ITTO950116A1 - Dispositivo per il controllo elettronico di un elettromagnete di inne- sto, in particolare per un motorino d'avviamento. - Google Patents

Abstract

Dispositivo di controllo per un elettromagnete di innesto (EM), in particolare per un motorino di avviamento (MA) di un autoveicolo, atto a regolare la velocità di innesto del pignone (P) della corona (C) in modo da evitare sollecitazioni, usura e rumorosità dovuti all'eccessiva velocità di innesto nella fase iniziale dell'operazione di avviamento. Il dispositivo opera ad anello chiuso con un segnale generato da un sensore tachimetrico (SENS) associato all'elettromagnete (EM).(Figura 1).

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Dispositivo per il controllo elettronico di un elettromagnete di innesto, in particolare per un motorino d'avviamento"

DESCRIZIONE

La presente invenzione fa riferimento in generale ai dispositivi di innesto e più specificamente fa riferimento ad un dispositivo di controllo per un elettromagnete di innesto suscettibile di essere associato a motorini d'avviamento impiegati per l'avviamento di motori a combustione interna.

Come è noto è ampiamente diffuso l'uso di motori elettrici per effettuare l'avviamento di motori termici, in particolare motori a combustione interna. Nel caso dei motori a combustione interna degli autoveicoli tale sistema d'avviamento è diventato ormai di fatto uno standard.

Per effettuare l'avviamento di un motore a combustione interna tramite un motorino elettrico d'avviamento i due motori vengono accoppiati mediante ruote dentate. Sull'albero del motorino d'avviamento è calettata una ruota dentata, comunemente denominata pignone, mentre sull'albero del motore a combustione interna è calettata un'altra ruota dentata, denominata corona, avente un diametro decisamente superiore al diametro del pignone.

Alimentando il motorino di avviamento questo, tramite il pignone e la corona che ingranano tra loro, pone in movimento l'albero del motore a combustione interna permettendone l'avviamento. E' evidente tuttavia che pignone e corona non possono essere permanentemente in presa tra loro. Infatti, se così fosse, il motore a combustione interna, una volta avviato, trascinerebbe in rotazione a velocità elevata il motorino di avviamento determinando sicuramente il danneggiamento delle due ruote dentate e/o del motorino d'avviamento. A tale scopo il motorino d'avviamento viene quindi provvisto di un elettromagnete destinato a provocare l'innesto del pignone, il quale può scorrere in direzione assiale, con la corona, in modo che i rispettivi denti ingranino solamente durante la fase di avviamento.

Tale sistema, anche se collaudato ed universalmente adottato nel settore autoveicolistico, non è tuttavia privo di inconvenienti. I sistemi di avviamento secondo la tecnica nota, infatti, non prevedono alcun controllo per l'alimentazione dell'elettromagnete, per cui pignone e corona si trovano ad essere soggetti ad elevate sollecitazioni dovute alla eccessiva velocità con cui il pignone entra in contatto con la corona. Tale eccessiva velocità provoca anche un rumore acustico fastidioso specie nel caso in cui i denti del pignone urtino contro quelli della corona. Inoltre, poiché il motore termico tende a fermarsi sempre in posizioni predeterminate i denti della corona interessati da tali urti tendono ad essere sempre gli stessi, provocando usure localizzate.

Ulteriori problemi si possono verificare ad esempio nel caso in cui l'utente del veicolo, nel comandare la fase di avviamento, mantenga chiuso il contatto di avviamento per un periodo di tempo superiore al necessario determinando quindi il trascinamento del motorino di avviamento, ad elevata velocità, da parte del motore a combustione interna ormai avviato.

Lo scopo della presente invenzione è quello di realizzare un dispositivo di controllo per un elettromagnete di innesto che permetta di risolvere in modo soddisfacente tutti i problemi sopra indicati.

Secondo la presente invenzione, tale scopo viene raggiunto grazie ad un dispositivo di controllo avente le caratteristiche indicate nelle rivendicazioni che seguono la presente descrizione.

