RICERCA ITALIANA     

Aspetti termici nel progetto e nel controllo di azionamenti elettrici innovativi

Politecnico di Milano

Abstract

La ricerca intende approfondire le problematiche termiche del progetto di macchine e azionamenti elettrici di vari settori applicativi, con i seguenti scopi: migliorare i modelli termici dei componenti, sviluppare ausili di progetto, prevedere le sollecitazioni dei materiali, ottimizzare il raffreddamento, il funzionamento e il controllo dei sistemi.
Si avranno ricadute dirette nei seguenti ambiti: processi industriali; settore civile e commerciale; applicazioni aerospaziali; sistemi per la propulsione.
Saranno così ampiamente coperte tipologie e taglie del settore manifatturiero, dei consumi, dei trasporti e dei servizi. Per le aumentate esigenze di competitività, a cui si lega un progressivo sfruttamento dei materiali, la disponibilità di adeguati strumenti di analisi termica è un obiettivo di strategico interesse: per questo, il progetto sarà adeguatamente sostenuto, anche finanziariamente, dall' industria.
L'interazione organica università - industria consentirà di coniugare l'approccio teorico agli aspetti sperimentali e di prototipizzazione, con una robusta finalizzazione di prodotti e obiettivi condivisi, rispondendo concretamente ai problemi
dell'industria italiana di settore, chiamata alla sfida tecnologica di migliorare la qualità del prodotto contenendo i costi, in un mercato globalizzato fortemente competitivo.
Il programma di ricerca sarà mirato allo sviluppo di metodologie di analisi termica per il progetto ed il controllo di motori,
convertitori ed azionamenti, con attività di validazione simulativa e sperimentale. L'ampia gamma di taglie e tipologie richiede specifiche competenze, che le Unità scelte possiedono con equilibrio e complementarietà. Una Unità si occuperà dei motori industriali autoventilati e del settore aerospaziale; una seconda Unità studierà le macchine rotanti e lineari a magneti permanenti (MP) con avvolgimenti concentrati; una terza Unità analizzerà gli azionamenti elettrici per la propulsione e la generazione in veicoli stradali ibridi; una quarta Unità studierà le macchine impieganti materiali magnetici non convenzionali.
Si avrà un utilizzo coordinato ed efficace delle risorse umane e finanziarie, evitando sovrapposizioni.
Circa i risultati finali attesi, che riguardano, tra l'altro, lo sviluppo di modelli termici e la loro implementazione in software
dedicati, segue un elenco di problematiche e applicazioni.

Motori a induzione industriali autoventilati
Modellizzazione termica e criticità delle reti equivalenti.
Studio dello scambio termico testate-carcassa e dell'irraggiamento.
Modelli termici per motori industriali autoventilati e per attuatori in applicazioni aerospaziali.
Prove termiche su motori da alcuni kW a 55 kW e confronto con le simulazioni.

Macchine rotanti e lineari a MP con avvolgimenti di armatura concentrati
Implicazioni termiche delle specificità delle macchine con bobine concentrate.
Calcolo delle perdite principali e addizionali.
Studio del raffreddamento e sviluppo di reti termiche per l'analisi a regime e in transitorio.
Realizzazione di prototipi e attività di validazione sperimentale.

Azionamenti elettrici per veicoli stradali a propulsione ibrida
Reti termiche statiche e dinamiche per macchine elettriche a MP raffreddate a liquido in circuito chiuso.
Raffreddamento di convertitori statici con struttura modulare.
Controllo di azionamenti elettrici di propulsione con analisi termica predittiva.
Attività prototipale e di sperimentazione.

