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La crescente attenzione verso l’efficienza energetica e la sostenibilità ambientale ha spinto il settore industriale a cercare soluzioni innovative per la riduzione dei consumi elettrici. In tale contesto, i motori sincroni a magneti permanenti con avviamento diretto (LSPM - Line Start Permanent Magnet) rappresentano una tecnologia promettente, in grado di coniugare la semplicità di avviamento dei motori asincroni con l’elevato rendimento dei motori sincroni.
L’obiettivo principale della tesi è stato quello di studiare, progettare e analizzare un prototipo di motore LSPM destinato ad applicazioni industriali di media potenza, con particolare attenzione alla sua efficienza e affidabilità operativa. Dopo una parte introduttiva sull’importanza dell’efficienza energetica nei sistemi motorizzati e un’analisi comparativa delle principali tipologie di motori elettrici, si è passati alla fase progettuale vera e propria.
Il lavoro si apre con una panoramica sull’efficienza energetica nei sistemi industriali, evidenziando l’importanza della sostituzione dei motori tradizionali con soluzioni più performanti. Si analizza il quadro normativo europeo e le politiche di transizione energetica, che promuovono l’adozione di motori elettrici ad alta efficienza. In questo ambito, i motori LSPM si pongono come alternativa concreta ai motori asincroni, garantendo risparmi energetici e maggiore sostenibilità.
La tesi analizza in dettaglio le caratteristiche dei motori asincroni e sincroni, confrontandone prestazioni, vantaggi e limiti. Il motore asincrono, ampiamente diffuso per la sua semplicità e robustezza, presenta però rendimenti più bassi, soprattutto a carico parziale. I motori sincroni a magneti permanenti, invece, eliminano le perdite di eccitazione e presentano fattori di potenza più elevati. In particolare, i LSPM combinano una gabbia rotorica asincrona per l’avviamento con magneti permanenti per il funzionamento a regime, consentendo l’avviamento diretto dalla rete e il successivo aggancio alla sincronizzazione.
Un’attenzione specifica è stata dedicata alla scelta dei materiali. Sono stati analizzati i materiali conduttori (rame e alluminio), gli isolanti termici e i materiali ferromagnetici, cruciali per la riduzione delle perdite e la gestione termica della macchina. Particolare cura è stata posta nella selezione dei magneti permanenti (NdFeB), che garantiscono un’elevata densità di flusso e stabilità magnetica.
La progettazione del motore ha seguito un approccio sistematico, con un primo dimensionamento elettromagnetico dello statore e del rotore. È stato sviluppato un modello dinamico completo basato sulle equazioni di Park, in grado di simulare il comportamento del motore nelle fasi di avviamento, sincronizzazione e funzionamento sincrono. Il modello considera fenomeni come la coppia frenante generata dai magneti durante l’avviamento e il rischio di smagnetizzazione.
Il cuore della tesi è rappresentato dallo studio mediante simulazioni FEM (Finite Element Method), realizzate con software specialistici come MotorSolve e MagNet. Le simulazioni hanno permesso di valutare il flusso magnetico, la distribuzione delle induzioni, le perdite nel ferro, la coppia sviluppata e il comportamento dinamico in transitorio.
La fase successiva ha riguardato la progettazione esecutiva del prototipo, includendo il dimensionamento delle cave statoriche, dell’avvolgimento e della gabbia rotorica. Il rotore, di tipo ibrido, è stato realizzato con una gabbia di scoiattolo integrata e magneti permanenti disposti in configurazione piatta, scelta che ha permesso di semplificare la costruzione e ridurre i costi di produzione. Le simulazioni numeriche hanno evidenziato una buona capacità del motore di agganciare la sincronizzazione, l’assenza di fenomeni di smagnetizzazione e un funzionamento stabile anche in condizioni operative critiche.
Particolare enfasi è stata posta sulla valutazione dell’efficienza, parametro centrale per definire le prestazioni del motore, nonché sull’analisi del comportamento a regime sincrono. I risultati ottenuti hanno confermato che la configurazione proposta è in grado di soddisfare i requisiti della classe di efficienza IE4, identificata dalla normativa come “premium”.

The growing focus on energy efficiency and environmental sustainability has driven the industrial sector to seek innovative solutions to reduce electricity consumption. In this context, Line Start Permanent Magnet (LSPM) motors represent a promising technology, capable of combining the simple direct-on-line starting typical of induction motors with the high efficiency of synchronous motors.
The main objective of this thesis was to study, design, and analyse a prototype LSPM motor intended for medium-power industrial applications, with particular attention to its efficiency and operational reliability. After an introductory section on the importance of energy efficiency in motor-driven systems and a comparative analysis of the main types of electric motors, the work proceeded with the actual design phase.
The thesis begins with an overview of energy efficiency in industrial systems, highlighting the importance of replacing traditional motors with more efficient solutions. It includes an analysis of the European regulatory framework and energy transition policies, which promote the adoption of high-efficiency electric motors. In this scenario, LSPM motors emerge as a concrete alternative to induction motors, ensuring energy savings and improved sustainability.
The work analyses in detail the characteristics of induction and synchronous motors, comparing their performance, advantages, and limitations. While the induction motor is widely used for its simplicity and robustness, it generally exhibits lower efficiency—particularly under partial load conditions. On the other hand, permanent magnet synchronous motors eliminate excitation losses and achieve higher power factors. In particular, LSPM motors integrate a squirrel-cage rotor for asynchronous starting with embedded permanent magnets for synchronous operation, allowing direct grid connection and subsequent synchronization.
Specific attention was given to material selection. The study analysed conductive materials (copper and aluminium), thermal insulators, and ferromagnetic materials, all of which are critical in reducing losses and managing thermal behaviour. Special care was taken in selecting permanent magnets (NdFeB), which provide high magnetic flux density and stability.
The motor design followed a systematic approach, beginning with the electromagnetic sizing of the stator and rotor. A complete dynamic model based on Park’s equations was developed to simulate the motor's behaviour during start-up, synchronization, and steady-state operation. The model also accounts for phenomena such as the braking torque generated by the magnets during start-up and the risk of demagnetization.
The core of the thesis consists of finite element method (FEM) simulations, performed using specialized software tools such as MotorSolve and MagNet. These simulations allowed the evaluation of magnetic flux distribution, iron losses, torque production, and dynamic performance in transient conditions.
The next phase focused on the detailed design of the prototype, including the sizing of stator slots, windings, and the rotor cage. The hybrid rotor was built with an integrated squirrel-cage and flat-embedded permanent magnets—an arrangement chosen to simplify manufacturing and reduce production costs. The simulations demonstrated the motor's ability to achieve synchronization, avoid demagnetization, and operate stably even under critical conditions.
Particular emphasis was placed on the evaluation of efficiency, a key parameter in defining motor performance, as well as on the analysis of steady-state synchronous operation. The results confirmed that the proposed configuration meets the requirements of the IE4 efficiency class, defined as “premium” by current international standards.