Analysis, Design and Optimization of Innovative Electrical Machines Using Analytical and Finite Element Analysis Methods

In questi ultimi anni l’interesse per le macchine elettriche rotanti facenti uso di magneti permanenti ha riscontrato uno sviluppo sempre pi `u crescente. Tali macchine rappresentano un mondo alternativo alle tradizionali macchine sincrone e ad induzione, e vengono considerate ad oggi soluzioni promettenti in svariati settori, come quello industriale, per il trasporto, come attuatori, elettro domestici e per l’impiego in impianti di potenza. I problemi legati all aumento della domanda di energia elettrica ed al suo consumo, hanno generato una tendenza alla ricerca di azionamenti ad alta efficienza, spingendo la tecnologia delle macchine elettriche classiche ad ulteriori miglioramenti. L’introduzione dei magneti permanenti che utilizzano terre rare, gia dagli anni 60, hanno incentivato e permesso lo sviluppo di diversi tipi di macchina innovativi. Tuttavia, l’aumento e l’instabilita del prezzo delle terre rare, tra il 2010 ed il 2013, ha diretto la ricerca verso soluzioni di macchine alternative senza magneti permanenti, o con una quantita ridotta di tali materiali, pur soddisfando le specifiche di progetto. Al momento, la ricerca industriale e quella accademica sono entrambe focalizzate allo sviluppo di motori e generatori elettrici con elevate prestazioni, tra i diversi tipi di macchine elettriche esistenti, i motori sincroni a riluttanza (SynRel) ed a riluttanza assistita da magneti permanenti (PMASynRel) risultano essere degli ottimi candidati per il soddisfacimento delle specifiche energetiche e di efficienza, sempre piu stringenti, che verranno richieste ai motori nel prossimo futuro. Questo lavoro di tesi e interamente dedicato all’analisi teorica e sperimentale ed alla progettazione di motori sincroni a riluttanza (SynRel) e motori sincroni a riluttanza assistita da magneti permanenti (PMASynRel). In particolare, l’attenzione sar`a p osta su macchine elettriche in un campo di potenza che varia dalle centinaia di Watt alle decinedi kiloWatt, principalmente per applicazioni come veicoli elettrici ed elettro domestici. Tali macchine presentano una serie di vantaggi tecnologici che le portano ad avere prestazioni, soprattutto nel campo degli azionamenti a velo cit`a variabile (VSD), competitive rispetto ad esempio alle macchine ad induzione tradizionali o quelle a magneti permanenti. La struttura semplice e robusta, l’utilizzo ridotto di magneti permanenti, i gradi di liberta nella progettazione combinate ad un’elevata densita di coppia, alta efficienza elevate caratteristiche di sovraccarico ed un ampio campo di velocita, sono tutte caratteristiche che hanno permesso di collo care le macchine SynRel e PMASynRel in una posizione di rilievo. Inoltre, grazie all’aumento dei convertitori moderni a frequenza variabile e sistemi di controllo digitale, le prestazioni di questo tip o di motori, in termini di coppia ed efficienza, sono diventate altamente competitive rispetto ai tradizionali azionamenti con motori ad induzione.