CONTROLLO DELLE PERDITE NEL FERRO
DI MOTORI ELETTRICI
TIPO N1/C.14
In alcune Nazioni particolarmente sensibili al risparmio energetico, normative specifiche impongono di segnalare in targa il rendimento del motore. E’ chiaro che, anche pochissimi watt di risparmio moltiplicato per i milioni di motori funzionanti, possono generare un risparmio energetico tutt’altro che trascurabile.
In un motore elettrico, il rendimento è tanto più elevato quanto più sono ridotte le perdite sia nel rame che nel ferro. Per ottenere i migliori risultati di compromesso tra un rendimento più elevato possibile e l’economicità del prodotto, occorre tenere ben sotto controllo l’entità e le cause che determinano queste perdite.
Mentre nel rame è relativamente semplice verificare l’entità delle perdite e quindi adottare le opportune correzioni, nel ferro, sia del pacco statorico che rotorico, è decisamente più complicato in quanto queste sono dovute a molteplici cause concorrenti.
L’apparecchiatura che abbiamo studiato e realizzato, permette un esame comparativo delle perdite nel ferro di pacchi statorici e rotorici contro un pacco campione.
Le perdite magnetiche in una macchina in corrente alternata sono composte da perdite per isteresi e per correnti parassite e sono approssimativamente proporzionali al quadrato della densità di flusso del circuito magnetico.
L’obiettivo di migliorare l’efficienza delle macchine elettriche, impone di tenere le perdite magnetiche al minimo. Per soddisfare questa esigenza è necessario conoscere tutti i fattori che influenzano queste perdite e l’apparecchiatura N1/C permette di individuare il livello delle perdite magnetiche sia su pacchi statorici assemblati che avvolti, durante tutte le fasi di produzione.
Infatti, mentre le perdite magnetiche della lamiera impiegata sono dichiarate dal produttore e facilmente controllabili con sistemi omologati secondo normative specifiche (es. Giogo di Epstein), molte di più sono le perdite introdotte dalla lavorazione per generare il pacco statorico finito e molto meno facilmente rilevabili.
È possibile così, tramite il controllo contro un pacco statorico campione, rilevare l’incremento di perdite dovute alle varie fasi di lavorazione, che essenzialmente sono:
- Perdite dovute alla tranciature per la rottura del sistema cristallino che compone la lamiera.
- Perdite dovute al cortocircuito tra lamierini per la bavatura generata dalla tranciatura specie per ridotta affilatura degli stampi.
- Perdite introdotte dai vari sistemi di impaccamento, quali: graffatura, rivettatura, chiodatura, saldatura, abbottonatura, ecc.
- Ridotto isolamento superficiale dei lamierini, con conseguente aumento delle correnti parassite interlamellari.
- Controllo dell’efficacia del trattamento termico del pacco, per facilitare l’orientamento dei cristalli e per migliorare l’isolamento interlamellare.
La nuova versione realizzata N1/C.14, con unica attrezzatura, permette di effettuare sia prove da laboratorio, che prove in produzione. Previa eventuale automazione del carico e scarico dello statore.
La gamma di statori ammessa dall’attrezzatura standard è estremamente elevata: da un foro minimo di 50 mm. a diametro esterno massimo di 250 mm e altezza massima di 200 mm. Attrezzature specifiche sono realizzabili per prodotti particolari o applicazioni specifiche.
(FOTO PURAMENTE DIMOSTRATIVA)
L’apparecchiatura è in grado di rilevare essenzialmente sia le perdite in watt dell’intero pacco statorico a vari valori di induzione, che visualizzare la curva di isteresi per valutare il grado di saturazione del medesimo.
Vediamo ora quali sono le considerazioni e le valutazioni che ci hanno condotto alla progettazione e realizzazione di un sistema dedicato alla valutazione delle perdite nel ferro.
Come già accennato nella premessa, per mantenere sotto controllo la qualità dei materiali magnetici utilizzati esistono test di laboratorio specifici alla valutazione quantitativa delle perdite del ferro, normalmente dovute alle perdite per isteresi magnetica e a quelle per correnti parassite. Uno dei metodi elettivi per determinare le precedenti grandezze è quello noto come metodo del giogo di Epstain. Tale metodo prevede che vengano preparati dei campioni di materiale magnetico secondo una forma ed una procedura di montaggio unificata. Tale metodo richiede però tempi di preparazione del provino piuttosto lunghi, pertanto, poco si presta all’utilizzo per controlli su linee di produzione. In tal caso è infatti importante poter disporre di un sistema che fornisca in tempo reale le misure necessarie per mantenere il controllo qualitativo della produzione.
