Approcci metodologici per l'analisi di un motore sincrono a campo avvolto altamente ingegnerizzato per applicazioni di trazione = Methodological approaches for the analysis of a highly-engineered wound field synchronous traction motor

Il settore dei trasporti è il principale responsabile di emissioni dannose per l’ambiente. Pertanto numerosi governi stanno supportando la transizione verso soluzioni sostenibili ed i veicoli elettrici rappresentano una valida alternativa alle tecnologie convenzionali. Tuttavia, motivazioni geopolitiche relative all’approvvigionamento dei magneti permanenti (PM) alle terre rare spingono le case automobilistiche a sviluppare soluzioni PM-free, quali, ad esempio, i motori sincroni a campo avvolto (WRSM). Esempi recenti sono il motore da trazione della Renault ZOE e della BMW iX3. Infatti, nei motori WRSM, si può controllare, tramite la corrente rotorica, il campo di eccitazione ed avere un ampio intervallo per il funzionamento a potenza costante. Inoltre, l’elevata coppia motrice a basse velocità e la regolazione della potenza reattiva consentono di ridurre le taglie del convertitore e del DC-link. Il presente lavoro di tesi analizza un WRSM altamente ingegnerizzato per applicazioni di trazione elettrica, attraverso un processo di reverse engineering volto a determinare il modello magnetico di tale macchina elettrica. Il modello magnetico consiste nelle relazioni tra flussi concatenati e correnti di statore e di rotore. Le simulazioni agli elementi finiti permettono di definire il modello magnetico, tenendo anche conto della cross-saturation. La geometria del motore è stata ricostruita tramite l’impiego di uno scanner ottico e si è misurata la caratteristica BH del lamierino direttamente sulla macchina reale, al fine di tenere conto dell’impatto del processo costruttivo. Le simulazioni elettromagnetiche del funzionamento a vuoto ed in corto circuito hanno consentito di determinare la mutua induttanza tra statore e rotore e l’induttanza sincrona in asse d. Successivamente, la simulazione della prova a corrente statorica costante e fattore di potenza nullo ha permesso di determinare l’induttanza di dispersione di statore ed il coefficiente di Potier. Si è verificato, quindi, numericamente, il valore teorico determinabile dal rapporto spire tra gli avvolgimenti di statore e di rotore. Le valutazioni sperimentali hanno riguardato principalmente le misure delle induttanze in asse d ed in asse q, secondo una procedura recentemente proposta dai relatori della tesi. Con una corrente continua di statore, si è allineato il rotore nella direzione degli assi a e b fissi di statore. Durante la prova, gli avvolgimenti di statore sono stati connessi secondo configurazioni monofase ed alimentati in alternata alla frequenza di 50 Hz. Si è anche condotta una prova a rotore estratto, ricavando le impedenze di statore e di rotore in questa particolare configurazione. Il confronto tra i risultati delle simulazioni e quelli sperimentali ha fornito informazioni utili a valutare i limiti del modello FEA 2D, evidenziando l’impatto delle dispersioni in testata e dell’accuratezza di misura della lunghezza di traferro reale sui risultati delle simulazioni. Si noti che tutte le prove sperimentali sono state verificate utilizzando il modello magnetico precedentemente ricavato. I risultati della tesi forniscono indicazioni accurate circa le caratteristiche di un WRSM in produzione, che possono essere utilmente impiegate per valutare le prestazioni di codici di dimensionamento dedicati. Nel contempo, le mappe di flusso ricavate sono essenziali per l’implementazione di algoritmi di controllo del motore e danno indicazioni fondamentali per massimizzare l’efficienza del powertrain.