ITTO960022A1 - Motore elettrico brushlees di tipo perfezionato. - Google Patents

Abstract

Un motore elettrico brushless multifase a magneti permanenti comprende una pluralità di denti di statore avvolti intervallati da denti sfasatori non avvolti. I denti avvolti appartenenti ad una medesima fase sono raggruppati adiacenti tra loro in modo che i denti sfasatori si trovino disposti solo tra gruppi consecutivi di denti avvolti di fasi diverse. I denti sfasatori sono disposti solo in numero di uno tra due gruppi consecutivi di denti avvolti di fasi diverse. Affinché la variazione di riluttanza complessiva sui magneti del rotore risulti sostanzialmente nulla, nella parte periferica dei denti sono ricavate cave ausiliarie in numero e posizioni opportune.

Description

Descrizione a corredo di una domanda di brevetto per Invenzione Industriale dal titolo: Motore elettrico brushless di tipo perfezionato.

Descrizione

La presente invenzione si riferisce ad un motore elettrico "brushless" di tipo perfezionato.

Descrizione dello stato della tecnica

Per macchine elettriche ad alto numero di poli, gli obiettivi da perseguire per ottimizzare il rapporto prestazioni/costo sono fondamentalmente tre: 1) ridurre la coppia di riluttanza ( cogging ) che, dato il grande numero di magneti e di discontinuità al traferro, causa rumori e vibrazioni inaccettabili se non si adottano accorgimenti particolari;

2) utilizzare in modo ottimale il rame, il ferro ed il materiale magnetico;

3) ridurre l’ondulazione della coppia attiva su valori dell'ordine dell’1% per minimizzare problemi di vibrazioni e rumore.

Nei motori elettrici di tipo tradizionale finalizzati a risolvere il punto 2) solitamente ogni fase è avvolta intorno ad un singolo dente. Normalmente il rapporto tra il numero di denti avvolti ed il numero di poli è compreso fra 0,75 e 1,5; ad esempio nelle FIGG. 1 e 2 sono illustrate schematicamente macchine trifase a 3/4 e a 3/2, rispettivamente; in FIG. 3 è riportato lo schema di una macchina monofase 1/1. La configurazione di FIG. 1 risponde alle esigenze di costo e all’obiettivo della ondulazione di coppia ridotta, ma non risponde all'esigenza di cogging. Le configurazioni di FIGG. 2 e 3 sono invece inaccettabili per l'eccessiva ondulazione sulla coppia attiva generata.

È noto che per minimizzare l'ondulazione della coppia attiva ed ottenere una forma d'onda il più possibile trapezoidale, il passo polare si deve avvicinare quanto più al passo dei denti avvolti; occorre inoltre ridurre al minimo lo spazio interpolare ed avere poli con grande passo angolare. Una tale configurazione è quella che permette un utilizzo ottimale di rame, ferro e magneti.

Per ottenere lo sfasamento delle fasi, è nota l'aggiunta (FIG. 5) di denti parassiti (non attivi) in posizioni intermedie tra i denti avvolti/ in modo che il magnete affacciato si trovi con la fasatura voluta rispetto alla fase successiva (120 gradi nel caso del trifase). I denti utili si alternano così ai denti parassiti; perciò, se il motore elettrico ha un alto numero di poli, anche il numero di denti parassiti è notevole. Ciò comporta uno spreco di ferro ed un mancato utilizzo di parte del flusso magnetico che non contribuisce alla coppia attiva.

Sintesi dell'invenzione

Scopo della presente invenzione è di realizzare un motore elettrico brushless che consegua i tre obiettivi enunciati nell'introduzione, in particolare per un motore trifase, fermo restando che i principi dell'invenzione possono estendersi a motori con un numero di fasi qualsiasi.

Questi ed altri scopi e vantaggi, che saranno compresi meglio in seguito, sono raggiunti secondo la presente invenzione da un motore elettrico in cui i denti avvolti che appartengono ad una medesima fase sono raggruppati e i denti sfasatori sono collocati solo tra due gruppi consecutivi di denti di fasi diverse. Preferibilmente tra due gruppi vi è un solo dente sfasatore. In aggiunta, affinché la variazione di riluttanza complessiva sui magneti del rotore risulti sostanzialmente nulla, è preferibile che nella parte periferica dei denti avvolti si ricavi una pluralità di cave ausiliarie in numero e posizioni opportune.

Breve descrizione del disegni

Verranno ora descritte le caratteristiche strutturali e funzionali di una forma di realizzazione preferita ma non limitativa del dispositivo secondo l'invenzione; si fa riferimento ai disegni allegati, in cui:

le FIGG. da 1 a 4 illustrano schematicamente diverse configurazioni tradizionali di denti di statore affacciati ai magneti di rotore; la FIG. 5 è un grafico dell'andamento della coppia di riluttanza al passaggio di un polo magnetico davanti ad una cava di statore; le FIGG. da 6 a 8 illustrano schematicamente una parte del motore elettrico secondo la presente invenzione.

