Analisi e progettazione di azionamenti ad alta frequenza, modulari e ad elevato livello di integrazione

Gli azionamenti integrati -intesi come l’insieme di macchina elettrica e convertitore di potenza racchiusi all’interno di uno stessa struttura meccanica- sono stati introdotti all’inizio degli anni ’90. Nelle prime realizzazioni i problemi termici, meccanici e di limitata potenza specifica lato convertitore, non ne hanno consentito la diffusione sul mercato, nonostante avessero peculiarità tali da renderli vantaggiosi. Tuttavia, a seguito di recenti sviluppi nel campo dell’elettronica di potenza, introdotti dai semiconduttori ”wide bangap”, tali strutture sono state oggetto di un progressivo interesse. Gli switch ai Nitruri di Gallio od ai Carburi di Silicio permettono invero di operare a frequenze di switching ed a temperature operative ben maggiori di quelle ottenibili con i tradizionali componenti al Silicio, pur preservando redimenti elevati. La maggiorazione delle temperature operative ammesse mitiga le problematiche termiche; allo stesso tempo, il funzionamento ad alte frequenze conduce ad una diminuzione intrinseca dei pesi e dei volumi dei componenti passivi, calmierando le problematiche di tipo meccanico. Dal punto di vista della macchina elettrica, le alte frequenze di switching aprono la strada a macchine ad elevato numero di poli ed elevata velocità di rotazione, le quali sono naturalmente caratterizzate da coppie e potenze specifiche maggiori. Va evidenziato però, che se non opportunamente trattate esse sono causa di perdite aggiuntive. Questa tesi di dottorato esplora l’utilizzo dei semiconduttori di ultima generazione negli azionamenti ad elevato grado di integrazione di tipo modulare, caratterizzati da un’elevata resilienza al guasto. Al fine di beneficiare appieno dei vantaggi di questa soluzione, e di limitarne gli svantaggi, viene proposto l’impiego della macchina elettrica a flusso assiale a magneti permanenti con avvolgimento di tipo coreless ed avente un rapporto poli-bobine frazionario. Nella tesi vengono inoltre sviluppati gli strumenti per l’analisi e la progettazione della macchina elettrica e del convertitore di potenza; di entrambi vengono costruiti dei prototipi, la cui sperimentazione al banco prova fornisce i dati per la validazione finale degli argomenti trattati nel lavoro di tesi.