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Evoluzione tecnologica per il miglioramento delle macchine elettriche rotanti

Negli ultimi anni la necessità di ridurre le emissioni mondiali di gas a effetto serra ha portato, tra le altre cose, a studiare e realizzare tecnologie innovative nel campo delle macchine elettriche rotanti, mirate a:
1) Aumentare il rendimento degli utilizzatori primari di energia elettrica, ossia i motori elettrici 2)Incrementare lo sfruttamento delle fonti rinnovabili, aumentando l'efficienza di generatori eolici ed idroelettrici 3) Migliorare le prestazioni dei motori nella trazione elettrica, inclusi i veicoli ibridi, contenendone i costi

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mcTER Energy Storage giugno 2019 Energy Storage per l'efficienza energetica: tecnologie, normativa, soluzioni

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Gli atti dei convegni e più di 10.000 contenuti su www.verticale.net Energy Storage Termotecnica Industriale Pompe di Calore 1 SEMINARIO CEI mcTER, MILANO '' 27/06/2019 © Riproduzione riservata COMITATO ELETTROTECNICO ITALIANO © Riproduzione riservata EVOLUZIONE TECNOLOGICA PER IL MIGLIORAMENTO DELLE MACCHINE ELETTRICHE ROTANTI Lucia Frosini Università di Pavia San Donato Milanese (MI) 27 Giugno 2019 ore 11.30 Crowne Plaza Hotel Via K. Adenauer 3, San Donato Milanese (MI) Energy Storage: tecnologie innovative e normativa per l'efficienza energetica 2 SEMINARIO CEI mcTER, MILANO '' 27/06/2019 © Riproduzione riservata COMITATO ELETTROTECNICO ITALIANO Introduzione Negli ultimi anni la necessità di ridurre le emissioni mondiali di gas a effetto serra ha portato, tra le altre cose, a studiare e realizzare tecnologie innovative nel campo delle macchine elettriche rotanti, mirate a: Incrementare lo sfruttamento delle fonti rinnovabili, aumentando l''efficienza di generatori eolici ed idroelettrici Aumentare il rendimento degli utilizzatori primari di energia elettrica, ossia i motori elettrici Migliorare le prestazioni dei motori nella trazione elettrica, inclusi i veicoli ibridi, contenendone i costi 3 SEMINARIO CEI mcTER, MILANO '' 27/06/2019 © Riproduzione riservata COMITATO ELETTROTECNICO ITALIANO Introduzione Questi tre obiettivi principali hanno portato ad un''evoluzione tecnologica in diverse applicazioni delle macchine elettriche rotanti: Generatori eolici di diversa taglia che necessitano di lavorare in un ampio range di velocità, in particolare a basse velocità ed elevata coppia Motori elettrici funzionanti in servizio S1, generalmente a velocità fissa, senza la necessità di un convertitore di potenza, per ridurre i consumi Motori per veicoli elettrici che lavorano in un ampio range di velocità, anche elevate, e devono essere di dimensioni contenute (elevata densità di potenza) VELOCIT' VARIABILE VELOCIT' FISSA 4 SEMINARIO CEI mcTER, MILANO '' 27/06/2019 © Riproduzione riservata COMITATO ELETTROTECNICO ITALIANO Per uniformare i sistemi di classificazione del rendimento dei motori elettrici, nel 2008 è stata emanata la norma IEC 60034-30, recepita in Europa nel 2009 e in Italia nel 2011 con la CEI EN 60034-30 Classi di rendimento dei motori asincroni trifase con rotore a gabbia ad una sola velocità: nuove classi di rendimento IE (International efficiency) per motori asincroni trifase, a 50-60 Hz, rotore a gabbia, una sola velocità, con le seguenti caratteristiche: tensione nominale fino a 1000 V; 2, 4 o 6 poli; potenza nominale compresa tra 0,75 kW e 375 kW; targati per servizio S1 (servizio continuo) o S3 (intermittente periodico) con un rapporto di intermittenza nominale uguale o superiore all''80%; in grado di funzionare collegati direttamente alla linea di alimentazione. Tali norme sono state poi aggiornate nel 2014 con la IEC 60034-30-1, recepita in Italia nel 2015 con la CEI EN 60034-30-1. Norme IEC e CEI EN sulle classi di rendimento 5 SEMINARIO CEI mcTER, MILANO '' 27/06/2019 © Riproduzione riservata COMITATO ELETTROTECNICO ITALIANO Sono esclusi dall''applicazione della IEC 60034-30-1: motori realizzati solo per funzionamento con convertitore; motori realizzati per breve tempo di funzionamento (servizio S2) o per operazioni di commutazione (servizio da S3, con rapporto di intermittenza nominale < 80%, a S10); motori completamente integrati in una macchina (es. pompe, ventilatori, compressori) che non possono essere provati separatamente dalla macchina. Per le macchine a velocità variabile, è uscita nel 2016 la IEC TS 60034-30-2 Rotating electrical machines: Efficiency classes of variable speed AC motors. Ma le norme IEC 60034-30 non sono obbligatorie. Lo è invece il Regolamento 640/2009 (Direttiva UE sui motori elettrici), che stabilisce i requisiti minimi di rendimento da rispettare per legge: il suo campo di applicazione è molto simile, ma più limitato, rispetto alla IEC 60034-30-1. Norme IEC 60034-30 e Regolamento 640/2009 6 SEMINARIO CEI mcTER, MILANO '' 27/06/2019 © Riproduzione riservata COMITATO ELETTROTECNICO ITALIANO Norme IEC 60034-30 e Regolamento 640/2009 7 SEMINARIO CEI mcTER, MILANO '' 27/06/2019 © Riproduzione riservata COMITATO ELETTROTECNICO ITALIANO Le classi di rendimento definite dalla prima versione della norma IEC e dalla Direttiva UE sono tre: IE1 '' Efficienza standard IE2 '' Alta efficienza IE3 '' Efficienza premium Classi di rendimento 8 SEMINARIO CEI mcTER, MILANO '' 27/06/2019 © Riproduzione riservata COMITATO ELETTROTECNICO ITALIANO Classi di rendimento La nuova norma IEC 60034-30-1:2014 introduce con valore legislativo la classe IE4 (Efficienza super premium) e amplia la gamma dei motori, includendo anche motori monofase e a magneti avviabili da rete. ' prevista l''introduzione di un livello IE5 (Efficienza ultra premium) in una prossima edizione. Viene inoltre esteso il range di potenza tra 0,12 kW e 1000 kW e il numero di poli fino a 8. Rimangono esclusi i motori a più velocità. 9 SEMINARIO CEI mcTER, MILANO '' 27/06/2019 © Riproduzione riservata COMITATO ELETTROTECNICO ITALIANO Per il momento l''obbligo è che i motori commercializzati in Europa, con potenza tra 0,75 e 375 kW e aventi le caratteristiche precedentemente definite devono avere efficienza IE3. In alternativa, efficienza IE2 se alimentati da inverter. Ma si prevedono ulteriori restrizioni in futuro. Questo range di potenze è quello maggiormente diffuso in ambito industriale, e non solo, nelle più svariate applicazioni. Obblighi di legge nuove tecnologie per motori asincroni ad alto rendimento motori brushless (a magneti permanenti) motori a riluttanza variabile (SRM e SynRM) Quali sono le alternative a disposizione di costruttori e utilizzatori' 10 SEMINARIO CEI mcTER, MILANO '' 27/06/2019 © Riproduzione riservata COMITATO ELETTROTECNICO ITALIANO taglia residenziale agricoltura trasporti commerciale industriale Gas, acqua Micro < 0,12 kW Computer, giocattoli, piccoli elettrodomestici Ausiliari nelle autovetture (parabrezza, finestrini, ecc.) Attrezzature da ufficio (fotocopiatrici, ecc.) Piccoli 0,12- 0,75 kW Elettrodomestici (lavatrici, frigoriferi) Pompe irrigazione per piccoli campi Ausiliari nelle autovetture (HVAC, starter) Attrezzature da ufficio Utensili elettrici, piccole pompe e ventilatori Medi 0,75- 375 kW HVAC, pompe acqua, elettrodomestici Pompe irrigazione per grandi campi Trazione elettrica (automobili) HVAC, pompe acqua per grandi edifici Ventilatori, pompe, compressori, nastri trasportatori, macchine di processo Grandi > 375 kW Trazione elettrica (treni) Ventilatori, pompe, compressori, macchine di processo Pompe acqua, pompe liquami, compressori gas 11 SEMINARIO CEI mcTER, MILANO '' 27/06/2019 © Riproduzione riservata COMITATO ELETTROTECNICO ITALIANO Migliorare il rendimento significa ridurre le perdite, ma non tutte le perdite pesano allo stesso modo sul rendimento di un motore asincrono e il loro peso varia a seconda della taglia del motore. Per questi motivi, le tecnologie che sono risultate più vantaggiose per raggiungere i livelli minimi di rendimento richiesti dalle nuove norme sono: Come migliorare il rendimento degli asincroni a) rotore a barre saldate in rame, anziché rotore pressofuso in alluminio, per potenze tra 150 e 375 kW circa; b) rotore pressofuso in rame, anziché rotore pressofuso in alluminio, per potenze di qualche decina di kW; c) ottimizzazione del design della cava di rotore (per rotore pressofuso); d) utilizzo di lamierini a basse perdite; e) allungamento del nucleo statorico e rotorico. 12 SEMINARIO CEI mcTER, MILANO '' 27/06/2019 © Riproduzione riservata COMITATO ELETTROTECNICO ITALIANO a) Barre saldate in rame vs. pressofuse in al uminio Nel range 150-375 kW, il rotore a barre