Descrizione dettagliata dell'invenzione

Per una migliore comprensione dei principi che costituiscono la base di questa invenzione, si fa inizialmente riferimento alla FIG. 5. È noto che la coppia di riluttanza provocata dal passaggio di un polo di fronte ad una cava ha l'andamento illustrato nel grafico. La funzione che regola questo fenomeno ha valore medio nullo ed ha uno sviluppo in serie di Fourier in cui sono presenti infinite armoniche; le armoniche di ordine elevato hanno modulo decrescente. Il periodo T della funzione è 180 gradi elettrici. Agli effetti della coppia di riluttanza, contrariamente a quanto accade per le forze elettromotrici, i poli Nord e Sud si comportano allo stesso modo; nella trattazione che segue, gli angoli elettrici si intenderanno quindi riportati ai primi 180 gradi elettrici. (Per la coppia di cogging, una cava a 200 gradi elettrici si comporta esattamente, in modulo e fase, come una cava a 20 gradi elettrici).

Ciò premesso, è anche noto che, data una funzione del tempo con valore medio nullo e periodo T, la somma di N funzioni identiche sfasate di T/N sarà uguale a N volte l'armonica di ordine N più i suoi multipli. Da questa relazione è evidente che tanto più grande è il numero N tanto più piccolo, in generale, sarà il residuo della somma di N funzioni.

Secondo la presente invenzione, il problema della riduzione della coppia di riluttanza è risolto nel modo che segue.

Considerando la coppia risultante dal passaggio di un polo su una singola cava, (FIG. 5) essa avrà un contenuto armonico che si può calcolare con una analisi di Fourier. Imponendo che nella macchina elettrica vi sia un certo numero N di cave che producono questo effetto e che tali cave siano equispaziate angolarmente, i loro effetti si sommeranno algebricamente. Quindi con N cave disposte opportunamente si otterrà la cancellazione delle prime N-l armoniche del singolo fenomeno. Affinché vi sia cancellazione non è necessario che le cave siano equispaziate rispetto ai poli secondo un angolo meccanico, ma che lo siano secondo un angolo elettrico.

Come detto, per quanto riguarda il cogging è irrilevante se il flusso sia entrante od uscente, quindi il polo SUD ed il polo NORD si comportano allo stesso modo. Gli N fenomeni da cancellare devono quindi essere equispaziati elettricamente solo una volta, avendo ridotto il loro angolo elettrico ai primi 180 gradi.

Ad esempio, se si vuole cancellare il cogging con N = 4 cave, si possono scegliere i seguenti angoli elettrici in cui posizionare le cave; 0°-45°-90°-135°, ma andrebbero bene anche cave a 0°-45°-270°-135° , poiché la cava a 270° elettrici si comporta esattamente come quella a 90°, sia in modulo che in fase.

La sequenza in cui si posizionano le N cave non è significativa in quanto il motore nel suo complesso somma gli effetti allo stesso modo, sia che provengano da cave adiacenti sia da cave distanti.

Secondo la presente invenzione, le N cave sono realizzate non solo aggiungendo alla struttura denti finti, che non partecipano nella generazione della forza elettromotrice, ma anche aprendo cave ausiliarie sia sui denti avvolti, sia su quelli non avvolti; il numero di tali cave ausiliarie e le loro posizioni vengono stabiliti in base ad un criterio descritto più avanti.

Nel progettare un motore secondo la presente invenzione, si deve ottenere una configurazione di macchina trifase elementare (come ad esempio quella illustrata in FIG. 6), in cui:

(a) ciascuna fase è avvolta su un gruppo di denti adiacenti (almeno due); e

(b) ciascun gruppo di denti consecutivi su cui è avvolta una singola fase è separato dal gruppo adiacente di denti di un'altra fase da un solo dente sfasatore non avvolto.

Si fissa a priori il numero D di denti avvolti per ciascuna fase. Indicando con f il numero delle fasi, dall'espressione

( 1 ) M - (D 1 ) x f

si ottiene immediatamente il numero M complessivo dei denti e quindi delle cave tra i denti. Tali cave in questo contesto verranno definite "principali" per distinguerle dalle cave ausiliarie, descritte più avanti. Imponendo che:

(c) il rapporto fra il passo polare ed il passo del dente sia N/(N±1), dove N è un numero intero maggiore di M,

si avrà che gli assi delle M cave principali andranno posizionati ad angoli elettrici diversi, i cui valori sono multipli interi di 180°/N.

