ITRN20110036A1 - Sistema di propulsione di un mezzo semovente con motorizzazione elettrica plurima. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

“SISTEMA DI PROPULSIONE DI UN MEZZO SEMOVENTE CON MOTORIZZAZIONE ELETTRICA PLURIMA.â€

La presente invenzione concerne un sistema di propulsione di un mezzo semovente con motorizzazione elettrica plurima.

Nei sistemi di propulsione di mezzi semoventi in cui una trasmissione meccanica che invia potenza alle ruote motrici del mezzo riceve in ingresso, la potenza fornita da un motore elettrico, tramite un innesto di frizione ed un cambio di velocità con numero discreto di rapporti di velocità, la ricerca continua di soluzioni costruttive in grado di sviluppare potenze propulsive sempre più elevate, con motorizzazioni al tempo stesso compatte, confligge con problematiche realizzative di soluzione assai difficoltosa.

Infatti, à ̈ noto in generale che in una motorizzazione elettrica, riconducibile ad esempio alla tipologia dei moderni motori brushless, le prestazioni del motore sono direttamente collegate con le dimensioni del motore stesso. Da ciò consegue che per ottenere l'incremento della coppia motrice, si può ricorrere ad aumentare il diametro del motore elettrico, oppure ad allungarne il corpo del motore; od anche ad adottare contemporaneamente entrambe le alternative.

La pratica applicazione di tali concetti, tuttavia non à ̈ del tutto agevole. Infatti, se si prende in considerazione una motorizzazione di un veicolo leggero quale un motociclo, e, più in particolare, si considera una soluzione come quella descritta ed illustrata in un documento della stessa Richiedente, che in un corpo motore compatto e di dimensioni ridotte prevede l'integrazione unitaria di un propulsore elettrico, di un cambio di velocità e di un innesto di frizione interposto e direttamente collegato ad essi, si constata che la libertà di costruzione raggiunge ben presto dei limiti praticamente insuperabili, a meno che non si ricorra all'adozione di materiali speciali non in uso comune nella costruzione di tali motorizzazioni.

Infatti, nella soluzione sopra accennata l'albero motore del motore elettrico à ̈ direttamente collegato alla frizione tramite una coppia di ingranaggi. Un ingranaggio primario à ̈ portato dall'albero motore. Un ingranaggio secondario à ̈ attuato da una corona dentata portata da una campana dell'innesto di frizione ed accoppiata all'ingranaggio primario. Ebbene, se in tale configurazione si tenta di aumentare la potenza erogabile dal motore conformemente con l'approccio costruttivo di aumentare il diametro del motore, allora ci si vincola automaticamente a dover modificare l'interasse tra gli ingranaggi primario e secondario. Tuttavia l'aumento dell'interasse comporta l'aumento della velocità periferica dell'ingranaggio primario. Ma poiché tale velocità non può essere accresciuta indefinitamente ci si accorge ben presto che la potenza massima erogabile dal motore elettrico à ̈ subordinata a limiti meccanici al di sopra dei quale non à ̈ possibile andare.

Adottando in alternativa l'approccio costruttivo che prevede invece, l'aumento della dimensione del motore nella direzione assiale dell'albero motore, si ottiene sì un motore più potente, ma anche un motore di sviluppo assiale maggiore, che - qualora impiegato ad esempio per la propulsione di un motociclo - non à ̈ esente da limiti poiché il maggiore sviluppo assiale porta a dover diminuire l'angolo massimo di inclinazione laterale che il motociclo può assumere nella marcia in curva senza che il motore abbia ad interferire con il suolo.

Scopo del presente trovato à ̈ quello di ovviare a tali inconvenienti mediante un'idea di soluzione che prevede di accoppiare ad un'unica corona di frizione due o più motori elettrici, brushless, dislocati perifericamente alla corona medesima.

