ITPN940019A1

ITPN940019A1 - Motore a commutazione elettronica

Info

Publication number: ITPN940019A1
Application number: IT94PN000019A
Authority: IT
Inventors: Ljubomir Kopac
Original assignee: Sole Spa
Priority date: 1994-03-30
Filing date: 1994-03-30
Publication date: 1995-09-30
Also published as: EP0675590A1; DE69502231T2; ITPN940019A0; ATE165695T1; EP0675590B1; ES2118458T3; DE69502231D1

Description

Descrizione dell'invenzione industriale avente per titolo: MOTORE A COMMUTAZIONE ELETTRONICA

La presente invenzione si riferisce ad un motore elettrico a commutazione elettronica, atto ad esempio a trascinare pompe centrifughe, ventilatori, aspiratori, compressori e simili, in particolare per apparecchi elettrodomestici .

Come è noto, i sistemi di commutazione elettronica degli avvolgimenti di un motore elettrico, in particolare un motore con rotore a magneti permanenti, sono sostanzialmente due, dal punto di vista della forma della tensione di alimentazione:

A) Sistemi basati su interruttori a transistor che necessitano d1 alimentazione a tensione continua, noti come sistemi "brushless DC" o "BLDC". Un sistema di commutazione di questo tipo è descritto ad esempio nell'US-A-4 005 347;

B) Sistemi in cui per la commutazione elettronica vengono impiegati interruttori a semiconduttori bidirezionali (Triac, ad esemplo), alimentati da tensione alternata e qui definiti come sistemi "brushless AC" o "BLAC". Un sistema di commutazione di questo tipo è descritto ad esemplo nell‘US-A-4 780 652.

In tutti i sistemi sopra citati l'induttanza degli avvolgimenti statorici comporta un ritardo di corrente rispetto al ritmo di commutazione, il che causa una diminuzione della coppia risultante e quindi dell'efficienza del motore, particolarmente alle velocità più elevate. Nei sistemi BLAC, in particolare, si verifica un ulteriore ritardo di corrente dovuto all'impossibilità, da parte degli interruttori bidirezionali, di interrompere la corrente al momento voluto; ovviamente, ciò aumenta gli svantaggi funzionali sopra citati.

Per effettuare correttamente la commutazione elettronica, il sistema richiede un'informazione della posizione angolare del rotore. A tal fine, è prassi comune impiegare sistemi che rilevano la posizione assoluta del rotore mediante appositi sensori di posizione magnetici (ad effetto Hall), elettro-ottici, dispositivi di misurazione dell'induttanza o della tensione indotta nelle fasi statoriche. In particolare, le tecniche note per compensare il ritardo di corrente si riferiscono esclusivamente ai sistemi BLDC e possono essere riassunte come segue:

1) Controllo di corrente in retroazione e impiego di tensione di alimentazione elevata, al fine di ridurre 1 ritardi di corrente nei transitori di commutazione;

2) Misura della posizione rotorica usando un sensore di posizione assoluta ad alta risoluzione, variando gli istanti di commutazione in funzione della velocità e del senso di rotazione del rotore, per compensare il ritardo di corrente anticipando la commutazione;

3) Orientamento del sensore di posizione assoluta ad un angolo diverso dalla posizione neutra (posizione simmetrica per entrambi i sensi di rotazione), ottenendo cosi un anticipo fisso della commutazione.

Come è noto, le soluzioni di cui ai punti 1) e 2) richiedono l'impiego di componenti sofisticati e costosi, tali da renderne impossibile l'applicazione negli apparecchi elettrodomestici.

La soluzione di cui al punto 3) è efficace solo ad una predeterminata velocità ed in un solo senso di rotazione del rotore, per cui il suo impiego è assai limitato. In più, questa soluzione non è applicabile ai motori monofase, dove uno spostamento del sensore di posizione rispetto alla posizione neutra può provocare una commutazione sbagliata durante l'avviamento, con conseguente bloccaggio del rotore.

Va inoltre considerato che nei motori monofase un bloccaggio del rotore può essere provocato anche da errori nella misurazione della posizione, errori che devono quindi essere contenuti entro certi limiti In ogni caso, i l motore monofase con un sensore di posizione in corrispondenza dell'angolo neutro può garantire l'avviamento in un solo senso di rotazione, predefinito dall'asimmetria del traferro magnetico.

