Università degli Studi di Padova Facoltà di Ingegneria
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Università degli Studi di Padova
Facoltà di Ingegneria
DIPARTIMENTO DI TECNICA E GESTIONE DEGLI IMPIANTI INDUSTRIALI
TESI DI LAUREA
CARATTERIZZAZIONE MICROSTRUTTURALE
DI ROTORI A GABBIA DI ALLUMINIO
Relatore Ch.mo Prof. FRANCO BONOLLO
Correlatori Ch.mo Prof. GIUSEPPE CHITARIN
Sig. ANDREA MANENTE
Laureando STEFANO LANDO Anno Accademico: 2003-2004
Rotore a gabbia di motori asincroni
in alluminio pressocolato
Rotore standard verniciato Rotore standard ricotto
Problema
Alcuni motori con tali rotori pressocolati con lega di Al fornito dalla SAV presentano una coppia insufficiente all’avviamento
Obiettivo della tesi
Individuare le possibili cause del malfunzionamento
Principio di funzionamento del motore asincrono (1) Statore - rotore Campo di induzione magnetica rotante B (periodo 2π/3) Nel circuito di rotore (a gabbia di scoiattolo) corrente indotta a m fasi L’interazione tra induzione rotante e corrente indotta genera il moto ω0 = ω/p (velocità rotazione campo rotante) Er = 2*kf*f*Φ Es = 2*kes*kf*f*Φ*Ns ö= ös+(Rs+jXs) * Đ0 (bilancio tensioni A VUOTO) ----------------------------------------------------------------------------- Đr = ör/ (Rr + jXr) (corrente rotorica, ROTORE BLOCCATO) Đs=Đ0+Đsr ( correnti riportate a statore) ö= ös+(Rs+jXs)* Đs (bilancio tensioni, ROTORE BLOCCATO) ----------------------------------------------------------------------------- s = (nr-n)/n (rotore in movimento) Đr = ör/(Rr/s + jXr) (corrente che circola nel rotore)
Principio di funzionamento del motore asincrono (2)
Potenze
Potenza assorbita: Pe = 3*E*Is*cosφ = √3*V*Is*cosφ
Potenza dissipata per effetto Joule a rotore: Pr = m*Rsr*Isr2
Potenza dissipata per effetto Joule a statore: Ps = 3*Rs*Is2
La potenza meccanica utile Pm = m*Rsr*(1-s)/s*Isr2
Cm = m*Rsr*Isr2 / ( ω0 * s)
(corrente rotorica; resistività;
geometria della gabbia, scorrimento)
Potenza dissipata per isteresi e
correnti parassite a rotore (perdite nel ferro[1]): P0 = 3*E*I0*cosφ0 = √3*V*I0*cosφ.
[1] tali perdite si riducono al diminuire dello scorrimento (cala la frequenza di campo rotante nella parte di rotore del
circuito magnetico). Ma se cala s cresce la velocità e aumentano le perdite per attrito e ventilazione. Si considera
pertanto l’impedenza ś0, costante al variare dello scorrimento.
Principio di funzionamento del motore asincrono (3)
Importante osservazione sulle perdite per isteresi e correnti parassite
Z0 parallelo di R0 e X0
(Xo energia magnetizzazione [Φ] )
(Ro perdite nel Fe per isteresi e correnti parassite)
Correnti parassite all’interfaccia
Evitare l’aderenza dei lamierini all’alluminio (fiammatura).
1. Effetto dissipativo:
una maggiore corrente I0 necessaria a mantenere lo stesso flusso Φ:
Đs=Đ0+Đsr ,
Effetti sulla coppia.
2. Perturbazione del flusso utile:
effetto repulsivo linee di campo vengono respinte.
Corrente Đsr diminuisce,
effetto sulla coppia.