L’invenzione, in accordo con i suddetti scopi, ha caratteristiche tecniche che sono chiaramente deducibili dal contenuto delle rivendicazioni sotto riportate, in particolare dalla rivendicazione 1 e, inoltre, da una qualsiasi rivendicazione dipendente, direttamente o indirettamente, dalla rivendicazione 1.

Un primo vantaggio conseguibile da tale trovato à ̈ rappresentato dal fatto che un significativo aumento di potenza viene conseguito praticamente senza alcun apprezzabile incremento delle dimensioni di ingombro in larghezza del motore, ovvero del corpo motore che alloggia i motori elettrici o le loro parti componenti. Quindi, nessuna limitazione dell'angolo di inclinazione laterale del mezzo, ovvero della velocità in curva, à ̈ sofferta dal veicolo in confronto con i veicoli di minore potenza, di tipo noto. Un secondo vantaggio del trovato à ̈ rappresentato dal fatto che, disponendo di due o più motori accoppiati con una stessa corona di frizione, à ̈ possibile aumentare l'autonomia del mezzo potendosi modulare le prestazioni dei motori singolarmente, escludendone anche uno (od alcuni) temporaneamente dal funzionamento per ottenere una prestazione di tipo economico.

Un terzo vantaggio del trovato à ̈ rappresentato dal fatto che, disponendo di due o più motori accoppiati con una stessa corona di frizione, à ̈ possibile gestire via software la temperatura dei singoli motori inviando maggiore quantità di corrente al motore con la temperatura più bassa, invertendo poi la funzione al modificarsi della condizione tra i vari motori.

Disponendo un giunto di sopravanzo (o ruota libera) tra l'innesto a frizione e l'albero motore del/i motore/i, si ha la possibilità di conseguire anche l'ulteriore vantaggio di evitare che il motore più lento possa frenare il motore più veloce e/o di poter utilizzare rapporti di trasmissione differenti per aumentare prestazioni od efficienza, oppure per aumentare accelerazione o velocità di punta, del veicolo.

Adottando due impianti di azionamento e controllo distinti per ogni singolo motore si consegue l'ulteriore vantaggio di poter disporre di un gruppo di backup di sicurezza in caso di avaria di uno dei motori o di uno dei controlli elettronici di comando.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione risulteranno, inoltre, maggiormente evidenti dalla descrizione dettagliata che segue, la quale à ̈ fatta con riferimento ai disegni allegati che rappresentano forme di realizzazione puramente esemplificative e non limitative della stessa invenzione, in cui:

- la figura 1 Ã ̈ uno schema di principio di un sistema di propulsione conforme all'invenzione;

- le figure 2 e 3 sono viste prospettiche del sistema nel suo insieme osservato da due opposti punti di vista;

- la figura 4 Ã ̈ una vista laterale del sistema di cui alle figure 2 e 3;

- la figura 5 Ã ̈ una vista frontale d'insieme del sistema;

- la figura 6 Ã ̈ una sezione del sistema eseguita lungo il percorso di sezione VI-VI di figura 5.

Con riferimento agli uniti disegni, in Figura 1 à ̈ rappresentato schematicamente nel suo complesso un sistema di propulsione di un mezzo semovente che essenzialmente comprende una motorizzazione (33, 15) che - alimentata da accumulatori elettrici (non illustrati) - genera potenza meccanica in uscita; ed una trasmissione (6) meccanica che riceve in ingresso la potenza generata dalla motorizzazione (33, 15) e la conduce in uscita su una o più ruote (7) motrici per la generazione del moto di avanzamento del mezzo rispetto al suolo.

La motorizzazione (33, 15) - particolarmente vantaggiosa per equipaggiare ad esempio un motociclo, senza che ciò debba intendersi in senso limitativo - comprende in particolare un corpo (15) motore che - collocato a monte della trasmissione (6) meccanica [Figura 1] - integra e contiene in corpo unico [Figure 2-5]:

- mezzi (30) di propulsione elettrica;

- un innesto (4) di frizione posto operativamente a valle de, e collegato meccanicamente con, i mezzi (30) di propulsione elettrica; ed

- un cambio (5) di velocità a rapporti discontinui [Figura 6], avente un albero (17) di ingresso collegato all'innesto (4) di frizione ed un albero (18) di uscita che fuoriesce all'esterno del corpo (15) motore collegandosi con detta trasmissione (6) meccanica.

