ITPN20080077A1 - Motore sincrono a magneti permanenti ad alto rendimento - Google Patents

Description

DESCRIZIONE del Brevetto per Invenzione Industriale dal titolo:

"MOTORE SINCRONO A MAGNETI PERMANENTI AD ALTO RENDIMENTO"

DESCRIZIONE

II presente brevetto riguarda un motore elettrico sincrono del tipo a magneti permanenti, specificamente realizzato per ottenere alti rendimenti sia a bassa che ad alta velocita' di rotazione, ed una macchina per il lavaggio della biancheria di tipo in se' noto, e cioè' dotata di una vasca di lavaggio e di un cesto rotante all'interno di detta vasca, detto cesto essendo collegato ad una puleggia esterna la quale e' collegata, tipicamente mediante un cinghia flessibile, alla puleggia di un motore elettrico.-I motori considerati dalla presente invenzione sono quelli che ottengono detti alti rendimenti su una ampia gamma di velocita' mediante la tecnica di provvedere a spostare in senso assiale il rotore rispetto allo statore in funzione della velocita' di rotazione utilizzando la forza centrifuga generata dalla stessa velocita' angolare raggiunta.-Allo scopo di focalizzarsi subito sulla descrizione dell'invenzione e quindi per evitare ridondanti spiegazioni e discussioni in se' note, si ricorda che tali tipi di motori, il loro funzionamento ed impiego, le loro tecnologie e le loro caratteristiche costruttive e funzionali sono molto ampiamente e dettagliatamente descritte nella domanda di brevetto internazionale PCT/EP2008/060300 depositato dalla medesima depositante, ed a cui per brevità' si rimanda.-In particolare si assume come noto il vantaggio di estrarre in una certa misura il rotore dallo statore sotto certe caratteristiche di impiego del motore, e si da ' inoltre per noto e discusso anche i1 brevetto prioritario US 2006/0097604 Al, citato in detta domanda di brevetto internazionale.

Secondo tale ultimo brevetto, per spostare in senso assiale il rotore rispetto allo statore in modo dipendente dalla velocita' di rotazione , viene realizzata ed impiegata una particolare tipo di molla elastica e flessibile, montata in corrispondenza dell'albero di rotazione e connessa al rotore; detta molla e' atta a contrarsi durante la rotazione dell'albero, per effetto sia del suo peso che di masse eccentriche opportune, la qual cosa provoca lo spostamento assiale del rotore rispetto allo statore.-La soluzione descritta nel citato brevetto internazionale appare del tutto funzionale ed efficace, e durante prove sperimentali si e' dimostrata di impiego semplice e sicuro.-Tuttavia nella industrializzazione di tali tipi di motori, e nella loro produzione ed impiego in grandi serie, si sono sperimentati due tipi di inconvenienti :

il primo inconveniente e' di tipo tecnicoproduttivo: la realizzazione di piccole molle infatti si e' rivelata piuttosto variabile per geometria e dimensioni, cosa che naturalmente causa un elevata dispersione nelle prestazioni delle stesse molle; in definitiva la variazione delle prestazioni dei motori prodotti con tali molle e tecnologie e' potenziamente elevata ;

- il secondo inconveniente e' ancora di tipo produttivo;

la realizzazione descritta infatti richiede l'approntamento delle singole molle, delle relative cerniere, delle masse sbilancianti ed il loro montaggio nel motore, compresa la connessione di una molla con il rotore; tutto ciò' naturalmente implica un maggior costo sia nei materiali impiegati che soprattutto nel loro montaggio, cosa altamente sgradita in un ambiente industriale caratterizzato da una altissima competitivita' .-Sarebbe quindi desiderabile, ed e' scopo della presente invenzione, di realizzare un motore a magneti permanenti in cui il rotore effettua uno spostamento rispetto allo statore, cioè' una parziale estrazione del rotore, in modo automatico e dipendente dalla velocita' di rotazione del rotore stesso, evitando tuttavia gli inconvenienti prima descritti.-Questo ed altri scopi, che saranno meglio illustrati in seguito , vengono conseguiti con particolare tipo di motore elettrico sincrono a magnet permanenti secondo le rivendicazioni allegate e seguente descrizione, fornita solo a scopo esemplificativo e non limitativo, con riferimento alle seguenti figure, in cui:

la fig. 1 mostra una vista esplosa dei componenti interni di un motore secondo l'invenzione, - la fig. 2 mostra una vista esplosa del motore di cui sopra, senza lo statore ed osservato da un opposto angolo di visuale,

