Sistemi di trasporto innovativi

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1 Università di Arcavacata 18 gennaio 2017 ore 8 : 30 Seminario [seconda edizione] Sistemi di trasporto innovativi Cenni azionamenti e macchine elettriche dimensionamento propulsione elettrica [parte 2] Relatore : Ing. Amedeo Picardi amedeopicardi@alice.it :

2 Gennaio 1979 Laurea Ingegneria Elettrotecnica Tesi : Il calcolo FEM applicato al motore lineare Ricercatore alla Federico II per il 1979 nel Dipartimento macchine Elettriche Aprile 1980 assunto in Ansaldo trasporti-ansaldobreda Formazione a Genova presso GM Ansaldo negli anni Ufficio Progettazione macchine in corrente alternata Responsabile Calcolo macchine Elettriche Metro Napoli, Roma,Loco E402, Tram, Filobus, Motori lineari Project Engineer : People Mover, Filobus Cremona, Bari, Bologna, Napoli, Tram Birmingham,Oslo, Metro Madrid Lavoro all estero : Giappone 1986 (JV con Mitsubishi), USA, Russia, Cina, Norvegia, UK, Spagna. Membro WG nei Comitati Nazionali, Europei, Internazionali per stendere normative sulle macchine Elettriche Dirigente di Progettazione Veicolo Direttore Tecnico Unit di Business Service Libero professionista,consulente ( TEST, CNR ),formatore, docente a contratto con UNINA. Incarico alla Federico II dal 2012 per il Corso di Propulsione Elettrica laurea Magistrale Ingegneria Meccanica

3 Abstract Il Seminario «Sistemi di Trasporto Innovativi» offre nella prima parte una sintesi degli azionamenti elettrici utilizzati in trazione con particolare attenzione al sistema di propulsione convertitore + macchina elettrica e ai criteri di progettazione di quest ultima, evidenziando che solo una progettazione integrata fra ingegneri con diversa specializzazione può portare ad un prodotto finale funzionale alle specificità della trazione elettrica. Segue poi una sintesi delle principali configurazioni dei sistemi elettrici di trasporto, focalizzando l attenzione sia sulle motorizzazioni tradizionali «motor inside», con le linee di alimentazione, i sistemi di captazione e accumulo dell energia che le motorizzazioni futuribili «motor outside» ( tipo Maglev, Hyperloop alfa ) con le loro infrastrutture attive sulle vie di corsa. Concludono questa parte alcune slides sulle macchine elettriche innovative ad alta densità di coppia come le macchine sincrone PM.

4 Abstract (cont.) Il Seminario nell ultima parte, dopo una breve sintesi sulla tipologia delle resistenze al moto dei veicoli, prende in esame i criteri di progettazione della propulsione elettrica dei sistemi tradizionali.

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7 SISTEMI INNOVATIVI DI CAPTAZIONE

8 Applicazione tranviaria Sistema STREAM TRAMWAVE installato sulla pista di prova a Napoli. Stress test in condizioni inusuali ed estreme.

9 Il sistema ad induzione PRIMOVE

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11 Brevetto Alstom

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13 INFRASTRUTTURE FISICHE E VEICOLI Motor totally outside

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17 Superare i limiti innovando ed adattando le tecnologie

18 Cosa bisogna fare per aumentare la velocità dei treni oltre i 360 km/h?

19 Resistenze al moto AGV (8 MW) (500/360)^ 3= 2.7 8*2.7 = 21.4 MW!!!!!! Limiti -Peso per asse -aderenza alle alte velocità

20 RESISTENZE AL MOTO

21 Risposte dell Ingegnere al Saggio -Ridurre le resistenze al moto -Scomporre il motore ( parte sul veicolo, parte per terra ) -nuovo paradigma della propulsione= lineare -nuove tecnologie ( Super Conduttori) Facile no?!!!!

