Punti Critici nella Progettazione di Macchine Sincrone ad Alte Prestazioni

L’interesse per le macchine elettriche sincrone a magneti permanenti o a riluttanza pura è cresciuto esponenzialmente negli ultimi anni. Questo trend è effetto di un insieme di fattori: l’evoluzione tecnologica e una maggiore attenzione alle tematiche ambientali per la riduzione dei gas a effetto serra e un’economia eco-sostenibile. La diffusione delle macchine elettriche nell'industria, nei trasporti e nell'uso domestico potrebbe essere suddivisa in due tipologie: • Elettrificazione, cioè il passaggio da tecnologie tradizionali basate su fonti non rinnovabili, a sistemi ibridi o completamente elettrici (full electric); • Passaggio da macchine elettriche basate su vecchie tecnologie poco efficienti a macchine elettriche più efficienti. Il processo di elettrificazione trova il suo massimo esponente nell'industria dell’automotive assieme agli altri settori dei trasporti e.g. ferroviario, aeronautico, etc. Circa il 50% dell’energia elettrica mondiale è convertita da motori elettrici, di cui circa l’80% sono basati su vecchie tecnologie affidabili, ma meno efficienti. Sotto la spinta delle normative internazionali e delle direttive europee molte aziende stanno sostituendo di questi motori con altri più efficienti o che presentano vantaggi dal punto di vista del controllo. Il contributo sviluppato in questa tesi di ricerca è focalizzato nel definire metodi di design delle macchine elettriche sincrone con l’obiettivo di migliorarne prestazioni, affidabilità e robustezza al guasto. A tal scopo il lavoro di tesi si è concentrato su alcuni aspetti fondamentali. Il primo è stato lo studio di metodi di ottimizzazione del design della macchina comprensivi dei tipici difetti di produzione anche in condizioni di macchina sana. Lo scopo è stato studiare gli effetti sulle performance, per migliorare affidabilità e robustezza alle imperfezioni. A questo, è seguita una ricerca sulla demagnetizzazione delle macchine a magneti permanenti superficiali con particolare attenzione alle correnti parassite nei magneti. Il risultato dell’attività è un nuovo design del rotore a magneti permanenti interni di cui sono stati realizzati e testati alcuni prototipi. L’ultimo tema ha riguardato la capacità di resistenza al guasto di una macchina sincrona a riluttanza pura avente due avvolgimenti trifase indipendenti alimentanti da due inverter. La geometria della macchina è stata ottimizzata rispetto a condizioni ottimali e di guasto; la geometria con prestazioni al guasto migliori è stata scelta per analizzarne le prestazioni rispetto diversi parametri sia in condizioni ottimali che di guasto di uno dei due avvolgimenti.The interest in permanent-magnets or pure reluctance synchronous machines has increased rapidly in the last years. This trend is a combination of factors: the technological progress and a closer attention to environmental issues to reduce greenhouse gas emissions and to support a green economy. The diffusion of electrical machines in the industrial industry, transports and household appliances could be split in two types: • Electrification, that means chancing the technologies relying on non-renewable sources with hybrid or full electric systems; • The transition from electrical machines based on traditional technologies, but less efficient, to more efficient electrical machines. The automotive is major industry of the electrification process followed to the other transportation industries e.g. railways, aircraft, etc. The 50% of global electric energy is converted in electric motor of which the 80% relies on traditional technologies. These motors are reliable, but less efficient. As a consequence, many companies are adopting more efficient motors or more convenient ones from a control point of view under the pressure of International Standards and European Directives. The contribution of this thesis is developing design methods of synchronous electrical machines with the aim to improve their performance, reliability and fault-tolerant capability. For that purpose, the research activity has focused on some fundamental issues. The first topic is the study of optimization machine design methods inclusive of typical manufacturing defects even in healthy machine conditions. The aim is analyzing the defect influence on performance and improving machine reliability and robustness. After this study, it is followed a research on the demagnetization issue of surface permanent-magnet machines with a special consideration of magnets eddy currents. The activity result is a new design of internal permanent-magnet rotor which has prototyped and tested. The last topic is a study of fault-tolerant capability of a pure reluctance synchronous machine with two independent three-phase windings fed by two inverters. The machine geometry has optimized according to both optimal and fault conditions; the design with the best performance in fault conditions has been chosen and it has been analyzed with respect to different parameters in healthy condition and with one faulty winding