ITUB20159205A1 - Attuatore elettrico lineare. - Google Patents

Description

“ATTUATORE ELETTRICO LINEARE.”

La presente invenzione ha per oggetto un attuatore elettrico lineare.

In particolare la presente invenzione concerne un attuatore elettrico lineare a magneti permanenti.

Nelle applicazioni industriali, le macchine automatiche fanno sempre più uso di attuatori lineari (chiamati anche posizionatori) utilizzanti motori lineari sincroni a magneti permanenti.

In quelle applicazioni dove i valori richiesti di accelerazione, carico e velocità sono elevati, l'attuale tecnologia a motori lineari presenta diverse limitazioni.

I posizionatori, utilizzati per la movimentazione di prodotti e parti di macchina basati su motori elettrici lineari sono realizzati generalmente con due tecnologie note.

Una prima tecnologia, cosiddetta tubolare, prevede uno stelo sostanzialmente costituito da una successione di magneti permanenti di forma cilindrica, posto in movimento in una configurazione meccanica simile a quella di un cilindro pneumatico.

Questa configurazione consente utilmente di disporre di un rotore privo di cavi di collegamento elettrico.

Una seconda tecnologia, detta anche planare, prevede che il motore elettrico lineare sia integrato in una struttura dotata di cuscinetti lineari e viene fatto muovere utilizzando la parte dove sono integrati gli avvolgimenti.

In questo caso si presenta lo svantaggio di dover muovere i cavi di alimentazione degli avvolgimenti del rotore, ponendo pertanto un limite alla vita operativa del sistema, limite legato all’usura da stress agente sui cavi.

Con la prima tipologia realizzativa sopra descritta le forze di spinta normalmente ottenibili sono relativamente basse, in un intervallo di forze nominali compreso tra decine di newton e centinaia di newton, con forze massime di picco fino a migliaia di newton. Questi valori di forza consentono accelerazioni che dipendono strettamente dalla massa dei magneti che sono posti in movimento. In tali sistemi il numero dei magneti cresce proporzionalmente alla corsa richiesta e conseguentemente anche la loro massa cresce. Quindi, a parità di forza del motore, l'accelerazione massima decresce al crescere della corsa, appunto a causa dell'incremento della massa del rotore.

Per quanto riguarda invece la seconda tipologia sopra menzionata, cioè i posizionatori con motori lineari planari, le forze nominali normalmente ottenibili sono comprese in un intervallo di valori che va da centinaia di newton a migliaia di newton, con forze di picco che possono raggiungere anche decine di migliaia di newton. Anche in questi sistemi lineari il limite di utilizzo è costituito dalla massa da accelerare che in questo caso è rappresentata dal primario del motore dove sono inseriti gli avvolgimenti e dalla configurazione a cavi in movimento che ne limita il tempo di vita. Un ulteriore aspetto connesso all'utilizzo di una quantità di magneti proporzionale alla corsa da compiere è quello economico: più elevato è il numero dei magneti che si utilizzano, maggiore sarà il costo complessivo del sistema.

Scopo della presente invenzione è quello di fornire un attuatore elettrico lineare in grado di superare i limiti dei dispositivi noti.

Ulteriore scopo della presente invenzione è quello di fornire un attuatore elettrico lineare di elevate prestazioni ma che sia al contempo di economica realizzazione e di pratico ed efficace utilizzo.

Le caratteristiche tecniche della presente invenzione, secondo i suddetti scopi, sono chiaramente deducibili dal contenuto delle rivendicazioni sotto riportate, in particolare dalla rivendicazione 1 e, preferibilmente, da una qualsiasi rivendicazione dipendente, direttamente o indirettamente, dalla rivendicazione 1.

I vantaggi della presente invenzione risulteranno, inoltre, maggiormente evidenti dalla descrizione dettagliata che segue, la quale è fatta con riferimento ai disegni allegati che rappresentano una forma di realizzazione puramente esemplificativa e non limitativa, in cui:

- la figura 1 illustra, in una vista prospettica schematica dall’alto, una preferita forma realizzativa dell’attuatore elettrico lineare secondo la presente invenzione;

- la figura 2 illustra, in una vista schematica parzialmente esplosa e con alcune parti asportate per meglio evidenziarne altre, l’attuatore elettrico lineare di figura 1;

- la figura 3 illustra, in una vista prospettica schematica dall’alto, una variante realizzativa dell’attuatore elettrico lineare secondo la presente invenzione.

Secondo quanto illustrato in figura 1, con il numero 1 di riferimento è indicata nel suo complesso una preferita forma realizzativa dell’attuatore elettrico lineare in accordo con la presente invenzione.

