motori elettrici

Seminari Interdisciplinari di Cultura Aeronautica
I MOTORI AERONAUTICI DI NUOVA GENERAZIONE
Propulsione elettrica ed ibrida
Andrea DEL PIZZO
Prof. di Convertitori, Macchine ed Azionamenti elettrici
Università di Napoli Federico II
Napoli, 11 giugno 2016 – Area di Ingegneria
OUTLINE
 Azionamenti elettrici (motori, convertitori, azionamenti)
 Sistemi di generazione e di accumulo dell’energia elettrica
(motogeneratori rotanti; pile a combustile; batterie)
 Propulsione elettrica ed ibrida di velivoli (esempi di realizzazioni commerciali
e sperimentali)
I MOTORI AERONAUTICI DI NUOVA GENERAZIONE : Propulsione elettrica ed ibrida
2
Azionamenti elettrici
MOTORI ELETTRICI
Energia elettrica
Motore
elettrico
Energia meccanica
Linea di
alimentazione
Motore
elettrico
Macchina operatrice
Motore elettrico: convertitore di energia elettrica in meccanica.
Tecnologia: elettromeccanica (materiali ferromagnetici, conduttori elettrici, isolanti).
I MOTORI AERONAUTICI DI NUOVA GENERAZIONE : Propulsione elettrica ed ibrida
3
LINEE ELETTRICHE DI ALIMENTAZIONE
Azionamenti elettrici
v(t)
Linea in corrente continua
v(t) = V
V
v(t)
0
t
v(t)
v(t) = V sin ( t)
Linea in corrente alternata monofase
V
0
v(t)
t
  2 f
v1
Linea in corrente alternata trifase
v1(t)
v2(t)
0
v3(t)
v2
v3
V
t
v1(t) = V sin ( t)
v2(t) = V sin ( t -2/3)
v3(t) = V sin ( t -4/3)
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Azionamenti elettrici
MOTORI ELETTRICI
Linea in c.c.
Linea in c.a. trifase
Linea in c.a. monofase
V = cost
f = cost
V = cost
f = cost
V = cost
M
1
Motore in c.c.
MA
MA
~
3
~
Asincrono trifase
Asincrono monofase
Linea in c.a. trifase
V = cost
f = cost
MS
3
~
Sincrono trifase
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MOTORI ELETTRICI IN ALTERNATA TRIFASE
Azionamenti elettrici
MOTORI ROTANTI
Parte fissa: STATORE
Non consideriamo i motori lineari
Lo STATORE ha una struttura cilindrica ed è in genere esterno
Parte mobile : ROTORE
Il ROTORE ha una struttura cilindrica ed è in genere interno
Esistono motori con il rotore esterno (in certi casi è utile per la
connessione ad una ruota, ad un’elica, ..)
Statore
Statore
Rotore
Statore
Rotore
Rotore
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MOTORI ELETTRICI IN ALTERNATA TRIFASE
Azionamenti elettrici
se
i1 (t )  I max cos ( t )
i1 (t )
i2 (t )  I max cos ( t  2 / 3)
1
i3 (t )  I max cos ( t  4 / 3)
120
3
120
0
2
CAMPO MAGNETICO ROTANTE
i3 (t )
i2 (t )
B ( , t )
B ( , t )
-/2
-/2
0
/2
0
/2
3/2
p
3/2
p
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Azionamenti elettrici
MOTORI ELETTRICI IN ALTERNATA TRIFASE
CAMPO MAGNETICO ROTANTE
s
+
Velocità di rotazione del campo rotante

2 f
s 

p
p
con f = frequenza
p = coppie di poli
s 
60 f
p
in numero di giri al minuto
MOTORE ASINCRONO
Velocità di rotazione r < s
MOTORE SINCRONO
Velocità di rotazione r = s
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Azionamenti elettrici
MOTORI ELETTRICI IN ALTERNATA TRIFASE
CARATTERISTICHE COPPIA-VELOCITA’ DA RETE RIGIDA
s 
M
Me
MOTORE ASINCRONO
P0
ML
M
in numero di giri al minuto
f  50 Hz
  s  3.000; 1.500; 1.000; ........ giri /1'
f  60 Hz
  s  3.600; 1.800; 1.200; ........ giri /1'
f  400 Hz   s  24.000; 12.000; 8.000; ... giri /1'
r0 s
0
60 f
p
r
Me
MOTORE SINCRONO
P0
ML
0
s
r
MOTORI TROPPI “RIGIDI”, NON ADATTI ALLA TRAZIONE DI VEICOLI
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Azionamenti elettrici
