ITPN20110015A1 - BRUSHLESS ELECTRIC MOTOR WITH PERMANENT MAGNET OF SINGLE-PHASE TYPE - Google Patents
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Description
“MOTORE ELETTRICO BRUSHLESS A MAGNETE PERMANENTE DI TIPO â € œPERMANENT MAGNET BRUSHLESS ELECTRIC MOTOR OF TYPE
MONOFASE" SINGLE PHASE "
DESCRIZIONE DESCRIPTION
SETTORE TECNICO DELL’INVENZIONE TECHNICAL FIELD OF INVENTION
[001] La presente invenzione si riferisce ad un motore elettrico brushless a magnete permanente di tipo monofase. [001] The present invention relates to a single-phase permanent magnet brushless electric motor.
STATO DELLA TECNICA STATE OF THE TECHNIQUE
[002] I motori elettrici brushless a magneti permanenti, denominati nel seguito motori BLPM, di tipo monofase vengono utilizzati prevalentemente in applicazioni domestiche di piccola potenza, quali ventilatori e pompe, e piccoli utensili. Essi vengono sempre più utilizzati in alternativa a motori convenzionali a collettore o di tipo asincrono, in quanto garantiscono rendimento ed affidabilità migliori, ottime prestazioni anche a velocità molto elevate, nell’ordine delle migliaia di giri al minuto, ed una certa facilità costruttiva che permette di automatizzare il processo produttivo con conseguente riduzione dei costi. [002] The brushless electric motors with permanent magnets, hereinafter referred to as BLPM motors, of the single-phase type are mainly used in small power domestic applications, such as fans and pumps, and small tools. They are increasingly used as an alternative to conventional collector or asynchronous type motors, as they guarantee better efficiency and reliability, excellent performance even at very high speeds, in the order of thousands of revolutions per minute, and a certain constructive ease that it allows to automate the production process with consequent cost reduction.
[003] Nella configurazione proposta con maggior frequenza, l’avvolgimento à ̈ posto sulla parte fissa, o statore, avvolto intorno a poli in materiale ferromagnetico laminato, denominati “denti†. La parte rotante, o rotore, à ̈ invece dotata di un anello di magnete permanente montato su un supporto che può essere in materiale ferromagnetico o plastico che ne permette il fissaggio sull’albero motore. [003] In the configuration proposed with greater frequency, the winding is placed on the fixed part, or stator, wrapped around poles in laminated ferromagnetic material, called â € œteethâ €. The rotating part, or rotor, is instead equipped with a permanent magnet ring mounted on a support that can be made of ferromagnetic or plastic material that allows it to be fixed on the motor shaft.
[004] L’alimentazione del motore viene ottenuta dalla rete elettrica tramite uno stadio di raddrizzamento ed un inverter posto in cascata e connesso ai morsetti del motore; tale inverter può essere in configurazione a ponte completo, ossia un ponte ad “H†con quattro interruttori comandati, o a mezzo ponte, ossia solo con due interruttori comandati; l’avvolgimento del motore à ̈ formato da bobine mutuamente accoppiate, generalmente definito “accoppiamento bifilare†. [004] The motor power supply is obtained from the electrical network by means of a rectification stage and an inverter placed in cascade and connected to the motor terminals; this inverter can be in a full bridge configuration, ie an "H" bridge with four controlled switches, or a half bridge configuration, ie only with two controlled switches; the motor winding is made up of mutually coupled coils, generally defined as â € œbifilar couplingâ €.
[005] Gli interruttori vengono pilotati tramite un driver in funzione della posizione del magnete, sfruttando il segnale di una sonda ad effetto “Hall†o tramite l’elaborazione di forze elettromagnetiche indotte nell’avvolgimento principale o in bobine ausiliarie (alimentazione sensorless). [005] The switches are driven by a driver according to the position of the magnet, exploiting the signal of a â € œHallâ € effect probe or through the processing of electromagnetic forces induced in the main winding or in auxiliary coils (power supply sensorless).
[006] L’interazione tra il campo magnetico prodotto dalla corrente elettrica ed il flusso generato dai magneti permanenti determina una coppia elettromagnetica a valor medio non nullo che aziona il carico meccanico. [006] The interaction between the magnetic field produced by the electric current and the flux generated by the permanent magnets determines an electromagnetic torque with a non-zero mean value which drives the mechanical load.
[007] Durante la fase di alimentazione, la corrente assorbita può seguire una evoluzione libera in base ai parametri elettrici del circuito; in questo caso il controllo si limita alla sola scelta degli istanti di accensione e spegnimento per massimizzare la potenza resa. In alternativa, per le applicazioni di potenza più elevata o dove sono richieste efficienze maggiori, si possono applicare tecniche di modulazione. [007] During the power supply phase, the absorbed current can follow a free evolution according to the electrical parameters of the circuit; in this case, the control is limited to the choice of the switching on and off instants to maximize the output power. Alternatively, for higher power applications or where higher efficiencies are required, modulation techniques can be applied.
[008] Indipendentemente dal tipo di controllo, l’alimentazione monofase comporta comunque la presenza di istanti di annullamento della corrente e quindi della coppia elettromagnetica; l’andamento istantaneo della coppia a carico à ̈ quindi affetto da una ondulazione – meglio nota come “ripple†- non trascurabile che, unita a fenomeni di impuntamento dovuti al magnete, può generare vibrazioni e rumore. [008] Regardless of the type of control, the single-phase power supply in any case involves the presence of instants of cancellation of the current and therefore of the electromagnetic pair; the instantaneous trend of the load torque is therefore affected by a non-negligible undulation - better known as â € œrippleâ € - which, combined with jamming phenomena due to the magnet, can generate vibrations and noise.