L’attuatore 1 comprende una struttura 2 di supporto e contenimento a conformazione sostanzialmente scatolare.

La struttura 2 comprende due pareti 3, 4 verticali di estremità ed una pluralità di componenti a sviluppo longitudinale interposti tra tali due pareti 3, 4 verticali d’estremità, i quali componenti saranno ove opportuno meglio descritti nel seguito.

L’attuatore 1 elettrico lineare comprende uno statore 5 cilindrico, avente prevalente sviluppo longitudinale secondo una direzione D determinata. Lo statore 5 comprende al proprio interno un avvolgimento elettrico, non visibile nelle figure allegate.

Preferibilmente l’avvolgimento elettrico dello statore 5 è realizzato in filo di rame.

Lo statore 5 cilindrico è supportato, alle proprie estremità 5a, 5b longitudinali opposte, dalle citate pareti 3, 4 verticali della struttura 2.

Vantaggiosamente, sulle pareti 3, 4 verticali d’estremità sono ricavati rispettivi fori 3f, 4f in cui sono inserite le porzioni 5a, 5b d’estremità dello statore 5.

Lo statore 5 è alimentato elettricamente mediante cavi non illustrati, per generare un rispettivo campo elettro-magnetico.

Secondo quanto meglio illustrato in figura 2, lo statore 5 cilindrico presenta una cavità 6 centrale longitudinale sviluppatesi lungo la citata direzione D determinata.

La cavità 6 centrale è atta a contenere al proprio interno un fluido di raffreddamento.

Secondo una forma realizzativa perfezionata, l’attuatore 1 comprende mezzi, non illustrati, di raffreddamento dello statore 5 i quali sono configurati che generare un flusso di fluido di raffreddamento all’interno della cavità 6 centrale longitudinale.

L’attuatore 1 elettrico lineare comprende un rotore 7, avente conformazione tubolare, calzato sullo statore 5 e scorrevole su di esso lungo la citata direzione D determinata.

Secondo quanto illustrato in figura 2, il rotore 7 presenta un ingombro esterno parallelepipedo ma comprende al suo interno, non illustrati nelle allegate figure, uno o più magneti permanenti a conformazione anulare. I citati e non illustrati magneti permanenti sono atti a cooperare con il campo magnetico generato dal citato avvolgimento elettrico dello statore 5 per causare il movimento del rotore 7 tesso.

L’interazione tra un magnete permanente ed una campo magnetico generato da un avvolgimento elettrico è nota e non sarà pertanto ulteriormente trattata, da un punto di vista fisico, nel corso della presente descrizione.

Tra il rotore 7 e lo statore sono disposti cuscinetti di strisciamento non illustrati.

Vantaggiosamente, i citati e non illustrati cuscinetti di strisciamento sono realizzati in materiale sintetico.

Con riferimento alla figura 2, l’attuatore 1 elettrico comprende una slitta 8 atta al supporto di organi operativi, non illustrati, connessa rigidamente al rotore 7 per muoversi solidalmente ad esso.

Con l'espressione organo operativo si intende un qualsiasi organo che all'interno del contesto in cui è inserito l'attuatore 1 elettrico, ad esempio una macchina automatica, è deputato a muoversi per compiere una determinata operazione.

La citata slitta 8 scorre su due rotaie 9 sviluppantesi parallele tra loro e alla citata direzione D determinata.

Le rotaie 9 si estendono longitudinalmente tra le citate due pareti 3, 4 verticali d’estremità, lateralmente allo statore 5, da bande opposte dello stesso.

Secondo quanto visibile in figura 2, tra la slitta 8 e le rotaie 9 sono interposti pattini 10 atti a facilitare lo scorrimento della slitta 8 stessa.

Vantaggiosamente, i pattini 10 sono del tipo a ricircolo di sfere.

I pattini 10 di ciascuna rotaia 9 sono tra loro collegati da una rispettiva piastra 11.

La slitta 8 è connessa bilateralmente a tali piastre 11.

Con particolare riferimento alla figura 2, l’attuatore 1 comprende due pareti 12, 13 laterali, estendentisi longitudinalmente secondo la direzione D determinata perpendicolari alle citate pareti 12, 13 d’estremità e tra esse contenute.

Sulla parete 12 laterale è ricavata una finestra 14 avente sviluppo longitudinale tra le due pareti 3, 4 verticali d’estremità.

