ITUD20010208A1 - Motore lineare e procedimento di fabbricazione di tale motore lineare - Google Patents

Description

Descrizione del trovato avente per titolo:

"MOTORE LINEARE E PROCEDIMENTO DI FABBRICAZIONE DI TALE MOTORE LINEARE"

CAMPO DI APPLICAZIONE

Il presente trovato si riferisce ad un motore lineare di tipo "brushless" sincrono con eccitazione a magneti permanenti.

In particolare, il trovato si riferisce ad un motore lineare del tipo comprendente un'armatura, slitta o cursore mobile, dotata di una pluralità di vani entro i quali sono stabilmente alloggiate rispettive bobine elettriche, ed una barra fissa su cui sono montati una pluralità di magneti permanenti disposti, in uso, affacciati a tali bobine elettriche.

Tale armatura mobile del motore è realizzata in alluminio, o sue leghe, oppure in materiale ceramico, ed è predisposta per alloggiare anche una barra ferromagnetica che coopera con le bobine per la chiusura del circuito magnetico.

Il trovato si riferisce anche ad un procedimento di fabbricazione di tale motore lineare.

STATO DELLA TECNICA

Motori elettrici lineari brushless sincroni del tipo generale sopra individuato sono noti nella tecnica. Tali motori comprendono una parte mobile che normalmente è costituita da un'armatura o intelaiatura sulla quale sono ricavati dei vani di alloggiamento, normalmente equidistanti tra loro, entro i quali vengono inserite e bloccate bobine elettriche associate a mezzi di alimentazione.

In posizione affacciata ad almeno un lato di tale armatura è presente una relativa barra fissa, normalmente realizzata in materiale ferromagnetico, sulla quale sono montati una pluralità di magneti permanenti, disposti allineati e solitamente equidistanti tra loro nella direzione del moto dell'armatura che porta le bobine elettriche. Tali magneti presentano polarità alternate fra loro.

In altre soluzioni realizzative, il motore può presentare la parte fissa comprendente le bobine elettriche e la parte mobile comprendente i magneti permanenti.

L'armatura in cui sono alloggiate le bobine e la barra ferromagnetica su cui sono montati i magneti sono fra loro separate da un intervano d'aria.

Il principio di funzionamento dei motori lineari di questo tipo sfrutta la forza repulsiva che sì crea invertendo sequenzialmente il senso di circolazione della corrente elettrica circolante in una bobina ogni volta che tale bobina si sposta da una posizione affacciata ad un magnete con una certa polarità, ad esempio, positiva, ad una posizione affacciata ad un magnete con polarità negativa.

Nei motori della tecnica nota le bobine vengono annegate in un materiale isolante, ad esempio resina, all'interno del rispettivo vano di alloggiamento dell'armatura, e vengono cementate in forno tramite un processo a caldo che determina l'attivazione (scioglimento) della resina e la sua penetrazione fra le spire della bobina. La presenza di tale materiale isolante è necessaria per eliminare fenomeni di attrito magnetico fra bobine adiacenti che determinano un peggioramento delle prestazioni del motore.

II materiale isolante, consolidatosi tra le spire della bobina, funge anche da supporto meccanico per l'alloggiamento stabile delle bobine nei relativi vani dell'armatura, al fine di garantire un posizionamento preciso rispetto ai magneti fissi.

Tuttavia, si è riscontrato che l'utilizzo di un processo di cementazione a caldo di materiale isolante determina una scarsa rigidità meccanica per la presenza di interstizi fra le spire che non vengono completamente riempiti, in particolare nel vano interno delle bobine. Utilizzando il motore in condizioni di frequenza elevata, a lungo andare si creano sollecitazioni meccaniche sulla bobina che portano ad un allentamento delle spire ed alla loro esposizione all'ambiente, con ripercussioni negative sulla funzionalità e sull'efficienza del motore.

La presenza di interstizi fra le spire determina un peggioramento delle condizioni di interazione dei campi magnetici prodotti rispettivamente dalla circolazione della corrente nelle bobine e dai magneti permanenti, con riduzione del valore della forza repulsiva che determina l'azionamento del motore.