saldate in rame
permette di ottenere un
maggior rendimento, sebbene ad un maggior
costo
, non solo per i materiali ma anche per la
difficoltà e i tempi di lavorazione. Il rotore pressofuso in
alluminio è la miglior
scelta in applicazioni a
velocità variabile, quando:
'' è richiesta una rapida risposta a variazioni di
velocità; '' velocità > 3500 rpm, per le forze centrifughe
agenti sulle barre. 13 SEMINARIO CEI mcTER, MILANO '' 27/06/2019 © Riproduzione riservata COMITATO ELETTROTECNICO ITALIANO a) Barre saldate in rame vs. pressofuse in al uminio All''aumentare della potenza, la differenza di costo tra rotore a barre saldate in
rame e rotore pressofuso in alluminio diminuisce:
'' aumentano le dimensioni dello stampo del rotore pressofuso e quindi aumenta il suo costo; '' il rotore a barre saldate in rame produce minori perdite per effetto Joule e quindi consente di ridurre della lunghezza del nucleo, a parità di altre
condizioni. Per motori di elevata potenza (> 500 kW) e/o elevato numero di poli (> 10), il
rotore pressofuso in alluminio non viene nemmeno preso in considerazione a
causa della non disponibilità di uno stampo di tali dimensioni. 14 SEMINARIO CEI mcTER, MILANO '' 27/06/2019 © Riproduzione riservata COMITATO ELETTROTECNICO ITALIANO Fino a pochissimi anni fa, il rame era raramente impiegato per la costruzione
dei rotori pressofusi. Motivo principale: il rame fonde a una temperatura decisamente superiore
rispetto all''alluminio (1083°C vs. 658 °C), quindi la pressofusione del rame
risulta più costosa energeticamente e più complessa, col rischio di ottenere
scarso riempimento delle cave di rotore, formazione di porosità da gas,
formazione di cavità da ritiro, come nelle seguenti immagini. b) Rotore pressofuso in rame vs. in alluminio 15 SEMINARIO CEI mcTER, MILANO '' 27/06/2019 © Riproduzione riservata COMITATO ELETTROTECNICO ITALIANO Con l''introduzione dei nuovi livelli di efficienza, resi obbligatori dalla Direttiva
UE, le tecniche di pressofusione dei rotori in rame si sono diffuse su larga scala
e sono diventate competitive per motori asincroni di piccola-media taglia. Nuove soluzioni tecnologiche:
'' leghe di Nichel per migliorare la resistenza dello stampo;
'' utilizzo di software che simulano il processo di riempimento dello stampo;
'' isolamento del pacco di lamierini, preriscaldamento dello stampo e raffreddamento immediato. b) Rotore pressofuso in rame vs. in alluminio Attualmente la realizzazione
di rotori pressofusi in rame è
ancora molto poco diffusa e
sono pochissime le aziende
che li producono. 16 SEMINARIO CEI mcTER, MILANO '' 27/06/2019 © Riproduzione riservata COMITATO ELETTROTECNICO ITALIANO L''ottimizzazione del design risiede principalmente nel progettare la forma della cava di rotore più adatta al materiale conduttore impiegato. Infatti, passando da un rotore in alluminio ad un rotore in rame, mantenendo stessa forma e stessa dimensione della cava, si riduce la resistenza di rotore e, di conseguenza, si ha una maggiore corrente all''avviamento e una ridotta coppia all''avviamento, che sono condizioni svantaggiose. Pertanto, se il rotore originale in alluminio aveva cave del tipo a gabbia singola, si possono ottenere miglioramenti, in termini di minore corrente all''avviamento e maggiore coppia all''avviamento, adottando per il rotore in rame la doppia gabbia. alluminio rame c) Ottimizzazione del design della cava di rotore 17 SEMINARIO CEI mcTER, MILANO '' 27/06/2019 © Riproduzione riservata COMITATO ELETTROTECNICO ITALIANO Motore asincrono trifase: o P n = 7,5 kW o V n = 400 V o f = 50 Hz o 4 poli, collegamento a stella. Svantaggio del rotore in rame a doppia gabbia: riduzione della coppia massima, dovuta alla aumentata reattanza di dispersione a carico nominale (migliorabile con un''opportuna geometria della cava). b) c) Rotore in rame e ottimizzazione della cava Tesi di laurea magistrale in Ingegneria Elettrica di Cecilia Brenna, Università di Pavia. IE1 IE2 IE3 18 SEMINARIO CEI mcTER, MILANO '' 27/06/2019 © Riproduzione riservata COMITATO ELETTROTECNICO ITALIANO Per i motori asincroni di media potenza, prima dell''entrata in vigore della