L’attuatore 1 elettrico lineare comprende un encoder atto a rilevare istantaneamente la posizione del rotore lungo la direzione D determinata. L’attuatore 1 elettrico lineare comprende inoltre un’unità elettronica di controllo e comando, di tipo sostanzialmente noto, non illustrata nelle figure né ulteriormente descritta, operativamente connessa al citato encoder e configurata per gestire il movimento del rotore 7 rispetto allo statore 5 lungo la direzione D determinata.

Il citato encoder comprende una pluralità di primi primi sensori 15 magnetici disposti in successione lungo la direzione D determinata.

Vantaggiosamente tali primi primi sensori 15 magnetici sono sensori ad effetto Hall.

Il citato e non illustrato encoder comprende inoltre un elemento 16 magnetico mobile solidalmente al rotore 7 lungo la direzione D determinata.

L’elemento 16 magnetico è configurato per interfacciarsi operativamente con i citati primi primi sensori 15 magnetici secondo modalità meglio descritte nel seguito.

Secondo quanto illustrato nelle figure 1 e 2, dalla piastra 11 emerge, inferiormente a sbalzo, una staffa 17 la quale supporta il citato elemento 16 magnetico.

Vantaggiosamente, secondo la forma realizzativa illustrata, l’elemento 16 magnetico comprende un magnete permanente.

Il magnete permanente dell’elemento 16 è vantaggiosamente polarizzato longitudinalmente secondo la direzione D determinata.

L’elemento 16 magnetico si affaccia sulla citata finestra 14 durante tutta la sua corsa, solidale alla slitta 8, lungo la direzione D determinata.

Preferibilmente la citata pluralità di primi sensori 15 magnetici è di tipo modulare.

In dettaglio, secondo quanto illustrato nelle figure 1 e 2, ciascun modulo 18 comprende vantaggiosamente una coppia di primi sensori 15 magnetici.

I moduli 18 sono disposti tra loro in successione ordinata lungo la direzione D determinata a distanza regolare predeterminata l'uno dall'altro. Secondo la preferita forma realizzativa illustrata, l’encoder comprende una scheda 19 elettronica di supporto di tali moduli 18.

La scheda 19 elettronica che supporta i moduli 18 si sviluppa anch’essa longitudinalmente secondo la direzione D determinata ed è disposta in corrispondenza della citata finestra 14 in modo che l’elemento 16 magnetico si affacci sui moduli 18 durante la sua corsa, solidale alla slitta 8, lungo la direzione D determinata.

I primi sensori 15 magnetici dei moduli 18 sono pertanto fissi rispetto allo statore 5.

L’elemento 16 magnetico è invece mobile solidalmente al rotore 7 lungo la direzione D determinata, in modo da interfacciarsi operativamente con i primi sensori 15 magnetici dell’encoder.

In uso, a seguito dell’alimentazione elettrica dello statore 5, gestita dalla citata unità elettronica di controllo e comando, il rotore 7 si muove lungo la direzione D determinata.

Durante il movimento lineare del rotore 7 lungo lo statore 5 sul quale è calzato, i primi sensori 15 magnetici dei moduli 18 distribuiti lungo la scheda 19 elettronica, rilevano la presenza dell’elemento 16 magnetico, supportato dalla staffa 17 in modo solidale al rotore 7.

Nel suo movimento solidale al rotore 7, l’elemento 16 magnetico fronteggia la scheda 19 elettronica avente sviluppo longitudinale approssimativamente coincidente con la corsa del rotore 7, la quale scheda 19 elettronica monta, come detto, la citata pluralità di primi sensori 15 magnetici.

II segnale emesso dai primi sensori 15 magnetici è un segnale continuo, sinusoidale (da uno dei due primi sensori 15 di ciascun modulo 18) e cosinusoidale (dall’altro dei due sensori di ciascun modulo 18) che fornisce la posizione dell’elemento 16 magnetico rispetto ad un asse dello statore 5.

La presenza dei due segnali sinusoidale e cosinusoidale è opportuna ed atta ad indicare il verso del moto del rotore 7 e quindi della slitta 8 ad esso solidale.

I primi sensori 15 magnetici sono tra loro sfasati di 1⁄4 di periodo.

Vantaggiosamente, i primi sensori 15 magnetici, che nella preferita forma realizzativa illustrata sono sensori ad effetto Hall, generano direttamente un segnale di posizione che non necessita di elaborazione digitale.

In altre parole, i segnali di posizione sinusoidale e cosinusoidale emessi dai primi sensori 15 magnetici dei moduli 18 possono raggiungere direttamente l’unità elettronica di controllo e comando.

