IT202000014032A1 - Motore elettrico - Google Patents

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    • B60—VEHICLES IN GENERAL
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Description

?Motore elettrico?
DESCRIZIONE
La presente invenzione si riferisce ad un motore elettrico, in particolare il motore elettrico propulsore di un veicolo elettrico.
La mobilit? elettrica ha il problema di ridurre gli sprechi di energia. Attualmente i motori elettrici non sono dimensionati per tutte le velocit? del veicolo, ma per una velocit? ben al disopra del normale utilizzo. Questo comporta un grande spreco di energia elettrica perch? lo statore, il rotore e le bobine sono sovradimensionati, e per lavorare dalle basse velocit? fino a quelle medio-alte richiedono pi? energia del necessario (nonostante l?uso di sofisticati inverter).
Scopo principale dell?invenzione ? proporre un nuovo motore elettrico.
Altro scopo dell?invenzione ? risolvere o almeno mitigare almeno uno dei suddetti problemi.
Questi ed altri scopi sono raggiunti da quanto riportato nelle rivendicazioni allegate; vantaggiose caratteristiche tecniche sono definite nelle rivendicazioni dipendenti.
Un primo aspetto dell?invenzione riguarda un motore elettrico comprendente:
? un primo, secondo e terzo componente, ove
il primo componente ? montato all?interno del secondo componente e il secondo componente ? montato all?interno del terzo componente,
tutti i componenti sono montati coassialmente e
due di detti componenti sono montati per poter ruotare attorno ad uno stesso asse mentre il componente rimanente ? fisso (uno statore);
? avvolgimenti configurati per generare
una coppia per far ruotare relativamente il primo e secondo componente, e
una coppia per far ruotare relativamente il secondo e terzo componente.
Un altro aspetto dell?invenzione riguarda un motore elettrico comprendente:
? N componenti, N > 3,ove
i componenti sono montati uno dentro l?altro,
tutti i componenti sono montati coassialmente e
N-1 componenti sono montati per poter ruotare attorno ad uno stesso asse mentre il componente rimanente ? fisso (uno statore);
? avvolgimenti configurati per generare
una coppia per far ruotare relativamente un componente rispetto ad un componente adiacente.
La coppia pu? essere motrice, per generare potenza meccanica col motore, o resistente, per rendere solidali tra loro due dei detti componenti.
Il componente fisso pu? essere quello pi? esterno o quello pi? interno, ma non necessariamente. Nel caso generale di N componenti come i suddetti, N > 3, gestendo la coppia prodotta dagli avvolgimenti, si possono rendere solidali tra loro K componenti, 0 < K < N, e si possono rendere solidali tra loro i restanti N-K componenti. Il gruppo di K componenti solidali ruota relativamente al gruppo di N-K componenti solidali per generare potenza meccanica all?esterno del motore. Ovvero, gestendo la coppia prodotta dagli avvolgimenti, si pu? rendere solidale il primo componente col secondo componente o il secondo componente col terzo componente. I componenti non solidali tra loro ruotano relativamente per generare potenza meccanica all?esterno del motore.
Grazie a questo sistema, stabilendo in tempo reale il valore K, si possono ridurre gli sprechi di energia, aumentando di conseguenza l?autonomia e abbassando l?inquinamento (prodotto per la produzione di energia).
Poich? gli avvolgimenti possono essere dimensionati differentemente, di volta in volta si pu? selezionare e sfruttare per la propulsione quegli avvolgimenti che danno rendimento migliore.
Un altro vantaggio ? la riduzione del calore prodotto, in quanto alle velocit? basse e intermedie il motore risulta pi? piccolo.
