Il mondo accademico e quello industriale sono sempre alla ricerca di possibili sviluppi di motori e generatori, con il fine di aumentare gli standard di prestazioni ed efficienza energetica.

Prefazione

Il mondo accademico e quello industriale sono sempre alla ricerca di possibili sviluppi di motori e generatori, con il fine di aumentare gli standard di prestazioni ed efficienza energetica.

Negli ultimi decenni c’` e stato un forte sviluppo su motori a magneti permanen- ti, accentuando l’importanza dei magneti permanenti sulla tecnologia del motore e il loro impatto sugli azionamenti elettromeccanici ` e notevolmente aumentato negli ulti- mi decenni. L’introduzione dei magneti permanenti nella costruzione delle macchine elettriche ha portato i seguenti vantaggi:

• nessuna energia elettrica `e fornita al sistema d’eccitazione, quindi non vi sono perdite di eccitazione e questo comporta un notevole aumento dell’efficienza;

• maggiore densit`a di potenza e densit`a di coppia;

• migliori prestazioni dinamiche;

• semplificazione della produzione e manutenzione;

• riduzione dei costi per alcuni tipi di macchine;

• affidabilit`a uguale o anche maggiore.

La recente volatilit` a dei prezzi delle materie prime, come le terre rare, ha spinto

i progettisti e costruttori di motori elettrici ad andare nella direzione di progettare

sfruttare ed unire in modo sinergico il contributo dato dai magneti e quello dato dalla coppia di riluttanza.

Fra le diverse tipologie di macchina, i motori sincroni a riluttanza e a riluttanza assistita da magneti permanenti, sembrano essere dei buoni candidati per soddisfare i nuovi requisiti di efficienza, che sono sempre pi` u stringenti per arginare i costi totali del motore, dato che questi sono fortemente influenzati dal costo dei magneti.

Il modo per contenere al massimo il costo ` e appunto quello di eliminarli totalmente e sfruttare solamente la coppia di anisotropia della macchina, realizzando cos`ı un motore a riluttanza variabile.

I motori sincroni a riluttanza variabile (SynRM - Synchronous Reluctance Motor) sono molto interessanti proprio per questi motivi, inoltre che l’assenza di magneti porta il vantaggio di non aver pi` u le problematiche di smagnetizzazione dei magneti dovuto alla temperatura.

In questa tesi si tratter` a proprio di quest’ultima tipologia di macchina articolando l’esposizione in primo luogo su lo studio di un motore in produzione estrapolando le geometrie di macchia sia di statore che di rotore con lo scopo di ricavare una sezione dello stesso e andare quindi a costruire e simulare con un software agli elementi finiti.

La seconda parte sar` a quella di automatizzare il processo di creazione e simulazio- ne della macchina con l’obiettivo di realizzare un strumento utile alla progettazione e all’analisi di questo tipo di macchine.

L’ultima parte che si baser` a sostanzialmente su prove sperimentali, al fine di ca- ratterizzare il motore ed individuare i parametri di macchina. Sar` a fatto quindi un confronto fra il modello creato e la macchina reale, analizzando i risultati ottenuti te- nendo conto delle criticit` a e approssimazioni di questo modello.

L’elaborato ` e articolato in cinque capitoli: il primo ` e una parte introduttiva sul vet-

tore spaziale e sulla modellazione di Park, il secondo introduce le macchine sincrone a

riluttanza variabile, il terzo si pone l’obiettivo di spiegare al lettore come ` e stato imple-

mentato il software e come utilizzarlo, il quarto si concentra sulle prove sperimentali, il

quinto ed ultimo capitolo, analizza e confronta i risultati ottenuti, sia quelli via software

che quelli sperimentali.

