Magnetic gears numerical modelling and optimization

L'obiettivo principale di questa tesi è quello di fornire strategie di modellazione e ottimizzazione efficienti per un dispositivo elettromagnetico noto come ingranaggio magnetico. In particolare modelli magnetici, termici e meccanici sono esaminati includendo materiali non lineari, algoritmi di smagnetizzazione magneti permanenti e modelli di isteresi in nuclei laminati. Dal punto di vista della modellazione magnetica, un approccio analitico per la progettazione semplificata dell'ingranaggio è presentata. Particolare attenzione viene data all'onere computazionale del metodo che è particolarmente adatto alle procedure di ottimizzazione stocastica. Per l'analisi dettagliata degli ingranaggi magnetici, un algoritmo basato sull'accoppiamento Finite Element / Boundary Element viene proposto, comprese le non linearità ferromagnetiche, le equazioni differenziali meccaniche, correnti parassite ed equazioni circuitali. Modelli dettagliati sono introdotti e discussi per analizzare gli effetti dell'isteresi dei materiali dolci e magnetizzazione, smagnetizzazione e recoil di magneti permanenti. Vengono anche investigati i meccanismi di perdita negli ingranaggi magnetici e le perdite di trasmissione al variare delle velocità di rotazione e gli angoli di carico. Un modello meccanico semplificato dell'ingranaggio magnetico è presentato e formulato come un insieme dei vincoli di disuguaglianza, fornendo così un collegamento diretto alle strategie di ottimizzazione. I vincoli meccanici includono gli spostamenti e le sollecitazioni dei poli ferromagnetici e le limitazioni sulla velocità di rotazione dovuta a sforzi eccessivi, risonanze e vibrazioni. Un'analisi semplificata basata su una rete termica equivalente è presentato, nella quale si considera anche il flusso di raffreddamento assiale. Le tecniche di ottimizzazione stocastica sono discusse per una progettazione multi-fisica della macchina ottimizzata e il modello analitico è incorporato in uno schema di evoluzione differenziale. Infine, i risultati ottimizzati sono discussi e confrontati con le soluzioni meccaniche commerciali. Viene inoltre proposta e analizzata una soluzione basata sulla connessione delle barre assiali che garantiscono un effetto di smorzamento quando la marcia dell'ingranaggio diventa asincrona. Tutti gli algoritmi sono stati convalidati tramite confronto con codici commerciali o, quando possibile, con i dati di esperimenti recuperati dalla letteratura.