SCHEMI DI RAFFREDDAMENTO DELLE
MACCHINE ROTANTI



Anche per le macchine rotanti valgono le
considerazioni relative alla dipendenza dal fattore di
scala di perdite e superficie di scambio termico con
l’ambiente.
Passando quindi a potenze, e dimensioni, via via
maggiori è necessario aumentare l’efficacia dei mezzi
di raffreddamento aumentando innanzitutto il
coefficiente di adduzione e, per le grandi macchine,
adottando tecniche di raffreddamento
(raffreddamento diretto) e fluidi (idrogeno, acqua) che
consentano una sempre maggiore efficienza.
Normalmente si usano ventilatori coassiali centrifughi
od assiali.

Fondamentalmente, per il raffreddamento con aria
soffiata si hanno due possibili configurazioni:
 Circuito aperto: l’aria fredda viene prelevata
dall’ambiente e l’aria calda viene restituita all’ambiente.
Sono necessari filtri e silenziatori per attenuare il rumore
ed evitare accumulo di polvere nella macchina.
 Circuito chiuso: l’aria o il fluido che circola nella macchina
è sempre lo stesso, viene raffreddato con opportuni
scambiatori di calore ad aria o ad acqua. Questa soluzione
è l’unica possibile se il fluido di raffreddamento è diverso
dall’aria, ad es. idrogeno.

Se la macchina presenta condizioni di massimo
carico a basse velocità (uso siderurgico, motori di
trazione) non può avere un ventilatore coassiale ma si
deve utilizzare una ventilazione separata.

Il fluido di raffreddamento si suddivide in almeno
tre vie in parallelo:
spinto dai ventilatori raffredda le testate e
attraverso le camere di ventilazione dello statore
esce (circuito aperto) o attraversa il refrigerante
(circuito chiuso);
spinto dai ventilatori penetra nel traferro e
attraverso i canali di ventilazione raffredda il
tratto diritto dell’avvolgimento ed il pacco
statore;
con meccanismi diversi, a seconda del tipo di
macchina, viene aspirato dal rotore e raffredda
l’avvolgimento di rotore e, se necessario, il pacco
rotorico.
Ventilazione Assiale per macchine di piccola potenza
CIRCUITO APERTO



Il ventilatore è calettato sull’albero, si predispongono dei
deviatori per inviare l’aria sulle testate degli avvolgimenti o della
gabbia.
Per macchine di piccola potenza. L’aria si scalda man mano che
attraversa la macchina ed il picco di riscaldamento dell’aria si ha
in prossimità della uscita dal pacco.
Non va bene per macchine lunghe
Ventilazione sul mantello (piccola potenza)



Il ventilatore è assiale ma fuori dalle parti attive. La ventola invia
l’aria sul mantello esterno che è provvisto di alettatura per
aumentare la superficie di scambio termico
E’ una soluzione per piccoli motori (P<100 kW)
La carcassa è fusa solo per grandi serie di produzione (P<10kW e
produzioni di 10000--20000 pezzi) perché lo stampo è costoso.
Negli altri casi, le alette vengono saldate sulla carcassa.
Raffreddamento di motori di piccola potenza
ventola
alette di ventilazione
Media Potenza: Ventilazione radiale bilaterale simmetrica



Macchina ad asse
orizzontale, raffreddata a
ciclo aperto
Due ventilatori assiali
spingono l’aria da entrambe
le direzioni. Con ciò si evita
il problema del
raffreddamento asimmetrico
Una serie di tegoli inviano
l’aria sulle testate e nelle
scanalature del circuito
magnetico
Macchina di potenza con raffreddamento ad aria in circuito aperto
alette di raffreddamento
ventola di raffreddamento
Generatore sincrono a 4 poli con ventilazione bilaterale ad aria
(2 ventilatori assiali e canali radiali nel nucleo magnetico)
ventilatori assiali
SCHEMA DI RAFFREDDAMENTO IN CIRCUITO APERTO
DI UN ALTERNATORE AD ASSE VERTICALE
Ventilazione di tipo misto
Il tipo misto va bene per rotori avvolti dove è prevista la presenza
degli anelli e del reostato di avviamento
Gli anelli sono in bronzo fosforoso che resiste allo scintillio
anelli/spazzole. In ogni caso si scaldano e questo sistema consente
di raffreddarli
Sono anche realizzati in acciaio dolce che resiste meglio alla
temperatura ma presentano una maggiore resistività
Raffreddamento a ciclo chiuso
REFRIGERANTE
Macchina ad asse
orizzontale raffreddata a
ciclo chiuso
Raffreddamento bilaterale
simmetrico con
scambiatore di calore
esterno
Utile in ambiente inquinato
Evito di portare sporcizia in
macchina
I tegoli indirizzano l’aria
sulle parti attive
SCHEMA DI RAFFREDDAMENTO ARIA-ACQUA IN
CIRCUITO CHIUSO DI UN MOTORE ASINCRONO AD
ASSE ORIZZONTALE
Per potenze elevate si usa acqua
per raffreddare il circuito
primario. Non posso scaricare
aria calda nell’ambiente di
lavoro del motore
Es: compressore da 4000 kW con
rendimento 0.9 produce 400 kW di
perdite (stufa domestica 2 kW)
Vista in Interno
Vista in Esterno
Schema di raffreddamento in aria di un turboalternatore
l’aria di raffreddamento circola nelle camere di fondazione della macchina
apparecchiature di
refrigerazione per l’aria
SCHEMA DI RAFFREDDAMENTO IN CIRCUITO CHIUSO
DI UN ALTERNATORE AD ASSE VERTICALE
REFRIGERANTI
RAFFREDDAMENTO DELLE MACCHINE
ELETTRICHE DI GRANDE POTENZA