Ulteriori vantaggi e caratteristiche della presente invenzione risulteranno evidenti dalla seguente dettagliata descrizione, effettuata con l'ausilio degli annessi disegni, forniti a titolo di esempio non limitativo, in cui:

- la figura 1 è una rappresentazione schematica a blocchi di un sistema di avviamento comprendente un dispositivo secondo la presente invenzione,

- la figura 2 è una rappresentazione funzionale schematica di un componente del dispositivo secondo l'invenzione,

- la figura 3 è una rappresentazione funzionale schematica di una forma di attuazione alternativa del componente di figura 2,

- la figura 4 è una rappresentazione funzionale schematica di un'ulteriore forma di attuazione alternativa del componente di figura 2.

La presente invenzione consiste quindi sostanzialmente in un dispositivo di controllo di un elettromagnete di innesto avente la funzione di controllare la velocità di azionamento dell'elettromagnete stesso al fine di eliminare gli inconvenienti descritti in precedenza, in figura 1 è rappresentato schematicamente uno schema a blocchi di un sistema di avviamento per un motore termico comprendente un dispositivo di controllo del tipo secondo la presente invenzione .

Il sistema comprende naturalmente un motorino d'avviamento elettrico MA sul cui albero è calettato un pignone P. Il pignone P può scorrere sul suo asse in modo da ingranare o meno con una corona C. La corona C è collegata all'albero del motore termica da avviare (non illustrato). Normalmente il pignone P e la corona C sono collegati, cioè in presa tra loro, solamente durante la fase di avviamento mentre per il resto del tempo sono scollegati, cioè non in presa.

Tipicamente il pignone P viene fatto scorrere sul suo asse, in modo da ingranarsi con la corona C, tramite una leva comandata da un elettromagnete EM. L'elettromagnete EM di solito è del tipo a nucleo mobile risucchiato.Il nucleo mobile dell'elettromagnete EM comanda inoltre un interruttore INT attraverso il quale viene alimentato il motorino d'avviamento MA. In questo modo l'elettromagnete EM, dopo avere provocato la corsa di lavoro con possibile ingranamento del pignone P con la corona C, determina anche l'alimentazione del motorino d'avviamento MA. NatuTalmente sia l'elettromagnete EM che il motorino d'avviamento MA, come del resto tutti i componenti del sistema d'avviamento, sono alimentati da una batteria di accumulatori elettrici BAT. Tale tipo di sistema d'avviamento è ampiamente noto ed è classico dei veicoli mossi da un motore a combustione interna.

Nel caso della presente invenzione l'elettromagnete EM non viene più alimentato, come nella tecnica nota, semplicemente chiudendo un interruttore, ad esempio tramite la chiave di accensione del veicolo, ma viene alimentato tramite un dispositivo di comando DC. Il dispositivo di comando DC, il quale è controllato da un'unità di controllo elettronica UC, ha la funzione di controllare la corrente di alimentazione dell'elettromagnete EM. In tal modo l'unità di controllo UC può controllare la velocità di azionamento dell'elettromagnete EM e di conseguenza l'operazione di innesto del pignone P con la corona C.

Nella presente forma di attuazione l'unità di controllo UC è costituita da un circuito elettronico ed il dispositivo di comando DC è costituito da un dispositivo interruttore a semiconduttori, ad esempio un transistore del tipo MOSFET.

Nel caso specifico l'unità di controllo UC è configurata in modo da attuare un controllo ad anello chiuso. L'unità di controllo UC deve quindi essere provvista di un modulo CR atto a fornire un segnale di reazione indicativo della velocità di azionamento dell'elettromagnete EM. L'obiettivo dell'unità di controllo UC infatti è quello di controllare la velocità cui si muove il nucleo mobile dell'elettromagnete EM per cui il segnale di reazione fornito dal modulo CR deve essere un segnale indicativo della velocità di traslazione del nucleo mobile stesso.

