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Lo scopo dell’attività di ricerca è stato principalmente quello di individuare e una nuova configurazione di generatore elettrico che possa essere utilmente impiegato quale alternatore in turbine eoliche.
Di questi sono state definite tutte le grandezze di progetto e si è giunti alla sua prototipazione. Sono state considerate potenze dell’ordine di alcuni kW e dunque ad applicazioni inerenti la microgenerazione.
a cosa ci siamo ispirati
Ci si è riferiti a macchine brushless a flusso trasverso (TFPM), ciò perché tali macchine consentono l’ottenimento di elevate prestazioni sia in termini di densità di coppia che di valori delle forze elettromotrici indotte anche a bassi regimi di velocità.
Ciò anche grazie alla presenza di un sistema induttore impiegante magneti permanenti ad elevata densità (NeFeBo SaCo) ed alla circostanza che la loro configurazione geometrica consente di superare i limiti di riduzione del passo polare delle macchine a flusso radiale.
Circostanza che si traduce nella possibilità di poter realizzare generatori con un elevato numero di coppie polari e dunque di ottenere elevate f.e.m. indotte ai capi degli avvolgimenti di armatura.
Significativi sono anche i vantaggi di queste macchine nel confronto con quelle a flusso radiale in termini di semplicità di controllo esteso intervallo di velocità nel funzionamento a coppia e potenza costante, basso momento di inerzia, scarsa manutenzione.
cosa sono le macchine tfpm
Le macchine TFPM presentano, inoltre, una distribuzione di induzione non piana e suscettibile di forti variazioni al variare delle caratteristiche geometriche elettriche e magnetiche; questo se da un lato introduce un evidente difficoltà nella loro modellazione fa ben prospettare la possibilità di ottenere macchine perfettamente rispondenti alla specifica applicazione a cui si intende destinarle.
Le stesse considerazioni appena fatte, valgono anche relativamente alla possibilità di modulare nel funzionamento da motore, il contributo di ciascuna delle componenti di forza (interazione campo corrente, variazione di riluttanza, cogging) che partecipano alla determinazione del valore istantaneo assunto dalla coppia elettromagnetica e ne influenzano il ripple intorno al valore medio.
Ovvero il contributo delle medesime componenti alla f.e.m. disponibile ai morsetti di armatura nel funzionamento da generatore.
Dimensionamento
Propedeutico, al dimensionamento di queste macchine, come del resto per la progettazione di tutte le macchine elettriche, è la conoscenza puntuale della distribuzione di induzione al traferro.
Tuttavia, mentre per le macchine di tipo tradizionale valgono approssimazioni inerenti alla distribuzione di induzione che sono ben verificate e che consentono semplificazioni significative dei modelli matematici di macchina che le descrivono, in queste, sia esse AFPM che TFPM, la scarsa prevedibilità della distribuzione di campo ed il suo sviluppo tridimensionale rende necessario il ricorso a metodi numerici. Solo con l’ausilio di questi è possibile determinare l’effettiva distribuzione di induzione.
In particolare tutta l’attività di progettazione e la generalizzazione dei risultati ottenuti, oggetto dei paragrafi successivi, è stata condotta impiegando quale codice numerico Maxwell 3D di Ansoft. Questo software che è in grado di effettuare analisi agli elementi finiti è apparso presentare più di altri significativi vantaggi tra i quali:
- Interfaccia grafica chiara e possibilità di importare struttura da Cad e programmi similari
- Ampia libreria contenente le caratteristiche elettriche magnetiche e fisiche dei materiali
- Possibilità di integrare le librerie definendo da utente caratteristiche e proprietà di materiali
- Mesch adattative
- Ampio ventaglio di informazioni deducibili dal post processor Analisi parametriche
Con riferimento in particolare all’ultimo aspetto evidenziato, il software consente di risolvere il problema posto per ciascuna delle configurazioni ottenute in corrispondenza dei diversi valori assunti dal parametro considerato, nell’intervallo imposto.