[009] Un ulteriore inconveniente che si riscontra nei motori BLPM risiede nel fatto che, contrariamente ai motori universali ed asincroni a gabbia con polo schermato o avvolgimento ausiliario, essi non sono autoavvianti, in quanto il magnete a riposo si allinea naturalmente con le polarità sull’asse dei denti statorici secondo una posizione di minima riluttanza. [009] A further drawback that is encountered in BLPM motors lies in the fact that, unlike universal and asynchronous cage motors with shielded pole or auxiliary winding, they are not self-starting, as the magnet at rest naturally aligns with the polarities on the € ™ axis of the stator teeth according to a position of minimum reluctance.
[0010] In tal modo, anche alimentando la bobina, la coppia risultante sarebbe nulla dal momento che non viene alterata la condizione di equilibrio da un punto di vista magnetico. [0010] In this way, even by feeding the coil, the resulting torque would be zero since the equilibrium condition is not altered from a magnetic point of view.
[0011] Per ottenere la condizione di avviamento à ̈ quindi necessario che le polarità del rotore siano disallineate rispetto all’asse magnetico della bobina principale in modo che, una volta alimentato l’avvolgimento, si produca una coppia di attrazione o repulsione sul magnete a seconda delle polarità del campo generato dalla bobina; tale coppia mette in movimento il rotore che viene poi accelerato tramite la sequenza di accensione/spegnimento degli interruttori prodotta dal driver di alimentazione. [0011] To obtain the starting condition it is therefore necessary that the rotor polarities are misaligned with respect to the magnetic axis of the main coil so that, once the winding is powered, an attraction or repulsion torque is produced on the magnet according to the polarity of the field generated by the coil; this torque sets the rotor in motion which is then accelerated through the on / off sequence of the switches produced by the power supply driver.
[0012] I metodi sinora utilizzati per ottenere l’avviamento sono sostanzialmente i seguenti: [0012] The methods used up to now to obtain goodwill are essentially the following:
[0013] – un primo metodo che prevede l’introduzione di una dissimmetria magnetica agendo sulla configurazione geometrica del motore, e quindi tentando di sagomare il rotore o lo statore in modo da produrre, a riposo, una posizione di minima riluttanza disallineata rispetto ai denti statorici; [0013] â € “a first method that involves the introduction of a magnetic asymmetry by acting on the geometric configuration of the motor, and then trying to shape the rotor or stator so as to produce, at rest, a position of minimum misaligned reluctance with respect to the stator teeth;
[0014] – un secondo metodo in cui vengono utilizzati magneti ausiliari o avvolgimenti ausiliari alimentati in corrente continua. [0014] - a second method in which auxiliary magnets or auxiliary windings powered by direct current are used.
[0015] Con riferimento al primo metodo le principali soluzioni note sono: [0015] With reference to the first method, the main known solutions are:
[0016] – l’utilizzo di un traferro di ampiezza variabile in modo uniforme attraverso la variazione del raggio di curvatura della superficie dei denti statorici; [0016] â € “the use of an air gap of uniformly variable amplitude through the variation of the radius of curvature of the surface of the stator teeth;
[0017] - l’esecuzione di punzonature sulla superficie dei denti statorici; [0017] - the execution of punching on the surface of the stator teeth;
[0018] – la realizzazione di denti statorici asimmetrici; [0018] - the creation of asymmetrical stator teeth;
[0019] – la costituzione di ponti ferromagnetici saturabili nei pressi degli assi interpolari. [0019] â € “the establishment of saturable ferromagnetic bridges near the interpolar axes.
[0020] Sebbene le soluzioni sopra elencate risultino funzionali in molte applicazioni, esse non sono esenti da alcuni inconvenienti, quali: [0020] Although the solutions listed above are functional in many applications, they are not free from some drawbacks, such as:
[0021] – coppie di spunto relativamente basse (anche inferiori al 10% della coppia nominale a carico) che rendono inadatti tali motori ad azionare carichi a forte attrito; [0021] - relatively low starting torques (even lower than 10% of the rated torque at load) which make these motors unsuitable for driving high friction loads;
[0022] – impossibilità di utilizzare lamierini e stampi dei convenzionali motori trifase; [0022] - impossibility of using laminations and molds of conventional three-phase motors;
[0023] – esaltazione della coppia di impuntamento, o “cogging†, del magnete che può peggiorare l’ondulazione, o “ripple†, del valore di coppia a carico; [0023] â € “exaltation of the jamming torque, or â € œcoggingâ €, of the magnet which can worsen the undulation, or â € œrippleâ €, of the torque value at load;
[0024] – intensificazione di fenomeni di saturazione magnetica localizzata che può incrementare le perdite elettromagnetiche; [0024] â € “intensification of phenomena of localized magnetic saturation which can increase electromagnetic losses;
[0025] – rotazione unidirezionale determinata dalla posizione della dissimetria magnetica. [0025] â € “unidirectional rotation determined by the position of the magnetic dissymmetry.
[0026] Riguardo al secondo metodo le soluzioni generalmente impiegate sono le seguenti: [0026] With regard to the second method, the solutions generally used are the following:
[0027] – uso di una bobina ausiliaria alimentata in corrente continua da una sorgente separata, peraltro utilizzata prevalentemente per fornire una coppia di trattenuta sul rotore; [0027] - use of an auxiliary coil fed in direct current by a separate source, moreover used mainly to provide a holding torque on the rotor;
[0028] – interazione tra una coppia di magneti ausiliari, uno sullo statore ed uno sul rotore, aventi polarità doppia rispetto al magnete principale per non disturbare il valore medio della coppia; le rispettive polarità si allineano quando l’asse dei poli del magnete principale à ̈ allineato con l’asse interpolare dei poli di statore, massimizzando la coppia di avviamento; [0028] - interaction between a pair of auxiliary magnets, one on the stator and one on the rotor, having double polarity with respect to the main magnet in order not to disturb the average value of the torque; the respective polarities are aligned when the axis of the poles of the main magnet is aligned with the interpolar axis of the stator poles, maximizing the starting torque;
[0029] – uso di un magnete ausiliario rotorico su cui vengono posti un numero di magneti pari al numero dei poli del magnete principale, ma di larghezza inferiore e distribuiti in modo non uniforme. [0029] - use of an auxiliary rotor magnet on which are placed a number of magnets equal to the number of poles of the main magnet, but of a smaller width and unevenly distributed.
