ITPN20080051A1 - Macchina operatrice, in particolare una motopompa a motore assiale - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

della domanda di brevetto per invenzione avente per titolo:

"MACCHINA OPERATRICE, IN PARTICOLARE UNA MOTOPOMPA A

MOTORE ASSIALE"

La presente invenzione si riferisce ad una macchina operatrice, in particolare una motopompa a motore assiale, che comprende una camera in cui è disposta una girante concentrica rotante attorno ad un asse e munita di palette atte ad imprimere ad un fluido di lavoro della pompa, sia esso in forma liquida o gassosa, un impulso cinetico in uscita dalla pompa.

Un fattore importante da considerare nella progettazione di tali macchine operatrici per l'impiego in molti settori applicativi, come ad esempio nel settore degli elettrodomestici quali lavatrici o lavastoviglie, consiste nella riduzione del volume di ingombro della macchina per renderla sempre più integrata nella struttura che la incorpora allo scopo di poter disporre di un volume Interno utile maggiore o di permettere l'impiego della macchina in applicazioni in cui lo spazio disponibile per il suo alloggiamento presenta rilevanti vincoli dimensionali.

Un altro aspetto particolarmente critico nella progettazione di queste macchine riguarda l'affidabilità della tenuta ermetica degli organi rotanti; infatti le guarnizioni della parte rotorica sono soggette ad usura per frizione che provoca il rapido deterioramento delle guarnizioni stesse e quindi lo scadimento delle caratteristiche di tenuta con la possibilità di malfunzionamenti della macchina a causa di infiltrazioni o di perdite di carico.

La domanda di brevetto US 2005/0147512 mostra una pompa rotativa per impiego in campo medicale, in particolare in applicazioni nel settore cardiocircolatorio quale ausilio alla funzione di pompaggio del cuore di un paziente; la pompa comprende una girante supportata da cuscinetti magnetici di tipo assiale, costituiti da un magnete incorporato nella girante e due avvolgimenti statorici contrapposti; il campo magnetico creato dal magnete e dagli avvolgimenti fa, per così dire, galleggiare la girante all'interno del corpo di contenimento.

Pur risultando di dimensioni particolarmente ridotte, anche in considerazione delle applicazioni a cui è destinata, i concetti costruttivi di questo tipo di pompa permettono di ottenere potenze adeguate per l'applicazione in campo medico, ma assolutamente insufficienti per applicazioni nel campo industriale, quale ad esempio l'impiego nel settore degli elettrodomestici.

Inoltre la presenza di cuscinetti elettromagnetici implica la necessità di un controllo continuo ed estremamente accurato dell'alimentazione degli avvolgimenti statorici per poter mantenere flottante la girante tra i due avvolgimenti; infatti una minima variazione di potenziale tra i due avvolgimenti determina l'attrazione della girante, che incorpora il magnete, verso l'uno o l'altro avvolgimento con la possibilità di compromettere il corretto funzionamento della pompa. Un altro inconveniente è dato dal fatto che il tubo di ingresso della pompa passa attraverso un avvolgimento statorico, per cui il diametro del tubo è soggetto a forti vincoli dimensionali; conseguentemente la portata di fluido di lavoro è limitata da tali vincoli dimensionali, motivo per il quale la pompa è adatta in applicazioni in cui vi siano basse portate di fluido, come accade appunto in campo medicale.

Compito di quanto forma oggetto della presente invenzione è quindi quello di superare gli inconvenienti della tecnica nota sopra evidenziati.

Nell'ambito del compito sopra esposto, uno scopo delia presente invenzione è quello di escogitare una macchina operatrice, in particolare una motopompa a motore assiale, in cui il volume dì ingombro, in particolare le dimensioni assiali, sia considerevolmente ridotto, pur mantenendo la capacità di fornire una potenza adeguata per l'impiego in campo industriale.

Un altro scopo della presente invenzione è quello di escogitare una macchina operatrice in cui sia possibile eliminare gli elementi di tenuta tra il fluido e le parti rotanti, in particolare tra il fluido ed il motore, garantendo comunque la tenuta ermetica delle parti rotanti stesse.

