Ariane 5 `e al momento il lanciatore pi`u grande costruito in Europa ed `e in grado di portare in orbita satelliti fino a 6 tonnellate. Avio, partner italiano di Arianespace (la societ`a che commercializza i voli Ariane), `e la pi`u importante azienda italiana che partecipa al pro- gramma Ariane 5. I motori laterali (booster), forniti da Avio, hanno una spinta al decollo di 1200 tonnellate e in due minuti portano il lan- ciatore a 60 chilometri da terra. Successivamente il motore Vulcain, a propellente liquido, spinge Ariane 5 portandolo in orbita. Per il mo- tore Vulcain, Avio fornisce la turbopompa Vinci, ad ossigeno liquido. Attualmente Avio `e impegnata nella ricerca di un sistema di sosten- tazione dell’albero della turbopompa Vinci, sostitutivo dei presenti cuscinetti speciali obliqui a sfere. Da questa esigenza, nasce la colla- borazione tra l’Universit`a di Pisa e Avio, per la ricerca di un sistema ibrido di sostentazione, costituito da cuscinetti idrostatici e magneti- ci. Il tipo di sostentazione magnetica adottata `e quella passiva, che presenta l’inconveniente dell’instabilit`a (instabilit`a radiale per un cu- scinetto assiale magnetizzato assialmente).
La nostra attenzione `e stata focalizzata sui magneti al neodimio-ferro- boro che presentano i pi`u alti valori di forza coercitiva (Hc), induzione
residua (Br) e prodotto energetico (BHmax) tra i magneti oggigiorno
in commercio. Tra i magneti al neodimio-ferro-boro quelli in nostro possesso (MPI) hanno il pi`u basso rapporto costo/prestazioni.
Lo scopo del lavoro svolto `e stato di determinare l’effettivo comporta- mento della sospensione magnetica in condizioni stazionarie; pi`u spe- cificatamente nelle condizioni in cui l’anello superiore viene posto in rotazione ad una velocit`a compresa tra 500giri/min e 3000giri/min. Il primo passo quindi `e stato di determinare il comportamento del- la sospensione magnetica passiva mediante simulazioni numeriche. A questo scopo `e stato utilizzato un programma agli elementi finiti, in dotazione al gruppo di ricerca di Elettrotecnica del Dipartimento di Sistemi Elettrci ed Automazione della facolt`a di Ingegneria di Pisa, specifico per la trattazione di problemi di elettromagnetismo (Mega). Dai risultati ottenuti alle simulazioni si `e visto che le prestazioni del cu- scinetto in condizioni stazionarie sono sostanzialmente identiche rispet- to a quelle statiche; gli effetti delle correnti parassite da considerarsi nelle simulazioni solo nel caso e 6= 0 sulla presunta diminuizione della capacit`a di carico assiale del cuscinetto sono pressocche nulli. Me- diante le simulazioni non si `e potuto verificare quanto influisce sulle correnti parassite la disomogeneit`a del materiale (non uniforme magne- tizzazione dovuta ai processi di compattazione delle polveri costituenti i magneti e di magnetizzazione degli stessi) in quanto i magneti con- siderati nelle simulazioni sono perfettamente omogenei e magnetizzati uniformemente. Inoltre mediante le simulazioni non si `e considerato il riscaldamento per effetto Joule nei materiali circostanti e negli anelli magnetici dovuto alla nascita delle correnti indotte. Questi due aspet- ti sono stati affrontati mediante la sperimentazione (capitolo 3). Nella prima parte considerata la difficolt`a della stima di ~M si `e pensato
di misurare la densit`a di flusso del campo ~B esterno al magnete. Le
misure condotte sono state soddisfacenti evidenziando variazioni per- centuali della densit`a di flusso < 5% per le misure ottenute a raggio fissato (ruotando il magnete da 0◦ fino a 360◦ con incrementi di 45◦).
Per quanto riguarda le altre misure (ad angolo fissato si `e spostato il sensore del gaussmetro dal bordo interno fino al bordo esterno del magnete con incrementi di 10mm) invece, si sono ottenute delle varia- zioni percentuali < 20%.
Nella seconda parte della sperimentazione si `e pianificata una cam- pagna di prove col magnete superiore in rotazione al variare del numero
di giri, del gap e dell’eccentricit`a. Dai risultati ottenuti si `e visto che gli andamenti dei carichi assiali e radiali erano fortemente disturbati. I disturbi si `e visto che sono imputabili in primo luogo ai problemi di compatibilit`a elettromagnetica e all’attrezzatura di sperimentazione (presenza di giochi, non perfetta planarit`a e parallelismo delle super- fici di vincolo dei magneti, vibrazioni assiali e radiali), in secondo luo- go a problemi legati alla qualit`a dei magneti in nostro possesso (non uniforme magnetizzazione, non perfetta planarit`a e parallelismo delle superfici dei magneti ed infine difetti superficiali degli stessi).
