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DIPARTIMENTO DIINGEGNERIA INDUSTRIALE
Le Prospettive della Trazione Ferroviaria per gli Anni 2020 – 2030Dipartimento di Ingegneria Industriale – via Gradenigo 6/A - Padova, 17 Marzo 2017
Prof. Andrea TortellaProf. Andrea Tortella
Laboratorio
Macchine Elettriche
Sommario
2
• Concetto di propulsione ‘contact-less’
• Sistemi di trasporto Maglev
�Applicazioni ad altissima velocità
�Veicoli urbani
• Veicoli ferroviari con motori elettrici lineari
�Propulsione con motori asincroni (LIM)
�Propulsione con motori a magnete permanente (PM)
• Propulsione a trasmissione magnetica (‘magnetic gear’)
Propulsione ‘contact-less’
3
Trasmissione di forze e coppie per
interazione magnetica (senza
contatto meccanico)
•Superamento dei problemi dell’aderenza (curve, pendenze, condizioni
ambientali, limiti di velocità,…)
•Minore manutenzione e rumorosità
• Incremento della capacità di trasporto (propulsione distribuita)
•Modularità
•Densità di forza limitate con sistemi di eccitazione ‘standard’
• Indotto o induttore sulla parte fissa
4
Motori elettrici lineari
poli campo prodotto
dal primario
1. Macchina rotante 2. Taglio/srotolamento 3. Motore lineare monolatero
4. Motore lineare bilatero
5
Trasporto con motori lineari
3~
sezioni di armatura
3~3~
3~ SSE
primario motore
In tensione solo sezione/i
di transito
LSM → ‘Bassa’ potenza a
bordo, controllo in linea
Attiva solo una porzione
della sezione alimentata
(perdite, cdt)
Maglev con eccitazione a bordo
3~SSE
+
-
primario motore
Ferroviario
secondario motore
3~SSE
+
-
Assenza interruttori di sezione
Uso contatti striscianti (bassa
velocità)
LIM → Controllo a bordo
Maglev con
contatti striscianti
6
Sistema EMS-Maglev
Motore sincrono lineare (LSM)
Elettromagneti per eccitazione LSM e
levitazione
Sistema di levitazione e
di guida laterale
Fpeso
Fguida
Flev
7
Veicolo Transrapid
Dati linea Shanghai
Lunghezza 30 km
Tempo
percorrenza8 min
Cadenzamento
min10 min
Velocità max 430 km/h
Puntualità 99,9 %
Firma contratto 23/1/2001
Accettazione 13/04/2004
Capacità 4 Mpass/anno
km totali percorsi
(2013)12 Mkm
Veicolo (TR-08)
N. sezioni 6
Lunghezza 150 m
Peso 350 t
Potenza 30 MW
Velocità max 550 km/h
LSM (TR-08)
Forza max 330 kN
Potenza
assorbita/sezione
2 MW@250 km/h
6 MW@400 km/h
Efficienza 85%
Max accelerazione 0.9 m/s2
Tempo 0-400 km/h 165 s
Traferro 9-11 mm
8
Motore lineare sincrono (LSM)
9
Forze di propulsione e levitazione
Riduzione dell’ondulazione delle forze sfalsando di mezzo passo di
dentatura (��/2) le ruote magnetiche sui due lati della pista
10
Generatore lineare (LG)
� Cave aperte ⇒ variazione di flusso sulle espansioni
polari di rotore
� Alta velocità ⇒ f.e.m. indotte in avvolgimenti
posizionati sulle espansioni polari
� 3 denti per semipasso ⇒ fLG
=6 fLSM
� Se fLSM
=215 Hz (400 km/h) ⇒ fLG
=1292 Hzisolamento
bobina
eccitazione
nucleo
polo
bobina LG
dente LG
� F.e.m. indotte a
vuoto in quadratura
e con contenuto
armonico
apprezzabile
� Induttanza variabile
(±15% rispetto al
valore medio)induttanza
f.e.m.
