La struttura YASA

Nel paragrafo precedente sono stati messi in evidenza i punti di forza e di debolezza delle due strutture TORUS. In particolare, la struttura TORUS NN ore il grande vantaggio di una facile sistemazione degli avvolgimenti, mentre la TORUN NS rende superuo l'utilizzo del giogo statorico. È possibile modicare ulteriormente la struttura di macchina per rendere entrambi questi aspetti positivi contemporaneamente accessibili. Ciò che si ottiene è noto con l'acronimo YASA (Yokeless And Segmented Armature) [4][5][7].

CAPITOLO 1 Le macchine a usso assiale

Figura 1.16 Macchina YASA

Prendendo come riferimento la struttura TORUS NS, la struttura YASA può essere ottenuta da questa apportando le seguenti modiche:

ˆ Rimozione del giogo statorico. Questa operazione è lecita in quanto il giogo statorico non ha alcun ruolo magnetico. Così facendo sia il legame ma- gnetico che quello meccanico fra i denti cessa di esistere ed il risultato è uno statore composto da una successione di segmenti separati ed indipendenti, come mostrato in Figura 1.16 [4][5][7].

ˆ Riduzione del numero di cave per polo fase. L'obiettivo è far sì che il passo di cava (slot pitch) si avvicini il più possibile al passo polare (pole pitch). Per ottenere questo risultato è conveniente sfruttare avvolgi- menti concentrati a cave frazionarie (Fractional Slot Concentrated Windings FSCW ) piuttosto che avvolgimenti distribuiti [4].

ˆ Ingrandimento della supercie dei denti. Operazione nalizzata a ren- dere paragonabile l'estensione in direzione circonferenziale dei denti e dei magneti [7].

CAPITOLO 1 Le macchine a usso assiale ˆ Utilizzo di avvolgimenti concentrati a doppio strato. In questo modo ogni singolo dente che costituisce il nucleo statorico viene avvolto da un avvolgimento

ˆ Unione dei denti e degli avvolgimenti con un forte agente legante. Dato che il nucleo statorico si compone di elementi modulari indipendenti, per renderlo un'entità unica in grado di contrastare la forte interazione as- siale fra i rotori e lo statore è necessario ricorrere ad una soluzione che li unisca meccanicamente, ma non magneticamente né elettricamente. Tale so- luzione si traduce nell'immersione della struttura statorica o di parti di essa in materiali sintetici altamente resistenti o nell'utilizzo di supporti in resina epossidica per collegare fra loro i vari elementi [4][7].

CAPITOLO 1 Le macchine a usso assiale

Figura 1.17 Macchina YASA. Pagina precedente: vista esplosa. Pagina corrente: vista laterale

La struttura così ottenuta ore i seguenti vantaggi:

ˆ Semplicazione della costruzione dello statore. La struttura statorica non si compone più di un'unica entità, ma di un insieme di segmenti sica- mente indipendenti. Il processo di laminazione diviene quindi assai più facile, permettendo così di superare uno dei principali fattori che hanno ostacolato la diusione delle macchine a usso assiale [5]. Alcune nozioni in merito saranno fornite a breve.

ˆ Riduzione della massa dello statore. Rispetto alla congurazione TO- RUS NN, l'eliminazione del giogo statorico comporta una riduzione di ma- teriale ferromagnetico pari a circa il 50%. Tale cambiamento implica anche una riduzione delle perdite nel ferro del 50%, una diminuzione del peso di macchina, e, quindi, un aumento della densità di potenza e

CAPITOLO 1 Le macchine a usso assiale del rendimento, tanto da rendere la struttura particolarmente indicata in applicazioni con veicoli elettrici [4][5][7].

ˆ Possibilità di utilizzo di conduttori a sezione rettangolare. Grazie alla facilità di installazione degli avvolgimenti, nonché alla lunghezza ridotta delle testate, è possibile sfruttare conduttori aventi sezione rettangolare, i quali consentono di raggiungere un elevato fattore di riempimento delle cave [4][5][7].