Macchine impieganti materiali magnetici non convenzionali
Caratterizzazione elettrica e termica dei materiali magnetici non convenzionali
Messa a punto di modelli di simulazione FEM di macchine con materiali magnetici innovativi
Studio dei flussi termici e dei flussi convettivi nelle differenti sezioni di macchina
Sviluppo di modelli analitici e messa a punto di criteri progettuali
Realizzazione di prototipi e attività sperimentali <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Antonino DI GERLANDO Politecnico di MILANO

Obiettivo del Programma di Ricerca

Premessa
La sensibilità alle problematiche termiche delle macchine elettriche, dei convertitori statici e degli azionamenti elettrici è cresciuta negli ultimi anni, per le seguenti ragioni:
- la tendenza a migliorare le prestazioni (compattezza ed economicità, rapporti coppia/massa o coppia/inerzia , efficienza, prontezza nella risposta) ha reso importanti la conoscenza del comportamento termico e l'adozione di provvedimenti per limitare le temperature di funzionamento [1];
- l'evoluzione nella tecnologica dei materiali e nelle metodologie di progettazione spinge ad adottare un adeguato approccio anche sugli aspetti termici , per un efficace perseguimento di risultati ottimali [2];
- lo sviluppo di dispositivi elettromeccanici e di apparati di conversione con configurazioni strutturali e/o modalità di impiego non convenzionali richiede un attento esame delle modalità di scambio ed accumulo termico, con la messa a punto e la validazione sperimentale di adeguati modelli [3];
- la aumentata disponibilità di codici di calcolo FEM per l'analisi termica e/o fluidodinamica costituisce un valido strumento di indagine, ma non elimina la necessità di modelli basati su un approccio circuitale, più sintetico, e dunque adatto a condurre rapide analisi parametriche [4];
- lo sviluppo di accurate reti termiche equivalenti dei dispositivi richiede di essere accompagnata da una opportuna serie di rilievi sperimentali su componenti adeguatamente strumentati, per ridurre le incertezze nella conoscenza dei parametri termici [5];
- le crescenti esigenze di disporre di modelli termici più agili, ma al contempo affidabili, di componenti e sistemi, a scopo di controllo e diagnostica, ha spinto a individuare reti termiche equivalenti semplificate, con parametri identificabili da prove, per monitorare le temperature con metodi "ad immagine termica" [6];
- la disponibilità di materiali innovativi, sia magnetici che isolanti, ha introdotto la necessità di rivedere le procedure di progetto tradizionali sulla base delle differenti caratteristiche termiche che essi presentano [7].

Riferimenti Bibliografici
[1] F. Caricchi, F. Crescimbini, A. Di Napoli, M. Marcheggiani, "Prototype of Electric Vehicle Drive with Twin Water-Cooled Wheel Direct Drive Motors", 27th Annual IEEE PESC Conf. Proc., Baveno (Italy), 23-27 June 1996, Vol. 2, pp. 1926-1932;
[2] D. Staton, A. Boglietti, A. Cavagnino, "Solving the More Difficult Aspects of Electric Motor Thermal Analysis", IEMDC'03IEEE Intern. Electric Machines and Drives Conf. 2003, 1-4 June 2003, Madison, Wisconsin, USA;
[3] B. Alvarenga, I. Chabu, J. R. Cardoso: "Thermal Characterization of Long Electrical Devices — Application to a Tubular Linear Induction Motor"; 2003 IEEE International Electric Machines and Drives Conference, pp.942-938;
[4] A. Di Gerlando, I. Vistoli: "Thermal Networks of Induction Motors for Steady State and Transient Operation Analysis"; Conf.ICEM'94, Paris, France, 5-8 Sept. 1994, pp.452-457 ;
[5] G. Henneberger, K. Ben Yahia, M. Schmitz: "Calculation and Identification of a Thermal Equivalent Circuit of a Water Cooled Induction Motor for Electric Vehicle Applications"; Electrical Machines & Drives Conf., 11-13 Sept.1995, pp.6-10
[6] A. L. Shenkman, M. Chertkov: "Experimental Method for Synthesis of Generalized Thermal Circuit of Polyphase Induction Motors"; IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 15, No. 3, September 2000, pp.264-268
[7] YouGuang Guo; Jian Guo Zhu; Jin Jiang Zhong; Wei Wu; "Core losses in claw pole permanent magnet machines with soft magnetic composite stators", IEEE Transactions on Magnetics, Volume: 39 , Issue: 5 , Sept. 2003, pp.3199 - 3201