Più in particolare, i mezzi (30) di propulsione elettrica includono due o più motori (2) brushless dotati di una carcassa (38) alloggiata nel corpo motore (15) e contenente a sua volta - quali componenti - uno statore (12) ed un rotore (13). Ciascun motore (2) à ̈ dotato di un rispettivo albero (3) motore provvisto di un pignone (19) che à ̈ accoppiato in rapporto di ingranamento con una corona (31) dentata unica e comune, nonché portata dall'innesto (4) di frizione. La propulsione del mezzo à ̈ pertanto attuata con un rapporto di trasmissione totale tra l'albero motore (3) e l'albero (18) di uscita del cambio che à ̈ il prodotto di due rapporti: un rapporto primario, fisso, determinato dal rapporto di ingranamento del pignone (19) e della corona (3); e da un rapporto secondario, variabile, determinato dalla selezione d'ingranamento adottata per le ruote (36, 37) del cambio (5) durante la conduzione del mezzo.

Preferibilmente, i mezzi (30) di propulsione elettrica includono innesti (32) di sopravanzo (o ruote libere) operativamente disposti tra ciascun albero (3) motore ed il rispettivo pignone (19). Tali innesti (32) di sopravanzo sono rappresentati in Figura 1 in forma simbolica. Nella pratica attuazione della motorizzazione sono associabili direttamente ad un cuscinetto interposto tra il pignone (19) e l'albero (3) motore.

In tal modo, a parità di permanente ingranamento dei pignoni (19) con la corona (31) dentata, qualora i singoli motori (2) operassero a velocità operative diverse verrebbe evitato che il motore più lento esercitasse un'azione frenante sul/i motore/i più veloci, come sarà meglio chiarito nel prosieguo della presente descrizione.

I motori (2) brushless rappresentati nei disegni sono limitati - a titolo di esempio indicativo - a due esemplari peraltro identici tra loro. Ciò deve essere inteso a titolo esemplificativo, ma non limitativo poiché i motori (2) potrebbero essere tanti quanti possono trovare accesso nello spazio geometrico circostante all'innesto (4) a frizione. Nondimeno à ̈ possibile anche prevedere combinazioni di motori (2) brushless diversi, oppure motori (2) brushless uguali ma configurati con rapporti primari diversi in modo da ottenere motorizzazioni (33, 15) elettriche in grado di fornire prestazioni differenziate secondo le varie necessità di impiego.

Per consentire il comando ed il controllo individuale di ciascun motore (2) il sistema (1) prevede preferibilmente, ma non limitativamente, azionamenti (8) indipendenti per ciascun motore (2), pilotati mediante mezzi di comando e di controllo simbolicamente rappresentati dal blocco (35). Tali mezzi (35) di comando possono attivare l'azionamento selettivo dei motori (2) brushless in modo automatico - sotto la gestione di un controllo elettronico più generale corredato di hardware e software dedicati - oppure possono essere pilotati da comandi volontari, impartiti discrezionalmente dall'utente del mezzo semovente che utilizza la motorizzazione (33; 15). Tra le molteplici possibilità di controllo automatico che possono essere eseguite dai mezzi (35) di comando - e che possono essere gestite nell'ambito del software di controllo dedicato - rientra anche la possibilità di gestire gli azionamenti (8) dei motori (2) brushless in funzione di un parametro di controllo prestabilito, rappresentato ad esempio dalla temperatura di esercizio corrente del motore (2).

In pratica à ̈ possibile programmare i mezzi (35) di comando in modo tale che un certo motore (2) che abbia raggiunto una soglia di temperatura, eccessiva, venga spento (o alimentato con una corrente ridotta) per consentire il raffreddamento e la nuova ripresa di funzionamento a pieno regime dopo un tempo adeguato allo smaltimento del calore.

