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Nuovi attuatori durevoli per il boom del trasporto pubblico elettrificato

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L'anticipato boom del trasporto pubblico elettrificato spinge la domanda di attuatori elettromeccanici di più lunga durata

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Il rapido aumento della domanda di soluzioni di trasporto di massa efficienti dal punto di vista energetico sta portando a una maggiore adozione dell'alimentazione ibrida e completamente elettrica. I progettisti di sistemi di transito hanno sempre più bisogno di una maggiore durata e di una maggiore resistenza dei componenti, in particolare degli attuatori che consentono collegamenti sicuri e flessibili alle fonti di alimentazione". Fortunatamente, una nuova linea di attuatori lineari elettrici è ora disponibile sul mercato per soddisfare questa esigenza.

Il ruolo degli attuatori nei veicoli elettrificati

Gli attuatori consentono a tram, autobus e treni elettrici di collegarsi e scollegarsi dalle fonti di alimentazione in modo intermittente. Questo non è così necessario nella maggior parte delle applicazioni convenzionali, perché si basano su una singola fonte di alimentazione a cui si collegano una volta al mattino e rimangono collegati fino alla fine della loro giornata. I veicoli ibridi, d'altra parte, usano l'energia della batteria per i percorsi che si estendono oltre i limiti della città, ma tornano all'energia aerea più pulita ed economica molte volte mentre eseguono i loro percorsi. Questo diventerà sempre più importante con l'aumento del numero di passeggeri.

Gli attuatori gestiscono la commutazione aerea controllando i pantografi caricati a molla - assemblaggi meccanici che si trovano sulla parte superiore di un veicolo e si elevano per connettersi con le linee elettriche aeree. (Figura 1) Una molla solleva il pantografo per connettersi e mantenere il contatto con la linea elettrica aerea, e l'attuatore tira il pantografo lontano dalla fonte di energia quando si passa all'alimentazione a batteria. In altri progetti, l'attuatore può precaricare la molla che solleva il pantografo verso la linea elettrica aerea. Una commutazione intermittente più efficiente riduce la necessità di aggiungere un cablaggio aereo esteticamente impegnativo e potenzialmente pericoloso all'interno dei limiti della città con l'aumento dell'uso del trasporto di massa

Alcuni progetti utilizzano attuatori pneumatici per gestire la connettività del pantografo, ma la relativa compressione dell'aria emette umidità che può causare intasamenti e, a basse temperature, la formazione di ghiaccio. Le soluzioni pneumatiche hanno anche bisogno di molti più componenti, tra cui pompe, tubi e sistemi di aria compressa. L'aumento delle corse aggrava questi problemi, rendendo le soluzioni pneumatiche sempre meno attraenti con l'aumento del traffico.

Gli attuatori guidano anche il passaggio alle stazioni di ricarica, aiutando gli autobus ibridi a ottenere l'energia di cui hanno bisogno per funzionare durante il giorno. E per i treni che ricevono energia da terze rotaie, gli attuatori controllano l'estensione dei contatti dal treno alla rotaia alimentata.

Mentre le applicazioni esistenti potrebbero richiedere attuatori con una durata di vita tra i 20.000 e i 30.000 cicli, gli aumenti dei cicli giornalieri derivanti dall'aumento delle corse dovrebbero richiedere attuatori con una durata di vita compresa tra 500.000 e 1.000.000 di cicli.

Estensione della vita dell'attuatore

La creazione di un attuatore di maggiore durata richiede la valutazione di almeno quattro aree: selezione della vite a sfera, design del motore, frenatura e resistenza ambientale.

Gli attuatori nelle applicazioni di trasporto di massa traducono il movimento rotatorio in movimento lineare attraverso una vite a sfera. La selezione di una vite a ricircolo di sfere in grado di gestire fino a un milione di cicli nel corso della sua vita richiede calcoli di ottimizzazione avanzati che bilancino il carico e la velocità migliorando il gruppo vite-dado. Questi calcoli possono essere abbastanza complessi, ma essenzialmente implicano l'aumento delle capacità di carico del gruppo vite e chiocciola utilizzando una vite a sfera di diametro maggiore e una chiocciola con un numero doppio di sfere che formano la connessione tra chiocciola e vite. Questa costruzione aumenta notevolmente la durata della vite a sfera e della chiocciola.

