Metodi per la valutazione teorica e sperimentale delle perdite nei materiali ferromagnetici dolci in regime sinusoidale e non sinusoidale

The energy efficiency has recently become a hot topic due to the huge increase in energy consumption which occurred in recent times. To deal with this heavy energy demand some problematics arise: the fossil energy resource availability is limited and a large use of this source of energy is not sustainable due to environmental pollution. At this point renewable energy sources and energy efficiency play a key role in the current era. In the electromechanical field, electrical machines efficiency evaluation is strongly linked to the correct estimation of iron losses. Since nowadays a high percentage of industrial electrical machines is fed by an electrical drive, the magnetic flux cannot be purely sinusoidal and its harmonic content is relatively high, and therefore the iron losses. The aim of this thesis is to show currently used iron losses evaluation methods, pointing out pros and cons for each of them, in order to get a correct iron losses prediction even if the magnetic flux is not purely sinusoidal. To understand magnetism in matter, in the first part of the dissertation basic physical principles are presented, followed by an explanation of theoretical and experimental iron losses evaluation methods (like Steinmetz model, Bertotti model and Loss Surface hysteresis model). The thesis core presents how laboratory measurements were carried out on a soft laminated ferromagnetic sample and it describes the finite element analysis (FEA), performed on a dedicated software, through which a comparison, in terms of iron losses, has been made between results given by these methods and measured losses. Then, the thesis ends considering the peculiarities and characteristics of each approach.

L’efficienza energetica è un tema che ha acquistato di recente notevole importanza in seguito all’enorme aumento dei consumi che si è verificato negli ultimi decenni. È chiaro che, per far fronte a questa importante domanda di energia, sorge la problematica relativa alla disponibilità di risorse energetiche di origine fossile ed al loro sproporzionato utilizzo. Dunque, l’impiego di energia da fonti rinnovabili costituisce un tema di primaria importanza così come l’efficienza energetica, data la limitata disponibilità delle risorse energetiche planetarie. In ambito elettromeccanico, la valutazione del rendimento delle macchine elettriche è strettamente correlata alla corretta stima delle perdite nel ferro. Al giorno d’oggi un’elevata percentuale delle macchine elettriche impiegate nell’industria è alimentata tramite un azionamento di potenza: in questo caso il flusso magnetico è tutt’altro che sinusoidale ed il suo contenuto armonico è molto elevato, e di conseguenza anche le perdite nel ferro. Lo scopo di questa tesi è quello di far luce sui metodi tutt’oggi utilizzati per il calcolo di tali perdite, evidenziandone i pregi ed i difetti di ciascuno di essi, al fine di ottenere una corretta valutazione delle perdite anche quando il flusso non è puramente sinusoidale. Nella prima parte della tesi vengono esposte le nozioni fondamentali per la comprensione dei fenomeni magnetici nella materia. Segue poi una descrizione dei diversi criteri impiegati per la valutazione delle perdite nel ferro, sia a livello teorico che sperimentale (i modelli di Steinmetz, Bertotti ed il Loss Surface model). Il nucleo centrale della tesi tratta le misure svolte in laboratorio su di un campione di materiale ferromagnetico laminato e le simulazioni svolte con software ad elementi finiti, per mezzo delle quali è stato possibile eseguire un confronto tra i risultati (in termini di perdite nel ferro) ottenuti tramite i diversi metodi di stima descritti precedentemente e quelli risultanti dalle misure stesse. La tesi, infine, si conclude con un’analisi delle peculiarità di ciascun criterio.