, legati all'avviamento e al controllo della loro velocità di regime. Their scarce use is due to problems not yet fully resolved, related to starting and controlling their running speed.

In sostanza, essendo dei motori sincroni hanno il problema se collegati direttamente in rete, di dover andare a regime nel tempo di un semiperiodo della corrente alternata di alimentazione. Basically, since they are synchronous motors, they have the problem, if connected directly to the network, of having to go up to speed in the time of a half-period of the alternating current supply.

Questo, chiaramente, è molto difficile da ottenere ed è possibile solo se il rotore ha una ridottissima inerzia (che implica però basse potenze) e se l'avviamento avviene con carico all'asse praticamente nullo. This, of course, is very difficult to obtain and is possible only if the rotor has a very low inertia (which however implies low power) and if the starting occurs with virtually zero axle load.

Oltre a questo, a meno di dispositivi particolari, il motore sincrono può avviarsi indifferentemente sia in senso orario che in senso antiorario. In addition to this, except for special devices, the synchronous motor can start indifferently both clockwise and anticlockwise.

Queste due problematiche hanno molto limitato l'impiego di questi motori, che trovano applicazione usuale solo in dispositivi o macchine che funzionano in modo indifferente rispetto al senso di rotazione e che non presentano carichi significativi allo spunto. These two problems have very limited the use of these motors, which are usually used only in devices or machines which operate indifferently with respect to the direction of rotation and which do not have significant loads at start.

Così, nonostante siano stati escogitati molti sistemi meccanici per rendere efficiente il motore comunque sia il suo verso di rotazione o per imporre un senso di rotazione, questi motori hanno trovato scarse applicazioni di cui quelle tipiche sono quali motori da timer o da pompe di bassa potenza e prevalenza. Thus, although many mechanical systems have been devised to make the motor efficient in any direction of rotation or to impose a direction of rotation, these motors have found few applications of which the typical ones are such as timer motors or low power pumps. and prevalence.

La tecnologia, ricercando un modo di alimentare motori di questo tipo di potenze non piccole, ha sviluppato dei dispositivi di alimentazione di controllo elettronico che determinano una frequenza di alimentazione variabile ed in pratica via via crescente da zero al sincronismo di rete. The technology, seeking a way to power motors of this type of not small powers, has developed electronic control power supply devices that determine a variable power frequency and in practice gradually increasing from zero to mains synchronism.

Questa metodologia ha certamente risolto il problema del transitorio di avviamento ed anche quello di determinare la velocità di regime, costruendo una corrente indipendente dalla rete di alimentazione, con frequenza via via variabile fino a quella tipica della velocità voluta. This methodology has certainly solved the problem of the starting transient and also that of determining the steady state speed, by constructing a current independent of the power supply network, with gradually variable frequency up to that typical of the desired speed.

Per contro questi dispositivi elettronici hanno un elevato costo e devono essere dotati di altrettanto costosi filtri per sopprimere le armoniche in radio frequenza che si generano ad ogni inversione di polarità e che vengono immesse in rete. On the other hand, these electronic devices have a high cost and must be equipped with equally expensive filters to suppress the radio frequency harmonics that are generated at each polarity inversion and that are fed into the network.

Scopo della presente invenzione è quello di eliminare gli inconvenienti della tecnica nota realizzando un particolare motore combinato con un dispositivo controllato di alimentazione. The object of the present invention is to eliminate the drawbacks of the known art by making a particular motor combined with a controlled feeding device.

Conseguente primario scopo è quello di realizzare un motore dotato di un dispositivo che consenta l'avviamento anche per motori di rilevante potenza soggetti a carico anche durante lo spunto. A consequent primary object is to provide a motor equipped with a device which allows starting also for motors of considerable power subject to load even during starting.

Un secondo scopo è quello di realizzare un motore con un dispositivo di controllo che consenta di avviarlo sempre in un voluto e riconosciuto verso di rotazione. A second object is to provide a motor with a control device which allows it to always be started in a desired and recognized direction of rotation.

Non ultimo scopo è quello di realizzare una combinazione motore-controllo molto sicura e di costo estremamente contenuto. Not least object is to provide a very safe and extremely low cost motor-control combination.