[0030] Le soluzioni sopra esposte permettono di conseguire, in generale, un miglioramento delle prestazioni perché non condizionano la struttura elettromagnetica del motore vero e proprio, tuttavia comportano una maggiore complessità costruttiva, un maggior costo per la presenza di magneti o bobine ausiliarie e la possibilità di un peggioramento del “ripple†della coppia a carico che può richiedere l’adozione di tecniche di compensazione intervenendo sulla logica di controllo della corrente. [0030] The solutions described above allow to achieve, in general, an improvement in performance because they do not affect the electromagnetic structure of the actual motor, however they involve greater constructive complexity, a greater cost due to the presence of magnets or auxiliary coils and the possibility of a worsening of the â € œrippleâ € of the load couple which may require the adoption of compensation techniques by intervening on the current control logic.
RIASSUNTO DELL’INVENZIONE SUMMARY OF THE INVENTION
[0031] Compito principale della presente invenzione à ̈ quindi quello di superare gli inconvenienti della tecnica nota, escogitando un motore elettrico brushless a magnete permanente (BLPM) di tipo monofase, in particolare provvisto di magnete rotorico superficiale in anello unico, che permetta di migliorare le prestazioni allo spunto e la riduzione del “ripple†di coppia a carico senza utilizzare tecniche di controllo della corrente di tipo non convenzionale. [0031] The main task of the present invention is therefore to overcome the drawbacks of the known art, by devising a single-phase permanent magnet brushless electric motor (BLPM), in particular provided with a surface rotor magnet in a single ring, which allows to improve peak performance and reduction of torque â € œrippleâ € at load without using unconventional current control techniques.
[0032] Nell’ambito del compito sopra esposto, uno scopo della presente invenzione à ̈ quello di migliorare le prestazioni del motore nelle applicazioni convenzionali e di ampliare l’ambito applicativo a carichi che richiedono requisiti più stringenti in termini di coppia di avviamento e di ridotta rumorosità , quali le pompe per apparecchiature domestiche ed apparecchi portatili. [0032] Within the scope of the aforementioned task, an aim of the present invention is to improve the performance of the motor in conventional applications and to extend the scope of application to loads that require more stringent requirements in terms of starting torque and low noise, such as pumps for household appliances and portable appliances.
[0033] Un altro scopo della presente invenzione à ̈ quello di poter utilizzare lamierini e stampi dei convenzionali motori trifase esistenti, consentendo un notevole risparmio nei costi di realizzazione del motore non essendo richiesti specifici investimenti per particolari configurazioni geometriche del rotore o dello statore. [0033] Another object of the present invention is that of being able to use laminations and molds of existing conventional three-phase motors, allowing considerable savings in the costs of manufacturing the motor, as no specific investments are required for particular geometric configurations of the rotor or stator.
[0034] Un ulteriore scopo à ̈ quello di realizzare un motore secondo la presente invenzione in cui non siano richiesti avvolgimenti ausiliari per ottenere la coppia di spunto necessaria ad avviare il motore. [0034] A further object is to provide a motor according to the present invention in which no auxiliary windings are required to obtain the starting torque necessary to start the motor.
[0035] Non ultimo scopo à ̈ quello di escogitare un motore elettrico brushless a magnete permanente (BLPM) di tipo monofase che consegua il compito e gli scopi sopra indicati a costi competitivi e sia ottenibile con gli usuali e noti impianti, macchinari e attrezzature. [0035] Not least object is to devise a brushless electric motor with permanent magnet (BLPM) of the single-phase type which achieves the aforementioned task and aims at competitive costs and can be obtained with the usual and known plants, machinery and equipment.
[0036] Il compito e gli scopi sopra indicati, ed altri che meglio appariranno nel seguito della descrizione, vengono raggiunti da un motore elettrico brushless a magnete permanente di tipo monofase come definito alla rivendicazione 1. [0036] The aim and objects indicated above, and others which will become clearer in the following description, are achieved by a single-phase permanent magnet brushless electric motor as defined in claim 1.