Un ulteriore scopo è quello di realizzare una macchina operatrice in cui la tenuta ermetica tra le parti rotanti ed il fluido sia garantita ed affidabile nel tempo, eliminando o riducendo notevolmente le cause di usura per frizione.

Ancora uno scopo è quello di semplificare te modalità di controllo dell'alimentazione del motore elettrico garantendo allo stesso tempo la corretta funzionalità della macchina.

Non ultimo scopo è quello di realizzare una macchina operatrice a costi competitivi ed ottenibile con gli usuali e noti macchinari ed impianti.

Il compito, gli scopi ed i vantaggi sopra indicati, nonché altri che meglio appariranno nella descrizione che segue, vengono raggiunti da una macchina operatrice, in particolare una motopompa a motore assiale, come definita alla rivendicazione 1.

Le rivendicazioni dipendenti definiscono ulteriori caratteristiche della macchina operatrice secondo la presente invenzione, che verranno illustrate meglio nella descrizione di una particolare, ma non esclusiva, forma di realizzazione illustrata a titolo esemplificativo e non limitativo nelle allegate tavole di disegno in cui:

la figura 1 illustra, in una vista prospettica, una macchina operatrice secondo la presente invenzione;

la figura 2 è una vista prospettica in esploso dei principali componenti della macchina operatrice di cui alla figura 1; la figura 3 rappresenta un componente della macchina operatrice di cui alla figura 1 secondo una vista in sezione lungo un piano diametrale;

la figura 4 è una vista in pianta della macchina operatrice di cui alla figura 1;

la figura 5 è una vista in sezione lungo il piano V-V della macchina operatrice mostrata in figura 4;

la figura 6 è una vista prospettica in esploso di una seconda forma realizzativa di una macchina operatrice secondo la presente invenzione;

le figure 7 e 8 mostrano una terza forma realizzativa di una macchina operatrice secondo la presente invenzione;

le figure 9 e 10 illustrano una quarta forma realizzativa di una macchina operatrice secondo la presente invenzione; la figura 11 illustra una quinta forma realizzativa; la figura 12 illustra una sesta forma realizzativa.

Con riferimento alle figure precedentemente citate, la macchina operatrice, quale una motopompa a motore assiale, comprende un distributore 1 con una entrata 2 ed almeno una uscita 3 per un fluido di lavoro, un gruppo rotorico 18 che comprende essenzialmente una girante 4 ed un rotore a magneti permanenti 5 magnetizzato assialmente ed associato in maniera solidale alla girante 4; una flangia 6 separa il gruppo rotorico 18 da un gruppo statorico 7, formato essenzialmente da uno statore multipolare che comprende una pluralità di poli magnetici 8 collegati ad un giogo 9 ed una pluralità di bobine statoriche 10 ciascuna avvolta attorno ad un rispettivo polo magnetico 8. Ciascuna bobina statorica 10 è alimentata tramite una connessione elettrica 11 collegata ad una piastra di base 12; lo statore 7 è contenuto^ entro un corpo 13 provvisto di connettori 14 collegati, da un lato, alla piastra di base 12; dall'altro lato, i connettori 14 sono collegabili, mediante mezzi noti, alla rete elettrica di alimentazione ed ai segnali di controllo e comando.

Vantaggiosamente può essere previsto un circuito elettronico 15 per il controllo ed il comando dell'alimentazione del gruppo statorico 7, alloggiato sulla piastra di base 12.

Tra la girante 4 e la flangia 6 sono previsti appositi mezzi di guida per guidare la rotazione della girante 4 lungo un asse A perpendicolare al rotore 5; tali mezzi di guida possono essere costituiti da una scanalatura circolare 16, ricavata ad esempio sulla flangia 6, impegna bile con una corrispondente corona circolare prevista sulla girante 4 o su! rotore 5, come più sotto specificato. Si intende naturalmente che l'inversione di tale disposizione è del tutto equivalente ai fini della presente invenzione.

Secondo una forma di realizzazione preferita, mostrata in figura 3, il gruppo rotorico 18 viene ottenuto mediante sovrainiezione della girante 4 sul rotore 5, per cui si viene a creare sulla girante 4 un sottile disco 19 di supporto del rotore 5 ed in appoggio sulla flangia 6; da questo disco 19 si estende, in direzione della scanalatura 16 sulla flangia 6, una corona circolare 17 sporgente dal disco 19.

