Electric Drives with Permanent Magnet Synchronous Machines Connected to Internal Combustion Engines

In questi ultimi anni l’aumento del costo del petrolio e il riscaldamento globale della terra dovuto ai gas serra ha spinto il settore scientifico, i governi e quindi il mercato nella direzione di una più alta efficienza dei sistemi con lo scopo di ridurre l’utilizzo di questo combustibile e quindi le sue emissioni di CO2 associate. Oggigiorno i settori più coinvolti in questa rivoluzione tecnologica sono il settori della generazione di energia elettrica e il settore dei trasporti. Infatti questi due settori sono i principali responsabili di emissioni di CO2 globali della terra che sono associate per circa il 45% alla generazione elettrica e per circa 30% ai trasporti. Inoltre va ricordato che sebbene il petrolio non sia una fonte di energia rinnovabile attualmente circa il 40% dell’energia mondiale dipende dal petrolio e questo livello di dipendenza sale a circa 80% nel settore dei trasporti dove la maggior parte dei veicoli è spinta da un motore alimentato da derivati del petrolio. Per questi motivi la ricerca scientifica negli ultimi dieci anni si sta concentrando su questi problematiche in particolare nei settori emergenti quali cogenerazione distribuita e veicoli ibridi. In particolare vengono studiati nuovi impianti di energia distribuita capaci di aumentare l’efficienza energetica producendo in maniera combinata energia elettrica e termica direttamente dove richiesta e solo se necessaria in questo modo si riducendo le perdite di rete. Nel settore dei veicoli ibridi invece l’utilizzo del motore elettrico può aiutare ad aumentare l’efficienza del motore termico nei vari punti di lavoro, questi sistemi consentono infatti di migliorare fino al 30% le prestazioni in termini di consumi ed emissioni rispetto ad un veicolo tradizionale. Con questo contesto storico la tesi si è focalizzata nello studio di una struttura della catena di potenza di un veicolo o di un sistema di cogenerazione di piccola taglia ossia l’analisi di un sistema composto da un motore endotermico direttamente calettato con una macchina elettrica. La macchina elettrica viene generalmente utilizzata con due funzioni principali: avviare il motore a combustione e generare energia elettrica. Nel caso di un veicolo ibrido vi sono altre due funzioni che si aggiungono a quelle appena elencate ossia la fase di incremento di coppia durante le accelerazioni e una fase di recupera di energia durante le frenate. Tra le varie tipologie di macchine elettriche esistenti nel mercato, le macchine sincrone a magnete permanente occupano un posto di rilievo in questi settori. Infatti questa tipologia di macchina elettrica consente di ottenere: un alto rendimento, un’alta densità di coppia, notevole capacità di sovraccarico, una buona robustezza costruttiva, volumi compatti e quindi peso ridotto. Inoltre questo tipo di macchina può lavorare a velocità variabile e può operare con prestazioni aragonabili sia come motore che come generatore. Per questo motivo nella tesi verranno presentati azionamenti elettrici basati su motori a combustione interna calettati a macchine elettriche sincrone a magneti permanenti. La tesi di dottorato dell’autore è stata svolta presso il laboratorio di azionamenti elettrici di Padova, il quale da più di venti anni è attivo nel campo della progettazione di macchine elettriche e del loro controllo mediante progetti di ricerca con partner industriali e pubblicazioni scientifiche su riviste e su conferenze internazionali. Quindi sebbene siano presenti in letteratura molti libri che parlano di azionamenti elettrici grazie all’esperienza dell’autore maturata in questo laboratorio l’autore ha voluto enfatizzare con maggiore dettaglio gli aspetti e le nozioni che secondo la sua opinione sono fondamentali per la progettazione di un azionamento elettrico. Inoltre secondo il parere dell’autore al tesi di dottorato a differenza di un articolo su conferenza o su rivista deve essere autonoma e deve poter essere compresa anche da un non esperto del settore pertanto sono stati riportati con dettaglio anche aspetti base di una azionamento elettrico e del controllo motore. Quindi il lavoro riportato in questa tesi di dottorato è diviso sostanzialmente in due parti la prima composta dai primi quattro capitoli e la seconda parte composta dagli ultimi due capitoli. Nella prima parte sono state riportate le nozioni fondamentali necessarie per una buona conoscenza sul settore degli azionamenti elettrici in particolare nella parte di controllo motore, limiti di funzionamento di un motore sincrono a magneti permanenti e inverter di potenza. Mentre la seconda parte si è focalizzata sulla descrizione della progettazione di un azionamento per un sistema di cogenerazione domestica e per motociclette ibride. Nell’ambito della cogenerazione sono state descritte alcune tecniche che consentono di ridurre il problema delle vibrazioni dovute al motore a combustione interna. Nel settore della motocicletta ibrida sono state mostrate le principali scelte di progettazione effettuate per realizzare un prototipo efficace e funzionante di motocicletta ibrida.