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CONCLUSIONI E SVILUPPI FUTURI
8.1 Conclusioni
E’ stato ottimizzato il circuito magnetico di un motore ad effetto Hall da 5 kW di cui esiste un prototipo funzionante presso il Centrospazio.
Le fasi di ottimizzazione del circuito magnetico ha comportato l’analisi di tre punti fondamentali:
1. l’analisi dei risultati ottenuti da una soluzione nota studiata “ex-novo” con un nuovo codice di calcolo di magnetostatica agli elementi finiti;
2. lo studio dei meccanismi con cui imporre la modifica del gradiente assiale del flusso specifico lungo il canale di accelerazione, individuando gli elementi del circuito più adatti ad ottenere tale variazione;
3. l’individuazione dei materiali e dei processi tecnologici in grado di esaltare le caratteristiche magnetiche desiderate al fine di ottimizzare la soluzione geometrica determinata attraverso le precedenti simulazioni numeriche.
Dall’analisi magnetica della soluzione è stata osservata l’importanza della presenza degli schermi magnetici e del loro posizionamento per ottenere una corretta struttura del campo magnetico necessaria al corretto funzionamento del motore.
La geometria ottenuta nella soluzione proposta ha come elemento fondamentale l’introduzione di un gioco tra base e schermo magnetico esterno, che elimina la necessità di tolleranze di lavorazione strette necessarie nella configurazione di partenza per ridurre le perdite di flusso, e rendere possibile la realizzazione di geometrie più leggere.
La topografia del campo magnetico nella camera di accelerazione del motore è risultata conforme alle formule semi-empiriche note in letteratura e
provenienti dalle precedenti esperienze su propulsori ad effetto Hall. L’andamento della componente radiale è tale per cui il gradiente in senso assiale è sempre positivo lungo il raggio medio del canale per evitare fenomeni di instabilità nel motore. Il valore di gradiente assiale è risultato conforme alle specifiche esigenze del propulsore. Il disegno del circuito magnetico e la scelta dei materiali usati sono tali da ridurre le perdite di flusso magnetico, essendo l’intensità del campo un parametro fondamentale per le prestazioni del motore.
E’ stata studiata una soluzione tale per cui l’anodo di distribuzione è stato vincolato ad un sistema di manovra coassiale al motore che ne permette il posizionamento lungo la camera di accelerazione rispetto alla sezione di uscita in maniera tale da consentire esperimenti con configurazioni diverse.
La soluzione ideata è conservativa per la camera di accelerazione già esistente, questo permetterà la rapida ed economica realizzazione del propulsore senza la necessità di una nuova camera di accelerazione e consentirà importanti raffronti diretti col propulsore già costruito.
In conclusione sono stati ottenuti i seguenti risultati:
• E’ stato validato con successo un nuovo codice di calcolo “freeware” di magnetostatica: il “FEMM 4.0” nella versione 01Apr04 Development Release”.
• Il circuito magnetico è stato modificato in maniera tale da abbassare l’intensità di flusso specifico nelle zone maggiormente critiche (intersezione fra core e base) a parità di intensità di induzione magnetica massima nella sezione di uscita del canale di accelerazione, permettendo di ridurre notevolmente le masse del propulsore. La nuova configurazione del circuito può anche essere sfruttata nella scalatura dei propulsori ad effetto Hall di potenza inferiore che per loro natura soffrono di problemi di saturazione magnetica del core: è noto infatti come l’intensità dell’induzione magnetica nel core B sia inversamente proporzionale alla m
larghezza bchix del canale di accelerazione Bm∝1/bch41.
ix [CFR: Figura 1-16 Simbologiadei parametri geometrici della camera di accelerazione nel
• Il circuito magnetico è stato modificato in maniera tale da rispettare la distanza di dimezzamento L della componente assiale del campo c
di induzione radiale a raggio medio, che nelle simulazioni effettuate è risultata pari a 16.6 mm. Inoltre si è riusciti nell’intento di ottenere un campo magnetico a raggio medio con bassissima percentuale di componente assiale di induzione magnetica B . z
• Sono state trovate relazioni costitutive B vs. H, di acciai con bassa percentuale di carbonio e basse impurità, che meglio rappresentano il comportamento magnetico del materiale del circuito rispetto alla relazione fino ad ora usata. Inoltre sono state ampliate le possibilità costruttive nel realizzare circuiti magnetici più efficienti e leggeri, individuando le proprietà magnetiche e termiche di una serie di leghe magnetiche e di magneti permanenti commerciali.