11
Prestazione dell’LG
0
400
800
1200
1600
2000
0 5 10 15 20 25 30
Tensione sul carico
corrente (A)
potenza (W)
P totale ≈ 260 kW @ 400 km/h
LG_A
LG_B
12
Maglev bassa velocità
Sistema di captazione
13
Maglev urbano e trasporto merci
Interazione tra magneti sul veicolo
e bobine cortocircuitate sulla pista
(azione repulsiva/centrante)
Magneti sul veicolo anche per
guida laterale
ECCO (ElectricContainer Conveyor)
8 km
Velocità [m/s]
For
za ‘d
rag’
[kN
]
Vuoto
Pieno carico
Velocità di levitazione (traferro ≈ 30 mm)
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Ferrovia con motori lineari
3 mm Cu + 32 mm di
giogo ferromagnetico
nei tratti di
accelerazione e
decelerazione
bobine LSM annegate
nel calcestruzzo
trave di calcestruzzo
terminali di connessione
contenitore in
acciaio inossidabile
PM sul
carrello
Avvolgimento
LSM sulla pista
• Miglioramento aderenza specie in salita
• Minore rumore
• Veicoli a piano ribassato (più capacità di trasporto, riduzione opere civili)
• Possibile uso di conduttori di diverso materiale o dimensione per la pista
• Angolo di sterzatura ruote variabile (manca connessione rigida con i motori)
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Linear Metro
Alimentazione Pantografo – 1500 Vdc
N. Motori 4 LIM/carrozza
Potenza motore 100 kW
Traferro 12 mm
Velocità max - nom 70 km/h - 50 km/h
Accelerazione max 0.69 m/s2
Sezione veicolo 3.15(H)x2.5(L) m2
Peso/carrozza 25.5 t
Max pendenza 8 %
Max raggio di curvatura 50 m
(B)
(A)
(A): Linear Metro
(B): Metropolitana convenzionale
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Studio su motori lineari
permanentmagnets
phasecoil
primarycore
Secondary core (guideway)
permanentmagnets
Motore sincrono a flusso trasverso con magneti permanenti e bobine sul veicolo (alto rendimento) e pista passiva (costo ridotto)
Applicazione su un veicolo per trasporto in ambito montano in alternativa ad un sistema funiviario (10 pass., pendenza 20%, 5 m/s)
COSTO ESERCIZIO: 2.45 c€/pp/km
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Spinta modulo trifase
Magneti immersi (TF-LHRM) Magneti superficiali (TF-SPM)
Migliori prestazioni in quanto a
valore medio e ripple con ridotta
quantità di magnete permanente
70
���
18
Macchine lineari di supporto
• Miglioramento prestazioni con aderenza critica (bagnato, pendenza)
• Accelerazione/frenatura addizionale indipendente dall’aderenza (applicazioni AV)
• Configurazione monolatera → sfruDamento sia della componente tangenziale che
normale (incremento massa aderente)
Contributo incremento
aderenza
Test su locomotiva BR-152 (4 assi – 6.4 MW)
Forza tangenziale ⇒ max 10 kN, scarsa influenza del traferro con basso scorrimento
Forza normale ⇒ max 35 kN, ma riduzione apprezzabile con scorrimento e traferro
Massa ⇒ contributo addizionale 2 ton/carrello
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Trasmissione magnetica (RLMMC)
• RPMC �� ⇒ azionati da motori elettrici a bordo producono un campo
magnetico traslante alla velocità ��
• MR �� ⇒ sono in moto relativo alla velocità �� rispetto ai magneti
rotanti RPMC e lineari LMPM
• LMPM �� ⇒ fissi con il veicolo, producono un campo magnetico che
interagisce con quello modulato dalla cremagliera magnetica
�� � �� � ��
�� ���
�����
��
Rapporto di
trasmissione
RPMC: PM
cilindrici rotanti
LMPM:
magneti lineari
θc
π+θc
��
giogo ferromagnetico
MR:
cremagliera
magnetica vs
Velocità relativa
��
20
Configurazione modulare
0
0.3
0.6
0.9
1.2
1.5
1.8
0 60 120 180 240 300 360
thru
st �
[kN
]
Electrical degrees
module 1module 2resultant
30°
21
Esempio di applicazione
Funicolare Montmartre
Dati principali
Passeggeri/pendenza 8 / 20%
Velocità veicolo – RPMC 1 m/s – 2400 rpm
Lunghezza percorso 100 m
Prestazioni sistema di trazione
Forza di propulsione 3250 N
Accelerazione 0.23 m/s2
Tempo accelerazione 4.3 s
Potenza assorbita 3600 W
Ipotesi di progetto
Rendimento totale 90%
Resistenza rotolamento ruota- rotaia 4 kg/ton
Contributo inerziale masse rotanti +5%
Massa cabina 800 kg
Caratteristiche veicolo
Massa totale ≈ 1500 kg
N. moduli per lato 2 (4 in totale)
Lunghezza attiva/ profondità (1 lato) 0.25 m/0.3 m
Massa magneti ≈ 30 kg
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Conclusioni
• Benefici apprezzabili della propulsione ‘contact-less’ sia
riguardo le prestazioni del veicolo che l’infrastruttura
• Possibilità di alimentazione ‘contact-less’ (generatore
lineare, trasformatore lineare, frenatura rigenerativa)
• Problemi di costo dei motori (es. magnete permanente,
materiale attivo sulla pista) e di complessità dei sistemi di
controllo (maglev)
• Stime dei costi di sistema paragonabili alle soluzioni
convenzionali, tenendo conto dei costi di esercizio e
manutenzione
23
Bibliografia
1) A. Cassat, V. Bourquin, “MAGLEV – Worldwide Status and Technical Review”, 2011
2) Friedrich Loeser, ”The Shanghai Maglev Case Study: Record Braking Design for the Future”, 2013
3) M. Andriollo, G. Martinelli, A. Morini, and A. Tortella, “Electromagnetic Optimization of EMS-Maglev
Systems”, 1998
4) Y. Yasuda, M. Fujino, M. Tanaka and S. Ishimoto, ”The First Hsst Maglev Commercial Train In Japan”,
2005
5) D. Y. Park, B. C. Shin, and H. Han, “Korea’s Urban Maglev Program”, 2009
6) S. Gurol, B. Baldi, R. Post, “The General Atomics Low Speed Urban Maglev Technology Development
Program”, 2003
7) S. Gurol, ” General Atomics Linear Motor Applications: Moving Towards Deployment”, 2009
8) E. Isobe, J. Cho, I. Morihisa, T. Sekizawa, and R. Tanaka, “Linear Metro Transport Systems for the 21st
Century”, 1999
9) T. Koseki and E. Isobe, “Recent advancement in linear drives applied to traction in Japanese Subways;
Linear Metros”, 2011
10) K. Woronowicz and A. Safaee, “Linear Motor Drives and Applications in Rapid Transit Systems”, 2014
11) T. Werle, A. Binder, "Asynchronous Linear Machines Booster For Railway Vehicles”, 2000
12) T. Werle, M. Hofmann, A. Binder, "Booster concepts for increase of tractive effort”, 2002
13) M. Andriollo, F. Saracino, and A. Tortella, “Rotating to Linear Motion Magnetic Converter for Low
Capacity Transport Applications”, 2016
24
Grazie per l’attenzione!
