Università degli Studi di Padova Facoltà di Ingegneria

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1 Università degli Studi di Padova Facoltà di Ingegneria DIPARTIMENTO DI TECNICA E GESTIONE DEGLI IMPIANTI INDUSTRIALI TESI DI LAUREA CARATTERIZZAZIONE MICROSTRUTTURALE DI ROTORI A GABBIA DI ALLUMINIO Relatore Correlatori Laureando Ch.mo Prof. FRANCO BONOLLO Ch.mo Prof. GIUSEPPE CHITARIN Sig. ANDREA MANENTE STEFANO LANDO Anno Accademico:

2 Rotore a gabbia di motori asincroni in alluminio pressocolato Rotore standard verniciato Rotore standard ricotto Problema Alcuni motori con tali rotori pressocolati con lega di Al fornito dalla SAV presentano una coppia insufficiente all avviamento Obiettivo della tesi Individuare le possibili cause del malfunzionamento

3 Principio di funzionamento del motore asincrono (1) Statore - rotore Campo di induzione magnetica rotante B (periodo 2π/3) Nel circuito di rotore (a gabbia di scoiattolo) corrente indotta a m fasi L interazione tra induzione rotante e corrente indotta genera il moto ω0 = ω/p (velocità rotazione campo rotante) Er = 2*kf*f*Φ Es = 2*kes*kf*f*Φ*Ns ö= ös+(rs+jxs) * Đ0 (bilancio tensioni A VUOTO) Đr = ör/ (Rr + jxr) (corrente rotorica, ROTORE BLOCCATO) Đs=Đ0+Đsr ( correnti riportate a statore) ö= ös+(rs+jxs)* Đs (bilancio tensioni, ROTORE BLOCCATO) s = (nr-n)/n (rotore in movimento) Đr = ör/(rr/s + jxr) (corrente che circola nel rotore)

4 Principio di funzionamento del motore asincrono (2) Potenze Potenza assorbita: Pe = 3*E*Is*cosφ = 3*V*Is*cosφ Potenza dissipata per effetto Joule a rotore: Pr = m*rsr*isr 2 Potenza dissipata per effetto Joule a statore: Ps = 3*Rs*Is 2 La potenza meccanica utile Pm = m*rsr*(1-s)/s*isr 2 Cm = m*rsr*isr 2 / ( ω0 * s) (corrente rotorica; resistività; geometria della gabbia, scorrimento) Potenza dissipata per isteresi e correnti parassite a rotore (perdite nel ferro[1]): P0 = 3*E*I0*cosφ0 = 3*V*I0*cosφ. [1] tali perdite si riducono al diminuire dello scorrimento (cala la frequenza di campo rotante nella parte di rotore del circuito magnetico). Ma se cala s cresce la velocità e aumentano le perdite per attrito e ventilazione. Si considera pertanto l impedenza ś0, costante al variare dello scorrimento.

5 Principio di funzionamento del motore asincrono (3) Importante osservazione sulle perdite per isteresi e correnti parassite Z0 parallelo di R0 e X0 (Xo energia magnetizzazione [Φ] ) (Ro perdite nel Fe per isteresi e correnti parassite) Correnti parassite all interfaccia Evitare l aderenza dei lamierini all alluminio (fiammatura). 1. Effetto dissipativo: una maggiore corrente I0 necessaria a mantenere lo stesso flussoφ: Đs=Đ0+Đsr, Effetti sulla coppia. 2. Perturbazione del flusso utile: effetto repulsivo linee di campo vengono respinte. Corrente Đsr diminuisce, effetto sulla coppia.

6 Principio di funzionamento del motore asincrono (4) Coppia di spunto insufficiente Cm=m*Rsr*Isr 2 /(s*ωo) con s=1 R = ρ l/s Rotori a doppia gabbia Rotori con gabbia a sbarre alte

7 Rotori a gabbia di alluminio pressocolato Tipi di leghe Leghe da lavorazione 1xxx (99.00%), 2xxx, Leghe per getti o per pani da fonderia 1xx.x, Trattamenti F, O, H, W T Leghe da rotori serie 1xx.x (99.00% di Al) (99.50% di Al) (99.70% di Al) mercati più esigenti Composizione controllata per garantire un buon funzionamento a regime del rotore (conducibilità), buona coppia allo spunto (resistività) e producibilità (microritiri, cricche, ) Norme (UNI, CEN, ISO) ISO 115:2003 Requisiti dei pani di Al non legato da rifusione UNI EN 576:1997 Alluminio e leghe di Al in pani da rifusione (indica limiti e composizione singole leghe) Normativa precedente UNI 820:1979, UNI 3950:1957 Al di prima fusione in pani da fonderia: qualità e prescrizioni (alluminio per leghe ad uso generale/allumionio ad uso elettrico. Rapporto Fe/Si per resistività ottimale) UNI 3570: 1955 Lega Al-Si-Mg primaria per conduttori elettrici (Si 0,5% - Mg =0,5%). La norma è stata annullata, ma non sostituita; indica resistività = 3,25 µohm *cm. Norma ASTM. Indicano limiti e composizioni per le singole leghe. Indicano la resistività

