ITTO20000401A1

ITTO20000401A1 - Motore brushless a magneti permanenti.

Info

Publication number: ITTO20000401A1
Application number: IT2000TO000401A
Authority: IT
Inventors: Filippis Pietro De
Original assignee: Filippis Pietro De
Priority date: 2000-04-28
Filing date: 2000-04-28
Publication date: 2001-10-28
Also published as: JP2003533158A; EP1277271A1; IT1320322B1; US20030107290A1; DE60120680D1; ES2262644T3; DE60120680T2; JP3772115B2; ITTO20000401A0; US6847149B2; WO2001084696A1; EP1277271B1

Description

Descrizione a corredo di una domanda di brevetto per invenzione industriale dal titolo: Motore brushless a magneti permanenti.

DESCRIZIONE

La presente invenzione è relativa ad un motore brushless a magneti permanenti.

In particolare, la presente invenzione farà esplicito riferimento, senza per questo perdere in generalità, ad un motore brushless trifase a magneti permanenti comprendente un rotore girevole attorno ad un asse di rotazione e presentante un numero determinato di poli magnetici, ed uno statore disposto coassialmente all'asse di rotazione ed al rotore, e provvisto, per ogni due poli, di tre denti statorici, i quali sono distribuiti attorno all'asse di rotazione, e sono distanziati l'uno dall'altro di un passo di cava. I denti statorici sono suddivisi in gruppi periodici in funzione del numero di fasi del motore, ed i denti di ciascun gruppo presentano un rispettivo avvolgimento concentrato.

La figura 1 illustra un esempio di tale tecnica nota, in cui lo statore comprende nove denti statorici suddivisi in tre gruppi periodici, mentre il rotore è interno ed è provvisto di sei poli magnetici presentanti, ciascuno, una estensione tale da ricoprire sostanzialmente un passo di cava. Inoltre, ciascun polo magnetico presenta un raggio di curvatura inferiore al raggio della circonferenza in cui è inscritto il rotore stesso secondo tecniche note finalizzate ad approssimare una forza elettromotrice indotta di tipo voluto sostanzialmente sinusoidale.

I motori brushless del tipo sopra descritto presentano un inconveniente dovuto alla cosiddetta "coppia di cogging", per la correzione o riduzione della quale sono state utilizzate diverse soluzioni tecniche che, però, hanno comportato in varia misura ulteriori inconvenienti, tra i quali si possono citare: perdita di flusso magnetico a parità di materiali attivi usati; complicazioni costruttive; rumori aeraulici e da vibrazioni indotti da discontinuità geometriche introdotte per risolvere l'inconveniente sopra menzionato; armoniche indotte nella forza elettromotrice che si ritrovano nella coppia attiva; e geometrie contrastanti con l'esigenza di generare una forza elettromotrice essenzialmente sinusoidale.

Scopo della presente invenzione è quello di realizzare un motore brushless a magneti permanenti, il quale oltre a presentare una coppia di cogging di valore inferiore ad un centesimo della coppia nominale, permetta al tempo stesso di minimizzare gli inconvenienti sopra descritti.

Secondo la presente invenzione viene realizzato un motore brushless a magneti permanenti comprendente :

un rotore girevole attorno ad un asse di rotazione e presentante un numero determinato di poli magnetici radialmente delimitati da una rispettiva superficie rotorica cilindrica di curvatura inferiore ad una curvatura di una superficie circoscrivente il rotore stesso e di estensione tale da ricoprire sostanzialmente un passo di cava; ed

- uno statore coassiale al rotore provvisto, ogni due poli magnetici, di tre denti statorici, i quali sono uniformemente distribuiti attorno all'asse di rotazione ad una distanza l'uno dall'altro pari ad un passo di cava, e presentano rispettive superfici libere affacciate alla detta superficie rotorica;

il motore essendo caratterizzato dal fatto che ciascun dente statorico presenta un rispettivo elemento protruso estendentesi radialmente verso la superficie rotorica a partire dalla relativa superficie libera.

L'invenzione verrà ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano un esempio di attuazione non limitativo, in cui:

- la figura 1 illustra un vista in sezione trasversale di un motore brushless a magneti permanenti di tipo noto; e

- la figura 2 illustra, in sezione trasversale e con parti asportate per chiarezza, una prima preferita forma di attuazione di un motore brushless a magneti permanenti secondo la presente invenzione;

le figure 3a-3d illustrano, in modo schematico, quattro differenti condizioni operative del motore della figura 2, ed i diagrammi della coppia di cogging relativi a ciascuna condizione operativa;

- la figura 4 illustra, in sezione trasversale e con parti asportate per chiarezza, una seconda preferita forma di attuazione di un motore brushless a magneti permanenti secondo la presente invenzione; e

- la figura 5 illustra un grafico riportante delle forme d'onda di forza elettromotrice e rispettive correnti di fase ottenute nel motore della figura 2 o della figura 4.

