Analisi agli elementi finiti di un motore a magneti permanenti

Articolo a cura di Vincenzo MALLEMACI

Motore sincrono a magneti permanenti

Il motore sincrono a magneti permanenti è un particolare tipo di motore elettrico AC che prevede:

• magneti permanenti (in verde) montati sulla superficie del rotore (parte mobile della macchina, in blu)
• avvolgimento trifase (in grigio) distribuito tra le cave dello statore (parte fissa della macchina, in rosso)

L’avvolgimento crea un campo magnetico rotante. I magneti producono un loro campo che interagirà con quello di statore, con conseguente esplicazione di coppia meccanica. A regime di funzionamento, i due campi ruoteranno alla stessa velocità e per questo il motore è detto sincrono.

Definita una specifica logica di controllo, si può parlare a tutti gli effetti di motore brushless, macchina che oggi giorno sta trovando sempre più spazio nel settore industriale grazie alla sua elevata efficienza e facilità di regolazione.

Una volta che la macchina viene progettata, bisogna attuare la verifica delle sue prestazioni e delle sollecitazioni a cui è sottoposta prima che essa venga effettivamente prodotta in larga scala. Allora un valido strumento che può aiutare in ciò è l’analisi a elementi finiti, realizzata tramite software opportuni.  In generale, tramite questa tecnica di simulazione è possibile risolvere problemi anche molto complessi, in modo numerico e approssimato. L’analisi può essere di tipo magnetico, termico, meccanico…

Analisi agli elementi finiti

L’analisi magnetica permette di valutare, tra le altre cose:

• la distribuzione di induzione nelle parti in ferro;
• la coppia prodotta dal motore;
• lo stato di smagnetizzazione dei magneti permanenti.

È anche possibile simulare la rotazione della macchina interfacciando il noto software MATLAB con quello di analisi agli elementi finiti. Scrivendo opportuni codici è possibile automatizzare le simulazioni.

Noti i dati di progetto della macchina, è possibile realizzare un modello bidimensionale sul software di simulazione per poi attuare l’analisi.

Si può per esempio osservare quali parti della macchina risultano maggiormente sollecitate (col rischio di saturazione) e quali no. Valutazioni di questo tipo possono portare a pensare di modificare il progetto di partenza, con l’obiettivo di trovare un equilibrio tra le perdite nel ferro e il suo sfruttamento.

Risulta molto interessante valutare anche la coppia che il motore eroga, al lordo o al netto delle perdite. La coppia dipende fortemente dalla corrente di alimentazione. Quest’ultima, per la teoria dell’elettrotecnica, si può rappresentare come un vettore che ruota nello spazio. A seconda di come esso sia orientato, il valore di coppia cambia. Per massimizzarlo è necessario orientare nel modo corretto il vettore corrente, attuando un opportuno controllo vettoriale, eseguibile tramite semplici istruzioni su MATLAB.

Un ultimo aspetto interessante è quello legato alla smagnetizzazione dei magneti. Nel normale funzionamento della macchina, il campo magnetico di statore si può orientare in modo concorde o discorde alla polarità dei magneti. Nel momento in cui si pone in modo discorde e il motore inizia a lavorare in sovraccarico, con correnti sempre più elevate, è possibile che qualche magnete subisca una smagnetizzazione. È possibile valutare questo fenomeno sempre attraverso un’analisi a elementi finiti, andando ad individuare per quale valore di corrente ciò avvenga.