• Sono stati chiariti alcuni aspetti relativi all’influenza della temperatura, del trattamento termico e della composizione chimica sui materiali ferromagnetici. E’ stata quindi fornita la giustificazione che consente di applicare nell’analisi magnetica del circuito e nei campi di temperatura di interesse specifico del motore, l’ipotesi di problema magnetico-termico disaccoppiato, in quanto essa fornisce risultati cautelativi. Nella fattispecie l’aumento della temperatura del circuito magnetico accresce la solubilità delle impurezze presenti nel materiale che si traduce in un aumento generalizzato della permeabilità relativa; mentre la diminuzione della magnetizzazione di saturazione con la temperatura non influenza direttamente la soluzione in quanto la diminuzione della magnetizzazione che essa induce avviene solo a valori di intensità di campo magnetico superiore ai 1600 A/m, valore molto più elevato di quello raggiunto in tutte le simulazioni.
8.2 Sviluppi futuri
Completata con il presente lavoro l’ottimizzazione del circuito magnetico del motore, in primo luogo è preventivata la realizzazione fisica degli elementi oggetto di modifica, in particolare del magnete permanente che
dovrà essere appositamente realizzato, per poi provvedere all’accensione del propulsore. Questo permetterà di valutare le prestazioni del motore confrontandolo con quello già esistente.
Per quanto riguarda la topografia magnetica del campo esterno al motore sarebbe utile introdurre meccanismi con cui variare la forma delle linee di campo magnetiche al fine di diminuire la divergenza del “plume”. Questo è già stato fatto in motori ad effetto Hall di analoga classe di potenza con l’ausilio di bobine magnetiche ausiliare denominate “trim coil”18.
Dal punto di vista del miglioramento delle masse del propulsore in futuro sarà opportuno optare per la soluzione con bobine esterne concentrate dal momento che le masse interne dei componenti del motore sono state ridotte notevolmente. L’analisi ponderale del motore mostra chiaramente che buona parte della massa è associata alle bobine esterne.
Per alleggerire ulteriormente il circuito magnetico e condurre il flusso in maniera più efficiente sarebbe interessante studiare il flusso indotto nei circuiti magnetici in cui gli elementi conduttori siano costruiti da un sistema a multistrato che utilizzino materiali come l’Hipernik (50% Fe Ni) come struttura “portante” cava del circuito, contenente al suo interno l’anima di ferro purificato in polvere. Questa struttura indurrebbe la circolazione del flusso nel circuito con una bassissima riluttanza, data l’elevatissima permeabilità magnetica del ferro purificato, senza avere effetti isteretici sulla struttura “portante”, dato il bassissimo valore di WH del guscio. Sarebbe possibile avere circuiti magnetici più leggeri e fortemente conduttivi, magari da utilizzare solo localmente in quelle zone del circuito dove la possibilità di saturazione magnetica è maggiore. Esperimenti a tal proposito potrebbero essere condotti con materiali più comuni riguardo alla struttura portante, magari usando un semplice acciaio non magnetico, rinunciando al requisito di massima leggerezza del circuito. Poiché le caratteristiche magnetiche dipendono anche dalla dimensione e dall’orientamento dei grani è necessario reperire in letteratura maggiori informazioni circa la possibilità di utilizzare i materiali sotto questa forma. E’ utile tenere presente come in questa ottica siano stati sviluppati nuovi materiali ferromagnetici nanocristallini al FeCo, che esibiscono proprietà magnetiche molto buone e molto stabili al variare della temperatura. L’“Hitperm” ad esempio ha una temperatura di Curie Tc superiore ai 1250 °K, un alto valore della induzione magnetica di saturazione
che può arrivare fino a 2.1 Tesla, unito ad una eccellente stabilità termica delle proprietà magnetiche62.
