I thruster rim-drive, noti anche come thruster rim-driven, offrono diversi vantaggi che li rendono una scelta convincente nelle applicazioni marine, dalle piccole imbarcazioni e dai veicoli subacquei fino a yacht e grandi navi. I thruster rim-drive sono apprezzati per l’efficienza, la bassa rumorosità, la compattezza, l’affidabilità, la ridotta manutenzione, la flessibilità di posizionamento a bordo, la maggiore manovrabilità e i benefici ambientali.

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Alva ha sviluppato il thruster rim-drive Hydra-100 (Fig. 1), dimostrando che l’uso della tecnologia FiberPrinting™ rende questo tipo di thruster ancora più interessante per molte applicazioni di propulsione marina. Il thruster Hydra-100 è costituito da uno statore FiberPrinting™ integrato nella corona (Fig. 2,a), in combinazione con un rotore magnetico Halbach integrato con l’elica del thruster (Fig. 2,b). Il thruster mostra prestazioni superiori rispetto ad altri thruster marini sul mercato nella stessa categoria dimensionale, in termini di maggiore spinta massima, maggiore efficienza di spinta e densità di spinta.

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Tecnologia FiberPrinting™ che consente un raffreddamento superiore

Il raffreddamento ottimale dello statore FiberPrinting™ è possibile grazie a tre attributi: sezione trasversale sottile dello statore, interfacce termiche sottili all’interno dell’assemblaggio dello statore e contatto diretto dello statore con il mezzo di raffreddamento:

1. La capacità di raffreddamento di un assemblaggio meccanico dipende dalla conducibilità termica del materiale e dallo spessore di ciascuno strato di materiale. I componenti principali di uno statore FiberPrinting™ sono realizzati con materiali ad alta conducibilità termica, ovvero rame (trefoli di filo litz), acciaio (anello di lamierini) e alluminio (corona del thruster). Nell’Hydra-100 le interfacce termiche tra i componenti principali sono state ottimizzate per massimizzare le prestazioni termiche. Ad esempio, il filo litz è impaccato strettamente per garantire un buon collegamento termico tra i singoli trefoli di rame e i lamierini in acciaio sono rivestiti con un sottile epossidico termico, appena abbastanza spesso da garantire un isolamento elettrico sufficiente.

2. Poiché uno statore FiberPrinting™ è stampato in un epossidico ad alta conducibilità termica, è intrinsecamente compatibile con liquidi corrosivi e può essere completamente immerso sia in acqua dolce sia in acqua salata. Il thruster può quindi essere progettato con l’obiettivo di far circolare il liquido in cui opera per lavare lo statore. Il lavaggio dello statore sottile in un mezzo di raffreddamento, alla stessa temperatura dell’ambiente circostante, è il metodo di raffreddamento più efficace che si possa applicare senza soluzioni complesse.

3. FiberPrinter produce statori per Motori senza alloggiamenti, che non presentano i denti in ferro tipici dei motori convenzionali; di conseguenza gli statori FiberPrinting™ sono molto sottili, riducendo in modo significativo i percorsi di rimozione del calore.

Il form factor che consente il progetto ottimale del thruster

Uno degli svantaggi dei motori con nucleo in ferro è l’area radialmente spessa occupata dagli avvolgimenti in rame avvolti attorno ai denti in ferro. La sezione sottile di uno statore FiberPrinting™ consente la progettazione di thruster snelli con corone sottili (Fig. 3). Ciò avrà un impatto positivo significativo sull’efficienza complessiva del sistema di propulsione grazie alla riduzione della resistenza idrodinamica.

FiberPrinting™ consente una produzione semplice di avvolgimenti di grande diametro. I vantaggi dei motori di diametro maggiore nei thruster marini rim-driven sono tre: elica più grande, maggiore superficie di raffreddamento e maggiore braccio di leva magnetico:

1. Un motore di grande diametro consente eliche più grandi, con efficienza più elevata e maggiore spinta massima. Un motore FiberPrinting™ può essere prodotto in qualsiasi dimensione, quindi la dimensione dell’elica può essere scelta in base alla spinta desiderata e non è mai limitata dai vincoli dimensionali del motore.

2. La superficie di raffreddamento dello statore aumenta di fatto in modo lineare con il diametro dello statore. Un motore di grande diametro può quindi essere raffreddato più efficacemente, consentendo livelli di potenza più elevati senza surriscaldare lo statore.

3. La coppia erogata da un motore elettrico dipende da due fattori: la forza tangenziale generata tra statore e rotore e la distanza tra la forza tangenziale e il centro del motore, cioè il braccio di leva magnetico. Pertanto, la coppia aumenterà in modo lineare con il diametro del motore se la forza tangenziale rimane invariata.

