ITMI970913A1 - Disposizione a motore sincrono monofase a magneti permanenti - Google Patents

Description

Descrizione di un brevetto d’invenzione a nome:

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad una disposizione a base: a) di un motore sincrono monofase, con rotore a magneti permanenti e due avvolgimenti, anche non eguali, sfasati di 90” elettrici tra loro, particolarmente per l'azionamento di pompe di circolazione per lavastoviglie o simili ovvero per applicazioni che richiedono potenze modeste e che comportano bassi carichi inerziali e b) di un circuito elettronico per il pilotaggio del motore attraverso interruttori statici.

Sono noti, anche da precedenti domande di brevetto italiane a nome della stessa richiedente, motori sincroni monofase con rotore a magneti permanenti, in particolare motori ad un solo avvolgimento Realizzato tramite bobine solenoidali, dotati di speciale configurazione del relativo traferro ed associati ad uno o più sensori della posizione del rotore, permettendo questi ultimi di avviare il motore nel senso voluto e di controllarne la velocità di rotazione a mezzo di opportuna elettronica di pilotaggio.

Uno degli scopi della presente invenzione è quello di realizzare una disposizione dotata di motore specificato in premessa che consenta di far avviare e funzionare il motore stesso senza sensori di posizione del relativo rotore.

Altro scopo della presente invenzione è quello di realizzare una disposizione in cui il motore abbia un traferro omogeneo e lamierino magnetico a sagoma circolare o rettangolare, o comunque simmetrica rispetto all'asse di rotazione così da ridurre l’ingombro del motore con corrispondente riflessi sull'ingombro complessivo del gruppo motore/pompa nel caso di una tale installazione e semplificare l'operazione di assemblaggio nella macchina che utilizza il gruppo motore/pompa.

Altro scopo ancora della presente invenzione è quello di realizzare una disposizione che consenta di scegliere per il motore, entro ragionevoli limiti, velocità di sincronismo diverse da quella legata alla frequenza di rete.

Un importante scopo della presente invenzione è pure quello di realizzare un metodo di gestione dell’avviamento e del funzionamento del motore.

Un ulteriore scopo della presente invenzione è quello di realizzare un metodo per la individuazione della posizione angolare del rotore senza ausilio di sensori.

Questi ed altri scopi dell'invenzione che meglio risulteranno dalla descrizione dettagliata che segue, vengono conseguiti da una disposizione e da un metodo conformi agli insegnamenti delle annesse rivendicazioni.

L'invenzione sarà descritta, a puro titolo esemplificativo e quindi non limitativo, facendo riferimento ad alcune sue preferite forme di realizzazione, illustrate negli annessi disegni, in cui:

là fig. 1 mostra una vista schematica di un motore elettrico secondo l'invenzione;

la fig. 2 mostra schematicamente la disposizione secondo l'invenzione;

la fig. 3 mostra schematicamente un dettaglio della disposizione di fig. 2;

la fig. 4 mostra schematicamente una variante semplificata di quanto è riprodotto in fig. 3;

la fig. 5a mostra l'andamento della corrente negli avvolgimenti statorici del motore elettrico nella sua prima fase di avviamento (la fase); la fig. 5b mostra schematicamente il motore elettrico all'inizio della fase di avviamento;

la fig. 6a mostra l'andamento delle correnti negli avvolgimenti del motore all'inizio della seconda fase di avviamento del motore;

la fig. 6b mostra schematicamente il motore elettrico all'inizio di tale seconda fase;

la fig. 7a mostra l'andamento delle correnti negli avvolgimenti del motore all'inizio della terza fase di avviamento;

la fig. 7b mostra schematicamente il motore elettrico all'inizio della suddetta terza fase di avviamento ;

la fig. 8a mostra l'andamento delle correnti negli avvolgimenti del motore all’inizio della quarta fase di avviamento del motore, e;

la fig. 8b mostra schematicamente il motore elettrico all'inizio di tale quarta fase.

Con riferimento alla fig. 1 è presentata una delle possibili forme di realizzazione del motore elettrico M che forma parte fondamentale della disposizione dell'invenzione. Per motivi di semplicità, ma senza che ciò costituisca limitazione dell'invenzione, il motore è rappresentato nella configurazione a poli salienti e precisamente nella versione a due poli. Il motore M comprende un pacco statorico 1 nel cui interno trovasi un rotore R a magneti permanenti 2, le cui polarità sono indicate, con S ed N. Sui poli salienti si trovano due avvolgimenti 3,4 relativi alle fasi del motore, uno (3) detto principale e l’altro (4) ausiliario, ciò per comodità descrittiva. L'avvolgimento principale 3 è suddiviso in due parti 31 e 32, che si trovano sui due poli salienti aventi lo stesso asse magnetico "A-B", ed è compreso tra i morsetti 10 ed 11.

L'avvolgimento ausiliario 4, compreso tra i morsetti 12 e 13, è anch'esso suddiviso in due parti 41,42 che si trovano sui due poli aventi lo stesso asse magnetico "D-C" ortogonale al precedente .

Come si rileva dallo schema di fig. 2, in cui il motore M è schematicamente riprodotto sotto forma del suo rotore R e dei suoi due avvolgimenti 3,4, sia il morsetto 10 che il morsetto 12 sono collegati ad una sorgente elettrica in c.a. monofase, ad esempio la rete elettrica, indicata con 20, mentre i morsetti 11 e 13 sono connessi alla linea di ritorno della rete attraverso rispettivi interruttori statici 23,24 (ad esempio triac) rappresentati per semplicità sotto forma di interruttori meccanici. La sorgente 20 è pure connessa con un modulo o blocco di controllo elettronico (ad esempio microprocessore) 69 attraverso la linea di segnale 25. I morsetti 11 e 13 sono rispettivamente connessi con il blocco elettronico 69 attraverso le linee di segnale 70 e 71.

