Fabio Luise
A challenging, high
efficiency motor design
CONTEXT
The last decades evidence a steady demand for improved efficiency in energy conversion systems.
Beyond the energy bill, fuel price and services fares daily increase, a general improved sensitivity and perception are also
due to the actions of the United Nations and the European
Community performed at global level. Thanks to the so
called “20-20-20” directive (1) and everyday TV news now
we are all aware that a more or less energy efficient economy
imply both financial and social impacts, that the non renewable sources are limited, polluting and directly responsible
for climate changes, and that the struggling for fossil fuels
control is somehow costing tears and blood.
tion), and in the case of mechanical to electrical energy
conversion (electric power generation).
Looking forward to the present and future need for conversion efficiency and variable speed requirements in the
high speed ranges, ASI started a research project to develop
a so called “high performance” machine for direct drive of
special turbomachinery.
A quota of special turbomachinery applications represents
a market potential since using systems running 24/7 (in
particular when employing induction motors with multiplication gearboxes): they would greatly benefit by an increase of one or more efficiency points.
Target applications could be in the oil & gas industry, with
pipelines, gas distillation processes, air blowers and turboexpanders, that operates in the power range of 500 ÷
1000 kW with speed in the field of 10 ÷15 thousands rpm.
(1 2004/8/EC, 2006/32/EC,COM 2010 2020)
(2 IUSES, Energy Efficiency in Industry, student handbook, Oct. 2010)
(3 The Gold Report: the great rare earth metals reset, Oct. 2011)
(4 Directive of the European Parliament and of the Council, COM 2011 370 Final)
Furthermore the situation is going to be more severe in the
future: the International Energy Agency (IEA) states that even if with a lower pace than the pre-crisis estimations- the
worldwide energy consumption will continue to increase.
Consolidate increase figures are of 2% per year (a doubling
every 35 years), with a growth of energy consumption by
5.5% per year in China (stable over the last 25 years) and a
grow rate in Europe of about 1% (2).
In this context the USA political position change towards the
Kyoto agreements, the massive Chinese investments in renewable sources, or the rareearth material market revolution
of the last two years (3) are only some major hints of a effectively changing situation.
In a world scenario where the energy demand increases while
the fossils reserves are shrinking the price of energy is bound
to increase, thus the importance of energy saving and rational use of energy get more important every day. In the ambitious EU policy of defining a common strategy for smart,
sustainable and inclusive growth in the direction of economic
growth and job creation (3), one of the “20” of the abovementioned directive looks forward to the cut of the energy
consumption by a fifth with energy saving actions.
In fact energy efficiency is the most cost-effective and fastest
way to increase security of supply, and energy savings free
up financial resources that can be reinvested elsewhere in the
economy and can help alleviate public budgets that are under
strain (4).
Clearly the electromechanical conversion plays a primary
role in the industrial energetic scenario, both in the case of
electric to mechanical energy conversion (motoring opera-
INNOVATION
2
PROJECT TECHNICAL TARGETS DEFINITION
In this project ASI decided to target the higher electromechanical conversion efficiency, but clearly added its
knowledge of specific oil & gas market needs to introduce
severe reliability constraints.
Moreover, since there are different electric motors applications in similar power and speed ranges which may need
high dynamic requirements and elevated transient overload
capability, every single one of these requests has been taken
into account in what became a true “high performance”
motor target. For these reasons the machine data have been
selected in order to define the boundary of a region of application more than a single, well defined steady operating
point; within this boundary a set of central representative
data are taken as rated values; the peak, maximum and
central values are reported in Tab.1. Peak operation is
meant as a short-time overload, while the maximum operating condition can be sustained depending on the cooling
system effectiveness.
The efficiency is meant as motor terminals to shaft power
ratio, and the motor has to withstand wide mechanical and
RATED, MAXIMUM AND PEAK MACHINE DATA. (TAB. 1)
Speed
Torque
Power
Efficiency
Rated
Maximum
Peak
10000
602
630
98.5
13500
710
1000
≥ 98
14000
1500
2200
≥ 96
rpm
Nm
kW
%
Sviluppo di un motore
ad alte prestazioni
CONTESTO
Gli ultimi decenni mostrano un costante incremento
nella domanda di miglioramento dell’efficienza dei
sistemi di conversione dell'energia. Oltre all’aumento
giornaliero della bolletta energetica, del prezzo del
carburante e delle tariffe dei servizi, un incremento
nella sensibilità e consapevolezza generali è anche associato alle azioni attuate a livello mondiale dalle
Nazioni Unite e dalla Comunità Europea.
