RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Aspetti termici nel progetto e nel controllo di azionamenti elettrici innovativi

Università di riferimento

Università degli Studi di CASSINO - AUTOMAZIONE, ELETTROMAGNETISMO, INGEGNERIA DELL'INFORMAZIONE E MATEMATICA INDUSTRIALE - CASSINO(FR)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Fabrizio MARIGNETTI

Descrizione

L'Unità di Ricerca di Cassino, è composta da due ricercatori universitari e da un tecnico laureato dell'Università di Cassino (afferenti al Dipartimento di Automazione, Elettromagnetismo, Ingegneria dell'Informazione e Matematica Industriale e al Dipartimento di Meccanica, Strutture, Ambiente e Territorio) aventi una rilevante esperienza teorica e di orientamento per le diverse problematiche oggetto del Progetto, con competenze specifiche sia nel campo della costruzione delle macchine elettriche che meccaniche e termofluidodinamiche. L'unità fa capo a due laboratori: il Laboratorio di Elettronica Industriale "Giovanni D'Angelo" e il Laboratorio di Misure Elettriche ed Industriali. Quest'ultimo è inserito nel Sistema Internazionale di Taratura (SIT).
All'Unità afferisce anche un ricercatore straniero, operante nel settore della conversione elettromeccanica e nel campo delle energie rinnovabili.
L'azienda COMSOL, produttrice del software agli Elementi Finiti FEMLAB ha aderito formalmente al progetto, impegnandosi a scrivere porzioni di codice dedicato al progetto in oggetto e mettendo a disposizione le sue workstation per le eleaborazioni computazionalmente più onerose.
La ditta Plast Automazioni S.r.l. di Patrica (FR) ha anche comunicato il suo sostegno non oneroso alle attività di progettazione meccanica dei prototipi.
La partecipazione delle aziende e del ricercatore straniero è documentata da lettere di adesione in possesso del Responsabile Scientifico dell'Unità.

L'Unità di Ricerca di Cassino sarà impegnata principalmente nella messa a punto di procedure per la progettazione di macchine elettriche impieganti materiali non convenzionali. Il "Prodotto Principale" dell'attività di ricerca dell'Unità di Cassino ha per oggetto lo sviluppo e la caratterizzazione sperimentale di strutture di macchine sincrone a magneti permanenti del tipo a flusso assiale e lineare tubolare.
I prototipi saranno realizzati in relazione a specifiche esigenze industriali. La loro taglia sarà quindi determinata dalle applicazioni. Per il prototipo di macchina a flusso assiale si prevede una potenza intorno ai 2-3kW, mentre la macchina tubolare esprimerà una potenza di poche centinaia di Watt.

Saranno inizialmente messi a punto modelli multifisici tridimensionali per la computazione delle grandezze elettriche e termiche. Al fine di valutare nel dettaglio l'entità dei flussi convettivi sia naturali che forzati nelle parti fisse e mobili, saranno inoltre messi a punto modelli fluidodinamici che consentano di simulare i percorsi dei fluidi refrigeranti anche diversi dall'aria. In particolare, di concerto con l'Università di Edinburgo, saranno studiate e successivamente verificate macchine raffreddate ad acqua in cui vi sia la presenza di liquidi nel traferro.

I modelli fluidodinamici realizzati verranno accoppiati con quelli elettrici e termici al fine di ottenere una accurata mappatura termica. L'accoppiamento dei differenti modelli sarà effettuato mediante l'utilizzo di opportuni codici numerici.
Come detto, verranno quindi ideati, progettati e realizzati prototipi di macchine sincrone a magneti permanenti tubolari o a flusso assiali impieganti materiali magnetici ed isolanti innovativi, che saranno opportunamente dotati della sensoristica necessaria ad effettuare le opportune verifiche sperimentali.
I prototipi monteranno magneti permanenti al NdFeB e parti dei circuiti magnetici saranno realizzate in SMC.
Verrà quindi realizzato un banco prova automatizzato dotato di sistemi di controllo real-time e di unità di acquisizione dati per la valutazione delle caratteristiche elettriche, meccaniche e termiche dei prototipi realizzati. Verranno inoltre realizzate mappature termiche mediante immagini termometriche ottenute da termocamere a raggi infrarossi che saranno confrontate con le mappe termiche ottenute dalle simulazioni agli elementi finiti svolte in precedenza. L'Unità di Cassino, inoltre, interagirà strettamente con l'unità di Torino in alcune fasi dello svolgimento del progetto, fornendo le competenze necessarie alla modellizzazione termo-fluidodinamica di alcuni particolari di macchina, al fine di confrontare i dati ottenuti dalle simulazioni agli Elementi Finiti con quelli provenienti dalle prove sperimentali su prototipi ad hoc e dai codici numerici dedicati messi a punto dall'Unità di Torino.

Entrando in un maggiore dettaglio, il Programma di Ricerca dell'Unità di Cassino è articolato nelle seguenti 4 FASI, sincronizzate con le corrispondenti fasi del Programma di Ricerca complessivo delle altre Unità di Ricerca.

