TGV, Italo e motori elettrici, anche per aerei......

[jpquattro]

La cosa è nata da una trasmissione sui treni ad alta velocità e loro caratteristiche, Italo c'è entrato perché ha una caratteristica particolare: un carrello a sole 4 ruote, condiviso fra due vagoni, che contiene anche il motore.
Questo motore ha caratteristiche abbastanza inusuali di dimensioni peso e sopratutto potenza.
La cosa mi ha incuriosito un po' e mi sono messo a cercare informazioni... Molte cose le sapevo già, ma su molte altre avevo bisogno di una robusta rinfrescata...

Mi sono reso conto che l'argomento potrebbe essere interessante, per esempio ho scoperto che la Siemens ha sviluppato un motore elettrico per aviazione che sviluppa 260KW e pesa 50 Kg (niente refusi, ho controllato bene...) fanno circa 5 KW per Kg (se preferite più di 6 cavalli...)


Questo la notizia
http://www.rinnovabili.it/mobilita/aerei-elettrici-siemens-motore-piu-potente-333

Insomma ci potrebbe essere materia per una spolveratina a quello che sappiamo sull'argomento...

Interessa? Se interessa ci posso perdere un po' di tempo...

Paolo

[maxlinux2000]

+1

[Ferrobattuto]

È interessante, certamente, anche solo come acquisizione di informazioni, insomma per saperne sempre di più.
Anche se immagino che le sofisticazioni tecnologiche implicate siano grandi.....

[mastrovetraio]

Immagino sia alimentato in alta tensione.

[jpquattro]

Il motore della siemens o quello di Italo?
Il primo nasce per alimentazione a batteria, quindi tensioni alte si, ma senza esagerare...
Il secondo è alimentato dalla linea, in teoria ci si potrebbe sbizzarrire con le tensioni, ma in realtà tutti e due sono moti brushless con controllo elettronico e quindi l'elettronica può salire di tensione, ma neanche tanto... vado a controllare il motore di Italo a quanto funziona...

Paolo

[Dolomitico]

Si,interessa di sicuro,grazie JP,bello un motore per aereo,anche se secondo me l'aereo sarà l'ultimo a essere elettrificato,chissà se le navi sarebbe possibile,non hanno problemi di peso,tuttavia spostarle richiede un bel pò di energia.
Ma anche se sono batterie al litio non durano molto,vedo sui modellini telecomandati,10 minuti di autonomia,15 al massimo maggiorando la batteria,non è male,ma non si va molto lontano...
Che sia possibile usare motori bruschless con avvolgimenti paralleli?
Forse dico una cavolata,ma invece che usare 100V uso 2 avvolgimenti da 50?Forse fanno cosi....

[jpquattro]

Il motore base del carrello di Italo (ogni carrello ne monta 2) sviluppa 750KW e pesa 720 Kg, tuttavia sono stati forzati a 1000KW durante i tentativi di record senza problemi.
La versione italiana di Italo monta 5 carrelli motorizzati, perché le linee ferroviarie italiane sono limitate a 300 Km/h, altrove ne monta 6 o più.
L'alimentazione non si capisce bene, anche perché in mezzo c'è l'elettronica di controllo, ma possono essere alimentati a 1,5 KV o a 3 KV CC, e a varie tensioni, più alte, CA.

Paolo

[jpquattro]

Cominiamo con l'ABC.
Decidiamo di limitarci ai motori rotativi a rotazione continua (non passo-passo)...

Secondo il modo di funzionamento possiamo distinguere:
Motori a spazzole, normalmente per corrente continua, si possono dividere in diverse sottofamigle.
Motori “universali” (sono quasi uguali a quelli a spazzole, ma funzionano anche in CA)
Motori asincroni monofase e plurifase (di solito trifase)
Motori sincroni
Motori brushless (“senza spazzole”)
Motori a riluttanza commutata

Oppure li possiamo classificare secondo l'alimentazione
Motori a corrente continua
Motori a corrente alternata (monofase o plurifase)

Di modi di classificazione ne potremmo trovare molti altri.

