Modello analitico elettromagnetico-termico 3D di uno smorzatore per applicazioni sismiche : analisi e validazione

In the present thesis, a 3D magnetic-thermal analytical coupled model for a passive electromagnetic damper, with double stator plate each equipped with permanent magnets and with secondary rotating disc-shaped of conductive and not magnetic material, is presented. An electromagnetic analytical model is first developed and it is solved in a 3D cylindrical coordinate system; therefore the torque calculation takes into account both the radial edge effect and the curvature effect without the need to use any corrective factor and it results very accurate even for the geometries where the curvature effects are pronounced. A thermal analytical model is then proposed which, combined with the previous one, describes the behaviour of the damper during an earthquake simulated through the Matlab software. The idea is to carry out the electromagnetic analysis of the damper a priori in order to determine the torque as a function of the angular speed and electrical conductivity (and therefore of the temperature) for an extended range of both speed and conductivity. In this way, it is possible to quickly determine the value of the total power developed in the disk which, properly scaled, represents the source term in the proposed thermal network. The advantage of the coupled analytical model is the great reduction of computation time compared to a 3D finite element simulation one. Furthermore, since the solution is written in closed form, it is easily adaptable for parametric and device optimization studies.

Nel presente lavoro di tesi, è stato presentato un modello analitico magneto-termico combinato 3D per uno smorzatore elettromagnetico passivo, con doppia piastra statorica ciascuna dotata di magneti permanenti e con secondario rotante a forma di disco di materiale conduttore e non magnetico. È stato dapprima sviluppato un modello analitico elettromagnetico che, essendo risolto in un sistema di coordinate cilindriche 3D, nel calcolo della coppia prende in considerazione sia l’effetto di bordo radiale sia l’effetto di curvatura senza la necessità di introdurre alcun fattore correttivo risultando di conseguenza molto accurato anche per geometrie dove gli effetti di curvatura sono pronunciati. È stato poi proposto un modello analitico termico che, combinato con quello elettromagnetico, ha permesso di descrivere il comportamento dello smorzatore durante un sisma simulato attraverso il software Matlab. L’idea proposta è stata quella di effettuare l’analisi elettromagnetica dello smorzatore a priori, determinando la coppia in funzione della velocità angolare e della conducibilità elettrica (e quindi della temperatura) del disco conduttore per un range esteso sia di velocità che di conducibilità. Il grafico così ottenuto ha permesso di determinare rapidamente il valore della totale potenza sviluppata nel disco che, opportunamente scalato, rappresenta il termine di sorgente nella rete termica proposta. Il vantaggio di un modello analitico combinato è la notevole riduzione del tempo computazionale rispetto a quello di una simulazione ad elementi finiti 3D. Inoltre, una soluzione scritta in forma chiusa rende tale modello di facile adattabilità per successivi studi parametrici e di ottimizzazione del dispositivo.