MGU-K E MGU-H: approfondimento sul loro funzionamento

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I due componenti elettrici delle Power Unit di Formula 1 sono, come è ben noto, l’MGU-K e l’MGU-H e a grandi linee tutti dovrebbero conoscerne l’uso. Ma nello specifico tecnico, come fanno questi due motogeneratori a generare corrente elettrica e poi riusarla come motore?
E’ bene prima fare un rapido ripasso riguardo le modalità di utilizzo:
MGU-H
– Montato sull’albero delle giranti di turbina e compressore;
– Viene usato da generatore di corrente quando trasforma parte dell’energia cinetica in eccesso della turbina in energia elettrica riducendo così la velocità di rotazione della turbina (altrimenti controllata tramite valvola wastegate);
– Viene usato da motore grazie alla sofisticata elettronica presente in queste Power Unit per controllare la rotazione del gruppo turbocompressore. In questo modo viene controllato il fenomeno del turbo-lag che affliggeva i vecchi motori turbo utilizzati negli anni 80;
–  Il regolamento di Formula 1 non impone limiti al recupero di energia tramite MGU-H.



MGU-K
–  Montato sull’albero motore;
– Viene utilizzato da generatore in frenata, trasformando parte dell’energia cinetica sull’albero motore in  energia elettrica;
–  L’utilizzo del MGU-K, quando viene sfruttato da generatore, per contribuire alla decelerazione della vettura rende necessario un sistema di controllo elettronico «brake by wire» per gestire la corretta forza da applicare ai pistoni delle pinze freno;
–  In fase di accelerazione è usato da motore per aggiungere c.a. 164 cavalli alla potenza del motore termico. Può ricevere direttamente energia elettrica da MGU-H;
–  Il regolamento di Formula 1 impone un limite di 2 MJ/giro al recupero di energia tramite MGU-K.

Questa la loro disposizione all’interno della Power Unit:



Fatto questo doveroso ripasso, abbiamo detto che i sistemi MGU sono dei motogeneratori, ovvero delle macchine elettriche capace di funzionare sia da motore che da generatore. Più in particolare in Formula 1 essi sono motogeneratori sincrono, trifase e brushless (quindi a magneti permanenti). Andiamo ad esaminare il significato di queste caratteristiche con uno schema semplificato del motogeneratore

La macchina risulta essere “senza spazzole” (brushless) in quanto invece di un’altra bobina come rotore c’è un magnete permanente, bobina che avrebbe bisogno di alimentazione a corrente continua e dunque di spazzole commutatrici. 
Per scoprire il significato di sincrono e trifase andiamo ad esaminare il funzionamento del sistema MGU nelle due fasi caratteristiche, di generazione e di motore:




Fase di generazione

In
questa fase il moto rotatorio del rotore dei motogeneratori, collegati
all’albero motore o a quello della turbina, causa la variazione nel tempo del
flusso di campo magnetico
concatenato
con la superficie
S
 delle
bobine statoriche dell’indotto. Tale variazione induce una
forza
elettromotrice

nelle bobine che, per la legge di
Faraday-Neumann-Lenz, è pari alla variazione nel tempo del flusso di tale campo magnetico, quando la variazione nel tempo tende a 0 (derivata).

Il
campo magnetico del rotore può essere descritto da
un vettore rotante con una certa velocità angolare (pulsazione) e avente modulo costante, essendo il magnete permanente. Dunque la pulsazione della fem generata, e dunque anche la frequenza, dipenderà direttamente e solo da quella del campo magnetico rotante. Per questo si dice che l’alternatore è
sincrono. Naturalmente la fem, e dunque la corrente generata, sarà alternata visto il moto rotatorio da cui è stata generata


Ponendo
nell’indotto  tre serie di bobine
spostate le une rispetto alle altre nel verso di rotazione dell’induttore, si
può ottenere che tale alternatore fornisca tre fem sinusoidali sfasate di 1/3
di periodo di una rispetto alle altre, ossia di
120°
(l’insieme di tre
tensioni
alternate, aventi la stessa ampiezza e la stessa frequenza, si chiama tensione
trifase).
Questo tipo
di alternatore
prende il nome di trifase.

        
     

     

Da
notare che la batteria (Energy Store) della Power Unit può ricevere solo
corrente continua monofase: il necessario lavoro di trasformazione della
corrente alternata in continua viene svolto dall’elettronica di gestione
tramite un raddrizzatore
.


Fase di motore

Quando
il pilota richiede la massima
potenza dalla propria Power Unit,
la
centralina elettronica fa inviare dalla batteria tramite
inverter (dispositivo in grado di
trasformare corrente continua in alternata) corrente alternata trifase nelle 3
serie di bobine statoriche dei motogeneratori MGU. Tale corrente genera un
campo magnetico
rotante attorno
al centro delle tre bobine
la
cui ampiezza è costante e pari a 1,5 volte il campo magnetico delle singole
bobine e la cui velocità angolare è nella stessa dipendenza diretta con la pulsazione della fem valida per la fase di generazione.

 L’interazione
tra il campo magnetico rotante dello statore e il campo magnetico dei magneti
rotorici genera una
coppia
sul rotore che lo fa ruotare con la
stessa
velocità angolare
ω con cui ruota il campo
dell’indotto.  Per questo il motore si
dice
sincrono.
L’animazione
esemplifica il funzionamento di un motore sincrono nel caso di rotore a
elettromagneti
a corrente continua, il cui
principio è però  equivalente al motore
sincrono a magneti permanenti


(Nel caso la GIF non venga visualizzata, è il min. 1.22 da http://youtu.be/Vk2jDXxZIhs)

Se
il rotore non è già in movimento con velocità angolare uguale alla pulsazione
della corrente trifase, la
sua inerzia non gli permette di «seguire» subito i poli opposti, del magnete permanente e quelli generati dagli elettromagneti statorici, da cui è
attratto e che ruotano col campo 
ma
sarà sottoposto a forza attrattive e repulsive in modo continuo che non gli
consentiranno di avviarsi.
Un’altra
animazione esemplifica questo
problema.



 (Nel caso la GIF non venga visualizzata, è il min. 2.00 da http://youtu.be/Vk2jDXxZIhs)


Per
far avviare tale motore è quindi necessario
portarlo al sincronismo, ovvero portare il rotore alla
velocità di rotazione del campo magnetico rotante (tipicamente utilizzando un
motore asincrono o facendo crescere gradualmente tensione e frequenza fino ai
valori di regime)

Un’altra
caratteristica del motore sincrono è che esso è in grado di fornire sempre
una coppia costante, dipendente dalla pulsazione della corrente
trifase,
anche quando sono applicati carichi
(potenze resistenti). Se però
tali
carichi sono
superiori
alla coppia che produce, il motore va
fuori sincrono e si
ferma
     Per concludere, perché è stato scelto per
la F1 un sistema così
complesso da gestire,
invece del più diffuso motore asincrono? E’ presto detto:  tale macchina presenta
minore
inerzia
e
quindi fornisce migliori
accelerazioni, è dotato di un miglior rapporto
peso/potenza
che è un aspetto alla base della
progettazione di una monoposto da competizione. E
soprattutto
una
macchina
sincrona può funzionare sia da alternatore che da
motore.
@Alfodifi97

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