ˆ Installazione degli avvolgimenti precedente l'assemblaggio dello sta- tore. La struttura segmentata dello statore consente di avvolgere le spire di ogni bobina intorno ai denti prima che questi siano assemblati a formare lo statore, permettendo così una costruzione modulare. Ne consegue una sem- plicazione del processo di installazione degli avvolgimenti ed un maggiore fattore di riempimento delle cave [4][5].

ˆ Sostituzione rapida ed agevole di avvolgimenti danneggiati. Que- sta operazione è notevolmente semplicata dalla struttura modulare della macchina [5][8].

Si accenna brevemente ad alcune possibili soluzioni con cui realizzare i denti statorici.

CAPITOLO 1 Le macchine a usso assiale I denti che costituiscono lo statore tipicamente hanno sezione trapezoidale, come mostrato in Figura 1.18. Pertanto in linea teorica le dimensioni di ogni lamieri- no devono essere diverse, dato che la larghezza del dente varia con continuità da un valore minimo in corrispondenza del raggio interno ad uno massimo in corri- spondenza di quello esterno. Ciò rende la produzione dei lamierini complicata e dispendiosa [5][8]. Il problema può essere aggirato adottando alcune delle seguenti soluzioni:

ˆ Piegatura di un nastro magnetico

CAPITOLO 1 Le macchine a usso assiale ˆ Impiego di due/tre gruppi di lamierini di uguali dimensioni

Figura 1.20 Soluzione con lamierini. Sinistra: impiego di lamierini di dimensioni diverse. Centro: successione di gruppi di lamierini uguali. Destra: Successione e

sfalsamento di gruppi di lamierini uguali [8]

I gruppi di lamierini uguali possono succedersi l'un l'altro oppure essere sfal- sati, in modo da approssimare sempre meglio la sezione trapezoidale, come mostrato in Figura 1.20. Questa tecnica ha lo svantaggio di ridurre la sezione eettiva del dente, che pertanto deve essere sovradimensionata onde evitare il rischio di saturazione [5][8].

ˆ Lavorazione con macchina utensile di un pacco di lamierini. Solu- zione più economica ma nella quale è stato osservato un aumento del 10% delle perdite nel ferro a causa dei cortocircuiti che si creano fra i lamierini durante il processo di lavorazione [5].

ˆ Utilizzo dei soft magnetic composite (SMC). L'impego di questi mate- riali innovativi, costituiti da polveri magnetiche tenute insieme ed al contem- po isolate elettricamente da speciali resine, rende semplice la realizzazione di elementi magnetici complessi [4][8].

CAPITOLO 2 Dimensionamento del motore

Capitolo 2

Dimensionamento del motore

2.1 Speciche del motore

In Tabella 2.1 sono riportate le speciche del motore da dimensionare.

Parametro Simbolo Valore

Tipologia motore / Brushless

Architettura motore / YASA

Diametro esterno De 90, 00 mm

Traferro (singolo) g 0, 50 mm

Numero di fasi nf 3

Numero di cave QS 12

Numero di coppie polari p 5

Montaggio magneti / Superciale

Layout magneti / Halbach

Materiale magneti / N48, Ferrite/HP

Materiale conduttori / Rame

Materiale denti / Somaloy

Tipologia avvolgimento / Doppio strato

CAPITOLO 2 Dimensionamento del motore

Parametro Simbolo Valore

Induzione massima nel ferro Bmax 1, 40 T

Temperatura di lavoro θ 80◦C

Coppia nominale Tn 5, 00 N m

Velocità nominale Ωn 4500 rpm

Tensione nominale (concatenata) Vn 200, 00 VRM S

Densità di corrente massima Jmax 7, 50 ARM S/mm2

Rendimento η > 91%

Tabella 2.1 Speciche del motore