In una forma di attuazione al momento considerata preferenziale l'unità di controllo UC è inoltre collegata ad un sensore PUT atto a fornire un segnale indicativo della velocità di rotazione del motore termico. Il sensore PUT può essere ad esempio un sensore elettromagnetico associato ad un ruota fonica, tipicamente già presente nei motori a combustione interna installati sui veicoli attualmente in produzione. Tale segnale permette all'unità di controllo UC di rilevare l'avviamento del motore termico, che si può considerare avvenuto quando la velocità di rotazione supera, per un certo tempo, un valore di soglia predeterminato, ad esempio 1000 giri al minuto. Una volta rilevato l'avvenuto avviamento del motore termico l'unità di controllo UC interrompe l'alimentazione dell'elettromagnete EM per disattivare il motorino di avviamento MA e disinserire il pignone P dalla corona C. In tal modo si escludono rischi di danneggiamento per centrifugazione del motorino.

Inoltre, in una forma di attuazione al momento considerata preferenziale, è previsto un ulteriore sensore ST che misura la temperatura del motorino di avviamento considerata più rilevante, ad esempio quella del piatto portaspazzole. Tale misura serve a disinserire il motorino stesso, come nel caso precedente, per evitare danneggiamenti di tipo termico nel caso di avviamenti eccessivamente prolungati, e al tempo stesso evitare la scarica completa della batteria! nel caso in cui il motore termico stenti ad avviarsi, ad esempio a causa di anomalie di carburazione, e l'utente insista nell'avviamento in modo eccessivo.

L'unità di controllo UC può inoltre essere interfacciata con una centralina di gestione CM del motore termico. Tale collegamento può servire per molteplici scopi, ad esempio per lo scambio di segnali ed informazioni tra la centralina CM e l'unità UC, per automatizzare l'operazione di avviamento, per implementare funzioni di diagnosi, per integrare la centralina CM e l'unità UC, ecc.

Verrà ora descritta in maggior dettaglio l'unità di controllo UC. Come si è detto in precedenza l'unità di controllo UC opera ad anello chiuso. Nel caso più semplice l'unità di controllo UC regola la corrente attraverso l'elettromagnete EM in modo che il suo nucleo mobile trasli ad una velocità costante predeterminata. Tale tipo di controllo ad anello chiuso è ben noto nella tecnica e richiede, come già detto, un segnale indicativo della velocità effettiva del nucleo mobile dell'elettromagnete EM. La velocità effettiva del nucleo può essere misurata (mediante un sensore) o stimata (mediante un modello). In figura 2 è rappresentato uno schema a blocchi funzionale di una forma di attuazione del dispositivo secondo la presente invenzione impiegante un sensore.

In tale forma di attuazione l'unità di controllo UC comprende un modulo di controllo della tensione CDT, alimentato mediante la tensione di batteria VBAT, atto a controllare la tensione di alimentazione v dell'avvolgimento A dell'elettromagnete EM. Il modulo di controllo della tensione CDT opera in base ad un segnale di errore ER generato da un nodo di sottrazione SUB. Nel nodo di sottrazione SUB entra un segnale SI indicativo della velocità costante desiderata per il nucleo cui viene sottratto un segnale di reazione SE indicativo della velocità effettiva del nucleo. Il segnale SE viene generato da un sensore tachimetrico SENS associato all'elettromagnete EM. Tale tipo di controllo, noto nella tecnica, permette quindi di impostare la velocità desiderata per il nucleo (segnale SI) che il sistema provvede quindi a raggiungere e mantenere.

In figura 3 è rappresentata una forma di attuazione alternativa in cui al posto di un sensore di misura SENS viene impiegato un modello atto a stimare la velocità effettiva del nucleo mobile. Nella figura 3 a parti ed elementi già descritti con riferimento alla figura 2 sono stati attribuiti nuovamente gli stessi simboli alfanumerici. Come si può notare dalla figura 3, la forma di attuazione in essa illustrata differisce sostanzialmente per il modo in cui viene generato il segnale di reazione SE indicativo della velocità effettiva del nucleo mobile.

