Studio di fattibilità per l’elettrificazione di un trattore agricolo

Lo sviluppo di sistemi sostenibili e non inquinanti è una sfida che coinvolge tutto il settore dei veicoli e, dunque, anche il comparto delle macchine agricole. Ci sono sempre più aziende che adottano sistemi ecologici in grado di continuare la produzione senza danneggiare l’ecosistema. In tale contesto, i trattori a trazione elettrica svolgono un ruolo fondamentale. Lo scopo di questo lavoro è di presentare un dimensionamento di massima dei componenti principali di un eventuale trattore elettrico. Si parte dalla scelta del tipo di motore elettrico da utilizzare fino ad arrivare alla capacità e al tempo di ricarica della batteria. Infine, viene proposta una stima economica preliminare.

La crescita delle aspettative dei consumatori, la spinta degli enti legislativi a ridurre le emissioni, i prezzi più alti del carburante, la consapevolezza che il petrolio è una risorsa “finita“, hanno già portato a cambiamenti radicali nell’industria automobilistica. Tuttavia anche il settore delle macchine da lavoro si sta evolvendo. In particolare, in questo contesto, l’elettrificazione delle machine agricole offre una vasta gamma di vantaggi non solo in termini di emissioni ma anche di performance. La trasmissione elettrica permette infatti di erogare livelli di coppia maggiori, consente di raggiungere rendimenti molto più elevati e di ottenere un controllo migliore e più preciso rispetto alla trazione tradizionale [1].

La moderna meccanica agricola ha raggiunto un alto livello di tecnologia, automazione e semplificazione del processo grazie alle tecnologie utilizzate [2, 3]. Le richieste che oggi vengono rivolte ai progettisti di trattori e macchine operatrici sono in costante aumento sia in termini di efficienza che nella capacità di interfacciarsi con le varie macchine agricole [4 – 8]. Perseguendo questi obiettivi, l’applicazione di dispositivi elettrici sta suscitando un interesse crescente da parte dei produttori.

I dispositivi elettrici presentano chiari vantaggi rispetto ai sistemi idraulici che ad oggi gestiscono tutte le macchine agricole, in particolare: minore attrito, migliore controllo dei dispositivi, semplificazione del layout con conseguente risparmio di spazio.

Per quanto riguarda il trattore, i progettisti si stanno muovendo prevalentemente in due direzioni [9, 10]. La prima consiste nell’elettrificazione del trattore inserendo un generatore che aziona gli organi ausiliari (ventola del radiatore, pompa dell’acqua, pompa diesel, pompa dell’olio, impianto di climatizzazione…) [11] al fine di risparmiare carburante grazie alla maggiore efficienza dei sistemi elettrici ausiliari rispetto ai sistemi tradizionali. La seconda, invece, consiste in una reale elettrificazione del motore proponendo soluzioni completamente elettriche o ibride, proprio come per i veicoli a motore [12, 15].

L’obiettivo del seguente lavoro è quello di dimensionare tutti i componenti principali di un possibile trattore elettrico, partendo dalla scelta del tipo di motore da utilizzare fino alla capacità e al tempo di ricarica della batteria. Infine, si propone anche una stima economica preliminare.

Scelta della macchina più adatta

In generale tutti i motori hanno in comune la stessa limitazione fisica, che è la capacità di generare la “forza al traferro”, cioè la forza trasversale tra statore e rotore, che è lineare nei motori lineari, e diventa coppia in un motore circolare. Il valore della forza prodotta per unità di area dipende dalla tecnologia del motore ma è sostanzialmente limitato dalle proprietà dei materiali (magneti, rame, acciaio) utilizzati.

Grazie alla sua capacità di generare elevati valori di coppia a bassi regimi, la tecnologia Direct Drive Motor Torque rappresenta la soluzione più adatta all’applicazione in questione. In particolare, tale tecnologia permette di raggiungere una forza di picco al traferro attorno a 80.000 N/mq, e un valore continuo con raffreddamento ad acqua di ca. 55.000 N/mq. Raggiunto il valore limite di forza al traferro per poter massimizzare la coppia risultante bisogna agire sulle dimensioni del diametro poiché variandolo la coppia è proporzionale al quadrato dello stesso. Conseguentemente, per verificare se una nuova applicazione è possibile, se si ritiene che la disponibilità di coppia costituisca un limite, va innanzitutto determinato il massimo diametro utilizzabile compatibilmente con le esistenti limitazioni fisiche e la massima velocità periferica (valori sotto i 150 m/sec non pongono problemi) e conseguentemente può essere stimata la superficie del traferro. Questo può fornire una stima di massima della dimensione del motore e quindi dare un’indicazione circa la fattibilità dell’applicazione. Motori con grande diametro e limitata lunghezza assiale rappresentano la più efficiente soluzione per le applicazioni richiedenti alta coppia e bassa velocità, tuttavia il momento d’inerzia varia con il cubo del diametro.

Oltre alle loro prestazioni eccellenti, i motori Direct Drive Motor Torque hanno il vantaggio di contenere i costi grazie alla loro struttura semplice che permette la quasi totale eliminazione dell’usura e quindi della manutenzione. Tali motori fanno parte della categoria dei motori diretti così chiamati perché sono progettati per essere collegati direttamente al carico, senza l’interposizione di organi di trasmissione. La riduzione degli elementi meccanici presenti all’interno del veicolo si traduce in un aumento in termini di affidabilità e durata della vita e quindi in un’importante diminuzione di costi.

 

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