22 Trasformazioni Topologiche dei motori da rotante a lineare

23 Disposizione delle parti del motore lineare asincrono

24 Aderenza : no problem!

25 LIM MONOLATERO A INDUTTORE CORTO MOTORI LINEARI PER PEOPLE MOVER ANSALDOBREDA

26 Impianto di prova Motori lineari

27 IMPIANTO DI PROVA DI UN MOTORE ROTANTE Inverter Riduttore Filtro motori

28 Reaction rail D_ruota = 3 m 6mm alluminio 25 mm ferro Dal Prototipo di motore lineare dritto si passa al motore lineare curvo per adattarlo alla reaction rail circolare

29 Gruppo moltiplicatore,volani, dinamo di carico

30 LA TECNOLOGIA MAGLEV

31 Japan (qualche data importante) JNR lancia maglev technology Miyazaki test track 1979 : ML km/h JRC Yamanashi test line 12/1997 : train set of 3 cars max speed =550 km/h Yamanashi test line 4/1999 : train set of 5 cars max speed =552 km/h JRC train set of 7 cars max speed 581 km/h 2003 JRC train set of 7 cars max speed 603 km/h 4/2015 Servizio commerciale in Giappone a 500 km/h previsto per il 2027

32 Germany(qualche data importante) Magnetbahn Transrapid Consortium : Emsland Test Track : operativo TR08 Shanghay : unica tratta commerciale dal 2004 con l aeroporto internazionale della città Vel_max = 430 km/h Massa_vei = 247 Ton Passeggeri = 1192 Lungh_vei = 128 m Max power ( a terra) = 25 MW

33 Problemi che hanno dovuto risolvere per garantire un servizio commerciale affidabile e sicuro - Vibrazioni ingresso-uscita tunnel e nei centri abitati; (parzialmente risolti con tratte su piloni) ; - Incrocio di treni a 500 km/h ( 1000km/h per gli effetti); - Campi magnetici dispersi ( limite max per pacemaker = 5 gauss = 5/10000 Tesla ; - Terremoti ( tolleranza guidance)

34 Veicoli urbani con sospensione magnetica Il motore asincrono corto e reaction rail sulla pista

35 Disposizione delle parti del motore lineare asincrono VEICOLI SENZA LEVITAZIONE

36 VEICOLI CON LEVITAZIONE LIM

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40 Veicoli ad altissima velocità V> 500 km/h Il motore sincrono a magneti permanenti ed induttore lungo

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46 ML X 01

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50 Veicoli ad altissima velocità V> 500 km/h 2 brevetti italiani + 1 USA UAQ4 Università dell Aquila

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52 Sistema di propulsione

53 Sistema di sostentamento e di guida

54 Cari Ingegneri non sono ancora soddisfatto. Cosa bisogna fare per aumentare la velocità dei treni oltre i 500 km/h?

55 RESISTENZE AL MOTO

56 Hyperloop alfa 2018 Presentazione di un veicolo ancora a livello prototipale V> 1000 km/h

57 Hyperloop alfa 2018

58 Caratteristiche principali - Via di corsa = tubo - V max = 1220 km/h - Acc max = 9.81 m/sec2 - N pass. = 28 /capsula - Freq. = 1 capsula /2 minuti - Distanza capsule = 37 Km - D_in tubo = 2.23 m - Sez_c/Sez t = D_c / D_t = 0.60

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60 Caratteristiche principali - largh. capsula = 1.35 m - Altez. capsula = 1.1 m - L tubo elem. = 30 m Capsula plus ( auto + passengers) - Spessore tubo = 23 mm - D tubo plus = 3.3 m - Sez_c/Sez t = D_c / D_t = Capacità = 28 pass. + 3 auto

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62 Caratteristiche principali AV California - Lung. LA S. Francisco = 695 km - Tempo (T) = 2 h 38 m - V media = 264 Km/h - Pass./treno = 600 Caratteristiche principali Hyperloop California - Lung. LA S. Francisco = 695 km - Tempo = 35 m - V media = 1190 Km/h - Pass. a S Fr.(dopo T) = ((2*60+38)-35)/2 *28= 1722