A differenza di sistemi noti in cui una banda magnetica si sviluppa lungo la corsa del rotore ed un sensore magnetico è posto in movimento solidalmente al rotore, nell’attuatori 1 secondo l’invenzione si misura il campo magnetico (del magnete permanente compreso nell’elemento 16 magnetico) mediante i primi sensori 15 con una lettura diretta e non l’alterazione indotta sul campo elettromagnetico dal passaggio del magnete, circostanza questa che comporta corpose complicazioni costruttive.

II segnale di posizione, cioè quello ricavato dai primi sensori 15 magnetici, può andare direttamente all’elettronica di controllo del motore elettrico, senza necessità di elaborazione e traduzione del segnale.

Costruttivamente, la scheda 19 elettronica che supporta i moduli 18 dei primi sensori 15 magnetici è realizzata in un pezzo unico o, in alternativa, modulare con una pluralità di separati moduli 18 affiancati, in funzione della lunghezza della corsa definita per il rotore 7.

Con riferimento alla figura 3, in essa è illustrata, indicata con 1’, una variante realizzativa dell’attuatore elettrico secondo la presente invenzione, dotata di due slitte 8’ e 8”.

Saranno nel seguito evidenziati unicamente gli aspetti di differenziazione della variante di figura 3 rispetto a quanto sopra descritto con riferimento all’attuatore 1 elettrico di cui alle figure 1 e 2.

Le due slitte 8’, 8” scorrono entrambe sulle medesime due rotaie 9 sviluppantesi parallele tra loro e alla citata direzione D determinata.

L’attuatore 1’ elettrico comprende, per ciascuna slitta 8’, 8”, un rispettivo statore 5 ed un rispettivo rotore 7.

Con riferimento alla forma realizzativa 1 ’ dell’attuatore illustrata in figura 3, in cui sono presenti due statori 5 e due rispettivi rotori 7, il segnale emesso dai primi sensori 15 magnetici è un segnale continuo, sinusoidale (dall’uno dei due primi sensori 15 di ciascun modulo 18) e cosinusoidale (dall’altro dei due sensori di ciascun modulo 18) che fornisce la posizione dell’elemento 16 magnetico rispetto ad un asse dello statore 5.

A differenza di quanto sopra descritto con riferimento alla forma realizzativa ad un solo rotore, nel caso di attuatore 1’ a più rotori il segnale emesso dai primi sensori 15 magnetici è convertito in forma digitale.

Una volta convertito in forma digitale, tale segnale rappresentativo della posizione del rotore 7 è trasmesso attraverso un bus di comunicazione, non illustrato, preferibilmente di tipo veloce e “real-time” alla citata e non illustrata unità elettronica di controllo e comando.

Sempre con riferimento alla figura 3, per ciascuna slitta 8’, 8”, la staffa 17 supporta il citato elemento 16 magnetico e, inferiormente ad esso, un magnete 20 cilindrico polarizzato radialmente.

Vantaggiosamente, secondo la forma realizzativa illustrata, il magnete 20 cilindrico è un magnete permanente.

Ciascun magnete 20 cilindrico è ruotato di un angolo differente in modo da rendere riconoscibile la singola slitta 8’, 8”.

Il magnete 20 cilindrico si affaccia su una pluralità di secondi sensori 21, disposti longitudinalmente in successione secondo la direzione D determinata.

I secondi sensori 21 sono sensori magnetici ad effetto Hall di tipo angolare, atti a riconoscere il peculiare angolo di montaggio di ciascun magnete 20, così da identificare la slitta 8’, 8” sulla quale ciascun magnete 20 è montato.

I secondi sensori 21 emettono un rispettivo segnale angolare digitale rappresentativo di ciascun magnete 20, il quale segnale 7 è trasmesso attraverso il citato e non illustrato bus di comunicazione, all’unità elettronica di controllo e comando.

Secondo varianti realizzative non illustrate dell’attuatore secondo la presente invenzione, uno o più statori 5 presentano sviluppo curvilineo, così da determinare un corrispondente percorso curvilineo del rispettivo o rispettivi rotori 7.

L’invenzione consegue importanti vantaggi.

Rispetto agli attuatori noti utilizzanti un rotore a sviluppo longitudinale, in forma di stelo, la struttura di attuatore 1 secondo l'invenzione dotata del rotore 7 a conformazione tubolare, esterno allo statore 5, e quindi molto meno sviluppato longitudinalmente, consente di limitare utilmente il peso del rotore stesso, con ciò incrementando le prestazioni dinamiche dell’attuatore 1, essenzialmente in termini di accelerazione.