Inoltre, la presenza di materiale isolante con funzione di supporto meccanico delle bobine determina una bassa capacità di dissipazione termica del calore generato per effetto Joule, con conseguenti problemi di surriscaldamento dell'armatura delle bobine.

Il Richiedente, per risolvere tali inconvenienti della tecnica nota ed ottenere ulteriori vantaggi, ha progettato e realizzato il presente trovato.

ESPOSIZIONE DEL TROVATO

Il presente trovato è espresso e caratterizzato essenzialmente nelle rispettive rivendicazioni principali. Altre caratteristiche innovative del trovato sono espresse nelle rivendicazioni secondarie. Scopo del trovato è quello di realizzare un motore lineare "brushless" di tipo sincrono, con magneti permanenti, che presenti caratteristiche migliorate di resistenza meccanica alle sollecitazioni, dissipazione termica, stabilità strutturale delle spire inglobate nell'armatura ingombri complessivi ridotti efficienza e rapidità di risposta.

Altro scopo è ottenere un motore lineare di basso costo e di basso peso che garantisca comunque una forza motrice sufficientemente elevata sostanzialmente per tutte le applicazioni in cui può essere utilizzato.

In accordo con tali scopi, secondo una prima caratteristica, il motore lineare del presente trovato comprende un'armatura strutturale realizzata prevalentemente in alluminio, o sue leghe, nella quale vengono ricavati i vani per l'alloggiamento stabile di una pluralità di coniugate bobine associate a mezzi di alimentazione elettrica ed allineate sostanzialmente lungo la direzione del moto.

Secondo un'altra caratteristica, tale armatura strutturale realizzata prevalentemente in materiale ceramico.

L'utilizzo di un'armatura strutturale prevalentemente in alluminio, o sue leghe, oppure in materiale ceramico, permette di garantire, pur mantenendo ridotto il peso complessivo, un'elevata rigidità meccanica anche in condizioni di forti sollecitazioni, ad esempio derivanti da un utilizzo prolungato del motore ad alta frequenza.

Inoltre, tale armatura strutturale in alluminio o ceramica assicura un'alta capacità di dissipazione del calore che previene possibili surriscaldamenti derivanti da una circolazione prolungata di corrente elettrica nelle spire delle bobine.

II motore lineare secondo il trovato comprende inoltre una sola barra fissa su cui sono montati, in posizione affacciata alle bobine dell'armatura mobile, una pluralità di magneti permanenti opportunamente distanziati fra loro e con polarità reciprocamente alternata.

La presenza di una sola barra fissa di magneti permette un notevole risparmio in termini di costo e peso del motore, e notevoli vantaggi in termini di miglior dissipazione termica. La forza motrice complessiva si riduce leggermente rispetto ad un motore tradizionale con due file di magneti, ma rimane comunque sufficientemente elevata sostanzialmente per tutti i casi di possibile applicazione.

Posteriormente alle bobine, rispetto al loro lato affacciato ai magneti, sull'armatura è montata una barra in materiale ferromagnetico tramite la quale si chiude il circuito magnetico instaurato tra le bobine ed i magneti.

Secondo un'altra caratteristica del trovato, tale armatura strutturale in alluminio, o ceramica, presenta, in cooperazione con almeno un tratto del perimetro circostante a detti vani di alloggiamento delle bobine, delle interruzioni che definiscono discontinuità elettriche atte ad evitare che il circuito elettrico si chiuda sull'armatura stessa.

In una prima soluzione, tali interruzioni o discontinuità sono realizzate su un tratto laterale dell'armatura che separa due vani di alloggiamento adiacenti di relative bobine. Secondo un'altra soluzione, tali interruzioni o discontinuità sono realizzate in cooperazione con un tratto superiore, o inferiore, del relativa vano di alloggiamento.