Questi ed altri scopi ancora che più chiaramente appariranno in seguito sono raggiunti da un motore elettrico con rotore a magnete permanente con dispositivo di controllo dell'avviamento e della velocità di regime caratterizzato dal fatto di presentare un avvolgimento di statore doppio a presa centrale, ciascuno dei due semiavvolgimenti presentando in serie un interruttore statico, detti interruttori statici essendo pilotati a mezzo di un circuito di comando elettronico con memorizzazione di sequenza e/o con una rete di controreazione capace di riconoscere almeno una posizione angolare istantanea del rotore. These and other objects which will appear more clearly in the following are achieved by an electric motor with permanent magnet rotor with starting and operating speed control device characterized by the fact that it has a double center-tapped stator winding, each of the two half-windings having a static switch in series, said static switches being driven by means of an electronic control circuit with sequence storage and / or with a feedback network capable of recognizing at least one instantaneous angular position of the rotor.

Opportunamente i due semiavvolgimenti sono realizzati in modo che per ogni semiperiodo di rete alla chiusura di un interruttore corrisponda la generazione nel circuito magnetico di un flusso contrario a quello prodotto dalla chiusura dell'altro interruttore. Conveniently, the two half-windings are made in such a way that for each network half-period when one circuit breaker closes, the generation in the magnetic circuit of a flow opposite to that produced by the closure of the other circuit-breaker corresponds.

Convenientemente i due interruttori statici verranno chiusi in alternativa, l'uno o l'altro in modo che il flusso magnetico generato dal corrispondente semiavvolgimento produca una coppia di rotazione concorde alla situazione magnetica del rotore nel semiperiodo interessato, mentre la tensione di alimentazione risulta esser sempre quella di rete. Conveniently, the two static switches will be closed alternatively, either one or the other, so that the magnetic flux generated by the corresponding half-winding produces a rotation torque in accordance with the magnetic situation of the rotor in the half-period concerned, while the supply voltage is always that of the network.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione risulteranno maggiormente dalla dettagliata descrizione di preferite schematiche soluzioni costruttive illustrate in modo esemplificativo ma non limitativo nelle allegate tavole di disegni in cui: Further characteristics and advantages of the invention will become clearer from the detailed description of preferred schematic constructive solutions illustrated by way of example but not of limitation in the attached drawings in which:

la fig. 1 rappresenta una schema base del motore e del dispositivo di alimentazione con circuito elettronico a sequenza programmata; fig. 1 represents a basic diagram of the motor and of the power supply device with electronic circuit with programmed sequence;

la fig. 2 rappresenta lo schema del motore con dispositivo di alimentazione con rete di controreazione; la fig. 3 rappresenta l'andamento caratteristico del flusso magnetico nei due semiavvolgimenti di statore per un motore a due poli nella fase di avviamento fino a regime; la fig. 4 mostra una sequenza di andamenti del flusso magnetico nei due semiavvolgimenti per un motore a due poli nelle condizioni di regime fra 600 e 3000 giri/minuto. fig. 2 shows the diagram of the motor with power supply device with feedback network; fig. 3 represents the characteristic trend of the magnetic flux in the two stator half-windings for a two-pole motor in the starting phase up to steady state; fig. 4 shows a sequence of trends of the magnetic flux in the two half-windings for a two-pole motor in the operating conditions between 600 and 3000 rpm.

Con riferimento alle figure citate il motore secondo il trovato presenta uno statore ferromagnetico 1 dotato di due espansioni polari 2 e 3 con traferro di ampiezza variabile rispettivamente 4 e 5. With reference to the aforementioned figures, the motor according to the invention has a ferromagnetic stator 1 equipped with two pole pieces 2 and 3 with an air gap of variable amplitude 4 and 5, respectively.

Il rotore 6 è del tipo a magnete permanente che presenta quindi una zona denominata nord indicata con 7 ed una denominata sud indicata con 8. The rotor 6 is of the permanent magnet type which therefore has an area called north indicated by 7 and an area called south indicated by 8.

Il traferro non costante impone che senza campo magnetico il rotore si disponga sempre in una posizione visualizzata dalla freccia 9 o in una posizione ruotata di 180° rispetto a questa freccia indicativa. The non-constant air gap requires that, without a magnetic field, the rotor is always arranged in a position displayed by arrow 9 or in a position rotated by 180 ° with respect to this indicative arrow.