Il numero di detti N componenti del motore pu? variare, aggiungendo via via un componente esterno che contiene tutti gli altri. Questo procedimento pu? essere ripetuto all?infinito a discapito del peso e dello spazio. Come preferito compromesso, ad es. il motore elettrico pu? prevedere quattro componenti, che formano di fatto tre motori elettrici inseriti uno nell?altro. Allora i tre motori possono essere dimensionati per diverse velocit?, ad es:
un primo motore, pi? interno e formato dal primo componente e il secondo componente, per le basse velocit? da 0 km/h a circa 60 km/h;
un motore, intermedio e formato dal secondo componente e il terzo componente, per le medie velocit? da 60 km/h a circa 120 km/h;
un motore, pi? esterno e formato dal terzo componente e il quarto componente, per le alte velocit? da 120 km/h a circa 150 km/h.
Per bloccare la rotazione relativa di detti due componenti adiacenti si pu? usare una coppia resistente generati tramite gli avvolgimenti, o preferibilmente il motore comprende mezzi, ad es. montati tra due componenti adiacenti, per collegare meccanicamente un componente con l?altro.
Nell?esempio precedente, se lavora il terzo motore (cooperazione rotativa fra quarto e terzo componente), il primo e secondo motore sono tra loro bloccati e formano un unico rotore, ovvero il primo, secondo e terzo componente sono fra loro solidali per ruotare assieme, mentre il quarto componente resta fisso.
Detti mezzi per collegare possono essere di vari tipi. Ad es. una frizione a dischi, un freno magnetico, un sistema idraulico, un sistema a vite senza fine (che avvitandosi o svitandosi, grazie a un impulso elettrico o ad un sistema idraulico, accoppia o disaccoppia tra loro dei due detti componenti), o un sistema a ingranaggi.
Detti mezzi possono fungere anche da freno.
Per gestire il funzionamento del motore elettrico, ? preferibile sfruttare un processore elettronico, ad es. un microprocessore. Qualora con un solo microprocessore non si riesca a gestire tutto il processo velocemente, si possono usare pi? processori in parallelo.
Il processore ? programmato con software, che ad es. tiene conto di pi? parametri contemporaneamente e grazie a tali parametri calcola quale sia il motore pi? efficiente da utilizzare in ogni frangente e corrispondentemente controlla l?alimentazione elettrica negli avvolgimenti, e/o detti mezzi per collegare, onde configurare dinamicamente il motore, cio? stabilire quali elementi sono solidali tra loro e rispetto a quale elemento tenuto fisso essi ruotano.
In particolari situazioni, ad esempio a velocit? bassa procedendo in una strada in salita, non ? detto che il motore pi? piccolo sia quello pi? efficiente. Perci? per avere la massima efficienza in qualsiasi condizione conviene che il software disponga di vari parametri da considerare, come ad es. uno o ciascuno tra:
la coppia erogata dal motore,
gli rpm del motore,
l?assorbimento di corrente del motore,
il voltaggio del motore,
la velocit? del veicolo,
la posizione del veicolo (ad es. rilevata con giroscopio),
i gradi di sterzo,
l?attrito/impatto dell?aria,
la frequenza dell?inverter,
il voltaggio dell?inverter,
l?amperaggio dell?inverter,
il tempo impiegato per il cambio di configurazione del motore;
la temperatura esterna,
le condizioni meteo.
Per la rilevazione dei suddetti parametri il motore ad es. comprende un relativo sensore.
Per migliorare la gestione elettronica del motore, preferibilmente il microprocessore esegue almeno due algoritmi di decisione per ciascuna coppia di elementi. Ogni algoritmo legge tutti o alcuni dei sensori citati, li elabora e d? in uscita un dato di decisione che esprime la condizione per la coppia di elementi: solidali o in rotazione relativa per generare coppia.
Le uscite di tutti gli algoritmi saranno poi valutate ed elaborate da un algoritmo finale a valle per stabilire in tempo reale l?effettiva configurazione relativa degli elementi, ad es. pilotando detti mezzi per collegare e/o inverter di potenza che alimentano gli avvolgimenti (variando la loro tensione e/o corrente e/o frequenza di uscita).
Avendo ad es. tre algoritmi decisionali per ogni motore elettrico, si creano nove uscite da valutare. Ogni algoritmo ? specializzato per calcolare un risultato di efficienza massima in base a certi criteri e calcolato per la situazione corrente. L?algoritmo finale sceglie, tra tutte le uscite, quella pi? efficiente e provveder? a configurare gli elementi per adattare il motore alla configurazione selezionata.
