Progettazione ed ottimizzazione CAE di motore sincrono a riluttanza con rotore asimmetrico e confronto prestazionale e vibro-acustico con motore asincrono per applicazioni di sollevamento.

For about a decade the industrial world has been investigating alternative solution for asynchronous and permanent magnet motors. The goal is to replace traditional and well-engineered induction motor with another kind of machine with greater performance, equally cheap, easy to produce and independent from the price volatility of rare-earth permanent magnets, in order to pursue an energy efficiency policy. The choice fell on the SRMs (Synchronous Reluctance Motors), which were developed for the first time in 1920s. Recently they were rediscovered and have attracted significant attention for the modern evolution of the power electronic drives and CAE simulation tools, which allow to define SRM control and design strategies, that were very complex to achieve in the past. SRMs have interesting prospects also in civil applications, but in this sector is essential an excellent vibro-acoustic performance, which can be neglected in industrial one. The aim of this study is to examine the potentiality of SRMs for lifting application and to carry out a procedure to evaluate the vibro-acoustic behaviour of an electrical machine. SRMs were designed, analysed and compared with the IM counterpart, commonly used in lift gearboxes applications, and then they were improved with optimization procedures based on Multiobjectives Optimization Genetic Algorithm (MOGA). In order to evaluate the vibro-acoustic analysis, it was necessary to use software which allow to show the links between electromagnetic, mechanical and thermal features of the motor, carrying out a multiphysics analysis of the electrical machine. The finite element software suite has been provided by Altair, global leader in CAE solutions. This study was carried out in collaboration with two companies: Spin Applicazioni Magnetiche, which fully assisted the thesis execution and which provided the training courses on FEM software and Montanari Giulio & C., global leader in traction machine and lifting solution, which commissioned the project.

Da circa un decennio nel mondo industriale si sono cominciate ad indagare soluzioni alternative ai tradizionali motori asincroni e a magneti permanenti. L’obiettivo è quello di perseguire una politica di efficientamento energetico, sostituendo gli ampiamente ingegnerizzati motori ad induzione con macchine più performanti, ugualmente semplici ed economiche da costruire e possibilmente indipendenti dal monopolio economico, dalla volatilità dei prezzi e dai problemi etici legati all’estrazione mineraria che caratterizza i magneti a base di terre rare. La scelta è ricaduta sui motori sincroni a riluttanza, ideati inizialmente negli anni ’20 del ‘900 e recentemente riscoperti e divenuti oggetto di attenzione per via dei moderni sviluppi dell’elettronica di potenza e dei software di progettazione FEA che consentono di superarne i problemi di controllo e di design in passato insormontabili. Anche in campo civile è maturato molto interesse nei confronti di questi motori, tuttavia in questo ambito è essenziale un eccellente comportamento vibro-acustico della macchina che al contrario, per scopi prettamente industriali, può essere trascurato. Obiettivo di questa tesi è dunque di esplorare le potenzialità di applicazione di motori SRM in campo ascensoristico, definendo una procedura che permetta di progettarli, ottimizzarli ed analizzarne il comportamento vibro-acustico. I motori a riluttanza sono stati progettati, confrontandone prestazioni e vibrazioni con i motori asincroni impiegati attualmente sugli argani ed infine migliorati tramite tecniche di ottimizzazione basate su algoritmi genetici multi-obiettivo (MOGA). Per farlo data la natura estremamente complessa ed intercorrelata delle vibrazioni in una macchina elettrica è stato imprescindibile l’utilizzo di software che permettano di studiare i legami tra l’aspetto elettromagnetico, meccanico e termico del motore, realizzando di fatto un’analisi multi-fisica della macchina. La suite di software ad elementi finiti impiegata è stata fornita dalla società Altair, leader mondiale nelle soluzioni CAE. Il presente elaborato è stato realizzato in collaborazione con la società Spin Applicazioni Magnetiche che ha coadiuvato per intero lo svolgimento dalle tesi, occupandosi della parte di formazione sui suddetti software, dell’assistenza su ciascuna delle procedure descritte ed è stata fautrice della collaborazione con l’azienda Montanari Giulio & C. , leader mondiale nella produzione di macchine di trazione per scopi di sollevamento, che ha commissionato il seguente studio.