Direttiva UE, veniva generalmente utilizzato il lamierino M600-50A, avente
spessore 0,5 mm e cifra di perdita 6 W/kg a 50 Hz e 1,5 T. Un metodo semplice per aumentare il rendimento dei motori è stato utilizzare il
lamierino M400-50A, avente stesso spessore ma perdite inferiori (4 W/kg). Volendo ridurre ancora di più le perdite, si può usare ad esempio il M250-35A,
con spessore 0,35 mm e perdite 2,5 W/kg. Ulteriori riduzioni delle perdite specifiche si possono ottenere con lamierini
più sottili e fabbricati tramite taglio laser
anziché per punzonatura, che si
prestano per applicazioni ad alta frequenza, per evitare l''eccessivo aumento
delle perdite nel nucleo. Le stesse soluzioni si possono impiegare per aumentare il rendimento anche di
motori brushless e a riluttanza variabile. Ovviamente i lamierini a basse perdite sono più costosi di quelli standard. d) Lamierini a basse perdite 19 SEMINARIO CEI mcTER, MILANO '' 27/06/2019 © Riproduzione riservata COMITATO ELETTROTECNICO ITALIANO L''allungamento del nucleo permette di aumentare la superficie attraversata dal
flusso per polo e di conseguenza diminuire il valore dell''induzione,
mantenendo invariata l''altezza d''asse del motore (e quindi il suo diametro). Per mantenere invariati anche il numero di poli, la tensione di alimentazione e
la coppia nominale, è possibile modificare soltanto pochi altri parametri, tra cui
il numero di conduttori per fase di statore. Un aumento della lunghezza del nucleo produce una limitata riduzione dell''induzione al traferro B e una più consistente riduzione del numero di conduttori per fase di statore N 1. e) Allungamento del nucleo Le perdite nel ferro non diminuiscono, perché dipendono anche dal volume del
ferro, che aumenta. Al contrario, diminuiscono le perdite per effetto Joule
perché diminuisce il numero di conduttori N 1 di statore e aumenta la loro sezione, quindi diminuisce la resistenza dell''avvolgimento di statore. 20 SEMINARIO CEI mcTER, MILANO '' 27/06/2019 © Riproduzione riservata COMITATO ELETTROTECNICO ITALIANO Ulteriori metodi per migliorare il rendimento: '' Perdite negli avvolgimenti: si possono ridurre aumentando la sezione degli avvolgimenti (oltre che di statore) anche di rotore (e quindi anche degli anelli di corto circuito), modificando il numero di cave di rotore e la loro sezione. Risultati simili a quelli ottenuti con l''allungamento del nucleo si possono ottenere aumentando i diametri dei lamierini di statore e rotore, modificando però l''altezza d''asse del motore. '' Perdite per attrito e ventilazione: si possono ridurre con una ventola più piccola o con maggiore efficienza e con cuscinetti a rendimento maggiore (minore attrito). Togliendo le alettature sugli anelli di cortocircuito si riducono le perdite per attrito e ventilazione, ma possono peggiorare le condizioni termiche, quindi questa scelta potrebbe essere controproducente. Come migliorare il rendimento 21 SEMINARIO CEI mcTER, MILANO '' 27/06/2019 © Riproduzione riservata COMITATO ELETTROTECNICO ITALIANO Come migliorare il rendimento

Barre e anelli con
sezione maggiore e/o
resistività minore (Cu
vs. Al) riducono la
resistenza di rotore

Conduttori di statore
con sezione maggiore
riducono la resistenza
di statore Un design
efficiente della
ventola di
raffreddamento
migliora il flusso
d''aria e riduce la
potenza per
muovere la
ventola Statori più lunghi
riducono
l''induzione;
lamierini a
perdite ridotte
riducono le
perdite per
isteresi; lamierini
più sottili
riducono le
perdite per
correnti parassite Un diverso design delle cave di
statore aiuta a diminuire le
perdite nel ferro e fa spazio a
conduttori di diametro maggiore Di conseguenza, un motore a rendimento maggiore: è più costoso; può richiedere una quantità maggiore di materiali (ferro,
rame, alluminio) e presentare quindi un volume maggiore.