In serie ad un avvolgimento A dell'elettromagnete EM è disposto un resistore di misura RMIS (denominato anche shunt) tramite il quale è possibile prelevare un segnale I indicativo della corrente attraverso l'avvolgimento A. Tale segnale I viene fornito in ingresso ad un modulo stimatore MOD, insieme ad un segnale V indicativo della tensione di alimentazione dell'avvolgimento A. Il modulo stimatore MOD impiega un modello dell 'elettromagnete EM, ed è configurato in modo da elaborare, a partire dai segnali l e v, la velocità effettiva del nucleo. Il modulo stimatore MOD genera quindi un segnalò SE indicativo della velocità effettiva del nucleo. Tale segnale SE viene fornito ad un nodo di sottrazione SUB. Per il resto, come si può notare dalla figura 3, il sistema è analogo a quanto descritto con riferimento alla figura 2 ed opera sostanzialmente nello stesso modo.

A seguito di prove sperimentali condotte dalla richiedente, è stata considerata preferenziale la forma di attuazione impiegante il sensore tachimetrico SENS. E' possibile infatti l'impiego di un sensore tachimetrico estremamente semplice ed economico che permette nel contempo di ottenere buone prestazioni atte al raggiungimento degli obiettivi desiderati.

In una forma di attuazione al momento considerata preferenziale tale sensore tachimetrico SENS, visibile in figura 4, è costituito da un magnete permanente MAG di piccole dimensioni associato al nucleo mobile dell'elettromagnete EM e cooperante con un avvolgimento w portato da un sopporto fisso. La traslazione del magnete permanente MAG produce ai capi dell'avvolgimento W una tensione elettrica utilizzabile quale segnale indicativo della velocità di traslazione del nucleo mobile.

Una possibile forma di attuazione del sensore tachimetrico SENS, vantaggiosamente impiegabile in associazione al dispositivo di controllo secondo l'invenzione, è descritta in una corrispondente domanda di brevetto, a nome della stessa richiedente, depositata contemporaneamente alla presente domanda.

Il dispositivo di controllo secondo l'invenzione può convenientemente essere realizzato in modo da operare in modulazione ad ampiezza di impulsi. Una forma di attuazione impiegante questo tipo di tecnica è raffigurata appunto in figura 4. Come si può notare la corrente nell'avvolgimento A dell'elettromagnete EM è controllata da un transistore T di tipo MOSFET. Il transistore T è pilotato da un circuito comparatore con isteresi AMP il quale provvede ad effettuare il controllo in modulazione ad ampiezza di impulsi. Il comparatore AMP opera naturalmente in base ad un segnale di errore ER ricavato a partire da un segnale costante SI indicativo della velocità desiderata impostata e da un segnale indicativo della velocità effettiva del nucleo SE generato dal sensore tachimetrico SENS descritto in precedenza.

La forma di attuazione del dispositivo secondo l'invenzione rappresentata in figura 4 prevede inoltre l'impiego anche di una reazione di tipo derivativo al fine di migliorare il controllo di velocità del nucleo mobile. A tale scopo viene prelevato dall'avvolgimento A un segnale DER indicativo della derivata della corrente che attraversa lo stesso avvolgimento A. Tale segnale DER è in pratica realizzato dalla misura della derivata del flusso magnetico istantaneo, che attraversa l'avvolgimento del sensore SENS come flusso disperso del solenoide principale dell'elettromagnete EM, che è indicativo della corrente. La derivata del flusso è ottenuta semplicemente dalla tensione indotta nello stesso sensore SENS.

La funzione principale di tale segnale DER è quella di limitare la crescita o il calo della corrente nei transitori a valori corretti, evitando pendolamenti del controllo. Il segnale DER confluisce quindi insieme al segnale SE, indicativo della velocità effettiva del nucleo mobile, in un primo nodo di sottrazione SUBÌ, in pratica il nodo di sottrazione SUBÌ risulta implementato nella struttura stessa del sensore SENS.

Il segnale risultante, generato dal nodo di sottrazione SUBÌ, viene quindi inviato in ingresso ad un secondo nodo di sottrazione SUB2 nel quale entra in ingresso anche un segnale SI indicativo della velocità impostata. Il nodo di sottrazione SUB2 genera, come descritto in precedenza, un segnale di errore ER in base al quale il comparatore AMP regola la corrente di alimentazione nell'avvolgimento A.