Obiettivi
L'obiettivo principale della ricerca è lo sviluppo e l'aggregazione delle conoscenze teoriche ed applicative del mondo accademico, per il perfezionamento, la identificazione e la implementazione di modelli termici finalizzati al progetto e al controllo di macchine e azionamenti elettrici in applicazioni di diversi settori (industriale, civile, aerospaziale e propulsione).
Il progetto è caratterizzato da una strategica collaborazione con industrie di settore interessate al miglioramento delle prestazioni dei componenti. Oltre al valore scientifico dei risultati ottenibili è quindi di rilievo la ricaduta applicativa degli stessi sul piano delle aziende produttrici di macchine ed azionamenti elettrici.

Nonostante che l'obiettivo principale sia distinguibile in obiettivi specifici, sono da evidenziare i seguenti punti di validità comune:
1. analisi delle condizioni di scambio termico nelle diverse configurazioni strutturali e condizioni di funzionamento di macchine elettriche e convertitori elettronici di potenza;
2. caratterizzazione termica dei materiali: effetti dielettrici e termici di invecchiamento degli isolanti; effetti termici di
smagnetizzazione nei magneti permanenti; problematiche termiche dei componenti di potenza a semiconduttore;
3. determinazione accurata di entità e localizzazione delle perdite, per la messa a punto di modelli termici affidabili;
4. studio degli aspetti fluidodinamici, e loro implementazione nei modelli termici con particolare riferimento al progetto, allo studio del funzionamento e/o al controllo dei processi che coinvolgono i componenti;
5. sviluppo e perfezionamento di reti termiche dei componenti, basati sulla conoscenza dei dati costruttivi e/o di progetto, in grado di tener conto della variazione delle condizioni funzionali (ad esempio: variazione del raffreddamento in macchine autoventilate a velocità variabile; condizioni di carico a carattere fortemente ciclico);
6. sviluppo e perfezionamento di reti termiche semplificate dei componenti, con parametri identificabili da prove;
7. miglioramento della efficacia dei sistemi di raffreddamento;
8. interfacciamento degli aspetti termici a quelli elettromagnetici nella messa a punto della sequenza di progettazione dei
componenti, con particolare riferimento a mezzi di calcolo "ad hoc";
9. in collaborazione con le aziende, realizzazione di prototipi adeguatamente monitorati termicamente per il rilievo e la
caratterizzazione di fenomeni termici locali e/o di validazione dei relativi modelli complessi (scambi termici in corrispondenza alle testate di avvolgimento, distribuzione di temperatura in cava, scambio termico nel traferro, accurata determinazione dei fenomeni di irraggiamento,...);
10. utilizzando come riferimento i valori ricavati dai dati sperimentali, confronto tra i risultati ottenibili da una analisi termica circuitale rispetto a quelli di simulazioni numeriche mirate, utilizzanti codici commerciali ad elementi finiti per la analisi del campo termico.

È importante sottolineare che la ricerca, mirata ad approfondire contemporaneamente le problematiche termiche delle macchine elettriche e dei convertitori statici per applicazioni industriali, civili, aerospaziali e di propulsione, permette di spaziare da potenze di alcune centinaia di watt (potenza frazionaria) sino ad alcune centinaia di kW, coprendo largamente molti settori delle motorizzazioni e degli azionamenti in bassa tensione. I risultati ottenuti saranno quindi di particolare interesse in quanto di validità generale per una estesa gamma di applicazioni e sistemi.
Le Unità di Ricerca detengono pienamente le competenze richieste per il raggiungimento degli obiettivi tecnici precedentemente elencati, hanno sviluppato diverse collaborazioni a livello nazionale e internazionale e sono ben inserite nell'ambito industriale al fine di rendere concreti i risultati ottenuti. È bene precisare che diverse aziende precedentemente contattate dalle singole Unità di Ricerca hanno risposto positivamente alla richiesta di una attiva e proficua cooperazione nell'ambito di questa ricerca anche dal punto di vista finanziario.
A confermare l'interesse della ricerca proposta è bene inoltre evidenziare la partecipazione di ricercatori stranieri. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