Di parametri per classificarli ne possiamo trovare altri, fra questi ci sono sicuramente il rendimento, la forma della curva di coppia, le dimensioni, il peso, la presenza o meno di un sistema di controllo elettronico.

Lo so che molti queste cose le hanno ben chiare, ma vanno comunque dette per sapere almeno di cosa parliamo.
Nei prossimi post continuo: motori a Corrente continua, nelle varie versioni. E poi gli altri.

Quelli che credo siano più innovativi ed interessanti penso siano i motori brushless e i motori a riluttanza commutata, che sono comunque brushless...

Paolo

[jpquattro]

Motori a spazzole a corrente continua.1
Sostanzialmente sono tutti costituiti da uno statore che fornisce un campo magnetico di direzione costante, perpendicolare all'asse del rotore.
Gli avvolgimenti del rotore e il commutatore (le spazzole) creano un campo magnetico che ha sempre direzione perpendicolare a quello dello statore, l'attrazione fra i poli opposti dei due campi magnetici provoca la rotazione.

Questo è uno schema di come sono disposti e collegati gli avvolgimenti del rotore, l'anello esterno è il collettore con le spazzole (brush), dentro sono schematizzate le bobine del rotore.



Questo è lo schema di base del motore.



La freccia rossa indica il campo magnetico dello statore quella blu quello del rotore.
Il campo magnetico dello statore può essere generato da magneti permanenti o da avvolgimenti che a loro volta possono essere alimentati in modi diversi e questo influisce sulle caratteristiche del motore.

qui: https://it.wikipedia.org/wiki/Macchina_in_corrente_continua
trovate, nella colonna a destra una serie di disegni a colori e una semplice animazione, a me sembrano molto chiari...

segue...

[jpquattro]

Motori a spazzole a corrente continua. 2

Bisogna fissare un po' di punti per capire le cose fondamentali.
La coppia del motore dipende dai campi magnetici dello statore e del rotore.

Il campo magnetico del rotore è prodotto (fissate le caratteristiche degli avvolgimenti) dalla corrente che scorre nel rotore. La corrente nel rotore, all'avviamento, dipende solo dalla resistenza dell'avvolgimento e dalla tensione di alimentazione, è quindi estremamente alta, e la conseguenza è sia una coppia di spunto molto alta che il rischio di bruciare rapidamente gli avvolgimenti.
Quando il rotore gira, funziona come una dinamo, produce una tensione che dipende dal campo magnetico e dal numero di giri. Questa tensione si sottrae a quella di alimentazione, quindi con l'aumentare del numero di giri, la corrente nel rotore cala proporzionalmente, e il campo magnetico varierà nella stessa maniera.
Esisterà un regime di giri oltre il quale la tensione indotta supererà la tensione di alimentazione, a quel punto il motore dventa una dinamo e la coppia da motrice diventa resistente.

Il campo magnetico dello statore può essere prodotto:

1) da magneti permanenti. L'intensità del campo magnetico dello statore è fissa e non può essere variata

2) da un avvolgimento alimentato indipendentemente dal rotore. L'intensità del campo magnetico dello statore dipende dalla corrente che scorre nell'avvolgimento e varia in funzione della tensione con cui è alimentato l'avvolgimento stesso.

3) da un avvolgimento alimentato in parallelo al rotore.L'intensità del campo magnetico dello statore dipende dalla corrente che scorre nell'avvolgimento e varia in funzione della tensione con cui è alimentato il motore.

4) da un avvolgimento posto in serie al rotore. L'intensità del campo magnetico dello statore dipende dalla corrente che scorre nell'avvolgimento e nel motore nel suo complesso; varia in funzione delle condizioni di carico del motore.

5) da una combinazione di 3 e 4. L'intensità del campo dipenderà dalla tensione di alimentazione e dal carico del motore.

