Advanced Design and Optimization of Anisotropic Synchronous Machines

Questo lavoro analizza molti aspetti di ricerca dei motori sincroni anisotropi, che includono le macchine sincrone a riluttanza pura (SyR), a riluttanza assistita da magneti (PMaSyR) e le macchine a magneti permanenti interni (IPM). Infatti, tutte queste macchine esibiscono una forte componente di riluttanza, da cui il nome anisotrope. Dai primi anni 2000, la progettazione di macchine elettriche ha cominciato a basarsi in modo consistente sull’analisi agli elementi finiti (FEA) accoppiata ad algoritmi di ottimizzazione automatici. Questo flusso di lavoro permette al progettista di fare un minor numero di ipotesi preliminari e di esplorare uno spazio di progetto più ampio. Gli svantaggi di questo approccio sono che il tempo richiesto è lungo e che le risorse computazionali richieste possono essere elevate. Tuttavia, le prestazioni dei computer migliorano di anno in anno, e in particolar modo con la diffusione delle architetture a multi-processore. Pertanto oggigiorno è comune impiegare decine o persino centinaia di core su cluster di PC per effettuare analisi agli elementi finiti durante un’ottimizzazione. La tesi è strutturata nel seguente modo. La prima parte copre le conoscenze di base necessarie a sviluppare gli argomenti trattati nel seguito. C’è quindi un’introduzione alle macchine studiate, delle conoscenze generali sui materiali magnetici e ferromagnetici, alcuni concetti di base sull’algoritmo di ottimizzazione differential evolution (DE) utilizzato, e il disegno delle barriere fluide dei rotori di macchine a riluttanza. Nella seconda parte si sono sviluppati modelli analitici di macchine SyR e PMaSyR. Il modello completo è non lineare e può diventare abbastanza complesso da sviluppare, specialmente in un contesto industriale. Pertanto, usando alcune ipotesi semplificative, si possono derivare alcune semplici equazioni di progetto. Questo modello semplice è anche esteso e applicato a strutture di rotore asimmetriche, che tentano di compensare alcune armoniche di coppia. La terza parte si concentra sull’applicazioni di ottimizzazioni multiobiettivo accoppiate a FEA per alcuni casi di studio. In particolare, si è ottimizzato, prototipato e testato un motore SyRper pompe centrifughe. Poi, è stato condotto uno studio di fattibilità per un motore PMaSyR attraverso ottimizzazioni multi-obiettivo. Dopodiché si sono studiati motori SyRper alte velocità e si sono dedotti i limiti di potenza di questa macchina. Infine l’ottimizzazione DE multi-obiettivo è stata anche applicata per migliorare le capacità di controllo sensorless delle macchine anisotrope già in fase di progetto.