FASE 1 – (Titolo: Istruttoria Iniziale - Durata: 6 mesi - Costo: 8000 Euro)

Attività
Nel corso della prima fase le attività avranno un carattere di indagine preliminare e conoscitiva. Sarà quindi condotta una indagine bibliografica sulle caratteristiche termiche ed elettriche dei materiali innovativi per la costruzione delle macchine elettriche. Verrà realizzata la scelta dei materiali magnetici e isolanti più interessanti per la costruzione dei prototipi. Verrà condotta una analisi critica dei criteri di dimensionamento classici delle macchine elettriche applicati ai nuovi materiali. Saranno quindi scelti i software per la modellizzazione tridimensionale, per l'analisi termica, elettrica e fluidodinamica agli Elementi Finiti. Verranno acquisite le competenze necessarie alla modellizzazione accoppiata.
Verranno condotte le prove sperimentali per la caratterizzazione termica, magnetica ed elettrica dei diversi materiali.


Interazioni con altre Unità
In questa fase iniziale l'interazione con tutte le altre Unità Ricerca sarà molto stretta, per l'armonizzazione delle attività, lo scambio delle esperienze e delle informazioni, la condivisione dei metodi di progettazione e analisi, e la definizione concordata delle specifiche realizzazioni. Inoltre, fin da questa prima fase, l'Unità di Cassino si attiverà affinché anche le altre Unità possano interloquire e cooperare con gli le Aziende che affiancano l'Unità di Cassino nelle attività previste dal progetto.

Risultati attesi
Caratterizzazione elettrica e termica dei materiali non convenzionali. Predisposizione di modelli numerici e di codici agli Elementi Finiti.


FASE 2 (Titolo: Progettazione Esecutiva - Durata: 6 mesi - Costo: 10.000 Euro)

Attività
Nella seconda fase sarà effettuata l'analisi elettrica, termica e fluidodinamica di varie strutture di macchina. I risultati dell'analisi saranno opportunamente parametrizzati al fine di ottenere la messa a punto di strategie ottimizzate per la progettazione di macchine a flusso assiale e tubolari impieganti materiali non convenzionali. Verrà inoltre condotta l'analisi di macchine con diversi fluidi refrigeranti. Verranno ridefiniti i criteri di progettazione alla luce delle competenze acquisite. Compilazione del progetto esecutivo. Sarà avviata la procedura di realizzazione dei prototipi.

Interazioni con altre Unità
Anche in questa seconda fase sarà necessario interagire con tutte le altre Unità Ricerca, in particolare con Roma per gli aspetti di progettazione avanzata di macchine a flusso assiale, con Torino per gli aspetti relativi alla modellizzazione termo-fluidodinamica di alcune parti costruttive di motori industriali, con Milano per gli aspetti relativi alla progettazione degli avvolgimenti a cave frazionarie.

Risultati attesi
Analisi dei flussi termici e convettivi in strutture di macchine elettriche e in particolari in cui si sono individuate criticità. Realizzazione di una strategia di progettazione che integri i risultati dell'analisi FEM.Modello termico ed elettromeccanico della macchina da realizzare


FASE 3 (Titolo: Realizzazione - Durata: 6 mesi - Costo: 18000 Euro)

Attività
In questa fase verrà completata la costruzione dei prototipi avviata nella fase precedente. Verranno realizzati gli stampaggi per i materiali compositi e alcuni particolari meccanici, che verranno assemblati nei prototipi. Verrà anche realizzato l'azionamento e il banco per le prove sperimentali. Sarnno messe a punto la sensoristica termica, meccanica ed elettrica e il sistema di acquisizione dati. Verrà realizzato e tarato il software per la gestione automatizzata della procedura di prova. Saranno contestualmente realizzate prove sperimentali su attuatori tradizionali già realizzati, specialmente in relazione alla valutazione di grandezze termofluidodinamiche.

Interazioni con altre Unità
In questa fase le interazioni con le altre unità saranno limitate ad aspetti particolari che siano emersi durante le fasi precedenti e di coordinamento, in quanto l'unità sarà impegnata alla realizzazione dei prototipi.

Risultati attesi
Prototipo di azionamento con macchina a magneti permanenti lineare tubolare o a flusso assiale adatto per l'esecuzione di prove termiche.


FASE 4 (Titolo: Sperimentazione - Durata: 6 mesi - Costo: 16000 Euro)

Attività
Nell'ultima fase verranno realizzate campagne sperimentali atte a valutare le prestazioni dei prototipi e soprattutto l'attinenza dei modelli numerici elaborati. Diversi sensori verranno alloggiati all'interno dei prototipi al fine di rilevare l'andamento dei flussi termici durante il funzionamento delle macchine. Le prove verranno effettuate simulando differenti condizioni di servizio e di carico. Verranno quindi eventualmente utilizzate modalità di controllo e/o topologie di inverter mirate alla riduzione delle perdite.

Interazioni con altre Unità
In quest'ultima fase i risultati ottenuti dalla campagna di prove sperimentali verranno condivisi con le altre Unità del Progetto, al fine di suscitare un dibattito critico ed eventualmente di coordinare le azioni per sottoporre i risultati del progetto all'attenzione del mondo universitario e industriale.

Risultati attesi
Prove sperimentali su prototipi di macchine lineari tubolari e a flusso assiale impieganti materiali innovativi. Confronto con macchine tradizionali esistenti