Nel caso 1) il campo magnetico dello statore è fisso, quello del rotore varia molto rapidamente al variare del regime intorno a quello di inversione motore-dinamo. La curva di coppia sarà una retta quasi verticale, il regime di funzionamento sarà molto vicino a quello di inversione motore-dinamo. In pratica il motore avrà un solo regime di funzionamento che dipenderà in modo quasi esattamente lineare dalla tensione di alimentazione, insomma se il motore a 12 V gira a 3000 giri a 6 V girera a circa 1500.

Nel caso 2) il comportamento sarà quasi identico, ma la possibilità di variare la corrente dello statore in modo indipendente fornisce un ulteriore modo di controllare il regime di funzionamento.

Nel caso 4) la corrente dello statore è uguale a quella del rotore, se il motore rallenta la corrente aumenta (meno forza contro elettro motrice, più corrente, campo più intenso ) e la coppia aumenta in proporzione. Il motore avrà una coppia molto alta allo spunto che decresce regolarmente con i giri, insomma la classica iperbole.

Il caso 5) sarà una cosa intermedia fra 2 e 4.

Ho cercato di dare una descrizione qualitativa dei fenomeni, senza formule, mettendo le cose nell'ordine giusto perché si capisse qualcosa... Non sono molto sicuro di esserci riuscito.

Magari domani lo correggo.

Paolo

[jpquattro]

....bello un motore per aereo,anche se secondo me l'aereo sarà l'ultimo a essere elettrificato,chissà se le navi sarebbe possibile,non hanno problemi di peso,tuttavia spostarle richiede un bel pò di energia.
Ma anche se sono batterie al litio non durano molto,vedo sui modellini telecomandati,10 minuti di autonomia,15 al massimo maggiorando la batteria,non è male,ma non si va molto lontano...
....

...a parte che questi prototipi hanno prima di tutto un valore dimostrativo ("Io so fare questo!"), non è detto che si pensi ad aerei con alimentazione a batterie... spesso motori del genere sono usati per fare trasmissioni elettriche, come nelle navi, si scopre che crea più problemi un albero di trasmissione (o tre o quattro) che 4 motori elettrici appesi sotto...

Comunque io ho la sensazione che in molti stiano aspettando soluzioni eclatanti, altrimenti non spenderebbero tanti soldi in sviluppi che non hanno futuro... ho avuto notizie di batterie per applicazioni militari capaci di sviluppare, per breve tempo per ora, potenze mostruose...

Paolo

P.S. ma di quello che scrivo si capisce qualcosa? troppo approssimativo? troppo complicato? Debbo cambiare registro?

[jpquattro]

Ancora sui motori a spazzole.

Quella che ho descritto come tipo 4, è anche la struttura dei motori universali, in pratica i motori a spazzole per corrente alternata.
Il fatto che la stessa corrente scorra nello statore e nel rotore rende il motore indifferente alle inversioni di direzione della corrente, quindi il motore può funzionare sia a corrente continua che a corrente alternata.
Sono i motori dei frullatori e dei trapani, che, avendo una curva di coppia con valori molto elevati allo spunto e a bassi numeri di giri, permettono di superare senza problemi carichi molto variabili.
Sono rumorosi, scintillano molto, hanno rendimenti piuttosto bassi, ma per certi usi sono pratici ed economici.

Le differenze fra un motore in CC eccitato in serie (tipo 4) e un motore a spazzole in CA sono minime: in qullo in CA le parti in ferro sono laminate per ridurre le perdite e ci sono piccoli accorgimenti (angolo delle spazzole, piccole modifiche ai circuiti magnetici) per ridurre lo scintillamento.

Comunque fra i difetti dei motori a spazzole in CC, possiamo citare, oltre a quello ovvio dei problemi legati alle spazzole (usura, scintillamento, rumore) il fatto che il circuito magnetico è pesante, la maggior parte del calore si sviluppa nel rotore ed è quindi difficile da smaltire, limitando potenza e dimensioni. Il peso del rotore riduce anche la capacità di accelerazione.

