High Performance Synchronous Reluctance Machines: Design and Applications

L’idea di macchina sincrona a riluttanza (REL) può essere rintracciato già a partire dal 1900. Negli ultimi 20 anni, in particolare, le macchine REL hanno attirato sempre più attenzione sia nel settore accademico che in quello industriale. Senza magneti permanenti e barre del rotore, la costruzione del rotore della macchina REL è più robusta delle macchine a magneti permanenti (PM) o delle macchine a induzione (IM). Inoltre, ha un basso costo, necessita di poca manutenzione e è altamente affidabile. Tutte queste caratteristiche fanno della macchina REL è un'alternativa interessante alle topologie di macchine ampiamente utilizzate come macchine a magneti permanenti o ad induzione. Pertanto, lo studio delle macchine REL è di grande interesse. In questa tesi la progettazione e l'analisi di macchine REL ad alte prestazioni vengono sviluppate e discusse. Inoltre, vengono studiate due applicazioni particolari: motori REL per veicoli elettrici (EV) e generatori a riluttanza autoeccitati (SERG) per applicazioni con vento isolato. Per iniziare, il tipo di rotore anisotropo laminato trasversalmente con più barriere di flusso viene scelto per essere progettato e analizzato. Nello specifico, viene eseguita un'analisi parametrica dettagliata di questo tipo di geometria del rotore, che mira a suggerire una procedura di disegno e simulazione automatica. La forma delle barriere di flusso viene selezionata per raggiungere un valore di induttanza alto sull’asse d e basso sull’asse q. Metodi specifici per progettare correttamente la geometria delle estremità di barriera e dei PM vengono utilizzati e descritti. Particolari procedure per evitare errori nella geometria vengono applicate. Tali procedure sono utilizzate per analizzare rapidamente l'impatto di alcuni parametri del rotore sulle prestazioni della macchina, al fine di fornire linee guida per la progettazione preliminare della macchina REL. Successivamente, come esempio pratico, viene progettato un motore REL con le dimensioni di un motore commerciale. Alcune procedure di progettazione sono eseguite insieme all'ottimizzazione. Vengono forniti i confronti delle prestazioni tra il motore REL ottimizzato e il prodotto commerciale. Meriti e difetti della macchina REL per l'applicazione EV vengono evidenziati. Lo studio su SERG inizia con il riconoscimento delle prestazioni allo stato stazionario, sia analiticamente che sperimentalmente. Vengono esaminate le condizioni relative all'autoeccitazione del SERG, quali capacità richiesta, magnetismo residuo del rotore, accelerazione del rotore e condensatori di precarica. Viene inoltre trattata la possibilità di adottare un generatore di riluttanza assistito da PM autoeccitato e viene eseguito il confronto delle prestazioni con SERG. Viene analizzato l'effetto di alcuni parametri di progettazione sulle prestazioni del generatore PMAREL. Riferendosi alle applicazioni eoliche, viene proposto un metodo per mantenere costante la tensione generata a velocità variabile. Infine, verrà presentata la previsione della "combinazione ottimale di condensatore e resistore" che raggiunge il massimo sfruttamento della potenza meccanica prodotta dalla turbina eolica.