Naturalmente possono essere previste forme realizzative diverse dei mezzi di guida, senza con ciò uscire dal concetto inventivo della presente invenzione.

Vantaggiosamente il rotore 5 può essere formato da una porzione di magneti permanenti 21 e da una porzione in materia ferromagnetico 22, allo scopo di migliorare l'efficienza o aumentare potenza della macchina operatice.

Il funzionamento della macchina operatrice secondo la presente invenzione è il seguente: lo statore multipolare 7, una volta che le bobine 10 sono alimentate elettricamente attraverso i connettori 14 e le connessioni 11, imprime una rotazione al rotore a magneti permanenti 5 il quale pone in rotazione la girante 4, essendo il rotore 5 solidalmente connesso a quest'ultima.

Il rotore 5 è trascinato in rotazione ed attratto dalla forza elettromagnetica esercitata dallo statore 7, per cui il gruppo rotorico 18, che comprende la girante 4 ed il rotore 5, viene posto in rotazione poggiando a strisciamento sulla flangia 6; la rotazione del gruppo rotorico 18 è guidata dai mezzi di guida posti tra il gruppo rotorico 18 stesso e la flangia 6, nel caso specifico dall'impegno tra la scanalatura 16 della flangia 6 con la corona circolare 17 della girante 4.

Da quanto precede risulta quindi evidente come la presente invenzione consegua gli scopi ed i vantaggi inizialmente previsti: si è infatti escogitata una macchina operatrice, in particolare una motopompa a motore assiale, capace di superare gli inconvenienti e le limitazioni delie soluzioni note.

In primo luogo la macchina operatrice oggetto della presente invenzione permette di ridurre notevolmente i volumi di ingombro, in particolare le dimensioni assiali complessive della macchina, grazie al fatto che il rotore 5 viene incorporato nella girante 4 e che qualsiasi elemento di tenuta ermetica rotante tra il fluido di lavoro ed il gruppo rotorico 18 è assente. Infatti il trascinamento in rotazione del rotore 5 per effetto del campo elettromagnetico creato dal gruppo statorico 7 trasmette il moto di rotazione alla girante 4 consentendo di eliminare il convenzionale albero motore per la trasmissione del moto alla girante; grazie a ciò, ia flangia 6 può essere realizzata in pezzo pieno senza aperture, non essendo più necessaria l'apertura per il passaggio dell'albero motore che rendeva necessario l'impiego di elementi di tenuta rotante per evitare i possibili trafilamenti del fluido di lavoro.

L'eliminazione degli elementi di tenuta rotante permette inoltre di eliminare una importante causa di malfunzionamento della macchina derivante dall'usura di tali elementi; infatti la tenuta ermetica viene ottenuta solamente in corrispondenza della giunzione tra la flangia 6 ed il distributore 1, e quindi tra componenti non in moto relativo, per cui è possibile impiegare unicamente elementi di tenuta statici non soggetti ad usura per frizione. Le capacità di tenuta della macchina ottimali ed affidabili nel tempo sono quindi garantite.

Inoltre il supporto a strisciamento del gruppo rotorico 18 sulla flangia 6 permette di semplificare notevolmente le modalità di controllo dell'alimentazione del gruppo statorico 7: infatti la forza di attrazione del campo magnetico è unidirezionale ed orientata nel senso di attrarre il gruppo rotorico 18 verso la flangia 6.

Un ulteriore vantaggio consiste nella possibilità di incorporare le connessioni elettriche e l'eventuale circuito elettronico di controllo e comando 15 all'interno del gruppo statorico 7 grazie alla migliore,^ distribuzione dei volumi interni, con un considerevole recupero di spazio nell'applicazione finale.

Naturalmente il trovato è suscettibile di numerose modifiche o varianti senza con ciò uscire dall'ambito di protezione della presente invenzione come definito alla rivendicazione 1.