Al fine di ottenere una distribuzione di cave uniforme in gradi elettrici, è necessario ricavare in aggiunta N-M cave ausiliarie ad angoli elettrici multipli interi di 180°/N.

Per le condizioni sopra stabilite, la posizione angolare dell'ultima cava di un gruppo di denti appartenenti alla medesima fase non coinciderà con la posizione angolare della prima cava del gruppo seguente; in questa zona si colloca il dente sfasatore non avvolto che riempie lo spazio lasciato vuoto.

Grazie a tale configurazione, le singole cave generano coggìng sfasati di 180°/N gradi elettrici, e quindi nella loro combinazione rimarrà solo l'armonica di ordine N, ed i Buoi multipli, del cogging di una singola cava moltiplicata per N.

Per bilanciare le forze radiali e tangenziali che si scambiano rotore e statore, la macchina elementare descritta viene ripetuta ciclicamente per tutta la circonferenza del motore.

Nell’esempio seguente i concetti appariranno più chiari.

Esempio

Applicazione ad una macchina trifase elementare con 9 denti avvolti.

Facendo riferimento alla FIG. 7, si descrive un esempio di applicazione della presente invenzione su una macchina trifase elementare.

Si scelgono i seguenti parametri base:

D = 3 denti avvolti; f = 3 fasi; numero poli p = 10.

Ne deriva che M = {3 1) x 3 = 12; rispettando la condizione N > M, si sceglie N = 24. I valori di N opportuni verranno discussi in seguito.

Dalla condizione imposta (c) consegue che l'estensione E di un dente avvolto viene calcolata: (4) E = 180°-180°/N

cioè 180°-180°/24 = 172,5 gradi elettrici;

- l’estensione E' di un dente passivo di sfasamento viene calcolata come

(5) E ' = [p x 180 - (f x D x 172,5)]/f

e risulta E' = [10 x 180 - (9 x 172,5)]/3 = 82,5 gradi elettrici.

Si è stabilito in partenza che nella macchina si avranno M = 12 cave principali; dalla scelta N = 24 ne è conseguito che si dovranno ricavare altre N-M = 12 cave ausiliarie: occorre quindi determinare le posizioni di tutte le cave, principali ed ausiliarie. La FIG. 7 illustra qualitativamente la configurazione che risulterà dai calcoli che seguono.

Come si comprenderà, determinante è la posizione di angolo elettrico dell'asse della cava, mentre la larghezza e la profondità della cava dipendono dalla geometria del dente.

Nella prima riga di tabella I sono riportate le posizioni angolari a, in angoli elettrici, in cui si devono trovare le M = 12 cave principali. La tabella I va considerata congiuntamente alla FIG. 8, dove si è scelto all'estremo sinistro come origine (angolo elettrico 0°) la mezzeria di un dente della fase 1. Partendo da 0, il primo valore a è di 86,25 gradi (elettrici), ottenuto dividendo per 2 l'ampiezza o estensione del dente di 172,5 gradi elettrici. Per ottenere il valore della cava principale successiva, al valore appena calcolato si aggiungerà l'estensione E del dente avvolto (172,5), o l'estensione E' del dente passivo, a seconda del dente considerato.

Nella seconda riga di tabella I sono riportati i valori degli angoli meccanici m delle cave principali; tali valori vengono ricavati da quelli della prima riga, dividendo per p = 10 ed aggiungendo progressivamente 180° ad ogni cava successiva.

Nella colonna di sinistra di tabella II sono riportati i valori e in angoli elettrici che corrispondono alle posizioni delle 12 cave ausiliarie. Per ricavare questi N-M = 12 valori si parte da uno qualunque dei valori a della aggiunge il valore di 180° /N = 180/24 = 7,5 gradi elettrici ad uno qualunque dei valori a degli angoli elettrici delle cave principali (prima riga di tabella I), fino a coprire un periodo di 180 gradi. Si ottengono così N valori (in questo esempio N - 24) spaziati di 7,5 gradi, dei quali 12 (M = 12) coincideranno con valori a già trovati, e perciò non verranno presi in considerazione. I rimanenti 12 valori corrispondono perciò agli angoli elettrici delle cave ausiliarie. Questi valori sono ordinati progressivamente come nella colonna di sinistra di tabella II. Le possibili posizioni delle cave ausiliarie sono ricavate dai valori della colonna di sinistra, dividendo per p = 10 ed aggiungendo progressivamente 180°.

I valori sottolineati indicano le posizioni meccaniche di una possibile soluzione costruttiva.