- le figure 3, 4 e 5 mostrano una sezione secondo il piano di sezione A - A di fig. 7 e parallelo all'asse "X" dell'albero, in tre rispettive e differenti stati di funzionamento del motore,

la fig. 6 mostra una sezione ingrandita e simbolica, parallela all'asse dell'albero di rotazione, ma non passante per questo, di un motore secondo 1'invenzione ,

Con riferimento alle figure, il motore a magneti permanenti secondo l'invenzione comprende:

- uno statore 1,

- un rotore 2 che definisce un asse centrale "X", ed atto a ruotare attorno a questo dentro detto statore,

- un albero di rotazione 3 che ruota attorno a detto stesso asse "X", e liberamente scorrevole all'interno di detto rotore 2, e con una posizione assialmente stabile rispetto alla struttura esterna 33 di detto motore.-Detto rotore 2 e' spostabile assialmente rispetto detto albero 3, e liberamente ruotabile rispetto questo.-Detto rotore 2 comprende anche una pluralità' di magneti permanenti 4 disposti in modo noto a corona sulla sua superficie cilindrica esterna, cosi' da trovarsi di fronte alla superficie interna dello statore, ed in particolare alle rispettive polarità'.-In sostanza fin'ora si e' definito un motore secondo la tecnica nota, comprendendovi anche il fatto che il rotore e' assialmente scorrevole rispetto all'albero di rotazione 3.-Secondo l'invenzione, viene realizzato un primo anello 5, sagomato come un disco spesso, forato internamente e che viene applicato sull'albero di rotazione solidalmente ed ortogonalmente, e da un lato del rotore.-In detto primo anello 5 viene realizzata una o piu' incavature 6A, 6B, 6C... le quali presentano una forma sostanzialmente a prisma quadrilatero e che mostrano le seguenti caratteristiche (Figg. 2, 6, 7 e 8}:

- devono essere aperte sulla faccia 44 di detto primo anello rivolta verso il rotore,

- sono delimitate da due primi lati opposti 7, 8 paralleli tra loro e paralleli a detto asse "X",

sono anche delimitate da un terzo lato 9, ortogonale a detti due primi lati 7, 8 ed inclinato rispetto a detto asse "X", con una inclinazione tale che il pulito di intersezione P del piano "p" di detto terzo lato con detto asse "X" si situi dalla parte opposta delle aperture di dette incavature (Fig. 6).-In ciascuna di dette aperture di detto anello viene disposto un rispettivo disco 10, realizzato in modo da poter ruotare con la sua circonferenza esterna su detto terzo lato 9.-Detto disco deve essere dimensionato in modo da poter assumere due posizioni estreme, nella prima delle quali esso viene completamente retratto all'interno della rispettiva incavatura, e nella seconda delle quali sporge per un certo tratto "T" dalla faccia di detto disco rivolta verso il rotore, come mostrato nelle due figure 3, 5 e 6.-A questo punto può' già' essere spiegato il modo di funzionamento dell'invenzione: infatti, quando il motore e' fermo, cioè' l'albero 3 non ruota oppure ruota a bassa velocita', per effetto della attrazione magnetica tra detti magneti permanenti 4 e corrisponenti parti ferromagnetiche (???) dello statore il rotore si porta nella posizione di riposo, cioè' centrata rispetto allo statore, come mostrato nella fig. 3.-In tali condizioni la spinta del rotore per detta attrazione magnetica sollecita detti dischi a rimanere dentro le rispettive incavature.