Cuscinetti ad attrito
ridotto 22 SEMINARIO CEI mcTER, MILANO '' 27/06/2019 © Riproduzione riservata COMITATO ELETTROTECNICO ITALIANO Tutto questo vale se il motore è a velocità fissa e se non è necessario variarne la velocità per migliorare l''efficienza complessiva del sistema. Come migliorare l''efficienza complessiva Se invece il motore necessita di un convertitore di potenza, la massima efficienza complessiva del sistema può essere raggiunta con motori brushless o a riluttanza variabile. 23 SEMINARIO CEI mcTER, MILANO '' 27/06/2019 © Riproduzione riservata COMITATO ELETTROTECNICO ITALIANO Il motore brushless, o motore sincrono a magneti permanenti (PMSM) è una macchina sincrona a commutazione elettronica con magneti permanenti sul rotore. Differenza principale rispetto ai motori sincroni tradizionali: il flusso di eccitazione è generato da magneti disposti sul rotore. Vantaggi rispetto ai motori sincroni tradizionali: '' immediata disponibilità di coppia; '' materiali magnetici ad alta densità di flusso, come leghe neodimio-ferro- boro (NdFeB) o altre terre rare, permettono di costruire, a parità di coppia, motori più leggeri, compatti e con basso momento di inerzia rotorico; '' assenza di perdite per effetto Joule sul rotore, ma presenza di perdite per correnti parassite nei magneti (comunque molto inferiori a quelle per effetto Joule nei sincroni tradizionali e negli asincroni). Motore brushless 24 SEMINARIO CEI mcTER, MILANO '' 27/06/2019 © Riproduzione riservata COMITATO ELETTROTECNICO ITALIANO L''immediata disponibilità di coppia e la ridotta inerzia rotorica permettono di conseguire elevate prestazioni dinamiche. Vantaggi rispetto ai motori asincroni: dimensioni più piccole a parità di potenza; più elevate prestazioni dinamiche; rendimenti mediamente più alti di quelli dei motori asincroni di analoga taglia; per potenze elevate (centinaia e migliaia di kW) si possono ottenere rendimenti del 98%. Gli svantaggi sono dati da: maggiori costi (dovuti all''impiego di magneti a terre rare) presenza di componenti armoniche di coppia, dovute al cogging e all''alimentazione di corrente non perfettamente sinusoidale, che può essere ridotta con opportune tecniche costruttive e/o di controllo. Motore brushless 25 SEMINARIO CEI mcTER, MILANO '' 27/06/2019 © Riproduzione riservata COMITATO ELETTROTECNICO ITALIANO Motore brushless I motori brushless si distinguono in:  isotropi o Surface-mounted Permanent Magnet (S.P.M.)  anisotropi o Interior Permanent Magnet (I.P.M.) '' magneti inseriti (inset) '' magneti annegati (buried) presentano anche una
coppia di riluttanza Motori a MP Trapezi (DC brushless) Sinusoidali Isotropi (S.P.M.) Anisotropi (I.P.M.) Magneti inseriti Magneti
annegati Isotropi (S.P.M.) 26 SEMINARIO CEI mcTER, MILANO '' 27/06/2019 © Riproduzione riservata COMITATO ELETTROTECNICO ITALIANO Motori brushless a magneti superficiali (S.P.M.): relativamente semplici da realizzare, ridotti costi di produzione; riluttanza magnetica costante al traferro; induzione al traferro solitamente più elevata: tensione indotta maggiore, sono preferibili per ottenere maggiore potenza erogata come generatore ' adatti per generatori eolici (lenti); ridotto ripple di coppia rispetto ai motori con magneti interni; per il funzionamento alle velocità più elevate è necessario dimensionare un sistema di ritenuta dei magneti (bandaggio, anelli, ecc.), che va ad aumentare il traferro magnetico. Motore brushless a magneti superficiali 27 SEMINARIO CEI mcTER, MILANO '' 27/06/2019 © Riproduzione riservata COMITATO ELETTROTECNICO ITALIANO Motori brushless a magneti interni (I.P.M.): meccanicamente molto robusti, magneti meno soggetti a smagnetizzazione; induttanze diverse lungo gli assi d e q (L d < Lq); presenza della coppia di riluttanza; richiedono meno energia per il deflussaggio (range di velocità molto ampio a potenza costante, con efficienza massima): preferiti per raggiungere coppia e potenza maggiori a velocità elevate (elettromandrini e automobili ibride); i magneti interni sono meno soggetti alla formazione di correnti parassite, causate dalla variazione di induzione prodotta dalle armoniche spaziali della f.m.m., dalle armoniche di corrente dovute all''alimentazione, dal passaggio sotto le cave alle velocità più elevate. Motore brushless a magneti interni 28 SEMINARIO CEI mcTER, MILANO '' 27/06/2019 © Riproduzione riservata COMITATO ELETTROTECNICO ITALIANO Generalmente utilizzati per ottenere un