Grazie alla cosiddetta “direttiva 20 20 20” (1) ed alle
notizie televisive quotidiane siamo tutti consapevoli
che un’economia energetica più o meno efficiente ha
un impatto sia finanziario sia sociale, che le fonti non
rinnovabili sono limitate, inquinanti e direttamente
responsabili dei cambiamenti climatici, e che la lotta
per il controllo dei carburanti fossili sta in qualche
modo costando lacrime e sangue. Per di più la situazione sarà più grave nel futuro: l’Agenzia Internazionale per l’Energia (AIE) afferma che, anche se con un
passo più lento rispetto alle previsioni pre-crisi, il consumo mondiale di energia continuerà ad aumentare.
Le cifre consolidate di aumento sono del 2% all’anno
(un raddoppio ogni 35 anni), con una crescita di consumo di energia del 5.5% all’anno in Cina (stabile
negli ultimi 25 anni) e un tasso di crescita in Europa
dell'1% circa (2). In questo contesto la posizione politica degli USA verso gli accordi di Kyoto, i massicci
investimenti cinesi nelle fonti rinnovabili, o la rivoluzione del mercato delle terre rare degli ultimi due
anni (3) sono solo alcuni aspetti di una situazione che
presenta cambiamenti molto reali ed attuali.
In uno scenario mondiale dove il fabbisogno energetico aumenta e le riserve fossili si stanno contraendo,
il prezzo dell'energia è destinato ad aumentare: di
conseguenza il risparmio energetico e l’uso razionale
dell’energia diventano più importanti ogni giorno che
passa. Nell’ambiziosa politica UE di definizione di
una strategia comune per la crescita intelligente e sostenibile verso una crescita economica e una creazione di posti di lavoro (3), uno dei “20” della
suddetta direttiva guarda al taglio di un quinto dei
consumi con azioni di risparmio energetico. In effetti,
il rendimento energetico è il modo più conveniente e
più rapido di aumentare la sicurezza degli approvvigionamenti e i risparmi energetici liberano disponibilità finanziarie che possono essere reinvestite
altrove e possono aiutare ad alleviare i budget pubblici che sono sotto tensione (4).
Chiaramente la conversione elettromeccanica dell'energia gioca un ruolo primario nello scenario industriale, sia nel caso di conversione da elettrica a
meccanica (funzionamento motore), sia nel caso di
conversione da energia meccanica a elettrica (generazione di energia elettrica). Guardando ai bisogni
presenti e futuri dei requisiti di efficienza di conversione nelle gamme ad alta velocità, ASI ha avviato un
progetto di ricerca per sviluppare una cosiddetta
macchina “ad alte prestazioni” per accoppiamento
diretto a turbomacchine speciali.
3
Fabio Luise
thermal fatigue stress in order to endure cyclic and
overload operation; moreover the rotor should behave
in a subcritical way in the whole speed range with an
appropriate separation margin with respect to the 1st
bending critical speed.
A machine with such qualities is technically extremely
challenging, to the point that its characteristics sound
quite impossible to motor designers: due to materials
physical properties and technology limits it simply
does not exist in an industrial form.
First of all the preliminary analysis evidenced that to
reach rotordynamic stability in the whole speed range
the rotor suspension has to be performed by means of
active magnetic bearings, that is, with standard “passive” bearings such a rotor would intersect the first
bending mode in the speed range and would destroy.
So this is the first time ASI internally face the design
of a magnetically levitated rotor; but in general to give
every single design requirement a positive answer a
new and specific design approach has been necessary:
for once ASI wanted to explore the extreme technical
limits, thus organized consequently the design effort
on a base concept radically different from all the
known architectures and developed adequate high-end
calculation techniques.