Così ad esempio in figura 6 si è raffigurata una seconda forma realizzativa della macchina operatrice secondo la presente invenzione, in cui il gruppo statorico 7A comprende unicamente una pluralità di bobine statoriche 10A ciascuna avvolta a formare un rispettivo polo magnetico. Questa forma realizzativa è indicata per macchine operatrici nelle quali la potenza richiesta per la specifica applicazione industriale non è elevata, per cui il campo magnetico creato dalle sole bobine 10A è sufficiente a fornire tale potenza.

In una terza forma di realizzazione, mostrata nelle figure 7 e 8, il gruppo rotorico 18B comprende un rotore 5B solidalmente connesso inferiormente alla girante 4B mediante procedimenti noti, quali saldatura, incollaggio o altri; inferiormente al rotore 5B sporge una corona circolare 17B che forma, assieme alla scanalatura 16B della flangia 6B, i mezzi di guida per la rotazione della girante 4B.

Nelle figure 9 e 10 è illustrata una quarta forma realizzativa, in cui ad una macchina operatrice realizzata in accordo con quanto sopra descritto è stato aggiunto un elemento riscaldante 20, quale ad esempio una resistenza elettrica o un riscaldatore ad induzione o dispositivi simili; l'elemento riscaldante 20 è avvolto, internamente od esternamente, attorno al distributore 1C, oppure incorporato nel medesimo, e vantaggiosamente alimentato attraverso la conni elettrica 11C che alimenta le bobine 10C e/o l'eventuale circuito elettronico 15C. Anche gli opportuni elementi di protezione ed i sensori per controllare il surriscaldamento dell'elemento riscaldante 20 potranno essere alimentati attraverso la connessione elettrica 11C e/o l'eventuale circuito elettronico 15C.

Un coperchio protettivo 23 è preferibilmente previsto per proteggere e isolare termicamente l'elemento riscaldante 20 dall'ambiente esterno.

L'incorporazione di un elemento riscaldante 20 nella macchina operatrice come più sopra descritta permette di trasferire calore dal rotore al fluido di lavoro per incrementare l'efficienza termodinamica del sistema, qualora sia richiesto il riscaldamento del fluido di lavoro. Inoltre la potenza dell'elemento riscaldante può essere ridotta in quanto viene sfruttata una parte del calore generato dal rotore.

In figura 11 si è rappresentata una quinta forma realizzativa, in cui lo statore multipolare comprende una sola bobina 10D ed il flusso viene convogliato attraverso una pluralità di poli magnetici 8D, preferibilmente realizzati in materiale ferromagnetico, che si richiudono alternativamente sul lato superiore della bobina 10D a formare della alternanze di poli Nord-Sud. Vantaggiosamente, in una configurazione particolarmente economica, i poli possono essere realizzati mediante lamiera opportunamente tagliata e piegata.

Con questa ulteriore forma realizzativa, adatta per applicazioni dove è richiesta una potenza ridotta quali pompe di scarico, circolatori economici per forni o stufe, circolatori per piccoli impianti di trattamento acqua ecc., si consegue un ulteriore e considerevole abbattimento dei costi di realizzazione grazie alla semplificazione estrema dei componenti, pur garantendo comunque la separazione tra fluido e parte asciutta in assenza di tenuta rotante.

In figura 12 si è illustrata una sesta forma realizzativa, analoga alla precedente, in cui si hanno due bobine 10E, 10Έ disposte concentriche tra loro e parzialmente racchiuse da una rispettiva prima e seconda pluralità di poli magnetici 8E, 8Έ; questi ultimi si richiudono alternativamente sui lati superiori delle rispettive bobine 10E, 10'E a formare della alternanze di poli Nord-Sud.

Naturalmente i materiali utilizzati per la realizzazione della presente invenzione, nonché le forme e le dimensioni dei singoli componenti, potranno essere i più idonei a seconda delle specifiche esigenze.