25
Levitazione magnetica (Maglev)
Interazione elettromagneti sul
veicolo e pista ferromagnetica
(azione attrattiva)
Possibile integrazione con
guida laterale
Interazione bobine SC
sul veicolo e bobine
cortocircuitate sui lati
della pista
(azione centrante)
Guida laterale con le
stesse bobine (null-flux)
Interazione tra magneti sul
veicolo e bobine
cortocircuitate sulla pista
(azione repulsiva)
Magneti sul veicolo anche
per guida laterale
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Sistemi direct-drive ferroviari
• Costi inferiori per la parte meccanica
• Rendimento superiore ≈ +5% (assenza riduttore, motore a magnete permanente)
• Manutenzione ridotta (≥13 anni per sistemi a bassa velocità)
• Assenza di perdite d’olio o di altri lubrificanti
• Riduzione del rumore anche grazie al minor peso del carrello
• Trasmissione del moto più semplice e meno ingombrante pur utilizzando tecniche
di tipo consolidato (albero cavo)
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Trasmissione energia a bordo
Sul veicolo
v
Pista
Flu
sso
tempo
dente cava
Effetto di riluttanza
sulla pista con
sorgente a bordo
Valore di potenza
dipendente dalla
velocità
Necessità di sistema di
accumulo a bordo
Alimentazione ad alta
frequenza (20 kHz) con
bobine distribuite sulla
pista
Alcune centinaia di kW a
400 V
Possibile applicazione in
stazioni di ricarica
28
Maglev urbano
Vantaggi
Pendenza
Sicurezza di marcia
Rumore
29
Maglev urbano
30
Macchine lineari per ferrovia AV
• Profilo di forze coerente con previsioni
teoriche e test sperimentali in pubblicazioni
scientifiche
• Criticità per alti valori di forza attrattiva e
perdite nella rotaia ⇒ possibile
sfruttamento effetto di dentatura
• Pesante influenza del traferro e
conseguente gestione della corrente
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Prestazioni singolo LIM
Grandezza Potenza nominale Potenza oraria
Forza di spinta (N)Cu 1739 2113 (+21%)
Al 1706 1992
Forza frenante (N)Cu 1880 2065
Al 1810 1890
Efficienza (%)Cu 49.2 49.6
Al 49.2 48.4
Fattore di potenzaCu 0.794 0.635
Al 0.772 0.614
Corrente assorbita (A)Cu 96 -
Al 92 -
* Particolarmente adatto nelle sezioni di accelerazione/decelerazione
*
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Ferrovia urbana azionata da LIM
LIM sul veicolo alimentato da linea esterna o sistemi
di bordo
Secondario conduttivo (e magnetico) sulla
pistaJFK Air Train
(collegamento terminal con rete regionale)
Vancouver Sky Train
Sezione inclinata
Kuala Lumpur LRT System
Tokyo Linear Metro
Innovia Metro
Line Mark IIPechino aeroporto-città
Al top cap
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RPMC: cilindri
magnetici rotanti
LMPM: magneti lineari
rc
�#
θc
π+θc
��
τL
MR:
cremagliera
magnetica vs
velocità relativa
��
τs
34
Transrapid vs ICE 3
dBA
35
Costi infrastruttura
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Convertitore Transrapid
Configurazione e dimensionamento in funzione del tratto di linea
Convertitore ad alta
potenza di valore max
15.6 MVA (GTO/IGCT
raffreddati ad acqua)
Convertitore di media potenza di valore max
7.5 MVA (derivato dal precedente con un
solo inverter lato pista)
Convertitore di bassa potenza di valore max
1.2 MVA per funzionamento in manovra o in
area manutenzione (struttura simile con
tecnologia IGBT)