D’altra parte però il risultato di ciascuna di esse, non evidenziando in maniera esplicita i legami funzionali intercorrenti tra le diverse grandezze di interesse, rendono difficile deduzioni anche solo qualitative delle variazioni derivanti da modifiche di una o più grandezze geometriche, elettriche o magnetiche di macchina.
Ciò in questo tipo di macchine è reso ancora più sentito stante e l’elevato numero di variabili coinvolte e la forte suscettibilità delle loro prestazioni derivanti da modifiche di una o più grandezze geometriche, elettriche o magnetiche di macchina.
Si è pertanto ritenuto che potesse essere interessante disporre di uno strumento analitico semplificato che consentisse di esprimere, sia pure in maniera qualitativa, i legami funzionali tra le diverse grandezze di interesse.
Si è per tale scopo sviluppato un metodo analitico semplificato (m.a.s.) che sotto opportune ipotesi semplificative consente di determinare la distribuzione di induzione al traferro, l’entità dei flussi dispersi ed i valori di coppia ottenibili.
I risultati ottenuti con questo metodo sono forniti sotto forma di relazioni consentendo di dedurre in maniera compiuta, sia pure approssimata, alcune delle grandezze di interesse e di capire come altre intervengano nella determinazione delle caratteristiche di macchina.
Il metodo e le deduzioni da esso derivate, sono state sottoposte a validazione mediante il codice numerico prima descritto e mediante verifiche sperimentali effettuate su uno stadio di TFPM prototipato.
In considerazione del fatto che l’effettiva possibilità di ottenere le prestazioni previste è di fatto legata alla capacità della macchina di lavorare ai regimi termici che ne derivano, si è determinato per le macchine prese in esame un modello termico.
Si è inoltre confrontato il comportamento termico di questo tipo di macchine rispetto a quelle a flusso radiale determinando un modello equivalente termico con il quale è stato possibile eseguire:
- Confronto tra le potenze termiche dissipate a parità di superficie di scambio
- Confronto tra le superfici utili di scambio a parità di potenza termica dissipata
- Verifica della congruenza numerica
i risultati
Tutti i risultati ottenuti sono stati generalizzati quando possibile, ed inseriti in un foglio di lavoro Excel. Quest’ultimo vuole costituire un supporto per il dimensionamento analitico di prima approssimazione di macchine a flusso assiale e trasverso destinate alla microgenerazione eolica.
Come apparirà più chiaro in seguito le attività svolte hanno consentito di definire modelli ed algoritmi analitici finalizzati alla determinazione compiuta di molte delle variabili coinvolte nel dimensionamento delle macchine esaminate e di determinarne altre in maniera soddisfacentemente approssimata.
Tuttavia le stesse relazioni non sempre si prestano ad una loro generalizzazione a meno di non ammettere delle complicazioni tali da rendere preferibile il ricorso a codici di analisi numerica.
Per questo motivo uno degli obiettivi perseguiti in questo lavoro è stato quello di ottenere modelli semplificati con incertezza verificabile così da poter valutare la necessità di dover ricorrere a metodi numerici quando l’approssimazione dei risultati non risulti compatibile con la qualità dei calcoli da gestire.
Nel corso di questo lavoro, fermo restante l’obiettivo che ci si è posto, si ricorre spesso per semplicità di esposizione o per maggior chiarezza, alla descrizione della macchina nel funzionamento da motore, deducendo la proprietà di macchina che si intende evidenziare ricorrendo al suo comportamento duale nel funzionamento da motore e da generatore ed alle dovute correzioni.
Introduzione
Negli ultimi decenni, è stata data molta importanza allo studio di macchine che, pur conservando i pregi di quelle a corrente continua, mancassero degli inconvenienti legati alla presenza del collettore elettromeccanico.
Si è giunti, così, alla realizzazione dei DC brushless e degli AC brushless.
