Multi Polar Direct Drive Permanent Magnet Synchronous Machines for Renewable Energy

Questo lavoro di dottorato considera principalmente la Risorsa Eolica e si focalizza sulle caratteristiche elettromagnetiche dei generatori a presa diretta per questa applicazione. Malgrado molti Costruttori di turbine eoliche usino congurazioni comprendenti il moltiplicatore di giri, la presenza di quest'organo di trasmissione causa una perdita di ecienza del sistema elettromeccanico che va a comprometterne la sostenibilità. Una soluzione multipolare a bassa velocita di rotazione e presa diretta tra generatore e pale della turbina e quindi adottata. Si sceglie l'utilizzo del magnete permanente grazie alla sua compattezza e all'assenza di spazzole in paragone alle soluzioni di macchina sincrona tradizionale. L'avvolgimento frazionario e adottato per risparmiare materiale nell'avvolgimento di armatura della macchina. Questo tipo di congurazione presenta evidenti vantaggi come la lunghezza ridotta delle testate, il buon fattore di riempimento delle cave, elevati rendimento e fattore di potenza. Essa si presta inoltre a soluzioni circuitalmente ridondanti che consentono una struttura modulare della parte attiva, con la capacita di tollerare i guasti. D'altro canto, le armoniche spaziali della forza magneto motrice (MMF) dovuta all'avvolgimento frazionario causano perdite nel rotore di entita notevole. I metodi tradizionali di calcolo delle perdite (formula di Steinmetz o modelli di corpi solidi in campo magnetico uniforme) non forniscono risultati soddisfacenti per queste perdite. La forza magneto motrice risulta non sincrona con il rotore della macchina, con conseguente indursi di correnti parassite in ogni parte conduttrice del rotore, come nel giogo metallico che sorregge i poli magnetici e nei magneti stessi (terre rare). Le perdite nei magneti ne causano il riscaldamento, con conseguente calo delle prestazioni della macchina. La riduzione del campo dei magneti dovuta all'aumento di temperatura aumenta il rischio di smagnetizzazione irreversibile. L'ampiezza delle armoniche spaziali di forza magneto motrice e la loro frequenza vista dal rotore dipendono dalla particolare combinazione cave{poli dell'avvolgimento scelto. L'entita di queste perdite cresce notevolmente con l'aumentare delle dimensioni della macchina, divenendo un aspetto cruciale nella progettazione di macchine multipolari a presa diretta di grande diametro (. 2m) con magnete permanente. Una scelta adeguata del rapporto cave{poli dell'avvolgimento, signica un notevole miglioramento della sostenibilita del processo di conversione elettromeccanica: le perdite vengono ridotte e il rendimento migliora. Se il rendimento migliora, signica che meno materiale e stato sprecato. Questa parte del lavoro di tesi si e svolta presso il Laboratorio di Azionamenti Elettrici nel Dipartimento di Ingegneria Industriale dell'Universita di Padova nell'ambito di un contratto di ricerca voluto da Leitwind SpA (VIpiteno, Italia). Leitwind e un costruttore di turbine eoliche. Lo scopo e progettare un generatore di grande diametro (v 4m) per il prototipo di turbina eolica da 3 MW. Compresa l'importanza del fenomeno delle perdite rotoriche, la volonta di Leitwind e svilupparne calcolo per scegliere l'avvolgimento della nuova macchina. Il generatore Leitwind esitente, denominato LW15C, per la turbina LTW77 (potenza nominale 1.5 MW) e analizzato sia con modelli analitici che con gli elementi niti. Questo generatore e la base di partenza di questo studio. Viene applicato un metodo per il calcolo delle perdite rotoriche indotte dall'elevato contenuto armonico dell'avvolgimento frazionario. Le perdite cos ottenute sono confrontate con i risultati dell'attivita del banco prova su macchine reali. Con lo stesso approccio si studia e si modella il motore diretto per trazione funiviaria SFA (500 kW di potenza nominale) negli impianti Leitner. Leitner e Leitwind appartengono al Gruppo Leitner