Secondo una realizzazione preferenziale del trovato, l'armatura strutturale in alluminio o ceramica che definisce i vani di alloggiamento delle bobine comprende almeno un modulo atto a definire fessure di colaggio entro i quali viene versato un materiale isolante allo stato liquido o fuso, ad esempio resina polimerizzabile od altro materiale ad essa assimilabile.

Durante il colaggio, tale materiale isolante si insinua in profondità fino a riempire tutti gli interstizi fra le spire delle bobine, ed anche il vano interno delle bobine stesse. La resina, mediante polimerizzazione, si indurisce e si stabilizza, andando a formare un insieme stabile con le relative bobine; tale insieme garantisce assoluta stabilità meccanica, isolamento elettrico, buona capacità di dissipazione termica ed assenza di vuoti di conduzione elettrica.

Secondo una variante, su un piano trasversale al senso di avanzamento dell'armatura mobile, il motore comprende due, o multipli di due, bobine affiancate e sostanzialmente parallele, realizzate tramite un unico avvolgimento continuo.

Utilizzando un unico avvolgimento per formare due bobine affiancate, le due estremità del conduttore, collegate alla sorgente di alimentazione per formare il circuito elettrico, escono sempre dalla periferia esterna, rispettivamente di una e dell'altra bobina, rimanendo contenute all'interno dell'ingombro laterale della bobina stessa. Con tale configurazione non si formano quindi ispessimenti laterali dovuti all'estremità del conduttore uscente dall'armatura, i quali ispessimenti possono compromettere un efficace riempimento dei vuoti da parte del materiale isolante e creare quindi problemi di corretta conduzione elettrica, di dissipazione termica e di stabilità meccanica.

In una soluzione preferenziale, l'armatura comprende almeno un modulo, assimilabile dal punto di vista elettrico ad una bobina unica, configurato dimensionalmente in modo da contenere due, o multipli di due, bobine, o coppie di bobine, disposte allineate nella direzione del moto.

Secondo una variante, il modulo è predisposto per contenere tre, o multipli di tre, bobine o coppie di bobine disposte allineate nella direzione del moto. Tale modulo presenta una dimensione, nella direzione del moto, tale da coprire un numero pari di magneti sì che, durante il movimento della parte mobile del motore, il segno del magnete che viene lasciato è sempre uguale al segno del magnete nuovo che viene coperto dall'armatura che porta le bobine. In questo modo, le correnti indotte che si generano tra magneti adiacenti e che si chiudono sull'armatura metallica si annullano tra loro e non vanno quindi ad opporsi, o comunque a creare interferenze, con il moto e/o il rendimento del motore.

ILLUSTRAZIONE DEI DISEGNI

Queste ed altre caratteristiche del presente trovato saranno chiare dalla seguente descrizione di una forma preferenziale di realizzazione, fornita a titolo esemplificativo, non limitativo, con riferimento agli annessi disegni in cui:

- la fig. 1 illustra una vista in pianta di un motore lineare secondo il presente trovato;

- la fig. 2 illustra una sezione parziale secondo A-A di fig. 1;

- la fig. 3 un particolare dell'armatura porta-bobine del motore lineare di fig. 1;

- la fig. 4 illustra una vista frontale di una bobina utilizzata nel motore lineare di fig. 1; - la fig. 5 illustra una sezione trasversale della bobina di fig. 4;

- la fig. 6 illustra una vista prospettica di due bobine elettricamente collegate come utilizzate nel motore lineare di fig. 1.

DESCRIZIONE DI UNA FORMA DI REALIZZAZIONE

PREFERENZIALE DEL TROVATO

Con riferimento alle figure allegate, un motore lineare sincrono brushless secondo il presente trovato è indicato generalmente con il numero di riferimento 10. Esso comprende una parte fissa 11 che, nel caso di specie, comprende una barra 22, realizzata in materiale ferromagnetico, sulla quale sono montati, sostanzialmente equidistanti fra loro e con polarità reciprocamente alternata, una pluralità di magneti permanenti 12.