In tale condizione il concatenamento del flusso e' massimo, ed in definitiva la coppia che esso e' in grado di fornire e' massima, con perdite di energia minime.-Quando la velocita' di rotazione aumenta fino a raggiungere i valori piu' elevati, come durante la fase di centrifugazione, rappresentata nella fig. 5, allora la forza centrifuga aumenta di conseguenza, in ragione del valore quadrato della velocita' angolare, e pertanto detti dischi 10 vengono sollecitati in direzione radiale rispetto all'asse "X".-A causa di tale forza centrifuga, i dischi tendono a rotolare su detto terzo lato 9, poiché' questo e' inclinato come sopra spiegato; per effetto di detto rotolamento, e dell'inclinazione di detto terzo lato, essi si spostano verso l'esterno e quindi anche verso 1'apertura della prima incavatura, da cui tendono a sporgersi, come mostrato nelle figure 5 e 6.-Le porzioni sporgenti "S" di rispettivi dischi 10 quindi vanno a contatto con il corrispondente lato "R" del rotore, spingendolo lateralmente, ed in definitiva lo spostamento laterale del rotore rispetto all'albero di rotazione 3 ne provoca il contemporaneo spostamento rispetto a detto statore, in senso naturalmente solo assiale.-Che e' l'obiettivo cercato, e conseguito.-Infatti lo spostamento assiale del rotore provoca che il flusso magnetico da questo prodotto si concatena in misura inferiore con il pacco statorico, cosa che naturalmente provoca una diminuzione delle perdite nel ferro, rispetto allo stato della tecnica già' descritto .-Quando invece la velocita' del rotore diminuisce, si riduce anche la forza centrifuga, ed il procedimento appena spiegato si inverte.-A questo punto serve una precisazione; non si è infatti specificato il tipo di accoppiamento tra l'albero di rotazione ed il rotore.-E' evidente che la rotazione del rotore deve essere trasmessa all'albero di trasmissione, ma non si e' specificato se anche il movimento assiale del rotore deve essere trasmesso allo stesso albero.-Come mostrato nelle figure, la soluzione preferita e' quella in cui l'albero di rotazione non può ' spostarsi assialmente rispetto alla struttura 100 del rotore, e poiché' invece il rotore lo può' anzi lo deve fare, il tipo di accoppiamento richiesto deve utilizzare uno dei tanti modi noti nella tecnica, e per questo non mostrati, come ad es. provvedere delle scanalature e corrispondenti costolature longitudinali tra la superficie esterna dell'albero e la superficie interna cava del rotore.

L'invenzione sopra illustrata può' essere meglio spie-perfezionata dai seguenti vantaggiosi provvedimenti:

a) il primo provvedimento riguarda il tipo di accoppiamento scorrevole tra albero e rotore; naturalmente tale accoppiamento deve consentire lo scorrimento assiale di un corpo rispetto all'altro, ma non la rotazione reciproca rispetto allo stesso asse; allo scopo e come mostrato nelle figure 1, 2 e 7, viene disposto un secondo anello 15 calettato in modo solidale rispetto all'albero 3, ortogonale a questo e calettato sul lato opposto rispetto a detto primo anello 5.

Questo secondo anello viene in particolare posizionato nel punto esattamente richiesto pe delimitare il fine-corea del rotore, cioè' que 11 posizione piu' estratta a cui corrisponde un predefinita prestazione, in particolare coppia motrice, ad una data velocita' di rotazione.

In almeno una opportuna cavita' 16 (figure 2, 6) del corpo del rotore viene disposto almeno un perno 17 che sporge da un lato di questo, e' parallelo all'asse "X" e scorre assialmente rispetto alla stessa cavita' 16.-In detto secondo anello 15 viene disposto un primo rispettivo primo foro 18 in cui viene stabilmente alloggiata ed impegnata una estremità' 19 di detto perno 17 (Pig. 7)

Cosi' viene realizzata una utile variante nella modalità' di realizzazione dell'accoppiamento tra albero e rotore, poiché' la rotazione di questo trascina in rotazione detto perno 17, il quale a sua volta trascina in rotazione detto secondo anello 15 e quindi anche 1'albero 3.-Il vantaggio di tale soluzione consiste nel fatto che la presenza di detto secondo anello 15 consente anche di realizzare un elemento di fine-corsa che delimita la corsa in senso assiale del rotore ad una entità' pre-facilmente determinabile, e di eliminare qualsiasi tipo di accoppiamento diretto tra albero e rotore .

b) il secondo provvedimento consìste in un, perfezionamento della variante precedente; con rif. alle figure 2 e 7, sul primo anello viene realizzato almeno un secondo foro 20, allineato con un rispettivo detto primo foro 18.-Detta cavita' 16 viene resa passante, e detto perno 17

sporge dal rotore anche dal lato di detto primo anello 5, in modo da impegnarsi con la rispettiva estremità' 21 su detto secondo foro 20 in modo del tutto analogo a detto primo foro 18.-Di fatto si realizza come una gabbia, costituita da detto primo anello 5, detto perno 17, detto secondo anello 15 e detto albero rotante 3, che circonda e si impegna con il rotore in modo del tutto simmetrico, cosi' che la spinta di rotazione del rotore viene "ricevuta" da entrambi i lati di questo in modo bilanciato, e cosi' viene trasferita senza squilibri all'albero rotante, riducendo cosi' anche gli attriti causati dallo scorrimento tra detto perno 17 e la corrispondente cavita' 16.-