BREVE DESCRIZIONE DELLE FIGURE BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
[0037] Ulteriori caratteristiche ed i vantaggi della presente invenzione diverranno più evidenti dalla seguente descrizione di una particolare, ma non esclusiva, forma di realizzazione illustrata a puro titolo di esempio non limitativo con riferimento alla annesse figure, in cui: [0037] Further characteristics and advantages of the present invention will become more evident from the following description of a particular, but not exclusive, embodiment illustrated purely by way of non-limiting example with reference to the attached figures, in which:
- la figura 1 rappresenta, secondo una vista prospettica in alzato frontale, un motore elettrico brushless a magnete permanente (BLPM) di tipo monofase secondo la presente invenzione; Figure 1 represents, according to a perspective view in front elevation, a brushless electric motor with permanent magnet (BLPM) of the single-phase type according to the present invention;
- la figura 2 Ã ̈ una vista prospettica della parte posteriore del motore di cui alla figura 1; - figure 2 is a perspective view of the rear part of the engine of figure 1;
- la figura 3 illustra, secondo una vista analoga alla precedente, un assieme rotore-magnete del motore di cui alle precedenti figure; Figure 3 illustrates, according to a view similar to the previous one, a rotor-magnet assembly of the motor of the previous figures;
- la figura 4 à ̈ uno schema esemplificativo dell’andamento dei vettori induzione per il magnete principale del motore secondo la presente invenzione; - figure 4 is an exemplary diagram of the trend of the induction vectors for the main magnet of the motor according to the present invention;
- la figura 5 à ̈ uno schema esemplificativo dell’andamento dei vettori induzione per il magnete ausiliario del motore secondo la presente invenzione; - figure 5 is an exemplary diagram of the trend of the induction vectors for the auxiliary magnet of the motor according to the present invention;
- la figura 6 esemplifica graficamente l’andamento della coppia a vuoto in un motore secondo la presente invenzione in rapporto ad un motore convenzionale; - figure 6 graphically illustrates the trend of the no-load torque in an engine according to the present invention in relation to a conventional engine;
- le figure 7A e 7B esemplificano graficamente l’andamento della coppia a carico in regime permanente di un motore secondo la presente invenzione in rapporto ad un motore convenzionale; - Figures 7A and 7B graphically illustrate the trend of the torque at load in permanent regime of an engine according to the present invention in relation to a conventional engine;
- la figura 8A Ã ̈ una sezione trasversale del motore di cui alle figure da 1 a 4; - figure 8A is a cross section of the engine of figures 1 to 4;
- la figura 8B à ̈ una sezione rettificata secondo il piano A-A’ di figura 8A riferita ad un semipasso polare; - figure 8B is a rectified section according to the plane A-Aâ € ™ of figure 8A referred to a polar half-pass;
- la figura 8C à ̈ una sezione rettificata secondo il piano B-B’ di figura 8A relativa ad una coppia polare; - figure 8C is a rectified section according to the B-Bâ € ™ plane of figure 8A relative to a polar pair;
- le figure 9A e 9B mostrano schematicamente un motore elettrico a flusso assiale “single-side†al quale à ̈ applicabile la presente invenzione; - Figures 9A and 9B schematically show a â € œsingle-sideâ € axial flux electric motor to which the present invention is applicable;
- la figura 10 mostra, secondo una vista prospettica dal basso, una prima forma applicativa della presente invenzione al motore di cui alle figure 9A e 9B; Figure 10 shows, according to a perspective view from below, a first form of application of the present invention to the engine of Figures 9A and 9B;
- la figura 11 rappresenta, secondo una vista analoga alla precedente, il rotore del motore di cui alla figura 10; Figure 11 represents, according to a view similar to the previous one, the rotor of the motor of Figure 10;
- la figura 12 mostra, secondo una vista prospettica laterale, una seconda forma applicativa al motore di cui alle figure 9A e 9B; Figure 12 shows, according to a side perspective view, a second form of application to the engine of Figures 9A and 9B;
- la figura 13 Ã ̈ una vista esemplificativa del motore di cui alla figura 12; - figure 13 is an exemplary view of the engine of figure 12;
- le figure 14 e 15 rappresentano, secondo una vista prospettica dal basso e, rispettivamente, una vista ribaltata, il rotore del motore di cui alle figure 12 e 13; - figures 14 and 15 show, according to a perspective view from below and, respectively, an overturned view, the rotor of the motor of figures 12 and 13;
- la figura 16 mostra, secondo una vista prospettica laterale, una terza forma applicativa al motore di cui alle figure 9A e 9B; Figure 16 shows, according to a side perspective view, a third form of application to the engine of Figures 9A and 9B;
- le figure 17 e 18 rappresentano rispettivamente una prima ed una seconda forma realizzativa di un rotore per il motore di cui alla figura 16. - figures 17 and 18 represent respectively a first and a second embodiment of a rotor for the motor of figure 16.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL’INVENZIONE DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[0038] Con riferimento alle figure precedentemente citate si à ̈ indicato in generale con il numero di riferimento 1 un motore elettrico brushless a magnete permanente, che nel seguito verrà definito per brevità motore BLPM, di tipo monofase secondo la presente invenzione comprendente uno statore 2 formato da un giogo statore 3 e da una pluralità di espansioni polari 4, o poli di statore, che nelle forme realizzative illustrate a titolo esemplificativo nelle figure allegate sono in numero di sei; ciascuna delle espansioni polari 4 comprende un avvolgimento elettrico 5. [0038] With reference to the aforementioned figures, the reference number 1 generally indicates a permanent magnet brushless electric motor, which will hereinafter be defined for the sake of brevity BLPM motor, of the single-phase type according to the present invention comprising a stator 2 formed by a stator yoke 3 and a plurality of pole pieces 4, or stator poles, which in the embodiments illustrated by way of example in the attached figures are six in number; each of the pole pieces 4 comprises an electric winding 5.
[0039] Il motore BLPM comprende inoltre un rotore 6 atto ad essere reso solidale ad un albero assiale 7. [0039] The BLPM motor further comprises a rotor 6 adapted to be made integral with an axial shaft 7.
[0040] Tra le espansioni polari 4 dello statore 2 ed il rotore 6 à ̈ interposto un magnete principale 8, nel seguito definito anche come PMmain, il quale presenta, ad una estremità , una porzione sagomata 9 che verrà meglio descritta nel seguito; il rotore 6 à ̈ solidale al magnete principale 8. [0040] A main magnet 8 is interposed between the pole pieces 4 of the stator 2 and the rotor 6, hereinafter also referred to as PMmain, which has, at one end, a shaped portion 9 which will be better described below; the rotor 6 is integral with the main magnet 8.
[0041] Un magnete ausiliario 10, nel seguito definito anche PMaux, avente una polarità doppia rispetto a quella del magnete principale 8 ottenuta attraverso magnetizzatori di tipo generalmente noto, à ̈ disposto assialmente da parte opposta, ed in battuta, rispetto alle espansioni polari 4 ed à ̈ interposto tra gli avvolgimenti 5 ed il magnete principale 8 circondando la porzione sagomata 9. [0041] An auxiliary magnet 10, hereinafter also referred to as PMaux, having a double polarity with respect to that of the main magnet 8 obtained through generally known type magnetizers, is axially arranged on the opposite side, and in abutment, with respect to the pole pieces 4 and is interposed between the windings 5 and the main magnet 8 surrounding the shaped portion 9.