Nonostante tali problemi, dalle prove sperimentali si `e visto che gli ef- fetti delle correnti parassite e del riscaldamento prodotto da esse sono da ritenersi trascurabili (i carichi assiali infatti sono sostanzialmente identici a quelli statici).
Le uniche differenze significative che si hanno riguardano solamente i carichi radiali che sono leggermente superiori a quelli statici per l’ effetto della forza centrifuga sul magnete in rotazione.
Per ottenere tuttavia risultati pi`u veritieri riguardo alla capacit`a di carico dei cuscinetti e inerenti esclusivamente ai magneti `e necessario risolvere i problemi connessi con l’attrezzatura di prova (non perfet- ta planarit`a e parallelismo delle superfici dove poggiano i magneti, giochi e vibrazioni) ed `e opportuno svolgere queste prove in ambienti dove non sono presenti o sono molto ridotti i problemi di compati- bilit`a elettromagnetica (camere schermate), oppure adottando parti- colari precauzioni per ridurre al minimo i disturbi esterni (per esempio schermare i cavi di segnale).
Figura 3.57: Disposizione delle celle di carico radiali
Inoltre `e necessario apportare alcune modifiche all’attrezzatura di pro- va per avere delle migliori acquisizioni dei valori dei carichi.
Per ottenere delle misure pi`u precise dei carichi assiali e che consideri- no che la distanza dei magneti non `e la stessa se si considerano diversi punti corrispondenti del magnete superore ed inferiore si potranno uti- lizzare tre celle di carico assiali disposte a 120◦ al di sotto della piastra di appoggio del magnete invece che una cella coassiale al magnete in- feriore (fig.3.56).
Per quanto riguarda invece, i carichi radiali si potranno utilizzare tre celle disposte a 120◦ anziche due disposte a 90◦. Con quest’ultima
disposizione se vi sono delle vibrazioni dell’albero portamagnete nel- la direzione di figura 3.57 le variazioni di carico radiale dovuto al- la vibrazione dell’albero potranno essere rilevate direttamente dalla celle di carico 3; ci`o inoltre garantisce un ulteriore vincolo per la pia- stra riducendo i problemi connessi con le vibrazioni di quest’ultima (si riveda in proposito la fine del paragrafo 3.4).
Per concludere lo studio teorico-sperimentale ha indagato il compor- tamento di una sospensione magnetica (cuscinetto magnetico assiale) costituita da due magneti ad anello, magnetizzati assialmente e posti in repulsione.
L’inconveniente principale di un tale tipo di cuscinetto `e l’instabilit`a radiale a cui `e soggetto, d’altro canto presenta i vantaggi di assenza di attrito ed usura, insieme ad un basso costo ed una manutenzione
pressocch`e nulla.
Allo stato attuale un tale tipo di cuscinetto pu`o essere utilizzato sola- mente insieme a soluzioni che annullino i carichi radiali destabilizzan- ti (cuscinetto radiali meccanici o idrostatici come nel caso della tur- bopompa Vinci di Ariane 5). Un tipo di sospensione siffatta `e definita ibrida. Utilizzando un tale tipo di sospensione si deve considerare che i carichi radiali che sviluppa il cuscinetto magnetico aumentano all’au- mentare dell’eccentricit`a tra i magneti (quelli assiali invece si riducono all’aumentare dell’eccentricit`a).
Tuttavia risulta evidente (si veda in proposito la figura C.4 in ap- pendice C sul rapporto Frad/Fass) che i carichi radiali che dovrebbe sostenere un ipotetico cuscinetto sono compresi tra il 25% e il 5% del carico assiale sviluppato dai magneti in repulsione, ammettendo una variazione del gap e dell’eccentricit`a tra i magneti rispettivamente pari a 0 − 8mm e 0 − 2mm. Da tali grafici risulta evidente anche che per avere delle prestazioni soddisfacenti della sospensione ibrida si deve garantire che il cuscinetto magnetico assiale lavori con una ec- centricit`a tra i magneti molto bassa (teoricamente nulla). Tale aspet- to `e di primaria importanza non solo perch`e all’aumentare dell’ec- centricit`a aumentano i carichi radiali ma anche perch`e all’aumentare dell’eccentricit`a si riduce il carico assiale sviluppato dai magneti in repulsione.