Con riferimento alla figura 1, con 1 è indicato nel suo complesso un motore brushless a magneti permanenti di tipo noto comprendente un rotore 2, il quale è girevole attorno ad un asse A di rotazione, è radialmente delimitato da una superficie Sr rotorica cilindrica di raggio Rr e presenta un numero NI determinato di magneti 3.

Il motore 1 comprende, inoltre, uno statore 4 esterno montato coassiale al rotore 2, e provvisto, ogni due magneti 3, di tre denti 5 statorici, i quali sono uniformemente distribuiti attorno all’asse A ad una distanza l'uno dall'altro pari ad un passo Pc di cava, e presentano rispettive superfici Ss' libere affacciate alla superficie Sr in modo da formare con la superficie Sr stessa un traferro T di ampiezza costante.

Il motore 1 è un motore trifase con sei magneti 3, cui corrispondono nove denti 5 alternati a rispettive cave 6, e suddivisi, in base agli avvolgimenti di fase, in gruppi equidistribuiti attorno all’asse A, ed i denti 5 di ciascun gruppo sono provvisti di un rispettivo avvolgimento di fase .

Ciascun dente 5 statorico presenta una forma sostanzialmente a T, e comprende una porzione 7 allungata disposta lungo una rispettiva direttrice radiale, e due ali 8 di estremità, le quali si estendono da bande opposte della porzione 7 trasversalmente alla porzione 7 stessa, e sono radialmente delimitate verso l’interno dalla relativa superficie Ss'.

Allo scopo di ridurre la coppia Cc di cogging, su ciascun dente 5 statorico del motore 1 sono stati ricavati due incavi 9 a partire dalla relativa superficie Ss1. Come precedentemente accennato, una soluzione tecnica di questo tipo non solo determina un aumento dei costi di produzione, ma induce anche maggiori armoniche nella coppia attiva, nonché maggiori rumori aeraulici nei motori ad alta velocità di rotazione.

Facendo ora riferimento alla figura 2, ed utilizzando numeri di riferimento uguali per designare parti uguali o simili già descritte nella precedente parte della descrizione, con 10 è indicato nel suo complesso un motore brushless a magneti permanenti di tipo trifase, in cui il rotore 2 è montato all'interno dello statore 4, anche se risulta comunque possibile una geometria opposta con il rotore 2 all'esterno dello statore 4.

II rotore 2 comprende una pluralità di lamierini 11 assialmente impaccati tra loro e presentanti rispettivi settori 12 definenti, a coppie, tante sedi 13 di alloggiamento quanti sono i magneti 3. Ciascun settore 12 è magnetizzato dai magneti 3 disposti nelle due sedi 13 adiacenti definendo, pertanto, un rispettivo polo magnetico per il rotore 2, ed è radialmente delimitato da una rispettiva superficie Sr,, il cui raggio Rr, di curvatura è inferiore al raggio Rr della superficie Sr della circonferenza in cui è inscritto il rotore 2 stesso. Ciascun settore 12 ha una estensione tale da ricoprire sostanzialmente un passo Pc di cava, e presenta, lungo la propria superficie Sr, e da bande opposte della propria periferia esterna, due denti 12a longitudinali, i quali sono atti a bloccare radialmente i due magneti 3 adiacenti in collaborazione con un dente 12a per ciascuno dei due settori 12 limitrofi, e sono delimitati da rispettivi bordi 12e e 12u laterali trasversali alla superficie Sr,.

Si intende, comunque, che quanto nel seguito descritto è facilmente trasportabile ai casi in cui i magneti 3 siano direttamente affacciati allo statore 4, e siano, in questo caso, radialmente delimitati dalla superficie Sr rotorica.

Le proporzioni tra il numero Ni di magneti 3 ed il numero N2 di denti 5 statorici del motore 10 è immutata rispetto a quella del motore 1 ed è sempre pari a 2/3, ma, nel motore 10, ciascun dente 5 presenta un rispettivo elemento 14 protruso estendentesi radialmente verso la superficie Sr rotorica a partire dalla relativa superficie Ss1.

Nella forma di attuazione illustrata nella figura 2, ciascun elemento 14 protruso è definito da un dente sagomato, il quale è disposto in posizione centrale lungo la relativa superficie Ss', e presenta una dimensione radiale ottimizzata a CAD magnetico a partire da una dimensione sostanzialmente pari ad un valore minimo del traferro T., ed una dimensione L circonferienziale sostanzialmente pari al passo Pc di cava. In particolare, ciascun elemento 14 è sagomato sostanzialmente come un trapezio isoscele con la rispettiva base minore rivolta verso il rotore, e la relativa lunghezza L è misurata in corrispondenza di una linea mediana tra la base minore stessa e la base maggiore.