La prima esigenza a cui sottostare è quella di poter utilizzare in fase di collaudo provini campione che non debbano essere specificamente preparati ma che siano pezzi prelevati dalla linea di produzione.
Altra esigenza fondamentale è quella di rendere particolarmente semplice e rapido il controllo, quindi facilità di accoppiamento elettrico e meccanico con i sistemi di rilevazione dell’apparecchiatura di collaudo.
Come tutti i sistemi di collaudo e controllo il sistema fornirà in uscita una serie di misure onde permettere una analisi quantitativa del pezzo esaminato e una volta stabilita la tolleranza di produzione, utilizzare il sistema come controllo di tipo passa non passa.
Il sistema non dovrà, però, essere limitato al solo uso per controllo di produzione ma dovrà potersi utilizzare anche come strumento di laboratorio. A tale scopo è stato previsto di inserire nel sistema, oltre che la strumentazione per la determinazione delle perdite nel ferro, anche un sistema di acquisizione della curva di isteresi magnetica con relativa rappresentazione grafica del ciclo di isteresi del provino in esame.
Scendendo nel dettaglio del progetto del sistema, e facendo riferimento all’attrezzaggio per impiego come strumento da laboratorio ricordiamo brevemente i principi teorici su cui si basa il funzionamento della macchina che si rifanno a quelli applicati al ben noto apparecchio di Epstain:
Un generatore di tensione sinusoidale stabilizzato e regolabile, alimenta un avvolgimento induttore primario. Il secondo avvolgimento (secondario), avrà 2 possibilità: o utilizzare la spira già inserita nell’attrezzatura, e quindi il sistema diventa molto rapido da connettere, specie per collaudi in produzione, o avvolgere un certo numero di spire in una cava (5 o 10) per avere una migliore precisione e quindi tipicamente per misure da laboratorio, e connetterle agli apposito morsetti posti sul frontale.
Tale avvolgimento verrà poi connesso alla presa prevista sul sistema di misura per la lettura della tensione secondaria indotta che risulterà proporzionale alla densità di flusso all’interno del nucleo.
Infatti risulterà: E = 2*P*f *F N /√2
Dove:
f = E’ la frequenza della pulsazione della tensione di alimentazione
F = E’ il flusso
N = Numero delle spire secondarie
La particolare realizzazione della parte elettronica di controllo, permette l’utilizzo sia a livello di laboratorio che per piccole produzioni.
Per elevate produzioni, occorre realizzare una attrezzatura di tipo pneumatico, studiata in funzione dell’applicazione specifica.
Ne consegue che, nota la sezione trasversale del pacco lamellare, la densità di flusso sarà:
B = F/S B =( E */√2) / 2*P*f F *S
Noto pertanto il valore di induzione massima al quale si vuole far lavorare il pacco statorico, il software di sistema , applicando i principi sovraesposti, sarà in grado di determinare in modo esatto il valore della tensione secondaria e conseguentemente fornire ai circuiti di controllo della tensione di alimentazione il valore di riferimento necessario ad ottenere la densità di flusso richiesta.
Un wattmetro elettronico connesso con i circuiti amperometrici sull’alimentazione primaria del sistema in prova ed i circuiti voltmetrici connessi all’avvolgimento indotto, provvederà a fornire le misure delle perdite nel ferro.
Brevemente : Pw = E2* I1*cos(E2 ^ I1)
Per cui noto il rapporto spire secondario primario la precedente relazione diventa:
Pf =(N2/N1) *E1* I1*cos(E2 ^ I1)
Che rappresenta la potenza trasferita al nucleo e corrispondente pertanto alla somma delle perdite per isteresi e per correnti parassite.
Mediante un sistema di acquisizione e digitalizzazione dei dati il software del sistema fornisce anche una rappresentazione grafica sia dei valori di tensione indotta e corrente magnetizzante sia, dopo una successiva elaborazione di integrazione matematica sulla forma d’onda della tensione indotta, della rappresentazione grafica della curva di magnetizzazione o ciclo di isteresi magnetica. In tal modo viene fornito un utile strumento per valutare il grado di saturazione magnetica del nucleo e nel contempo avere una quantificazione visiva delle perdite per isteresi magnetica.