Principio di funzionamento del motore asincrono (4)
Coppia di spunto insufficiente
Cm=m*Rsr*Isr2/(s*ωo) con s=1
R = ρ l/S
Rotori a doppia gabbia
Rotori con gabbia a sbarre alte
Rotori a gabbia di alluminio pressocolato
Tipi di leghe
Leghe da lavorazione 1xxx (99.00%), 2xxx, …
Leghe per getti o per pani da fonderia 1xx.x, …
Trattamenti F, O, H, W T
Leghe da rotori serie 1xx.x
100.0 (99.00% di Al)
150.0 (99.50% di Al)
170.0 (99.70% di Al) mercati più esigenti
Composizione controllata per garantire
un buon funzionamento a regime del rotore (conducibilità),
buona coppia allo spunto (resistività) e
producibilità (microritiri, cricche, …)
Norme (UNI, CEN, ISO)
ISO 115:2003 “Requisiti dei pani di Al non legato da rifusione …”
UNI EN 576:1997 “ Alluminio e leghe di Al in pani da rifusione” (indica limiti e composizione singole leghe)
Normativa precedente
UNI 820:1979,
UNI 3950:1957 “Al di prima fusione in pani da fonderia: qualità e prescrizioni” (alluminio per leghe ad uso
generale/allumionio ad uso elettrico. Rapporto Fe/Si per resistività ottimale)
UNI 3570: 1955 “Lega Al-Si-Mg primaria per conduttori elettrici (Si 0,5% - Mg =0,5%)”. La norma è stata
annullata, ma non sostituita; indica resistività = 3,25 µOhm *cm.
Norma ASTM. Indicano limiti e composizioni per le singole leghe. Indicano la resistività
Pressocolata a camera fredda
Processo
• Preparazione dello stampo
• Riempimento della camera di iniezione
• Iniezione (Preriempimento (0,25 m/s), Riempimento (1-3 m/s 30 – 45 m/s), Intensificazione di pressione)
• Solidificazione (intervallo solidificazione, Temperatura metallo, Temperatura stampo, spessori del pezzo)
• Estrazione ( 250 – 350 °C ; tempo lungo aderenza; tempo corto fragilità e distorsioni)
Aspetti critici
Inquinamento del lingotto
Moto turbolento
Eccessivo raffreddamento
Solidificazione
Pressocolata per realizzazione di rotori
Il processo, nel caso dei rotori, si articola nelle seguenti fasi
Preparazione dei lamierini
tranciatura,
disposizione elicoidale nel pacco
Lubrificazione dello stampo
Rotore per
Inserimento nello stampo del pacco di lamierini Pompa
sommersa di tipo
Pressocolata isolato, diametro
attacco capillare, 50 mm,
evacuazione forzata dei gas in cavità Lunghezza
Estrazione dei rotori 210 mm.
Eventuale tranciatura
Nota
L’intero processo non è attualmente del tutto automatico.
Indagini da sviluppare
• Materiale della gabbia
Esigenze contrastanti: resistività piccola per buona efficienza a regime
resistività alta all’avviamento
• Materiale del nucleo ferromagnetico
Resistività correnti parassite
Isteresi ciclo stretto (efficienza)
• Distacco gabbia/lamierini
Perdite nel Fe (isteresi e correnti parassite) Maggiore Energia necessaria magnetizzazione
I0 cresce, Isr diminuisce a parità di Is LA COPPIA DIMINUISCE.
Correnti parassite interfaccia effetto repulsivo su B Φ concatenato utile diminuisce
LA COPPIA DIMINUISCE.
• Geometria delle cave
Comportamento all’avvio / regime
• Processo di produzione
Ridurre la difettosità della gabbia / migliore struttura (Macro porosità)Lega di alluminio della gabbia
La resistività dell’alluminio può essere fattore decisivo per spiegare il malfunzionamento?
Cm=m*Rsr*Isr2/(s*ωo) con s=1
R= ρ * l / S
Misure di resistività fatte su materiale utilizzato per la colata (lingotti) [altro lavoro]
Calcoli fatti sulla base della composizione effettiva, conducibilità [%IACS ] e resistività [µΩ*cm].
Lingotto Lingotto Lingotto
Egyptlalum F - 40196 Egyptlalum F - 40194 SAV IKM40
Misurato 59,8 57,9 55,6
Conducibilità
[%IACS ]
Calcolato 60,69 60,38 60,57
Misurato 2,877 2,968 3,095
Resistività
[µΩ*cm]
Calcolato 2,954 2,967 2,948
Misure e calcoli eseguiti evidenziano variabilità molto piccole delle resistività al variare delle composizioni
dei lingotti (intorno al 5%).