II motore 10 comprende inoltre una parte mobile 13, disposta affacciata alla barra 22, costituita da un'intelaiatura o armatura 14 realizzata prevalentemente in alluminio, o sue leghe, o in materiale ceramico.

L'armatura 14 è predisposta per definire una pluralità di vani di alloggiamento 15 per coniugate bobine elettriche 16. Nel caso di specie, i vani di alloggiamento 15 presentano forma sostanzialmente quadrangolare con tratti laterali rettilinei e tratti inferiore e superiore curvilinei.

L'utilizzo di alluminio, o sue leghe, o materiale ceramico, come materiale per l'armatura 14 garantisce peso ridotto, elevata rigidità meccanica, buona capacità di dissipazione termica e buona conducibilità elettrica .

Nel caso di specie, l'armatura 14 è realizzata ih moduli comprendenti ciascuno tre bobine 16 disposte allineate lungo la direzione del moto.

Le bobine 16 sono realizzate (fig. 4) con un conduttore 17 avvolto in modo continuo.

Secondo la variante di fig. 6, trasversalmente alla direzione del moto sono disposte due bobine, 16a e 16b, parallele fra loro e realizzate con un unico avvolgimento continuo.

La prima bobina 16a viene formata avvolgendo il conduttore 17, a partire da una prima estremità 17a collegata ad una sorgente di alimentazione, con andamento dall'esterno verso l'interno della bobina. La seconda bobina 16b viene invece formata avvolgendo il conduttore 17 con andamento dall'interno all'esterno, sì che la seconda estremità 17b collegata alla sorgente di alimentazione si trova anch'essa, come la prima 17a, sulla periferia esterna della relativa bobina.

Grazie a guesta configurazione a doppia bobina 16a e 16b affiancata, le due estremità 17a e 17b che fuoriescono dall'armatura 14 rimangono contenute nell'ingombro laterale della relativa bobina, rispettivamente 16a e 16b; non si creano quindi ispessimenti sui lati che possono causare spazi vuoti ed interstizi che pregiudicano la conduzione elettrica ed indeboliscono la rigidità meccanica dell'insieme. Inoltre, viene ottimizzato il valore del traferro.

Dopo l'inserimento ed il montaggio delle bobine 16 nei rispettivi vani di alloggiamento 15, un materiale isolante e legante, ad esempio resina 20, viene colato in fessure 19 ricavate in corrispondenza di parte del perimetro dell'armatura 14.

Secondo il trovato, pertanto, l'armatura 14 ha funzione di stampo per il colaggio della resina fusa 20, la quale si insinua negli interstizi fra le spire delle relative bobine 16, andando a riempire tutti i vuoti e le fessure presenti tra spire ed armatura 14 ed il vano interno delle bobine.

Quando la resina 20 polimerizza e si stabilizza chimicamente, essa va a costituire un blocco unico con le relative bobine 16 formando un insieme conduttivo che si comporta, nei confronti dei magneti permanenti 12, sostanzialmente come un'unica spira.

L'ottenimento di tale blocco unico senza interstizi e vuoti garantisce una notevole rigidità meccanica che permette un utilizzo prolungato del motore anche ad alte frequenze, senza rischi di cedimenti ed allentamenti. Inoltre, viene limitato al minimo, od anche totalmente evitato, l' assorbimento ed il contatto del conduttore 17 con materiale contaminante quale acqua, olio, polvere od altro.

All'armatura 14 che porta le bobine 16 è associata, posteriormente rispetto alla posizione dei magneti 12, una barra 18 in materiale ferromagnetico sulla quale si chiude il circuito magnetico instaurato tra bobine 16 e magneti 12. Tale barra 18 è opportunamente sagomata sulle testate per ridurre al minimo l'effetto riluttanza con lunghezza pari o multiplo del passo polare più 2/3 di 1/2 passo ed inclinazione di circa 150°.

La parte mobile 13 comprende inoltre, dietro alla barra 18, un supporto 25, vantaggiosamente realizzato anch'esso in alluminio o sue leghe, od in materiale ceramico, ancorato all'armatura 14.