Per turboalternatori di potenza maggiore di 100 MVA
si adotta l’idrogeno come fluido di raffreddamento
sfruttandone contemporaneamente la minore viscosità,
che dà luogo a meno elevate perdite per ventilazione e il
maggiore calore specifico che porta ad una maggiore
efficienza di raffreddamento.
Per potenze superiori a 300 MVA si adotta il
raffreddamento diretto con acqua demineralizzata nei
conduttori di statore e diretto con idrogeno nei
conduttori di rotore. È stato anche utilizzato, se pur
raramente, il raffreddamento diretto con acqua
demineralizzata nei conduttori di rotore.
CONSUMO INDICATIVO DI H2 PER GRANDI
TURBOALTERNATORI (UNA BOMBOLA CONTIENE 6
NORMAL m3 DI H2)
Perdite m3/giorno
14
12
10
8
Perdite
m3/giorno
6
4
2
0
0,05
1
2
3
Pressione H kg/cm 2
4




Il riempimento di idrogeno viene di regola fatto
con un riempimento intermedio di CO2 per evitare
la formazione di miscele esplosive,
Nel caso di raffreddamento diretto con acqua le
zone (o le semizone) di statore sono raffreddate in
parallelo.
In tal caso deve essere quindi previsto un impianto
demineralizzatore per mantenere sempre ad un
livello adeguato la resistività dell’acqua.
Tale impianto, costituito da un deionizzatore a
letto misto, utilizza resine a scambio ionico che
entrano in azione quando la conducibilità
dell’acqua supera un limite prestabilito.
ESAME COMPARATIVO, RIFERITO ALL’ARIA
DELLE CARATTERISTICHE DEI PRINCIPALI
FLUIDI DI RAFFREDDAMENTO
FLUIDO
CONDUTTIVITÀ
TERMICA
CALORE
SPECIFICO
DENSITÀ
ARIA ad 1 bar
IDROGENO a
4 bar assoluti
ELIO a 4 bar
assoluti
ACQUA
1.0
7.1
1.0
14.4
1.0
0.28
CAPACITÀ
TERMICA
PER UNITÀ
DI VOLUME
1.0
4.0
5.8
5.2
0.55
2.9
23.4
4.2
900
3780
Schema di ventilazione di un turboalternatore raffreddato ad idrogeno ed acqua
demineralizzata nell’avvolgimento di statore
acqua demineralizzata
scambiatori di calore per il
raffreddamento dell’idrogeno
idrogeno
ventilatore
centrifugo
canali di raffreddamento nel
nucleo statorico
Alternatore raffreddato ad idrogeno e con circolazione di acqua
demineralizzata nell’avvolgimento di statore
Conduttori attivi di statore
raffreddati ad acqua
bietta
isolamento
fori di adduzione
dell’acqua di
raffreddamento
Innesti per raffreddato ad acqua
acqua demineralizzata di
raffreddamento
blocco sostegno
camera acqua
piattine di rame
pieno
piattine cave in acciaio inox
per la circolazione
dell’acqua
blocchi di rame per il
collegamento delle barre
dell’avvolgimento
camera acqua in
acciaio inox
INNESTI
Schema semplificato per la demineralizzazione dell’acqua di raffreddamento
dello statore
avvolgimento
deionizzatore
refrigerante
serbatoio
polmone
pompe di
circolazione
filtro
V = portata volumetrica del fluido di raffreddamento [m3/s]
qe = temperatura in entrata [°C]
qu = temperatura in uscita [°C]
d = peso specifico del fluido di raffreddamento [kg/m3]
cp = calore specifico a pressione costante del fluido di raffreddamento [J/kg°C]
Potenza scambiata tra macchina e fluido di raff.
contenuto termico specifico Asp = d · cp
qm 
qu  qe
Vsp 
[W]
 J kg
J 

