Codice analitico per l'ottimizzazione di macchine a flusso assiale di tipo slotless

Negli ultimi trent’anni, le macchine elettriche a magneti permanenti a flusso assiale sono state oggetto di numerose ricerche che le hanno portate oggi ad essere una tecnologia matura utilizzata in un’ampia gamma di applicazioni, dai sistemi di produzione e accumulo di energia rinnovabile fino ai trasporti. L’obiettivo della seguente tesi è l’implementazione e l’ottimizzazione di un codice analitico per l’analisi delle prestazioni a vuoto di un’AFPM. Tale idea nasce, infatti, dalla necessità di sostituire il programma FEM con un codice analitico avente tempi di calcolo significativamente inferiori. Nel capitolo 2 è dunque presentata una risoluzione formale delle equazioni di Maxwell per il calcolo della componente assiale dell’induzione magnetica Bz. In seguito, nel capitolo 3, è stato verificato il funzionamento delle equazioni ricavate mediante un confronto con un programma FEM e sono stati fissati i parametri di input più idonei per massimizzare l’accuratezza del codice minimizzando talvolta il costo computazionale. Nel capitolo 4, a partire da una configurazione di macchina esistente con topologia coreless pensata per un sistema di accumulo cinetico (FESS, flywheel energy storage system), è stato effettivamente implementato ed ottimizzato un codice analitico in ambiente Matlab per il calcolo del flusso concatenato, della forza elettromotrice indotta e della tensione concatenata. I risultati ottenuti sono stati verificati mediante un confronto con quanto ricavato mediante l’utilizzo di un programma FEM, ottenendo errori relativi percentuali sui valori medi o efficaci delle grandezze d’interesse anche inferiori all’1%, nonostante la geometria relativamente complessa dell’avvolgimento. Per quanto riguarda il costo computazionale, invece, si è ottenuta una riduzione del tempo di calcolo rispetto al programma FEM anche di 10 volte, utilizzando lo stesso hardware. Per questo motivo il codice implementato risulta estremamente vantaggioso per eseguire ampie analisi parametriche ed ottimizzazioni. Nel capitolo 5, invece, è proposta un’analisi parametrica della geometria della macchina atta a ricavare una configurazione ottimale che ne massimizzi le prestazioni. Infine, nel capitolo 6 viene generalizzato il codice analitico per la macchina coreless ad una configurazione slotless mentre, nel capitolo 7, è presentata un’analisi parametrica della geometria di quest’ultima. Il pacchetto di codici sviluppati lascia ancora spazio a diverse migliorie: per esempio, si potrebbe eliminare l’ipotesi di permeabilità magnetica infinita del giogo di rotore, partendo da una modifica delle condizioni al contorno nella formulazione originale. Inoltre, è possibile generalizzare i codici applicandoli anche all’analisi di una condizione di funzionamento a carico oppure di altre topologie di macchina come le double-sided o le multi-stage. Per esempio, considerando una corrente circolante negli avvolgimenti sarebbe calcolabile anche la coppia come interazione della stessa con la componente assiale dell’induzione magnetica Bz mediante l’equazione della forza di Lorentz.