E preferibile che gli algoritmi abbiamo delle configurazioni di default, ad esempio per l?avvio del motore.
Un altro aspetto dell?invenzione riguarda un veicolo comprendente un motore come ad una qualsiasi delle precedenti varianti.
Preferibilmente, nel veicolo il sistema a microprocessore ? programmato per
rilevare in tempo reale da sensori dei dati relativi al veicolo,
elaborare i dati per determinare una configurazione per i mezzi per bloccare secondo un criterio di efficienza per il motore;
pilotare i mezzi per bloccare onde realizzare la configurazione determinata.
Pi? preferibilmente nel veicolo il sistema a microprocessore ? programmato per determinare detta configurazione
calcolando, per ogni possibile configurazione dei mezzi per bloccare, una pluralit? di formule matematiche che hanno per argomento tutti o alcuni dei dati provenienti dai sensori,
selezionando poi, in base ad un criterio di efficienza energetica del motore e/o veicolo, un risultato tra tutti i risultati delle formule matematiche,
usando il risultato selezionato per pilotare i mezzi per bloccare e cos? configurare la struttura rotante del motore.
Un altro aspetto dell?invenzione riguarda un metodo per pilotare un motore elettrico comprendente:
? N componenti, N > 3,ove
i componenti sono montati uno dentro l?altro,
tutti i componenti sono montati coassialmente e
uno dei componenti ? fisso (uno statore) mentre i restanti componenti sono montati per poter ruotare attorno ad uno stesso asse;
? avvolgimenti configurati per generare una coppia per far ruotare relativamente ogni componente rispetto al componente adiacente,
in cui si rendono solidali tra loro K componenti, 0 < K < N,
cui si rendono solidali tra loro i restanti N-K componenti, e
si fanno ruotare i K componenti relativamente agli N-K componenti.
Preferibilmente si rendono solidali tra loro i K componenti, e i restanti N-K componenti tramite una coppia generata con avvolgimenti del motore.
Preferibilmente si rendono solidali tra loro i K componenti, e i restanti N-K componenti tramite un vincolo meccanico innestabile selettivamente.
Ulteriori vantaggi risulteranno chiari dalla descrizione seguente, che si riferisce ad un esempio di realizzazione preferito di motore in cui:
- la figura 1 mostra una vista frontale schematica di un motore;
- la figura 2 mostra una vista laterale schematica del motore,
- la figura 3 mostra uno schema di flusso per un programma di gestione del motore.
Numeri uguali nelle figure indicano parti uguali o sostanzialmente uguali.
Un motore elettrico 10 ? schematicamente mostrato nelle figg.1-2, e comprende un primo elemento rotante 20, un secondo elemento rotante 22, un terzo elemento rotante 24, e un quarto elemento fisso 26, definibile come statore.
In particolare, il primo elemento rotante 20 ? quello pi? interno, ed ? solidale ad un albero di uscita 30. Il secondo elemento rotante 22 circonda e contiene il primo elemento rotante 20. Il terzo elemento rotante 24 circonda e contiene il secondo elemento rotante 22. Il quarto elemento 26, quello pi? esterno, circonda e contiene il terzo elemento rotante 24.
I tre elementi 20, 22, 24 sono montati coassialmente per poter ruotare indipendentemente attorno ad un asse comune X, ad es. grazie ad avvolgimenti (non mostrati) configurati in modo noto per generare una coppia tra due elementi rotanti adiacenti. Si possono usare ad es. le note tecnologie costruttive dei motori brushless. L?elemento 26 ? fisso e resta rotazionalmente immobile.
Si noti che il numero di elementi rotanti 20, 22, 24, 26 del motore 10 pu? variare, dovendo essere almeno tre.
Si noti anche che l?elemento fisso non deve per forza essere quello pi? esterno 26, potendo essere ad es. quello pi? interno 20 e collegando l?albero 30 all?elemento 26.
