I
Ringraziamenti
Desidero innanzitutto ringraziare il Professor Ottorino Bruno per l’incoraggiamento e la fiducia dimostrata nei miei confronti concedendomi la possibilità di svolgere la tesi presso il Dipartimento di Sistemi Elettrici e Automazione.
Ringrazio il Professor Luca Sani per l’aiuto e la disponibilità dimostratemi durante tutta la realizzazione di questo lavoro.
Un ringraziamento particolare anche al Professor Paolo Bolognesi per il prezioso aiuto ed il supporto che mi ha costantemente offerto.
Desidero ringraziare inoltre tutta la mia famiglia, mia sorella Agnese, i mie genitori grazie ai quali sono potuta arrivare a questo traguardo. Grazie per la comprensione, l’aiuto e l’affetto che mi avete dimostrato quotidianamente in tutti questi anni.
II
Indice
Introduzione ... 7
1.1 Panoramica sui motori Brushless ... 7
1.2 Motori Brushless a flusso assiale ... 9
Capitolo 1
Dimensionamento teorico ... 12
1.1 Variabili di progetto ... 12
1.2 Parametri geometrici ... 13
1.3 Determinazione della coppia ... 14
1.4 Determinazione della forza elettromotrice indotta e della potenza ... 21
1.5 Dimensionamento del circuito magnetico ... 23
1.5.1 Disposizione dei magneti ... 23
1.5.2 I parametri fisici ... 25
1.5.3 Circuito magnetico equivalente ... 27
1.6 Dimensionamento del dente e della cava ... 33
1.7 Dimensionamento del giogo ferromagnetico di rotore e statore ... 40
1.8 Valutazione della reazione di armatura ... 44
1.9 Reattanza di dispersione... 46
1.10 Determinazione delle perdite ... 49
1.11 Determinazione delle forze agenti sulla macchina ... 55
Capitolo 2
Caso studio ... 57
2.1 Macchina di sollevamento ... 58
2.2 Parametri di progetto ... 60
III
Capitolo 3
Dimensionamento di massima ... 65
3.1 Ipotesi e criteri di dimensionamento ... 65
3.2 Tensione e frequenza di alimentazione ... 66
3.3 Parametri geometrici ... 68
3.4 Algoritmo di dimensionamento ... 70
3.5 Dimensionamento dei magneti permanenti ... 70
3.6 Determinazione delle dimensioni principali del motore ... 75
3.7 Avvolgimenti statorici ... 76
3.8 Dimensionamento del giogo ferromagnetico di statore e rotore ... 79
3.9 Dimensionamento dei denti e delle cave ... 80
3.10 Disposizione degli avvolgimenti ... 84
3.11 Verifica della reazione di armatura ... 87
3.12 Volume e peso dei magneti ... 87
3.13 Massa del rame... 88
3.14 Dimensioni globali del motore ... 90
3.15 Parametri elettrici della macchina ... 91
3.16 Determinazione delle perdite e del rendimento ... 93
3.17 Valutazione delle forze di attrazione assiale ... 94
Capitolo 4
Modello ad elementi finiti ... 96
4.1 Metodo degli elementi finiti ... 96
4.2 Analisi ad elementi finiti ... 101
4.3 Costruzione del modello e generazione dei componenti ... 101
4.4 Definizione dei materiali ... 112
4.5 Generazione ed affinamento della mesh ... 115
4.6 Analisi del funzionamento a vuoto 3D ... 122
4.7 Analisi del funzionamento a carico 3D ... 129
IV
Conclusioni ... 140
Appendici ... 142
Appendice A - Lista dei simboli - ... 142
Appendice B ... 146
V
Abstract
The availability of new and less expensive rare-earth permanent magnet materials and progress in power and digital electronic have played an important role in the development of permanent magnet brushless machines.
The axial flux permanent magnet (AFPM) motor, also called disc-type machine, is an attractive alternative to the cylindrical radial flux motor due to the compact construction and high torque density.
The target of the present thesis is the design of a surface-mounted axial-flux permanent magnet machine for hoist application. Conventional servo systems always include a mechanical transmission component (gearbox) that limits the performances and the reliability. Due the high torque at low speed of an AFPM a direct drive system may be considered. Connecting the electrical motor to the device without a gearbox reduces the maintenance costs, weight, space requirements and improves the reliability of the system.
The work is organized as following. The first part consists of an analytical study of the motor under examination. Considerable attention is given to the magnetic circuit, windings, torque production, losses and performance characteristics of AFPM machines. The second part includes a complex and time consuming Finite Element Method (FEM) analysis. This tool allows the modeling of complicated geometries in 2D and 3D, non-linearities of materials and give accurate results without standing on many restricting assumptions as the analytical approach does. A three and two dimensional FEM analysis are performed to calculate the magnetic field, induced electro-magnetic-force and torque.
VI
Sommario
La disponibilità di nuovi materiali magnetici ad elevate prestazioni ed a costi sempre più bassi e lo sviluppo recente dell’elettronica digitale e di potenza hanno contribuito alla diffusione delle macchine Brushless a magneti permanenti.
I motori Brushless a flusso assiale, chiamati anche motori a disco, rappresentano un’interessante alternativa ai motori cilindrici a flusso radiale per la loro forma compatta ed elevata densità di coppia.
L’obiettivo del seguente lavoro è quello di sviluppare il progetto di una macchina elettrica a flusso assiale a montaggio dei magneti superficiale per un impianto di sollevamento. I servo sistemi convenzionali includono sempre un organo meccanico di trasmissione (riduttore di velocità) che limita le performance e l’affidabilità del sistema. Una macchina elettrica a flusso assiale, considerata l’elevata coppia e la bassa velocità, rende possibile considerare l’alternativa di un sistema direct drive. La possibilità di eliminare il riduttore di velocità consente di ridurre i costi di manutenzione, l’ingombro, il peso e di migliorare l’affidabilità del sistema.
Il lavoro comprende essenzialmente due parti; la prima prevede un dimensionamento analitico della macchina. Particolare attenzione viene posta al dimensionamento del circuito magnetico, degli avvolgimenti, alla determinazione della coppia, delle perdite e del rendimento della macchina.
La seconda parte comprende un’accurata analisi agli elementi finiti; questa consente di modellare geometrie complesse bidimensionali e tridimensionali, di valutare l’effetto delle non linearità dei materiali e permette di verificare tutte le ipotesi utilizzate nel dimensionamento teorico eseguito. Un’analisi agli elementi finiti tridimensionale e bidimensionale è stata eseguita per valutare i valori di induzione, le forze elettromotrici indotte e la coppia.