BASE IDEA
ASI decided to bet on a core technology based on a
permanent magnet, radial flux, slotless stator with a
rotor magnetized according to an Halbach array, supplied by a multilevel cascade converter. Thus the stator
has no teeth, the winding is simply distributed on a
cylindrical yoke and the rotor is essentially a composition of magnets with sequentially magnetized angles
retained by a high tensile strength sleeve, and the
power converter uses several cascade cells. The technology is not completely new: somehow there are
common points with certain high speed flywheel energy storage systems, but set down to the industrial reality and related sizes.
In this case the Halbach magnetization (originally developed and adopted in particle physics applications)
is adopted for several reasons, the main being the characteristic of allowing a “deep airgap” flux injection
with limited inter-pole flux leakage. These basic
choices are based on the “feeling” that a combination
a of a low amplitude armature reaction combined with
a quasi-sinusoidal excitation field lead to a smooth
magnetic interaction at the airgap, allowing for contained rotor eddy current phenomena even in the dimensions under focus, and allowing high transient
overload capability too.
The easiest way to cool a high speed rotor is by means
of forced air convection (hydrogen would have been
more effective, but expensive since difficult to be kept
sealed with magnetic levitation). Since the fluid friction
–even in the preferred slightly sub-sonic condition- represent an important loss quota, to cool the rotor with
an axial air flow inside a diminished pressure chamber
minimizes the friction losses too. With a contained air
flow also the auxiliary fans power consumption gets
positively minimized. Thus to keep the rotor losses (and
temperature) as low as possible by means of the abovementioned electromagnetic architecture, is deemed as
paramount to the aim of getting such a system efficiency, reliability and dynamic stability.
The stator cooling is provided by forced fluid circulation, while the rotor cooling is provided by a forced
air symmetrical flow (open loop). The rotor magnets
are made of samarium cobalt and the centrifugal retention is provided by a carbon fibre composite sleeve.
The magnetic bearings are three (2 radial + 1 thrust),
and provide rotor levitation and axial reaction to the
directly coupled extremity impeller, see Fig.1.
It is well known that the slotless concept cannot be as
power (or torque) dense as a “standard” permanent
magnet motor: its positive features are not related to
Una quota delle applicazioni delle macchine elettriche accoppiate a tali turbomacchine speciali rappresenta un potenziale di mercato interessante in quanto si tratta di
applicazioni funzionanti 24 ore su 24, in particolare
quando la soluzione esistente impiega motori a induzione
a bassa velocità e ingranaggi moltiplicatori.
Con la soluzione ASI tali macchinari beneficerebbero di un
aumento di rendimento. Le applicazioni di riferimento potrebbero essere nel settore dell’Oil&Gas: pipeline, processi
di distillazione gas, soffianti aria e espansori turbo in un
intervallo di potenza di 500 ÷ 1000 kW con velocità di 10
÷ 15 migliaia rpm.
DEFINIZIONE OBIETTIVI TECNICI DEL PROGETTO
In questo progetto ASI ha deciso di mirare alla più alta efficienza di conversione elettromeccanica, aggiungendo però
vincoli di affidabilità derivati dalla sua conoscenza del mercato Oil & Gas. Poiché esistono diverse applicazioni di motori elettrici con gamme di potenza e velocità simili che
possono aver bisogno di elevati requisiti dinamici e di
un’alta capacità di sovraccarico transitorio, questi requisiti
addizionali sono stati tenuti in considerazione nello studio
del motore ad alte prestazioni. Per questi motivi i dati delle
macchine sono stati selezionati allo scopo di definire il confine di applicazione più che non un singolo punto di lavoro
costante ben definito. Entro questo confine una serie di dati
rappresentativi sono presi come valori nominali; i valori di
picco, massimo e centrale sono riportati nella Tab. 1.
DATO NOMINALE, MASSIMO E DI PICCO DELLA MACCHINA. (TAB.1)
Velocità
Coppia
Potenza
Efficienza
Nominale
Massimo
Di picco
10000
602
630
98.5
13500
710
1000
≥ 98
14000
1500
2200
≥ 96
rpm
Nm
kW
%
Il funzionamento di picco è inteso come sovraccarico nel
breve periodo, mentre la condizione di massimo funzionamento può essere anche sostenuta per lunghi periodi, a seconda dell’efficacia del sistema di raffreddamento.
Fig. 1 - Motor active parts section and free-air Halbach array magnetic flux lines
pattern.
