ETD

• Halbach
• Motore a flusso assiale
• Yasa

Il motore oggetto del presente lavoro è stato progettato per essere impiegato in un sistema di compressione dell’idrogeno costituito da pistoni azionati mediante un opportuno apparato di trasmissione meccanica. Attualmente, il movimento lineare necessario all’azionamento dei pistoni è ottenuto mediante attuatori idraulici, che consentono di sviluppare le elevate forze richieste dal processo di compressione. L’impiego di un sistema di azionamento elettrico rappresenta una possibile alternativa alla soluzione oleodinamica attualmente adottata, con l’obiettivo di valutare una configurazione maggiormente integrabile all’interno del sistema esistente.
Tra le diverse tipologie di macchine elettriche, si potrebbe considerare l’impiego di un motore in grado di generare direttamente il moto traslatorio richiesto dai pistoni. In particolare, potrebbe essere utilizzato un motore elettrico lineare, evitando così l’impiego di una trasmissione meccanica per la conversione del moto rotatorio in moto traslatorio. Tuttavia, le elevate forze richieste durante il processo di compressione renderebbero necessario, nel caso di un motore lineare, un dimensionamento significativo in termini di dimensioni e massa, rendendo tale configurazione poco conveniente dal punto di vista dell’integrazione nel sistema.
Per questo motivo, nel presente lavoro è stata considerata una soluzione basata su una macchina elettrica a flusso assiale (Axial Flux Machine, AFM). Questa tipologia può offrire, rispetto alle tradizionali macchine a flusso radiale, un’elevata densità di coppia e di potenza, unitamente a una ridotta estensione assiale, caratteristiche particolarmente interessanti per l’applicazione considerata. Tra le diverse configurazioni di macchine a flusso assiale, è stata scelta la topologia YASA (Yokeless And Segmented Armature), caratterizzata dall’assenza del giogo statorico e dalla presenza di uno statore segmentato disposto tra due rotori.
L’utilizzo di un motore rotativo richiede tuttavia la conversione del moto rotatorio in un moto lineare alternato per consentire l’azionamento dei pistoni. A tale scopo, il motore può essere integrato in un opportuno sistema di trasmissione meccanica, incaricato di trasferire e distribuire il moto ai pistoni e di garantire il funzionamento coordinato del sistema. Nel presente lavoro, tuttavia, l’analisi è focalizzata sullo studio e sul dimensionamento del motore elettrico, mentre l’apparato di trasmissione meccanica viene considerato come elemento esterno al perimetro della progettazione sviluppata nella tesi.
A partire dalle specifiche richieste dall’applicazione, è stato sviluppato un modello di dimensionamento preliminare attraverso il quale sono state individuate due differenti configurazioni del motore, caratterizzate da diverse dimensioni geometriche e da differenti valori nominali di coppia e velocità di rotazione, nel rispetto delle prestazioni richieste dal sistema di compressione dell’idrogeno.
Le configurazioni ottenute sono state successivamente analizzate mediante il metodo degli elementi finiti (Finite Element Method, FEM), utilizzando il software MagNet, con l’obiettivo di valutarne il comportamento elettromagnetico e confrontarne le principali prestazioni. In particolare, sono state analizzate le condizioni di funzionamento a vuoto, la caratteristica coppia-angolo, la coppia di cogging, la resistenza degli avvolgimenti, le induttanze lungo gli assi d e q e la distribuzione del campo magnetico. Sono inoltre state effettuate ulteriori analisi volte a valutare l’influenza della variazione del traferro sulla forza assiale agente sui rotori e sulla forza elettromotrice indotta negli avvolgimenti.