E' possibile anche realizzare il dispositivo secondo l'invenzione in modo che controlli la velocità di traslazione non ad una velocità costante ma secondo un andamento predeterminato, con velocità variabile nel tempo, nel caso ad esempio che ciò sia reso conveniente dalle caratteristiche meccaniche del sistema d'avviamento. In tal caso è sufficiente realizzare il sensore SENS in modo da avere un andamento non lineare del segnale generato dal sensore SENS stesso. Ciò può essere ottenuto attraverso una configurazione non lineare del sensore SENS, ottenuta ad esempio rastremando o sagomando il nucleo su cui è avvolto l'avvolgimento W del sensore SENS stesso.

E' inoltre vantaggioso l'impiego, descritto con riferimento alla presente forma di attuazione, di un segnale, di tipo logico, MAN generato tramite l'interruttore INT di alimentazione del motorino d'avviamento MA. Il segnale MAN è indicativo dell'avvenuta alimentazione del motorino d'avviamento MA e conseguentemente dell'avvenuto completamento della corsa del pignone P. in pratica ciò vuol dire che il nucleo mobile dell'elettromagnete EM è giunto a fine corsa. Il rilevamento di tale condizione è utile in quanto, una volta che il nucleo è giunto a fine corsa, è sufficiente che il dispositivo di controllo mantenga il nucleo mobile nella posizione raggiunta controllando la corrente nell'avvolgimento A, e limitando la dissipazione di potenza nel medesimo, specie in avviamenti prolungati.

Il segnale MAN ha quindi l'effetto di modificare la condizione di funzionamento del dispositivo di controllo e quindi il riferimento dell'unità di controllo UC che in questo caso sarà una velocità nulla. Ciò è vantaggioso in quanto permette di utilizzare elettromagneti EM ad avvolgimento singolo al posto degli elettromagneti a doppio avvolgimento impiegati nella tecnica nota, in cui il secondo avvolgimento interviene a fine corsa con una forza di mantenimento corrispondente ad una corrente (e quindi ad una dissipazione) relativamente bassa.

Come detto in precedenza inoltre il dispositivo secondo l'invenzione può essere configurato in modo da interrompere l'alimentazione dell'elettromagnete EM quando rileva l'avvenuto avviamento del motore termico. Per rilevare tale condizione il dispositivo può impiegare, come anticipato, un sensore PUT atto a rilevare la velocità di rotazione del motore termico. Il dispositivo secondo l'invenzione permette quindi di ottenere numerosi vantaggi di cui il principale è la bassa velocità di impatto del pignone P sulla corona C. Ciò limita conseguentemente la rumorosità e l'usura meccanica di tali componenti migliorando nel complesso affidabilità e durata del sistema di avviamento.

Il dispositivo secondo l'invenzione consente anche la possibilità di automatizzare l'operazione di avviamento con conseguente miglioramento complessivo dell'immagine del prodotto e vantaggi tecnici dovuti ad esempio a riduzione di emissioni causate da falsi avviamen iti possibili con i sistemi secondo la tecnica nota. Il dispositivo secondo l'invenzione permette anche di implementare funzioni di diagnosi del sistema di avviamento, ad esempio sfruttando le informazioni ottenute dal sensore tachimetrico SENS.

Come già detto inoltre il dispositivo secondo l'invenzione permette di semplificare la realizzazione dell'avvolgimento A dell'elettromagnete EM eliminando l'avvolgimento di tenuta, comunemente impiegato per mantenere il nucleo mobile nella sua posizione di fine corsa. Ciò permette una riduzione dei costi dell'elettromagnete EM ed una maggiore insensibilità verso i parametri produttivi grazie anche al fatto che è possibile l'impiego di correnti di tenuta maggiori .

Naturalmente, fermo restando il principio dell'invenzione, i particolari di realizzazione e le forme di attuazione potranno essere ampiamente variate rispetto a quanto descritto ed illustrato, senza per questo uscire dall'ambito della presente invenzione.

