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)

14

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)

15

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

16

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

17

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

19

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

22

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

26

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)

27

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

31

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

*

32

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

33

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

36

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)