Uscite 57 e 58 di tale blocco 69 pilotano rispettivamente gli interruttori statici 23,24.

La tensione che, a motore funzionante, è presente tra le linee di segnale 25 e 70 ha due componenti: la prima componente è indotta dal flusso dovuto alla corrente Im circolante nell'avvolgimento principale 3 e la seconda componente è indotta dal flusso del rotore R ed è quindi proporzionale alla velocità angolare ed alla posizione angolare (variabile nel tempo) del rotore stesso.

In perfetta analogia, le considerazioni svolte nel paragrafo precedente valgono per le tensioni presenti sulle linee di segnale 25 e 71 e quindi attinenti l'avvolgimento ausiliario. Va notato che la seconda componente della tensione indotta dal rotore nell'avvolgimento ausiliario 4 risulta sfasata di 90* rispetto alla tensione misurata sull'avvolgimento principale. Questo sfasamento è dovuto allo spostamento di 90" nello spazio, vedi fig. 1, degli assi magnetici "A-B" e "O D" degli avvolgimenti 3 e 4.

Poiché gli interruttori statici producono, per loro natura, una caduta di tensione e tale caduta di tensione è proporzionale alla corrente che li percorre (e che percorre gli avvolgimenti), non è necessario rilevare direttamente tale corrente, corrente che, assieme ai dati di tensione di cui ai due precedenti paragrafi, permette di calcolare la posizione del rotore R senza ricorrere ad elementi sensori, quali ad esempio sensori ad effetto Hall. La caduta di tensione negli interruttori statici è quella presente sulle linee di segnale 70,71.

I tre segnali presenti sulle linee 25,70 e 71 elaborati nel blocco elettronico di controllo 69 risultano sufficienti per azionare gli interruttori statici 23 e 24 tramite i segnali di controllo delle linee 57 e 58 e di garantire l'avviamento (nel senso voluto) ed il funzionamento del motore senza l'ausilio di altri segnali prevenienti da qualsiasi tipo di sensore della posizione del rotore R (ad esempio sensori ad effetto Hall, bobine di segnali ecc.), come ciò risulterà dal proseguo della presente descrizione.

L'elaborazione dei tre su indicati segnali viene, come già detto, effettuata nel blocco elettronico 69 e viene descritta in relazione alla figura 3 tenendo presente che l'elaborazione dei segnali di uno degli avvolgimenti 3,4 corrisponde perfettamente a quella dell'altro.

Per tale motivo la descrizione che segue sarà limitata alla elaborazione dei segnali dell'avvolgimento 3 e nella figura 3 vengono usati gli stessi riferimenti numerici corredati di apice per identificare parti o segnali relativi all'avvolgimento 4.

I segnali delle due linee 25 e 70, rappresentativi della tensione sull'avvolgimento 3, vengono differenziati nel blocco 61 la cui uscita è un segnale 63 che è proporzionale alla tensione applicata all’avvolgimento 3 oppure, nei momenti in cui l'interruttore statico 23 è aperto, alla tensione indotta nell'avvolgimento 3 dalla rotazione del rotore R.

Dal segnale 63 si sottraggono i segnali 73 e 75 in una unità aritmetica 76. I due segnali 73 e 75 si ottengono come segue. Il segnale di tensione della linea 70 viene diviso nel blocco 90 per il valore della resistenza Rt propria dell'interruttore statico 23, per ottenere il valore del segnale di corrente 92 nell'avvolgimento 3. Con la moltiplicazione nel blocco 72 del segnale 92, {cioè della corrente nell'avvolgimento), per il valore ohmico della resistenza RM dell’avvolgimento stesso, si ha il citato segnale 73 relativo alla caduta di tensione resistiva. Il segnale 75 si ottiene moltiplicando (nel blocco 74) la derivata della corrente 92 con l'induttanza "L" dell'avvolgimento. Conoscendo la tensione applicata (segnale 63) all’avvolgimento 3 e le due cadute di tensione (segnali 73 e 75), nell'unità aritmetica 76 viene determinata la tensione indotta nell’avvolgimento 3 dalla rotazione del rotore R rappresentata dal segnale di uscita 37. Parimenti si opera sul segnale della linea 71 e sul segnale 63* per ottenere il segnale 37' relativo all'avvolgimento ausiliario 4.

Poiché le tensioni indotte dalla rotazione del rotore R nei due avvolgimenti 3,4 sono proporzionali alla velocità di rotazione e alla posizione angolare del rotore, con la elaborazione dei relativi segnali 37,37' nel blocco 54 si ottiene un segnale 39 che identifica la posizione angolare del rotore. I blocchi 77 e 83 operano come descritto nella domanda di brevetto italiano MI94A00941, relativa alla elaborazione di due grandezze, in questo caso 70 e 39 oppure 71 e 39.

In particolare, il segnale di tensione 70 sull'interruttore statico 23 si confronta nel blocco 77 con la posizione angolare (segnale 39) del rotore. Quando la tensione 70 è positiva e la posizione angolare del rotore (misurata in senso antiorario a partire dal lato destro dell'asse A-B di fig. 1) è tra 0" e 90° elettrici il segnale 58 di controllo dell’interruttore statico (triac) 23, chiudendo il triac, applica la tensione positiva all'avvolgimento principale 3. Invece quando il segnale di tensione 70 è negativo e la posizione angolare del rotore è tra i 180° e 270’, il blocco 77 tràmite il segnale di controllo 58 e l'interruttore statico 23, applica tensione negativa all'avvolgimento 3. Negli altri intervalli angolari non viene applicata alcuna tensione all'avvolgimento principale 3.

