Che cos'è un motore a induzione lineare?
Principio di funzionamento
Un motore a induzione lineare (LIM) è un motore a induzione trifase tagliato lungo l'asse e srotolato. L'avvolgimento statorico non crea più un campo rotante ma un campo che viaggia lungo la macchina alla velocità sincrona v_s = 2·τ·f, dove τ è il passo polare e f la frequenza di alimentazione. Di fronte, attraverso un piccolo traferro, c'è una piastra conduttiva, di solito alluminio o rame su una lamiera di ferro di ritorno. Il campo viaggiante induce correnti nella piastra e queste la trascinano insieme al campo.
Scorrimento, spinta e fattore di merito
La piastra resta sempre indietro rispetto al campo: lo scorrimento è s = (v_s − v)/v_s. La spinta è la potenza del traferro divisa per la velocità del campo, F = P_traferro / v_s; è nulla alla velocità sincrona e grande a veicolo fermo. Quanto bene la piastra trasforma il campo in spinta lo misura il fattore di merito G = μ0·ω·τ²·σ·d/(π²·g). Un buon conduttore, una frequenza alta, un passo polare lungo e un traferro piccolo aumentano G, e un G alto significa meno corrente magnetizzante, miglior fattore di potenza e miglior rendimento.
Traferro grande ed effetto di estremità
A differenza di una macchina rotante, un LIM ha un traferro di centimetri, perché piastra e gioco stanno tra lo statore e il ferro di ritorno. La reattanza di magnetizzazione scende come 1/g, quindi la corrente magnetizzante è alta e fattore di potenza e rendimento sono bassi, spesso sotto 0,5. Uno statore corto ha inoltre un bordo d'ingresso e uno d'uscita: le correnti parassite nella piastra non si spengono mentre attraversa lo statore, e questo toglie flusso e spinta ad alta velocità. È l'effetto di estremità, che cresce con la velocità.
Forza normale e applicazioni
Lo statore attira anche il ferro di ritorno con una forza normale che può essere più volte la spinta, e ruote o guide devono sopportarla. Un LIM non richiede ingranaggi, trazione sulle ruote né parti rotanti, e per questo muove treni a levitazione magnetica e metropolitane, nastri trasportatori, porte scorrevoli, lanci di montagne russe e catapulte per aerei. Un convertitore di frequenza fissa v_s e quindi la velocità; invertire la sequenza delle fasi inverte il moto e frena il veicolo.
Domande frequenti
- Perché il fattore di potenza di un motore a induzione lineare è così basso?
- Il traferro è grande perché piastra e gioco stanno tra lo statore e il ferro di ritorno, quindi la reattanza di magnetizzazione è piccola e quasi tutta la corrente serve solo a creare il campo. Riduci il traferro nel simulatore: la corrente scende e fattore di potenza e rendimento salgono. L'effetto di estremità aggiunge perdite.
- Che cos'è l'effetto di estremità in un motore a induzione lineare?
- Lo statore ha lunghezza finita, quindi la piastra entra ed esce dal campo. Le correnti parassite indotte sul bordo d'ingresso si spengono lentamente e scorrono ancora quando la piastra esce; indeboliscono il flusso nel traferro e consumano potenza. Alterna tra ideale e con effetto di estremità nel simulatore e confronta le curve di spinta: la perdita cresce con la velocità.
- Come si cambiano velocità o verso di un LIM?
- La velocità sincrona è v_s = 2·τ·f, quindi un convertitore di frequenza cambia la velocità del campo e il veicolo la segue con uno scorrimento. Scambiare due fasi inverte il campo viaggiante e la spinta, e frena anche un veicolo in movimento. Aumenta la frequenza nel simulatore e osserva come si spostano la velocità sincrona e la curva di spinta.