elevato
numero di poli, ossia un''elevata coppia. Motore brushless ad avvolgimenti concentrati PRO CONTRO ' dimensioni minori a parità di potenza
' risparmio di materiale e costi contenuti ' perdite per effetto Joule minimizzate
' basso ripple di coppia e vibrazioni ridotte (alle basse velocità) ' perdite nel ferro contenute (alle basse velocità) ' resistenza ai guasti (fault tolerance) ' presenza di armoniche nel traferro
' maggiori perdite nel ferro e nei magneti (specialmente ad alta velocità) ' ripple di coppia potenzialmente elevato alle alte velocità ' riduzione dell''efficienza
' necessità di apportare modifiche e soluzioni per ridurre le perdite (alle alte
velocità) 29 SEMINARIO CEI mcTER, MILANO '' 27/06/2019 © Riproduzione riservata COMITATO ELETTROTECNICO ITALIANO 1) motore a riluttanza commutata (switched reluctance motor, SRM); 2) motore sincrono a riluttanza (synchronous reluctance motor, SynRM); 3) motore sincrono a riluttanza con magneti permanenti (permanent magnet assisted synchronous reluctance motor, PMaSynRM). Caratteristiche comuni dei motori a riluttanza variabile sono: ' solo lo statore è dotato di avvolgimenti, mentre il rotore non lo è; ' almeno il rotore è anisotropo. Motori a riluttanza variabile I motori a riluttanza variabile si basano sul principio per cui un''armatura mobile di un sistema elettromagnetico tende a muoversi verso la posizione in cui l''induttanza dell''avvolgimento in cui scorre la corrente è massima, ossia la riluttanza del percorso del flusso magnetico da esso prodotto è minima: 30 SEMINARIO CEI mcTER, MILANO '' 27/06/2019 © Riproduzione riservata COMITATO ELETTROTECNICO ITALIANO Il motore a riluttanza commutata (SRM) è, in linea di principio, una delle più semplici macchine elettriche: esso presenta una doppia anisotropia, ossia poli salienti, sia sul rotore che sullo statore. Gli avvolgimenti di statore sono di tipo concentrato, avvolti su ciascun polo. Lo statore ed il rotore sono costituiti da pacchi di lamierini che presentano un numero di poli salienti diverso sulla loro periferia affacciata al traferro. Le configurazioni più comuni sono quella 6/4 (6 poli statorici e 4 poli rotorici) e quella 8/6 (8 poli statorici e 6 poli rotorici). Motore a riluttanza commutata (SRM) 31 SEMINARIO CEI mcTER, MILANO '' 27/06/2019 © Riproduzione riservata COMITATO ELETTROTECNICO ITALIANO Nel rotore non sono presenti né avvolgimenti né magneti permanenti. Su ogni polo statorico vi è una bobina. Le bobine disposte su poli diametralmente opposti sono connesse in serie e formano una fase e, quando sono percorse da corrente continua, creano polarità magnetiche opposte. Alimentando una fase statorica, si genera una coppia che fa muovere il rotore sino a portarlo nella posizione di minima riluttanza. Con un''adeguata alimentazione sequenziale delle bobine, è possibile produrre una coppia regolabile e quindi far ruotare il motore alla velocità desiderata. Tali motori richiedono un adeguato convertitore per commutare la corrente fra le varie fasi statoriche e la possibilità di individuare gli istanti più idonei per effettuare tali commutazioni, tramite un sensore di posizione o attraverso tecniche ''sensorless', analogamente ai motori brushless. Motore a riluttanza commutata (SRM) 32 SEMINARIO CEI mcTER, MILANO '' 27/06/2019 © Riproduzione riservata COMITATO ELETTROTECNICO ITALIANO Motore a riluttanza commutata (SRM) Vantaggi del SRM:
' semplicità costruttiva,
' robustezza (velocità oltre 10.000 rpm),
' affidabilità,
' basso costo,
' alto rendimento,
' facile asportazione del calore,
' basso momento di inerzia. Gli svantaggi principali sono dati dal ripple di coppia e
dal rumore acustico, che possono essere ridotti con
opportuni metodi di controllo. Il loro utilizzo si sta
estendendo a svariati prodotti destinati al grande
consumo, quali lavatrici, ventilatori, aspirapolvere,
pompe, veicoli elettrici