Fra i pregi senza dubbio la semplicità e la possibilità di avere configurazioni diverse con maggiore o minore coppia allo spunto.

La riduzione del costo dell'elettronica tende a farli sostituire con motori con commutazione elettronica ("brushless" e simili) che permettono molto maggiore flessibilità di controllo, pesi minori e potenze e rendimenti maggiori.

[mastrovetraio]

Per chi non lo sapesse, sono esistiti aerei con motore a vapore. https://en.m.wikipedia.org/wiki/Steam_aircraft Il motore elettrico più piccolo e più potente che io abbia mai visto era in una fabbrica della Linde Gas, faceva girare un turbocompressore, era grande come una lavatrice ed esprimeva centinaia di Hp. Alimentato a 10000 volt. Tornando all'aereo elettrico, immaginate un turbogeneratore ad altissima efficienza, oppure una fuel cell accoppiata ad una batteria che debba dare solo una extrapotenza al decollo/atterraggio. L'aereo elettrico è possibilissimo. MA non a zero emissioni, perchè il combustibile per il turbogeneratore o per la fuel cell non si ricava dalle margherite, e l'unico aereo con una superficie tale da poter ospitare abbastanza pannelli solari si chiama "dirigibile" e per la nostra società di psicopatici è troppo lento. Chiedo scusa a JP4 per la digressione, interrompere una spiegazione così chiara come la tua è da teppisti. :-):-)

[jpquattro]

Per chi non lo sapesse, sono esistiti aerei con motore a vapore. https://en.m.wikipedia.org/wiki/Steam_aircraft ......
Tornando all'aereo elettrico, immaginate un turbogeneratore ad altissima efficienza, oppure una fuel cell accoppiata ad una batteria che debba dare solo una extrapotenza al decollo/atterraggio. L'aereo elettrico è possibilissimo.
MA non a zero emissioni, perchè il combustibile per il turbogeneratore o per la fuel cell non si ricava dalle margherite, e l'unico aereo con una superficie tale da poter ospitare abbastanza pannelli solari si chiama "dirigibile" e per la nostra società di psicopatici è troppo lento......

Chi ha detto che l'aereo a energia solare con le batterie a bordo è impossibile?

https://it.wikipedia.org/wiki/Solar_Impulse

Questo è il modello vecchio...


Quello nuovo ha già fatto voli transoceanici e deve fare il giro del mondo...

Paolo

[mastrovetraio]

Il solar impulse lo caricavano a terra, sennò col cavolo che sarebe riuscito a decollare. Il punto focale (per me)sono le "emissioni zero" ovvero viaggiare grazie al solare, senza elettricità prodotta chissà come/dove. Trovo ridicolo pubblicizzare auto elettriche "Zero Emission" e poi alimentarle con elettricità sporca, magari prodotta in Francia con le centrali atomiche che oramai cascano a pezzi

[jpquattro]

Il 2 vola anche di notte (ma anche l'1 se non ricordo male), quindi è in grado di ricaricare la batteria di bordo e volarci tutta la notte, ha fatto diversi voli di diversi giorni senza scalo...
Poi che per decollare servano le batterie cariche non ci piove... le puoi caricare lasciando l'aereo parcheggiato al sole una settimana, ma con un caricabatterie si fa prima...

[jpquattro]

Motori asincroni 1

Per poter parlare dei motori asincroni dobbiamo prima di tutto parlare di campo magnetico rotante.
Immaginate di montare un magnete su un asse, con i poli perpendicolari all'asse. Le vecchie dinamo di bicicletta hanno un rotore fatto circa così, di solito con 4 poli invece che due...
Il campo magnetico prodotto da un simile aggeggio può essere rappresentato da una freccia, perpendicolare all'asse di rotazione, che va dal polo N a quello S.
se facciamo girare il magnete sul suo asse, il campo magnetico prodotto girerà alla stessa velocità. Se ci mettiamo di fronte un disco di metallo (non serve sia ferromagnetico) ci saranno correnti indotte dal campo magnetico variabile (è costante come intensità ma varia continuamente direzione), queste correnti creano un campo magnetico indotto che segue quello del magnete e tende a trascinare il disco di metallo.
Abbiamo costruito un campo magnetico rotante...