Il segnale di tensione 71 sull'interruttore statico 24 si confronta nel blocco 83 con la posizione angolare del rotore R. Quando la tensione 71 è positiva e la posizione angolare del rotore è tra 90° e 180’ elettrici, il segnale 57 di controllo dell'interruttore statico (triac) 24, chiudendo il "triac", applica la tensione positiva all'avvolgimento ausiliario 4. Invece, quando la tensione 71 è negativa e la posizione angolare del rotore e tra 270° è 360’, il blocco 83, tramite il segnale di controllo 57 e l'interruttore statico 24, applica la tensione negativa all'avvolgimento 4. Negli altri intervalli angolari (0’-90* e 180*-270’) non viene applicata alcuna tensione all’avvolgimento ausiliario 4.

E' possibile realizzare l'unità di controllo 69, sviluppata in dettaglio nella figura 3, con componenti elettronici singoli per ogni funzione oppure realizzando tutto l'algoritmo di controllo su un microprocessore.

Nei blocchi di controllo 77 e 83 è anche possibile introdurre l'algoritmo di ottimizzazione della tensione applicata, che è stato descritto nella domanda di brevetto MI94A002635. L'ottimizzazione della tensione applicata permette di ottimizzare la quantità di materiali attivi nel motore, riducendo i costi dello stesso, in quanto in qualsiasi condizione di funzionamento con tensione di alimentazione variabile e/o carico variabile, il motore riceve dal circuito elettronico una tensione controllata che mantiene la corrente negli avvolgimenti ai valori minimi, riducendo le perdite nel rame.

Ulteriore punto di forza di questa invenzione consiste nell'elaborare ed aggiornare il calcolo della posizione angolare del rotore a partire dalle misure delle grandezze citate 25, 70 e 71 effettuato in ogni istante in cui la corrente negli avvolgimenti è nulla, ovvero quando gli interruttori statici 23,24 sono aperti.

Infatti quando i "triac" o gli interruttori statici 23 e 24 presenti nel circuito elettronico non sono nello stato di conduzione, la corrente negli avvolgimenti è nulla e i segnali 92 e 92' si azzerano, mentre i segnali 63 e 63' sono le tensioni indotte unicamente dalla rotazione e dalla posizione angolare del rotore e il segnale 25 rappresenta la tensione di alimentazione.

Nella figura 4 rispetto alla figura 3, si nota, come conseguenza, che sono scomparsi i blocchi di elaborazione della corrente 90,90',72,72',74,74' in quanto la corrente negli avvolgimenti è zero e di conseguenza anche i segnali 73,73'75,75' valgono zero. I segnali 37, 37' provenienti dagli avvolgimenti 3,4 sono unicamente dovuti, come già accennato in relazione ai segnali 63 e 63' di fig.

3, alla forza elettromotrice indotta causata dalla posizione del rotore R e dalla velocità di rotazione .

Con questo algoritmo di calcolo si è pertanto introdotta una nuova semplificazione. Come conseguenza nel circuito realizzato con i componenti discreti si ha una semplificazione ed una riduzione dei componenti utilizzati. Nel caso di utilizzo di un microprocessore, l’algoritmo richiede meno tempo per l'esecuzione e meno memoria per il programma.

Per avviare e portare in sincronismo il rotore, a magneti permanenti, del motore sincrono monofase, realizzato con due avvolgimenti spostati di 90” elettrici e di cui alla precedente descrizione, si deve tener presente che:

- il rotore prima dell'avviamento pud trovarsi in una posizione qualsiasi e pertanto al primo istante non esiste alcuna informazione in relazione alla posizione del rotore.

il motore sincrono non è in grado di sviluppare una coppia di spunto, senza ricorrere a particolari procedure.

Secondo un particolare, importante aspetto dell’invenzione, l'avviamento è basato su quattro fasi, di uno stesso algoritmo, che vengono attuate una di seguito all'altra, a mezzo della disposizione in precedenza descritta la quale pilota i due interruttori elettronici 23,24 ciascuno in serie ad uno dei due avvolgimenti (3,4) del motore.

. La prima fase si basa sul posizionamento forzato del rotore R con il relativo asse magnetico in una posizione ben precisa.

. La seconda fase consiste nel primo avviamento del rotore R in un senso definito applicando opportuni impulsi di tensione (ovvero di corrente).

. La terza fase, opzionale, è quella dove si applica un algoritmo ben definito per far ruotare il rotore R ad una velocità inferiore alla velocità sincrona nel caso il carico (ad esempio pompa) richiedesse una prima stabilizzazione ad un più basso regime di rotazione.

. La quarta fase è la fase finale, dove si usano i segnali di posizione del rotore R ottenuti avvolgimenti 3,4 per sincronizzare il rotore R con la frequenza di rete e mantenerlo alla velocità di rotazione sincrona finale.

Nelle prime tre fasi dell'avviamento non si usa nessuna informazione riguardo la posizione del rotore, mentre nella quarta fase, come previsto nella precedente descrizione (fig. da 1 a 4), si rilevano i segnali di tensione presenti sugli avvolgimenti 3,4 nei momenti in cui gli interruttori statici 23,24 sono aperti. Tali segnali si identificano pertanto con le tensioni indotte per effetto della rotazione del rotore R (a magneti permanenti) ed il loro valore direttamente proporzionale alla velocità del rotore ed alla posizione dello stesso rispetto agli assi polari degli avvolgimenti 3,4.

Prima fase.

Per "parcheggiare'' il rotore R, ovvero, posizionare il suo asse magnetico E-F (Sud- > Nord) in una posizione voluta e ben definita, viene applicato il seguente algoritmo inplementato nei blocchi 77,83 ed eseguito quando viene chiuso l'interruttore di avviamento 100 (fig. 3).