Il trovato à ̈ suscettibile di numerose varianti rientranti tutte in un medesimo concetto inventivo. Tra queste à ̈ possibile ricomprendere anche soluzioni costruttive che prevedano motori (2) di per sé sprovvisti di carcassa (38), essendo la stessa materializzata dal solo corpo (15) motore - ad esempio in lega di alluminio- che sia conformato in modo da presentare delle cavità nelle quali poter pensare di inserire direttamente lo statore (12) ed il rotore (13) del motore (2) brushless.

Il trovato raggiunge pienamente gli scopi presentando, come detto già in parte, numerosi vantaggi.

Tra questi, quello di ottenere un significativo aumento delle prestazioni. L’utilizzo di due o più motori (2) ingranati sullo stessa corona (31) dell'innesto (4) di frizione, permette infatti di moltiplicare la coppia trasferita mantenendo contenuti gli ingombri della motorizzazione (33, 15). In questo modo i motori (2) utilizzati, non necessitano di essere esasperati dal punto di vista delle prestazioni come nel caso dell’utilizzo di un singolo motore (2), vista la semplicità con cui si possono raggiungere valori prestazionali elevatissimi e visto l’aumento dell’efficienza globale derivabile dalla maggiore efficienza di un motore di piccole dimensioni rispetto ad un motore di grandi dimensioni.

In altre parole, con il sistema (1) secondo il trovato i motori (2) vengono utilizzati all’interno dei loro valori nominali e di maggiore rendimento. Tale vantaggio appare chiaramente evidente facendo riferimento alla tabella allegata nella quale - a titolo di esempio - sono poste a confronto le prestazioni di una motorizzazione (33, 15) dotata di motore (2) singolo, con coppia massima di 25 Nm nominali, con due motori (2) di identica configurazione elettrica, ma con coppia massima nominale di 12,5 Nm.

Come si vede dalla tabella con l'adozione di due motori (2) si ha un grande vantaggio in termini di utilizzo di corrente massima, nonostante la potenza massima e la coppia massima disponibili siano pressoché identiche tra le soluzioni ad uno e a due motori. In questo caso à ̈ facile comprendere che senza stravolgere le dimensioni dell’intero gruppo, adottando due motori (2) ad esempio da 16.5 Nm - cioà ̈ di motori (2) di poco più lunghi di quelli indicati in tabella - si possono incrementare le prestazioni e raggiungere potenze dell'ordine dei 46Kw: cosa del tutto impossibile con un solo motore (2) di impostazione tradizionale.

Altro considerevole vantaggio del trovato à ̈ rappresentato da un aumento dell'autonomia del mezzo semovente.

Infatti, come deducibile dalla tabella sopra riportata, a parità di prestazioni, si ha una sensibile riduzione della corrente utilizzata. Questo, per un veicolo a propulsione elettrica, à ̈ un aspetto molto rilevante. Più rilevante ancora à ̈ il fatto che potendo controllare la corrente inviata al motore/ o ai motori, se si riduce la corrente il veicolo avrà sì prestazioni ridotte in percentuale alla riduzione programmata, ma avrà anche un consumo ridotto.

Un altro vantaggio ancora à ̈ rappresentato dalla possibilità di gestire la temperatura di esercizio dei motori.

Infatti, come à ̈ noto, una delle maggiori problematiche degli attuali veicoli elettrici à ̈ quella del surriscaldamento dei motori a causa dell’impiego gravoso a cui sono sottoposti. Nella maggioranza dei veicoli i motori sono posizionati in locazioni dove la dissipazione naturale del calore à ̈ difficoltosa, perciò per raffreddarli vengono elaborati complessi e costosi sistemi di refrigerazione forzata ad aria o a liquido. Inoltre, con l’avvento di nuove tecnologie applicate alle batterie si ottengono sempre maggiori autonomie di utilizzo e quindi un maggior tempo di utilizzo continuativo significa un maggior riscaldamento dei motori.