L'impiego di componenti elettromeccanici e di apparati elettronici di conversione va progressivamente diffondendosi e specializzandosi in numerosi ambiti, sia della società civile che in campo militare (soluzioni "more electric drive"): conseguentemente, numerosi sono gli esempi legati ai settori dei processi industriali e dei sistemi di automazione, nelle applicazioni in ambito civile (sia "consumer" che commerciale), e nei sistemi di trasporto (non solo terrestre -veicoli elettrici-, ma anche navale -soluzioni "all electric ship"- spaziale ed aeronautico - "more electric aircraft"-).
Le crescenti esigenze di ottimizzazione delle prestazioni si accompagnano sempre più al perseguimento di altri, importanti obiettivi, fra i quali: la realizzazione di componenti "custom" (con vincoli dimensionali e di servizio specificamente orientati alla applicazione); il contenimento dei costi di produzione (attraverso il maggior sfruttamento dei materiali attivi e la adozione di configurazioni più adatte alla produzione automatizzata); la affidabilità e robustezza di funzionamento (anche in condizioni ambientali severe e in cicli di funzionamento fortemente variabili).
Lo sviluppo di prodotti efficacemente competitivi richiede un approccio integrato, che contemperi i seguenti aspetti:
-nel caso di sviluppo di componenti con configurazioni innovative, adozione di strumenti e metodologie adeguati per la loro progettazione e verifica, caratterizzati da adattabilità a specifiche e tipologie diverse, accuratezza nella previsione delle prestazioni e rapidità di elaborazione (soprattutto quando interfacciati con procedure di ottimizzazione);
-nella eventualità di adozione di componenti commercialmente già disponibili, la loro corretta selezione ed efficace gestione richiede comunque una loro adeguata modellizzazione, per valutarne in modo affidabile i limiti di funzionamento;
-in tutti i casi, è necessario operare un attento studio delle condizioni funzionali del processo considerato ed una ottimizzazione del suo controllo, esaminando le interazioni reciproche fra i componenti, con un'ottica di sistema.
Nell'affrontare queste tematiche, larga parte degli sforzi risulta da sempre dedicata ai seguenti aspetti:
-affinamento delle metodologie per il progetto elettromagnetico delle macchine elettriche (metodi analitici, approccio numerico con codici FEM), spesso non correlato a limiti dimensionali, termici, di costo;
-studi per la definizione di soluzioni di conversione statica con adeguate caratteristiche funzionali (in termini di forme d'onda, regolabilità, compattezza del layout);
-approfondimenti per la messa a punto di schemi di controllo ad elevate prestazioni (precisione nel controllo di posizione e velocità, prontezza di risposta, robustezza e immunità ai disturbi).
Peraltro, l'attenzione dei ricercatori e delle industrie produttrici di macchine e azionamenti va progressivamente sensibilizzandosi alle problematiche di raffreddamento di dispositivi e apparati, in considerazione della crescente importanza connessa ad un adeguato controllo delle condizioni termiche di funzionamento, non solo nella fase di dimensionamento, ma anche durante la gestione del processo.
E' ben noto come la tematica della verifica termica dei componenti costituisca già da tempo un capitolo classico di molti trattati di progettazione: è dunque spontaneo interrogarsi circa gli elementi di interesse e di novità che hanno condotto alla formulazione del presente programma di ricerca. Fra i motivi principali, si possono citare i seguenti:
-le trattazioni classiche sono per lo più relative alle tipologie di base dei componenti, in larga misura con riferimento al regime termico stazionario;
-attualmente, le condizioni di funzionamento sono sempre più spesso lontane da quelle tradizionali del servizio continuativo (al quale tuttora molte normative tendono comunque a ricondursi come condizione equivalente: cfr. IEC Std. 60034-1: Rotating electrical machines – Part 1: Rating and performance), sia come diagrammi di carico, sia come condizioni ambientali;
-la progettazione elettromagnetica deve sempre più strettamente accoppiarsi con l'analisi termica, anche in considerazione del progressivo diffondersi di nuove tipologie di motori elettrici e di soluzioni con configurazioni non convenzionali, progettate "ad hoc" per l'applicazione, per le quali la scelta delle utilizzazioni difficilmente può avvalersi dei dati di precedenti esperienze;
-un tipico elemento di criticità nell'affrontare l'analisi termica è costituito dalla incerta conoscenza dei parametri di scambio: la vasta letteratura della fisica tecnica suggerisce numerose espressioni adimensionalizzate di tali quantità, che tuttavia non sempre risultano correttamente riferibili alle condizioni geometriche, radianti e fluidodinamiche in esame;
- l'analisi termica tradizionalmente condotta sulle macchine elettriche spesso tralascia rilevanti aspetti di natura fluidodinamica: i fluidi refrigeranti, difatti, sono soggetti a moti turbolenti che vanno modellizzati e tenuti opportunamente in conto;
-la disponibilità di aziende alla costruzione ed alla realizzazione di prototipi monitorati termicamente atti all'esecuzione di prove di validazione e caratterizzazione termica, costituisce un elemento decisivo di supporto allo sviluppo di affidabili ed efficaci strumenti di analisi termica e risulta caratteristica peculiare del progetto.

