Le attività di studio riguardanti l’utilizzo dei materiali superconduttori nelle macchine elettriche, ed in particolare nelle macchine elettriche rotanti, stanno assumendo un rilievo crescente a livello mondiale, ciò è dovuto ai continui miglioramenti delle prestazioni dei superconduttori, che ormai sono disponibili commercialmente in grandi quantità con elevatissimi valori di densità di corrente critica (fino a 1000 A/mm2) e con temperature critiche sufficientemente alte (91 K per l’YBCO, 110 K per il BSCCO e 39 K per l’MgB2) da consentirne un impiego con i sistemi di refrigerazione attuali. In questo rapporto, come studio preliminare, viene considerato l’utilizzo dei materiali superconduttori negli avvolgimenti di campo di un generatore sincrono, perché gli altissimi valori di densità di corrente critica (si ricorda che la corrente critica di un conduttore superconduttivo è il valore di corrente che trasportata dal conduttore determina al suo interno un campo elettrico medio pari a 1 μV/cm), che sono ormai tipici dei nastri superconduttori attuali, permettono di ottenere elevati campi magnetici con perdite per effetto Joule pressoché nulle negli avvolgimenti del circuito induttore, potendo limitare al minimo, o addirittura azzerare, la quantità di materiale ferromagnetico utilizzato nella macchina. E’ evidente che la limitazione della quantità di materiale ferromagnetico impiegato limita anche proporzionalmente i problemi funzionali e quelli legati alle perdite e ai riscaldamenti eccessivi, generati dai fenomeni di saturazione, isteresi magnetica e circolazioni di correnti parassite e inoltre comporta benefici rilevanti in termini di riduzione di ingombri, pesi, particolarmente desiderati nelle macchine eoliche off-shore, ma richiede lo sviluppo di criteri e metodi di progettazione ottimizzata per i generatori superconduttivi. In questo tipo di macchine infatti le linee di induzione magnetica attraversano zone ad elevata riluttanza magnetica perciò non sono più applicabili i metodi analitici semplificati per il calcolo del campo magnetico che vengono comunemente utilizzati nel dimensionamento preliminare delle macchine elettriche tradizionali.
L’obiettivo del presente rapporto è quello di descrivere i risultati delle attività preliminari che sono state condotte per lo studio, lo sviluppo e l’applicazione di criteri e metodi di progettazione ottimizzata per generatori sincroni superconduttivi. Nel rapporto sono perciò mostrati i risultati delle attività condotte nell’ambito delle due sotto attività principali che sono:
1) lo sviluppo di un modello analitico per il calcolo dell’induzione magnetica e del campo magnetico in tutti i punti dello spazio in cui è presente il generatore e in funzione di tutti i suoi parametri fisico-geometrici, l’implementazione di tale modello in un software di simulazione dedicato e l’applicazione del software sviluppato per l’esecuzione di analisi di sensibilità dei valori della distribuzione spaziale dell’induzione magnetica rispetto alla variazione di alcuni dei parametri fondamentali della macchina;
2) l’applicazione del metodo numerico degli elementi finiti per la soluzione dei problemi elettromagnetici nelle macchine elettriche rotanti con avvolgimenti superconduttori. E’ stato impiegato il software commerciale COMSOL Multiphisics con il quale è stata sviluppata una analisi preliminare delle metodiche di impostazione e di soluzione dei problemi sulle macchine elettriche rotanti. Nella fase della progettazione di dettaglio del generatore sincrono è indispensabile infatti l’uso di software di modellazione numerica, perché tale fase richiede diprendere in considerazione tutte le complessità geometriche ed anche alcuni fenomeni fisici che non possono essere simulati tramite un modello analitico.
Poter disporre di modelli sia di tipo analitico e che numerico consentirà due azioni essenziali di validazione reciproca:
• impostando il software numerico nelle identiche condizioni geometriche e fisiche del modello analitico si può verificare l’accuratezza della soluzione numerica approssimata prodotta al variare delle condizioni di calcolo definibili all’interno di COMSOL (tipo di mesh, parametri vari, etc..)
• l’utilizzo del software numerico consente di rimuovere alcune delle restrizioni concettuali di calcolo assunte nel modello analitico (ad esempio la mancanza di correnti indotte nelle eventuali parti ferromagnetiche) e di verificare l’errore che si compie trascurando i fenomeni relativi.