[0042] Lo statore 2, il magnete principale 8, il magnete ausiliario 10 ed il rotore 6, aventi ciascuno una forma sostanzialmente cilindrica, sono disposti coassialmente tra loro in maniera concentrica. [0042] The stator 2, the main magnet 8, the auxiliary magnet 10 and the rotor 6, each having a substantially cylindrical shape, are arranged coaxially with each other in a concentric manner.
[0043] La porzione sagomata 9 del magnete principale 8 à ̈ provvista di una pluralità di scanalature 11 disposte assialmente rispetto all’estensione longitudinale del magnete principale 8; tale porzione sagomata 9 si estende oltre e al di fuori delle espansioni polari 4 in una regione non interessata da queste ultime in modo tale che le scanalature 11 risultino affacciate ed interagiscano magneticamente solamente con il magnete ausiliario 10. [0043] The shaped portion 9 of the main magnet 8 is provided with a plurality of grooves 11 arranged axially with respect to the longitudinal extension of the main magnet 8; this shaped portion 9 extends beyond and outside the pole pieces 4 in a region not affected by the latter in such a way that the grooves 11 face and interact magnetically only with the auxiliary magnet 10.
[0044] Preferibilmente le scanalature 11 sono in numero pari al numero di espansioni polari 4. [0044] Preferably the grooves 11 are equal in number to the number of pole pieces 4.
[0045] La sagomatura e la disposizione delle scanalature 11 del magnete principale 8 permette di produrre una componente di induzione magnetica di polarità uguale a quella del magnete ausiliario 10; in figura 8C viene esemplificata la disposizione delle scanalature 11 rispetto al magnete ausiliario 10, in cui una coppia di scanalature 11 presenta la medesima distanza β0dall’asse interpolare T. Nelle rappresentazioni schematiche delle figure 4 e 5, ottenute da analisi di laboratorio, à ̈ possibile notare l’andamento dei vettori induzione in un motore BLPM a sei poli con magnete ausiliario a dodici poli: la figura 4 mostra l’andamento dei vettori induzione per il magnete principale PMmainsu un passo polare, mentre la figura 5 mostra lo stesso fenomeno per il magnete ausiliario PMauxsu un passo polare del magnete principale. E’ evidente la differenza di intensità tra la zona interessata dalla scanalatura 11 rispetto alla zona piena per ottenere un indebolimento dell’induzione di fronte ai poli e, nella figura 5, il numero doppio di poli rispetto a figura 4. [0045] The shaping and arrangement of the grooves 11 of the main magnet 8 allows to produce a magnetic induction component of the same polarity as that of the auxiliary magnet 10; Figure 8C illustrates the arrangement of the grooves 11 with respect to the auxiliary magnet 10, in which a pair of grooves 11 has the same distance β0 from the interpolar axis T. In the schematic representations of figures 4 and 5, obtained from laboratory analysis, à It is possible to note the trend of the induction vectors in a six-pole BLPM motor with twelve-pole auxiliary magnet: figure 4 shows the trend of the induction vectors for the main magnet PMmain on a polar pitch, while figure 5 shows the same phenomenon for the auxiliary magnet PMaux on a polar pitch of the main magnet. The difference in intensity between the area affected by the groove 11 with respect to the solid area is evident to obtain a weakening of the induction in front of the poles and, in figure 5, the double number of poles compared to figure 4.
[0046] L’entità e l’andamento della coppia dovuta all’interazione tra i poli del magnete ausiliario 10 e la porzione sagomata 9 del magnete principale 8 dipende dalle dimensioni e dalla posizione delle scanalature 11, così come dalla lunghezza e dalla posizione dei poli del magnete ausiliario 10 rispetto all’asse magnetico dell’avvolgimento; in figura 8C l’asse magnetico dell’avvolgimento à ̈ indicato con W e la distanza del polo del magnete ausiliario PMauxà ̈ indicata con αaux. [0046] The magnitude and trend of the torque due to the interaction between the poles of the auxiliary magnet 10 and the shaped portion 9 of the main magnet 8 depends on the size and position of the grooves 11, as well as on the length and from the position of the poles of the auxiliary magnet 10 with respect to the magnetic axis of the winding; in figure 8C the magnetic axis of the winding is indicated with W and the distance of the pole of the auxiliary magnet PMauxà is indicated with Î ± aux.
[0047] Una scelta opportuna di tali grandezze, che vengono calcolate in base alla compensazione richiesta dalla coppia di impuntamento, o “cogging†, come verrà meglio spiegato nel seguito, ed al valore della coppia di spunto che si desidera ottenere, permette di conseguire i seguenti risultati: [0047] An appropriate choice of these quantities, which are calculated on the basis of the compensation required by the jamming torque, or â € œcoggingâ €, as will be better explained below, and the value of the starting torque to be obtained, allows to achieve the following results:
[0048] – una coppia di avviamento paragonabile al valore medio a carico, quindi anche più di cinque volte maggiore rispetto a quella ottenibile con i sistemi che utilizzano il traferro asimmetrico; [0048] - a starting torque comparable to the average load value, therefore even more than five times greater than that obtainable with systems that use the asymmetrical air gap;
[0049] – una elevata rigidezza in prossimità della posizione di riposo a causa della forte variazione della coppia di trattenuta prodotta dal magnete ausiliario 10; questo effetto limita considerevolmente possibili errori di posizionamento a causa di fenomeni di attrito; [0049] - a high stiffness in proximity of the rest position due to the strong variation of the holding torque produced by the auxiliary magnet 10; this effect considerably limits possible positioning errors due to friction phenomena;
[0050] – l’assenza di posizioni a coppia nulla o negativa nel funzionamento a carico; [0050] â € “the absence of zero or negative torque positions in load operation;
[0051] – la riduzione del “ripple†di coppia a carico e quindi della rumorosità del motore. [0051] â € “the reduction of the torque â € œrippleâ € and therefore of the engine noise.