Indice

1 Vettore spaziale

e modellazione di Park 1

1.1 Vettore Spaziale . . . . 1

1.2 Modellazione di Clark e Park . . . . 5

2 Macchine Sincrone a Riluttanza (SynRM) 10 2.1 Introduzione . . . . 10

2.2 Caratteristiche costruttive . . . . 12

2.2.1 Rotore . . . . 12

2.2.2 Statore . . . . 14

2.3 Funzionamento . . . . 15

3 Costruzione e Simulazione 17 3.1 Introduzione al metodo FEM . . . . 17

3.2 Costruzione della macchina . . . . 18

3.3 File Excel . . . . 20

3.3.1 Introduzione al file Excel . . . . 22

3.3.2 Sheet di controllo . . . . 22

3.3.3 Sheet di inserimento dati . . . . 24

3.3.4 Sheet risultati . . . . 27

3.3.5 Esempio di simulazione . . . . 32

3.4 Script VBA . . . . 35

4.3 Individuazione della Ld ed Lq . . . . 59

4.3.1 Schemi di misura . . . . 59

4.3.2 Risultati . . . . 61

Elenco delle figure

1.1 Base vettoriale. . . . 2

1.2 Sistema di riferimento assi d-q . . . . 6

1.3 Andamento della coppia in un motore brushless. . . . 8

2.1 Lamierino di rotore . . . . 11

2.2 Tipologie di rotori per una macchina sincrona a riluttanza. . . . 13

3.1 Foto sezione di macchina . . . . 18

3.2 Foto della sezioni di macchina. . . . 19

3.3 Disegno di AutoCAD per la creazione della macchina . . . . 20

3.4 File Excel. . . . 22

3.5 Sheet Main - Pannello principale di comando. . . . 23

3.6 Dati di targa, dimensioni geometriche e grafico del dente di statore. . . 25

3.7 Dente di statore. . . . . 25

3.8 Sheet Barriere - Tabella per la costruzione delle barriere di rotore. . . . 26

3.9 Sheet Barriere - Barriere d’aria di rotore. . . . 27

3.10 Sheet Analisi FEM - Risultati singola statica. . . . . 28

3.11 Sheet Coppia - Tabella dei risultati . . . . 29

3.12 Sheet Coppia - Grafico dei risultati . . . . 30

3.13 Induttanza Ld e Lq al variare della corrente . . . . 31

3.14 Disegno delle barriere del rotore completo. . . . 33

3.15 Foglio con elenco materiali . . . . 34

3.16 Circuito di alimentazione usato per le simulazioni dinamiche . . . . 37

3.17 Motore ABB - Model M3AL 90 LB 4. . . . 38

3.26 Andamento coppia con rotore a 3 barriere . . . . 43

3.27 Tensione A nel caso di rotore a 3 barriere . . . . 44

3.28 Spettro della Fase A nel caso di rotore a 3 barriere . . . . 44

3.29 Flusso della Fase A - rotore a 3 barriere . . . . 45

3.30 Spettro del flusso (Fase A) - Rotore a 3 barriere . . . . 45

4.1 Schema della prova. . . . 49

4.2 Laboratorio di macchine elettriche dove sono state svolte le prove. . . . 50

4.3 Punti di lavoro della prova di caratterizzazione di macchina . . . . 51

4.4 Mappa rendimento del motore . . . . 56

4.5 Mappa rendimento dell’azionamento . . . . 57

4.6 Mappa rendimento del convertitore . . . . 58

4.7 Circuito sperimentale per caratterizzare Ld e Lq. . . . . 60

4.8 Grafico sperimentale per la valutazione di L

. . . . 61

4.9 Grafico sperimentale per la valutazione di L

. . . . 62

4.10 Andamento di L

e L

al variare della corrente . . . . 63

Elenco delle tabelle

1.1 Costante C del vettore spaziale. . . . 5

3.1 Elenco e descrizione dei fogli del file Excel. . . . 21

3.2 Dati di targa del motore. . . . 38

4.1 Dati di targa del motore. . . . 48

4.2 Resistenza misurata sulle fasi di statore . . . . 48

4.3 Dati sperimentali . . . . 52

4.4 Valori sperimentali L

. . . . 62

4.5 Valori sperimentali L

. . . . 62