Anche il design del motore influisce sulla durata dell'attuatore. La maggior parte degli attuatori attualmente utilizzati sui veicoli elettrificati utilizzano motori DC tradizionali basati su spazzole di contatto. Ma le spazzole alla fine si consumano ̶ troppo presto per l'uso prolungato che i progettisti di transito stanno progettando. Un'alternativa migliore è sostituire le spazzole con un campo elettromagnetico, che rimuove completamente le spazzole di contatto e può durare virtualmente per sempre. Ci sarà, naturalmente, un po' di usura sui cuscinetti o altre parti del motore, ma la longevità allora non dipende dalla durata delle spazzole.

Un motore DC senza spazzole richiede anche un'interfaccia utente leggermente diversa e aiuterà a controllare la frenata nel funzionamento del pantografo.

In un pantografo, l'attuatore lavora contro una molla. In una direzione, è la forza opposta; nell'altra direzione, è una forza di assistenza. Una molla opposta fornisce una velocità stabile e più controllata in una direzione. Una molla di assistenza, d'altra parte, permette un funzionamento più a ruota libera che deve essere controllato. Tipicamente, la velocità è controllata con un freno a frizione quando la molla assiste. In caso di uso prolungato, il freno a frizione si usura e limita la vita dell'attuatore.

Insieme a un motore aggiornato, questa nuova soluzione di attuatore presenta un design aggiornato della vite a sfera, un freno elettromagnetico di mantenimento del carico e un controllo integrato del motore elettrico. Questo approccio migliore utilizza il motore brushless per controllare la velocità e un freno elettromeccanico per mantenere il carico in posizione una volta che l'attuatore si ferma. Gli attuatori utilizzati nelle applicazioni di trasporto pubblico sono già soggetti alle norme di salute e sicurezza, ma l'uso esteso porterà maggiori miglioramenti anche lì. Mentre i veicoli con un funzionamento meno frequente potrebbero essere in grado di utilizzare un livello di protezione inferiore come IP65 sulle soluzioni attuali, il funzionamento esteso di un treno che si muove a 100 chilometri all'ora comporterebbe una maggiore esposizione alle forze ambientali e richiederebbe probabilmente un livello di protezione più elevato. Allo stesso modo, il funzionamento in comunità marine avrebbe una maggiore esposizione alla corrosione in aria salata, probabilmente IP66 o addirittura IP69K. Questi fattori, combinati con i rigorosi standard di sicurezza pubblica che impediscono l'uso di materiali tossici, stanno spingendo i fornitori di attuatori ad assicurarsi che i materiali e le strategie di tenuta che utilizzano forniscano prestazioni sicure per i 20 o 30 anni che i veicoli stessi possono durare.

Cosa c'è in arrivo sulla strada?

Nelle attuali applicazioni di trasporto, gli attuatori forniscono principalmente la funzione di commutazione, cosa che continueranno a fare. Ma la commutazione richiede un po' di elettronica a bordo, che permette agli attuatori di comunicare tra loro e con altri dispositivi, fornendo agli operatori informazioni come il feedback sulla posizione del pantografo e creando la necessità di un'evoluzione degli attuatori.

Sebbene gli attuatori utilizzati per le stazioni di ricarica siano tra i primi componenti che devono essere aggiornati per accogliere un numero maggiore di passeggeri e un'elettrificazione estesa, presto potrebbero seguire altre applicazioni di attuatori adatti, tra cui il funzionamento delle porte, il livellamento dei gradini, il collegamento dei vagoni e il controllo del divario per un accesso sicuro e facile dei passeggeri. Fino ad oggi queste applicazioni sono state gestite principalmente da attuatori pneumatici o idraulici, ma con l'aumento dei cicli e la richiesta di componenti più efficienti e robusti, gli ingegneri dovrebbero considerare gli attuatori elettromeccanici più adatti ai loro progetti.

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