L'attuale panorama internazionale riguardante i diversi aspetti dell'analisi termica è caratterizzato dalle seguenti metodologie di approccio:

[A] Analisi delle problematiche termiche delle macchine elettriche mediante programmi ad elementi finiti [A.1-5].
Caratteristica comune a queste analisi è la adozione di programmi di calcolo potenzialmente in grado di garantire elevata precisione nei risultati, frequentemente attraverso un accoppiamento tra moduli elettromagnetici e termici; tuttavia, tali programmi non sempre sono adatti a modellizzare la complessità strutturale dei componenti e di implementare adeguatamente i fenomeni di scambio convettivo e radiante; infine, si tratta di programmi di rilevante impegno computazionale, difficilmente integrabili in procedure di ottimizzazione. Questo approccio rimane peraltro di significativa utilità per valutazioni di confronto con altre metodologie di calcolo e/o sperimentali.

[B] Studio degli aspetti termo - fluidodinamici delle macchine elettriche, mediante l'uso di programmi basati su tecniche di CFD (Computational Fluid Dynamics) [B.1-5].
Si tratta di analisi molto sofisticate, che utilizzano "packages" specializzati nello studio dei profili di corrente del fluido di raffreddamento e delle relative modalità di scambio termico con le superfici interne ed esterne dei componenti lambiti; peraltro, a fronte di notevoli potenzialità di dettaglio, si tratta di codici di simulazione molto pesanti, in genere utilizzati per analisi mirate, quindi poco adatti allo svolgimento di studi magneto-termici accoppiati o di analisi di sensibilità parametrica.

[C] Analisi della distribuzione di temperatura nelle macchine elettriche, con reti termiche a parametri concentrati [C.1-5].
Questo approccio, da sempre tradizionalmente alla base della verifica termica delle macchine elettriche, ha progressivamente affinato metodologie e accuratezza di modellizzazione, al punto che sono attualmente disponibili pacchetti commerciali accettabilmente affidabili per l'analisi di funzionamento, a velocità di rotazione costante, di alcune tipologie di macchine standard; i vantaggi nell'uso delle reti termiche sono rilevanti: consentono una più agevole implementazione al calcolatore; si prestano ad essere ben integrate in un processo iterativo di ottimizzazione; riducono le risorse ed i tempi di calcolo; consentono un approccio diretto allo studio della sensibilità parametrica del modello. I miglioramenti ottenuti negli ultimi anni sono il risultato di pazienti, progressive attività di validazione e identificazione condotte mediante codici FEM e/o CFD e, soprattutto, per mezzo di verifiche sperimentali; tuttavia, rimane ancora molto lavoro da fare, ad esempio nelle seguenti direzioni:
- ottenere analisi termiche accurate di macchine autoventilate funzionanti a velocità variabile;
-sviluppare una modellistica termica affidabile di macchine il cui impiego impone una struttura di tipo "totalmente chiusa" e capacità di sovraccarico particolarmente elevata;
-effettuare studi di stato termico in ambienti severi o in assenza di atmosfera;
-accoppiare efficacemente l'analisi termica con il progetto elettromagnetico;
-completare gli strumenti di analisi termica inglobando nel modello l'intero azionamento.

