Calcolo analitico della coppia elettromagnetica di macchine sincrone IPM V-shape = Analytical calculation of the electromagnetic torque of V-shape IPM synchronous machines

La macchina sincrona IPM rientra in una particolare tipologia di macchine sincrone che prevedono la presenza di magneti permanenti annegati nel corpo del rotore. Tale posizionamento dei magneti permette di estendere il range di deflussaggio della macchina rispetto ad un loro montaggio superficiale, seppure a scapito della densità di coppia. Tuttavia, le barriere dove vengono inseriti i magneti rendono anisotropa la macchina, ma concedono quindi di sfruttare la componente di coppia derivante dall’anisotropia. Per questi motivi le macchine sincrone a magneti permanenti si dimostrano appetibili per tutte quelle applicazioni dove è richiesto un ampio range di deflussaggio ed il volume è un vincolo stringente, come per esempio nel settore automotive. Di tutte le strutture esistenti si è scelto di analizzare quella denominata V-shape, termine che identifica una configurazione in cui la forma della barriera ricorda quella della lettera V. Tuttavia, per garantire la tenuta meccanica non è possibile fare a meno di alcuni ponticelli di materiale ferromagnetico nelle barriere, i quali rendono più complesso il problema della determinazione della coppia, in quanto sono sottoposti ad una forte saturazione dovuta a quella porzione di flusso prodotto dai magneti che si richiude nel rotore senza attraversare il traferro. Pertanto, lo scopo della tesi è quello di sviluppare un metodo analitico che stimi il valore di coppia elettromagnetica prodotta da una macchina IPM V-shape, senza dover ricorrere ad un software per l’analisi agli elementi finiti. Il metodo analitico è stato sviluppato in MatLab. Il primo passo è stato stimare la distribuzione di induzione al traferro risultante da una geometria nota definita tramite un numero minimo di parametri in ingresso. La forma d’onda di induzione al traferro viene determinata tenendo in conto il fenomeno di saturazione dei ponticelli rotorici grazie ad un circuito magnetico non lineare. In questa fase, l’avvolgimento statorico è stato modellizzato come una distribuzione sinusoidale di forza magnetomotrice. Successivamente, è stato possibile stimare il valore della coppia elettromagnetica moltiplicando la distribuzione appena ottenuta con quella della densità di conduttori al traferro. Dal momento che una spira genera una fmm perpendicolare rispetto al piano su cui poggia, la distribuzione di densità di conduttori risulta sfasa to 90° elettrici rispetto forza magnetomotrice statorica. Al termine delle fasi modellistiche, avendo potuto osservare empiricamente che il metodo proposto tende a sovrastimare il valore di coppia elettromagnetica, è stata definita una funzione di attenuazione da applicarsi alla distribuzione di induzione al traferro. Infine, per verificare la metodologia, si sono confrontati i valori ottenuti dal codice analitico con quelli ottenuti da un’analisi agli elementi finiti (tramite il software FEMM4.2). Questi confronti confermano la bontà delle stime analitiche della coppia elettromagnetica (addirittura sotto l’1% se si utilizza la funzione di attenuazione precedentemente descritta) rendendo interessante la metodologia proposta per lo sviluppo di algoritmi di sizing elettromagnetico di motori sincroni IPM di tipo V-shaped.