8 Pressocolata a camera fredda Processo Preparazione dello stampo Riempimento della camera di iniezione Iniezione (Preriempimento (0,25 m/s), Riempimento (1-3 m/s m/s), Intensificazione di pressione) Solidificazione (intervallo solidificazione, Temperatura metallo, Temperatura stampo, spessori del pezzo) Estrazione ( C ; tempo lungo aderenza; tempo corto fragilità e distorsioni) Aspetti critici Inquinamento del lingotto Moto turbolento Eccessivo raffreddamento Solidificazione

9 Pressocolata per realizzazione di rotori Il processo, nel caso dei rotori, si articola nelle seguenti fasi Preparazione dei lamierini tranciatura, disposizione elicoidale nel pacco Lubrificazione dello stampo Inserimento nello stampo del pacco di lamierini Pressocolata attacco capillare, evacuazione forzata dei gas in cavità Estrazione dei rotori Rotore per Pompa sommersa di tipo isolato, diametro 50 mm, Lunghezza 210 mm. Eventuale tranciatura Nota L intero processo non è attualmente del tutto automatico.

10 Indagini da sviluppare Materiale della gabbia Esigenze contrastanti: resistività piccola per buona efficienza a regime resistività alta all avviamento Materiale del nucleo ferromagnetico Resistività correnti parassite Isteresi ciclo stretto (efficienza) Distacco gabbia/lamierini Perdite nel Fe (isteresi e correnti parassite) Maggiore Energia necessaria magnetizzazione I0 cresce, Isr diminuisce a parità di Is LA COPPIA DIMINUISCE. Correnti parassite interfaccia effetto repulsivo su B Φconcatenato utile diminuisce LA COPPIA DIMINUISCE. Geometria delle cave Comportamento all avvio / regime Processo di produzione Ridurre la difettosità della gabbia / migliore struttura (Macro porosità)

11 Lega di alluminio della gabbia La resistività dell alluminio può essere fattore decisivo per spiegare il malfunzionamento? Cm=m*Rsr*Isr 2 /(s*ωo) con s=1 R= ρ * l / S Misure di resistività fatte su materiale utilizzato per la colata (lingotti) [altro lavoro] Calcoli fatti sulla base della composizione effettiva, conducibilità [%IACS ] e resistività [µω*cm]. Lingotto Egyptlalum F Lingotto Egyptlalum F Lingotto SAV IKM40 Conducibilità [%IACS ] Misurato Calcolato 59,8 60,69 57,9 60,38 55,6 60,57 Resistività [µω*cm] Misurato Calcolato 2,877 2,954 2,968 2,967 3,095 2,948 Misure e calcoli eseguiti evidenziano variabilità molto piccole delle resistività al variare delle composizioni dei lingotti (intorno al 5%). In questo caso la resistività non può essere la causa primaria del malfunzionamento considerato

12 Attività di laboratorio DTG Parte I Le osservazione e le misure eseguite nel laboratorio hanno permesso di confrontare rotori regolarmente funzionanti (provini 1 e 2) e con problemi all avviamento (provino3) I provini sono stati preparati e sottoposti alle seguenti misure Aspetto e composizione (acciaio dei lamierini) Microdurezza (acciaio dei lamierini e alluminio) Geometria delle cave Entità del distacco gabbia/ lamierini Macroporosità nella gabbia Provino 1 Provino 2 Provino 3

13 Acciaio dei lamierini Provino 1 (500x) Provino 2 (500x) Provino 3 (500x) Note I primi 2 campioni presentano una microstruttura simile Buona definizione del bordograno e dimensioni simili della grana (decine di µm) Il terzo provino presenta una microstruttura diversa Bordograno meno continuo, grana più fine. Si P Composizione dei lamierini di acciaio Provino 1 Provino Provino Note Dipendenza trattamento termico Presenza di Si resistività (correnti parassite) isteresi

14 Prove di microdurezza Vickers (HV0.1) Omogeneità nelle microstrutture dell acciaio dei lamierini e dell alluminio della gabbia per provino considerato Valori medi riscontrati Provino 1 Provino 2 Provino 3 Acciaio Alluminio

15 Geometria delle cave Tabella MISURA FATTE SULLE CAVE (3x) (in mm) Provino 1 Provino 2 Provino 3 lunghezza massima della cava larghezza massima della cava misura della base distanza tra cave consecutive Nota Il provino 3 ha sezione maggiore (penalizzato all avviamento) Altre caratteristiche hanno rilevanza minore (distanza cava/ bordo) Area Perimetro distanza minima della cava dal bordo del rotore

16 Aderenza tra gabbia e lamierini (1) Provino 1 (25x) alto sinistra destra basso Provino 3 (25x) alto sinistra destra basso

