Progettazione e realizzazione di un motore lineare tubolare a magneti permanenti raffreddato ad azoto liquido

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opportunamente valutati e quindi acquistati al fine di eseguire tutte le prove in massima 
sicurezza. 
In una prima fase sono stati testati tutti i materiali necessari alla costruzione del motore 
sia a temperatura ambiente sia in azoto liquido, si sono quindi scelti quei materiali che 
garantivano il miglior compromesso tra prestazioni elettriche e meccaniche, in seguito in 
conformità a tali scelte si è progettato e quindi  costruito il motore che è stato testato nel 
suo complesso in ambiente criogenico, valutando tra l’altro la possibilità e gli eventuali 
vantaggi in termini economici di utilizzare semplice rame per la costruzione degli 
avvolgimenti invece che superconduttore.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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CAPITOLO  I 
 
Il problema termico 
 
I motori elettrici sono macchine elettromagnetiche, ed i loro costituenti, nella quasi totalità 
delle macchine sono: ferro, rame e materiali isolanti.  
Come avviene per qualsiasi sistema di conversione dell’energia, anche nelle macchine 
elettriche si ha sempre che l'energia uscente (Wu) è minore dell'energia entrante (We). La 
differenza fra l'energia entrante e quella uscente rappresenta l'energia perduta (Wp). 
L'energia perduta (Wp), trasformandosi in energia termica, determina una sovraelevazione 
di temperatura  del complesso rispetto alla temperatura ambiente.  
Alla generazione delle perdite e quindi del calore di una macchina elettrica concorrono vari 
fattori, è bene subito chiarire che l’aumento di temperatura dovuto alle perdite è un limite 
sentito in maniera preponderante dall’isolante che avvolge i conduttori, è infatti la massima 
temperatura ammissibile a cui questo può lavorare che in un certo senso determina la 
massima potenza e il campo di operatività di una certa macchina. 
A tal proposito  si ricorda che ogni isolante è vincolato ad una certa temperatura limite  di 
esercizio 
max
θ  oltre la quale l’isolante si degrada in tempi relativamente brevi arrivando 
molto spesso alla sua distruzione e causando così la rottura della macchina. 
 E’ utile ricordare la Regola di Montsinger: la vita dell’isolante si dimezza in 
corrispondenza di un superamento continuativo della temperatura ammissibile di circa 8-
9°C 
Occorre cioè che risulti:   
maxregime
θ θ≤  
Si intuisce subito che quindi le potenzialità di un certo motore a parità di altri fattori sono 
strettamente correlate all’efficacia del suo sistema di raffreddamento.  
Il sistema di raffreddamento stabilisce quindi  le potenzialità di un dato motore. 
Generalmente un motore fornisce una potenza tanto maggiore quanto maggiore è la 
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corrente assorbita. Questa è limitata dalla temperatura che gli avvolgimenti possono 
raggiungere che, come detto, dipende dalla qualità degli isolanti, cioè dalla classe di 
isolamento. In base alle proprietà di resistenza alla temperatura, gli isolanti vengono 
raggruppati in classi, in tabella 1 sono riportate la varie classi di isolamento con relativa 
temperatura.  
 
 
Tab 1.1 – Classe d’isolamento di alcuni materiali isolanti 
 
Se il sistema di raffreddamento è sempre lo stesso, si ha più potenza per un motore di classe 
più elevata. A parità di classe si può aumentare la potenza di uscita potenziando il sistema 
di raffreddamento. Un motore in un ambiente ventilato, può fornire una potenza doppia 
dello stesso motore in ambiente chiuso. 
Per cercare di ottenere maggior potenza da un motore, un modo è sicuramente quello di 
cercare di raffreddarlo nella maniera migliore possibile. 
Prima di passare in rassegna i metodi per raffreddare un motore è utile elencare quali sono 
le cause che lo riscaldano, di seguito si affronterà una breve trattazione sul problema 
termico delle macchine elettriche, andando ad evidenziare le tre fasi che lo interessano: 
 
• generazione del calore 
• trasmissione del calore 
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• asportazione del calore 
 
1.1 Generazione del calore 
 
In una macchina elettrica si genera calore a seguito delle perdite che si manifestano in essa 
durante il suo funzionamento. 
Le principali perdite che si hanno nelle macchine elettriche sono: 
 
 
Perdite nel ferro (per isteresi e correnti parassite) 
 
