Descrizione del Setup Sperimentale

Il sistema di magneti permanenti

Il rotore è composto da 16 magneti permanenti al Neodimio-Ferro-Boro (NdFeB) a forma di cubo con dimensioni 15 × 15 × 15 mm.

I magneti, le cui caratteristiche sono riportate in tabella 3.0.4, sono disposti su un anello di raggio (interno) pari a 39 mm e raggio esterno 54 mm.

Caratteristiche dei magneti permanenti

Dimensioni 15 × 15 × 15 mm

Induzione residua Br 1.17 T

Campo coercitivo Hc 860 kA/m

Per fissare i magneti è stato costruito un supporto polimerico tramite stampa 3D; sul pezzo cilindrico (raggio esterno pari a 65 mm ed altezza di 100 mm), sono state create delle cave di forma cubica entro cui alloggiare i magneti. Particolare attenzione è stata posta alla identificazione della direzione di magnetizzazione dei magneti e la successiva disposizione in array di Halbach. Allo scopo, i magneti sono stati marcati con un pennarello, individuando la direzione di magnetizzazione primaria tramite un gaussimetro. Successivamente sono stati “incastonati“ ed incollati nelle cave del supporto seguendo il senso ciclico dell’array di Halbach. In figura 3.1 è riportata una immagine del supporto completo dei magneti.

Figura 3.1: Rotore con supporto polimerico.

Piastra di materiale conduttore

La piastra di alluminio usata nel banco prova ha dimensioni 40 × 30 cm ed è spessa 4 mm. Essa è disposta ortogonalmente all’asse di rotazione dei magneti ed è fissata su un supporto mobile per la regolazione della distanza rispetto al rotore.

Figura 3.2: Immagini del sistema rotore/piastra.

Motore Elettrico

Per la rotazione dei magneti permanenti è stato usato un Motore Asincrono Trifase ”Techtop“ da 3 kW , servizio S3.

Esso presenta le seguenti caratteristiche costruttive:

• rotore a gabbia di scoiattolo;

• carcassa di tipo chiuso;

• autoventilazione, con ventola in nylon e calotta copri ventola in lamiera;

• carcassa, scatola morsettiera, flange e scudi sono realizzati in fusione di alluminio;

• possibilità di montaggio in verticale;

In figura 3.3è riportata un’immagine del motore con la relativa targa identifica- tiva. In figura 3.4, invece, sono riportati i principali dati del motore.

Figura 3.3: Motore Asincrono Trifase ”Techtop“.

Figura 3.4: Principali dati del motore.

Tensione di Alimentazione. I motori ”Techtop“ della serie M S sono co- struiti per essere alimentati con tensioni nominali di fase a partire da 220 V a 50 Hz (in realtà è anche possibile il funzionamento con frequenza di 60 Hz). Per la connessione degli avvolgimenti si fa uso della morsettiera, collegando oppor- tunamente le fasi (a triangolo o a stella) in maniera tale da ottenere le prestazioni richieste.

Il collegamento a triangolo si effettua quando la tensione della linea di alimen- tazione corrisponde al valore della tensione minore fra quelli indicati dai dati di targa. Il collegamento a stella, invece si effettua quando la tensione della linea di alimentazione è pari al valore di tensione maggiore fra i due indicati nei dati di targa del motore.

Nel caso in esame, l’assenza di una fonte di alimentazione trifase nonchè la necessità di controllo della velocità del motore, ha richiesto l’uso di un inverter con gli avvolgimenti statorici collegati a triangolo, così come mostrato in figura 3.5.

Figura 3.5: Collegamento delle fasi statoriche del motore.

Inverter. Il convertitore utilizzato per il controllo di velocità del motore è un inverter di tipo PWM Commander SK della Control Techniques [[?]??].

Esso usa una strategia di controllo vettoriale ad anello aperto per mantenere il flusso quasi costante nel motore regolando dinamicamente la tensione di alimentazione in funzione del carico sul motore. La corrente alternata viene raddrizzata attraverso un ponte raddrizzatore con condensatori di condensatori di livellamento in modo da avere in uscita una tensione continua il più possibile costante. Un ponte trifase ad IGBT permette di ottenere in uscita una tensione alternata a frequenza variabile.

In figura3.6è riportata un’immagine dell’inverter, mentre in figura3.7è mostrato lo schema elettrico usato per la connessione del convertitore al motore.

Per facilitare le operazioni regolazione del motore è stato usato un piccolo apparecchio (cfr. figura 3.8), con il quale, oltre ad avviare ed arrestare il motore, si poteva cambiare il senso di rotazione e controllare la velocità.