Una volta effettuate le misure sul provino campione sarà possibile memorizzare le condizioni di impostazione del sistema; questo ci permetterà di rieseguire il test con provini diversi mantenendo inalterate le condizioni di energizzazione del pezzo in prova. Questo permetterà un facile confronto fra provini dello stesso tipo ed uno assunto come campione (provino master).
Questa possibilità ci permette di utilizzare il sistema nella sua seconda modalità di lavoro, volta soprattutto all’utilizzo come strumento di controllo in produzione.
Videata del test
La foto sopra riportata, mostra una tipica schermata del modello N1/C.14.
La macchina è in grado di eseguire test in modo semiautomatico, fornisce come risultato i valori di tensione, corrente e flusso, inoltre offre un’indicazione grafica del ciclo di isteresi.
Il confronto dei dati misurati con quelli reimpostati permette la valutazione del pezzo in esame. L’impostazione non richiede avvolgimenti addizionali e nessun’altra azione sullo statore: quest’ultimo deve semplicemente essere posizionato sul piano della macchina e il morsetto deve essere chiuso.
La macchina applica corrente (impostabile manualmente agendo su un generatore di tensione variabile, Variac) e misura il valore della corrente generata, la tensione sul primo circuito (il morsetto), la tensione e la fase dinamica sul secondo circuito.
Tutti i calcoli necessari sono realizzati dal software di gestione; il grafico a sinistra indica i valori di tensione, corrente e tensione indotta misurati.
Sulla destra c’è la curva di isteresi, definita in funzione delle misure realizzate.
L’intero grafico può auto ridursi oppure essere zoomato manualmente.
Inoltre, è possibile archiviare i tipici risultati per questo statore: la macchina quindi, è pronta per indicare se il campione sotto test, è conforme ai risultati archiviati del campione.
La foto sopra riportata indica un campione di statore di medie dimensioni: in alto a sinistra vi sono i valori limite, quali:
- Lunghezza e altezza in mm
- Il numero di spire del secondario. Importante: la macchina può lavorare con il secondario incorporato (una spira) o può essere utilizzato il secondario fino a 10 spire.
- Il B archiviato e richiesto
- Il limite di accettabilità, in percentuale
- L’ammontare delle perdite accettabili (W)
Sempre in alto a sinistra vi sono i risultati del:
- Calcolo della sezione (cmq)
- Valore della tensione indotta ipotizzata
L’operatore può, quindi, applicare potenza al campione, ruotando il controllo del Variac fino a fare coincidere il valore della tensione indotta (Vin) con quello della medesima ipotizzata[V] precalcolata.
Ora, se i valori di campo e di perdita rientreranno nei limiti di accettabilità, la luce GO si accenderà; altrimenti avremo un’indicazione di NO GO.
La foto riporta il test su un piccolo statore, H=75mm and L=15mm; è stato testato con il secondario incorporato (1 spira) e induzione di 1.3 weber/m.
La macchina indica perdite complessive nel ferro di 10,6 watts e una tensione indotta di 0,34 V: come si può notare, la corrente data di 62.15 A, @ 0,34 V porta ad una induzione di 1.3 weber/m e a perdite di 10.6W.
N1/C.14 Realizzazione elettromeccanica
La foto mostra il nuovo attrezzo di prova realizzato; aprendo la chiusura a leva è possibile inserire e rimuovere il DUT. Avvolgimenti esterni non sono necessari; volendo ne è comunque possibile l’utilizzo, mediante avvolgimento di massimo 10 spire collegabili ad appositi morsetti.
Per concludere vogliamo ricordare che il nostro sistema non vuole sostituire quelli che sono i metodi classici per la determinazione delle caratteristiche magnetiche dei lamierini per macchine elettriche, ma vuole invece essere un sistema che soddisfa le esigenze dei costruttori di macchine elettriche, rivolto soprattutto alla facilità di una verifica qualitativa in fase produzione dei semilavorati, il che, in altre parole, vuol dire mantenere sotto controllo non solo la qualità dei materiali magnetici impiegati ma soprattutto quella del pezzo finito valutando quindi in modo globale la correttezza delle singole fasi di lavorazione del prodotto (tranciatura, assemblaggio, isolamento interlamellare, ecc.) e grazie anche alla facilità e rapidità con cui è possibile eseguire tale verifica, l’impiego del sistema N1/C.14, contribuirà ad elevare gli standard qualitativi di produzione e non da ultimo, ottenere un considerevole risparmio di energia elettrica.