Ulteriore vantaggio connesso all’architettura dell’attuatore 1 secondo l’invenzione è di ordine economico in quanto il corpo a maggiore sviluppo longitudinale, cioè lo statore 5, è dotato di avvolgimenti elettrici, mentre il corpo a minore sviluppo longitudinale, cioè il rotore 7, comprende magneti permanenti, molto più costosi degli avvolgimenti elettrici a parità di lunghezza.

Infatti il numero di magneti permanenti richiesto per realizzare un rotore in forma di stelo è sicuramente superiore dovendo gli stessi magneti coprire almeno tutta la corsa del rotore stesso.

Ulteriore vantaggio connesso all’architettura dell’attuatore 1 secondo l’invenzione è costituito dall’ingombro totale durante il funzionamento; la corsa del rotore 7 non eccede dall’ingombro dello statore 5 diversamente da quanto avviene normalmente con un rotore in forma di stelo.

Un ulteriore vantaggio dell’attuatore 1 secondo l’Invenzione è dato dal fatto che le parti in movimento, cioè sia il rotore 7 che l’elemento 16 magnetico dell’encoder non necessitano di alcun collegamento elettrico. Infatti, grazie al fatto che le parti in movimento comprendono magneti permanenti non sono richiesti cavi di alimentazione i quali, sottoposti a ripetuti continui movimenti presentano una vita utile limitata.

Claims (12)

1. RIVENDICAZIONI 1. Attuatore elettrico lineare, comprendente - uno statore (5) cilindrico, avente prevalente sviluppo longitudinale secondo una direzione (D) determinata e comprendente un avvolgimento elettrico, - un rotore (7) a conformazione tubolare, calzato su detto statore (5) e scorrevole su di esso lungo detta direzione (D) determinata, detto rotore (7) comprendendo magneti permanenti atti a cooperare con un campo magnetico generato da detto avvolgimento elettrico dello statore (5) per causare il movimento del rotore (7) stesso, - un encoder configurato per rilevare istantaneamente la posizione di detto rotore (7) lungo detta direzione determinata, detto encoder comprendendo una pluralità di primi sensori (15) magnetici disposti in successione lungo detta direzione (D) determinata, - un’unità elettronica di controllo e comando, operativamente connessa a detto encoder e configurata per gestire il movimento di detto rotore (7) rispetto a detto statore (5) lungo detta direzione (D) determinata.
2. 2. Attuatore elettrico secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti primi sensori (15) magnetici sono fissi rispetto a detto statore (5).
3. 3. Attuatore elettrico secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto encoder comprende un elemento (16) magnetico mobile solidalmente a detto rotore (7) lungo detta direzione (D) determinata, detto elemento (16) magnetico essendo configurato per interfacci arsi operativamente con detti primi sensori (15).
4. 4. Attuatore elettrico secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detto elemento (16) magnetico mobile solidalmente a detto rotore (7) comprende un magnete permanente.
5. 5. Attuatore elettrico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 3 e 4, caratterizzato dal fatto che detti primi sensori (15) magnetici sono configurati per generare un segnale variabile continuo al passaggio di detto elemento (16) magnetico.
6. 6. Attuatore elettrico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta pluralità di primi sensori (15) magnetici comprende una successione di moduli (18), ciascun modulo (18) comprendendo almeno due sensori (15) dei quali un primo sensore è configurato per generare un segnale sinusoidale ed un secondo sensore è configurato per generare un segnale cosinusoidale, detti due segnali essendo sfalsati di un quarto di periodo.
7. 7. Attuatore elettrico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti primi sensori (15) magnetici sono sensori ad effetto Hall.
8. 8. Attuatore elettrico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto di comprendere in successione due o più di detti statori (5) cilindrici.
9. 9. Attuatore elettrico secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che almeno uno di detti statori (5) di detta successione presenta sviluppo curvilineo.
10. 10. Attuatore elettrico secondo la rivendicazione 8 o 9, caratterizzato dal fatto di comprendere una pluralità di rotori (7) scorrevoli lungo detti statori (5) di detta successione.
11. 11. Attuatore elettrico secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che ciascuno di detti rotori (7) comprende un rispettivo magnete (20) permanente polarizzato radialmente montato con differente angolazione e dal fatto di comprendere una pluralità di secondi sensori (21) magnetici, disposti longitudinalmente in successione secondo detta direzione (D) determinata e configurati per identificare ciascuno di detti magneti (20) permanenti.
12. 12. Attuatore elettrico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto statore (5) cilindrico presenta una cavità (6) centrale longitudinale, caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi di raffreddamento di detto statore (5), detti mezzi di raffreddamento essendo configurati per generare un flusso di fluido di raffreddamento all'interno di detta cavità (6) centrale longitudinale