Le dimensioni e la geometria di ciascun elemento 14 sono ottimizzate a CAD magnetico in modo 5 tale che l'interazione di un settore 12, d'ora in poi indicato con polo 12, con un determinato elemento 14 generi una coppia Cc di cogging identica ma di segno opposto alla coppia Cc di cogging generata da un altro polo 12 con una determinata 10. cava 6, e tale situazione si verifichi sia per i bordi 12e entranti che per i bordi 12u uscenti.

Così come illustrato nelle figure 3a-3d, la coppia Cc di cogging può essere generata nelle seguenti quattro condizioni elementari:

15 a) bordo 12e di un polo 12 che entra e passa su una cava 6 (figura 3a);

b) bordo 12u dello stesso polo 12 mentre esce passando sulla cava 6 (figura 3b);

c) bordo 12e di un polo 12 che entra e passa su 20 un elemento 14 (figura 3c); e

d) bordo 12u dello stesso polo 12 mentre esce passando su un elemento 14 (figura 3d).

Riportando su di un grafico l'andamento della coppia Cc di cogging in funzione della posizione 25 relativa tra polo 12 e cava 6 e tra polo 12 ed elemento 14 si rileva che la forma della funzione della coppia Cc di cogging è presente ben oltre l'apertura Pc di cava o la larghezza L dell'elemento 14, e non è simmetrica rispetto all'asse di cava o dell'elemento 14 stesso.

La struttura del motore 10 testé descritto permette di sommare tra loro le condizioni a) e c) così come le condizioni b) e d) annullando pertanto la coppia Cc di cogging della condizione a) con la coppia Cc di cogging della condizione c) così come la coppia Cc di cogging della condizione b) con la coppia Cc di cogging della condizione d), con il risultato complessivo che il motore 10 presenterà un valore della coppia Cc di cogging ben inferiore ad un centesimo della coppia nominale.

Da quanto sopra descritto, è facilmente rilevabile come questo risultato sia stato ottenuto modificando in modo minimo la struttura di un motore 1 brushless noto senza, peraltro, incappare negli inconvenienti derivati dalle soluzioni proposte precedentemente.

La forma di attuazione illustrata nella figura 4 è relativa ad un motore 20 analogo al motore 10, dal quale il motore 20 differisce per il fatto che ciascun elemento 14 protruso è delimitato verso la superficie Sr ed unitamente agli altri elementi 11 protrusi da una superficie Ss statorica cilindrica, la quale è interrotta tra un dente 5 statorico e l'altro, ed è definita da una generatrice parallela all'asse A, e da una direttrice D ad andamento cosinusoidale.

La direttrice D presenta un periodo pari a un passo Pc di cava, definisce un valore minimo del traferro T in corrispondenza di una posizione centrale della superficie Ss1 del relativo dente 5, e si sviluppa in coordinate polari intorno ad una circonferenza di riferimento presentante un raggio R0 definito dalla somma del valore del raggio Rr della circonferenza in cui si inscrive il rotore 2, di un valore minimo del traferro T, e di un valore dell'ampiezza λ della funzione coseno ottimizzata a CAD magnetico.

La forma della superficie Ss permette di conferire allo statore 4 una geometria che addolcisce le discontinuità geometriche generate dalle cave 6 e dagli elementi 11 illustrati nella figura 2, dando maggiori opportunità per operare sul rumore aeraulico e controllare la forma della forza elettromotrice per approssimarla ad una sinusoide a parità di risultato sulla coppia Cc di cogging.

In aggiunta ai vantaggi sopra citati, le soluzioni proposte generano forme d'onda della forza elettromotrice sostanzialmente sinusoidali, le quali contengono prevalentemente una quinta armonica in opposizione di fase rispetto alla propria fondamentale e di ampiezza presentante valori tipici dell'ordine del 6% della fondamentale stessa.

Quanto appena descritto risulta importante considerando che per il controllo del motore 10 può essere utilizzato un controllo elettronico (noto e non illustrato) del tipo a ponte presentante un pilotaggio ad onda quadra, che induce nelle fasi una forma d'onda di corrente sostanzialmente sinusoidale con un contenuto prevalente di quinta armonica in fase rispetto alla propria fondamentale e di ampiezza presentante valori tipici dell'ordine del 6% della fondamentale stessa.

Quest 'ultima forma d'onda di corrente induce, con forze elettromotrici perfettamente sinusoidali, una indesiderata ondulazione sulla coppia attiva, ma poiché l'armonica di quinta della forza elettromotrice del motore 10 ha fase opposta ed ampiezza percentuale simile alla quinta contenuta nella forma d'onda di corrente di fase, l'effetto negativo dell'oscillazione sulla coppia attiva viene significativamente abbattuto.

