Progettazione di Macchine
a Magneti Permanenti Interni con SyR-e
Relatore: Prof. Gianmario Pellegrino Correlatore: Dr. Simone Ferrari
Candidato:
Gaetano Dilevrano
POLITECNICO DI TORINO
Dipartimento Energia "Galileo Ferraris"
Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettrica
Anno accademico: 2019/2020
Indice
➢ Obiettivo della tesi
➢ Procedura di progetto
➢ Presentazione del software SyR-e
➢ Progettazione del motore
➢ Verifica delle equazioni di progetto
➢ Conclusioni
Motore elettrico BMW i3
Obiettivo della tesi
➢Progettare una macchina a magneti interni (IPM) per la trazione elettrica
➢Il benchmark scelto è il motore dell’auto elettrica BMW i3
➢ Verificare che la procedura esistente di macchine PM-SyR, a due passi, produca una macchina IPM competitiva rispetto al benchmark
➢ Obiettivi di progetto futuri: migliorare la procedura esistente
SyR
PM-SyR
IPM Rotore BMW i3
Il benchmark: BWM i3
Auto elettrica BMW i3
Specifiche tecniche BMW i3 Performance BMW i3: (a) piano coppia-velocità (b) piano potenza-velocità
(a) (b)
SyR-e: ambiente di progetto
➢ Nato dalla collaborazione tra il PoliTO e il PoliBA
➢ Sviluppato in ambiente Matlab/Octave
➢ Consente il progetto di diversi tipi di motori sincroni
➢ Dispone di 2 interfacce grafiche
Interfaccia grafica principale di SyR-e Flowchart di scambio dati tra SyR-e e FEMM
Procedura di progetto attuale applicata a macchine IPM
➢ Nata per i motori sincroni a riluttanza assistiti a magneti (PM-SyR)
1. Progetto preliminare della macchina sincrona a riluttanza con equazioni e FEAfix
2. Progetto dei magneti permanenti
➢ Resta da verificare che sia competitiva per macchine IPM ad alta densità di coppia ed alto contenuto di magnete, come quella usata dal benchmark
SyR
PM-SyR
IPM
Progetto della macchina SyR preliminare
➢ SyrmDesign: rapida progettazione preliminare della macchina sincrona a riluttanza basata su equazioni di progetto
➢ FEAfix: correzione del modello precedente mediante selezionate simulazioni agli elementi finiti
Parametri di input
Output
Sotto-finestra per la progettazione preliminare di SyR-e
Piano di progettazione parametrica di coppia e fattore di potenza
Progettazione dei magneti: da SyR a PM-SyR
base base_syr
La macchina a riluttanza di partenza è stata progettata:
• Mantenendo invariato lo statore del benchmark
• Riprogettando il rotore, tenendo conto del numero e della posizione ottimale delle barriere
La macchina a magneti presenta:
• Coppia e potenza sensibilmente aumentati
• Zona a potenza costante
• Miglior fattore di potenza
Geometria delle macchine SyR e PM-SyR (a sinistra) e confronto delle loro performance in termini di coppia e potenza (a destra)
Progettazione del motore: varianti analizzate
thin ext
Specifiche delle macchine analizzate Geometria delle macchine thin ed ext (in basso) e confronto delle loro performance in termini di coppia e potenza (in alto)
Progettazione del motore: validazione strutturale
thin thinSW
➢ Analisi effettuate con il software Solidworks
➢ Coefficiente di sicurezza alla massima velocità del 15%
➢ Snervamento del lamierino magnetico di 440 MPa
Verifica strutturale della macchina thin e thinSW e confronto delle loro performance in termini di coppia e potenza
Progettazione del motore: voci di perdita e mappa di efficienza
➢ Perdite nel ferro
➢ Modello cava e perdite nel rame
➢ Mappe di efficienza
(a) Valutazione delle perdite nel ferro – (b) Modello cava e fattore di resistenza AC – (c) Mappa di efficienza
(a) (b) (c)
Progettazione del motore: validazione termica
➢ Analisi effettuate con il software Motor-CAD
➢ Sono state effettuate due simulazioni statiche
.
B
.
(a) Modello del motore in Motor-CAD – (b) Mappa di efficienza con i punti di lavoro analizzati per la validazione termica
Risultati delle simulazioni termiche
(a) (b)
A
Progettazione del motore: risultati
La macchina progettata con la procedura proposta è stata ritenuta valida utilizzando:
✓ Analisi elettromagnetiche
✓ Analisi meccaniche
✓ Analisi termiche
Di seguito viene analizzato il modello analitico utilizzato da SyR-e per il progetto preliminare, e valutato per questo tipo di macchine
Rotore BMW i3
Rotore thin
Verifica delle equazioni di progetto
Bfe = 1,85 T Bfe = 1,40 T
Solo asse d Punto nominale
Solo asse d Punto nominale
Conclusioni
✓ La procedura di progetto in due passi è risultata valida e competitiva allo stato dell’arte utilizzando la BMW i3 come benchmark
Alcuni dei possibili sviluppi futuri sono:
❖ correzione del modello analitico della macchina a riluttanza per tener conto del flusso in asse q
❖ estendere SyrmDesign alla progettazione preliminare di macchine PM-SyR
❖ ottimizzare lo spessore delle guide di flusso in relazione alla quantità di magnete presente
GRAZIE PER L’ATTENZIONE!
Gaetano Dilevrano s253515@polito.it