Il motore 10 comprende mezzi 40 (indicati genericamente con tratteggio) per bloccare la rotazione relativa di due elementi rotanti adiacenti (cio? fra un elemento che ne contiene uno e l?elemento contenuto). I mezzi 40 consentono di collegare meccanicamente un elemento rotante con l?altro rendendoli solidali oppure no.
I mezzi 40 possono essere di vari tipi. Ad es. una frizione a dischi, un freno magnetico, un sistema idraulico, un sistema a vite senza fine.
I mezzi 40 possono fungere anche da freno.
Nell?esempio illustrato, si comprende che il motore 10 ? allora composto da tre sotto-motori concentrici e indipendenti: un sotto-motore formato dalla interazione degli elementi 20, 22; un sotto-motore formato dalla interazione degli elementi 22, 24; e un sotto-motore formato dalla interazione dell?elementi 24, 26.
Controllando i mezzi 40 il motore elettrico 10 pu? essere configurato per far funzionare solo uno dei suoi sotto-motori alla volta. La coppia meccanica generata dal sotto-motore attivo ? sempre trasferita all?esterno dall?albero 30, che pu? anche essere solidale ad un diverso, ad es. all?elemento pi? esterno 26.
Siccome i sotto-motori possono essere dimensionati per diverse velocit?, si possono ridurre gli sprechi di energia, aumentando di conseguenza l?autonomia e l?efficienza, facendo funzionare il sottomotore pi? adeguato ad es. alla velocit? del veicolo.
La selezione di quale sotto-motore abilitare in tempo reale ? fatta da un sistema a microprocessore, una cui architettura preferita ? la seguente (v. fig.3).
Per ogni Q-esimo sotto-motore (Q>=2), N algoritmi (N>=1) valutano dati emessi da sensori di bordo 200 (come ad es. quelli elencati sopra) e calcolano ciascuno un dato di efficienza 96 per tale sotto-motore in base ad un criterio o formula specifici.
Nell?esempio di fig.2, N = 3 e Q = 3, e gli algoritmi per ciascun Q-esimo sotto-motore sono indicati con 90, 92, 94.
Poi tutti i 3 * N dati di efficienza sono elaborati da un algoritmo generale 98, che seleziona effettivamente in tempo reale quale dei Q sotto-motori attivare in ogni circostanza. Per far questo l?algoritmo generale 98 valuta fra tutti i dati 96 quello che determina in tempo reale una efficienza maggiore, e genera di conseguenza un segnale 100 per ad es. comandare i mezzi 40 e stabilire in tempo reale la configurazione dinamica relativa degli elementi 20, 22, 24, 26.
Come detto i valori di Q e N possono variare da quanto illustrato.
Qui di seguito un esempio per gli algoritmi 90, 92, 94, dove tutti i valori sono rilevati dai sensori 100. Un sensore rileva la velocit? attuale del veicolo, e un sensore rileva la potenza Pa erogata dal motore, nell?esempio 80 kW a quella velocit?. Si supponga che la tensione residua della batteria di alimentazione nel veicolo sia V = k * Vfull, 0 <= k <= 1, ove Vfull ? la tensione con batteria completamente carica, mentre I indica la corrente erogata al motore dagli inverter.
Vale in generale
Pa = (V * I *1,73 * cos?)/1000, (1)
ove nei calcoli si ritiene cos? = 0,94.
L?algoritmo 90 calcola tre volte la I nella formula (1) imponendo una V con K circa 0.3; poi circa 0.6 e infine circa 0.95. Come valore di Pa si considera un dato di default Pa1.
L?algoritmo 92 calcola tre volte la I nella formula (1) imponendo una V con K circa 0.3; poi circa 0.6 e infine circa 0.95. Come valore di Pa si considera un dato di default Pa2.
L?algoritmo 94 calcola tre volte la I nella formula (1) imponendo una V con K circa 0.3; poi circa 0.6 e infine circa 0.95. Come valore di Pa si considera un dato di default Pa3.
Vale Pa1 < Pa2 < Pa3.
