Progettazione di motori sincroni a riluttanza mirata al miglioramento del rendimento e del fattore di potenza

The aim of this thesis is to explore the differences in performance between new synchronous reluctance machines (SynRM) and permanent magnet assisted synchronous reluctance machines (PMaSynRM), in comparison with already existing induction machines (IM). The study focuses on the design of the rotor barriers of a reluctance machine, trying to improve performances, by using the same stator of the IM. Simulations were made with MotorCAD, that uses the Finite Element Method to analyze electromagnetic and thermal performances. In the first section of the thesis, state of art, working principles and possible rotor designs of SynRM and PMaSynRM are explained. Then, MotorCAD and the other software used for this thesis are introduced, and after a brief overview of the lamination materials. Subsequently, the initial model of the machine is introduced, beginning with the description of rotor and stator and following with the results of the simulation using this geometry. A new barrier configuration is then introduced, while mantaining fluid shaped geometries: the method used for design is described, and some of the simulated rotors are exposed, along with the results and a first comparison with the IM. Finally, using the same stator, different machines with permanent magnets inserted in the rotor structure are proposed, and a final consideration is proposed on performances and costs of the different machines analyzed.

Con questa tesi si vogliono analizzare le differenze di prestazione tra nuovi modelli di macchine sincrone a riluttanza variabile (SynRM) e a riluttanza assistita (PMaSynRM), con macchine asincrone trifasi già esistenti. Lo studio si concentra in particolare sulla progettazione di un rotore a riluttanza variabile semplice che con le geometrie delle proprie barriere riesca migliorare il più possibile le proprie prestazioni quando accoppiato allo statore della macchina asincrona col quale è confrontato. Le simulazioni sono state svolte utilizzando il software MotorCAD, che per quanto riguarda il comportamento elettromagnetico della macchina permette di analizzare le prestazioni attraverso il metodo agli elementi finiti (FEM). Nella prima parte della tesi, viene descritto lo stato dell’arte per quanto riguarda le macchine a riluttanza variabile e vengono spiegati i principi di funzionamento e le equazioni che le descrivono, per poi approfondire le possibili geometrie della tipologia di rotore studiato e introdurre la macchina a riluttanza assistita. Successivamente vengono descritti i software utilizzati (in modo particolare MotorCAD) e viene illustrata una breve panoramica sui materiali dei lamierini delle macchine. Una volta descritti i software, viene quindi introdotto il modello del rotore di partenza, così come le principali caratteristiche dello statore al quale è stato accoppiato; vengono poi esposti i risultati delle simulazioni svolte utilizzando questa geometria. Lo studio si sposta poi verso una nuova configurazione delle barriere, che mantengono tuttavia la geometria che segue le linee di flusso: viene quindi descritto il metodo utilizzato per la costruzione delle barriere di flusso, e vengono esposti alcuni dei rotori simulati, insieme ai risultati. Una volta esposte queste simulazioni, viene fatto un primo confronto con le prestazioni dei motori asincroni presi in considerazione. Infine, mantenendo le stesse geometrie e configurazioni dello statore e partendo da una breve panoramica sulle caratteristiche di alcuni magneti permanenti, vengono proposte diverse macchine, tutte caratterizzate appunto da magneti permanenti inseriti all’interno del rotore. A questo punto, viene svolta una considerazione finale sulle macchine simulate, sia di natura prestazionale, sia per quanto riguarda i costi di produzione.