Miglioramento delle prestazioni delle macchine sincrone a magneti permanenti con biette magnetiche non convenzionali

The aim of this thesis is to investigate the use of unconventional materials to close the slots in a permanent magnet synchronous motor with concentrated windings and open slots. All the considere engines have radial magnetic flow. In particular, the investigation is aimed at finding the most suitable characteristics of the material used for the slot closure of an existing engine for high torque low speed applications, but also for other applications. We also tried to evaluate the effects of these changes for different operations, even at higher speeds, in order to have a wider picture of the consequences that such changes may entail, evaluating possible benefits and critical issues. To obtain more reliable results, numerous simulations have been performed with finite element calculation programs. The thesis initially deals with a brief introduction on the type of machines on which the simulations will be focused, and then move on to a more detailed explanation of the particular type of the windings. Subsequently, the discussion moves on slot closure, on the reasons that lead to the use of open slots and the consequences that they entail, as well as on possible interventions and modifications of the materials to improve the performance of the machines equipped with them. The topics mentioned above are addressed both from a purely theoretical point of view, with references to studies in the literature, and through finite element simulations on a first model of a permanent magnet synchronous motor, aimed at providing guidelines for the subsequent investigation. The final part regards in fact the analysis on an engine of this type with nominal torque of about 1700 Nm and the identification of one or more possible configurations of the wedges used for closing the slots, in order to optimize the efficiency, with particular attention to the magnet losses, and then conclude with some considerations regarding the outcome of the investigation.

Lo scopo di questa tesi è di indagare l’uso di materiali non convenzionali per la chiusura delle cave in un motore sincrono a magneti permanenti superficiali con avvolgimenti concentrati e cave aperte. Tutti i motori considerati sono a flusso radiale. In particolare, l’indagine è volta a trovare le caratteristiche più adatte del materiale impiegato per la chiusura di cava di un motore esistente per applicazioni ad elevata coppia e bassa velocità, ma non solo. Si è cercato inoltre di valutare gli effetti di tali modifiche per differenti funzionamenti, anche a velocità maggiori, in modo da avere un panorama più ampio delle conseguenze che tali cambiamenti possono comportare, valutandone possibili benefici e criticità. Per ottenere risultati maggiormente affidabili, sono state condotte numerose simulazioni con programmi di calcolo agli elementi finiti. La tesi affronta inizialmente una breve introduzione sulla tipologia di macchine su cui si andranno a concentrare le simulazioni, per poi passare ad una più dettagliata spiegazione della particolare tipologia di avvolgimenti impiegati. Successivamente la trattazione si sposta sulla chiusura delle cave, sui motivi che spingono all’impiego di cave aperte e sulle conseguenze che esse comportano, nonché sui possibili interventi e modifiche dei materiali per tentare di migliorare le performance delle macchine che ne sono dotate. Gli argomenti fin qui citati vengono affrontati sia da un punto di vista prettamente teorico, con richiami a studi presenti in letteratura, sia mediante simulazioni agli elementi finiti su un primo modello di un motore sincrono a magneti permanenti superficiali, volte a fornire delle linee guida per la successiva indagine. La parte finale riguarda infatti le analisi su un motore della tipologia in questione con coppia nominale di circa 1700 Nm e l’individuazione di una o più possibili configurazioni delle biette impiegate per la chiusura delle cave, in modo tale da ottimizzarne l’efficienza, con particolare attenzione verso le perdite nei magneti, per poi concludere con alcune considerazioni riguardo l’esito dell’indagine.