, ecc. 33 SEMINARIO CEI mcTER, MILANO '' 27/06/2019 © Riproduzione riservata COMITATO ELETTROTECNICO ITALIANO 33 Macchina a riluttanza commutata (SRM) Potenze fino a 300 kW 34 SEMINARIO CEI mcTER, MILANO '' 27/06/2019 © Riproduzione riservata COMITATO ELETTROTECNICO ITALIANO La costruzione del rotore è tale da rendere massimo il rapporto tra induttanza lungo l''asse diretto e induttanza lungo l''asse in quadratura: L d/Lq '' 10÷20, L d-Lq >> 0 L''avvolgimento di statore è di tipo trifase distribuito e alimentato con tensione alternata sinusoidale, come quello di un motore asincrono o brushless. Si tratta di una macchina sincrona, perché il rotore si muove in sincronismo con il campo magnetico rotante prodotto dall''avvolgimento di statore. Il motore sincrono a riluttanza (SynRM) presenta una sola anisotropia sul rotore, ottenuta tramite fori opportunamente progettati per ottenere barriere interne che si oppongono al passaggio del flusso, per incanalarlo verso l''asse diretto. Motore sincrono a riluttanza (SynRM) 35 SEMINARIO CEI mcTER, MILANO '' 27/06/2019 © Riproduzione riservata COMITATO ELETTROTECNICO ITALIANO Il funzionamento del SynRM necessita di un convertitore di potenza di tipo tradizionale (diversamente dal SRM), il cui software deve però essere opportunamente adattato, rispetto a quello di un motore asincrono. Motore sincrono a riluttanza (SynRM) 36 SEMINARIO CEI mcTER, MILANO '' 27/06/2019 © Riproduzione riservata COMITATO ELETTROTECNICO ITALIANO I principali punti di forza della macchina SynRM sono: ' elevati valori di rendimento (94-98% a carico nominale), che si mantiene anche a basso carico. ' assenza di magneti permanenti e conseguente riduzione dei costi (rispetto ai motori brushless e ai PMaSynRM). ' assenza di avvolgimenti rotorici e conseguente abbassamento delle perdite e delle temperature di esercizio (rispetto ai motori asincroni). ' relativa semplicità costruttiva (però più complessa rispetto ai SRM). ' facile manutenzione e alta affidabilità; ' può sostituire i motori asincroni standard nel range di potenze 5,5-315 kW, velocità 1500-3000 rpm. ' sconsigliato per velocità elevate per problemi di scarsa robustezza. Motore sincrono a riluttanza (SynRM) 37 SEMINARIO CEI mcTER, MILANO '' 27/06/2019 © Riproduzione riservata COMITATO ELETTROTECNICO ITALIANO Il SynRM si presta a sostituire il motore asincrono in tutte le sue applicazioni a
velocità variabile, escluse le alte velocità (> 3000 rpm), con un ROI di pochi
anni (da 2 a 6 anni, a seconda dell''applicazione). Sono inoltre escluse, per il momento, le taglie oltre i 315 kW. Applicazioni del motore sincrono a riluttanza (SynRM) 38 SEMINARIO CEI mcTER, MILANO '' 27/06/2019 © Riproduzione riservata COMITATO ELETTROTECNICO ITALIANO Il motore sincrono a riluttanza con magneti permanenti è una variante del SynRM, in cui sono inseriti magneti permanenti in alcune barriere di flusso del rotore. Motore sincrono a riluttanza con magneti permanenti (PMaSynRM) 39 SEMINARIO CEI mcTER, MILANO '' 27/06/2019 © Riproduzione riservata COMITATO ELETTROTECNICO ITALIANO Il flusso magnetico dipende sia dall''anisotropia di rotore sia dalla presenza dei magneti permanenti. Il flusso magnetico generato dai magneti permanenti è tuttavia una parte minoritaria del flusso totale (a differenza dei motori brushless) e un numero limitato di magneti è sufficiente a soddisfare questa porzione. Tale condizione rappresenta uno dei principali vantaggi del PMaSynRM rispetto al motore brushless: i magneti permanenti, costruiti con terre rare, rappresentano il maggiore onere economico della macchina e una loro limitazione ne alleggerisce il costo progettuale. Inoltre, si possono usare le ferriti, molto meno costose. PMaSynRM 40 SEMINARIO CEI mcTER, MILANO '' 27/06/2019 © Riproduzione riservata COMITATO ELETTROTECNICO ITALIANO Tecnologia motore Asincrono PMSM Riluttanza variabile Inizio commercializzazione Fine del 19° secolo 21° secolo 21° secolo Percentuale sul ''instal ato > 80% trascurabile trascurabile Massimo livel o di efficienza da catalogo IE4 IE5 IE4 Convertitore elettronico necessario' no sì sì Adatto economicamente per applicazioni a velocità fissa' sì no no Costruzione del rotore Pressofuso in al uminio, saldato o pressofuso in rame Magneti permanenti a terre rare o ferriti Acciaio ferromagnetico Robustezza meccanica Intermedio Il meno robusto a causa della potenziale smagnetizzazione da urti e vibrazioni Il più robusto grazie alla semplicità del rotore (vale per SRM) Confronto del peso totale del motore per efficienza IE4 Il più pesante Il più leggero Intermedio 41 SEMINARIO CEI mcTER, MILANO '' 27/06/2019 © Riproduzione