In particolare, la ricerca in questo settore si è concentrata su macchine PM brushless e ciò anche grazie al verificarsi di due circostanze favorevoli concomitanti:
- La disponibilità di componenti elettronici di potenza ad elevate prestazioni in termini frequenze di switching e di potenza, a costi contenuti;
- L’ ampia commercializzazione di magneti permanenti (PM) realizzati con terre rare, caratterizzati da valori di induzione residua, forza coercitiva e prodotto di energia massimo molto superiori rispetto a quelli ottenibili dai PM a base di ferriti .
Ciò ha consentito di sviluppare di nuove tipologie di PM brushless, che si allontanano da quelle convenzionali.
La macchina brushless a magneti permanenti a flusso trasverso (TFPM) rientra nella classe di queste nuove tipologie.
Questa, per i motivi che appariranno più chiari nel seguito, è caratterizzato da valori della coppia e coppia specifica (coppia per unità di volume) notevolmente maggiori rispetto a quello tipico delle macchine a flusso radiale di pari potenza.
Essi sono, pertanto, particolarmente adatti ad essere impiegati in tutte quelle applicazioni in cui gli ingombri costituiscono un vincolo stringente.
L’elevato valore di coppia specifica, e dualmente l’elevato valore della f.e.m. disponibile ai morsetti di armatura, è riconducibile, oltre che all’impiego dei PM alle terre rare, alla particolare geometria del circuito magnetico.
Quest’ultimo ha una configurazione tale che la distribuzione di induzione al traferro non presenta alcuna simmetria piana, le linee di forza del campo non si ripetono identicamente su dei piani paralleli, ma seguono un andamento i che si sviluppa lungo tre direzioni fortemente variabile al variare dei suoi parametri geometri, elettrici e magnetici.
L’andamento del campo, inoltre, varia fortemente a seconda della topologia e dei rapporti fra le dimensioni geometriche che caratterizzano il circuito magnetico di macchina con evidente conseguente difficoltà di generalizzazione dei risultati.
Considerazioni
Le considerazioni appena svolte giustificano il ricorso per lo studio di tali macchine a metodi di calcolo numerici ed in particolare ad analisi FEM impieganti cioè il metodo degli elementi finiti.
Tali software consentono, tra l’altro, di valutare il campo al traferro per ogni posizione reciproca statore-rotore e quindi di ricavare molti parametri che caratterizzano il comportamento della macchina, come, ad esempio, le forze elettromagnetiche sviluppate e tensioni indotte.
L’ ampia disponibilità di manuali abachi e tabelle da cui dedurre le principali caratteristiche elettriche, geometriche e magnetiche, di molte delle macchine di tipo tradizionale, consente di utilizzare questi metodi numerici per implementare simulazioni atte al rapido raggiungimento di obiettivi di ottimo.
Gli stessi metodi numerici si prestano meno all’ ottimizzazione della tipologia di macchina in esame, ciò stante la scarsa disponibilità in letteratura informazioni inerenti a valori o intervalli di buon dimensionamento delle caratteristiche geometriche elettriche e magnetiche che costituiscono un necessario punto di partenza per la progettazione ed ottimizzazione di ogni macchina elettrica.
Disponendo infatti di risorse computazionali ordinarie, la riduzione del numero di tentativi per raggiungere il target che ci si è posti si traduce in riduzioni significative dei tempi di elaborazione.
Ciò unito all’ elevato numero di variabili coinvolte pone in evidenza l’utilità di disporre di un metodo analitico, sia pure approssimato, che consenta di effettuare uno studio di prima battuta della macchina TFPM.
che consenta di effettuare uno studio di prima battuta della macchina TFPM.
Tale approccio contenendo in maniera esplicita le relazioni ed i legami funzionali tra le variabili coinvolte consente di capire su quali parametri ed in che modo agire per raggiungere un determinato obiettivo.
Tale approccio consente di giungere ad una configurazione di massima del circuito magnetico quale punto di partenza per successive simulazioni numeriche atte ad affinare il grado di precisione.
