Analisi di nuove metodologie per il progetto di motori elettrici ad elevate prestazioni

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.