Fig. 2 - Sezione parti attive motore e modello linee flusso magnetico serie
Halbach ad aria libera.
an exceptional compactness, but to the limited losses
amount, to their unique distribution and small reactance. In this sense, it always represent a relaxed, comparatively expensive and precious machine (the axial
length is little more than one meter). Among the selected machine topology qualities there is the absence
of cogging torque and a low phase inductance value.
Since the subtransient reactance is proportional to the
inductance, such a characteristic is desirable because
Il rendimento è inteso come rapporto tra la potenza ai terminali motore e quella all’albero. Il motore deve sostenere
un'ampia sollecitazione di fatica meccanica e termica per
sopportare il funzionamento ciclico e di sovraccarico; inoltre il rotore deve comportarsi in modo subcritico nell’intero intervallo di velocità con un margine di separazione
appropriato rispetto alla 1ª velocità critica di flessione.
Una macchina con tali qualità è tecnicamente assai sfidante, al punto che le sue caratteristiche suonano piuttosto
impossibili ai progettisti di motori: a causa delle proprietà
fisiche dei materiali e dei limiti tecnologici, essa semplicemente non esiste in forma industriale. Prima di tutto l’analisi preliminare ha evidenziato che, per raggiungere la
stabilità rotodinamica nell’intero intervallo di velocità,
deve essere utilizzata la sospensione del rotore per mezzo
di cuscinetti magnetici attivi. Infatti con cuscinetti standard
“passivi” tale rotore incrocerebbe la prima modalità critica
di flessione nell'intervallo di velocità di lavoro e si distruggerebbe. Questa è la prima volta che ASI affronta internamente il progetto di un rotore a levitazione magnetica; per
dare a ognuno dei singoli requisiti di progetto una risposta
positiva, è stato necessario un approccio alla progettazione
specifico e non standard: per una volta ASI ha voluto
esplorare i limiti tecnici estremi organizzando di conseguenza lo sforzo progettuale su un concetto base radicalmente differente da tutte le architetture note e sviluppando
adeguate tecniche di calcolo.
IDEA BASE
ASI ha deciso di scommettere su una architettura a flusso
radiale incentrata su di uno statore slotless (senza cave) e
con un rotore magnetizzato secondo l’array Halbach, fornito da un convertitore a cascata multilivello.
In tal modo lo statore non ha cave, l’avvolgimento è distribuito semplicemente su una forcella cilindrica, il rotore è
fondamentalmente una composizione di magneti con angoli magnetizzati in opportuna sequenza, ritenuti da una
camicia ad alta resistenza meccanica, ed il convertitore di
potenza usa diverse celle elementari in cascata.
Le singole tecnologie non sono nuove: vi sono alcuni punti
in comune con taluni sistemi cinetici di immagazzinamento
dell'energia, ma portati dal laboratorio alla realtà industriale e alle relative dimensioni. In questo caso la magnetizzazione Halbach (originariamente sviluppata ed
impiegata per applicazioni nella fisica delle particelle) è
adottata per diversi motivi, tra questi il principale è la peculiare caratteristica di consentire una iniezione di flusso
in un traferro profondo con una dispersione di flusso contenuta. Queste scelte fondamentali sono basate sulla intuizione che la combinazione di una reazione dell’armatura
di bassa ampiezza con un campo di eccitazione quasi sinusoidale conduca a una interazione magnetica dolce nel traferro, consentendo fenomeni contenuti di correnti parassite
anche nelle dimensioni sotto esame, e permettendo anche
un’elevata capacità di sovraccarico transitorio.
Il modo più facile di raffreddare un rotore ad alta velocità
è per mezzo di aria forzata (l’idrogeno sarebbe stato più
efficace, ma anche costoso essendo difficile da tenere sigillato con la levitazione magnetica).
Poiché l’attrito del fluido – anche nella condizione preferita
che è appena sub-sonica - rappresenta un'importante quota
di perdita, raffreddare il rotore con un flusso d'aria assiale
in una camera a pressione ridotta riduce le perdite per frizione con l’aria. Con un flusso d'aria contenuto anche il
consumo di potenza delle ventole ausiliarie viene notevolmente ridotto. Quindi mantenere basse le perdite del rotore
(e la sua temperatura) per mezzo della suddetta architettura
elettromagnetica è considerato fondamentale allo scopo di
perseguire il rendimento, l’affidabilità e la stabilità dinamica cercate.