Da quanto sopra si evince che il motore 10, che pur non adopera sofisticate e costose tecniche per ottenere forze elettromotrici e tensioni di alimentazione perfettamente sinusoidali finalizzate a zero ondulazioni di coppia attiva, permette di ottenere ondulazioni di coppia attiva di valore percentuale molto ridotti rispetto alla coppia nominale .

Per meglio chiarire quanto appena esposto, nella figura 5 vengono illustrate tipiche forme d'onda di forza elettromotrice e rispettive correnti di fase ottenute in un motore 10 con un pilotaggio a ponte del tipo ad onda quadra in cui sono ben riconoscibili i contenuti armonici e relative fasi.

Si intende che l'invenzione non è limitata alle forme di realizzazione qui descritte ed illustrate, che sono da considerarsi come esempi di attuazione del motore brushless a magneti permanenti, che è invece suscettibile di ulteriori modifiche relative a forme e disposizioni di parti, dettagli costruttivi e di montaggio.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Motore (10)(20) brushless a magneti permanenti comprendente: un rotore (2) girevole attorno ad un asse (A) di rotazione e presentante un numero (NI) determinato di poli (12) magnetici radialmente delimitati da una rispettiva superficie (Sr,) rotorica cilindrica di curvatura inferiore ad una curvatura di una superficie (Sr) circoscrivente il rotore (2) stesso e di estensione tale da ricoprire sostanzialmente un passo (Pc) di cava,- ed uno statore (4) coassiale al rotore (2) provvisto, ogni due poli (12) magnetici, di tre denti (5) statorici, i quali sono uniformemente distribuiti attorno all'asse (A) di rotazione ad una distanza l'uno dall'altro pari ad un passo (Pc) di cava, e presentano rispettive superfici (Ss') libere affacciate alla detta superficie (Sr) rotorica,· il motore (10)(20) essendo caratterizzato dal fatto che ciascun dente (5) statorico presenta un rispettivo elemento (14) protruso estendentesi radialmente verso la superficie (Sr) rotorica a partire dalla relativa superficie (Ss') libera.
2. Motore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che ciascun elemento protruso (14) è definito da un dente sagomato presentante una dimensione (L) circonferienziale sostanzialmente pari al passo (Pc) di cava, ed una dimensione radiale ottimizzata a CAD magnetico a partire da una dimensione sostanzialmente pari ad un valore minimo del traferro (T).
3. Motore secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che ciascun elemento (14) protruso è sagomato sostanzialmente come un trapezio isoscele con la rispettiva base minore rivolta verso il rotore (2), e la relativa lunghezza (L) è misurata in corrispondenza dì una linea mediana tra la base minore stessa e la base maggiore.
4. Motore secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che il detto elemento protruso (14) è disposto in posizione centrale lungo la relativa superficie (Ss1) libera.
5. Motore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che ciascun elemento protruso (14) è delimitato verso la superficie (Sr) rotorica ed unitamente agli altri elementi protrusi (14) da una superficie (Ss) statorica cilindrica, la quale è interrotta tra un dente (5) statorico e l'altro, ed è definita da una generatrice parallela all'asse (A) di rotazione e da una direttrice (D) ad andamento cosinusoidale.
6. Motore secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che la direttrice (D) ad andamento cosinusoidale presenta un periodo pari a un passo di cava, e definisce un valore minimo del traferro (T) in corrispondenza di una posizione centrale della superficie (Ss') libera del relativo dente (5) statorico.
7. Motore secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che la detta direttrice (D) ad andamento cosinusoidale si sviluppa in coordinate polari intorno ad una circonferenza di riferimento presentante un raggio (R0) definito dalla somma del valore di un raggio (Rr) della superficie (Sr) in cui è inscritto il rotore (2), di un valore minimo del traferro (T), e di un valore dell'ampiezza (λ) della funzione coseno ottimizzata a CAD magnetico.
8. Motore secondo la rivendicazione 2 o 5, caratterizzato dal fatto di presentare una forza elettromotrice sostanzialmente sinusoidale contenente una quinta armonica presentante una fase opposta alla fase della fondamentale ed una ampiezza pari ad un valore percentuale determinato della fondamentale stessa.
9. Motore secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che il detto valore percentuale è sostanzialmente pari al 6%.
10. Motore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il rotore (2) è esterno allo statore (4).
11. Motore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il rotore (2) è interno allo statore (4).
12. Motore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il detto rotore (2) comprende un numero determinato di poli (12) magnetici, ed una pluralità di lamierini (il) assialmente impaccati tra loro e presentanti rispettivi settori (12) a due a due definenti una sede (13) di alloggiamento per ciascun magnete (3); ciascun settore (12) essendo radialmente delimitato dalla detta superficie (Sr.) rotorica.
13. Motore brushless a magneti permanenti, sostanzialmente come descritto con riferimento ad uno qualsiasi dei disegni annessi.