In questo caso la resistività non può essere la causa primaria del malfunzionamento consideratoAttività di laboratorio DTG – Parte I
Le osservazione e le misure eseguite nel laboratorio hanno permesso di confrontare rotori regolarmente funzionanti
(provini 1 e 2) e con problemi all’avviamento (provino3)
I provini sono stati preparati e sottoposti alle seguenti misure
Aspetto e composizione (acciaio dei lamierini)
Microdurezza (acciaio dei lamierini e alluminio)
Geometria delle cave
Entità del distacco gabbia/ lamierini
Macroporosità nella gabbia
Provino 1 Provino 2 Provino 3Acciaio dei lamierini
Provino 1 (500x) Provino 2 (500x) Provino 3 (500x)
Note
I primi 2 campioni presentano una microstruttura simile
Buona definizione del bordograno e dimensioni simili della grana (decine di µm)
Il terzo provino presenta una microstruttura diversa
Bordograno meno continuo, grana più fine.
Composizione dei lamierini di acciaio
Provino 1 Provino 2 Provino 3 Note
Dipendenza trattamento termico
… … … … Presenza di Si
Si 1.11 1.12 0.011 resistività (correnti parassite)
isteresi
P 0.14 0.15 0.007
… … … …Prove di microdurezza Vickers (HV0.1)
Omogeneità nelle microstrutture dell’acciaio dei lamierini e
dell’alluminio della gabbia per provino considerato
Valori medi riscontrati
Provino 1 Provino 2 Provino 3
Acciaio 206.4 188.2 138.4
Alluminio 27.8 27.6 33.6Geometria delle cave
Tabella 5.3 - MISURA FATTE SULLE CAVE (3x) (in mm)
Provino 1 Provino 2 Provino 3
lunghezza massima della cava 10.41 10.44 10.50
larghezza massima della cava 3.19 3.22 3.74
misura della base 1.36 1.32 1.95
distanza tra cave consecutive 3.57 3.47 3.09
Nota
Area 22.30 21.34 27.33
Il provino 3 ha sezione maggiore (penalizzato
all’avviamento) Perimetro 24.33 24.11 26.25
Altre caratteristiche hanno rilevanza minore (distanza
cava/ bordo) distanza minima della cava
0.88 0.25 0.36
dal bordo del rotoreAderenza tra gabbia e lamierini (1)
Provino 1 (25x)
alto sinistra destra basso
Provino 3 (25x)
alto sinistra destra bassoAderenza tra gabbia e lamierini (2)
Provino 1
Superiore inferiore sinistro destro
MEDIA 26,25 22,78 9,82 9,18
DEVIAZIONE
13,42 8,95 0,69 0,95
STD
Provino3
Superiore inferiore sinistro destro
MEDIA 4,45 8,10 6,23 6,33
DEVIAZIONE
0,98 2,33 1,51 1,32
STD
Note:
Distacco maggiore per il provino 1
Il provino 1 presenta una ossidazione evidente
(processo di fiammatura)Macropososità nell’alluminio della gabbia (1)
Limitare presenza dei difetti (in particolare le macroporosità)
Effetti su impedenza della gabbia
Parametri di processo
Tipologia di cava
Provino 1 Provino 2 Provino 3Macropososità nell’alluminio della gabbia (2)
PROVINO 1 P ROV INO 3
35 35
30 30
25 25
NUMEROSITA'
NUMEROSITA'
20 20
15 15
10 10
5 5
0 0
0 - 0,001 0,001-0,01 0,01- 0,1 0,1- 1 0 - 0,001 0,001 - 0,01 0,0 1 - 0,1 0,1 - 1
CLASSE ESTENSIONE MACROPOROSITA' (mm 2) 2
C L A SSE EST ENSIONE M A C ROPOROSIT A ' (m m )
PROVINO 2
3,5
3
2,5 Note
NUMEROSITA'
Distribuzione delle macroporosità differente per ogni
2
provino
1,5 Un elevato numero di macroporosità produce lo
1
scarto del pezzo
0,5
0
0 - 0,001 0,001- 0,01 0,01-0,1 0,1- 1
CLASSE ESTENSIONE MACROPOROSITA' (mm 2)Attività di laboratorio DTG – Parte II
Conferma dei risultati sperimentali su un quarto rotore (dal funzionamento regolare)
Dal rotore sono stati ricavati 3 provini denominati
Provino 4B
Provino 4C Provino 4AAcciaio dei lamierini
Provino 4A (500x) Provino 4B (500x) Provino 4C (500x)
Note
L’acciaio presenta un bordograno regolare e ben definito
Dimensioni della grana nell’ordine di alcune decine di µm.
