Adesso andiamo ad alimentare le sei fasi con una corrente sinusoidale avente valor max =6.2A(10A/mm2), ed a diminuire lo spessore del traferro portandolo a 0.3[mm].Quindi
aumentare la corrente ci permette di sviluppare una coppia maggiore dato che il valore di quest’ultima è direttamente proporzione al valore della corrente di alimentazione.
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Diminuire il traferro ci consente di aumentare l’induzione al traferro e quindi di aumentare il valore della coppia sviluppabile.
Funzionamento a vuoto - Rilievo dell’induzione al traferro
Figura 6.6 Distribuzione dell'induzione durante il funzionamento a vuoto
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Funzionamento a carico
Grazie alle modifiche apportate si arriva a poter sviluppare in questa configurazione una coppia max di Chc=0,5[Nm].
Figura 6.8 Andamento della coppia al variare della posizione del rotore
Risultato
Il motore presenta le seguenti caratteristiche:
Caratteristiche e prestazioni motore
lunghezza del motore (L) 28,5 mm
Diametro esterno motore (De) 41,8 mm
Coppia sviluppata in condizioni ordinarie (Chc) 0,5 Nm
Coppia sviluppata in condizioni di guasto (Cfc) 0,26 Nm
peso motore 232 g
tipo di avvolgimento Single layer
numero fasi 6
Il fatto che possa sviluppare una coppia superiore a quella richiesta ci permette anche la diminuzione della lunghezza della macchina di un fattore:
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Ottenendo una lunghezza pari a :
Questo ci permette di alleggerire il motore portandolo a sviluppare la coppia richiesta da progetto, ottenendo una macchina con le seguenti caratteristiche:
Caratteristiche e prestazioni motore
lunghezza del motore (L) 13,1 mm
Diametro esterno motore (De) 41,8 mm
tipo di avvolgimento Single layer
numero fasi 6
Coppia sviluppata in condizioni ordinarie (Chc) 0,23 Nm
Coppia sviluppata in condizioni di guasto (Cfc) 0,115 Nm
Peso motore 114,5 g
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Dettagli peso motore
Caratteristiche magneti lunghezza 10,1 mm spessore 2,1 mm lunghezza motore 13,1 m densità specifica 7500 kg/m3 numero magneti 10 Peso magneti 20,8 g caratteristiche macchina
Diametro esterno rotore (Dre) 41,8 mm
Diametro interno giogo di rotore (Dri) 39,2 mm
Diametro statore esterno (Dse) 34,3 mm
Diametro esterno giogo statore(Dgs) 20,3 mm
Diametro interno giogo statore(Dfa) 15,5 mm
spessore giogo rotore (hry) 1,3 mm
Peso giogo rotore 16 g
Densità specifica 7650 Kg/m3
altezza denti 6,5 mm
larghezza denti 4,7 m
Peso denti 36,1 g
numero denti 12
Peso giogo statore 13,5 g
caratteristiche avvolgimenti
lunghezza singola fase 1,2 m
numero fasi 6
Densità specifica 8890 kg/m3
lunghezza slot pitch 8,2 m
Peso conduttori 28,1 g
numero spire 22
lunghezza totale fasi 7,3 m
Ac_u 0,43 m2
Quindi la massa totale è pari a :
Mtot=Peso_cond.+Peso_giogo-st.+Peso_denti+Peso_giogorot.+Peso_magneti=114,5 [gr]
Con le modifiche apportate in quest’ultima fase siamo riuscite ad alleggerire il motore portandolo a valori ammissibile per applicarlo a sistemi APR.
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7 Configurazione 12 slot 8 poli
In questa ultima parte vogliamo sottolineare come la coppia di cogging varia a seconda della configurazione che si utilizza. Questo tipo di configurazione infatti fa si che diminuisca la periodicità della coppia in uno slot pitch dato dalla formula:
Diminuendo la periodicità aumenta il valore di picco della coppia di cogging.
Quindi, quello che faremo è prendere una configurazione delle macchine presentate precedentemente, lasciarne inalterate le dimensioni e cambiare solo il numero di poli passando a una macchina a 8 poli. Dalle simulazioni metteremo in risalto l’aumento della coppia di cogging.
7.1 Disposizione magneti con fattore di intensificazione 1
Si realizza un modello con 8 poli e 12 cave le cui immagini sono riportate di seguito.
