Riassunto analitico
Nel campo della progettazione di macchine elettriche, la possibilità di caratterizzare il motore in ogni sua possibile condizione operativa è essenziale sia per la fase di progettazione che per la fase di validazione. Questo può essere fatto accuratamente tramite simulazioni elettromagnetiche agli elementi finiti, che, date le proprietà ferromagnetiche non lineari dell’acciaio di cui statore e rotore sono composti, dovranno essere effettuate in diversi punti operativi in termini di corrente di alimentazione, in modo da ottenere una mappatura del motore completa e sufficientemente fitta da rilevare gli effetti della saturazione magnetica. Per motori a magneti permanenti o a pura riluttanza, la mappatura è in genere fatta in funzione di due sole variabili che definiscono la corrente di alimentazione dello statore, che possono essere la componente diretta ed in quadratura del vettore corrente, o, in alternativa, il suo modulo e fase rispetto al sistema di riferimento del rotore. Per motori sincroni a rotore avvolto invece, caratterizzati dalla possibilità di variare il flusso di eccitazione, è necessario introdurre un ulteriore variabile: la corrente di eccitazione. Questo rende la procedura di mappatura più complessa ed intensa in termini computazionali, passando dall’essere bidimensionale a tridimensionale. L’attività di tesi è relativa all’ottimizzazione delle procedure di simulazione e mappatura per questo specifico tipo di motori, ed è stata portata avanti durante un tirocinio curriculare presso Marelli Europe S.p.A. Inizialmente, la procedura di simulazione per singolo punto operativo è stata definita ottimizzando i settaggi del solver agli elementi finiti e determinando, tramite un’analisi di sensibilità, il numero di step di angolo da simulare per sesto di periodo in funzione dell’accuratezza richiesta. Un’analisi separata è stata fatta per la stima delle perdite nel ferro, che ha portato allo sviluppo di una procedura alternativa in grado di fornire gli stessi risultati offerti dal tool presente nel software FEA ma a partire da un solo sesto di periodo simulato, invece che da un periodo completo come precedentemente richiesto, riducendo notevolmente il tempo computazionale. Una volta definita la procedura di simulazione, sono state quindi investigate varie tecniche di mappatura ed interpolazione, partendo da una spaziatura regolare della griglia in funzione delle variabili di corrente ed arrivando ad una soluzione ottimizzata con punti condensati nelle aree più critiche in termini di errore di interpolazione della coppia media rilevata. Infine, è stato sviluppato un metodo numerico per ricavare le mappe di controllo ottimale delle correnti, tale da minimizzare le perdite totali, a partire dalle mappe di coppia, flussi e perdite precedentemente simulate. Il risultato di questo progetto di tesi è una guida dettagliata per simulare e mappare efficientemente macchine sincrone a rotore avvolto.
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Abstract
In the field of electrical machine design, the possibility of characterizing the motor in every possible operating condition is essential both for the development and the validation phases. This can be done accurately by means of finite element simulations which, due to the nonlinear ferromagnetic properties of the iron of which the stator and the rotor are composed, need to be performed at different operating points in terms of current supplied, in order to obtain a complete and sufficiently dense mapping of the motor that could capture the effects of magnetic saturation. For permanent magnet and pure reluctance motors, the mapping is generally performed in function of two variables describing the stator current supply, which could either be the direct and quadrature components of the current vector, or, alternatively, its magnitude and phase with respect to the rotor reference frame. For Wound Rotor Synchronous Motors (WRSM) instead, which are characterized by the possibility of varying the excitation flux, an additional variable must be introduced: the excitation current. This makes the mapping procedure more complex and computationally intensive, becoming three-dimensional instead of bi-dimensional. The thesis activity is focused on the optimization of the simulation and mapping procedure of this specific type of motor, an activity which has been carried out during an internship at Marelli Europe S.p.A. Initially, the simulation procedure for a single operating point was defined by optimizing the solver settings and determining, via a sensitivity analysis, the number of rotor angle steps to be simulated per sixth of the period, as a function of the accuracy required. A separate analysis has been done for the estimation of the iron losses, which led to the development of an alternative procedure that allows one to retrieve the same results offered by the built-in tool in the FEA software but starting from only one-sixth of the period simulated, instead of the full period previously required. Once the simulation procedure has been defined, various mapping and interpolation techniques have been investigated, starting from a regularly spaced grid to an optimized solution with points condensed in the most critical areas of the map in terms of interpolation error of the evaluated average torque. Finally, a numerical method for determining optimal current control maps to minimize the overall losses has been defined, starting from the previously simulated torque, flux, and losses maps. The outcome of the thesis project is a comprehensive guideline for the efficient mapping and simulation of WRSM motors.
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