c) con riferimento alle figure 2 e 7, un successivo perfezionamento della soluzione appena spiegata consiste nel fatto che dette incavature siano esattamente tre, 6A, 6B e 6C, disposte in modo ordinato ad angoli di 120° attorno a detto asse "X"; viene anche logico considerare che non solo dette incavature sono disposte a 120° tra di loro, ma sono anche reciprocamente ruotate di 120°, nel senso che ciascun di esse e' ottenuta mediante una rotazione di 120 attorno al proprio raggio di una incavatura contigua.-Il vantaggio di tale soluzione consiste nel fatto che i punti piu' sporgenti dei relativi dischi 10 determinano un piano, e poiché' anche il corrispondente lato o faccia del rotore e' disposto su un piano, la pressione fornita da detti tre dischi 10 risulta ancora piu' uniforme ed equilibrata.-

d) un altro perfezionamento viene conseguito realizzando le reciproche dimensioni di dette incavature e dei rispettivi dischi 10 in modo che, quando ì dischi sono nella posizione di riposo, cioè' a motore fermo o che ruota in modo molto lento, essi siano inseriti nella posizione piu' interna della rispettiva incavatura, e che in detta posizione piu' interna essi siano siano completamente contenuti in essa, come esemplificato nella fig. 3; non solo, ma quando si trovano in detta posizione piu' interna, il loro bordo esterno 101 si situi a filo di detta faccia 44 di detto primo anello 5, di modo che appena il relativo disco comincia a muoversi verso l'esterno, come mostrato nella fig. 4, anche il relativo bordo esterno inizi a sporgersi dal lato di detto primo anello 5 rivolto verso il rotore.-