[0052] Nel diagramma rappresentato in figura 6 viene confrontato, in funzione della posizione angolare del rotore 6 e del magnete principale 8 (PMmain) ad esso solidale, l’andamento della coppia a vuoto con avvolgimento non alimentato per un motore BLPM senza magnete ausiliario (curva tratteggiata) e con magnete ausiliario 10 e rispettivo polo disposto ad una distanza αauxpari a 0° rispetto all’asse magnetico dell’avvolgimento W (curva continua); il punto P’ corrisponde alla posizione di riposo del magnete principale 8. [0052] The diagram shown in Figure 6 compares, as a function of the angular position of the rotor 6 and the main magnet 8 (PMmain) integral with it, the trend of the no-load torque with non-powered winding for a BLPM motor without magnet auxiliary (dashed curve) and with auxiliary magnet 10 and respective pole arranged at a distance Î ± aux equal to 0 ° with respect to the magnetic axis of the winding W (continuous curve); point Pâ € ™ corresponds to the rest position of the main magnet 8.
[0053] I diagrammi delle figure 7A e 7B evidenziano invece, rispettivamente, l’andamento della coppia a carico in regime permanente con alimentazione di corrente di forma trapezoidale per un motore BLPM senza magnete ausiliario (fig. [0053] The diagrams of figures 7A and 7B show, on the other hand, the trend of the torque at load in permanent regime with trapezoidal current supply for a BLPM motor without auxiliary magnet (fig.
7A) e con magnete ausiliario 10 e rispettivo polo disposto ad una distanza αauxpari a 0° rispetto all’asse magnetico dell’avvolgimento W (fig. 7B), dove il punto P’’ corrisponde al valore della coppia di avviamento. 7A) and with auxiliary magnet 10 and respective pole disposed at a distance Î ± aux equal to 0 ° with respect to the magnetic axis of the winding W (fig. 7B), where the point Pâ € ™ â € ™ corresponds to the value of the starting torque.
[0054] Dal confronto emerge chiaramente come il valore della coppia di avviamento P’’ per un motore BLPM con magnete ausiliario secondo la presente invenzione sia confrontabile con il valore massimo ottenibile a carico in un motore BLPM senza magnete ausiliario. [0054] From the comparison it clearly emerges how the value of the starting torque Pâ € ™ â € ™ for a BLPM motor with auxiliary magnet according to the present invention is comparable with the maximum value obtainable under load in a BLPM motor without auxiliary magnet.
[0055] Inoltre nel diagramma di coppia a carico di figura 7B si nota, per un motore BLPM secondo la presente invenzione, l’assenza di punti a coppia nulla o negativa grazie all’interazione tra il magnete principale 8 ed il magnete ausiliario 10. [0055] Furthermore, in the load torque diagram of figure 7B it is noted, for a BLPM motor according to the present invention, the absence of zero or negative torque points thanks to the interaction between the main magnet 8 and the auxiliary magnet 10.
[0056] Si osserva infine, sempre nel diagramma di figura 7B, una riduzione del “ripple†di coppia a parità di valore medio, quantificabile come riduzione dell’area complessiva compresa tra la curva della coppia istantanea ed il valore medio e corrispondente alla zona tratteggiata delle figure 7A e 7B. Nel caso in questione la riduzione ottenibile à ̈ di circa il 10%. [0056] Finally, again in the diagram of figure 7B, a reduction in the torque â € œrippleâ € equal to the average value can be observed, quantifiable as a reduction in the overall area comprised between the instantaneous torque curve and the corresponding average value in the hatched area of Figures 7A and 7B. In the case in question, the reduction obtainable is approximately 10%.
[0057] Per quanto riguarda l’aspetto costruttivo del motore BLPM secondo la presente invenzione, si evidenzia come le espansioni polari 4, generalmente costituite da un pacco di lamierini laminati opportunamente sagomati, abbiano una struttura simmetrica il che semplifica notevolmente la scelta del lamierino che, generalmente, si trova già disponibile in commercio; non à ̈ quindi richiesta la costruzione di stampi particolari con i conseguenti necessari investimenti. [0057] As regards the constructive aspect of the BLPM motor according to the present invention, it should be noted that the pole pieces 4, generally constituted by a pack of suitably shaped laminated laminations, have a symmetrical structure which considerably simplifies the choice of the lamination which, generally, is already available on the market; Therefore, the construction of special molds with the consequent necessary investments is not required.
[0058] Inoltre la struttura simmetrica delle espansioni polari 4 rende possibile la compensazione della coppia di impuntamento, o “cogging†, generata dall’interazione tra le espansioni polari 4 ed il magnete principale 8 attraverso una inclinazione dell’asse di magnetizzazione del magnete principale 8 stesso; vantaggiosamente tale inclinazione può essere ottenuta tramite un procedimento tecnicamente definito “skewing†, che viene comunemente adottato nelle macchine elettriche per ridurre il “ripple†di coppia. [0058] Furthermore, the symmetrical structure of the pole pieces 4 makes it possible to compensate for the locking torque, or â € œcoggingâ €, generated by the interaction between the pole pieces 4 and the main magnet 8 through an inclination of the magnetization axis of the main magnet 8 itself; advantageously, this inclination can be obtained through a technically defined â € œskewingâ € procedure, which is commonly adopted in electric machines to reduce the torque â € œrippleâ €.