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64 Caratteristiche principali - Sospensione capsula = aerodinamica +cuscinetto pneumatico - Spinta a V_costante = getto aria - Spinta a V varabile = motore lineare posizionato lungo determinate sezioni del tubo. - Indotto motore lineare ( lamina alluminio) posto sotto la capsula. Alimentazione propulsione capsula Batterie

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69 Caratteristiche principali compressore - P1 = 99 Pa ( N/m2) - P2 = 2100 Pa - p2/p1 = Potenza_in compr. = 275 kw - Q = 0.49 kg/sec - Q _spinta = 0.29 kg/sec - Q_sosp = 0.20 kg/sec - Potenza_in_comp_sosp = 52 kw - P_sosp = Pa

70 Caratteristiche principali - Potenza totale a bordo = = 327 kw - Tempo viaggio = 35/60 = h - Energia richiesta = 327*0.583= kwh - Cap-batteria = 190.7/0.92 = 207 kwh - Peso BAT (ioni di litio 0.1 kwh/kg) =2070kg - Peso BAT ( 0.15 kwh/kg) = 1380kg

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72 Caratteristiche sospensioni (statiche) - Lung_elem = 1.5 m - Larg elem = 0.9 m - Sup_elem = 1.5*0.9 = 1.35 mq - Forza elem = 11000*1.35 = kn - Num_elem = 28 - Forza_sosp_tot = 28*14.85 = kn - Peso capsula = 15000*9.81 = kn - Rapporto = /415.8 = 0.35

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74 Caratteristiche sospensioni (effetto aerodinamico) Quando il veicolo raggiunge la velocità di crociera l effetto aerodinamico provvede a realizzare una leggera levitazione del veicolo che è scarsa alle basse velocità e nulla a velocità zero. Questo spiega la presenza della sospensione statica

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76 PROPULSIONE ELETTRICA

77 Caratteristiche dei sistemi di propulsione Esistono due sistemi di propulsione : - Propulsione di crociera Durante queste fasi, a velocità costante, la spinta viene realizzata con getto di aria in pressione prodotta dal compressore. L energia arriva dalle batterie che vengono sostituite ad ogni fine corsa.

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79 Caratteristiche dei sistemi di propulsione - Propulsione per accelerazione In alcune sezioni del percorso sono disposti statori di motori asincroni lineari che reagendo con l indotto posto sotto la navicella provvedono ad accelerare la capsula. L energia arriva da convertitori alimentati da una rete che utilizza energie rinnovabili ( energia fotovoltaica) e da sistemi di accumulo lungo la linea. Lo stesso sistema invertendo la potenza provvede a rallentare la capsula. Valutiamo adesso la potenza di questi motori

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81 Caratteristiche motori lineari - Massa capsula = kg - Range speed : km/h - Accelerazione = 0.5 g/g - Potenza sezione alla fine del tratto = - = 15000*0.5*9.81*480/3.6 = 9.81 MW/19.62MW - Tempo accelerazione = 480/3.6/0.5/g = 27.2 sec - Tempo accelerazione = 480/3.6/g = 27.2/2= 13.6 sec -

82 Caratteristiche motori lineari - Massa capsula = kg - Range speed : km/h - Accelerazione = g - Potenza motore alla fine del tratto = - = 15000*9.81*1220/3.6 = 49.9 MW - Tempo accelerazione = 1220/3.6/g = 34.5 sec - L sez_motore = ( )/2/3.6*34.5 = 8145 m

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84 Caratteristiche motori lineari ( indotto) - Lamina di alluminio posta fra due emistatore - Lunghezza = 15 m - altezza = m - Spessore = m - Traferro per lato = m

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87 Disposizione delle parti del motore lineare asincrono Hyperloop alfa A terra Sul veicolo

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89 RESISTENZE AL MOTO

90 RESISTENZE AL MOTO

91 Dove : Ms = massa statica Q = carico pagante Md = massa dinamica rxy = resistenze al moto a= accelerazione g = accelerazione di gravità

92 T-R = ma = m dv/dt

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