La parte elettrica avvolta sullo statore 1 è composta da una prima bobina 1 indicata con 10 ed una seconda bobina 2 indicata con 11 che hanno in comune una presa centrale 12 e due terminali di alimentazione rispettivamente 13 e 14. In serie ai terminali 13 e 14 sono presenti due interruttori statici, ovvero TRIAC 15 e 16 comandati da un circuito elettronico 17 che nel caso di fig. 1, ha in sè memorizzata la sequenza di avviamento e di mantenimento a regime del motore. The electrical part wound on the stator 1 is composed of a first coil 1 indicated with 10 and a second coil 2 indicated with 11 which have in common a central socket 12 and two power supply terminals 13 and 14 respectively. In series with terminals 13 and 14 there are two static switches, namely TRIAC 15 and 16 controlled by an electronic circuit 17 which in the case of fig. 1, has in itself memorized the sequence of starting and maintaining the engine running at speed.

I due TRIAC 15 e 16 quando singolarmente sono chiusi portano direttamente la tensione di rete 18 sulle bobine 10 ed 11. The two TRIACs 15 and 16 when individually closed carry the mains voltage 18 directly on the coils 10 and 11.

Con una conformazione di questo tipo nel circuito elettronico 17 viene memorizzata una sequenza di avviamento studiata in funzione del motore ed in particolare del tipo di utilizzo del motore ovvero del carico applicato al rotore . With a configuration of this type, a starting sequence designed as a function of the engine and in particular of the type of use of the engine or of the load applied to the rotor is stored in the electronic circuit 17.

Stabilito questo, l'andamento delle sequenze di apertura e di chiusura dei TRIAC 15 e 16 è quello illustrato nella figura 3. Having established this, the trend of the opening and closing sequences of the TRIACs 15 and 16 is that shown in Figure 3.

Inizialmente vi è un semimpulso di verifica 19 che consente di stabilire la posizione polare del rotore ovvero una serie di semiìnpulsi per rovesciare la posizione di 180<* >allo scopo di stabilire il suo verso di avviamento. Initially there is a verification half-pulse 19 which allows to establish the polar position of the rotor or a series of half-pulses to reverse the position of 180 <*> in order to establish its starting direction.

Effettuata questa verifica nel caso di fig. 3 si vede come per cinque semiperiodi le bobine 1 e 2 vengono alternativamente alimentate in modo che il flusso magnetico nello statore sia equiverso. Once this check has been carried out in the case of fig. 3 it can be seen that for five half-periods the coils 1 and 2 are alternately powered so that the magnetic flux in the stator is equivocal.

Dopo cinque semiperiodi si suppone che il rotore abbia effettuato mezzo giro e quindi i successivi cinque semiperiodi sono invertiti in modo che il flusso che si genera nello statore sia ancora concorde alla situazione di movimento del rotore. After five half-periods it is assumed that the rotor has made half a revolution and therefore the following five half-periods are reversed so that the flux generated in the stator is still in agreement with the situation of movement of the rotor.

Dopo 10 semiperiodi il rotore ha raggiunto la velocità di 600 giri al minuto e quindi nella seconda sequenza memorizzata i semiperiodi equiversi nelle due bobine diventano 4 in un senso e 4 nell'altro cosicché il rotore raggiunge la velocità di 750 giri al minuto. After 10 half-periods the rotor has reached the speed of 600 revolutions per minute and therefore in the second memorized sequence the equiverse half-periods in the two coils become 4 in one direction and 4 in the other so that the rotor reaches the speed of 750 revolutions per minute.

Nella terza sequenza ovvero fino al raggiungimento di 1000 giri è memorizzata una sequenza di 3 semiperiodi diversi seguita da una sequenza di 3 periodi controversi. In the third sequence, that is, until 1000 laps are reached, a sequence of 3 different half-periods is memorized followed by a sequence of 3 controversial periods.

Nella (quarta sequenza le due bobine vengono alimentate in sequenza l'una all'altra di 2 semiperiodi colchè il rotore raggiunge la velocità di 1500 giri. In the fourth sequence, the two coils are fed in sequence to each other for 2 half-periods so that the rotor reaches a speed of 1500 rpm.

Nella quinta sequenza la memorizzazione tiene in sostanza chiuso solo il TRIAC 15 in quanto il rotore è ormai in condizioni di agganciamento alla frequenza di rete con un numero di giri pari a 3000 al minuto. In the fifth sequence the memorization essentially keeps closed only the TRIAC 15 since the rotor is now in conditions of coupling to the mains frequency with a number of revolutions equal to 3000 per minute.

Questo tipo di avviamento, ed il conseguente circuito di comando, sono i più semplici realizzabili secondo l'invenzione. This type of starting, and the consequent control circuit, are the simplest achievable according to the invention.