L 'implementazione, come è ovvio, può essere fatta su microprocessore.

Riferendosi alla figura 5b, si agisce sull'avvolgimento principale 3, per esempio, per allineare l'asse del rotore R, secondo l’asse polare A-B dell'avvolgimento principale 3 facendolo percorrere dalla corrente IM nel senso indicato.

Poiché il rotore R potrebbe avere una qualsiasi posizione (asse magnetico E-F) iniziale vengono dati piccoli impulsi di corrente di ampiezza crescente, o positiva o negativa, in funzione di come si vuole allineare l’asse magnetico del rotore, attraverso l'intervento sull'interruttore statico 23.

Questi impulsi di corrente, che all’inizio sono di ampiezza tale da non muovere il rotore R, vengono incrementati in ampiezza nel tempo fino al punto che sicuramente raggiungono il valore necessario per spostare il rotore R dalla sua posizione iniziale alla posizione imposta, ovvero all'allineamento degli assi magnetici A-B e E-F (vedi fig. 5a e 5b).

La coppia applicata al rotore è leggermente più alta della minima necessaria, evitando così eccessive accelerazioni. Nell'esempio della figura 5b, l'asse E-F del rotore si posiziona secondo l'asse A-B, se si applicano solo impulsi di corrente positivi di ampiezza crescente all'avvolgimento principale 3 (fig. 5a). Il rotore R dopo aver cominciato a muoversi verso la posizione voluta, ha la tendenza ad accelerare e a continuare il suo movimento anche quando ha raggiunto la posizione sull'asse A-B.

Per questo motivo si continua ad agire sull’avvolgimento principale 3 con impulsi di corrente sempre positivi e sempre piQ alti (fig.

5a). Infatti, dopo che il rotore ha superato l'asse A-B, gli impulsi di corrente che in precedenza avevano la funzione di muoverlo verso tale asse A-B, ora hanno la funzione di frenarne il movimento attirando il rotore e stabilizzandolo sulla posizione definita.

La procedura permette di posizionare l'asse magnetico E-F del rotore secondo quattro posizioni principali (A-B, B-A, C-D e D-C) e due ausiliarie (G-H e H-G), cioè il polo rotorico N può affacciarsi: all'una o all'altra delle due espansioni polari di asse A-B (posizioni A-B e B-A); all'una o all'altra delle due espansioni polari di asse C-D (posizioni C-D e D-C); all’una o all'altra delle posizioni intermedie tra le espansioni polari. In particolare, applicando impulsi di corrente crescenti positivi all’avvolgimento principale 3 (con senso di percorrenza IM come da fig. 5b) il rotore R si parcheggia nella posizione in cui l'asse rotorico E-F si allinea con l'asse A-B.

Impulsi di corrente negativi applicati allo stesso avvolgimento 3, con senso di percorrenza della corrente invertito rispetto alla fig. 5b, posizionano il rotore secondo l'asse B-A. Per allineare il rotore secondo l'asse C-D si devono invece applicare impulsi di corrente crescenti positivi all'avvolgimento ausiliario 4 con il senso di percorrenza della corrente I come da fig. 5b. Invece impulsi negativi applicati allo stesso avvolgimento ausiliario comporterebbero un allineamento del rotore secondo l’asse D-C. Applicando contemporaneamente impulsi positivi su entrambi gli avvolgimenti di fig. 5b si ottiene la posizione del rotore allineata con un asse G-H a 45° rispetto all'asse A-B. Effetto contrario avrebbero impulsi di corrente negativi applicati ad entrambi gli avvolgimenti (allineamento con asse H-G).

Al termine della prima fase si ha la seguente situazione: il rotore R risulta avere il proprio asse magnetico E-F allineato con l'asse magnetico A-B la sua velocità di rotazione è nulla, cioè il rotore R è assolutamente fermo senza nessuna oscillazione meccanica rispetto al proprio asse. Ciò rappresenta la condizione iniziale per l'attuazione della seconda fase dell'avviamento.

Seconda fase.

La seconda fase (fig. 6a, 6b) consiste nell 'applicare opportuni impulsi di tensione, ovvero corrente ad entrambi gli avvolgimenti 3,4 in modo da far cominciare a muovere il rotore R nella direzione prescelta. Come è ben noto, sul rotore R agisce la massima coppia quando il flusso magnetico dello statore è spostato di 90° elettrici rispetto all'asse magnetico E-F del rotore. Poiché si ha una situazione ben definita al termine della prima fase, ovvero si conosce la posizione angolare del rotore, è possibile,, applicando una sequenza di impulsi di corrente ad entrambi gli avvolgimenti 3,4 avviare il rotore R nel senso desiderato.

Per fornire, ad esempio, la massima coppia al rotore allineato con l’asse A-B, si deve applicare un impulso di corrente IA, o positivo o negativo, all'avvolgimento ausiliario 4 (vedi figura 6a).

Nel caso si desiderasse la rotazione del rotore R in senso antiorario (freccia F con riferimento alla fig. 6b), l'asse E-F dello stesso deve essere mosso dall'asse A-B verso l'asse C-D; la coppia massima che accelera il rotore nella direzione dell'asse C-D si ottiene applicando un impulso di corrente positivo lA di massima ampiezza sull'avvolgimento ausiliario 4 (con riferimento al senso della corrente lA, indicato in fig. 6b).

La coppia fornita al rotore risulta essere in tale caso la massima disponibile tra statore e rotore e pertanto, come conseguenza della corrente applicata, si ottiene in definitiva una accelerazione del rotore in senso antiorario (freccia F).

In funzione della particolare applicazione, del tipo di carico o dell'inerzia del sistema, è necessario valutare la necessità di applicare o meno un secondo impulso di corrente con la stessa polarità sullo stesso avvolgimento 4.

