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A Finite-Element Method Framework for Modeling Rotating Machines with Superconducting Windings

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A Finite-Element Method Framework for Modeling Rotating Machines with Superconducting Windings

I modelli numerici sono potenti strumenti essenziali per ottimizzarne il progetto delle macchine elettriche e prevederne le prestazioni. Il metodo proposto consiste nel separare il modello di una macchina elettrica in due parti, dove il campo magnetico è calcolato con la formulazione più appropriata: la H-formulation nella parte contenente i superconduttori e la A-formulation nella parte contenente i conduttori convenzionali (ed eventualmente i magneti permanenti). In questo articolo sono presentati diversi casi esemplificativi semplificati per le possibili configurazioni. Essi rappresentano un buon punto di partenza per la modellizzazione di dispositivi più complessi e realistici.

Le macchine elettriche che utilizzano superconduttori costituiscono una soluzione molto promettente in svariate applicazioni. I modelli numerici sono potenti strumenti essenziali per ottimizzarne il progetto e prevederne le prestazioni. La modellistica elettromagnetica agli elementi finiti dei superconduttori è di solito basata su una formulazione del tipo power-law della resistività. L’implementazione di tale formulazione nei classici modelli delle macchine elettriche può risultare molto problematica. Il potenziale vettore magnetico fornisce direttamente il campo elettrico e richiede l’utilizzo di una legge power-law che dipende da esso, che tuttavia è una funzione non limitata che può generare valori estremamente irregolari (specialmente nella regione dei bassi campi elettrici) indebolendo significativamente l’affidabilità della soluzione. Il metodo proposto consiste nel separare il modello di una macchina elettrica in due parti, dove il campo magnetico è calcolato con la formulazione più appropriata: la H-formulation nella parte contenente i superconduttori e la A-formulation nella parte contenente i conduttori convenzionali (ed eventualmente i magneti permanenti). L’obiettivo principale di questo lavoro è determinare e applicare correttamente le condizioni di continuità sul contorno che separa le due regioni. In funzione della posizione di questo contorno – sullo statore o sul rotore della macchina – le condizioni da applicare sono differenti. In aggiunta, l’applicazione di quelle condizioni richiede l’utilizzo dei moltiplicatori di Lagrange che soddisfino le formulazioni delle quantità elettromagnetiche nei due sistemi di riferimento, quello fisso e quello in rotazione. In questo articolo sono presentati diversi casi esemplificativi per le possibili configurazioni. Al fine di evidenziare il nucleo essenziale di questo approccio, gli esempi discussi sono semplificati. Ciononostante, essi rappresentano un buon punto di partenza per la modellizzazione di dispositivi più complessi e realistici.

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