INNOVATION
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Fabio Luise
it allows a meaningful overload capability with limited
demagnetisation issues, to withstand sudden and
heavy torque variations without pole-slipping issues,
and because the machine could be used in a generation
application connected to a convenient multiphase, uncontrolled diode rectification system without serious
voltage drop phenomena.
ASI is currently manufacturing a machine prototype:
at present the efficiency focus on the special electromechanic part, while reserving a better insight on the
power electronics for the moment in which both the
true performance and the motor potentials will be
more defined. This means that the prototype rated
voltage is 690V and the power supplier will be a converter based on off-the-shelf components, but on the
other hand a special multilevel power converter is currently being defined. The future converter will allow
an overall conversion chain efficiency increase, and
due to the much cleaner waveforms it will also avoid
the adoption of bulky and expensive sinusoidal filters
(that will be used only in the prototype qualification
process).
developed a special, integrated multi-physics software
tool -Daphne3- that allows to define a one-to-one
input-output correlation (when existing) between the
multi-dimensional spaces of the design variables and
of the motor performance.
The computational core is hybrid between analytical
and 2D finite element and involves interaction of various software packages; among other features it took
into account for the phenomena listed in the central
rectangular of Fig.2.
In general a multi-objective optimization process requires defining the design variables (i.e. the set of
Fig. 2 - Design logic process.
GENETIC DESIGN TECHNIQUES
The challenges related to the selected motor configuration are several and involve both the adoption of
new materials and a strong need for innovative computation techniques. The materials introduced (such
as sintered ceramics, carbon compounds composites)
and the technical solutions found (such as the litz wire
winding retention, the magnetic circuit fluid cooling)
have been developed and tested in ASI facilities or
qualified for the singular use together with specialised
suppliers.
On the numerical analysis front, for the very first time
a full stochastic algorithms optimization technique has
been adopted. The main design target is the losses containment: since there is no detail knowledge on the
slotless Halbach configuration, the domain variables
are numerous and because the optimum physical properties exploitation needs the electromagnetic, structural, thermo-fluidic and rotordynamic analyses to be
performed in close iteration, the only reasonable calculation approach is by stochastic design.
The losses phenomena to be evaluated are: air friction,
copper losses, magnetic circuit losses, bearings losses,
air cooling power adsorption, rotor and stator structures induced eddy currents losses, PWM-distorted
voltage supply waveforms impact. For this reason ASI
Fig. 2 - Processo logico di progetto.
quantities from the space of the variables whose values
are allowed to vary throughout the process), the constraints (i.e. a set of equalities or inequalities which
need to be satisfied for the design to be feasible or acceptable) and the objective functions to be minimized
or maximized. Apart from a starting “blind” phase
(the so called design of experiment, DOE) in which the
variables are randomly picked, the optimiser provides
for the weighted launch of every new set of calculations (generation) using the trends and gradients established on the basis of the previous generations
performance achieved. Each individual (a single evaluated configuration) whose performance is overtaken
by a younger one, it is simply dismissed but the relative
variables gradient is kept into memory. In this way
while the generations are renewed the performance
evolve towards the given objective and the single variables move towards the optimum design set.
In particular this multi-objective (MO) optimization
has been developed with a genetic algorithm (GA) approach, that numerically mimics the process of natural
evolution. During the process the input variables are
changed on the base of the three main GA operators
mutation, crossover and selection in order to optimise
the fitness functions -here the simultaneous minimization of total losses and cost-. In this case the materials
properties have been fixed together with the power
Il raffreddamento dello statore è garantito mediante fluido
a circolazione forzata, mentre il raffreddamento del rotore
è garantito da un flusso simmetrico ad aria forzata (circuito
aperto). I magneti del rotore sono in samario-cobalto e la
ritenzione centrifuga è fornita da una camicia composita
in fibra di carbonio. I cuscinetti magnetici sono tre (2 radiali + 1 reggispinta), e forniscono la levitazione del rotore
e la reazione assiale alla girante accoppiata direttamente
alla estremità, vedere Fig. 1.