Il supporto 25 coopera alle estremità con angolari di chiusura 26, realizzati nel caso di specie in fibra sintetica.

Per evitare che la corrente elettrica si chiuda interamente sull'armatura 14, vengono previste aperture od interruzioni di discontinuità elettrica in posizione circostante ai relative vani di alloggiamento 15 delle bobine 16. In fase di resinatura, anche tali aperture di discontinuità elettrica 21 si riempiono completamente con la resina 20.

Nella soluzione illustrata in fig. 1, le aperture di discontinuità 21 sono ricavate sui tratti laterali dei vani di alloggiamento 15 mentre, in una variante, tali aperture sono ricavate sul tratto superiore del relativa vano 15. In cooperazione con la parte inferiore dell'armatura 14 è presente un canale 23 che permette la fuoriuscita delle estremità dei conduttori di ciascuna delle bobine 16, le quali vengono unite tramite un connettore 24 che si collega ad una sorgente di alimentazione, qui non illustrata.

In una realizzazione del trovato, la dimensione longitudinale dell'armatura 14, e quindi della barra 18 e del supporto 25, è tale da coprire, in uso, un numero pari di magneti permanenti 12, nel caso di specie quattro; in questo modo, la polarità del nuovo magnete 12 che si affaccia alle bobine 16a, 16b durante il movimento della parte mobile 13 è uguale alla polarità del magnete 12 che rimane scoperto dopo il movimento di tale parte 13.

Tale configurazione geometrica è vantaggiosa dal punto di vista elettrico in quanto porta all'annullamento di correnti elettriche parassite che si chiudono tra magnete e magnete utilizzando l'armatura 14 come circuito elettrico.

In un'ulteriore forma di realizzazione, l'armatura 14 è realizzata in modo tale che la distanza "p" fra due vani 15 adiacenti longitudinalmente sia pari, od inferiore, alla distanza fra due magneti permanenti 12 adiacenti. In questo modo, la parte metallica di armatura 14 compresa fra due bobine 16 adiacenti non funge da ulteriore spira, andando ad interferire con il corretto funzionamento del motore elettrico 10.

E' ovvio comunque che al motore lineare ad induzione 10 ed al suo procedimento di produzione fin qui descritti possono essere apportate modifiche e/o aggiunte di parti, senza per questo uscire dall'ambito del presente trovato.

Ad esempio, l'armatura 14 portante le bobine 16 potrebbe essere fissa mentre le barre 22 con i magneti permanenti 12 potrebbero essere mobile. E' inoltre nello spirito del trovato che l'armatura 14 comprenda più moduli con un numero diverso da tre di bobine 16 allineate longitudinalmente.

Rientra ancora nell'ambito del trovato che lo sviluppo longitudinale dell'armatura 14 copra due, sei o più magneti permanenti 12, oppure che l'armatura comprenda parti, ad esempio esterne, non realizzate completamente in alluminio o ceramica.

II materiale isolante e legante utilizzato per stabilizzare ed isolare elettricamente le bobine 16 potrebbe essere diverso dalla resina purché avente sostanzialmente le stesse caratteristiche fisicochimiche .