La scelta della posizione meccanica in cui aprire le cave ausiliarie è influenzata da considerazioni di resistenza meccanica e di riluttanza magnetica delle teste del denti; è buona norma aprire le cave ausiliarie il più possibile vicino all'asse del dente per non indebolire le estremità della "scarpa" polare. La profondità della cava ausiliaria è preferibilmente maggiore o uguale della sua larghezza (preferibilmente circa 1,5 volte), in modo che il flusso magnetico si possa dividere sulle pareti laterali.

II numero N va opportunamente scelto entro limiti ragionevoli: deve essere maggiore di M, e deve comunque essere sufficientemente elevato da permettere che il rapporto fra passo polare e passo cave N/(N±1) consenta di concatenare quanto più possibile il flusso dei magneti e sfruttare al massimo il materiale utilizzato; d'altra parte, N non deve essere troppo grande per non richiedere la creazione di un numero di cave ausiliarie eccessivo sulla periferia dei denti dello statore. Nei motori secondo l'invenzione, le cave ausiliarie conferiranno alla periferia dei denti un aspetto dentellato.

Come si potrà apprezzare, gli accorgimenti sopra descritti consentono di progettare macchine trifase con il rapporto fra numero di denti e numero di poli quasi unitario unendo i vantaggi delle macchine trifase (coppia attiva con bassa variazione percentuale) ai vantaggi delle macchine monofase (rapporto denti/poli = 1, quindi ottimo sfruttamento dei materiali e piccola coppia di riluttanza) senza ereditarne gli inconvenienti.

Le considerazioni precedenti offrono la possibilità di scegliere quante armoniche cancellare, dove posizionare le cave ed i denti finti ed ottenere un basso cogging ed una bassa ondulazione della coppia attiva, e consentono inoltre una utilizzazione ottimale di rame, ferro e materiale magnetico, nonché di raggiungere una ondulazione della coppia attiva dell'ordine dell'1% per minimizzare problematiche di vibrazioni e rumorosità a carico.

In macchine tradizionali, l'utilizzo di rame e ferro è, per un motore trifase, dei 2/3 e per i magneti del 3/4. Infatti solo 2 avvolgimenti su 3 partecipano alla formazione della coppia attiva e, nella macchina tipo "3/4" solo i tre quarti dei magneti si trovano affacciati ai denti avvolti

Nella configurazione dell'invenzione, invece, l'utilizzo dei magneti viene incrementato con un risparmio notevole a parità di prestazioni. Raggruppando le fasi su molti poli consecutivi, il numero dei denti parassiti viene ridotto al minimo. Si può ad esempio realizzare una macchina con 30 denti avvolti e solo 3 denti parassiti, secondo lo schema: 10 denti consecutivi della prima fase, 1 dente parassita, 10 denti consecutivi della seconda fase, 1 dente parassita, 10 denti consecutivi della terza fase, 1 dente parassita.

Il dente sfasatore è collocato dopo un certo numero (n ≥ 2) di denti che hanno avvolgimenti in fase tra di loro.

Si intende che l’invenzione non è limitata alla forma di realizzazione qui descritta ed illustrata, che è da considerarsi come un esempio di attuazione del motore, il quale è invece suscettibile di modifiche relative a forma e disposizioni di parti, dettagli costruttivi e di funzionamento. L'invenzione è intesa ad abbracciare tutte le varianti comprese nel proprio ambito, così come definito dalle seguenti rivendicazioni .

Claims (4)

1. RIVENDICAZIONI 1. Motore elettrico brushless multifase a magneti permanenti comprendente una pluralità di denti di statore avvolti intervallati da denti sfasatori non avvolti, caratterizzato dal fatto che i denti avvolti appartenenti ad una medesima fase sono raggruppati adiacenti tra loro, e che i denti sfasatori sono disposti solo tra gruppi consecutivi di denti avvolti di fasi diverse.
2. 2. Motore elettrico secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i denti sfasatori sono disposti solo in numero di uno tra due gruppi consecutivi di denti avvolti di fasi diverse.
3. 3. Motore elettrico secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che nella parte periferica dei denti sono ricavate cave ausiliarie in numero e posizioni opportune affinché la variazione di riluttanza complessiva sui magneti del rotore risulti sostanzialmente nulla.
4. 4. Motore elettrico secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che: scelto il numero D di denti avvolti per ciascuna fase; scelto il numero f di fasi del motore; - calcolato M = (D 1) x f il numero complessivo di denti avvolti sfasatori ; scelto il numero complessivo N di cave, con N>M; e imposto che il rapporto fra il passo polare ed il passo del dente sia N/(N±1), gli assi delle M cave principali sono posizionati secondo angoli elettrici multipli interi di 180VN; e gli assi di un numero N-M di cave ausiliarie sono disposti ad angoli elettrici multipli interi di 180°/N.