Similitudini evidenti con i provini 1 e 2.
Si possono ipotizzare analogamente buone caratteristiche magneto-elettricheProve di microdurezza Vickers (HV0.1)
Tabella 6.2 - Misure di Microdurezza Vickers HV0.1
Provino 4
Acciaio lamierini Alluminio delle cave
190 33
174 33
180 30
190 34
174 28
Valor medio
181.6 31.6
Note
Omogeneità delle microstruttureGeometria delle cave
MISURA FATTE SULLE CAVE (3x) DEL PROVINO 4 ( mm)
Provino 4
lunghezza massima della cava 10.8
larghezza massima della cava 3.3
misura della base 1.3
distanza tra cave consecutive 3.6
Cava provino 1 Cava provino 2
area 23.3
perimetro 25.8
distanza minima della cava dal bordo del rotore 1.0
Note
Geometria fondamentalmente
in linea con quelle dei provini 1 e 2.
Dal confronto visivo risulta una sostanziale differenza
del provino 3 rispetto agli altri.
Cava provino 3 Cava provino 4Aderenza tra gabbia e lamierini
Provino 4.B (µm)
n°cava superiore Inferiore sinistro destro
MEDIA 29,52 12,13 7,65 9,47
DEVIAZIONE 31,43 7,99 1,78 2,33
STD
Note
Distacco di una certa entità, in linea con
Quello misurato per i provini 1 e 2.
Provino 4.B (25x)Macropososità nell’alluminio della gabbia
Provino 4.B - TIPOLOGIA DI CAVA 1
Tipologia di cava 25
20 Note
I provini 4A e 4C
NUMEROSITA'
15 non presentano
macroporosità.
10
Il provino 4B ne ha
5 in numero
ridotto e solo su
0
0 - 0,001 0,001- 0,01 0,01- 0,1 0,1- 1
alcune cave.
CLASSE DI ESTENSIONE MACROPOROSITA' (m m 2)
Provino 4B (2 su 13)
PROVINO 4.B - TIPOLOGIA DI CAVA 2
25
20
NUMEROSITA'
15
10
5
Provino 4B (2 su 13) 0
0 - 0,001 0,001- 0,01 0,01- 0,1 0,1- 1
CLASSE DI ESTENSIONE MACROPOROSITA' (m m 2)Conclusioni
Dati riassuntivi
Caratteristiche Provino 1 Provino 2 Provino 3 Provino 4
Qualità acciaio lamierini (I) Buona Media Scarsa Media/Buona(II)
Microdurezza media acciaio dei lamierini
206.4 188.2 138.4 181.6
(HV0.1)
Microdurezza media alluminio delle cave
27.8 27.6 33.6 31.6
(HV0.1)
Geometria cava (III) Adatta Adatta Non Adatta Adatta
Distacco medio Gabbia / Lamierini µm)
(µ (V)
(IV) 17.1 10.2 6.3 14.6
Sì SÌ Sì
Sì (Scarsamente
Macroporosità nella gabbia di alluminio (Mediament (Mediamente (Mediamente
presenti)
e presenti) presenti) presenti)
(I) in relazione alle caratteristiche elettriche.
(II) si ipotizza un medio/buon comportamento dell'acciaio del provino 4 sulla base di una somiglianza con la microstruttura del provino 1 e 2.
(III) considerando gli effetti positivi sull’avviamento del motore
(IV) si riferisce al valor medio fatto su tutte le misure relative ad un provino
(V) in corrispondenza della parte centrale del rotorePuoi anche leggere