Technologies. I risultati del banco prova sono confrontati con i valori calcolati. La progettazione del nuovo generatore LW30A e sviluppata a partire dai modelli creati per il generatore LW15C e il motore diretto SFA. Vengono poi studiate dierenti topologie di macchina a magnete permanente con avvolgimento frazionario per confrontarle con la congurazione switching ux (SFPM). Lo studio prende in considerazione sia magneti di terre rare, che di ferrite. La possibilità di integrare una notevole quantita di magnete nella parte di armatura della macchina SFPM e il principio di concentrazione di usso portano ad una soluzione con un buon rapporto costi prestazioni, che pero deve essere valutata non solo da un punto di vista di prestazioni. La struttura del rotore di questa macchina e semplice e robusta, come per le macchine a riluttanza. Il comportamento della topologia SFPM a smagnetizzazione dei magneti permanenti risulta un punto cruciale da indagare. Per allargare lo studio ad un'altra Fonte Rinnovabile, l'energia da moto ondoso e brevemente descritta e vengono confrontate alcune topologie di generatori lineari per questa applicazione. Uno struttura a doppio statore viene studiata con l'intento di massimizzare la spinta sulla parte mobile. Si considera inoltre l'utilizzo dei magneti in ferrite: malgrado il loro basso prodotto di energia rispetto ai magneti in terre rare, essi risultano meni nocivi per l'ambiente e la salute dell'uomo: il processo di estrazione delle terre rare coinvolge infatti elementi radioattivi, mentre l'estrazione della ferrite e in tutto simile a quella del ferro. Contributi principali della tesi I principali contributi di questo lavoro di tesi alla ricerca futura nell'ambito delle energie rinnovabili si possono cos sintetizzare: • L'applicazione del modello a strati e del metodo dei punti corrente nel calcolo delle perdite rotoriche di macchine elettriche a presa diretta di grande diametro, con magneti permanenti. I risultati dell'attivita sperimentale su banco prova di grosse macchine reali sono confrontati con i valori calcolati. • La scelta del numero di poli e di cave nella progettazione di macchine a presa diretta di grande diametro, con avvolgimento frazionario. • Confronto della macchina switching ux con topologie di macchina note, comprendendo la smagnetizzazione del magnete e l'utilizzo della ferrite, materiale più sostenibile delle terre rare. • Studio di diverse topologie di generatore lineare per generazione da moto ondoso, includendo la topologia switching ux a doppio statore. Struttura della tesi Capitolo 1 : presenta una breve panoramica sull'energia rinnovabile eolica e da moto ondoso e descrive l'azienda Leitwind SpA. Capitolo 2 : descrive la modellazione e l'analisi delle macchine studiate, sia con metodi analitici che con gli elementi niti: sono inclusi i risultati dell'attivita sul banco prova. I modelli, sviluppati sul generatore LW15 e sul motore SFA sono poi applicati al nuovo generatore LW30A. Capitolo 3 : aronta la tematica del calcolo delle perdite rotoriche, sviluppando il modello a strati e il metodo dei punti corrente. Viene descritto il calcolo delle perdite rotoriche. Si aronta la validazione dei metodi di calcolo al banco prova. Capitolo 4 : ricava una legge di scala per le perdite rotoriche per macchine a magnete permanente ad avvolgimento frazionario. Capitolo 5 : presenta la scelta del rapporto cave{poli nel progetto del nuovo generatore LW30A per la turbina da 3.0 MW LTW 101. Viene investigata la possibilità di applicare l'Indice delle Perdite Rotoriche, ricavato dal modello a strati. Capitolo 6 : confronta diverse topologie di macchine ad avvolgimento frazionario con la congurazione switching ux, sia con terre rare che con ferrite. Si aronta il fenomeno della smagnetizzazione sulle diverse topologie di macchina. Capitolo 7 : prende in considerazione topologie di macchina lineare per conversione da moto ondoso. Include la congurazione switchng ux a doppio statore