Claims (11)

1. RIVENDICAZIONI 1) Macchina operatrice, in particolare una motopompa a motore assiale, comprendente un gruppo rotorico (18; 18A; 18B; 18C; 18D; 18E) ed un gruppo statorico (7; 7A; 7B; 7C; 7D; 7E), detto gruppo rotorico comprendendo una girante (4; 4A; 4B; 4C; 4D; 4E) alla quale è solidalmente associato un rotore (5; 5A; 5B; 5C; 5D; 5E) a magneti permanenti, caratterizzata dal fatto che detto gruppo statorico comprende un singolo statore multipolare (8, 9, 10; 10A; 8B, 9B, 10B; 8C, 9C, 10C; 8D, 9D, 10D; 8E, 8Έ, 9E, 10E, 10Έ) interagente con detto rotore per imprimere una rotazione a detta girante lungo un asse (A) perpendicolare a detto rotore, detto gruppo rotorico essendo girevolmente supportato da una flangia (6; 6A; 6B; 6C; 6D; 6E) atta a separare detto gruppo rotorico da detto gruppo statorico, mezzi di guida (16, 17; 16B, 17B; 16C; 16D; 16E) essendo previsti tra detto gruppo rotorico e detta flangia per guidare la rotazione di detta girante attorno a detto asse (A).
2. 2) Macchina operatrice come alla rivendicazione 1, in cui detto rotore (5; 5A; 5B; 5C; 5D; 5E) è magnetizzato assialmente.
3. 3) Macchina operatrice come alla rivendicazione 1, in cui detti mezzi di guida (16, 17) comprendono una scanalatura circolare (16) ricavata su detta flangia (6) impegnabile con una corrispondente corona circolare (17) che si estende da detta girante (4) in direzione di detta flangia (6).
4. 4) Macchina operatrice come alia rivendicazione 3, in cui detta girante (4) è ottenuta mediante sovrainiezione su detto rotore (5).
5. 5) Macchina operatrice come alla rivendicazione 1, in cui detti mezzi di guida (16B, 17B) comprendono una scanalatura circolare (16B) ricavata su detta flangia (6B) impegnabile con una corrispondente corona circolare (17B) che si estende da detto rotore (5B), reso solidale a detta girante (4B), in direzione di detta flangia (6B).
6. 6) Macchina operatrice come alla rivendicazione 1, in cui detto statore multipolare include una pluralità di poli magnetici (8; 8B; 8C) collegati ad un giogo (9; 9B; 9C), ed una pluralità di bobine (10; 10B; 10C) ciascuna avvolta attorno ad un rispettivo polo magnetico di detta pluralità di poli magnetici (8; 8B; 8C).
7. 7) Macchina operatrice come alla rivendicazione 1, in cui detto statore multipolare include una pluralità di bobine (10A) ciascuna avvolta a formare un rispettivo polo magnetico.
8. 8) Macchina operatrice come alla rivendicazione 1, in cui detto statore multipolare comprende almeno una bobina (10D; 10E, 10'E) almeno parzialmente racchiusa da una pluralità di poli magnetici (8D; 8E, 8Έ) che si rinchiudono alternativamente sul lato superiore di detta almeno una bobina a formare una rispettiva pluralità di alternanze Nord-Sud.
9. 9) Macchina operatrice come alla rivendicazione 8, in cui detto statore multipolare comprende almeno una prima bobina (10E) ed una seconda bobina (10Έ) almeno parzialmente racchiuse, rispettivamente, da una prima pluralità di poli magnetici (8E) e da una seconda pluralità di poli magnetici (8Έ), dette prima bobina (10E) e seconda bobina (10'E) e, rispettivamente, dette prima pluralità di poli magnetici (8E) e seconda pluralità di poli magnetici (8Έ) essendo concentricamente disposte tra loro.
10. 10) Macchina operatrice come ad una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui detto gruppo rotorico (18; 18A; 18B; 18C; 18D; 18E) è contenuto in un distributore (1; 1A; 1B; 1C; 1D; 1E) provvisto di una apertura di entrata (2; 2A; 2B; 2C; 2D; 2E) ed almeno una apertura di uscita (3; 3A; 3B: 3C; 3D; 3E), detto distributore essendo connesso a tenuta ermetica a detta flangia (6; 6A; 6B; 6C; 6D; 6E).
11. 11) Macchina operatrice come alla rivendicazione IO, in cui almeno un elemento riscaldante (20) è associabile a detto distributore (D-12) Macchina operatrice come alia rivendicazione 11, in cui detto elemento riscaldante (20) è avvolto, esternamente o internamente, o incorporato a detto distributore (1C).