MOTORE AD IMPULSI
Il Motore ad Impulsi, in sostanza, consiste in un motore a scoppio che funziona con alimentazione elettrica, è un motore elettrico di nuova concezione che eredita le caratteristiche principali del motore a scoppio, è costituito dai seguenti elementi principali:
Cilindro Elettromagnetico
Costituisce la spina dorsale del Motore e funge da supporto per il solenoide di comando (Solenoide Push-Pull) e di guida per il Pistone Elettromagnetico, deve essere costituito da materiale diamagnetico (non magnetizzabile).
Al cilindro sono rigidamente accoppiati:
Cuscinetti Lineari (15) servono per mantenere in sede il pistone quando si trova in posizione PMI e quindi estratto in gran parte dal cilindro.
Supporti ad Anello (7) di tenuta non magnetizzabili e concentrici in quantità dipendente dal numero di bobine da accogliere.
Pistone Elettromagnetico (PEM) I Pistoni Elettromagnetici caratterizzano la parte mobile del M.I. sono costituiti dai seguenti elementi:
Corpo del Pistone (9) in materiale robusto e diamagnetico (non magnetizzabile)
Nucleo (10) in materiale magnetizzabile che può essere avvolto, a seconda della tipologia di Pistone Elettromagnetico, da una bobina induttiva o essere costituito da materiale magnetizzato permanentemente (esempio ferrite o neodimio).
Camera (10bis) longitudinale atta ad accogliere il nucleo al suo interno
Asola (20) per lo snodo fra BIELLA e PISTONE.
Foro Trasversale (17) in posizione opposta alla camera suddetta
Perno di Tenuta (17bis) fra pistone e biella.
Fermi avvitabili di tenuta Nucleo (10tris) Si avvitano all’interno della camera del nucleo magnetico per mantenere in posizione il nucleo stesso sollecitato dalle potenti forze di eccitazione (F).
Bielle (11) Servono per raccordare il corpo del pistone all’albero motore e devono necessariamente essere realizzate anche loro in materiale robusto preferibilmente non magnetizzabile. Possono essere raccordate, a differenza del motore endotermico che ricorre alle bronzine, con appositi cuscinetti lato albero motore e lato pistone.
Cuscinetti (14/14bis/14tris) Avendo la necessità di far girare l’albero motore a secco serve ricorrere ai cuscinetti per ogni punto con parti soggette a contatto e in rotazione, nel motore.
Albero Motore (13) Come per il motore endotermico l’albero motore deve essere realizzato con materiale resistente e deve essere dotato di volano o contrappesi opportuni e un “gomito” per ogni pistone equipaggiato, il funzionamento dello stesso è a secco, quindi non è previsto assolutamente l’ausilio dell’olio per la sua lubrificazione.
Bobine di Comando PUSH-PULL (8)
Costituiscono la parte attiva del M.I. e sono formate da semplici avvolgimenti di filo di materiale conduttore isolato di spessore e lunghezza adeguati alla potenza da realizzare. Esse devono essere avvolte in serie e controfase su ogni cilindro (B1 E B2/B3 e B4/B5 e B6). Tali bobine vengono eccitate, nel prototipo a 3 cilindri/pistoni, da una fonte trifase per attirare o respingere al loro interno il Pistone Elettromagnetico, secondo il principio del “risucchio elettromagnetico” (lo stesso principio di funzionamento dei relè e delle elettrocalamite), e movimentarlo lungo il suo asse maggiore (Z), alternando le eccitazioni delle bobine dello stesso cilindro e creando il moto alternato desiderato. La serie delle due bobine di ogni cilindro è denominata Solenoide Push-Pull.
Processo per l'ottenimento della rotazione albero Motore
Per l’eccitazione e il pilotaggio dei tre solenoidi del prototipo ho utilizzato una fonte di alimentazione trifase con tensioni e frequenza variabili, tali inverter trifase si possono trovare comunemente in commercio, questo caso contempla una configurazione a triangolo dei tre solenoidi. Per alimentare motori con più solenoidi (che non siano multipli di tre) è d’obbligo progettare centraline di pilotaggio ad hoc.
Se equipaggiamo due bobine (B1 e B2) posizionandole sull’asse di riferimento ed alimentiamo le stesse in successione a polarità alternata otteniamo il movimento del pistone lungo l’asse (Z), da una bobina all’altra, il pistone grazie al suo nucleo verrà quindi pilotato per effettuare un movimento alternato da un PMS (Punto Morto Superiore) ad un PMI (Punto Morto Inferiore) esattamente come accade al pistone nelle fasi del motore a scoppio endotermico.