Scopo della presente invenzione è quello di fornire un motore a commutazione elettronica il quale risulti semplice, economico ed affidabile, in modo da poter essere impiegato anche in apparecchi elettrodomestici o simili.

Un altro scopo della presente invenzione è quello di fornire un motore del tipo citato, il cui funzionamento possa essere efficacemente controllato in entrambi i sensi di rotazione.

Secondo l'invenzione, tali scopi sono ottenuti in un motore a commutazione elettronica incorporante le caratteristiche delle rivendicazioni allegate.

Le caratteristiche ed i vantaggi dell'Invenzione saranno chiariti dalla seguente descrizione, avente solo titolo di esempio non limitativo, con riferimento agli uniti disegni, in cui:

- la figura 1 mostra lo schema elettrico semplificato di un motore a commutazione elettronica monofase secondo una forma preferita di realizzazione dell'invenzione;

- la figura 2 mostra i diagrammi delle principali caratteristiche elettriche di funzionamento del motore di figura 1, in entrambi 1 sensi di rotazione;

- la figura 3 mostra una variante del motore di figura 1, realizzata in forma di motore monofase BLAC;

- la figura 4 mostra un'ulteriore variante del motore d1 figura 1, realizzata in forma di motore monofase BLDC.

Con riferimento alla figura 1, il motore comprende principalmente un rotore 1 a magneti permanenti, a due o più poli, ed uno statore avvolto con almeno una fase statorica 2, a due o più poli. Lo statore 2 è atto ad essere alimentato da un circuito di commutazione elettronica 3, a sua volta collegato ad una sorgente di alimentazione 4.

Il circuito di commutazione elettronica 3 è di tipo ben noto ai tecnici del ramo. Principalmente, esso comprende un ingresso di pilotaggio 5 atto a ricevere (come sarà descritto in seguito) un segnale rappresentativo della posizione angolare del rotore 1, nonché uno stadio di potenza comprendente interruttori elettronici (transistor o Triac) ed avente un'uscita 6 atta ad alimentare la fase statorica 2. Il senso della corrente circolante nella fase statorica 2 determina il senso della coppia applicata al rotore 1; tale corrente, 1n particolare la sua polarità, viene periodicamente variata dal circuito di commutazione 3, in funzione del segnale di posizione ricevuto al suo ingresso di pilotaggio 5, per generare una coppia motrice al rotore 1 nel senso prestabilito.

L'ingresso di pilotaggio 5 del circuito di commutazione 3 è collegato ad un sensore di posizione che secondo l'invenzione comprende un semplice avvolgimento induttivo 7 magneticamente accoppiato al rotore 1 e disposto sostanzialmente a 90° elettrici rispetto alla fase statorica 2. Come apparirà più evidente in seguito, tale sfasamento di 90° consente al sensore di posizione 7 di essere sostanzialmente esente da disturbi indotti dalla fase statorica 2, nonché di funzionare in modo simmetricamente analogo in entrambi i sensi di rotazione del motore.

Va notato che in alternativa il motore elettrico può essere del tipo a riluttanza variabile e quindi comprendente un rotore 1 di materiale ferromagnetico. In ogni caso, sull'asse 10 di rotazione del rotore può essere calettato un rotore ausiliario a magneti permanenti (non mostrato, per semplicità), in modo tale che il sensore induttivo 7 sia magneticamente accoppiato con il rotore 1 del motore in maniera indiretta, attraverso il rotore a magneti permanenti ausiliario. Quest'ultimo, inoltre, sarà disposto al di fuori del campo magnetico statorico.

Il funzionamento del motore secondo l'invenzione è 11 seguente, con riferimento alla figura 2: quando il rotore 1 viene fatto ruotare, ad esempio in senso antiorario, nel sensore di posizione 7 si induce una tensione alternata Ui (figura 2a), avente ampiezza proporzionale alla velocità del rotore 1, che funge da segnale di pilotaggio applicato all'ingresso 5 del circuito di commutazione 3. In modo in sé noto, la frequenza e la fase del segnale Ui dipendono rispettivamente dalla velocità di rotazione e dalla posizione istantanea α del rotore 1. Pertanto, la polarità della tensione Ui dipende dalla posizione istantanea α e dal senso di rotazione del rotore 1. Se il rotore ruota in senso orario, ad esempio, la tensione Ui indotta nel sensore di posizione 7 avrà l'andamento mostrato in figura 2d.