17 Aderenza tra gabbia e lamierini (2) Provino 1 Superiore inferiore sinistro destro MEDIA 26,25 22,78 9,82 9,18 DEVIAZIONE STD 13,42 8,95 0,69 0,95 Provino3 Superiore inferiore sinistro destro MEDIA 4,45 8,10 6,23 6,33 DEVIAZIONE STD 0,98 2,33 1,51 1,32 Note: Distacco maggiore per il provino 1 Il provino 1 presenta una ossidazione evidente (processo di fiammatura)

18 Macropososità nell alluminio della gabbia (1) Limitare presenza dei difetti (in particolare le macroporosità) Effetti su impedenza della gabbia Parametri di processo Tipologia di cava Provino 1 Provino 2 Provino 3

19 Macropososità nell alluminio della gabbia (2) PROVINO 1 PROVINO NUMEROSITA' NUMEROSITA' ,001 0,001-0,01 0,01-0,1 0, ,001 0,001-0,01 0,01-0,1 0,1-1 CLASSE ESTENSIONE MACROPOROSITA' (mm 2 ) CLASSE ESTENSIONE M ACROPOROSITA' (m m 2 ) PROVINO 2 3,5 3 NUMEROSITA' 2,5 2 1,5 1 Note Distribuzione delle macroporosità differente per ogni provino Un elevato numero di macroporosità produce lo scarto del pezzo 0, ,001 0,001-0,01 0,01-0,1 0,1-1 CLASSE ESTENSIONE MACROPOROSITA' (mm 2 )

20 Attività di laboratorio DTG Parte II Conferma dei risultati sperimentali su un quarto rotore (dal funzionamento regolare) Dal rotore sono stati ricavati 3 provini denominati Provino 4B Provino 4C Provino 4A

21 Acciaio dei lamierini Provino 4A (500x) Provino 4B (500x) Provino 4C (500x) Note L acciaio presenta un bordograno regolare e ben definito Dimensioni della grana nell ordine di alcune decine di µm. Similitudini evidenti con i provini 1 e 2. Si possono ipotizzare analogamente buone caratteristiche magneto-elettriche

22 Prove di microdurezza Vickers (HV0.1) Tabella Misure di Microdurezza Vickers HV0.1 Provino 4 Acciaio lamierini Alluminio delle cave Valor medio 31.6 Note Omogeneità delle microstrutture

23 Geometria delle cave MISURA FATTE SULLE CAVE (3x) DEL PROVINO 4 ( mm) Provino 4 Cava provino 1 Cava provino 2 lunghezza massima della cava larghezza massima della cava misura della base distanza tra cave consecutive area perimetro distanza minima della cava dal bordo del rotore Cava provino 3 Cava provino 4 Note Geometria fondamentalmente in linea con quelle dei provini 1 e 2. Dal confronto visivo risulta una sostanziale differenza del provino 3 rispetto agli altri.

24 Aderenza tra gabbia e lamierini Provino 4.B (µm) n cava superiore Inferiore sinistro destro MEDIA 29,52 12,13 7,65 9,47 DEVIAZIONE STD 31,43 7,99 1,78 2,33 Note Distacco di una certa entità, in linea con Quello misurato per i provini 1 e 2. Provino 4.B (25x)

25 Macropososità nell alluminio della gabbia Tipologia di cava Provino 4B (2 su 13) NUMEROSITA' Provino 4.B - TIPOLOGIA DI CAVA 1 0-0,001 0,001-0,01 0,01-0,1 0,1-1 CLASSE DI ESTENSIONE MACROPOROSITA' (mm 2 ) PROVINO 4.B - TIPOLOGIA DI CAVA 2 Note I provini 4A e 4C non presentano macroporosità. Il provino 4B ne ha in numero ridotto e solo su alcune cave NUMEROSITA' Provino 4B (2 su 13) 0 0-0,001 0,001-0,01 0,01-0,1 0,1-1 CLASSE DI ESTENSIONE MACROPOROSITA' (mm 2 )

26 Conclusioni Dati riassuntivi Caratteristiche Provino 1 Provino 2 Provino 3 Provino 4 Qualità acciaio lamierini (I) Buona Media Scarsa Media/Buona (II) Microdurezza media acciaio dei lamierini (HV 0.1 ) Microdurezza media alluminio delle cave (HV 0.1 ) Geometria cava (III) Adatta Adatta Non Adatta Adatta Distacco medio Gabbia / Lamierini (µm) (IV) (V) Macroporosità nella gabbia di alluminio Sì (Mediament e presenti) SÌ (Mediamente presenti) Sì (Mediamente presenti) Sì (Scarsamente presenti) (I) in relazione alle caratteristiche elettriche. (II) si ipotizza un medio/buon comportamento dell'acciaio del provino 4 sulla base di una somiglianza con la microstruttura del provino 1 e 2. (III) considerando gli effetti positivi sull avviamento del motore (IV) si riferisce al valor medio fatto su tutte le misure relative ad un provino (V) in corrispondenza della parte centrale del rotore