Nel caso di pompe per elettrodomestici, grazie al fatto che il carico della pompa alle basse velocità è trascurabile e che l'inerzia del sistema è ridotta, applicando solo un impulso di corrente si riesce ad ottenere uno spostamento del rotore di 90° elettrici in un tempo pari al periodo della durata dell'impulso di corrente applicata (fig.

6a) .

Alla fine dell'impulso IA della corrente applicata si potrebbe verificare una nuova situazione, ovvero il rotore ha acquisito una certa velocità e gira in senso antiorario. La posizione angolare esatta del rotore è sconosciuta, anche se si potrebbe presupporre che sia nell'intorno dell'asse C-D.

Per stabilizzare la velocità del rotore R si applica allora un secondo impulso di corrente che avrà il compito di portare angolarmente l'asse magnetico rotorico dalla posizione C-D alla nuova posizione B-A; questo secondo impulso della corrente IM è negativo e di massima ampiezza, ed è applicato all'avvolgimento principale 3. Questo impulso svolge due funzioni: accelera nel primo istante il rotore verso l'asse B-A e provvede poi a frenarlo nel caso che lo stesso acquisti una velocità tale che l'asse magnetico E-F del rotore ruoti oltre l'asse magnetico A-B dell'avvolgimento alimentato (principale 3) prima che l'impulso di corrente sia esaurito nell'avvolgimento stesso.

Per far girare il rotore R in senso orario si deve applicare lo stesso concetto sopra esposto, provvedendo però ad applicare un impulso di corrente negativo, con la massima ampiezza, all'avvolgimento ausiliario 4. Questo impulso porterà l'asse magnetico rotorico verso la posizione di allineamento con l'asse D-C.

Ora l'impulso successivo di corrente sarà negativo e sarà applicato all'avvolgimento principale.

Per il proseguio valgono i concetti sopra esposti .

Alla fine della seconda fase il rotore si trova ad avere -una velocità diversa da zero e rotante nella direzione desiderata (cioè antioraria nell'esempio). Nella fig. 7b il rotore R gira nel senso antiorario, la posizione angolare del rotore alla fine della seconda fase risulta intorno all'asse B-A.

Poiché il motore in questione ha un traferro simmetrico, non esistono coppie di riluttanza che potrebbero influenzare la rotazione del rotore e causare problemi di cambiamento della direzione di rotazione .

Cosi per questo motore alla fine della seconda fase si può con certezza dire che il rotore ha una certa velocità, comunque non nota, che gira in senso antiorario e che il suo asse si trova intorno all'asse B-A.

Terza fase (opzionale).

Come è ben noto, un motore sincrono può funzionare, nel senso di mantenere la coppia alla velocità di sincronismo, anche in "anello aperto", (ovvero senza "feed back") e ciò applicando impulsi di corrente sugli avvolgimenti senza conoscere la posizione angolare esatta del rotore. Questo modo di funzionamento è possibile solo nel caso in cui non esistano forti variazioni della coppia di carico e conseguentemente della velocità.

Se il carico è una pompa per elettrodomestici, ove il carico è abbastanza costante per una data velocità di rotazione, è possibile affermare che le oscillazioni di carico, presenti ma di piccola ampiezza, sono compensate automaticamente per effetto delle caratteristiche intrinseche del motore sincrono, così il rotore continua a seguire la velocità impostata dagli impulsi di corrente applicati sugli avvolgimenti, ovvero mantiene la velocità di sincronismo.

La fase più critica, ovvero l'avviamento del motore, è stata superata tramite l'applicazione delle prime due fasi di questo algoritmo.

All'inizio della terza fase (fig. 7a,b) si conosce che la posizione angolare del rotore è più o meno intorno all’asse B-A con una velocità di rotazione diversa da zero. Poiché la coppia necessaria ad accelerare il rotore e a sincronizzarlo ad una velocità inferiore alla velocità sincrona, che è invece legata alla frequenza di rete, è molto più bassa della coppia massima erogabile dal motore nel caso di pompe per elettrodomestici si può proseguire con il seguente algoritmo. In pratica, la terza fase comincia, per rotazione antioraria, quando si esaurisce l'impulso di corrente negativo, (vedi la parte finale della seconda fase) applicato all'avvolgimento principale 3.

Per proseguire nello stesso senso di rotazione, cioè antiorario, il successivo impulso di corrente deve spingere il rotore verso l'asse D-C, pertanto tale impulso dovrà essere di polarità negativa e sarà applicato all'avvolgimento ausiliario 4 (vedi fig. 7a). Poiché, come visibile dalla fig. 7a il primo impulso di corrente negativo disponibile per l’avvolgimento ausiliario 4 si ha dopo un semiperiodo della frequenza di rete dal termine della seconda fase, il rotore potrebbe nel frattempo subire una decelerazione.

Poiché la coppia elettromagnetica che viene ad essere applicata al rotore è funzione dell'angolo tra l’asse magnetico (E-F) del rotore e l'asse polare dell'avvolgimento eccitato, si comprende che, se al momento dell'applicazione dell'impulso negativo di corrente all'avvolgimento 4 il rotore sta decelerando, tale angolo risulta più grande rispetto ad una situazione di moto rotatorio costante e pertanto maggiore sarà la coppia agente sul rotore per portarlo secondo l'asse D-C. Pertanto più il rotore decelera in questa fase, più forte è la coppia e conseguentemente l'accelerazione applicata dall'impulso di corrente. La posizione successiva dove il rotore si porta è l'asse A-B.

Per ottenere questo risultato è necessario, come descritto in precedenza, applicare un impulso di corrente positivo all'avvolgimento principale 3.