Poiché il sensore 7 è disposto a 90° elettrici rispetto alla fase statorica 2, come già detto, in entrambi i sensi di rotazione la tensione Ui risulta sfasata di 90° rispetto alla tensione EMF indotta nella fase statorica 2. Di conseguenza, come si nota in figura 2 la tensione Ui sarà sempre in anticipo di 90° sulla variazione d∅/da del flusso retorico ø concatenato nella fase statorica 2, in funzione della posizione angolare a del rotore 1. In particolare, la suddetta variazione d∅/dcx è mostrata nelle figure 2c e 2f, che si riferiscono alla rotazione del motore in senso antiorario ed orario, rispettivamente.

In definitiva, nel motore secondo l'invenzione il segnale Ui generato dal sensore di posizione induttivo 7 è particolarmente adatto a pilotare l'ingresso 5 del circuito di commutazione 3. In entrambi i possibili sensi di rotazione del motore, infatti, il segnale Ui fornisce con anticipo al circuito di commutazione 3 una informazione sulla polarità della corrente da commutare nella fase statorica, in modo in sé noto, al fine di ottenere un momento d1 coppia nel senso desiderato. Tale anticipo comporta vantaggiosamente un'automatica compensazione del ritardo di corrente dovuto alla natura induttiva della fase statorica, col risultato che al rotore 1 è sempre applicato un momento di coppia corretto ed efficace.

Ovviamente, qualora si desideri ottenere un segnale di pilotaggio Ui con anticipo ridotto o regolabile in funzione della velocità è possibile prevedere un circuito di ritardo, noto in sé, atto a stabilire un ritardo fisso o variabile con la frequenza, rispettivamente.

Resta inteso che il motore può comprendere più fasi statoriche, ciascuna pilotata da un rispettivo circuito di commutazione 3. In tal caso, all'ingresso di pilotaggio 5 di ciascun circuito di commutazione 3 sarà collegato un rispettivo sensore induttivo 7, orientato a 90° elettrici rispetto all'associata fase statorica 2.

Con riferimento alla figura 3, si descrive ora una forma di reaiizzazione dell'invenzione atta a garantire in modo semplice un'efficace spunto del motore anche in presenza di disturbi indotti nel sensore di posizione e in presenza di imperfezioni del circuito elettronico.

A solo titolo di esempio, in figura 3 il sistema di commutazione del motore 1, 2 è del cosiddetto tipo "BLAC", con una sorgente di alimentazione alternata 4 atta a fornire corrente alla fase statorica 2 attraverso un interruttore bidirezionale 8 controllato dal circuito di commutazione 3, a sua volta alimentato dalla sorgente 4. L'ingresso di pilotaggio 5 del circuito di commutazione 3 è collegato ad una corrispondente uscita di un sommatore 9. Quest'ultimo ha un primo ingresso 11 atto a ricevere (come mostrato schematicamente in figura 3) il segnale di pilotaggio generato dal sensore induttivo 7 , nonché un secondo ingresso 12 al quale è applicato un segnale alternato prodotto da un generatore ausiliario 13. Tale segnale alternato sarà opportunamento scelto da un tecnico del ramo con ampiezza ridotta, ma maggiore di quella dei possibili disturbi o errori presenti nel sistema.

All'avviamento del motore, e alle velocità di rotazione molto basse, il segnale Ui indotto nel sensore induttivo 7 sarà inferiore in ampiezza ai disturbi ed agli errori in tensione continua presenti nel circuito d'ingresso. Il segnale prodotto dal generatore 13 sarà invece prevalente su tali errori e disturbi ed imporrà al motore 1, 2 un movimento vibratorio sufficiente perché il rotore 1 induca nel sensore 7 un segnale Ui di ampiezza utile. A tal fine, naturalmente, il segnale prodotto dal generatore 13 sarà più efficiente quando la sua frequenza è prossima alla frequenza naturale del sistema e 1ettromeccan ico del motore e del carico condotto. In ogni caso, l'influenza di tale segnale alla velocità di lavoro del motore sarà sostanzialmente trascurabile, come già detto, per consentire all'intero sistema di funzionare in funzione del segnale U1 indotto nel sensore 7 come descritto in precedenza.

L'impiego del generatore ausiliario 13 è particolarmente importante, in quanto consente un funzionamento bidirezionale anche per i motori monofase, che normalmente possono invece ruotare in una sola direzione prestabilita.