Figura 3.6: Inverter PWM Commander SK.

Figura 3.7: schema elettrico dei collegamenti.

Dispositivi di misura. Per misurare le interazioni tra i due sottosistemi, sono stati inseriti due trasduttori per la rilevazione delle grandezze meccaniche (forze, coppie e velocità).

Tra il sistema di magneti e il motore asincrono è stato interposto un torsiometro DATAFLEX, mostrato in figura 3.9, con lo scopo di misurare la coppia che viene scambiata tra i magneti e la piastra. Il torsiometro è in grado di rilevare anche la velocità dell’asse del sistema.

Figura 3.9: Torsiometro DATAFLEX.

Tale torsiometro usa un metodo di misurazione di tipo fotometrico basato sul passaggio di un raggio di luce attraverso due dischi. La quantità di luce che passa attraverso le finestre di uno dei due dischi varia in modo direttamente proporzionale alla coppia applicata. Ogni disco presenta un certo numero di finestre poste lungo la periferia; nel momento in cui l’albero viene posto in rotazione, la coppia applicata produce uno spostamento relativo tra i due dischi.

I dischi sono illuminati da un lato con una matrice circolare di luci multiple e dall’al- tro sono posizionati appositi sensori per misurare la quantità di luce trasmessa. La sorgente luminosa è costituita da più diodi emettitori di luce (LED) a lunga durata. Al fine di fornire una misurazione della coppia sia negativa che positiva, i dischi sono allineati in modo che metà della luce attraversi le finestre nella condizione di coppia nulla.

In figura 3.10è mostrato uno schema di principio del sistema fotometrico usato dal torsiometro.

Figura 3.10: Schema di principio del sistema fotometrico usato dal torsiometro

Tutti i componenti elettrici, compresa la sorgente luminosa, sono fissati rigida- mente e non prendono parte alla rotazione; inoltre, la disposizione di una seconda serie di finestre sulla circonferenza esterna dei dischi di codice permette di fornire un segnale proporzionale alla velocità di rotazione dell’albero.

Questo sistema permette pertanto di avere una precisione nel rilevamento dei valori di misurazione con una larghezza di banda superiore ai 15 kHz ed è perciò in grado di fornire, in modo preciso e continuo, anche andamenti della coppia ad elevata dinamica, come per esempio all’avviamento di un motore.

I valori analogici in uscita sono disponibili contemporaneamente sotto forma di tensione o di corrente. Il segnale di uscita può essere facilmente letto con un semplice tester oppure con un oscilloscopio.

La casa costruttrice fornisce un sistema di acquisizione dati specifico (inter- faccia DATAFLEX Connection Kit, cfr. figura 3.11), il quale, combinato con il DATAFLEX Torque Measuring permette di avere un sistema semplice e flessibile per gestire la fase di rilevazione dati. Tale interfaccia è composta da 12 terminali, di cui due relativi all’alimentazione dell’apparecchio. Il segnale della coppia viene visualizzato in termini di tensione nel range [−10 ÷ +10] V .

Affinché il torsiometro funzioni correttamente è necessario alimentare l’interfaccia DATFLEX in tensione continua. A tale scopo, è stato utilizzato l’alimentatore Velleman PS613 (cfr. figura3.12), il quale presenta una uscita di tensione regolabile da 0 a 30 V DC con corrente che può variare tra 0 e 2 A.

Inoltre è dotato di ulteriori due uscite separate a tensione fissa 5 o 12 V in DC; display digitale per tensione e corrente e sistema di protezione contro il corto circuito e sovraccarico per tutte le uscite.

Figura 3.11: Interfaccia DATAFLEX Connection Kit per acquisizione dati.

Figura 3.12: Alimentatore Velleman PS613

Con riferimento ai terminali di figura 3.11 si ha:

Tensione di Alimentazione 24V (No _{10 e 11). La tensione di alimenta-}

zione è 24 V ±4 V in continua. La corrente massima assorbita è di 100 mA.

Segnale relativo alla Coppia M-U (No _{4 e 5). La tensione in uscita da}

questi due morsetti è proporzionale alla coppia, con valori di tensione compresi nel range [−10 ÷ +10] V con relazione lineare tra tensione e coppia:

Filtro passa-basso (No _{15). Il segnale della coppia può essere filtrato atti-}

vando un filtro passa-basso il cui valore di frequenza limite può essere cambiato variando il commutatore DIP.

Figura 3.13: Relazione tensione-coppia

Figura 3.14: Attivazione filtro passa-basso.