La disponibilità di un modello analitico consente, inoltre, di controllare la plausibilità dei risultati ottenuti con l’uso del codice numerico esclludendo eventuali errori di implementazione.
varie Aggiunte
Parte di questo lavoro è stato dedicato per i motivi appena detti allo sviluppo di un modello analitico semplificato per la progettazione dei TFPM, ciò con particolare riferimento alla valutazione delle forze elettromagnetiche che esso è in grado di sviluppare.
In particolare, in questa macchina sono distinguibili tre componenti di forza:
- Elettromagnetica: di interazione tra i magneti permanenti e la corrente di armatura;
- Di riluttanza: dovuta alla presenza della sola corrente;
- Cogging: dovuta ai soli PM,
A corrente costante, le suddette componenti di forza sono periodiche e alternative; in particolare, la prima ha un periodo doppio rispetto alle restanti due, quindi la forza risultante è periodica dello stesso periodo della forza di interazione.
Anch’essa, inoltre, è ovviamente a valore medio nullo, quindi non c’è alcuna conversione unidirezionale di energia elettromeccanica.
Se la corrente di armatura è rettangolare, di opportuna frequenza, adeguatamente correlata alla velocità angolare e al passo polare del motore, la forza di interazione è ancora periodica di periodo doppio rispetto alle altre due componenti di forza, ma caratterizzata da valore medio non nullo.
La forza di riluttanza e la cogging force, invece, mantengono ancora un valore medio nullo.
In particolare, la cogging force è sempre una funzione periodica alternativa qualunque sia l’andamento della corrente, perché essa non dipende affatto da quest’ultima. D’altro canto, se tale forza avesse valore medio diverso da zero, sarebbe violato il principio di conservazione dell’energia.
La determinazione del suo contributo ed eventualmente degli accorgimenti necessari per limitarla, resta però importante in quanto essa influenza in maniera significativa il ripple di coppia.
e ancora
Ci si può facilmente convincere di quanto appena affermato tenendo conto che la f.m.m. equivalente di magnete e dell’ ordine di alcuni kAsp anche per altezze di magnete di pochi mm.
Affinché la macchina in esame possa essere considerata un’alternativa competitiva rispetto ad altre macchine elettriche, è necessario, modulare adeguatamente ogni contributo di forza o f.e.m. compreso quello derivante dalla cogging.
Essendo essa dipendente dalla legge di variazione della permeanza di traferro “vista” dai magneti al variare della posizione reciproca statore-rotore, è possibile agire su di essa ottenendo un contributo armonico dell’andamento della jogging lungo la periferia di macchina che sia riducibile utilizzando configurazioni di TFPM multistadio.
Se ad esempio, si riuscisse ad ottenere una cogging force priva di armoniche pari, essa si potrebbe cancellare disponendo due stadi con rotori (o statori) sfasati tra loro di 180° elettrici; invece, se non ci fossero armoniche multiple di tre, la cogging risultante sarebbe costantemente nulla disponendo tre stadi con rotori (o statori) sfasati tra loro di 120° elettrici
Quest’ultima soluzione sarebbe preferibile in modo da poter utilizzare per l’alimentazione un convenzionale inverter trifase, ottenendo un costo minore per l’azionamento.
Questa strategia si può, ovviamente, sfruttare anche per compensare le componenti alternative della forza di interazione e di quella di riluttanza.
In questo caso, la legge di variazione della corrente deve essere volta, più che alla riduzione dell’ampiezza di tali componenti alternative, a modificarne il contenuto armonico col fine di facilitarne la compensazione utilizzando tre stadi.
Evidentemente quanto fin qui esposto con riferimento alle forze o alle coppie vale dualmente con riferimento al funzionamento della stessa macchina quale generatore elettrico.
La possibilità di operare così come detto è ovviamente subordinata alla conoscenza puntuale di tutte le componenti e dunque alla conoscenza della distribuzione di permeanza.
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MANUALE DI COSTRUZIONE E PROGETTAZIONE