Riassunto analitico
Il crescente fabbisogno energetico per macchine elettriche costringe alla continua ricerca della massima efficienza e della massima prestazione.
Scopo di questo lavoro è studiare nuove metodologie di progetto per macchine elettriche ad elevate prestazioni, compararne costi e benefici, svilupparne le prestazioni.
La riduzione dei costi è un vincolo dominante delle applicazioni industriali, ciò nonostante la crescente richiesta di motori elettrici ad alta efficienza, ha accresciuto l’interesse nella sostituzione dei motori a induzione con motori sincroni a magneti permanenti o i sincroni a riluttanza.
Rispetto alle macchine a induzione, le macchine a magneti permanenti sono caratterizzate da un’elevata densità di coppia, alta efficienza ed alta dinamica. Presentano alcuni svantaggi come la cogging torque, l’oscillazione di coppia a carico, il rischio di smagnetizzazione e l’elevato costo dei magneti permanenti in terre rare.
Lo studio di ottimizzazione è stato condotto sviluppando una serie di codici di calcolo che permettono di generare e simulare le geometrie ottimizzate.
La validazione sperimentale è stata testata su diversi prototipi realizzati e caratterizzati al banco prova.
Per incrementare la robustezza dei metodi proposti, le tipiche imperfezioni costruttive sono state analizzate, in modo da ridurre le differenze che si riscontrano tra simulazioni e macchine reali.
Particolare attenzione è stata rivolta allo studio del contenuto armonico della coppia elettromeccanica e delle forze elettromotrici generate nelle macchine elettriche.
Una ridotta oscillazione di coppia a carico comporta ridotte sollecitazioni meccaniche sugli alberi di trasmissione, ridotte vibrazioni e ridotte emissioni acustiche.
L’oscillazione di coppia a carico nasce dall’interazione tra le armoniche di ordine superiore del campo magnetico prodotto al traferro dagli avvolgimenti di statore e dal rotore. Per minimizzare questo effetto indesiderato, alcune strategie sono state analizzate e sviluppate. Infine alcune tecniche di cancellazione armonica sono state sviluppate ed applicate ottenendo risultati positivi.
Al fine di ridurre l’oscillazione di coppia e la cogging torque, differenti tipologie di rotore per macchine sincrone sono state analizzate e sviluppate. Una nuova tipologia di magneti rotorici è stata proposta col fine di ridurne il costo: parte del materiale magnetico in terre rare è stato sostituito dall’economica ferrite. Utilizzando un’adeguata combinazione tra magneti in terre rare e magneti in ferrite, la coppia nominale rimane elevata e le oscillazioni di coppia risultano ridotte.
Le macchine sincrone a riluttanza sono interessante un’alternativa, grazie alla loro densità di coppia, alle capacità di deflussaggio e alla loro anisotropia rotorica che permette migliori applicazioni sensorless. Queste macchine richiedono però un progetto molto complesso per ottenere una contenuta oscillazione di coppia e una adeguata densità di copia.
È stato quindi proposto un innovativo metodo di progetto: una particolare disposizione asimmetrica delle barriere di flusso permette di ridurre le componenti armoniche dell’oscillazione di coppia e della cogging torque. Il metodo è stato validato sia per macchie a riluttanza pura sia per macchine a riluttanza assistita con magneti permanenti. Una significativa riduzione dell’oscillazione di coppia e della cogging torque è ottenuta senza incrementare i costi di produzione della macchina e senza ridurne la coppia nominale.
I motori sincroni a riluttanza assistita con magneti permanenti sembrano essere una delle migliori soluzioni per l’ambito industriale, fino a quando il maggior costo dei motori sincroni a magneti permanenti superficiali risulta giustificato dalla loro maggiore densità di coppia.
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Abstract
The enhancement of the energy requirements for electric machines compels to the continuous research of maximum efficiency and to maximum performance.
The topic of the present work is to investigate new design methodologies for high performance electric machines. The study was carried out in order to compare costs and benefits while increasing motors performance.
The costs reduction is an important constrain in industrial applications, nevertheless the increasing demand for high efficiency motors increased the interest in substituting induction motors with permanent magnet synchronous machine or synchronous reluctance machine.
Compared to the induction counterpart, permanent magnet synchronous machines are characterized by higher torque density, higher efficiency and higher dynamic performance. These machines present also some disadvantages such as cogging torque, torque ripple under load, demagnetization risk and high cost of rare-earth permanent magnets.
The optimization study was carried out by developing different algorithms to generate optimal geometries that were subsequently simulated using finite elements method.
The experimental validation was carried out on different motor prototypes that were fabricated and characterized on test bed.
To further assess the robustness of proposed approach the effect of typical manufacturing imperfections were investigated in order to reduce the differences between simulated and actual machines.
Particular attention was paid to the study of the harmonic content of electromagnetic torque and of electromotive forces produced inside the electric machine. Small torque ripple means low mechanical stress on the transmission shaft, but also less vibrations and reduced acoustic emissions during run.
The torque ripple results from the interaction between the high order harmonics of air-gap magnetic field produced by stator winding and those ones produced by the rotor.
In order to minimize this unwanted effect, different strategies were analyzed and developed. Techniques of unwanted-harmonics cancellation were developed and applied with positive results.
In order to reduce torque ripple and cogging torque, different rotor typologies for synchronous machines were investigated and developed.
A new proposal to reduce the cost of rotor magnets was presented: a fraction of the high strength material made in rare earth is replaced with cheaper ferrite magnets. Using the proper combination of rare earth material and ferrite magnets the rated torque remains high and the torque ripple is reduced.
The synchronous reluctance machines are an interesting alternative due to their torque density, flux weakening capability and their rotor anisotropy that allow better sensorless applications. On the other hand, these machines require a very careful rotor design in order to achieve low torque ripple and an adequate torque density.
For this reason a new design method for synchronous reluctance machine was developed. A specific asymmetrical lay-out of the rotor flux barriers is proposed in order to reduce the harmonics components of the pulsating torque and cogging torque. The proposed method was assessed and validated for pure synchronous reluctance and permanent magnet assisted synchronous reluctance machines. A significant reduction of torque ripple and cogging torque was achieved without increasing the production costs of the machine and with almost zero reduction on the rated torque.
The permanent magnet assisted synchronous reluctance machines seems to be one of the best solutions for factory operation, until the higher costs of the synchronous permanent magnets motors are justified by their higher torque density.
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