Per proseguire e portare l'asse magnetico del rotore secondo l'asse C-D è necessario un impulso di corrente positivo applicato all'avvolgimento ausiliario 4 (fig. 7a): ancora una volta si presenta una possibile fase di decelerazione e pertanto si applica il ragionamento precedente.

Per effettuare un giro completo a partire dalla posizione che il rotore aveva all'inizio della terza fase è necessario portare il rotore nella posizione angolare che aveva all'inizio, cioè alla posizione B-A.

Poiché alla fine della seconda fase, l'impulso applicato era un impulso di corrente negativa sull'avvolgimento principale 3, anche ora sarà necessario applicare lo stesso impulso in modo da poter poi riapplicare in modo ciclico la stessa procedura identificata dall'algoritmo nella terza fase.

In conclusione per ogni giro del rotore (motore due poli, come in figura) sono necessari quattro impulsi di corrente, due per ciascun avvolgimento. Questa sequenza di impulsi si potrebbe ripetere all'infinito e permette al motore di girare con una velocità di un terzo della velocità sincrona (tre periodi della frequenza di rete per effettuare un giro completo).

Le accelerazioni e le decelerazioni presenti all’interno di un ciclo sono smorzate grazie alla inerzia del rotore, o meglio di tutto il sistema. Con la procedura descritta è cosi possibile, in caso di necessità, agire sul motore ed ottenere una velocità di rotazione inferiore alla velocità sincrona di rete per un desiderato periodo di tempo senza ricorrere a segnali di posizione del rotore.

Per far girare il rotore in senso orario, partendo dalla fine della seconda fase, già realizzata per questo senso di rotazione, si applica lo stesso algoritmo, tenendo però conto delle opportune inversioni necessarie negli impulsi di corrente.

L' algoritmo descritto sopra è uno dei possibili algoritmi che permette di far ruotare il rotore con una velocità che è un sottomultiplo della velocità di sincronismo. Nel caso descritto si sono applicati quattro impulsi di corrente per completare un ciclo, ovvero 360" elettrici, ed il rotore gira con un terzo della velocità sincrona. Uno dei vantaggi derivati dall'applicazione di questo algoritmo è che si conosce con buona approssimazione la posizione angolare del rotore in qualsiasi istante.

Lo stesso concetto è applicabile anche per altre velocità di rotazione ottenibili con un diverso numero di impulsi di corrente per effettuare un giro .

La durata della terza fase di avviamento non è fissa in quanto dipende dall'applicazione, dal tipo di carico e dalle esigenze specifiche: al limite può anche non essere applicata, saltando direttamente alla fase finale, la quarta.

Quarta fase.

Nella quarta fase si entra avendo già un senso di rotazione del rotore ben preciso ed una velocità che potrebbe essere un sottomultiplo della velocità sincrona. A questo punto si può procedere in due diversi modi che comunque portano allo stesso risultato: il primo è di utilizzare solo un avvolgimento per sincronizzare il motore alla frequenza di rete, il secondo è di utilizzare tutti e due gli avvolgimenti 3,4.

E' importante sottolineare che gli avvolgimenti 3,4 non sono uguali, in quanto si sta discutendo di un motore sincrono monofase: l'avvolgimento principale 3 è progettato per regimi stazionari di funzionamento, mentre l'avvolgimento ausiliario 4 è generalmente progettato per funzionare solo nei brevi periodi di avviamento.

Poiché la coppia motrice può essere generata da entrambi gli avvolgimenti, si vuole precisare che l'avvolgimento ausiliario 4 è l'avvolgimento dominante, cioè l'avvolgimento che fornisce una maggiore coppia al motore (in quanto generalmente esprime una maggior forza magnetomotrice).

Per questo motivo in tutti e due i casi sopra richiamati, quando il motore si porta a sincronizzarsi sulla frequenza di rete, si sincronizza più per l'effetto della coppia generata dagli impulsi di corrente applicati all'avvolgimento ausiliario 4 che non per quelli, se presenti, applicati all'avvolgimento principale 3, in quanto questi ultimi sono più deboli.

Nel caso di scelta di utilizzo di un solo avvolgimento per la fase di sincronizzazione, è evidente per quanto detto sopra che si alimenti solamente l'avvolgimento ausiliario 4. Si applica in relazione l’algoritmo descritto nella ns. precedente domanda di brevetto italiano MI94A00941, ovvero, per rotazione antioraria, si applicano all’avvolgimento ausiliario 4 impulsi di corrente positiva quando il rotore si trova con il suo magnetico nell'arco di 180* compreso tra l'asse D-C e l'asse C-D.

Invece impulsi di corrente negativa si applicano quando l'asse magnetico del rotore si trova nell’arco di 180* compreso tra l'asse C-D e D-C. Per svolgere questa operazione è necessario conoscere la posizione angolare del rotore R. Essa viene dedotta nel modo in precedenza descritto attraverso le tensioni indotte sugli avvolgimenti stessi (fig. da 1 a 4 relativa descrizione).

Sulla base dei dati relativi alla posizione angolare del rotore, si procede a pilotare (vedi segnali 57 e 58), come sopra indicato, la conduzione o meno degli interruttori statici 23, 24.

L'utilizzo del solo avvolgimento ausiliario 4 per sincronizzare il motore sulla frequenza di rete comporta il vantaggio che essendo più forte la coppia generata, il motore riesce a raggiungere la velocità di sincronismo anche ad una tensione di alimentazione inferiore alla nominale.

Ciò comporta che il motore posslederà una maggiore facilità di sincronizzarsi, a carico, anche in presenza di oscillazioni di rete che riducano il valore di tensione applicato al limite della tolleranza ammessa.