Esse possono essere espresse con una relazione del tipo: 
 
1,2
2
[,]
50
M
fepBfM fe
f
PC B G
⎛⎞
= ⋅⋅ ⋅
⎜⎟
⎝⎠
 
 
dove: 
- 
fe
P = perdite nel ferro (W) 
- 
[,]
M
pB f
C  = cifra di perdita delle lamiere magnetiche (W/Kg) 
- 
M
B = induzione massima (T) 
- f = frequenza (Hz) 
- 
fe
G = peso del ferro (Kg) 
Per macchine funzionanti a flusso costante (trasformatori, motori asincroni) esse sono 
indipendenti dal carico. 
Le perdite nel ferro saranno ulteriormente approfondite nel Capitolo 3 dedicato ai materiali. 
 
 
 
 
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Perdite nel rame (Per effetto Joule)  
 
Possono essere espresse con una relazione del tipo: 
 
                                              
2
cu
PRI= ⋅  
dove: 
- 
cu
P = perdite nel rame (W) 
- I  = Intensità di corrente (A) 
- R = Resistenza (Ω) 
  
Esse dipendono generalmente dal carico. Quanta più corrente assorbe la macchina tanto più 
grandi risulteranno essere le perdite nel rame. E’ soprattutto su questo tipo di perdite che, 
come vedremo nel seguito, si è concentrata la nostra attenzione. 
 
Perdite meccaniche (per attrito e ventilazione) 
 
Sono perdite legate agli accoppiamenti cinematici delle macchine e come tali sono presenti 
solo nelle macchine rotanti. Quelle per attrito sono proporzionali alla velocità angolare, 
quelle per ventilazione al cubo della stessa velocità; possono essere espresse con una 
relazione del tipo: 
  
3
ma v
PKnKn= ⋅+ ⋅  
dove: 
- 
m
P  = perdite meccaniche (W) 
- n   = velocità angolare (giri/min) 
Per quelle macchine funzionanti a velocità costante (macchine sincrone) o praticamente 
costante (macchine asincrone) sono indipendenti dal carico. 
 
 Perdite addizionali 
 
Tali perdite non sono di facile valutazione teorica e dipendono principalmente da: 
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-         distorsioni di flusso magnetico; 
-         distribuzione non uniforme della corrente nei conduttori; 
-         correnti parassite nelle masse metalliche vicine agli avvolgimenti. 
 
Proprio per il fatto che tali perdite sono di difficile valutazione teorica,  per alcune 
macchine vengono  fissate dalle  Norme CEI (per le macchine asincrone, per esempio, esse 
vengono convenzionalmente fissate pari allo 0,5% della potenza nominale). 
 
1.2  Trasmissione del calore 
 
La trasmissione del calore nelle macchine elettriche avviene secondo le tre tipiche forme: 
-         Trasmissione per conduzione 
-         Trasmissione per convezione 
-         Trasmissione per irraggiamento 
 Tali forme di trasmissione quasi mai si verificano singolarmente ma piuttosto generano 
una reciproca interazione. 
 
Conduzione 
 
Tale forma di trasmissione del calore è tipica dei corpi solidi (sebbene essa avvenga anche 
in seno ai liquidi e ai gas).  
Essa avviene senza alcun movimento di materia, ed è il caso tipico della trasmissione del 
calore fra due superfici di un corpo solido. 
 
 12
                                                     
p
S
P
d
λ
θ
⋅
= ⋅∆  
-      
p
P  = potenza trasformata in calore che  si trasmette da una  superficie all'altra in un 
secondo (W) 
-  S = superficie attraverso la quale avviene la trasmissione (m²) 
-  d = distanza fra le due superfici (m) 
-  λ  = conducibilità termica del corpo (W/m K) 
-   θ∆   = differenza di temperatura fra le due superfici (K) 
Nelle macchine elettriche tale tipo di trasmissione del calore si ha all'interno dei materiali 
attivi (avvolgimenti e nuclei magnetici).  
 
