Analysis, design and test of high efficiency electrical machines with a rotor winding

Questo lavoro di tesi è incentrato sull’analisi, la progettazione e la prototipazione di macchine elettriche trifase ad alto rendimento, con particolare riferimento a motori dotati di avvolgimenti rotorici. Inizialmente si descrivono le motivazioni di questo lavori di tesi e il contesto in cui essa si inserisce, illustrandone i principali obiettivi. Una dettagliata analisi bibliografica è alla base del lavoro svolto. Una selezione di questi lavori si trova nelle referenze. I motori sincroni autoavvianti (LS SyM) sono stati introdotti nella prima metà del novecento e la loro progettazione è soggetto di ricerca sin da allora. Essi non si sono mai affermati a causa della loro difficile progettazione e per la disponibilità del più robusto ed economico motore ad induzione (IM). Dopo aver descritto il principio di funzionamento di IM e LS SyM, se ne illustrano le tecniche di analisi sviluppate fino al giorno d’oggi. Negli ultimi anni vi è un rinnovato interesse verso i LS SyM grazie agli stringenti requisiti di rendimento. Vi è quindi la necessità di tecniche di progettazione veloci ed affidabili per LS SyM. I risultati di simulazioni agli elementi finiti sono stati combinati a modelli analitici per descrivere la complessa dinamica di LS SyM. L’obiettivo è quello di ottenere una risposta sufficientemente precisa in tempi molto più brevi rispetto ad altre tecniche di analisi. In questo modo si rende possibile una rapida e precisa calibrazione dei parametri rotorici necessari per soddisfare determinati requisiti di carico dinamico. Parte di questa tesi è dedicata allo sviluppo di una tecnica di analisi per LS SyM in condizioni di regime. Tale analisi `e condotta nello stesso sistema di riferimento usato nei classici modelli per macchine sincrone non autoavvianti. Si mostra che l’analisi proposta permette anche di ottimizzare alcuni parametri di macchina. Negli ultimi anni vi sono stati numerosi sviluppi nella progettazione di macchine sincrone a riluttanza, con o senza l’assistenza di magneti permanenti. In questa tesi si è voluto investigare sulla possibilità di applicare tali sviluppi ai LS SyM, tenendo in considerazione i vincoli costruttivi legati alla presenza della gabbia rotorica. Lo scopo è quello di ridurre il volume di magneti permanenti utilizzati per contenere i costi di produzione. Si è affrontato il problema dell’industrializzazione dei LS SyM, con particolare riferimento al processo di pressofusione del rotore. Nell’intento di ridurre il ripple di coppia, incrementare la coppia media e ridurre le perdite dei motori elettrici, recenti lavori propongono l’utilizzo di algoritmi di ottimizzazione stocastica nella fase di progettazione. I suddetti obiettivi sono basilari anche per LS SyM, anche se per questo tipo di motori la letteratura è meno fornita. Per questo motivo si è voluto utilizzare un algoritmo di ottimizzazione nella fase di progettazione della lamiera di un LS SyM. L’analisi è applicata ad un LS SyM trifase a 2 poli di piccola taglia, dato che ancora non si trovano nei cataloghi dei principali costruttori. L’ottimizzazione è sviluppata considerando la necessità di ottenere un progetto robusto e comunque adatto alla produzione industriale, dato che tale LS SyM deve essere competitivo con l’ormai consolidato IM. Una promettente struttura rotorica è stata prototipata. Le prestazioni ottenute sono confrontate con quelle del corrispondente IM. Si è proposta un innovativa configurazione di LS SyM per dimostrare la fattibilità del loro utilizzo su scala industriale. Lo scopo è quello di utilizzare la stessa lamiera per motori con un diverso numero di poli, riducendo di conseguenza il costo di produzione. Per fare ciò è necessario un compromesso tra aspetti contrastanti nel progetto. In questa parte di tesi, si è voluto quantificare le prestazioni ottenibili da tali geometrie nelle diverse configurazioni. In questa tesi si è sviluppato un modello analitico per caratterizzare l’interazione di circuiti elettrici accoppiati in strutture complesse quali quelle dei LS SyM. Questa analisi mira ad essere uno strumento per la determinazione analitica delle coppie parassite in motori dotati di gabbia rotorica come LS SyM e IM. La letteratura riporta un gran numero di lavori riguardanti la descrizione di coppie parassite nella caratteristica di coppia di motori IM. In LS SyM, l’analisi delle coppie parassite è molto più complessa a causa della struttura di macchina. In letteratura, gli studi analitici riguardanti gli effetti di armoniche di MMF in motori LS SyM sono pochi ed incompleti. L’elevato ed instabile prezzo dei magneti permanenti, assieme allo straordinario sviluppo dell’elettronica allo stato solido, ha spinto a riconsiderare il motore ad induzione per applicazioni a velocità variabile. In questo scenario, si è considerato un avvolgimento rotorico a gabbia di scoiattolo in cui i conduttori sono asimmetrici. Tale asimmetria permette il riconoscimento sensorless della posizione rotorica tramite iniezione di segnali ad alta frequenza negli avvolgimenti di statore anche a velocità molto basse. Sono stati condotti test sperimentali su prototipi di IM con gabbia asimmetrica allo scopo di verificare le tecniche di analisi e di quantificare le prestazioni ottenibili da tali geometrie. Proseguendo l’analisi delle problematiche riscontrate in controlli di tipo sensorless con iniezione di segnale, si sono approfondite le proprietà della mutua induttanza differenziale causata dal fenomeno della saturazione incrociata tra asse d e q in macchine sincrone. Essa causa un errore nella stima della posizione rotorica, riducendo di fatto l’applicabilità del controllo sensorless con iniezione di segnale. Dopo aver discusso in dettaglio le propriet`a di tale induttanza, si `e dimostrato che essa dipende da alcuni parametri di macchina. Con i risultati ottenuti, può essere intrapresa una serie di accorgimenti nel controllo della macchina volta a mitigare l’effetto negativo dell’induttanza mutua dovuta alla saturazione incrociata. Uno o più avvolgimenti rotorici possono essere introdotti anche in motori sincroni a magneti permanenti superficiali, allo scopo di estendere l’applicabilità del controllo sensorless con iniezione di segnale anche a questo tipo di motori. In questo tipo di macchine, denominate ”ringed-pole”, tali avvolgimenti rotorici possono essere sede di perdite importanti nel funzionamento a regime. In letteratura, questa tecnologia è stata applicata a motori di piccola taglia. In questo contesto, si sono studiate le perdite rotoriche di macchine ”ringed-pole” tramite analisi agli elementi finiti e modelli analitici. Lo scopo è quello di verificare se l’uso di tale tecnologia può essere esteso a macchine di taglia superiore dal punto di vista delle perdite rotoriche. Con poche eccezioni, gli argomenti di questa tesi sono validati tramite misure sperimentali. I risultati delle prove sperimentali sono confrontati con quelli provenienti da modelli analitici o da analisi agli elementi finiti.