RIDITT, la Rete Italiana per la Diffusione dell’Innovazione e il Trasferimento Tecnologico alle imprese, segnala tecnologie e competenze sviluppate dai principali laboratori e centri di ricerca italiani.
di RIDITT
Wheelchair di nuova generazione
Agile, comoda e a elevata autonomia. Una tecnologia innovativa sviluppata da un gruppo di ricercatori dell’Università Roma Tre, guidati dai professori Crescimbini, Di Napoli e Solero, apre nuove possibilità per le persone diversamente abili che utilizzano carrozzine a motore (wheelchair).
L’impiego di specifici sistemi di azionamento elettrico, progettati dal Laboratorio Sperimentale del Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale, permettono infatti di soddisfare esigenze avanzate di movimentazione: è il caso, per esempio, di ambienti esterni caratterizzati da terreni accidentati e dalla presenza di ostacoli a gradino, oppure di ambienti interni con spazi di manovra molto ristretti.
La tecnologia risulta particolarmente idonea per il trasporto di persone nei grandi ambienti coperti, come aeroporti e centri commerciali. Grazie alla sua versatilità, può inoltre essere adattata anche per la movimentazione di veicoli industriali, come carrelli elevatori e transpallet, e di piccoli veicoli agricoli da impiegare su percorsi accidentati.
La nuova wheelchair, in particolare, nasce da specifici lavori di ricerca finalizzati alla progettazione e realizzazione di prototipi relativi ai tre componenti critici della soluzione innovativa proposta, e cioè: motori elettrici a magneti permanenti a flusso assiale (AFPM) facilmente integrabili nelle ruote dei veicoli da azionare; inverter compatti ed efficienti; unità di controllo performanti e che necessitano di sensoristica ridotta.
Le convenzionali wheelchairs elettriche sono infatti alimentate da un pacco batterie alla tensione di 24 V e impiegano azionamenti elettrici con motori in corrente continua, accoppiati alle ruote tramite elementi meccanici con alto rapporto di riduzione della velocità. L’insieme di motore in corrente continua e riduttore offre rendimenti piuttosto scadenti, che sono stati sperimentalmente rilevati di valore inferiore al 60 per cento nelle condizioni nominali (200W – 10Km/h), limitando così l’autonomia del veicolo; inoltre, riduttori di velocità con rapporti elevati penalizzano fortemente la possibilità di recupero di energia nel corso delle decelerazioni.
L’impiego di motori elettrici AFPM di nuova generazione con accoppiamento diretto alle ruote del veicolo ha permesso di portare il rendimento nelle condizioni nominali, per l’applicazione a bassa velocità in oggetto, al valore di 85 per cento e di ottenere significativi contributi nel recupero di energia in fase di decelerazione. Aumentando così l’autonomia della wheelchair, cioè la durata delle batterie, di oltre il 25 per cento.
L’alimentazione dei motori elettrici è effettuata tramite inverter a MOSFET, di nuova concezione e per applicazioni a bassa tensione, sviluppati presso il laboratorio PED (Power Electronics and Drives Laboratory) dell’Università con l’obiettivo di limitare le perdite di potenza e le cadute di tensione. Gli azionamenti di trazione sviluppati permettono un sovraccarico di coppia alle ruote di circa sei volte, fornendo per ruota la coppia massima di 84 Nm per un massimo di cinque secondi. Il controllo degli azionamenti elettrici, azionato da un joystick, è stato sviluppato in modo da conferire la massima manovrabilità al veicolo con la possibilità di rotazione su se stesso e la riduzione del numero di sensori richiesti. In particolare, non è necessario l’impiego di sensori meccanici per la rilevazione di posizione e velocità dei motori, quali gli encoder o i resolver, che a seguito di urti e vibrazioni potrebbero subire un disallineamento compromettendo così il corretto funzionamento degli azionamenti di trazione. Nella soluzione progettata, invece, per garantire una maggiore affidabilità, l’informazione di posizione e velocità necessaria all’algoritmo di controllo vettoriale dei motori AFPM è stimata a partire da sensori magnetici integrati all’interno dei motori stessi e quindi non soggetti a danneggiamenti per cause esterne. L’algoritmo di stima della velocità si basa sul riferimento di rotore della macchina elettrica AFPM e garantisce un’ottima risoluzione anche alle basse velocità di manovra.
Pantografo a sospensioni attive per treni ad alta velocità
Nella trazione elettrica ferroviaria l’energia necessaria all’alimentazione degli apparati di bordo viene derivata da una rete di alimentazione esterna sospesa sopra il veicolo, detta linea aerea, tramite un apposito organo chiamato “pantografo”.
Il progressivo aumento della velocità dei treni, e in particolare la diffusione dell’alta velocità, pone quindi sfide tecnologiche complesse al fine di garantire una buona qualità del contatto elettrico e meccanico. Senza contare le criticità legate ai problemi di usura e all’affidabilità complessiva dei sistemi.
L’esigenza di contenere l’oscillazione del contatto tra pantografo e linea aerea, pertanto, evitando distacchi che comportino conseguenze di tipo meccanico, elettrico ed elettromagnetico, è da molti anni oggetto di studio da parte di vari gruppi di ricerca, sia in ambito pubblico sia privato.
Il problema è particolarmente sentito sulle linee in corrente continua presenti in Italia, dove ai pantografi viene richiesto di captare correnti di intensità fino a 2.000 ampere ed è comunque destinato ad avere sempre più importanza al crescere della velocità raggiungibile dal materiale rotabile destinato alle linee ad alta velocità, anche con altri standard di elettrificazione.
La sezione di Meccanica applicata dell’Università di Firenze, e in particolare il gruppo di ricerca composto da Benedetto Allotta, Luca Pugi, e Fabio Bartolini, ha curato quindi la progettazione, realizzazione e messa a punto del prototipo denominato “T2006”, destinato all’esercizio dell’alta velocità e conforme agli standard europei di interoperabilità. Tutta l’attività di ricerca è stata coordinata da Italcertifer, società di ricerca e sviluppo del Gruppo Ferrovie dello Stato, secondo le specifiche tecniche messe a punto da Trenitalia SpA che ha commissionato il progetto e fornito importanti contributi grazie al know-how accumulato in decenni di attività sperimentale.
Le attività sono state condotte con la collaborazione e l’indispensabile contributo di altri gruppi di ricerca nazionali quali il Politecnico di Milano e l’Università “Federico II” di Napoli, insieme a imprese di piccole, medie e grandi dimensioni, quali Fabrica e Scienza Machinale.
Il prototipo T2006 è dotato di un sistema di sospensioni semi-attivo basato su un controllo automatico che permette al pantografo di assecondare i movimenti della linea aerea rendendo quindi più affidabile e stabile il contatto.
Il sistema di controllo realizzato è capace di interpretare, in tempo reale, i movimenti delle sospensioni del pantografo e correggerne la dinamica. La soluzione proposta è del tutto generale e quindi calibrabile in ragione del tipo di linea e dei diversi standard di elettrificazione.