Nel sistema di motorizzazioni multiple conforme al trovato, ogni motore (2) ha al suo interno una sonda termica analogica che trasferisce tutti i dati ad una scheda elettronica di controllo. La corrente erogata al singolo motore (2) può essere perciò modulata - a mezzo software - a seconda della temperatura del singolo motore. Essendo vero che la corrente erogata al motore à ̈ direttamente proporzionale al suo riscaldamento, in questo modo si può modulare la corrente del singolo motore riducendola a quello più caldo e aumentandola a quello più freddo. Una volta ridotta la temperatura, il software se necessario invertirà i valori mantenendoli bilanciati tra un motore e l'altro: tutto ciò senza che il pilota se ne accorga e senza che gli sia richiesto di intervenire in qualche modo.

L'adozione di motorizzazione multipla permette anche la possibilità di ipotizzare configurazioni motoristiche differenti pensate per privilegiare esigenze diverse, quali ad esempio la ricerca di alte prestazioni, o piuttosto di autonomia di esercizio.

Infatti, potendo adottare rapporti di trasmissione differenti tra il pignone di ciascun motore e la corona dell'innesto di frizione si può accrescere in maniera importante la velocità angolare dell’albero di uscita del cambio e raggiungere con la motorizzazione elettrica regimi rotazionali simili a quelli di motorizzazioni endotermiche tradizionali. Per rendersi conto della rilevanza di tali aspetti si osservi che una problematica costante della motorizzazione elettrica à ̈ quella del giusto rapporto tra velocità angolare e coppia motrice Se si accresce troppo la velocità angolare (numero di giri del motore nell'unità di tempo; Rpm ) si perde coppia (Nm), dato che in un motore elettrico generalmente questa à ̈ massima a zero Rpm e diminuisce all’aumentare del numero di Rpm. Con il sistema della ruota libera sui pignoni dei singoli motori si può connettere ogni motore alla corona della frizione con un rapporto di riduzione differente (rapporto di riduzione primario). Ciò permette di acquistare un'enorme flessibilità e vantaggio per la motorizzazione (33; 15), dal momento che à ̈ possibile sfruttare dapprima una maggiore coppia trasferita dal motore (2) collegato con il rapporto di riduzione maggiore, e poi, una volta raggiunto il regime di Rpm massimo, utilizzare il maggiore numero di Rpm trasferiti dal, o dagli altri motori, aventi rapporti di riduzione minori.

In pratica, se si adottano motori aventi tutti la stessa velocità angolare massima, e se si dotano tali motori con pignoni diversi, si ottiene che i conseguenti rapporti di riduzione diversi possono trasferire al cambio (5) di velocità un maggiore numero di giri totali. Infatti, si supponga ad esempio di avere due motori (2) collegati alla corona (31) di frizione e ruotanti entrambi ad esempio a 4000 Rpm; si supponga inoltre che un primo motore (2) sia collegato con rapporto 1/4 (tra il proprio pignone (19) e la corona (31) dell'innesto (4) di frizione) mentre l'altro motore (2) sia collegato con un rapporto 1/2, allora si avrà che in partenza il primo motore (2) trasferirà una maggiore coppia alla corona (31) di frizione, forte della sua maggiore riduzione meccanica, ma potrà partecipare al moto fino al raggiungimento del proprio regime massimo di rotazione pari a 4000 Rpm cui corrispondono 1000 Rpm della corona (31) dell'innesto di frizione, mentre il secondo motore (2) potrà continuare ancora ad accelerare, poiché a 1000 Rpm della corona (31) il motore (2) si troverà a ruotare ancora a soli 2000 Rpm, quindi al 50% rispetto al proprio regime massimo di 4000 Rpm.