Nell'altro caso previsto, invece di alimentare il solo avvolgimento ausiliario 4, si alimenta anche l'avvolgimento principale 3. L'algoritmo applicato, sempre per rotazione antioraria e con riferimento alla fig. 8b, è in questo caso identico solo che si deve tener conto che ora entrambi gli avvolgimenti 3 e 4 possono essere alimentati e pertanto il pilotaggio degli interruttori elettronici 23,24 avverrà in relazione alla posizione dell'asse magnetico E-F del rotore R in uno dei quattro quadranti formato dagli assi degli avvolgimenti .

Un impulso di corrente positiva si applica all'avvolgimento principale 3 quando l'asse magnetico E-F del rotore si trova nel quadrante formato dagli assi C-D e B-A.

Sull'avvolgimento ausiliario 4 l’impulso di corrente positiva si applica quando l’asse magnetico del rotore si trova nel quadrante formato dagli assi A-B e C-D, mentre un impulso di corrente negativa si applica quando l'asse magnetico del rotore di trova nel quadrante formato dagli assi B-A e D-C.

Nella figura 8a è rappresentata la sequenza di impulsi con riferimento ad un rotore R che all'inizio della quarta fase sta girando in senso antiorario ed è appena transitato, con il suo asse magnetico E-F oltre l'asse B-A.

Per l’algoritmo si dovrebbe applicare un impulso negativo all'avvolgimento ausiliario 4 ma prima che sia disponibile dalla rete l'impulso negativo il rotore è già transitato, per esempio, altre l’asse D-C e pertanto sarebbe ora necessario applicare un impulso positivo all'avvolgimento principale 3: è infatti visibile sulla fig. 8a, in k, il momento di chiusura dell’interruttore statico 23 nel periodo di impulso positivo.

Il rotore continua a girare e oltrepassato l'asse A-B, sarebbe necessario un impulso positivo sull’avvolgimento di ausiliario 4; ancora una volta non è disponibile immediatamente una polarità positiva dalla rete e pertanto si prosegue fino a che, per esempio, il rotore oltrepassa l'asse C-D, dove è necessario un impulso negativo sull'avvolgimento principale 3.

Per senso di rotazione opposto si applica la stessa procedura, ma alimentando opportunamente gli avvolgimenti .

L'algoritmo che utilizza i due avvolgimenti 3,4 ha in certi casi il vantaggio di portare il rotore in sincronismo in un tempo più breve ed inoltre risulta meno sensibile a forti cambiamenti di coppia applicata.

Nel caso di pompa per elettrodomestici, poiché nella fase di avviamento possono entrare bolle di aria nella pompa, si presentano effettivamente forti variazioni di coppia e pertanto è preferibile applicare il secondo algoritmo.

Anche in questo caso, il rotore si sincronizza per effetto della coppia generata dall'avvolgimento dominante, cioè l'avvolgimento ausiliario 4.

Per il corretto funzionamento del motore, sia che sia stato portato alla velocità sincrona con uno o due avvolgimenti nella prima parte della fase quattro, è ora necessario mantenere il sincronismo alimentando il solo avvolgimento principale 3, progettato per questo scopo, provvedendo a disattivare definitivamente, fino al prossimo avviamento, l'avvolgimento ausiliario 3,

La sequenza di operazioni previste è estremamente importante e viene attivata dopo un'opportuna quantità di tempo stimata necessaria per raggiungere il sincronismo; nel caso non sia eseguita nel modo descritto di seguito, il motore potrebbe perdere il sincronismo, specialmente quando è alimentato a bassa tensione.

Poiché i due avvolgimenti sono spostati di 90* elettrici ed il rotore R risulta essere sincronizzato rispetto all'avvolgimento ausiliario 4 (dominante) con un ritardo dipendente dall’angolo di carico, è indispensabile che l'asse magnetico dell'avvolgimento ausiliario 4 sia in anticipo (di 90* elettrici) rispetto all'asse magnetico A-B dell’avvolgimento principale e conseguentemente l'asse magnetico E-F del rotore R si troverà fra i due avvolgimenti nel momento del trasferimento dell'alimentazione tra i due avvolgimenti.

Ciò infatti garantisce che il rotore si sincronizzerà con il campo generato dall'avvolgimento principale 3, in quanto, una volta scomparso il campo dominante dell ’avvolgimento ausiliario 4, il rotore R tenderà a rallentare istantaneamente ed inevitabilmente il suo asse magnetico E-F si porterà in ritardo dell'angolo di carico con l’asse magnetico A-B dell'avvolgimento principale 3, rimanendone "agganciato" .

Per evitare però un tale brusco rallentamento del rotore, l'algoritmo prevede (Figi. 8a - inizio seconda parte) di alimentare contemporaneamente entrambi gli avvolgimenti 3,4 per un semi periodo della frequenza di rete prima del trasferimento dell'alimentazione all'avvolgimento primario 3, in modo da generare un campo con asse magnetico intermedio tra quelli dei due avvolgimenti 3,4 e quindi comunque più prossimo a quello E-F del rotore.

Nel caso non si rispettasse la condizione illustrata, ovvero l'asse magnetico dell'avvolgimento principale fosse in anticipo rispetto all'asse magnetico dell'avvolgimento ausiliario (e quindi del rotore), nel momento del trasferimento dell'alimentazione l'asse del rotore dovrebbe accelerare bruscamente sotto l'impulso di un campo comunque più debole di quello seguito fino a quel momento e ciò potrebbe comportare la perdita di passo.

Nella figura 8a è presentata la giusta sequenza che permette il trasferimento dell'alimentazione tra i due avvolgimenti senza il rischio di perdita di passo.

Una volta che il rotore è sincronizzato rispetto all'avvolgimento principale 3 il motore funzione a regime, sincronizzato sulla frequenza di rete, A questo punto è terminato l'algoritmo di avviamento ,

In alcune applicazioni, dove il tempo di avviamento è molto ridotto, è possibile dimensionare l'avvolgimento ausiliario con una minima quantità di rame, riducendo il costo del motore.