Segnale di Velocità N1, N2, N-U, R/L (No _{1, 3, 7, 9). Il dispositivo}

contiene 4 connessioni per avere in uscita il segnale di velocità:

• Due segnali onda quadra sfasati tra loro di 90 gradi (N1 e N2);

• Una tensione in uscita (N-U) con il segnale di direzione (R/L);

Figura 3.15: Impostazioni sul segnale di velocità.

Outputs N1 ed N2. Ogni output di velocità N1 ed N2 è composto da un segnale ad onda quadra con una risoluzione di 360 periodi per una rivoluzione.

Figura 3.16: Segnale ad onda quadra per output di velocità.

La velocità è quindi: N [rpm] = f [Hz]/6.

I canali relativi ai segnali di velocità N1 e N2 hanno uno sfasamento di 90 gradi. L’anticipo o il ritardo dipende dal verso di rotazione.

Figura 3.17: Sfasamento dei segnali e verso di rotazione.

Output circuit (connessione di N1 ed N2). I segnali di velocità N1 ed N2 forniscono un onda quadra di tensione con un ampiezza di 24V ed una corrente massima di 20mA.

Figura 3.18: Circuito di uscita per i segnali di velocità.

Output N-U ed R/L. Il DF02 contiene un convertitore integrato f/U. Se si convertono gli impulsi dell’encoder in un’uscita di tensione lineare (terminali N-U) si produce un segnale aggiuntivo per la direzione di rotazione (terminale R/L). Mediante la posizione degli interruttori disposti sul lato inferiore del DF02 può essere adattata la scala per il segnale in uscita.

Figura 3.19: Interruttori DF02.

La tabella riportata di seguito mostra la relazione tra la disposizione degli interruttori e la corrispondente scala.

La tensione di uscita, che varia da 0 a 10 V , è direttamente proporzionale al range di velocità tra 0 e la velocità massima.

Figura 3.20: Output N-U.

Nella figura sottostante invece viene riportato il segnale (R/L) di uscita che mostra la direzione di rotazione

Figura 3.21: Direzione di rotazione.

Pulsanti di controllo e LED (dal No _{12 al 14 e figura 16). La scatola}

di collegamento DF02 contiene pulsanti di controllo e LED per le operazioni di compensazione dell’offset e per i test sui sensori. Per ragioni di protezione del sensore i test possono essere eseguiti solo nei primi 15 s dopo l’accensione. L’azzeramento del dispositivo può avvenire dopo un periodo di almeno 15 s dall’accensione. Il termine del periodo di 15 s viene segnalato da un breve lampeggio dei LED.

Operazioni Automatiche di Aggiustamento. Se il pulsante T1 viene pre- muto per un tempo di 2 secondi, l’uscita del segnale della coppia è automaticamente settata a 0 V . Questa procedura viene attuata a prescindere del valore di coppia che il sistema presenta. La procedura di azzeramento è confermata da un veloce lampeggio del LED L1. Una volta effettuato l’azzeramento, il dispositivo di misura presenterà come punto iniziale il valore zero e, quindi, sarà pronto a effettuare nuove misure.

Figura 3.23: Procedura di azzeramento.

Sensor Test. Durante i primi 15 secondi dopo l’accensione del sensore di coppia può essere ispezionata l’operatività. Infatti, tenendo premuto il pulsante T2 per un tempo di 2 secondi il segnale di tensione, proporzionale al valore di coppia, verrà incrementato di una quantità approssimativamente di 4 V per un periodo di 4 secondi.

Dal punto di vista meccanico, il torsiometro DATAFLEX è connesso al sistema tramite due giunti RADEX-NC EK (cfr. figura 3.25), composti da un pacco di lamelle in acciaio, torsionalmente rigide e flessibili. Grazie ad una speciale struttura della lamelle, i disallineamenti producono forze di reazione modeste.

Figura 3.25: Giunti di collegamento tra il torsiometri e gli alberi del sistema.

Poichè il giunto RADEX-NC è completamente metallico – le lamine sono in acciaio inossidabile – esso può essere utilizzato per temperature di esercizio sino ai 200o _{C ed in ambienti caratterizzati da sostanze aggressive. Tali giunti sono in grado}

di compensare disallineamenti assiali, angolari e, il tipo DK, anche disallineamenti radiali con forze di reazione di modesta entità. La durata delle parti di collegamento (per esempio cuscinetti) ne risulta di conseguenza incrementata.

Figura 3.26: Compensazione disallineamenti angolari e assiali.

I mozzi sono in esecuzione con bloccaggio a morsetto, prodotti in lega di al- luminio, e sono esenti da gioco, anche in caso di funzionamento con inversioni. I momenti d’inerzia sono ridotti con notevole giovamento sulle caratteristiche dinami- che dell’intero sistema.