INTRODUZIONE. C n = 100 Nm ω n = 800 rpm

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1 Introduzione INTRODUZIONE I veicoli del futuro, siano essi puramente elettrici o ibridi, dovranno essere mossi da motori ad accoppiamento diretto con le ruote al fine di ottenere un sistema di propulsione più efficiente; riuscendo inoltre ad integrare il motore all interno della ruota, si ottiene di conseguenza l eliminazione di semi-assi, differenziali, frizioni e riduttori di velocità e, quindi, delle perdite di trasmissione, riducendo il peso del veicolo ed inoltre semplificando enormemente la progettazione meccanica di tutto il veicolo. L argomento della tesi consiste nel progetto e successiva realizzazione di un motore a magneti permanenti a flusso assiale per la propulsione di un veicolo ibrido. Il motore è montato internamente al cerchione di ogni ruota del veicolo e ha le seguenti caratteristiche: C n = 100 Nm ω n = 800 rpm Lo scopo è quello di sperimentare il prototipo per valutarne le prestazioni e, dal confronto con i risultati teorici, stabilire l attendibilità di quest ultimi. Nel primo capitolo è esposta la descrizione generale del veicolo ibrido su cui è montato il motore. I successivi tre capitoli riguardano il progetto del motore. 1

2 Introduzione Il progetto viene affrontato dapprima in maniera generale ottenendo un primo dimensionamento della macchina poi, in maniera più specifica, affrontando separatamente la trattazione delle problematiche magnetiche ed elettriche. Nel quinto e sesto capitolo vengono descritte le previsioni teoriche del comportamento del motore. Lo studio teorico riguarda sia le specifiche della macchina, quali perdite e rendimento, sia il suo comportamento termico valutato con tecniche di simulazione. Il settimo capitolo mostra la macchina dal punto di vista meccanico con particolare attenzione alla progettazione della sua sospensione; segue una documentazione fotografica di tutti i componenti. L ultimo capitolo, infine, è costituito dalle prove sperimentali volte a verificare la validità delle previsioni teoriche oltre a stabilire le reali prestazioni del motore. Alla luce di questi risultati è stata verificata la validità del progetto; è quindi possibile prevedere i valori delle grandezze fondamentali, da ottenersi in successive prove sul prototipo, nei vari regimi di funzionamento che esso può assumere. 2

3 POWER TRAIN I.1 Descrizione generale del Power Train Al fine di ottenere un sistema di propulsione più efficiente, i veicoli del futuro, siano essi puramente elettrici o ibridi, dovranno essere mossi da motori ad accoppiamento diretto con le ruote. Riuscendo inoltre ad integrare il motore all interno della ruota, si ottiene di conseguenza l eliminazione di alberi, semi-assi, differenziali, frizioni e riduttori di velocità e, quindi, delle perdite di trasmissione, riducendo il peso del veicolo ed inoltre semplificando enormemente la progettazione meccanica di tutto il veicolo. In attesa che siano disponibili batterie che consentano maggiore autonomia nonché infrastrutture tali da consentire una ricarica delle stesse agevole e veloce, la scelta che attualmente meglio consente di coniugare le esigenze di basse emissioni e lunghi spostamenti è quella del veicolo ibrido. È in questo scenario che si colloca il progetto per la costruzione di un Power train ovvero di un sistema di propulsione per un veicolo di nuova concezione destinato a coprire la categoria di mercato delle mini-utilitarie o delle autovetture compatte. Tuttavia un simile veicolo non deve dimenticare di includere i più recenti progressi nel settore automobilistico, che sta proponendo nuove tecnologie al fine di migliorare le caratteristiche di guidabilità, 3

4 come ad esempio le quattro ruote sterzanti (4WS), le quattro ruote motrici (4WD), il sistema anti-pattinamento (ABS) ed il controllo della trazione. Queste nuove tecnologie necessitano di modificare le forze impresse a ciascuna delle ruote anteriori e posteriori, e ciò significa controllare ciascuna ruota separatamente, aggiungendo nuove strutture meccaniche a quelle già esistenti. Un veicolo convenzionale utilizza, al giorno d oggi, un sistema di propulsione in cui la potenza proveniente dal motore è suddivisa fra almeno due ruote motrici, di conseguenza devono essere aggiunti meccanismi che rendono molto complessa la struttura meccanica del veicolo e richiedono sempre maggiore spazio e peso. Specialmente poi nel caso di ruote sterzanti che siano anche motrici, è necessario non solo farle ruotare attorno al proprio braccio porta ruota, ma anche fornire loro la forza propulsiva. Una possibile soluzione alla complessità delle strutture meccaniche è costituita da quattro ruote sterzanti, ciascuna montata sul proprio braccio della sospensione, per conferirle la possibilità di sterzare, e mossa indipendentemente da un propulsore elettrico montato internamente al cerchione. In questo modo, dal momento che ogni ruota motrice può montare il proprio propulsore elettrico, è possibile eliminare qualunque altro organo meccanico, semplificando perciò la progettazione del veicolo e liberando all interno del veicolo spazio per beni e persone. 4