Questo secondo motore (2) quindi proseguirà l’accelerazione del veicolo fino al raggiungimento di 2000 Rpm per la corona (31). In tali condizioni l'innesto (32) di sopravanzo, ovvero la ruota libera, installata sul primo motore (2) eviterà che il primo motore (2) venga portato in sovra rotazione, oppure eviterà che il primo motore (2) possa costituire un freno per il secondo motore (2). Quindi, grazie alla ruota libera, il pignone (19) del primo motore (2) girerà più velocemente del proprio albero (3) che continuerà a ruotare al regime massimo di rotazione del motore (2). In definitiva, scegliendo opportunamente il numero dei motori (2) brushless da associare ad una medesima corona (31) dentata e scegliendo opportunamente i rapporti di trasmissione primari à ̈ possibile costruire anche in una motorizzazione elettrica, le caratteristiche meccaniche di propulsione più adeguata all'applicazione di cui trattasi.

Un altro vantaggio ancora à ̈ rappresentato dal fatto che la presenza di due distinti mezzi (8) di azionamento e controllo, uno per ogni motore (2) singolo, permette di disporre di un intero gruppo di backup di sicurezza che può essere vantaggiosamente sfruttato in caso di avaria di uno dei motori (2) oppure ad uno dei mezzi (8) di azionamento e controlli che li comandano.

L’invenzione così concepita à ̈ suscettibile di evidente applicazione industriale; può essere altresì oggetto di numerose modifiche e varianti tutte rientranti nell'ambito del concetto inventivo; tutti i dettagli possono essere sostituiti, inoltre, da elementi tecnicamente equivalenti.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Sistema di propulsione di un mezzo semovente comprendente un corpo (15) motore che à ̈ associato ad una trasmissione (6) meccanica conduttrice di moto a ruote (7) motrici del mezzo, e che integra e contiene in corpo unico mezzi (30) di propulsione elettrica, comprendenti almeno alcuni componenti (12, 13) di un motore (2) rotativo brushless; un innesto (4) di frizione posto a valle de, e collegato meccanicamente con, i mezzi (30) di propulsione elettrica; ed un cambio (5) di velocità a rapporti discontinui, avente un albero (17) di ingresso collegato all'innesto (4) di frizione ed un albero (18) di uscita che fuoriesce all'esterno del corpo (15) motore collegandosi con detta trasmissione (6) meccanica; detto sistema (1) caratterizzandosi per il fatto che i mezzi (30) di propulsione elettrica includono i detti componenti (12, 13) di almeno due detti motori (2) brushless dotati, ciascuno, di un rispettivo albero (3) motore provvisto di un pignone (19) che à ̈ accoppiato in rapporto di ingranamento con un innesto (4) di frizione.
2. 2. Sistema, secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i mezzi (30) di propulsione elettrica includono ulteriormente almeno un innesto (32) di sopravanzo operativamente disposto tra un detto albero (3) motore ed un rispettivo detto pignone (19).
3. 3. Sistema, secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che detti motori (2) brushless sono identici.
4. 4. Sistema, secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che detti motori (2) brushless sono diversi tra loro.
5. 5. Sistema secondo una delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che detti motori (2) brushless sono azionabili selettivamente.
6. 6. Sistema, secondo una delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi (35) di comando atti ad attivare selettivamente azionamenti (8) di detti motori (2) brushless in funzione di almeno un parametro di controllo prestabilito.
7. 7. Sistema, secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detti mezzi (35) di comando attivano selettivamente detti azionamenti (8) di ciascun motore (2) in funzione della temperatura corrente di esercizio del motore (2) medesimo.
8. 8. Sistema, secondo una delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che detti motori (2) brushless sono azionabili selettivamente su comando del conduttore del mezzo.
9. 9. Sistema, secondo una delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che detto corpo (15) motore forma parte integrante di una carcassa (38) contenitiva dei componenti (12, 13) di detti motori (2) brushless.
10. 10. Sistema, secondo una delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che detto mezzo semovente à ̈ un motociclo.