Una simulazione dinamica 2D permette di conoscere il comportamento nel tempo del motore LSPM progettato e di verificare, quindi, la sua capacità di avviarsi autonomamente collegandosi direttamente alla rete, senza la necessità di un inverter, ma anche l’ aggancio del sincronismo a regime.
La simulazione viene impostata per un tempo che va da 0 ms a 100 ms con passo di 0.2 ms.
La seguente figura rappresenta le tensioni ai capi dell’ avvolgimento principale e dell’ avvolgimento ausiliario.
Le curve delle tensioni di alimentazione degli avvolgimenti sono sempre delle sinusoidi sfasate nel tempo di 90° e con ampiezza pari a 325 V.
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Fig. 51 Tensioni ai capi degli avvolgimenti
La seguente figura mostra la posizione angolare nel tempo del rotore del modello analizzato.
Da questo grafico si può affermare che il motore LSPM si mette in rotazione tramite il solo collegamento alla rete, senza la necessità di un inverter.
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In seguito, si determina l’ andamento nel tempo della velocità del rotore e viene rappresentato nella seguente figura.
Fig. 53 Velocità angolare del rotore
Alimentando quindi gli avvolgimenti statorici alla tensione nominale, il modello analizzato si mette in rotazione ed arriva a velocità di regime dopo circa 70 ms.
La velocità a regime del motore LSPM è pari a 3000 rpm (18000 deg/s): è stata verificata, quindi, la capacità del modello di agganciare il sincronismo grazie al contributo dei magneti permanenti.
La seguente figura mostra invece la corrente assorbita nel tempo dai conduttori della gabbia rotorica: nel grafico sono visualizzati gli andamenti della corrente assorbita da due conduttori della gabbia.
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Fig. 54 Corrente assorbita dalla gabbia rotorica
Da questo grafico è possibile dedurre che il motore LSPM in fase di avviamento si comporta come un motore asincrono poiché i conduttori della gabbia rotorica assorbono una corrente abbastanza elevata.
A regime, invece, la macchina si comporta come un motore Brushless poiché la corrente assorbita dai conduttori della gabbia tende ad annullarsi e si raggiunge la velocità di sincronismo grazie all’ azione dei magneti permanenti all’ interno del rotore.
Infine, si determina l’ andamento della coppia elettromagnetica nel tempo e viene rappresentato nella seguente figura: il suo valore a regime è uguale a circa 1.95 Nm.
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Fig. 55 Coppia elettromagnetica
9.3 Conclusioni.
Partendo dall’ algoritmo di dimensionamento di un motore Brushless monofase a magneti superficiali, è riuscito l’ intento di ricavare un modello di motore monofase LSPM che mantenga gli stessi parametri geometrici ed eroghi la stessa coppia elettromagnetica.
I motori LSPM, rispetto ai motori Brushless dimensionati, mantengono la stessa struttura dello statore mentre il rotore viene modificato collocando i magneti permanenti all’ interno ed inserendo la gabbia.
Una volta implementato su MagNet un modello di motore LSPM che possa erogare una coppia pari a quella nominale (Cn) ricavata in fase di dimensionamento per il motore a magneti superficiali, attraverso delle simulazioni dinamiche, è stato possibile verificare il buon funzionamento della gabbia rotorica e dei magneti interni. In conclusione, si può affermare che queste nuove tipologie di motori, grazie alla presenza della gabbia rotorica tipica dei motori asincroni, riescono ad avviarsi autonomamente collegandosi direttamente alla rete, senza la necessità di un inverter; a regime, invece, raggiungono la velocità di sincronismo, grazie all’ azione dei magneti, e riescono a mantenere l’ elevata efficienza tipica dei motori Brushless.
78 10. LISTA DEI SIMBOLI.
