Periodico bimestrale
Anno XXI, numero 95
Nov./dic. 2019
ISSN 1128-3874
METODOLOGIA

Le trasmissioni magnetiche nei parchi eolici offshore

Zack Conrad

In Sintex, la simulazione multifisica viene utilizzata per sviluppare e analizzare giunti magnetici senza contatto. Tali sistemi offriranno una maggiore affidabilità, assenza di trafilamenti e diverranno elementi cruciali nelle turbine eoliche offshore e nelle applicazioni di pompaggio chimico.

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Che si tratti di un motore automobilistico, di una turbina eolica o di un semplice orologio da polso, la conversione della coppia e la trasmissione di energia rotazionale sono importanti per varie applicazioni tecnologiche.
Tradizionalmente, la trasmissione si ottiene attraverso una serie di ingranaggi meccanici o di alberi che trasferiscono la coppia e quindi la potenza. La trasmissione meccanica ha però limitazioni intrinseche, come la suscettibilità all’attrito, all’usura e al sovraccarico a causa del contatto continuo. Poiché il campo di applicazione della tecnologia continua a espandersi in ambienti più ostili e difficili, queste limitazioni possono causare grandi difficoltà. In luoghi con accessibilità limitata e condizioni ardue, sostituire le trasmissioni guaste è un compito impegnativo ed estremamente costoso.

Trasferimento di potenza senza attrito

I tecnici in Sintex hanno sviluppato un’alternativa innovativa che garantisce robustezza e affidabilità: i giunti magnetici. L’idea alla base di questi giunti è che il trasferimento di potenza si ottenga tramite forze magnetiche, anziché meccaniche, eliminando così il contatto e l’usura e migliorando notevolmente la durata del sistema di trasmissione. La potenza viene trasmessa attraverso un giunto tra ruote di magneti concentrici (ved. Figura 1).

 

Figura 1. Schema di un giunto magnetico

 

Un’alimentazione fa ruotare un lato della trasmissione, mentre l’accoppiamento dei campi magnetici la trasmette all’altro capo, che si muoverà in modo sincrono. Questo sistema permette di trasferire la potenza di rotazione come nelle trasmissioni meccaniche, ma senza attrito e senza rischio di sovraccarico. Se la coppia trasferita dal motore è troppo elevata, il giunto limiterà la quantità eccessiva applicata all’albero. Questo limite impedisce all’albero di subire valori di coppia superiori a quelli per cui è stato progettato, assicurando così il funzionamento nelle condizioni previste. I giunti magnetici senza contatto di Sintex sono ideali per i clienti che lavorano nell’ambito delle turbine eoliche offshore e nelle industrie che utilizzano sistemi di pompaggio complessi. I parchi eolici offshore stanno diventando sempre più parte integrante della produzione di energia elettrica, ma richiedono componenti con alti livelli di affidabilità, dal momento che si tratta di parti molto difficili da riparare. Nelle singole turbine, i giunti magnetici trasferiscono l’energia dal motore alle pompe dell’acqua che raffreddano i componenti elettrici 24 ore su 24. Poiché questi sistemi offshore richiedono installazioni remote, la manutenzione preventiva o le riparazioni sono complesse e costose: l’affidabilità dei giunti magnetici è quindi un aspetto di inestimabile importanza. Inoltre, il traferro tra gli azionamenti consente di inserire facilmente un elemento separatore (vedi Figura 2), garantendo così una completa separazione dei fluidi e rendendo questi giunti ideali per l’utilizzo in sistemi chiusi a uso chimico e alimentare.

Sistemi di pompaggio completamente privi di trafilamenti sono fondamentali per il trasporto, la miscelazione, l’agitazione e la macinazione di prodotti chimici e materiali tossici.

Figura 2. A sinistra: visualizzazione in sezione trasversale anteriore di un giunto magnetico. A destra: modello 3D di un giunto magnetico (sono mostrate le distribuzioni di temperatura dei magneti, le densità di flusso magnetico attraverso il ferro e la mesh).

L’utilizzo dei giunti magnetici in diversi settori

I giunti magnetici Sintex sono utilizzati in una vasta gamma di applicazioni e devono essere realizzati su misura in base a determinati vincoli, che possono includere requisiti di peso o materiali e restrizioni geometriche. Durante il processo di progettazione, gli ingegneri devono essere in grado di cambiare forme e materiali dei magneti per soddisfare le esigenze dei clienti senza dover costruire prototipi fisici, in quanto la prototipazione magnetica è costosa e richiede tempo. Per risparmiare tempo, Sintex utilizza la simulazione multifisica per caratterizzare le configurazioni e fornire prototipi virtuali dei progetti. Flemming Buus Bendixen, senior magnet specialist in Sintex, utilizza da vent’anni l’analisi agli elementi finiti, e da dieci anni si affida in particolare a COMSOL Multiphysics® come strumento principale.
“Uno dei grandi vantaggi di COMSOL dal mio punto di vista risiede nella possibilità di eseguire molti tipi di simulazioni; si possono includere svariati tipi di fisica e queste fisiche possono interagire tra loro”, racconta Bendixen. Il suo team dispone di una serie di modelli incredibilmente completi e sofisticati e, dopo un’intensa attività di verifica e validazione, ora ripone in essi piena fiducia. Non solo consentono di risparmiare tempo, ma anche di ridurre il prezzo per i clienti e porre maggiore enfasi sui minimi dettagli.