riservata COMITATO ELETTROTECNICO ITALIANO I motori per veicoli elettrici devono soddisfare i seguenti requisiti: potenze nell''ordine delle decine di kW fino a un centinaio di kW; elevata densità di potenza e di coppia (rispetto alle dimensioni e al peso); elevata coppia a bassa velocità ed elevata potenza ad elevata velocità; ampio range di velocità a potenza costante (fino a 6000 rpm e oltre); veloce risposta dinamica; elevata efficienza; affidabilità e robustezza; costo ragionevole. Questi requisiti hanno portato a scegliere, nella maggior parte dei casi, motori brushless, più spesso a magneti interni, ma anche a magneti superficiali e, più raramente, motori asincroni. Motori per veicoli elettrici 42 SEMINARIO CEI mcTER, MILANO '' 27/06/2019 © Riproduzione riservata COMITATO ELETTROTECNICO ITALIANO L''elevato costo dei magneti permanenti ha portato negli ultimissimi anni a valutare alternative ai PMSM per veicoli elettrici. Motori per veicoli elettrici M. Villani, High Performance Electrical Motors for Automotive Applications '' Status and Future of Motors with
Low Cost Permanent Magnets, WMM 2018 International Conference on Magnetism and Metallurgy. Le alternative sono: motori asincroni, già sono ampiamente utilizzati per veicoli più pesanti come furgoni, autobus e camion (potenze > 100 kW). motori a riluttanza commutata (SRM), che però presentano problemi di vibrazioni e rumore, dovuti alle oscillazioni di coppia. 43 SEMINARIO CEI mcTER, MILANO '' 27/06/2019 © Riproduzione riservata COMITATO ELETTROTECNICO ITALIANO Motori per veicoli elettrici ' importante osservare la differenza tra le perdite dominanti alla velocità di base (es. 1500 rpm), ossia quelle per effetto Joule negli avvolgimenti, rispetto alle velocità più elevate (es. 6000 rpm), dove dominano le perdite nel ferro. Prestazioni richieste dal motore e
caratteristiche del lamierino In generale, il rendimento dei motori a magneti permanenti interni (IPM) è maggiore di quelli asincroni (IM) e a riluttanza commutata (SRM). 44 SEMINARIO CEI mcTER, MILANO '' 27/06/2019 © Riproduzione riservata COMITATO ELETTROTECNICO ITALIANO ' importante un confronto relativamente ai pesi e ai costi dei diversi tipi di motore, a parità di potenza fornita. Dalle seguenti tabelle, ottenute tramite simulazioni, il SRM sembra essere vantaggioso in termini di densità di potenza e costi, ma la sua reale efficienza nelle prestazioni complessive deve essere ancora dimostrata. Occorre anche considerare i costi e le difficoltà per l''assemblaggio dei diversi motori. Motori per veicoli elettrici D.G. Dorrell, A.M. Knight, M. Popescu, L. Evans, D.A. Staton, Comparison of different motor design drives for
hybrid electric vehicles, ECCE 2010. Le 45 SEMINARIO CEI mcTER, MILANO '' 27/06/2019 © Riproduzione riservata COMITATO ELETTROTECNICO ITALIANO A.M. El-Refaie, Motors/generators for traction/propulsion applications: A review, IEEE Vehicular Technology
Magazine, Vol. 8, No. 1, March 2013. 46 SEMINARIO CEI mcTER, MILANO '' 27/06/2019 © Riproduzione riservata COMITATO ELETTROTECNICO ITALIANO Grazie mille per la vostra attenzione! Lucia Frosini lucia@unipv.it

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EVOLUZIONE TECNOLOGICA PER IL MIGLIORAMENTO DELLE MACCHINE ELETTRICHE ROTANTI Lucia Frosini Università di Pavia Diapositiva numero 2 Diapositiva numero 3 Diapositiva numero 4 Diapositiva numero 5 Diapositiva numero 6 Diapositiva numero 7 Diapositiva numero 8 Diapositiva numero 9 Diapositiva numero 10 Diapositiva numero 11 Diapositiva numero 12 Diapositiva numero 13 Diapositiva numero 14 Diapositiva numero 15 Diapositiva numero 16 Diapositiva numero 17 Diapositiva numero 18 Diapositiva numero 19 Diapositiva numero 20 Diapositiva numero 21 Diapositiva numero 22 Diapositiva numero 23 Diapositiva numero 24 Diapositiva numero 25 Diapositiva numero 26 Diapositiva numero 27 Diapositiva numero 28 Diapositiva numero 29 Diapositiva numero 30 Diapositiva numero 31 Diapositiva numero 32 Diapositiva numero 33 Diapositiva numero 34 Diapositiva numero 35 Diapositiva numero 36 Diapositiva numero 37 Diapositiva numero 38 Diapositiva numero 39 Diapositiva numero 40 Diapositiva numero 41 Diapositiva numero 42 Diapositiva numero 43 Diapositiva numero 44 Diapositiva numero 45 Diapositiva numero 46


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