[0059] Per quanto riguarda l’anello magnetizzato costituente il magnete principale 8, esso può essere ottenuto tramite un unico stampo che riproduca la geometria di figura 3, in cui la porzione interagente con le espansioni polari 4 à ̈ di forma cilindrica mentre la porzione 9 provvista delle scanalature 11, non affacciata alle espansioni polari 4 e che si estende oltre queste ultime per interagire solamente con il magnete ausiliario 10, à ̈ sagomata secondo un profilo scanalato. Il magnete principale 8 può essere magnetizzato radialmente con il numero di poli considerato, adottando eventualmente uno “skewing†come sopra menzionato. [0059] As regards the magnetized ring constituting the main magnet 8, it can be obtained by means of a single mold that reproduces the geometry of figure 3, in which the portion interacting with the pole pieces 4 is cylindrical while the portion 9 provided with the grooves 11, not facing the pole pieces 4 and extending beyond the latter to interact only with the auxiliary magnet 10, is shaped according to a grooved profile. The main magnet 8 can be radially magnetized with the number of poles considered, possibly adopting a â € œskewingâ € as mentioned above.
[0060] L’anello magnetizzato costituente il magnete ausiliario 10 potrà essere realizzato con un materiale di qualità inferiore rispetto a quello del magnete principale 10; il valore di coppia desiderato potrà essere infatti ottenuto scegliendo opportunamente le dimensioni ed il posizionamento angolare del magnete ausiliario 10 per mantenere un buon compromesso tra costo e prestazioni del motore BLPM secondo l’invenzione. [0060] The magnetized ring constituting the auxiliary magnet 10 may be made of a material of a lower quality than that of the main magnet 10; the desired torque value can in fact be obtained by suitably choosing the dimensions and angular positioning of the auxiliary magnet 10 to maintain a good compromise between cost and performance of the BLPM motor according to the invention.
[0061] Da quanto precede risulta quindi evidente come la presente invenzione consegua gli scopi ed i vantaggi inizialmente previsti: si à ̈ infatti escogitato un motore elettrico brushless a magnete permanente di tipo monofase, in particolare provvisto di magnete rotorico superficiale in anello unico, capace di migliorare considerevolmente le prestazioni allo spunto e la riduzione del “ripple†di coppia a carico senza utilizzare tecniche di controllo della corrente di tipo non convenzionale. [0061] It is therefore evident from the foregoing that the present invention achieves the aims and advantages initially envisaged: in fact, a single-phase permanent magnet brushless electric motor has been devised, in particular equipped with a surface rotor magnet in a single ring, capable of considerably improve peak performance and reduce torque â € œripple 'at load without using unconventional current control techniques.
[0062] In particolare, la presente invenzione permette di migliorare le prestazioni del motore nelle applicazioni convenzionali e di ampliare l’ambito applicativo a carichi che richiedono requisiti più stringenti in termini di coppia di avviamento e di ridotta rumorosità , quali le pompe per apparecchiature domestiche ed apparecchi portatili. [0062] In particular, the present invention makes it possible to improve the performance of the motor in conventional applications and to expand the scope of application to loads that require more stringent requirements in terms of starting torque and reduced noise, such as pumps for equipment household and portable appliances.
[0063] Un ulteriore vantaggio della presente invenzione consiste nel fatto di poter utilizzare lamierini e stampi dei convenzionali motori trifase esistenti, consentendo un notevole risparmio nei costi di realizzazione del motore non essendo richiesti specifici investimenti per particolari configurazioni geometriche del rotore o dello statore. [0063] A further advantage of the present invention consists in the fact that it is possible to use laminations and molds of existing conventional three-phase motors, allowing a considerable saving in the construction costs of the motor since no specific investments are required for particular geometric configurations of the rotor or stator.
[0064] Inoltre il motore secondo la presente invenzione non richiede avvolgimenti ausiliari per ottenere la coppia di spunto necessaria ad avviare il motore, semplificandone ulteriormente la costruzione e riducendo allo stesso tempo i costi di realizzazione. [0064] Furthermore, the motor according to the present invention does not require auxiliary windings to obtain the starting torque necessary to start the motor, further simplifying its construction and at the same time reducing construction costs.
[0065] Un ulteriore aspetto particolarmente vantaggioso risiede nel fatto che il magnete principale 8 à ̈ magnetizzato con una stessa polarità in una unica operazione, riducendo in tal modo i tempi di produzione e, conseguentemente, i relativi costi, oltre a richiedere minori investimenti per le attrezzature necessarie alla realizzazione grazie alla semplificazione delle operazioni; l’effetto risultante della doppia polarità per interagire con il magnete ausiliario 10 viene infatti ottenuto semplicemente attraverso l’opportuna sagomatura del magnete principale. [0065] A further particularly advantageous aspect resides in the fact that the main magnet 8 is magnetized with the same polarity in a single operation, thus reducing production times and, consequently, the relative costs, as well as requiring less investment for the equipment necessary for the realization thanks to the simplification of operations; the resulting effect of the double polarity to interact with the auxiliary magnet 10 is in fact obtained simply by means of the appropriate shaping of the main magnet.
[0066] Naturalmente l’invenzione sopra descritta à ̈ suscettibile di numerose applicazioni, modifiche o varianti senza con ciò uscire dall’ambito di protezione come definito alla rivendicazione 1. [0066] Naturally, the invention described above is susceptible of numerous applications, modifications or variations without thereby departing from the scope of protection as defined in claim 1.