Claims (16)

1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo per l'avviamento -tramite circuito elettronico agente su interruttori statici- di un motore sincrono monofase/ con rotore a magneti permanenti e due avvolgimenti, anche non eguali, sfasati di 90* elettrici tra loro, particolarmente per l’azionamento di pompe di circolazione per lavastoviglie o simili, ovvero per applicazioni, che richiedono potenze modeste e che comportano bassi carichi inerziali, caratterizzato dal fatto che comprende tre fasi rispettivamente consistenti; nel posizionamento forzato del rotore (R) con il relativo asse magnetico (E-F) in una data posizione; in un primo avviamento del rotore (R) in un senso definito applicandogli impulsi elettrici (di tensione ovvero di corrente); nel sincronizzare la velocità del rotore (R) e nel mantenerla mediante segnali di posizione del rotore stesso ottenuti dalle misure di tensione sui due avvolgimenti (3,4) del motore.
2. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui i segnali di posizione del rotore (R) sono ottenuti direttamente dalle misure di tensione sui due avvolgimenti (3,4).
3. 3. Metodo secondo la rivendicazione 1 o 1,2, in cui tra la fase del primo avviamento del rotore in un senso e la fase di sincronizzazione, è presente una fase intermedia di rotazione del rotore (R) ad una velocità inferiore a quella di sincronizzazione nel caso in cui il carico richiedesse una prima stabilizzazione ad un più basso regime di rotazione .
4. 4. Metodo per il pilotaggio in marcia tramite circuito elettronico -pilotante interruttori statici- di un motore sincrono monofase, con rotore a magneti permanenti e due avvolgimenti, anche non eguali, sfasati di 90* elettrici tra loro, particolarmente per l'azionamento di pompe di Circolazione per lavastoviglie o simili, ovvero per applicazioni, che richiedono potenze modeste e che comportano bassi carichi inerziali, caratterizzato dal fatto che in marcia la posizione angolare del rotore viene determinato attraverso il rilevamento di due grandezze elettriche rappresentate dalla tensione di alimentazione (25) del motore (1) e dalla tensione (70,71) sugli interruttori statici (23,24).
5. 5. Metodo secondo la rivendicazione 4, in cui tale rilevamento, in marcia, avviene quando gli interruttori statici sono nello stato "aperto" (fig. 4).
6. 6. Metodo secondo la rivendicazione 4 o 4,5, in cui la posizione angolare del rotore viene determinata sulla base della tensione indotta dal flusso rotorico negli avvolgimenti del motore.
7. 7. Disposizione a base: a) di un motore sincrono monofase, con rotore a magneti permanenti e due avvolgimenti, anche non eguali, sfasati di 90* elettrici tra loro, particolarmente per l'azionamento di pompe di circolazione per lavastoviglie o simili, ovvero per applicazioni che richiedono potenze modeste e che comportano bassi carichi inerziali, e b) di un circuito elettronico per il pilotaggio del motore, attraverso interruttori statici caratterizzato dal fatto che il circuito elettronico rileva segnali relativi alle tensioni sugli interruttori statici ed alla tensione di rete per elaborare segnali relativi alla posizione del rotore, sulla base dei quali avviene il pilotaggio del motore tramite gli interruttori statici.
8. 8. Disposizioni secondo la rivendicazione 7, in cui il circuito elettronico rileva la tensione indotta negli avvolgimenti dal rotore in marcia.
9. 9. Disposizione secondo le rivendicazione 7 o 7 e 8, in cui il circuito elettronico effettua il rilevamento ad interruttori statici "aperti".
10. 10. Disposizione secondo almeno una delle rivendicazioni precedenti da 7 a 9 in cui il circuito elettronico comprende un microprocessore.
11. 11. Disposizione a base: a) di un motore sincrono monofase, con rotore a magneti permanenti e due avvolgimenti, anche non eguali, sfasati di 90* elettrici tra loro, particolarmente per l'azionamento di pompe di circolazione per lavastoviglie o simili per applicazioni che richiedono potenze modeste e che comportano bassi carichi inerziali, e b) di un circuito elettronico per il pilotaggio del motore attraverso interruttori statici, caratterizzato dal fatto che per l'avviamento del motore in un senso prescelto prevede che detto circuito elettronico prevede mezzi per il posizionamento forzato del rotore (R) con il relativo asse magnetico (E-F) in una data posizione intervenendo sugli interruttori statici mezzi per applicare attraverso gli interruttori statici impulsi elettrici (di tensione ovvero di corrente) al motore per un suo primo avviamento in un senso definito e mezzi per sincronizzare e mantenere sincronizzato attraverso gli interruttori statici sulla base di segnali di posizione del rotore stesso.
12. 12. Disposizione secondo la rivendicazione 11, in cui sono previsti mezzi agenti sugli interruttori statici per far ruotare il rotore, prima della sua sincronizzazione finale, ad una velocità inferiore.
13. 13. Disposizione secondo la rivendicazione 11 o 11,12 in cui i mezzi citati che operano sugli interruttori statici sono compresi o comprendono un microprocessore .
14. 14. Disposizione conforme al contenuto combinato delle rivendicazioni 7 e 11 ed eventualmente delle rivendicazioni che da tali rivendicazioni dipendono.
15. 15. Metodo conforme al contenuto combinato delle rivendicazioni 1 e 4, ed eventualmente delle rivendicazioni che da tali rivendicazioni dipendono.
16. 16. Una pompa di circolazione per lavastoviglie azionata dalla disposizione delle rivendicazioni 7,11 e con il metodo delle rivendicazioni 1,4.