In seguito alle analisi condotte sulle due strutture a confronto, sono fissate le caratteristiche elettriche e le prestazioni meccaniche corrispondenti. La descrizione dei motori è stata completata con il calcolo delle principali perdite connesse al reale funzionamento di una macchina elettrica e così dell’efficienza. In Tabella 4.5 sono
Analisi motori
racchiusi i dati nominali delle macchine e le voci di perdita relative al funzionamento continuativo e in sovraccarico.
I due motori a parità di potenza meccanica erogata presentano la stessa efficienza per entrambi i punti di lavoro osservati. La tensione di fase è equivalente per i due modelli, mentre l’ampiezza di corrente e il fattore di potenza differiscono. Per gli stessi valori di rendimento e tensione, un’ampiezza di corrente più bassa per il motore AVALON-def1 si riflette in un fattore di potenza più alto rispetto al secondo modello.
Viceversa il motore AVALON-def2 presenta delle perdite nel rame maggiori perché assorbe più corrente. Comunque a fronte dell’elevata potenza nominale questa differenza di perdite non si traduce in una differenza di rendimento. Anche le perdite nel ferro per il secondo modello sono più alte rispetto al primo perché ha una lunghezza longitudinale maggiore e perciò più materiale ferromagnetico.
Tra i due motori come anticipato nel capitolo precedente è preferibile il modello AVALON-def1. In primo luogo presenta una densità di coppia più alta e un’oscilla-zione picco-picco inferiore. Soprattutto l’ondulaun’oscilla-zione di coppia si mantiene costante anche per un valore di coppia in sovraccarico, anzichè peggiorare come nel caso del modello def2. Inoltre la geometria Spoke rotor, a causa dei magneti isolati e non più uniti in uno strato, è in genere più affetta da fenomeni di dispersione di flusso magnetico, i quali possono riflettersi in un abbassamento di coppia.
Tabella 4.5: Caratteristiche progetti AVALON-def1 e AVALON-def2
Grandezza Simbolo def1 def2
Nom. Sovra. Nom. Sovra.
Coppia (Nm) T 145 194 145 194
Corrente di fase (A) I 250 335 265 360
Tensione di fase (V ) Vf 285 300 280 295
Fattore di potenza IP F 0,88 0,83 0,83 0,80
Efficienza η 0,96 0,95 0,96 0,95
Perdite Joule (W ) PJ oule 2750 4970 3020 5440
Perdite nel ferro (W ) PF e 750 840 850 930
Ondulazione di coppia (Nm) ∆Tpkpk 18 24 31 46
Capitolo 5
Analisi termiche
Per concludere il progetto bisogna condurre le valutazioni termiche. La tempe-ratura è una variabile importante del funzionamento del motore ed è per questo che non può essere trascurata durante la fase progettuale. Ogni componente del modello e del sistema di raffreddamento è caratterizzato da una propria condizione termica e le analisi hanno l’obiettivo di determinare lo stato del sistema e quindi di ciascuna parte della struttura.
In questo capitolo si pone l’attenzione su due componenti del motore: l’avvol-gimento e il magnete. La temperatura come è stato già evidenziato nel corso del progetto influenza le caratteristiche elettriche e meccaniche dei due elementi e per questa ragione, SyR-e richiede che sia scelta una temperatura target per i rispettivi materiali. Tramite i test termici si può verificare le temperature effettive raggiunte rispettivamente dall’avvolgimento e dai magneti.
La temperatura condiziona anche l’affidabilità del motore. Il corretto funziona-mento della macchina dipende dall’integrità dell’isolafunziona-mento elettrico dei conduttori, ed è proprio l’isolante ad essere molto sensibile alle escursioni termiche. Gli isola-menti elettrici sono classificati in funzione della loro tolleranza alla temperatura. In questo progetto si utilizza un isolamento di classe H, il quale ha un limite massimo di temperatura uguale a 180◦C.
Si deve verificare la temperatura raggiunta dall’avvolgimento in condizioni no-minali, ma anche in seguito al sovraccarico. Per ammettere un’alta affidabilità del motore, ossia la più bassa probabilità di guasto e la più lunga durata di vita del componente, non si dovrebbe verificare una temperatura massima più alta di quella limite.
Le analisi termiche sono eseguite mediante Motor-CAD, un programma commer-ciale che include oltre al modulo dedicato al progetto elettromagnetico di macchine elettriche anche un modulo termico dedicato al sistema di raffreddamento. La possibilità all’interno dello stesso programma di poter progettare sia il modello elet-tromagnetico che quello termico è la risposta all’esigenza diffusa di dover considerare gli aspetti termici già durante le prime fasi progettuali.
Analisi termiche
5.1 Caratteristiche del sistema di raffreddamento
Per ciascun motore sotto test si esporta il modello da SyR-e nel secondo pro-gramma e si procede nel disegnare il sistema di raffreddamento le cui caratteristiche sono in Tabella 5.1.
É prevista una giacca di raffreddamento a spirale con fluido refrigerante composto da acqua ed etilene, la portata scelta è di 15 l/min. Si prevede una temperatura del fluido in ingresso di 85◦C e un temperatura ambiente di 25◦C. Si utilizza tutto lo spazio disponibile in senso radiale, assegnando una diametro esterno dell’housing di 210 mm. La giacca di raffreddamento copre non solo le parti attive, ma anche le testate, che inoltre sono avvolte da una resina che favorisce la trasmissione di calore. Il sistema di raffreddamento è uguale per tutti i motori che si analizza in seguito. La geometria assiale completa del sistema di raffreddamento del progetto AVALON-def1 è in Figura 5.1.
Una volta definita la struttura del motore completa del sistema di raffreddamento il programma Motor-CAD associa ad essa un modello termico 3D a parametri concentrati. Ogni componente della macchina corrisponde ad una resistenza e una capacità termica, e le perdite equivalgono a generatori di corrente. Risolvendo il circuito termico equivalente si stimano le temperature di ogni parte della struttura per una condizione di regime o per un transitorio.
Tabella 5.1: Principali caratteristiche del sistema di raffreddamento
Grandezza Unità Valore
Housing Giacca a spirale
Diametro esterno housing mm 210
Temperatura ambiente ◦C 25
Portata del fluido l/min 15
Temperatura di ingresso ◦C 85
Proprietà del fluido Acqua,Etilene 50/50