[0067] In particolare la presente invenzione può essere applicabile ad altre configurazioni magnetiche, quali ad esempio un motore elettrico a flusso assiale “single-side†con magnete magnetizzato secondo uno schema “Halbach†, schematicamente illustrato nelle figure 9A e 9B e comprendente, in maniera di per sé nota, uno statore 102 formato da un giogo statore 103 e da una pluralità di espansioni polari 104, o poli di statore, che nelle forme realizzative illustrate a titolo esemplificativo nelle figure da 9A a 18 sono in numero di sei; ciascuna delle espansioni polari 104 comprende un avvolgimento 105. Il motore comprende un magnete principale 108, nel seguito definito anche come PMmain, il quale definisce, o al quale à ̈ reso solidale, un rotore 106 a cui à ̈ accoppiato in maniera solidale un albero girevole (non illustrato nelle figure). [0067] In particular, the present invention can be applicable to other magnetic configurations, such as for example a â € œsingle-sideâ € axial flux electric motor with magnetized magnet according to a â € œHalbachâ € scheme, schematically illustrated in Figures 9A and 9B and comprising, in a per se known manner, a stator 102 formed by a stator yoke 103 and a plurality of pole pieces 104, or stator poles, which in the embodiments illustrated by way of example in figures 9A to 18 are numbered of six; each of the pole pieces 104 comprises a winding 105. The motor comprises a main magnet 108, hereinafter also referred to as PMmain, which defines, or to which it is made integral, a rotor 106 to which a shaft is integrally coupled swivel (not shown in the figures).
[0068] Secondo una prima forma applicativa della presente invenzione al motore elettrico a flusso assiale di cui sopra, illustrata nelle figure 10 e 11, un magnete ausiliario 110 avente una polarità doppia rispetto a quella del magnete principale 108 à ̈ associato esternamente allo statore 102 e da parte opposta rispetto al giogo statore 103; lo statore 102, il magnete principale 108 ed il magnete ausiliario 110, ciascuno avente una forma sostanzialmente ad anello, sono disposti assialmente sovrapposti tra loro. [0068] According to a first application form of the present invention to the axial flux electric motor referred to above, illustrated in Figures 10 and 11, an auxiliary magnet 110 having a double polarity with respect to that of the main magnet 108 is externally associated with the stator 102 and on the opposite side with respect to the stator yoke 103; the stator 102, the main magnet 108 and the auxiliary magnet 110, each having a substantially ring shape, are arranged axially superimposed on each other.
[0069] Il magnete ausiliario 110 à ̈ affacciato ad una porzione circonferenziale sagomata 109 del magnete principale 108 che si estende al di fuori delle espansioni polari 104 ed à ̈ provvista di una pluralità di scanalature 111 disposte radialmente rispetto al disco costituente il magnete principale 108 e, preferibilmente, in numero pari al numero di espansioni polari 104, come esemplificato in figura 11. [0069] The auxiliary magnet 110 faces a shaped circumferential portion 109 of the main magnet 108 which extends outside the pole pieces 104 and is provided with a plurality of grooves 111 arranged radially with respect to the disk constituting the main magnet 108 and, preferably, in a number equal to the number of pole pieces 104, as exemplified in Figure 11.
[0070] Una seconda forma applicativa, illustrata nelle figure da 12 a 15, prevede che il magnete ausiliario 210 sia disposto internamente allo statore 202, e quindi nella regione compresa tra le espansioni polari 204 e gli avvolgimenti 205, e risulti affacciato ad una porzione centrale sagomata 209 del magnete principale 208 comprendente una pluralità di scanalature 211 disposte radialmente rispetto al disco costituente il magnete principale 208, come illustrato nelle figure 14 e 15; la figura 13 esemplifica l’interazione tra il magnete ausiliario 210 e la porzione centrale sagomata 209 del magnete principale 208 dove, per chiarezza, si à ̈ disegnata solamente la porzione centrale 209 del magnete principale 208. [0070] A second form of application, illustrated in Figures 12 to 15, provides that the auxiliary magnet 210 is arranged inside the stator 202, and therefore in the region between the pole pieces 204 and the windings 205, and faces a portion shaped center 209 of the main magnet 208 comprising a plurality of grooves 211 arranged radially with respect to the disk constituting the main magnet 208, as illustrated in figures 14 and 15; Figure 13 exemplifies the interaction between the auxiliary magnet 210 and the shaped central portion 209 of the main magnet 208 where, for clarity, only the central portion 209 of the main magnet 208 has been drawn.
[0071] Una terza forma applicativa comprende un magnete ausiliario 310 a forma di corona circolare disposto superiormente al magnete principale 308, e quindi da parte opposta rispetto allo statore 302, in modo da risultare affacciato ad una porzione circonferenziale sagomata 309 del magnete principale 308; la porzione sagomata 309 comprende una pluralità di scanalature 311 disposte radialmente le quali possono interessare tutta o parte della superficie superiore del magnete principale 308, come illustrato nelle figure 17 e, rispettivamente 18. [0071] A third form of application comprises an auxiliary magnet 310 in the shape of a circular crown arranged above the main magnet 308, and therefore on the opposite side with respect to the stator 302, so as to face a shaped circumferential portion 309 of the main magnet 308; the shaped portion 309 comprises a plurality of radially arranged grooves 311 which may involve all or part of the upper surface of the main magnet 308, as illustrated in figures 17 and 18, respectively.
[0072] In questa terza forma applicativa il magnete ausiliario 310 à ̈ vantaggiosamente provvisto di un giogo ferromagnetico 312 di chiusura allo scopo di poter incrementare il flusso magnetico, ed il magnete principale costituisce esso stesso il rotore 306 al quale à ̈ associato un albero girevole (non illustrato). [0072] In this third form of application the auxiliary magnet 310 is advantageously provided with a closing ferromagnetic yoke 312 in order to be able to increase the magnetic flux, and the main magnet itself constitutes the rotor 306 to which a rotating shaft is associated (not illustrated).
[0073] Naturalmente i materiali e le attrezzature utilizzati per la realizzazione della presente invenzione, nonché le forme e le dimensioni dei singoli componenti, potranno essere i più idonei a seconda delle specifiche esigenze. [0073] Naturally, the materials and equipment used for carrying out the present invention, as well as the shapes and dimensions of the individual components, may be the most suitable according to specific requirements.
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IT (1) | ITPN20110015A1 (en) |
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