Appendice A
Risultati sulle misure della
densit`a di flusso
A.1
Magneti MPN 10-40
Tabella A.1: Valori della densit`a di flusso(T) a raggio fissato per il magnete MPN 10-40 n.1 Posizione angolare Raggio(mm) 1 2 3 4 5 6 7 8 15 0.150 0.152 0.146 0.143 0.141 0.147 0.149 0.151 25 0.202 0.208 0.212 0.206 0.203 0.200 0.197 0.199 35 0.225 0.242 0.245 0.244 0.229 0.227 0.215 0.216 45 0.190 0.198 0.201 0.206 0.203 0.193 0.191 0.187 15 −0.148 −0.147 −0.148 −0.153 −0.148 −0.145 −0.145 −0.146 25 −0.207 −0.205 −0.200 −0.198 −0.197 −0.197 −0.200 −0.205 35 −0.220 −0.220 −0.217 −0.215 −0.218 −0.219 −0.220 −0.226 45 −0.180 −0.183 −0.190 −0.180 −0.186 −0.191 −0.193 −0.192
Tabella A.2: Valori della densit`a di flusso(T) ad angolo fissato per il magnete MPN 10-40 n.1 Raggio(mm) Posizioni angolari 45 35 25 15 1 0.186 0.227 0.203 0.167 3 0.202 0.235 0.209 0.165 5 0.206 0.225 0.201 0.161 7 0.195 0.214 0.198 0.168 1 −0.183 −0.221 −0.206 −0.165 3 −0.203 −0.214 −0.200 −0.171 5 −0.202 −0.215 −0.197 −0.171 7 −0.199 −0.220 −0.200 −0.170 0 50 100 150 200 250 300 350 −0.25 −0.2 −0.15 −0.1 −0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 Gradi Densità di flusso(T)
Andamento circonferenziale della densità di flusso per il magnete MPN 10−40
R+=15mm R−=15mm R+=25mm R−=25mm R+=35mm R−=35mm R+=45mm R−=45mm
15 20 25 30 35 40 45 −0.4 −0.3 −0.2 −0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4
Distanza dal bordo interno(mm)
Densità di flusso(T)
Andamento radiale della densità di flusso per il magnete MPN 10−40
0°+ 0°− 90°+ 90°− 180°+ 180°− 270°+ 270°−
Figura A.2: Andamento della densit`a di flusso in direzione radiale
0 50 100 150 200 250 300 350 −0.25 −0.2 −0.15 −0.1 −0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 Gradi Densità di flusso(T)
Andamento medio della densità di flusso
lato+ lato−
Figura A.4: Densit`a di flusso media in direzione circonferenziale
15 20 25 30 35 40 45 −0.4 −0.3 −0.2 −0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4
Distanza dal bordo interno(mm)
Densità di flusso(T)
Andamento medio della densità di flusso
lato+ lato−
Tabella A.3: Valori della densit`a di flusso(T) a raggio fissato per magnete MPN 10-40 n.2 Posizione angolare Raggio(mm) 1 2 3 4 5 6 7 8 15 0.163 0.163 0.164 0.164 0.160 0.158 0.157 0.159 25 0.208 0.202 0.205 0.210 0.208 0.210 0.208 0.209 35 0.232 0.225 0.225 0.235 0.242 0.247 0.244 0.237 45 0.192 0.188 0.187 0.188 0.200 0.196 0.205 0.195 15 −0.163 −0.167 −0.164 −0.168 −0.167 −0.167 −0.165 −0.162 25 −0.198 −0.203 −0.198 −0.201 −0.200 −0.197 −0.197 −0.194 35 −0.213 −0.217 −0.220 −0.220 −0.221 −0.214 −0.219 −0.217 45 −0.204 −0.201 −0.205 −0.210 −0.200 −0.197 −0.200 −0.206
Tabella A.4: Valori della densit`a di flusso(T) ad angolo fisssato per il magnete MPN 10-40 n.2 Raggio(mm) Posizioni angolari 45 35 25 15 1 0.192 0.229 0.209 0.169 3 0.198 0.220 0.205 0.171 5 0.213 0.234 0.208 0.169 7 0.201 0.235 0.206 0.169 1 −0.200 −0.218 −0.199 −0.162 3 −0.197 −0.219 −0.197 −0.165 5 −0.192 −0.222 −0.200 −0.165 7 −0.201 −0.219 −0.196 −0.163