Convezione 
 
È caratteristica dei corpi liquidi e gassosi. Essa avviene con movimento di materia 
all'esterno delle sorgenti termiche: in tal caso il calore si propaga perché parti del fluido 
caldo si spostano verso zone di fluido freddo mescolandosi e sostituendosi ad esso. 
La trasmissione del calore per convezione è esprimibile con la seguente legge: 
 
                                                   
pcc
PKS θ= ⋅⋅∆ 
 
-  
p
P = potenza trasformata in calore  trasmessa  al fluido dal corpo caldo in un secondo 
(W) 
- 
c
S = superficie attraverso la quale il calore si trasmette  al fluido (m²), superficie utile per 
la convezione 
-  
c
K = Coefficiente di trasmissione  del  calore  per convezione (W/m² K) 
- θ∆  = sovratemperatura del corpo rispetto al fluido (K) 
 
Nelle macchine elettriche tale tipo di trasmissione del calore si ha tra le superfici esterne 
degli avvolgimenti e dei nuclei e il fluido a contatto con tali parti (aria per le macchine 
rotanti, aria o olio per i trasformatori). 
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Irraggiamento 
 
Avviene in generale dalle pareti dei corpi solidi all'aria circostante senza movimento di 
materia (può avvenire anche nel vuoto). 
È  una forma di trasmissione del calore sotto forma di onde elettromagnetiche le quali, 
colpendo un corpo, trasformano la propria energia in calore. 
La trasmissione del calore per irraggiamento viene espressa con la legge di Stefan-
Boltzmann:                                                      
44
12
100 100
pi i
PK S
θθ
⎡ ⎤
⎛⎞⎛⎞
= ⋅−⋅
⎢ ⎥
⎜⎟⎜⎟
⎝⎠⎝⎠
⎢ ⎥
⎣ ⎦
 
- 
p
P  = potenza trasformata in calore irradiata all'ambiente dal corpo caldo in un secondo 
(W) 
-  
i
S  = superficie attraverso la quale  il calore si trasmette all'ambiente (m²), superficie utile 
per l'irraggiamento 
- 
1
θ   = temperatura assoluta (K) del corpo radiante 
-  
2
θ  = temperatura assoluta (K) dell'ambiente 
-  
i
K  = coefficiente di trasmissione del calore per irraggiamento (W/m
2
 K
4
) 
 
Nelle macchine elettriche tale tipo di trasmissione del calore è quella che avviene fra le 
superfici esterne della macchina (per esempio, carcassa nel caso di macchine rotanti, 
cassone dell'olio nei trasformatori in olio) e l'aria circostante. 
 
 
1.3  Asportazione del calore 
 
Il trasferimento del calore dalle superfici della macchina elettrica all'ambiente avviene, in 
maniera naturale o forzata, attraverso i fluidi refrigeranti, costituiti in genere da: 
• Aria e/o idrogeno per le macchine rotanti 
• Aria oppure olio nei trasformatori 
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Avviene in maniera naturale quando esso è affidato unicamente all'irraggiamento e ai moti 
convettivi naturali dei fluidi refrigeranti. 
Avviene in maniera forzata quando si ricorre alla circolazione artificiale dei fluidi 
refrigeranti. Ciò si rende necessario quando il solo raffreddamento naturale non è in grado 
di smaltire tutto il calore prodotto e quindi di contenere la sovratemperatura della macchina 
al di sotto dei limiti massimi consentiti. Ricorrere al raffreddamento forzato equivale in 
pratica ad aumentare il coefficiente globale di trasmissione del calore. 
Nel caso, per esempio, dei trasformatori in olio il raffreddamento forzato può riguardare 
l'olio, l'aria, oppure entrambi i fluidi. Per i trasformatori più grandi si può ricorrere anche al 
raffreddamento forzato dell'olio mediante scambiatori di calore ad acqua.  
Il sistema di raffreddamento dei trasformatori viene indicato con delle sigle formate da più 
lettere che stanno ad indicare: 
-         A = aria 
-         O = olio 
-         W = acqua 
-         N = circolazione naturale 
-         F = circolazione forzata 
Si possono così avere, per esempio, i seguenti sistemi di raffreddamento: 
-      ONAN = Olio Naturale Aria Naturale (circolazione naturale dell'olio, circolazione 
naturale dell'aria) 
-      ONAF = Olio Naturale Aria Forzata (circolazione naturale dell'olio, circolazione 
forzata dell'aria) 
-      OFAF = Olio Forzato Aria Forzata (circolazione forzata dell'olio, circolazione forzata 
dell'aria) 
-      OFWF = Olio Forzato Acqua Forzata (circolazione forzata dell'olio, circolazione 
forzata dell'acqua, che, in uno scambiatore di calore esterno al trasformatore, provvede a 
raffreddare l'olio)