Progettazione elettromagnetica e termica di un motore sincrono a magneti permanenti interni per banco prova ad elevata velocità

The aim of this thesis was to design an interior permanent magnet synchronous motor (IPMSM) for a high speed test bench. The study focuses in particular on the design of a rotor which, through the arrangement of permanent magnets inserted inside it, gives to the motor the best possible electromagnetic performances. The simulations have been carried out using two Altair’s software (FluxMotor and Flux), that, considering the electromagnetic behaviour of the machine, allow to analyse its performances through the Finite Element Method (FEM). The first part of the thesis reports the state of the art about the interior permanent magnet synchronous motor and explains the principles of operation and the equations that describe them; finally, the main commonly used magnet configurations are investigated. After, the software used are described (particularly FluxMotor and Flux) and a brief overview of the magnetic steel sheet and permanent magnets materials used inside the motor is shown. After describing the software, the first analysis carried out in FluxMotor is illustrated, that concerns the choice of the optimal number of poles for the motor at the design stage, showing precisely how the modelling has been performed. Once the ideal number of poles has been defined, different rotor geometries at the working point at rated speed are analysed to find the arrangement of the magnets that best suits the features of the motor. Afterwards, always in FluxMotor, the best geometries found in the previous analysis have been studied with particular attention to their behaviours in the flux weakening regime. This last study has pointed out a geometry that provides better performances than the others. This geometry has been later modelled and analysed in Flux. Lastly, the final considerations on the simulated motors and on the work carried out in this thesis are reported.

Con questa tesi si è voluto progettare un motore sincrono a magneti permanenti interni (IPMSM) per banco prova ad alta velocità. Lo studio si concentra in particolare sulla ricerca di un rotore che attraverso la disposizione dei magneti permanenti inseriti al suo interno conferisca al motore le migliori prestazioni elettromagnetiche possibili. Le simulazioni sono state svolte utilizzando due software di Altair: FluxMotor e Flux, che per quanto riguarda il comportamento elettromagnetico della macchina permettono 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 i motori sincroni a magneti permanenti interni e vengono spiegati i principi di funzionamento e le equazioni che li descrivono, per poi approfondire le principali configurazioni di magneti comunemente utilizzate. Successivamente vengono descritti i software utilizzati (in modo particolare FluxMotor e Flux) e viene mostrata una breve panoramica sui materiali dei lamierini e dei magneti permanenti utilizzati all’interno del motore. Una volta descritti i software, viene illustrata la prima analisi svolta in FluxMotor che riguarda la scelta del numero di poli ottimale per il motore in fase di progettazione, mostrando precisamente come è avvenuta la modellizzazione. Dopo aver trovato il numero di poli ideale, vengono analizzate nel punto di lavoro a velocità nominale diverse geometrie di rotore con lo scopo di trovare la disposizione dei magneti che meglio si adatta alle caratteristiche del motore. Successivamente, sempre in FluxMotor, sono state studiate le migliori geometrie trovate nell’analisi precedente ponendo particolare attenzione al loro comportamento in regime di deflussaggio. Quest’ultimo studio ha messo in evidenza la presenza di una geometria migliore rispetto alle altre che, successivamente, è stata modellizzata ed analizzata su Flux. Infine, sono riportate le considerazioni conclusive sui motori simulati e sul lavoro svolto in questa tesi.