L?algoritmo generale 98 riceve in ingresso i dati V, I di ogni algoritmo 90, 92, 94 e calcola ogni volta il coefficiente c = V/I, che user? poi per determinare la configurazione (V, I) pi? efficiente tra i vari algoritmi. Scelta la configurazione (V, I) pi? efficiente, gli inverter saranno comandati di conseguenza. In combinazione ai calcoli suddetti l?algoritmo finale 90 confronta tra di loro il valore attuale di Pa con Pa1, Pa2, Pa3 e sceglie la configurazione del motore con Pa pi? bassa, ottenendo minor spreco di energia. Scelta la configurazione del motore, l?algoritmo finale 90 la realizza comandando i mezzi 40.

Claims (10)

RIVENDICAZIONI
1. Motore elettrico (10) comprendente:
- un primo, secondo e terzo componente (20, 22, 26), ove
il primo componente (20) ? montato all?interno del secondo componente (22) e il secondo componente ? montato all?interno del terzo componente (26),
tutti i componenti sono montati coassialmente attorno ad un asse (X), e
due di detti componenti (20, 22) sono montati per poter ruotare attorno a detto asse (X) mentre il componente rimanente (26) ? fisso;
- avvolgimenti configurati per generare
una coppia per far ruotare relativamente il primo e secondo componente, e una coppia per far ruotare relativamente il secondo e terzo componente;
2. Motore secondo la rivendicazione 1, in cui i mezzi per bloccare comprendono un circuito elettronico per pilotare gli avvolgimenti in modo da generare una coppia resistente alla rotazione relativa di due componenti adiacenti.
3. Motore secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui i mezzi per bloccare comprendono mezzi che sono montati tra due componente adiacenti e configurati per collegare meccanicamente un componente con l?altro in risposta ad un segnale elettrico esterno.
4. Motore secondo la rivendicazione 3, in cui i mezzi per bloccare comprendono una frizione a dischi e/o un freno magnetico e/o un sistema idraulico e/o un sistema a vite senza fine e/o un sistema a ingranaggi.
5. Motore secondo una qualsiasi rivendicazione precedente, comprendente un sistema a microprocessore per gestire l?alimentazione degli avvolgimenti e/o i mezzi per bloccare tramite l?invio di detto segnale elettrico.
6. Motore secondo la rivendicazione 5, in cui il sistema a microprocessore ? programmato per rilevare in tempo reale da sensori dei dati relativi al motore,
elaborare i dati per determinare una configurazione per i mezzi per bloccare secondo un criterio di efficienza energetica per il motore;
pilotare i mezzi per bloccare onde realizzare la configurazione determinata.
7. Motore secondo una qualsiasi rivendicazione precedente, comprendente mezzi (40) per bloccare selettivamente la rotazione relativa di due component1 adiacenti.
8. Veicolo comprendente un motore come ad una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.
9. Veicolo secondo la rivendicazione 8, in cui il sistema a microprocessore ? programmato per rilevare in tempo reale da sensori dei dati relativi al veicolo,
elaborare i dati per determinare una configurazione per i mezzi per bloccare secondo un criterio di efficienza per il motore;
pilotare i mezzi per bloccare onde realizzare la configurazione determinata.
10. Veicolo secondo la rivendicazione 9 o 10, in cui il sistema a microprocessore ? programmato per determinare detta configurazione
calcolando, per ogni possibile configurazione dei mezzi per bloccare, una pluralit? di formule matematiche che hanno per argomento tutti o alcuni dei dati provenienti dai sensori,
selezionando poi, in base ad un criterio di efficienza energetica del motore e/o veicolo, un risultato tra tutti i risultati delle formule matematiche,
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20060249319A1 (en) * 2005-05-09 2006-11-09 Ford Global Technologies, Llc Dual rotor motor for a hybrid vehicle transmission
JP2008236962A (ja) * 2007-03-23 2008-10-02 Toyota Central R&D Labs Inc 回転電機及びそれを備えるハイブリッド駆動装置
DE102018202837A1 (de) * 2018-02-26 2019-08-29 Audi Ag Antriebsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug

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