 kg  C m3 m3 C 


V
2
Portata volumetrica specifica
P  dc pV q u  q e 
P
2 Asp qu  q e 
V
1

P 2 Asp qu  q e 
[m 3 /s]
[m 3 /W  s]
1
Vsp 
2 Asp q
Asp
q (°C)
Vsp
aria
1150 (J/°C m3)
25
2,1 (m3/kW min)
olio
1550 (J/°C dm3)
14
2,7 (dm3/kW min)
acqua
4180 (J/°C dm3)
14
1,0 (dm3/kW min)
idrogeno
1220 (J/°C m3)
25
1,9 (m3/kW min)
Fluido
a = coefficiente di dilatazione dei gas perfetti
g = peso specifico del gas di raffreddamento
c = calore specifico a pressione costante
k = conducibilità termica del gas
h = viscosità del gas
aria
c = 1009 J/°C kg ; a = 1/293 ; g = 1,2 kg/m3
k = 0,025 W/°C m ; h = 0,185 10-4 kg/s
idrogeno
c = 14.500 J/°C kg ; a = 1/293 ; g = 0,084 kg/m3
k = 0,185 W/°C m ; h = 0,090 10-4 kg/s (W/m2)
RAFFREDDAMENTO E LA VENTILAZIONE DELLE
MACCHINE ELETTRICHE ROTANTI



Per il raffreddamento e la ventilazione delle macchine
elettriche ed in particolare delle macchine rotanti, ci si avvale
della circolazione di fluidi di raffreddamento all’interno delle
varie parti che compongono la macchina. I fluidi
maggiormente usati sono:
GAS
LIQUIDI
Aria
A
Acqua
W
Idrogeno H
Olio
U
Azoto
N
CO2
C
Il fluido primario, circolando all’interno della macchina ne
asporta il calore derivante dalle perdite generate nelle parti
attive.




Il fluido secondario scambia calore con il fluido primario
raffreddandolo e cedendo il calore all’ambiente.
Il fluido primario, se gas, viene fatto circolare mediante
ventilatori coassiali al rotore (Autoventilazione) o con
elettroventilatori esterni (Ventilazione Assistita).
Si può avere:
 Circuito aperto nel quale il prelievo e lo scarico del fluido
avviene nell’ambiente esterno.
 Circuito chiuso nel quale il fluido primario scambia calore
con l’esterno attraverso refrigeranti ed un fluido secondario.
Si ha:
 Raffreddamento indiretto quando li scambio termico avviene
attraverso una barriera isolante.
 Raffreddamento diretto quando il fluido circola a diretto
contatto con i conduttori.
NORME SUL TIPO DI RAFFREDDAMENTO
DELLE MACCHINE ROTANTI




I metodi di raffreddamento delle macchine elettriche rotanti
sono classificati dalla norma:
CEI 2-7/97- IEC 34 - 6 (IC CODE I° e II°)
Il codice IC tipo I° semplificato si riferisce solamente all’aria
ed è costituito dal codice IC seguito da due cifre
caratteristiche
La prima indica la disposizione del circuito di raffreddamento
La seconda la modalità con cui è fornita la potenza necessaria
alla circolazione del fluido di raffreddamento
 quando la seconda cifra è 1 (autocircolazione con
dispositivo per muovere il fluido di raffreddamento
montato sull’albero della macchina), tale cifra può essere
omessa


Il codice IC II° completo è costituito al massimo da cinque
lettere o numeri, ad esempio:
IC 8 A 1 W 7
Il significato della sigle è indicato nella tabella seguente.
IC (international cooling).
Sigla fissa.
Primo numero
Prima lettera
Secondo numero
Seconda lettera
Terzo numero
Sigla internazionale
di raffreddamento
Tipo di circuito
Tipo di circuito primario
Metodo di circolazione
del fluido primario
Tipo di fluido secondario
(se applicabile)
Metodo di circolazione
del fluido secondario

Massime Sovratemperature per Macchine Rotanti
(Classi Termiche CEI 15-26)
Per Macchine Raffreddate ad Idrogeno con Potenze
Nominali > 500 kVA
Potenze Nominali < 500 kVA
Per Macchine Raffreddate ad Aria
Per Macchine Raffreddate ad Aria (cont.)
Per Macchine Raffreddate ad Aria con parti attive
raffreddate direttamente
Riferimenti convenzionali per temperature base del
fluido refrigerante: i salti di temperatura vengono
valutati a partire dai seguenti valori:
 aria : 40 °C
 acqua in ingresso : 25° C
 idrogeno all’uscita dello scambiatore di calore: 40 °C
+
4