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.

Advanced Design and Optimization of Anisotropic Synchronous Machines

BACCO, GIACOMO
2019

Abstract

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.
1-dic-2019
Inglese
Anisotropic electric machines, Anisotropic synchronous motors, electrical machines, electric machines, permanent magnet synchronous machines, synchronous reluctance machines, permanent magnet assisted synchronous reluctance machines, multiobjective optimization, sensorless-capability, interior permanent magnet synchronous machines, SPM, IPM, PMASyR, SyR, SynRM, PMASynRM, REL, PMAREL, high-speed machines, low-speed machines, variable-speed applications, efficiency, radial basis function, Maxwell Stress Tensor, Finite Element Analysis, Finite Element Simulations, parametric drawing, magnetic materials
BIANCHI, NICOLA
COLOMBO, PAOLO
Università degli studi di Padova
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Il codice NBN di questa tesi è URN:NBN:IT:UNIPD-82389