MOTORI ELETTRICI IN ALTERNATA TRIFASE
CARATTERISTICHE COPPIA-VELOCITA’ A FREQUENZA VARIABILE
f2
M
MOTORE ASINCRONO
ML
P2
M
s1 s0
f2
f1
P2
P1
MOTORE SINCRONO
ML
0
60 f
p
in numero di giri al minuto
P0
P1
s2
0
s 
f0
f1
r
f0
P0
s2 s1 s0
r
MOTORI “FLESSIBILI”, ADATTI ALLA TRAZIONE DI VEICOLI
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CONVERTITORI STATICI DI ENERGIA ELETTRICA
Azionamenti elettrici
energia
elettrica
Alternata
convertitore
elettrico
~
energia
elettrica
Continua
Raddrizzatori
Tensione [V]
Alternata
~
Continua variabile
Continua
~
Inverter
Alternata
Tensione [V]
Frequenza [Hz]
Continua
~
Alternata variabile
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Azionamenti elettrici
CONVERTITORI STATICI DI ENERGIA ELETTRICA
I convertitori statici sono composti da dispositivi di
commutazione a semiconduttori (diodi, tiristori, transistori
di vario genere).
Introdotti a fine anni ‘50 si sono sviluppati e resi convenientemente
utilizzabili a fine anni ‘80; negli anni ‘90 hanno aumentato
decisamente la loro affidabilità e oggi sono largamente utilizzati in
numerosissime applicazioni.
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CONVERTITORI STATICI DI ENERGIA ELETTRICA
Azionamenti elettrici
Grazie ai convertitori, se vogliamo usare un motore in alternata trifase regolabile in velocità,
possiamo pensare a queste soluzioni:
Linea in c.c. (V= cost)
Inverter
~
Linea in c.c. (V= cost)
Inverter
V variabile
V variabile
f variabile
f variabile
~
Linea in c.a. (V= cost, f=cost)
Raddrizzatore
~
Convertitore
doppio stadio
c.a./c.a
Inverter
MA
3~
MS
3~
Asincrono trifase
Sincrono trifase
~
V variabile
f variabile
M
3~
Asincrono/Sincrono trifase
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Dal MOTORE all’AZIONAMENTO
Azionamenti elettrici
Azionamenti non regolati, controllati in catena aperta, controllati in catena chiusa
linea di alimentazione
linea di alimentazione
riferimenti
convertitore
linea di alimentazione
riferimenti
regolatore
convertitore
motore
motore
Albero mosso
Albero mosso
motore
Albero mosso
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Torniamo ai MOTORI
Azionamenti elettrici
MOTORI IN ALTERNATA TRIFASE
ASINCRONO
SINCRONO
Lo statore è uguale per i due tipi di motore
Nel rotore è presente un avvolgimento di
Nel rotore è presente un avvolgimento in corto
eccitazione che va alimentato a parte rispetto
circuito non alimentato. Le correnti sono
allo statore. C’è bisogno di “spazzole + contatto
indotte. In inglese il nome è Induction Motor
strisciante” per addurre corrente al rotore
E’ molto robusto
Ha una densità di potenza maggiore (kW/kg)
E’ intrinsecamente stabile
Ha qualche problema di stabilità
Può essere controllato in velocità in catena Può essere controllato in velocità solo in catena
aperta
chiusa
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MOTORI IN ALTERNATA TRIFASE
Azionamenti elettrici
ASINCRONO
SINCRONO A MAGNETI PERMANENTI
Lo statore è uguale per i due tipi di motore
Nel rotore è presente un avvolgimento in corto Nel rotore sono presenti dei magneti di
circuito non alimentato. Le correnti sono eccitazione. Il motore non ha bisogno di
“spazzole” e prende il nome di Brushless PM
indotte. In inglese il nome è Induction Motor
(motore senza spazzole a magneti permanenti)
E’ molto robusto
E’ un po’ più delicato, perché i magneti
permanenti non sono leghe, ma materiali
sinterizzati, sensibili a sforzi e alla temperatura.