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI 1 - Motore lineare comprendente un'armatura dotata di una pluralità di vani (15) entro i quali sono stabilmente alloggiate rispettive bobine elettriche (16), ed una barra fissa (22), cooperante con un lato di detta armatura, sulla quale sono montati una pluralità di magneti permanenti (12) disposti, in uso, affacciati a dette bobine elettriche (16), caratterizzato dal fatto che detta armatura (14) è realizzata prevalentemente in alluminio, o sue leghe. 2 - Motore lineare comprendente un'armatura dotata di una pluralità di vani (15) entro le quali sono stabilmente alloggiate rispettive bobine elettriche (16), ed una barra fissa (22), cooperante con un lato di detta armatura, sulla quale sono montati una pluralità di magneti permanenti (12) disposti, in uso, affacciati a dette bobine elettriche (16), caratterizzato dal fatto che detta armatura (14) è realizzata prevalentemente in materiale ceramico. 3 - Motore lineare come alla rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che detta armatura (14) comprende, almeno in cooperazione con il perimetro di detti vani di alloggiamento (15) delle bobine (16), interruzioni (21) definenti zone di discontinuità elettrica . 4 - Motore lineare come alla rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che dette interruzioni (21) sono ricavate su almeno un tratto laterale di un relativo vano di alloggiamento (15). 5 - Motore lineare come alla rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che dette interruzioni (21) sono ricavate su almeno un tratto superiore, od inferiore, di un relativo vano di alloggiamento (15). 6 - Motore lineare come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta armatura (14) è atta a cooperare, in posizione posteriore a dette bobine (16) rispetto alla posizione di detti magneti permanenti (12), almeno una barra (18) in materiale ferromagnetico sulla quale si chiude il circuito magnetico instaurato tra dette bobine (16) e detti magneti permanenti (12). 7 - Motore lineare come alla rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che comprende una piastra di supporto (25) associata posteriormente a detta barra (18) in materiale ferromagnetico. 8 - Motore lineare come alla rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che detta piastra di supporto (25) è realizzata in alluminio o sue leghe. 9 - Motore lineare come alla rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che detta piastra di supporto (25) è realizzata in materiale ceramico. 10 - Motore lineare come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta armatura (14) è atta a definire fessure di colaggio (19) di un materiale isolante allo stato liquido o fuso. 11 - Motore lineare come alla rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che detto materiale isolante è una resina polimerizzabile. 12 - Motore lineare come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che le bobine (16) sono ottenute mediante avvolgimento sostanzialmente continuo di un conduttore (17). 13 - Motore lineare come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta armatura (14) è atta a contenere due, o multipli di due, bobine (16a, 16b) affiancate su un piano trasversale alla direzione di movimento ed ottenute mediante avvolgimento sostanzialmente continuo di un conduttore (17). 14 - Motore lineare come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta armatura (14) comprende almeno un modulo atto a definire una pluralità di vani di alloggiamento (15) per rispettive bobine (16) allineate nella direzione del movimento, lo sviluppo longitudinale di detto modulo essendo tale da coprire un numero pari di magneti permanenti (12). 15 - Motore lineare come alla rivendicazione 14, caratterizzato dal fatto che detto modulo comprende un numero di bobine (16) pari a due o multipli di due. 16 - Motore lineare come alla rivendicazione 14, caratterizzato dal fatto che detto modulo comprende un numero di bobine (16) pari a tre o multipli di tre. 17 - Motore lineare come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la distanza "p" fra due vani di alloggiamento (15) adiacenti è pari od inferiore alla distanza fra due magneti permanenti (12) adiacenti. 18 - Procedimento per fabbricare un motore elettrico del tipo comprendente un'armatura dotata di una pluralità di vani (15) entro i guali sono stabilmente alloggiate rispettive bobine elettriche (16), ed una barra fissa (22), cooperante con un lato di detta armatura, sulla guale sono montati una pluralità di magneti permanenti (12) disposti, in uso, affacciati a dette bobine elettriche (16), caratterizzato dal fatto che per realizzare detta armatura (14) viene utilizzato un corpo realizzato prevalentemente in alluminio, o sue leghe, o in materiale ceramico, detto corpo essendo atto a definire una pluralità di vani di alloggiamento (15) per rispettive bobine (16), un materiale isolante e legante (20), quale una resina polimerizzabile, venendo poi colato allo stato liquido o fuso in fessure (19) definite sul perimetro di detta armatura (14) la quale funge così da stampo per il colaggio e la polimerizzazione di detto materiale isolante e legante (20). 19 - Procedimento come alla rivendicazione 18, caratterizzato dal fatto che detta polimerizzazione avviene a freddo. 20 - Procedimento come alla rivendicazione 18, caratterizzato dal fatto che detta polimerizzazione avviene a caldo. 21 - Motore lineare e procedimento per la sua fabbricazione, sostanzialmente come descritti, con riferimento agli annessi disegni.