Le sei bobine acquisiscono un ritmo complessivo che favorisce la rotazione lungo l’asse dell’albero (W). Per il funzionamento del motore è necessario capire da quali e quante fasi è costituito il ciclo di funzionamento del M.I.
Mentre i motori a scoppio hanno due o quattro fasi a seconda del funzionamento a due tempi o quattro tempi (con una sola fase attiva), nel motore in questione sono necessarie due singole fasi, entrambe attive, per ogni cilindro: una per il movimento dal punto morto superiore (PMS) a quello del punto morto inferiore (PMI), il pistone scende (B2 attira, B1 respinge) l'altra viceversa dal PMI al PMS, il pistone sale (B1 attira, B2 respinge) Con M.I. a uno o due pistoni è necessario prevedere un sistema di fermo elettromagnetico a riposo, dell'albero motore, a metà fra il PMI e il PMS per agevolare l'avvio della rotazione successiva, se infatti si dovesse fermare poco prima o in corrispondenza dei PMI e PMS si corre il rischio al successivo riavvio di avere una indesiderata inversione di rotazione cosa che non succederebbe con sistema da tre pistoni in su. Dal punto di vista progettuale dovuto soprattutto alla gestione dell’accensione e al pilotaggio delle bobine di comando è conveniente la progettazione di motori a tre pistoni/cilindri o multipli di tre.
Zona Neutra (ZN, ZNN, ZNB1, ZNB2, ZNB3, ZNB4, ZNB5, ZNB6)
La Zona Neutra della Bobina (ZNB) si pone nella sezione a metà’ della bobina alimentata in corrispondenza della quale gli effetti dei due poli magnetici (Nord e Sud) vengono ad annullarsi. La Zona Neutra del Nucleo (ZNN) è stabilmente presente con nucleo magnetico permanente mentre è presente solo ad eccitazione attiva in caso di nucleo magnetico ad induzione, ovvero con nucleo dotato di un suo avvolgimento indipendente. La ZN è alla base del funzionamento del motore ad impulsi, infatti il Solenoide Push-Pull grazie alla sua particolare modalità costruttiva presenta durante l’eccitazione, unico nel suo genere, la presenza contemporanea di due zone neutre (ZNDispari e ZNPari), caratteristica che permette il movimento del pistone dalla PMI alla PMS e viceversa consentendo al nucleo di rimanere “immerso” costantemente nel campo magnetico prodotto dalla tensione motrice.
PMS e PMI
Punto Morto Superiore e Punto Morto Inferiore caratterizzano i due estremi dello spostamento alternativo del pistone all’interno del cilindro come per il motore endotermico.
Passo del Pistone
Lo spazio fra le due ZN (zona neutra) delle bobine esterne di uno stesso cilindro caratterizzano il PASSO TEORICO (12bis) del pistone ovvero la distanza tra PMS e PMI mentre il PASSO REALE (12) è definito dall’escursione dell’albero motore e dalle dimensioni dei gomiti che lo compongono, in fase di progettazione si deve dimensionare il passo teorico (12bis) leggermente più lungo del passo reale (12) per non creare sbilanciamenti o sbattimenti nella rotazione dell’albero motore ed ottenere, di conseguenza un buon sincronismo degli impulsi di eccitazione.
Solenoide PUSH-PULL Per la realizzazione del Solenoide Push-Pull è necessario avvolgere su una superficie tubolare due bobine con le medesime caratteristiche elettriche e magnetiche in serie e controfase fra loro, ovvero una avvolta in senso orario e l'altra avvolta in senso antiorario.
Il solenoide Push Pull permette, con l’ausilio di un nucleo magnetico a ferrite /neodimio o ad induzione magnetica e all’alimentazione tramite tensione motrice alternata nel tempo (16), di produrre il movimento del pistone grazie alla forza F che agisce in senso longitudinale sull’asse (Z).X1 ed X2 = sono i poli del solenoide ai quali si applica la tensione motrice o di eccitazione (16)
Y = corrisponde al nodo di giunzione fra le 2 bobine del solenoide che devono sempre essere in collegamento.
