Analysis and Design of Unconventional Permanent Magnet Electric Machines

In questa tesi vengono esaminate diverse problematiche di analisi e progettazione inerenti differenti tipologie di macchine elettriche accomunate dal fatto di essere equipaggiate con magneti permanenti, che vengono oggi sempre più utilizzati nelle costruzioni elettromeccaniche grazie agli innegabili vantaggi che possono apportare in termini di compattezza e leggerezza, rendendo anche possibile l'adozione di vantaggiose soluzioni realizzative non convenzionali. Dopo una breve parte introduttiva, nel secondo capitolo viene affrontata la tematica della valutazione delle perdite per correnti parassite nei magneti permanenti, che è stata oggetto del periodo di studio trascorso presso l’Università di Sheffield da Ottobre 2008 ad Aprile 2009. L’entità di tali perdite è stata valutata sia analiticamente che numericamente, tenendo in considerazione anche gli effetti di distribuzione tridimensionale delle correnti parassite, allo scopo di elaborare metodi di calcolo affidabili ma richiedenti tempi di elaborazione ridotti rispetto a quelli richiesti da una modellazione FEM completa. E' stato inoltre studiato un metodo per modellare in modo approssimativamente equivalente gli effetti della laminazione dei materiali ferromagnetici in simulazioni FEM dinamiche anche bidimensionali, che permette di evitare l'effettiva modellazione dei singoli lamierini, computazionalmente molto onerosa. Nel terzo capitolo viene quindi analizzata una macchina in corrente continua ad eccitazione ibrida, in cui il campo magnetico principale è prodotto sia da magneti permanenti che da apposite bobine. Variando l’eccitazione di queste ultime si riesce pertanto a variare in certa misura il flusso al traferro, a partire da un opportuno valore base intermedio che è comunque garantito dai magneti anche in caso di completa disalimentazione delle bobine legata a possibili guasti al loro interno o al sistema cui sono connesse. Ciò permette quindi di ottenere una certa capacità di regolazione della macchina anche in presenza di collegamento diretto tra armatura e sorgente di alimentazione, cosa che può risultare interessante in applicazioni critiche per aumentare l’affidabilità dell’azionamento grazie all’eliminazione del convertitore di armatura. Nel quarto capitolo viene poi affrontato lo studio di un generatore ad altissima velocità per applicazioni di generazione in accoppiamento a micro-turbine. Tali sistemi, che stanno trovando una sempre più ampia diffusione sul mercato, sono caratterizzati da un sistema di conversione elettronica a due stadi che collega il generatore alla rete elettrica, vista la grande differenza fra le rispettive frequenze operative. Oltre a investigare il dimensionamento della macchina elettrica, viene analizzata la possibilità di sostituire il ponte a diodi, normalmente utilizzato quale interfaccia lato macchina del sistema di conversione statica, con un convertitore controllato, confrontando i risultati ottenuti in termini di variazioni di rendimento, stress termici e meccanici del sistema. Infine, viene descritto lo studio relativo allo sviluppo di un attuatore a 2 gradi di libertà roto-traslante di tipo sincrono a magneti permanenti, avente buone caratteristiche di regolabilità ma impiegante tecnologie costruttive convenzionali e quindi realizzabile a costi contenuti senza richiedere materiali o processi produttivi attualmente ancora troppo costosi. Viene dapprima presentato lo studio analitico di una struttura di macchina innovativa, che pur essendo realizzata con normali componenti utilizzati nei motori brushless, permette facilmente di ottenere un controllo idealmente disaccoppiato della coppia e forza prodotte. Viene quindi descritta la modellazione elettromagnetica tridimensionale agli elementi finiti sviluppata per la macchina, i cui risultati dimostrano la sostanziale validità della soluzione proposta. La suddetta macchina costituisce il principale elemento innovativo introdotto dall'Unità di ricerca di Pisa all'interno di un Programma di Ricerca di Interesse Nazionale (PRIN 2007) finalizzato allo studio di un sistema di propulsione e sterzatura integrato per veicoli elettrici. E' inoltre previsto lo sviluppo di prototipi della macchina proposta nell'ambito dello studio di sistemi di propulsione, sterzatura e sospensione innovativi per veicoli a fuel cells, che sarà effettuato nel quadro del "Progetto H2 Filiera Idrogeno" finanziato dalla Regione Toscana nel 2008