5 Tuttavia, azionamenti caratterizzati da bassa velocità ed elevata coppia, dedicati alla propulsione elettrica di veicoli, devono soddisfare specifiche molto stringenti quali, ad esempio, elevata densità di coppia ed elevata capacità di sovraccarico, complicando notevolmente la progettazione sia del motore che dei circuiti elettronici di potenza. Inoltre, montare il motore all interno della ruota è un obiettivo desiderabile, ma che pone vincoli geometrici sul diametro della macchina e richiede una costruzione totalmente chiusa, al fine di garantire una adeguata protezione dall ambiente esterno. Di qui nasce l esigenza di un sistema di raffreddamento molto efficiente che permetta di ottenere le prestazioni desiderate. Se da un lato i motori convenzionali, siano essi con alimentazione in alternata oppure in continua, hanno una bassa densità di coppia e ridotta capacità di sovraccarico, dall altro lato azionamenti di tipo brushless progettati per lavorare a basse velocità e coppie elevate rispondono meglio alle specifiche richieste per la loro possibile applicazione all interno di veicoli elettrici ed ibridi. Ciò è dovuto essenzialmente alla disponibilità di nuovi materiali per magneti permanenti caratterizzati da alta densità di energia, che hanno aperto la strada allo sviluppo di nuove strutture di motori con un elevato rapporto coppia-peso e notevole capacità di sovraccarico, adatti per l accoppiamento diretto alle ruote di un veicolo. Tra le diverse tipologie di motori brushless dalla struttura innovativa che sono stati oggetto di studio, le macchine a magneti permanenti a flusso assiale avvolte su nucleo in ferro o in aria, 5

6 hanno dimostrato di essere delle ottime candidate per le applicazioni relative ai veicoli elettrici ed ibridi, dal momento che la loro particolare forma a disco ben si adatta all accoppiamento diretto nella ruota e inoltre esse possono essere progettate per ottenere valori molto elevati del rapporto coppia-peso senza penalizzare il rendimento. Le macchine a magneti permanenti a flusso assiale mantengono tutti i vantaggi tipici dei motori brushless tradizionali, ma in aggiunta offrono miglioramenti dal punto di vista del ripple di coppia, delle minori perdite nel ferro e nel rame, della maggiore efficienza nella rimozione del calore dall avvolgimento di statore e della semplicità costruttiva. 6

7 I.2 Struttura del Power Train La struttura del Power Train è quella di un sistema ibrido di tipo serie, che può essere divisa essenzialmente in due parti: una sezione di alimentazione ed una di trazione. Alla prima sezione competono un motore termico di piccola cilindrata, un generatore sincrono a magneti permanenti, un ponte raddrizzatore trifase, anche un convertitore c.c./c.c. a cui è affidato anche il compito di recuperare l energia di frenatura. Alla seconda sezione competono gli inverter trifase che alimentano i quattro motori elettrici di trazione. I.2.1 Sistema di propulsione Il sistema di propulsione è costituito da quattro azionamenti gemelli, basati su motori brushless a magneti permanenti a flusso assiale, che ben si adattano per le loro caratteristiche, ad essere montati all interno delle ruote. Ciascun motore è alimentato da un proprio convertitore elettronico di potenza, del tipo a tensione impressa (VSI) con controllo sinusoidale della corrente, realizzato con moduli intelligenti ad IGBT. La comunicazione tra ogni singolo motore ed il proprio inverter avviene tramite due tipi di trasduttori: trasduttori di posizione (ad esempio encoder) e trasduttori di corrente (ad esempio sonde ad effetto Hall). Un sistema di gestione degli stati del veicolo, detto supervisore, fornisce le opportune grandezze di comando a ciascuno dei quattro azionamenti 7

8 interpretando i comandi di plancia e trasmettendoli ai singoli azionamenti, come in figura I.1. Figura I.1: struttura del sistema di trazione I convertitori ricevono l alimentazione da un link in continua comune, prelevando l energia dal generatore elettrico ed anche da due sorgenti utilizzate per l immagazzinamento di energia: accumulatori elettrochimici e supercondensatori. Caratteristica peculiare del prototipo a cui il Power Train è destinato, è la possibilità di utilizzare un sistema a quattro ruote sterzanti che facilita le operazioni di manovra e parcheggio; la sterzatura delle ruote in tali condizioni è realizzata elettricamente, 8

9 tramite gli azionamenti di propulsione, e gestita esternamente dal supervisore. A tale proposito, occorre precisare che la rotazione di ogni braccio porta ruota rispetto al telaio è ottenuta mediante l impiego di un servo-azionamento elettrico, gestito da un sistema di controllo elettronico. Grazie a questa soluzione sono eliminati i tradizionali collegamenti meccanici tra volante e ruote (piantone, scatola sterzo, tiranteria, ecc.) con un notevole risparmio di peso e riduzione degli ingombri. I.2.2 Motore termico Le specifiche di partenza per la progettazione del prototipo del motore termico sono le seguenti: Potenza all albero: kw. Cilindrata: 250 cc (2T), 450 cc (4T). Consumo specifico previsto g/kwh. Per quanto riguarda il regime di rotazione, si è attualmente in grado di raggiungere, in accordo con le specifiche del fornitore degli iniettori, una velocità di rotazione di 3000 giri/min nel caso di motori 2T o equivalentemente di 6000 giri/min nel caso di motori a 4T. Tali velocità di rotazione dovranno comunque essere correlate con i valori ammessi dal generatore elettrico, per il quale non si ritiene opportuno superare i 4500 giri/min. 9