Analisi e progetto di una macchina a commutazione di flusso

Starting from a basic scheme for all flux-switching machines, FEM simulations are used to measure dimensional relationships that optimize performance. Once optimal relationships have been established, the study of machine sizing from specifications has carry on. Then the machine section has been drawn on AutoCad and exported to program FEM, the designated materials are associated with respective areas. Starting from some simplified initial assumptions, it is possible to establish a magnetic circuit model which, not only is useful for the "flux-switching" phenomenon study, but it also allows us to obtain an equivalent magnetic circuit of nonlinear concentric parameters of the machine. From this last nonlinear equivalent circuit, air gap induction is obtained; back-emf and number of pole pair is, in general, indispensable in the early stages of design. The study of the concentric windings connection depends on the operation type. In case of the "generator-oriented" machine, the study aims to symmetrise the three back-emf, but if machine is "motor-oriented", by studying the harmonic fields, it determines for which current harmonics there is a stable pair. Finally, windings are connected according to what is established, thus defining the machine armature circuit. The determination of electromechanical model is indispensable for the machine control, but it is also useful for studying torque curves and analysing the various contributions and their ripples. Finally, as electromechanical model, the flow-current connection is studied. From this, with some FEM simulation techniques, Park’s inductances, indispensable during the control phase, can be obtained. Lastly, we compare the results obtained with other brushless synchronous machines.

Partendo da un progetto di massima valido per tutte le macchine a commutazione di flusso si analizzano, tramite simulazioni FEM, i rapporti dimensionali che ottimizzano le prestazioni. Stabiliti i rapporti ottimali, si studia il dimensionamento della macchina partendo dalle specifiche. Si disegna quindi la sezione della macchina su AutoCad e si esporta in FEM associando i materiali scelti alle rispettive aree. Partendo da alcune ipotesi iniziali semplificative è possibile stabilire un modello magnetico circuitale che, oltre a risultare utile per lo studio approfondito del fenomeno della “commutazione di flusso”, permette di ottenere un circuito magnetico equivalente a parametri concentrati non lineare della macchina da cui ricavare l’induzione al traferro, la f.c.e.m. e la coppia e, in generale, risulta indispensabile nelle prime fasi di progettazione. Lo studio del collegamento degli avvolgimenti concentrati dipende dal tipo di funzionamento. Nel caso della macchina “orientata a generatore” lo studio è finalizzato a simmetrizzare la terna di f.c.e.m., se invece la macchina è “orientata a motore”, tramite lo studio dei campi armonici, si determina per quali armoniche di corrente si ha coppia stabile. Infine, si collegano gli avvolgimenti in base a quanto stabilito, definendo così il circuito di armatura della macchina. La determinazione del modello elettromeccanico è indispensabile per il controllo della macchina, ma risulta utile anche per lo studio delle curve relative alla coppia e l’analisi dei vari contributi e i relativi ripple. Parallelamente al modello elettromeccanico viene studiato il legame flussi-correnti della macchina grazie a cui, con alcune tecniche simulative FEM, si possono ricavare le induttanze di Park indispensabili in fase di controllo. Da ultimo, si confrontano i risultati ottenuti con altre tipologie di macchina sincrona brushless.