f Frequenza
p Numero di poli
ωs Velocità di sincronismo ωm Velocità meccanica
s Scorrimento della macchina fMP Frequenza dell’ armonica
J Momento d’ inerzia della macchina Ca Coppia asincrona
CMP Coppia frenante Cres Coppia resistente Cpuls Coppia pulsante Pn Potenza nominale Vn Tensione nominale
L Lunghezza del motore
lg Spessore del traferro
dst Diametro interno dello statore nc Numero di cave
dr Diametro del rotore ωn Velocità nominale Cn Coppia nominale In Corrente nominale
η Rendimento del motore
cosϕ Fattore di potenza
Bg Induzione magnetica nel traferro Фpolo Flusso magnetico del polo
Wdc Distanza dente-cava k Fattore di avvolgimento
kwm Fattore dell’ avvolgimento principale kwa Fattore dell’ avvolgimento ausiliario
E Forza elettromotrice per coppia polare del motore Tm Numero di spire per coppia polare dell’ avvolgimento
principale
Tm’ Numero di conduttori per cava dell’ avvolgimento principale
navv Numero di avvolgimenti
δ Densità di corrente ammissibile dal conduttore
Sm Superficie dei conduttori dell’ avvolgimento principale dm Diametro dei conduttori dell’ avvolgimento principale
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Ta’ Numero di conduttori per cava dell’ avvolgimento ausiliario
Ia Corrente dell’ avvolgimento ausiliario
Sa Superficie dei conduttori dell’ avvolgimento ausiliario da Diametro dei conduttori dell’ avvolgimento ausiliario Cm Capacità del condensatore dell’ avvolgimento principale Rm Resistenza dell’ avvolgimento principale
Lavv Lunghezza dell’ avvolgimento τ Distanza tra i poli
Ra Resistenza dell’ avvolgimento ausiliario σ Conducibilità elettrica
Ta Numero di spire per coppia polare dell’ avvolgimento ausiliario
Bm Induzione magnetica nel magnete permanente Ag Superficie del traferro
ki Fattore di perdita dei magneti permanenti Am Superficie dei magneti permanenti
Hg Campo magnetico nel traferro μ0 Permeabilità assoluta
lmp Spessore dei magneti permanenti kr Fattore di riluttanza
Hm Campo magnetico nel magnete permanente
μr Permeabilità relativa
Br Induzione magnetica residua Hc Campo magnetico coercitivo
Bsat Induzione magnetica di saturazione Sdente Superficie dei denti
Фdente Flusso magnetico nel dente ddente Larghezza del dente
dcava Larghezza della cava
kriemp Fattore di riempimento della cava Scava Superficie della cava
hcava Altezza della cava
Sgs Superficie del giogo di statore hgs Altezza del giogo di statore dstatore Diametro esterno dello statore dalbero Diametro dell’ albero
β Angolo tra asse magnetico dei MP ed asse magnetico dell’ avvolgimento principale
80 11. BIBLIOGRAFIA.
1. Sun-Hyo Kwon, Chul-Kyu Lee, Byung-Il Kwon. Design of Single-Phase Line-Start Permanent Magnet Motor using Equivalent Circuit Method. Journal of Electrical Engineering & Technology, Vol. 1, No. 4, pp. 490-495, 2006.
2. Virajit A. Gundale, Mangesh S. Kulkarni. A practical approach to the design and implemetation of a water cooled single phase submersible motor. International Journal of Engineering Research and Applications (IJERA), Vol. 2, Issue 1, Jan-Feb 2012, pp. 299-304.
3. Maciej Gwoździewicz, Jan Zawilak. Single-Phase Line Start Permanent Magnet Synchronous Motor. Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 93/2011. 4. Dae-Sung Jung, Seung-Bin Lim, Jin-Hun Lee, Sang-Hoon Lee, Hyung-Bin
Lim,Youn-Hyun Kim, Ju Lee. A Study on the Design and the Characteristics in Single-phase Line-start Permanent Magnet Motor. Proceeding of International Conference on Electrical Machines and Systems 2007, Oct. 8-11, Seoul, Korea. 5. Mircea Popescu, Member, T. J. E. Miller, Fellow, Malcolm I. McGilp, Giovanni
Strappazzon, Nicola Trivillin, Roberto Santarossa. Line-Start Permanent-Magnet Motor: Single-Phase Starting Performance Analysis. IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 39, No. 4, July/August 2003.
6. B. Kim, B. Kwon, T.A. Lipo, D. Kim. Optimal Skew Angle for Improving of Start- Up Performance of a Single-Phase Line-Start Permanent Magnet Motor. Research Report 2008-32.
81 12. RINGRAZIAMENTI.
Vorrei ringraziare innanzitutto il prof. Luca Sani, relatore di questa tesi di laurea, per la disponibilità e la precisione dimostratemi durante tutto il periodo di stesura.
Vorrei ringraziare anche tutti i professori del mio Corso di Laurea, i quali, grazie agli insegnamenti ed ai consigli di questi lunghi anni, hanno contribuito alla mia formazione sia a livello accademico sia a livello personale.
Un ringraziamento speciale va alla mia famiglia, in particolare a mia madre e mio padre: è grazie al loro sostegno e al loro incoraggiamento se oggi sono riuscito a raggiungere questo importante traguardo della mia vita.
È a voi che voglio dedicare il percorso appena concluso e spero che la gioia di questo giorno possa ripagare gli enormi sacrifici che continuate a fare per me.
Ringrazio, infine, tutti i miei amici che hanno sempre avuto fiducia in me e che mi sono rimasti vicini sia nei momenti belli, in cui si scherzava e ci si divertiva, sia in quelli più brutti, dove ci facevamo forza a vicenda.
Le giornate passate insieme a voi saranno per sempre una parte di me perché mi avete sempre apprezzato per quello che sono e fatto sentire come in una seconda famiglia. Oggi si chiude un ciclo, ma inizia una nuova vita che mi porterà direttamente nel mondo del lavoro.
Questi sei anni intensi vissuti con amici, colleghi, professori e familiari mi hanno aiutato a crescere e, soprattutto, ad essere pronto ad affrontare qualsiasi cosa il futuro mi preserverà.
Condividere con tutti voi questo evento così speciale mi rende molto felice e spero siate sempre orgogliosi di me: GRAZIE A TUTTI!