Electrical excited synchronous motor for automotive application design, parametric analysis and optimization

In questo lavoro è stato sviluppato il progetto di un motore elettrico per un’applicazione nell’ambito automobilistico. In particolare, il motore elettrico sviluppato è un motore ad eccitazione elettrica, o più comunemente conosciuto come motore a rotore avvolto. Pare infatti che queste tipologie di macchine potranno diventare presto il modello di riferimento per questo segmento di mercato, nel caso in cui si dovessero dimostrare prestazionalmente comparabili con i tipici IPM, che ora rappresentano la quasi totalità dei motori impiegati in questo settore. Nel capitolo 1 sono riassunte le specifiche del motore, sia in termini di prestazioni (coppia nominale, potenza nominale, coppia massima, potenza massima, velocità massima), sia in termini di vincoli geometrici imposti. Nel capitolo 2 è stato condotto uno studio iniziale sulle possibili prestazioni raggiungibili dalla geometria preliminare scelta. In particolare si è deciso di scegliere una geometria a poli salienti. Innanzitutto sono state presentate e definite le dimensioni geometriche della macchina. Dopodichè sono state svolte le analisi agli elementi finiti per capire la distribuzione dei flussi e le performance in termini di coppia, sia a vuoto, che a carico. I risultati ottenuti sono stati promettenti, indicando la possibilità di raggiungere le prestazioni elettromagnetiche richieste. Nel capitolo sono presenti anche degli approfondimenti sullo studio delle perdite addizionali nei conduttori di statore dovute all’effetto pelle e sulle perdite nel ferro calcolate con due differenti metodi. Il capitolo 3 si pone lo scopo di confrontare le prestazioni raggiunte dalla geometria preliminare con quelle raggiungibili utilizzando delle configurazioni di rotore diverse. Il rotore è stato quindi modificato e reso isotropo. Tre topologie di macchine sono state studiate: rotore a 16, 40 e 24 cave. Ciascuna di esse è risultata prestazionalmente inferiore alla geometria iniziale, dimostrando la correttezza sulla scelta della configurazione a poli salienti. Nel capitolo 4 è stata svolta un’analisi parametrica per comprendere l’influenza delle variazioni della geometria sulle prestazioni della macchina. L’analisi si è concentrata su: sagomatura al traferro, angolo di copertura della scarpa polare, altezza dell’espansione polare e larghezza del polo Successivamente alle analisi svolte, è stata trovata una geometria migliorata: la geometria α. Nel capitolo 5 la geometria α proveniente dall’analisi parametrica è stata studiata nel dettaglio attraverso simulazioni agli elementi finiti. Le analisi svolte, a vuoto e a carico, hanno portato al raggiungimento delle prestazioni in termini di coppia richieste dalle specifiche. Il capitolo 6 risulta essere un’estensione del precedente. La geometria α è stata modificata inserendo all’interno del polo delle barriere di flusso. Lo scopo delle barriere è quello di ridurre l’influenza del flusso dell’asse in quadratura sul flusso di asse diretto. Le analisi svolte, del tutto simili a quelle del capitolo 5, hanno portato alla conclusione che l’introduzione delle barriere, seppur raggiungendo lo scopo voluto, portano ad un notevole peggioramento delle prestazioni in termini di coppia, ed in particolare per quanto riguarda il ripple.