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Figura 7.2 statore
Funzionamento a vuoto - Rilievo della coppia di cogging
Si può vedere che portando la macchina a 8 poli la coppia di cogging raggiunge valore proibiti fino a 0,35 [Nm], contribuendo ad un oscillazione di coppia che porterebbe al malfunzionamento del motore. Chiaramente poi con lo skewing e i notches nei denti si può portare ad annullare questo fenomeno.
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Conclusioni
Questo elaborato si proponeva di realizzare una macchina PMSM con avvolgimenti a cave frazionarie avente requisiti fault-tolerant. Il lavoro ha mostrato che il prototipo di motore realizzato costituito da avvolgimenti a singolo strato e sei fasi permette di prevenire i guasti fase-fase e di continuare a fornire una coppia tale da soddisfare le specifiche di carico anche quando avviene l’apertura di uno dei due avvolgimenti trifase. Infatti dalle simulazioni si è visto che alimentando con la stessa corrente un solo avvolgimento trifase, il motore riesce a fornire una coppia che è all’incirca la metà di quella fornita a pieno carico. Per quanto riguarda il problema della coppia di cogging è stato limitato realizzando degli intagli nei denti, ovvero i cosiddetti “notches” che permettono di ridurre il ripple di coppia.
Le varie tipologie di motore realizzate che sviluppano la coppia di progetto di 0,23[Nm] possono essere riassunte nella seguente tabella:
caratteristiche
Tipologia macchina realizzata
CΦ=0,85 CΦ=1 Halbach halbach plastico Halbach g ridotto g[mm] 0,5 0,5 0,5 0,5 0,3 In_max[A] 5 5 5 5 6,2 L'[mm] 20,1 19,6 18,7 22,4 13,1 De[mm] 41,8 41,8 41,8 41,8 41,8 M_magneti[g] 27,3 31,2 29,7 35,6 20,8 M_giogo rotore[g] 46,1 44,9 22,9 3,5 16 M_denti[g] 48 46,8 51,6 61,8 36,1 M_giogo statore[g] 20,6 20 19,3 24,5 13,5 M_rame[g] 35,1 34,6 33,7 37,5 28,1 M_totale[g] 177,1 177,5 157,2 162,9 114,5
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Come vediamo dalla tabella una cosa importante che è stata presa in considerazione è il peso del motore. Infatti i PMSM per essere applicati sui droni devono essere leggeri in modo da conferire una maggiore dinamicità. Nell’ultima tipologia di motore presentata per alleggerire il motore abbiamo aumentato la corrente di alimentazione portando la densità di corrente a 10[A/mm2] ed effettuato diminuzione dello spessore di traferro portandolo a 0,3[mm]; per rendere visibili le caratteristiche di questo motore è stata infine realizzata una stampa 3D del modello.
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A Halbach array
Halbach array è una disposizione dei magneti che rinforza il campo in una parte della macchina e lo indebolisce nell’altra parte.
La Figura A.1 raffigura la disposizione classica dei magneti e quella halbach array. Figura A.1 b mostra che l’halbach array può essere visto come combinazione di due coppie di magneti: una dove si alterna la magnetizzazione esterna-interna e l’altra dove si alterna una magnetizzazione destra-sinistra. La sovrapposizione della distribuzione di campo data dalla coppia dei due magneti da la distribuzione di campo halbach.
La disposizione halbach da i seguenti benefici:
L’ampiezza della fondamentale del flusso incrementa con un fattore che dipende dalla larghezza dei magneti. Quindi la coppia è incrementata dello stesso fattore[20] da per una classica macchina trifase, un incremento della fondamentale dell‘ 11% con un rapporto larghezza/altezza pari ad 1/2;
La densità di flusso si indebolisce nel giogo di rotore. Questo permette di decrementare lo spessore del giogo di rotore diminuendo la massa e quindi l’inerzia.
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La disposizione halbach necessita sempre più di due magneti per paia di poli. La struttura mostrata in figura A.1 contiene 4 magneti. Si possono realizzare strutture più complesse con più di 4 magneti. In fig. A.2 da 4 a 10 magneti per paia di poli. La magnetizzazione è shiftata di 2π/a radianti tra ogni magnete dove a è il numero di magneti per paia di poli.
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