E’ intrinsecamente stabile
Con il controllo non ha problemi di stabilità
Può essere controllato in velocità solo in catena
Può essere controllato in velocità in catena chiusa, ma è frequente il controllo speedaperta
sensorless, cioè senza i costosi sensori di
velocità.
Ha una densità di potenza (kW/kg) molto
maggiore
Può sviluppare coppie elevate anche a basse
velocità; in molti casi si possono evitare le
trasmissioni meccaniche (direct-drive, gearless)
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Azionamenti elettrici
MOTORI IN ALTERNATA TRIFASE
Per la PROPULSIONE DI VELIVOLI la scelta cade sui:
MOTORI SINCRONI A MAGNETI PERMANENTI
PM BRUSHLESS MOTORS
2 ÷ 3 kW/kg nelle esecuzioni ordinarie
Linea in c.c. (V= cost)
Anche 5 kW/kg con raffreddamenti spinti
Inverter
~
V variabile
f variabile
MS
3~
Sincrono PM Brushless
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Generazione e accumulo dell’energia elettrica
SORGENTI DI ENERGIA ELETTRICA
ENERGIA ACCUMULATA
PROPULSIONE “FULL ELECTRIC”
ENERGIA PRODOTTA A BORDO
PROPULSIONE IBRIDA
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Generazione e accumulo dell’energia elettrica
ACCUMULATORI DI ENERGIA
VOLANI ULTRAVELOCI (>90.000 rpm)
SISTEMI AD ARIA COMPRESSA
E’ necessaria la
trasformazione
in energia
elettrica
ACCUMULATORI TERMICI
SUPERCONDENSATORI
BATTERIE
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BATTERIE
Generazione e accumulo dell’energia elettrica
BATTERIA
Sintesi di caratteristiche delle batterie
TIPOLOGIA
Tensione di una cella (in Volt)
Alimentazione in c.c. (V= cost)
N.ro di celle in serie
Inverter
~
Potenza nominale e Potenza Max (in kW)
Energia immagazzinata (kWh)
V variabile
Cicli di carica/scarica nella vita
f variabile
Densità di energia (kWh/kg) o (kWh/dm3)
PM
3~
Densità di potenza (kW/kg) o (kW/dm3)
Tempo di ricarica (h)
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BATTERIE
Generazione e accumulo dell’energia elettrica
 Numerosi tipi di batterie disponibili sul mercato;
 Le Batterie al Litio sono oggi le più convenienti per densità
di potenza e per n. cicli carica/scarica;
 Tipo “Litio IONI” (Litio Ferro Fosfato LiFePO4,) oppure “Litio
POLIMERI”

La cella elementare ha una tensione di circa 3 V;

Per avere una tensione da 300 V a 600 V (plausibile per l’alimentazione del
motore) sono necessarie 100÷200 celle in serie;

Necessità di “bilanciamento” delle tensioni delle celle attraverso circuiti
elettronici
+
B
B
B
B
+ -
+ -
+ -
+ -
3V
3V
3V
-- - - - - - - ---------
3V
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BATTERIE
Generazione e accumulo dell’energia elettrica
Litio Ferro Fosfato LiFePO4
Densità di potenza (kW/kg)
2
Densità di energia (kWh/kg)
0.16÷0.18
Cicli di vita (scarica 1C)
> 2000
Vita in servizio (uso continuo)
5-6 anni
Efficienza di carica
95%
+
B
B
B
B
+ -
+ -
+ -
+ -
3V
3V
3V
-- - - - - - - ---------
3V
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APPLICAZIONI
Esempi applicativi
Airbus E-Fan
Numero di motori elettrici
2
Potenza motori elettrici
30 kW
Pacco batterie
Ioni di Litio, 29 kWh
Peso totale pacco batterie
167 kg
Velocità massima velivolo
220 km/h
Velocità di crociera
160 km/h
Autonomia
60 minuti
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23
APPLICAZIONI
Esempi applicativi
Solar Impulse
Numero di motori elettrici
4
Potenza motori elettrici
7,5 kW
Pacco batterie
Ioni di Litio, 4 pacchi da 21 kWh
Peso totale pacco batterie
450 kg
Velocità di crociera
70 km/h
Autonomia
36 ore
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24
APPLICAZIONI
Esempi applicativi
Pipistrel Taurus Electro G2
Numero di motori elettrici
1
Potenza motori elettrici
30 kW
Pacco batterie
Ioni di Litio, 4.75 – 7.10 kWh
Peso totale pacco batterie
42-59 kg
Velocità di crociera
100 km/h
Autonomia
N.D.