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L’opportunità di realizzare un thruster più silenzioso

Un motore con nucleo in ferro ottimizzato per potenza ed efficienza presenta spesso un’ondulazione di coppia relativamente elevata a causa dell’interazione asimmetrica tra il rotore magnetico e i denti in ferro dello statore. L’ondulazione di coppia provoca vibrazioni e rumore udibile. Un motore FiberPrinting™ ha praticamente ondulazione di coppia pari a zero perché i lamierini attorno a un avvolgimento FiberPrinting™ sono perfettamente circolari. Una bassa ondulazione di coppia rende il motore silenzioso, consentendo un thruster estremamente silenzioso se un motore FiberPrinting™ è abbinato al tipo corretto di elica.

La protezione intrinseca dall’acqua che consente progetti di thruster affidabili

Il materiale attivo dei motori elettrici di Alva, cioè statore e rotore, è realizzato in modo da essere intrinsecamente adatto ad ambienti corrosivi senza richiedere protezioni aggiuntive. Come menzionato sopra, lo statore FiberPrinting™™ è costituito da una combinazione di filo litz ed epossidico termico. Il filo litz ha uno strato isolante polimerico che garantisce l’isolamento elettrico e protegge il rame dalla corrosione. Il filo litz è inoltre inglobato (potted) in epossidico termico per aumentare la conducibilità termica attraverso lo statore e fornire ulteriore protezione dalla corrosione ai trefoli di rame. Il risultato è uno statore in grado di resistere ad ambienti altamente corrosivi per lunghi periodi senza alcun degrado.

Il nucleo laminato di un motore con nucleo in ferro è un componente difficile da proteggere dalla corrosione a causa della sua geometria complessa. La semplicità dell’anello di lamierini all’interno di un assemblaggio statorico FiberPrinting™ lo rende un componente facile da proteggere. L’anello di lamierini è inserito tra lo statore e un alloggiamento ed è inglobato insieme allo statore, ottenendo uno strato di protezione su tutte le superfici.

Il rotore è costituito da magneti con uno strato di epossidico su tutte le superfici, fissati tra loro e a un rotore meccanico tramite un processo di inglobamento (potting) che fornisce ulteriore protezione dalla corrosione.

Consentire la possibilità di funzionamento in modalità boost della spinta

La potenza erogata da un motore tradizionale con nucleo in ferro è limitata dallo sviluppo di calore, ma anche dalla saturazione dei denti in ferro. Un motore con nucleo in ferro è quindi un compromesso tra efficienza e margine di saturazione, poiché minimizzare la sezione dei denti avrà un impatto positivo sull’efficienza ma negativo sul margine di saturazione.

Questo compromesso non è un problema negli statori FiberPrinting™ perché il campo magnetico all’interno del lamierino dello statore non è così intenso. È più debole perché sia gli avvolgimenti dello statore sia i magneti, e quindi anche il campo magnetico, sono distribuiti più lontano dai lamierini. Il campo magnetico nei lamierini è sufficientemente basso da non causare praticamente mai saturazione, anche a livelli esagerati di corrente in ingresso. Ciò significa che la relazione corrente–coppia per un motore FiberPrinting™ è lineare fino a correnti molto più elevate rispetto ai motori con nucleo in ferro, consentendo una coppia e una potenza significativamente maggiori.

L’assenza di un limite di saturazione, in combinazione con l’eccellente raffreddamento dei motori FiberPrinter, dà come risultato un thruster compatto con una potenza erogata straordinariamente elevata.

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Le prestazioni uniche e la scalabilità

In sintesi, il thruster di Alva offre una spinta massima più elevata e una maggiore efficienza di spinta rispetto a qualsiasi altro thruster marino sul mercato nella stessa categoria dimensionale, grazie alle quattro proprietà intrinseche dei motori FiberPrinting™: raffreddamento ottimale, assenza di saturazione, assenza di cogging, form factor ottimale.

La semplicità dei motori elettrici di Alva, cioè statore e rotore perfettamente cilindrici con solo pochi parametri di progetto, in combinazione con basse perdite nel ferro, dà luogo a una tecnologia di motori elettrici scalabile a qualsiasi dimensione.

I dati prestazionali del thruster Hydra-100 basati su test in mare aperto (Fig.4) sono presentati nella Tabella 1. Le dimensioni del thruster si trovano in Fig. 5.

Il benchmarking rispetto ai concorrenti mostra che i motori FiberPrinting™ di Alva consentono prestazioni leader di mercato in termini di densità di spinta continua, sia gravimetrica (Fig.6,a) sia volumetrica (Fig. 6,b).

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Dai un’occhiata al nostro white paper sui motori FiberPrinting™ per i thruster marini: https://www.alvaindustries.com/papers-downloads/lite-white-paper-fiberprinted-tm-motors-in-marine-thrusters