Nuovi progetti per azzerare i rischi

Grazie alla simulazione multifisica Bendixen studia le interazioni tra gli elementi rotanti di un giunto magnetico e calcola la trasmissione della coppia dalla ruota esterna a quella interna. Poiché lo scopo primario dei giunti magnetici è quello di trasmettere con la massima efficienza la coppia e la potenza lungo un asse, il trasferimento di coppia è la prima caratteristica da determinare; pertanto viene calcolato in diversi modi, che possono sfruttare il tensore degli stress di Maxwell, integrali di postprocessing e il metodo Arkkio. L’analisi viene verificata attraverso la sperimentazione riproducendone i valori entro l’1%, il che dice molto sulla precisione del modello. Durante il processo di sviluppo di un nuovo progetto, il modello può essere utilizzato per massimizzare la coppia trasferita in una specifica configurazione.
Poiché i magneti permanenti e i loro campi producono numerosi effetti secondari, Bendixen dedica un impegno significativo per modellarli. Nei metalli, come l’acciaio dell’elemento separatore, i campi magnetici esterni generano correnti parassite che provocano perdite elettriche. “Lo spostamento dei poli nord e sud crea tensioni nell’acciaio; fluisce una corrente che dissipa energia dal sistema”, spiega Bendixen. Queste perdite, chiamate can losses (perdita nell’elemento separatore), vengono simulate nel software con strumenti di postprocessing e devono essere ridotte il più possibile. Il team ha inoltre recentemente sviluppato una macchina che misura queste can losses e conferma l’accuratezza del loro modello entro pochi percento.
“Il nostro scopo è catturare la natura veramente non lineare del magnetismo e COMSOL ci permette di fare proprio questo, consentendo una magnetizzazione ottimale dell’array”, dichiara Bendixen. Utilizzando curve di isteresi altamente non lineari e includendo le dipendenze dalla temperatura di materiali magnetici, le simulazioni aiutano a evitare che i magneti raggiungano la loro temperatura critica e si smagnetizzino irreversibilmente, il che è fondamentale per assicurare l’affidabilità dei loro prodotti. “È molto importante conoscere la temperatura che i magneti possono sopportare, e siamo in grado calcolarla con estrema precisione”, aggiunge Bendixen. “Se i magneti si surriscaldano troppo, possono smagnetizzarsi parzialmente”.
Bendixen sfrutta ulteriormente la flessibilità della simulazione multifisica importando la libreria di materiali magnetici di Sintex, che consente di impostare una vasta gamma di configurazioni magnetiche personalizzate.

Competenze di simulazione a portata di clic

Raggiunta la soddisfazione per il livello di complessità dei propri modelli, il passo successivo per Sintex è stato quello di ampliarne l’utilizzo e renderli più accessibili ai non esperti di simulazione. In precedenza, quando i rappresentanti di vendita e altri colleghi che non sapevano utilizzare le tecniche di simulazione avevano necessità di eseguire test sui progetti, si rivolgevano a Bendixen perché si occupasse di tutti i calcoli.
Questi ha potuto creare app di simulazione basate sui suoi modelli multifisici, raggiungendo il massimo della produttività e dell’utilità della simulazione. Sintex impiega attualmente dieci diverse app di simulazione, che contano fino a venti utenti diversi. Le app vengono create direttamente in COMSOL Multiphysics® attraverso lo strumento Application Builder e sono accessibili tramite un browser web collegandosi a COMSOL ServerTM. L’interfaccia utente semplificata e l’immediatezza dell’accesso offrono facilità d’uso a tutti i dipendenti. L’accesso a queste applicazioni e alla loro potenza di calcolo viene offerto anche a clienti selezionati. “Ho creato le app perché alcuni dei miei colleghi non hanno le competenze necessarie per utilizzare il software di simulazione e vorrebbero fare da soli alcuni test di sistema e simulazioni: le app consentono loro di farlo senza difficoltà”, dice Bendixen.
Le app di simulazione permettono all’utente di variare i parametri senza dover modificare il modello di calcolo sottostante. “I colleghi dell’ufficio commerciale possono modificare le dimensioni ed eseguire simulazioni mentre sono al telefono con i clienti per verificare l’accordo con le loro specifiche in pochi minuti”, dice Bendixen. Ma nonostante la semplicità dell’interfaccia c’è ugualmente una grande flessibilità che consente di inserire l’innovazione nei cicli di progettazione. Le app di Sintex consentono all’utente di regolare sia i parametri geometrici sia quelli magnetici. Il modello calcola quindi le temperature critiche dei magneti, la saturazione, le densità di flusso del campo magnetico, la coppia e le perdite nell’elemento separatore. La Figura 4 è un esempio di app che simula le correnti parassite generate nell’elemento.

 

Figura 4. Questa parte dell’app di simulazione modella la densità delle correnti parassite indotte nell’elemento separatore e calcola la perdita di energia che ne risulta.

Queste correnti possono quindi essere utilizzate per calcolare la perdita di potenza risultante. Ora tutti coloro che sono coinvolti nelle diverse fasi di sviluppo possono contribuire al processo di progettazione e collaborare per portare al massimo l’affidabilità dei loro prodotti.

Guardare avanti

Sintex sta sviluppando un nuovo ingranaggio a riluttanza magnetica, che amplierà il campo di applicazione degli ingranaggi in generale. Oltre a offrire una trasmissione magnetica affidabile e senza contatto della coppia, questi riduttori possono alterare la velocità o la coppia tra gli azionamenti, offrendo vantaggi meccanici mantenendo rapporti di trasmissione fissati. Questi riduttori presentano una caratteristica di progettazione unica: incorporeranno un singolo magnete permanente con magnetizzazione parallela agli alberi, semplificando notevolmente il montaggio e consentendo un elevato grado di personalizzazione. E grazie alle app di simulazione, che coinvolgono più persone nel processo di analisi, Bendixen può dedicare più tempo al miglioramento costante di tutte le tecnologie magnetiche di Sintex.

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