Con riferimento alla figura 4 , si descrive ora un'ulteriore forma di realizzazione dell'invenzione atta a fornire un'informazione di posizione del rotore anticipata in modo proporzionale all'effettiva velocità del motore.

A solo titolo di esempio, in figura 4 il sistema di commutazione del motore 1, 2 è del cosiddetto tipo "BLDC" , con una fase statorica a due avvolgimenti contrapposti 21, 22 atti ad essere alimentati da una sorgente di tensione continua 4 attraverso rispettivi transistor 14, 15 pilotati dal circuito di commutazione 13. L'ingresso 11 del sommatore 9 è pilotato dal sensore di posizione induttivo 7, mentre il suo Ingresso 12 è pilotato da un tradizionale sensore di posizione assoluta 16, ad esempio del tipo ad effetto Hall. Il sensore 16 è montato nella posizione neutra, cioè nella posizione simmetrica 1n cui 11 segnale Uh generato con ampiezza costante dal sensore stesso è proporzionale ed in fase con la variazione dp/da del flusso rotorlco concatenato nella fase statorica. In modo 1n sé noto, pertanto, tale segnale Uh può essere rappresentato rispettivamente dalle curve delle figure 2c e 2f, 1n funzione del senso di rotazione del motore.

Sommando nel sommatore 9 il segnale Uh (avente ampiezza costante) con il segnale U1 (avente ampiezza proporzionale alla velocità del motore), è possibile pilotare il circuito di commutazione elettronica 3 con un segnale risultante contenente un'Informazione di posizione del rotore 1 anticipata in modo proporzionale alla velocità del motore .

In definitiva, il circuito di commutazione elettronica 3 risulta pilotato in modo ottimale, con un segnale che compensa i ritardi di corrente in modo correlato al la velocità del motore.

Ovviamente, il motore a commutazione elettronica descritto può subire numerose modif iche rientranti nell'ambito dell'invenzione.

Ad esempio, le forme di realizzazione sopra descritte possono comprendere indifferentemente sistemi di tipo BLAC o di tipo BLDC, secondo le esigenze.

Come già detto, inoltre, la presente invenzione è applicabile anche ai motori a commutazione elettronica comprendenti più di una fase.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Motore a commutazione elettronica, comprendente un rotore ferromagnetico o a magneti permanenti, nonché uno statore avvolto comprendente almeno una fase statorica alimentata mediante un circuito di commutazione elettronica 1n funzione d1 un segnale di pilotaggio generato da mezzi sensori della posizione angolare del rotore, caratterizzato dal fatto che detti mezzi sensori comprendono un avvolgimento induttivo (7) magneticamente accoppiato al rotore (1) e disposto sostanzialmente a 90° elettrici rispetto alla fase statorica (2; 21,22), in modo tale che detto segnale di pilotaggio (U1) si induca nel sensore (7) con un corrispondente sfasamento rispetto alla tensione (EMF) Indotta nella fase statorica.
2. Motore a commutazione elettronica secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto sensore induttivo (7) è accoppiato magneticamente al rotore del motore in modo indiretto, attraverso un rotore ausiliario a magneti permanenti calettato sull’asse di rotazione (10) del rotore (1) e disposto al di fuori del campo magnetico statorico.
3. Motore a commutazione elettronica secondo la rivendicazione 1, in cui vengono generati possibili segnali di disturbo e/o di errore, caratterizzato dal fatto che detto cicuito di commutazione elettronica (3) è pilotato dalla somma del segnale di pilotaggio (Ui) prodotto dal sensore induttivo (7) e di un segnale alternato prodotto da un generatore ausiliario (13) con ampiezza appena maggiore di detti segnali di disturbo e/o errore.
4. Motore a commutazione elettronica secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detto segnale alternato è prodotto dal generatore ausiliario (13) con una frequenza sostanzialmente pari alla frequenza naturale del sistema elettromeccanico comprendente il motore ed un associato carico condotto.
5. Motore a commutazione elettronica secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto circuito di commutazione elettronica (3) è pilotato dalla somma del segnale di pilotaggio (Ui) prodotto dal sensore induttivo (7) e di un segnale alternato (Uh) prodotto con ampiezza costante da mezzi sensori (16) della posizione assoluta del rotore (1).