Il vantaggio di tale ritrovato rispetto ad una soluzione a singola bobina è il fatto che il pistone rimane “immerso” nel flusso magnetico per tutto lo spostamento del pistone dal PMS al PMI e viceversa amplificando l’energia della forza F impressa per il movimento e riducendo gli effetti negativi del “traferro” (zone vuote fra solenoide e nucleo). Altra importante caratteristica consiste nell’immunità ai disturbi, per dimostrarlo è sufficiente ricorrere alla legge di Hopkinson per le grandezze magnetiche. Data una corrente che scorre attraverso un conduttore avvolto a spira ne deriva un flusso magnetico (Ø) che viene indotto all'interno di essa, tale fenomeno può essere equiparato al comportamento delle grandezze elettriche riassunto nella famosa legge di OHM. Dato un sistema ideale con due bobine accoppiate in serie (B1 e B2)(2) e contrapposte nel verso di avvolgimento ne deriva che ØB1+ØB2=0. Se ai capi delle due bobine in serie applichiamo un segnale impulsivo (V.Imp)(5) esso si ripartisce in parti uguali sulle due bobine le quali reagiscono con un impulso opposto al segnale di eccitazione (V.ImpB1/B2)(6). Il flusso magnetico risultante dai due impulsi elettrici di disturbo (ØimpB1/B2)(21) su ogni bobina sono, a loro volta, di segno opposto tra loro a causa del diverso senso di avvolgimento e questo comporterà ai capi della serie un valore nullo (ØimpSerie = ØimpB1+ØimpB2 = 0) dimostrando l'annichilimento dei disturbi magnetici risultanti riferiti ad ogni serie (B1/B2, B3/B4, B5/B6). E' riprovato che i disturbi elettromagnetici sono tanto elevati quanto più alte sono le grandezze elettriche in gioco ma mentre per gli impulsi di corrente inversa sono messe in atto contromisure ormai efficienti, per i disturbi di carattere magnetico non esistono ancora soluzioni efficienti ad eccezione delle schermature hardware. Naturalmente avendo a che fare con un sistema reale dove le caratteristiche costruttive fisiche ed elettriche delle bobine non sono mai esattamente equivalenti avremo una generazione dei disturbi magnetici pari, in valore assoluto, alla somma algebrica fra i due disturbi delle singole bobine, valore che comunque risulterà notevolmente ridotto rispetto ai sistemi tradizionali.Legenda
1• SPP, SMPP, SCPP = Solenoide Push Pull, Solenoide Monofilare Push Pull, Solenoide Coassiale Push Pull.
2• Z = corrisponde all’asse di scorrimento dei Pistoni PEM all’interno dei cilindri (18).
3• W = corrisponde all’asse di rotazione dell’Albero Motore (13) del Motore ad Impulsi.
4• B1 e B2 = sono le due Bobine collegate in serie e avvolte in controfase fra loro, elementi base che vanno a costituire il Solenoide Monofilare Push Pull. (SPP, SMPP)
5• Pistone Elettromagnetico (PEM) = un tubolare di materiale diamagnetico (alluminio) che contiene ai suoi estremi la tasca per il nucleo (10bis) atta a contenere il nucleo magnetico (10) stesso, il foro (17bis) per il perno da 12mm (17) della biella (11) e l’asola (20) perpendicolare al detto foro, ogni nucleo è bloccato da due fermi avvitabili (10tris).
6• Cilindro (18) = tubolare in alluminio atto a contenere lo scorrimento del PEM dove è avvolto il conduttore da 1,5mmq in su per la realizzazione del Solenoide Push Pull.
7• Biella (11) = La lunghezza proporzionale alla corsa (12) del pistone, costituisce l’organo di giunzione con l’albero motore (13) anch’essa è preferibile realizzarla con materiali diamagnetici (alluminio) per non disturbare le Zone Neutre delle bobine (8).
8• Lunghezza Solenoide Push Pull (12bis) = Deve essere più lunga della corsa del pistone in modo da tenere sempre in tensione i pistoni durante la rotazione è necessario centrare la metà del percorso fra PMS e PMI con la parte centrale fra le 2 bobine B1 e B2.
9• Albero motore (13) = come per il motore endotermico trasforma il moto alternativo dei Pistoni PEM in moto rotatorio. (data la distanza dal complesso elettromagnetico del PEM non serve realizzarlo in materiale diamagnetico, va bene l’acciaio).
10• Anelli di tenuta (7) = atti a mantenere in sede l’ SPP soggetto alle imponenti forze F indotte dalla tensione motrice, anch’essi in materiale diamagnetico (Alluminio).
11• Cuscinetti del gomito, del banco, del pistone (14, 14bis, 14tris) = siccome l’albero deve ruotare a secco quindi senza l’ausilio di olio lubrificante è necessario utilizzare i cuscinetti.
12• Cuscinetti Lineari (15) di tenuta Pistone = aiutano il pistone a rimanere in linea rispetto al cilindro quando si trovano nel punto di massima estrazione (PMI).
13• Asola (20) = dove si inserisce la biella nel pistone. 14• V.MOTRICE (16) = viene intesa la tensione con cui si eccitano i Solenodi Push-Pull.Un breve video del Prototipo puramente artigianale e dimostrativo del Motore ad Impulsi qui