Lo stesso campo magnetico rotante puo essere ottenuto con tre avvogimenti disposti a 120 gradi fra loro e alimentati da tre correnti a loro volta sfasate di 120 gradi (alimentazione trifase).
qui vedete le immagini delle tre correnti sfasate e sopra le rispettive bobine rappresentate in sezione da rettangolini colorati


...e qui una animazione dell'effetto...

[Dolomitico]

Cavolo Jp,hai messo su una vera spiegazione sui motori elettrici,anche se molte cose le so si impara cmq sempre qualcosa di nuovo e una rinfrescata non va mai male,hai anche degli spunti interessanti sulle varie configurazioni dei motori a spazzole.
Sugli aerei io la vedo cmq dura,un conto è fare un'ala fotovoltaica con poco peso,un conto è sollevare tonnellate di acciaio e relativo carico.
Io sono più dell'idea che semmai riappariranno i dirigibili solari,l'energia necessaria sarebbe per muoversi non per sollevarsi,ma questo ancora è difficile.
Il solo fatto di eliminare i combustibili classici comporterbbe un'enorme impennata di kw elettrici.
Sui motori su youtube ci sono molti esempi su come costruire dei rudimentali motori sia asincroni che sincroni,
Belle spiegazioni ti leggo veramente volentieri

[Ferrobattuto]

Paolo, non preoccuparti, le spiegazioni vanno bene così, e poi se qualcuno non ha ben chiaro qualcosa può benissimo chiedere senza problemi e gli si chiarirà nel limite del possibile ciò che rimane ostico.
E comunque congratulazioni per la costanza e l'impegno che ci metti.

[jpquattro]

Motori asincroni 2
Fissiamo un momento le idee. Se partiamo dalla corrente elettrica a 50 periodi, abbiamo
50 cicli/s x 60 s = 3000 cicli/min con la disposizione descritta il campo ruoterà a 3000 giri/min.

Invece che 3 avvolgimenti ne possiamo mettere un multiplo di 3, per esempio 6 avvolgimenti o 9 avvolgimenti, ovviamente connessi in modo ordinato.
Il campo magnetico prodotto sarà rappresentato invece che da una freccia, da un quadrato (i perfezionisti mi perdonino, è circa un quadrato...) con 2 coppie di poli (ai vertici del quadrato) e nell'ultimo caso un esagono con 3 coppie di poli.
Con 6 avvolgimenti il campo ad ogni ciclo completo percorrerà mezzo giro e con 9 avvolgimenti percorrerà 1/3 di giro.

Insomma un sistema di avvolgimenti che produce un campo con 2 poli (un N e un S) è detto comunemente a due poli e produce un campo che ruota a 3000 giri minuto, un sistema che produce un campo a 4 poli (2 N e 2 S, alternati) produce un campo che gira a 1500 giri minuto e così via.

Se sul rotore poniamo un sistema di avvolgimenti simili a quello dello statore avremo costruito una sorta di trasformatore trifase. A rotore bloccato gli avvolgimenti vedranno un campo magnetico variabile che oscilla alla stessa frequenza del campo dello statore. Se il rotore gira gli avvolgimenti del rotore vedranno un campo che oscilla a una frequenza pari alla differenza fra velocità di rotazione del campo e velocità di rotazione del rotore (se ci pensate è abbastanza logico...) questa differenza è detta scorrimento. Di solito lo scorrimento si indica in percentuale della velocità del campo rotante. Questo dato, lo scorrimento, ci tornerà utile in seguito.

Se insisto sui motori a campo rotante è perché sono la base di tutti i motori a controllo elettronico ultrapotenti e ultracompatti di cui vorrei parlare dopo....