e) un ulteriore perfezionamento viene fatto dipendere dal precedente perfezionamento spiegato al punto e); infatti in tale circostanza risulta anche vantaggioso che detto lato "R" del rotore, quando fermo si trovi a contatto con il lato adiacente 44 del prim anello 5, come mostrato nelle figure 3 e 6; ciò' infatt consente che lo scorrimento assiale del rotore, e quindi la sua estrazione dallo statore, inizi poco dopo l'inizio della rotazione ad una definita velocita', quando la pressione esercitata da detti dischi supera la forza di attrazione di detti magneti, senza che detti dischi possano rotolare liberamente ed in modo poco controllabile dentro le rispettive incavature.-Pertanto può' essere realizzata una macchina lavabiancheria dotata di un cesto di lavaggio ruotante sia bassa velocita', durante il lavaggio, che ad alta velocita' durante le fasi di centrifugazione, e provvista inoltre di un tipo di motore del tipo appena descritto, atto a modificare le proprie prestazioni in funzione della velocita' di rotazione istantanea, ed in particolare atto a ridurre la coppia motrice erogata, e riducendo il consumo energetico. -Un ulteriore vantaggio di tale macchina e' inoltre offerto dal fatto che tale macchina può' montare tale tipo di motore senza nessun adattamento progettuale e/o costruttivo della macchina stessa, conseguendo cosi' un preciso vantaggio in termini di costi complessivi di progettazione e di investimento.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI del Brevetto per Invenzione Industriale "MOTORE SINCRONO A MAGNETI PERMANENTI AD ALTO RENDIMENTO RIVENDICAZIONI 1) Motore a magneti permanenti, comprendente: uno statore (1), solidamente supportato all'interno della struttura esterna (100) del motore, - un albero di rotazione (3) atto a ruotare attorno al proprio asse (X) ed in posizione assiale stabile rispetto a detta struttura esterna (100), - un rotore (2) coassiale e rotante attorno a detto albero (3) ed atto ad assumere un movimento di traslazione in posizioni differenti rispetto a detto albero, e dotato di una pluralità' di magneti permanenti (4) disposti in corrispondenza della sua superficie esterna - mezzi attuatori atti: a rilevare la velocita' di rotazione di detto rotore e ad attuare detto movimento di traslazione di detto rotore in funzione di detta velocita ' di rotazione, - detto movimento di traslazione essendo realizzato sfruttando la forza centrifuga generata dalla rotazion di detto albero, caratterizzato dal fatto che detti mezzi comprendono : - un primo anello (5) calettato in modo solidale su detto albero da un lato del rotore, sostanzialmente ortogonale a detto asse di rotazione (X), - almeno una incavatura (6A, 6B, 6C) disposta ed aperta sulla faccia (44) di detto primo anello rivolta verso detto rotore, detta almeno una incavatura essendo delimitata da a) due primi lati paralleli tra loro (7, 8) e paralleli a detto asse (X), - ed un terzo lato (9) sostanzialmente ortogonale a detti due primi lati (7, 8), e disposto su un piano inclinato (p) rispetto a detto asse (X), in modo che detto piano inclinato (p) incide in detto asse di rotazione (X) in un punto (P) posto, rispetto a detta incavatura, dalla parte opposta di detto rotore, - un disco (10) atto ad essere introdotto in una rispettiva di dette incavature, in modo da poter rotolare su detto terzo lato (9) fino a sporgersi per una estensione definita (S) dalla rispettiva incavatura .- 2) Motore secondo la riv. 1, caratterizzato dal fatto che detto disco (10) e detto rotore (2) sono dimensionati in modo che, per effetto della forza centrifuga, detto disco rotola su detto terzo lato (9) spostandosi entro la rispettiva detta incavatura (6A) e verso l'esterno di detto primo anello (5) ed in direzione di detto rotore (2), causando il contatto e conseguente spinta assiale di detto disco verso adiacente superficie laterale (R) di detto rotore.- 3) Motore secondo la riv. 2, caratterizzato dal fatto che sono disposti mezzi di trasmissione del moto atti a trasmettere il moto di rotazione da detto rotore a detto albero di rotazione (3).- 4) Motore secondo la riv. 3, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di trasmissione del moto comprendono opportuni mezzi di impegno, preferibilmente scanalature e corrispondenti costolature, disposte tra la superficie interna di detto rotore e la superficie esterna di detto albero di rotazione.- 5) Motore secondo la riv. 3, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di trasmissione comprendono: - un secondo anello (15) calettato in modo solidale su detto albero di rotazione (3) dal lato opposto, rispetto a detto rotore, di detto primo anello (5), - almeno un perno (17) sostanzialmente parallelo a detto asse (X), scorrevole assialmente rispetto al corpo di detto rotore, e sporgente da questo dal lato di detto secondo anello (15), - un primo foro (18) disposto su detto secondo anello (15) ed atto ad impegnare stabilmente una corrispondente estremità' (19) di detto perno (17) 6) Motore secondo la riv. 5, caratterizzato dal fatto che su detto primo anello (5) viene disposto un secondo foro (20) atto ad impegnarsi stabilmente con l'opposta estremità' (21) di detto perno (17).- 7) Motore secondo una delle rivendicazioni da 1 a 6, caratterizzato dal fatto che detto primo anello comprende tre di dette incavature (6A, 6B, 6C) sostanzialmente simili e disposte in modo ordinato, preferibilmente disposte a 120° rispetto a detto asse (X), e ruotate tra di loro di 120° e rispettivi tre dischi (10) atti ad essere inseriti ed a scorrere entro dette rispettive incavature.- 8) Motore secondo una delle rivendicazioni da 4 a 6, caratterizzato dal fatto che detto secondo anello (15) e' atto a delimitare lo scorrimento assiale di detto rotore fino ad una definita posizione di arresto di questo, la quale viene determinata in funzione delle prestazioni predefinite del motore.- 9) Motore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti magneti permanenti (4) sono atti a causare il ritorno per attrazione magnetica di detto rotore nella posizione allineata con detto statore quando la velocita' di rotazione del rotore diminuisce sotto un livello pre-definito, oppure si annulla. 10) Motore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che con in posizione di riposo, quando detti dischi sono inseriti al massimo nella rispettiva incavatura, il loro bordo esterno (101) si posiziona sostanzialmente a filo con la relativa detta faccia (44) di detto primo anello (5).- 11) Motore secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che detto rotore e disposto assialmente in modo che detto lato (R) rivolto verso detto primo anello si situa a contatto con la rispettiva detta faccia (44).- 12) Macchina per il lavaggio di articoli di tessuto, particolarmente per impiego domestico, dotata di una vasca di lavaggio e di un cesto rotante all'interno di detta vasca, detto cesto essendo collegato anche indirettamente ad un motore elettrico a permanenti, caratterizzata dal fatto che detto motore elettrico e' realizzato conformemente ad una o piu' delle rivendicazioni precedenti.