Secondo i grafici di fig. 4 si vede come mantenendo delle opportune sequenze di chiusura ed apertura dei TRIAC 3⁄4?0 % 15 e 16 si riesce ancora a mantenere il motore ad un numero di giri compreso fra 600 e 3000. According to the graphs of fig. 4 it can be seen how by maintaining the appropriate closing and opening sequences of the TRIAC 3⁄4? 0% 15 and 16 it is still possible to keep the motor at a number of revolutions between 600 and 3000.

Un circuito alternativo è illustrato nella figura 2 ove è prevista, in una struttura di motore identica a quella già descritta, una sonda di posizione 20 che consente di realizzare una controreazione nel circuito elettronico di comando 21 in modo che il cambiamento del numero di cicli successivi nelle bobine 1 e 2 non avvenga per una sequenza memorizzata ma avvenga in funzione delle condizioni reali di rotazione del rotore che dipendono dal carico applicato. An alternative circuit is illustrated in Figure 2 where a position probe 20 is provided in an engine structure identical to that already described, which allows a feedback to be made in the electronic control circuit 21 so that the change in the number of successive cycles in coils 1 and 2 it does not occur for a memorized sequence but occurs according to the real conditions of rotation of the rotor which depend on the applied load.

Con questa conformazione del motore che prevede ancora due bobine indipendenti 110 e 111 alimentate rispettivamente da due TRIAC 115 e 116 si può controllare sia la rampa di avviamento del motore sia il mantenimento di una velocità diversa da quella che sarebbe imposta dalla frequenza di rete pur essendo ciascuna bobina alimentata direttamente dalla rete. With this conformation of the motor which still provides two independent coils 110 and 111 powered respectively by two TRIACs 115 and 116, it is possible to control both the starting ramp of the motor and the maintenance of a speed different from that which would be imposed by the mains frequency even if each coil powered directly from the mains.

Il vantaggio principale di questa conformazione del motore e dei suoi dispositivi di controllo stà proprio nel fatto che ciascuna bobina viene comunque alimentata senza modificare nè la frequenza nè la forma della tensione della corrente di rete. The main advantage of this conformation of the motor and its control devices lies precisely in the fact that each coil is in any case powered without changing either the frequency or the shape of the voltage of the mains current.

Questo consente di eliminare ogni disturbo in radio frequenza dovuto alle armoniche legate alla commutazione in quanto l'interruzione dell'alimentazione avviene sempre nel momento in cui la corrente ha valore zero. This makes it possible to eliminate any radio frequency disturbance due to harmonics linked to switching since the power supply is always interrupted when the current has a zero value.

Si vede così come si siano raggiunti tutti gli scopi proposti e come in entrambi le versioni la struttura sia del motore che dei sistemi di comando sia estremamente semplice, poco costosa e non critica nel funzionamento. It can thus be seen that all the proposed purposes have been achieved and that in both versions the structure of both the motor and the control systems is extremely simple, inexpensive and not critical in operation.

Ovviamente in particolare per quanto riguarda i sistemi di comando la componentistica potrà essere qualsiasi a seconda della convenienza. Obviously, in particular as regards the control systems, the components may be any according to convenience.

Claims

CLAIMS 1) Electric motor with permanent magnet rotor with starting and operating speed control device characterized by the fact of having a double stator winding with center tapped, each of the two half-windings (coils) presenting in series a static switch, called static switches, being driven by means of an electronic control circuit with sequence memorization and / or with a feedback network capable of recognizing at least one instantaneous position of the rotor.

2) Electric motor as in claim 1, characterized by the fact that the two half-windings are made in such a way that for each network half-period when a switch is closed, the generation in the magnetic circuit of a flow opposite to that produced by the closure of the other switch corresponds .

3) Electric motor as in claim 1, characterized by the fact that said electronic circuit alternatively controls one or the other of the two static switches so that the magnetic flux in the stator generates a torque on the rotor in accordance with the movement of the rotor in its instantaneous situation of movement.

4) Engine as in claim 1, characterized by the fact that in said electronic circuit a starting and steady running sequence is memorized, a predetermined number of revolutions, in accordance with the type of load applied to the rotor itself.

5) Motor as in claim 1, characterized by the fact that in an alternative solution a position probe is provided which is suitable for detecting the instantaneous position of the rotor, said signal being processed by said electronic circuit in such a way as to control the power supply of the coils so that the magnetic flux generated in the stator gives rise to a torque on the rotor in accordance with the instantaneous conditions linked to the angular position of the rotor.

6) Electric motor with permanent magnet rotor with starting and operating speed control device characterized in that it comprises one or more of the characteristics illustrated and described.