Claims (14)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo per il controllo in velocità di un elettromagnete di innesto (EM) atto a determinare l'ingranamento di una prima ruota dentata (P) con una seconda ruota dentata (C) mediante una traslazione di detta prima ruota dentata (P), caratterizzato dal fatto che comprende: - mezzi sensori (CR) atti a generare un segnale (SE) indicativo della velocità di traslazione effettiva di detta prima ruota dentata (P) o dell'elettromagnete (EM), - mezzi di elaborazione (UC), riceventi in ingresso detto segnale (SE) indicativo di detta velocità di traslazione effettiva, ed un segnale (SI) indicativo di una velocità di traslazione di riferimento predeterminata, -mezzi interruttori (DC) , pilotati da detti mezzi di elaborazione (UC), atti a controllare il passaggio di corrente in detto elettromagnete (EM), detti mezzi di elaborazione (UC) essendo configurati in modo da regolare la corrente di alimentazione di detto elettromagnete (EM) in modo da rendere detta velocità di traslazione effettiva sostanzialmente uguale a detta velocità di riferimento predeterminata .
2. 2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti mezzi sensori (CR) comprendono un sensore tachimetrico (SENS) atto a generare un segnale in tensione (SE) indicativo della velocità di traslazione effettiva di un nucleo mobile di detto elettromagnete (EM).
3. 3. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti mezzi sensori (CR) comprendono un sensore (SENS) associato a detto elettromagnete (EM) atto a generare un segnale (DER) indicativo della derivata della corrente passante attraverso detto avvolgimento (A).
4. 4. Dispositivo secondo la rivendicazione 3/ caratterizzato dal fatto che detti mezzi di elaborazione (UC) sono configurati in modo da attuare un controllo di tipo derivativo in base a detto segnale (DER) indicativo della derivata della corrente passante attraverso detto avvolgimento (A).
5. 5. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 4, caratterizzato dal fatto che è configurato in modo a operare in modulazione ad ampiezza di impulsi.
6. 6. Dispositivo secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che comprende un circuito comparatore (AMP) atto a pilotare detti mezzi interruttori (INT) in modulazione ad ampiezza di impulsi.
7. 7. Dispositivo secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detto circuito comparatore (AMP) è un circuito comparatore con isteresi.
8. 8. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 7# caratterizzato dal fatto che detto sensore (SENS) è configurato in modo da generare detto segnale in tensione (SE), indicativo della velocità di traslazione effettiva di detto nucleo mobile di detto elettromagnete (EM), in modo non lineare.
9. 9. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 8, in cui detto elettromagnete (EM) è un elettromagnete di innesto di un motorino di avviamento elettrico (MA) per un motore termico, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di elaborazione (UC) ricevono in ingresso un segnale indicativo dell'avvenuto avviamento di detto motore termico e sono configurati per interrompere l'alimentazione di detto elettromagnete (EM) al verificarsi di tale situazione.
10. 10. Dispositivo secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che detto segnale indicativo dell 'avvenuto avviamento è un segnale indicativo della velocità di rotazione di detto motore termico e detti mezzi di elaborazione (UC) sono configurati in modo da rilevare il superamento di un valore di soglia predeterminato di detta velocità di rotazione.
11. 11. Dispositivo secondo la rivendicazione 9 o la 10, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di elaborazione (UC) ricevono in ingresso un segnale indicativo della temperatura di detto motorino d'avviamento (MA) e sono configurati per interrompere l'alimentazione di detto elettromagnete (EM) quando detta temperatura supera un valore di soglia predeterminato.
12. 12. Dispositivo secondo la rivendicazione 11, caratterizzato dal fatto che detta temperatura viene rilevata mediante un sensore di temperatura associato ad un piatto portaspazzole di detto motorino d'avviamento (MA) .
13. 13. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 12, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di elaborazione (UC) ricevono in ingresso un segnale (MAN) indicativo del raggiungimento di una posizione di fine corsa di detta prima ruota dentata (P) e sono configurati per controllare l'alimentazione di detto elettromagnete (EM) in modo da mantenere detta prima ruota dentata (P) in tale posizione al verificarsi di tale condizione.
14. 14. Dispositivo secondo la rivendicazione 13, caratterizzato dal fatto che detto segnale (MAN) indicativo dell'avvenuto raggiungimento di detta posizione di fine corsa è un segnale indicativo dell'avvenuta alimentazione di detto motorino d'avviamento (MA). Il tutto sostanzialmente come descritto ed illustrato e per gli scopi specificati.