[D] Studio termico di componenti statici e di dispositivi della elettronica di potenza [D.1-6].
Si tratta di un settore altrettanto importante di quello dei componenti elettromeccanici, anche per la particolare vulnerabilità ai sovraccarichi, tipica dei componenti statici e dei dispositivi a semiconduttore, a motivo delle loro modeste costanti di tempo termiche; è dunque essenziale adottare adeguati strumenti integrati per la verifica termica, in grado di suggerire un corretto dimensionamento di sistema e di guidare ad una efficace verifica termica degli elementi più sollecitati dalle condizioni di servizio.

[E] Modelli termici semplificati, per monitoraggio e diagnostica, con parametri identificati da prova [E.1-5].
E' un approccio alle problematiche termiche sostanzialmente diverso da quello del progettista. Non si tratta, infatti, di costruire una rete termica a partire dai dati costruttivi e dalla conoscenza delle condizioni di raffreddamento del componente, al fine di ottimizzarne il dimensionamento. Al contrario si tratta di componenti già disponibili sul mercato, dei quali sono ignoti i dati costruttivi, su cui è necessaria una azione di modellizzazione termica adeguata, al fine di implementarne correttamente il comportamento nel processo e/o per monitorarne lo stato termico (per esempio con tecniche di tipo sensorless basati su modelli "ad immagine termica"). Anche in questo settore l'attività da svolgere risulta considerevole, sia per la definizione di modelli circuitali accettabilmente rappresentativi della evoluzione termica delle porzioni più critiche dei componenti, sia per individuare modalità di prova significative e disposizioni di misura adeguate alla identificazione dei parametri di tali reti.
Dall'esame del comparto industriale, con particolare riferimento all'industria elettromeccanica nazionale nel settore dei convertitori e degli azionamenti, emerge un quadro di notevole frazionamento, caratterizzato in prevalenza da un elevato numero di piccole e medie imprese, in genere con buoni livelli di adattabilità e di dinamismo rispetto al mercato, ma con risorse economiche ed umane molto spesso insufficienti per svolgere direttamente in proprio attività di sviluppo e di innovazione. Se non adeguatamente supportata nel fronteggiare la agguerrita concorrenza dell'industria estera, spesso di maggiori dimensioni, questa tipologia di azienda può risultare la più vulnerabile dal punto di vista di una inarrestabile regressione. Da qui la opportunità di un contributo da parte del mondo accademico alla ricerca applicata, finalizzata al miglioramento del prodotto, nella quale l'approfondimento delle problematiche termiche riveste un ruolo strategico. I prodotti della ricerca in oggetto potranno avere una positiva ricaduta nei confronti della industria italiana e proprio questa condizione dovrà essere una delle chiavi di lettura per quanto riguarda i criteri per la valutazione globale e delle singole fasi della attività proposta. A tal proposito, è opportuno sottolineare che questa ricerca ha suscitato notevole interesse in note aziende italiane produttrici di macchine e azionamenti elettrici, che per tale ragione hanno sottoscritto lettere di intenti sul finanziamento della ricerca in oggetto.
Le Unità di Ricerca coinvolte nel progetto hanno una consolidata esperienza di studi e prove nel campo delle macchine e degli azionamenti elettrici e su questi temi hanno notoriamente sviluppato e consolidato rilevanti collaborazioni con aziende del settore.
Tutte le Unità dispongono delle necessarie competenze in termini di progettazione e realizzazione di componenti e sistemi elettromeccanici, elettronici di potenza e di controllo. Come specificatamente dettagliato nei rispettivi moduli B, tutte le Unità hanno in passato validamente partecipato a programmi di ricerca nazionali e/o europei. <<<