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25
APPLICAZIONI
Esempi applicativi
Rui Xiang RX1E
Numero di motori elettrici
N.D.
Potenza motori elettrici
N.D.
Pacco batterie
N.D.
Peso totale pacco batterie
N.D.
Velocità di crociera
159 km/h
Autonomia
45-60 minuti
I MOTORI AERONAUTICI DI NUOVA GENERAZIONE : Propulsione elettrica ed ibrida
26
APPLICAZIONI
Esempi applicativi
Eurosport Aircraft
Numero di motori elettrici
2
Potenza motori elettrici
30 kW
Pacco batterie
Ioni di Litio, 36 kWh
Peso totale pacco batterie
N.D.
Velocità di crociera
220 km/h
Autonomia
N.D.
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27
APPLICAZIONI
Esempi applicativi
Yuneec International E430
Numero di motori elettrici
2
Potenza motori elettrici
40 kW
Pacco batterie
Litio polimeri , N.D. kWh
Peso totale pacco batterie
13 kg
Velocità di crociera
90 km/h
Autonomia
N.D.
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28
APPLICAZIONI
Esempi applicativi
Long-ESA
Numero di motori elettrici
1
Potenza motori elettrici
193 kW
Pacco batterie
N.D.
Peso totale pacco batterie
N.D.
Velocità massima
354 km/h
Autonomia
N.D.
Particolarità
Detiene il record idi velocità di un
velivolo elettrico
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FUEL CELLS
Generazione a bordo
FUEL CELL
IDROGENO
BATTERIA
OSSIGENO
ACQUA
Alimentazione in c.c. (V= cost)
Inverter
~
V variabile
f variabile
PM
3~
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30
Generazione a bordo
FUEL CELLS
Proton exchange membrane fuel cells
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Generazione a bordo
FUEL CELLS
Alkaline fuel cells
Sistema di Fuel Cell
alcaline utilizzato sullo
SPACE Shuttle
Sistema di Fuel Cell
alcaline utilizzato
per le missioni Apollo
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32
Generazione a bordo
FUEL CELLS
Direct methanol fuel cells
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33
Generazione a bordo
FUEL CELLS
Solid oxide fuel cells
I MOTORI AERONAUTICI DI NUOVA GENERAZIONE : Propulsione elettrica ed ibrida
34
APPLICAZIONI
Esempi applicativi
SkySPARK
Velivolo utilizzato
Pioneer 300
Numero di motori elettrici
1
Potenza motori elettrici
65 kW
Pacco batterie
Litio polimeri, 7,5 kWh
Peso totale pacco batterie
N.D.
Fuel Cells
60 kW
Velocità di massima
240 km/h
Autonomia
35 min
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35
APPLICAZIONI
Esempi applicativi
Airbus E-Genius
Numero di motori elettrici
1
Potenza motori elettrici
58 kW
Pacco batterie
Litio Polimeri, N.D. kWh
Peso totale pacco batterie
N.D.
Sistema di generazione a bordo
Fuel Cell
Velocità di crociera
161 km/h
Autonomia (km)
400 km
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36
Generazione a bordo
Generazione a bordo con motori a combustione
Engine
Generator
~
Rectifier
BATTERIA
Inverter
V variabile
f variabile
~
~
PM
3~
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APPLICAZIONI
Esempi applicativi
Equator Hybrid Propulsion System P2
Velivolo utilizzato
P2
Numero di motori elettrici
1
Potenza motori elettrici
100 kW
Pacco batterie
Litio Polimeri, 2 kWh
Generatore a bordo
57-60 kW (solo per batterie)
Velocità di crociera (solo elettrico)
N.D.
Autonomia
4 minuti
I MOTORI AERONAUTICI DI NUOVA GENERAZIONE : Propulsione elettrica ed ibrida
38
APPLICAZIONI
Esempi applicativi
DIAMOND DA-36 E-Star
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