È ben noto che una struttura slotless (non superconduttiva)
non può essere densa in potenza (o coppia) quanto un motore standard a magneti permanenti: le sue caratteristiche
positive sono correlate non già a una compattezza eccezionale, ma alla quantità limitata di perdite, alla loro distribuzione esclusiva e alla modesta reattanza. In questo senso,
essa rappresenta sempre una macchina rilassata, relativamente costosa (la lunghezza assiale è di poco superiore ad
un metro). Fra le qualità della struttura selezionata c'è l’assenza di coppia d’impuntamento e un valore di induttanza
fase particolarmente basso.
Poiché la reazione subtransitoria è dominata dalla reattanza principale, la bassa induttanza di fase è desiderabile
perché consente una significativa capacità di sovraccarico
comunque realizzando un modesto impatto smagnetizzante, e quindi consente di resistere a improvvise e pesanti
variazioni di coppia senza problemi di perdita di passo.
Inoltre quando collegata a un opportuno sistema di rettifica multifase a diodi (non controllati) permette l’utilizzo
in sistemi di generazione senza soffrire di importanti fenomeni di caduta di tensione. ASI sta attualmente fabbricando un prototipo di macchina con le caratteristiche
elencate: per adesso l’attenzione sul rendimento si concentra sulla speciale parte elettromeccanica, riservando un’attenzione particolare all’elettronica di potenza per il
momento in cui le reali prestazioni e le potenzialità del motore saranno più definite.
La tensione nominale del prototipo è di 690 V e in questa
prima fase l'alimentatore sarà un convertitore “attrezzo”
basato sui componenti presenti sul mercato, mentre nel
contempo è in fase di definizione un convertitore di potenza multilivello. Il futuro convertitore consentirà un aumento dell’efficienza complessiva della catena di
conversione, e, grazie alle forme d'onda molto più pulite,
esso eviterà anche l’adozione di filtri sinusoidali ingombranti e costosi (che saranno usati solo nel processo di qualifica del prototipo con il convertitore attrezzo).
PROGETTAZIONE CON TECNICHE GENETICHE
Le sfide relative alla configurazione del motore scelto sono
diverse e riguardano sia l’adozione di nuovi materiali sia
l’utilizzo di tecniche di calcolo innovative. I materiali introdotti (come ceramiche sinterizzate, composti del carbonio) e le soluzioni tecniche trovate (quali la ritenzione di
avvolgimento in filo litz, il raffreddamento a fluido circuito
magnetico) sono stati sviluppati e collaudati in strutture
ASI (laboratorio) o qualificati per l’impiego insieme ai fornitori specializzati. Sul fronte dell’analisi numerica, per la
prima volta è stata adottata la progettazione basata su ottimizzazione stocastica multiobiettivo. Gli obiettivi principali del progetto sono il contenimento delle perdite e dei
costi, e non è disponibile know-how di dettaglio sulla configurazione slotless Halbach: le variabili di dominio sono
numerose e le loro variazioni hanno effetti impredicibili.
La combinazione e lo sfruttamento ottimale delle proprietà
fisiche dei materiali necessita che le analisi elettromagnetica, strutturale, termica e rotodinamica siano eseguite in
sequenza: per questi motivi l’unico approccio di calcolo
giudicato come ragionevole è quello stocastico.
Le perdite da valutare sono: attrito con l’aria, perdite del
rame, perdite del circuito magnetico, perdite dei cuscinetti,
assorbimento di potenza del raffreddamento dell'aria, perdite delle correnti parassite indotte dalle strutture di rotore
e statore, l’impatto forme d'onda alimentazione tensione
distorte da PWM. Dati questi presupposti ASI ha sviluppato uno strumento software dedicato che integra le necessarie analisi multi disciplinari (Daphne3), esso consente di
definire una correlazione ingresso-uscita uno a uno
(quando esistente) tra gli spazi multi-dimensionali delle variabili di progetto e delle prestazioni della macchina. Il nucleo computazionale è un ibrido tra calcolo analitico ed
elementi finiti bidimensionali e utilizza l’interazione di vari
pacchetti software.
Tra le altre caratteristiche, Daphne3 tiene in conto dei fenomeni elencati nel rettangolo centrale della Fig. 2. In generale un processo di ottimizzazione multi-obiettivo
richiede la definizione delle variabili di progetto (cioè la
serie di quantità tratte dallo spazio delle variabili i cui valori possono variare in tutto il processo), dei vincoli (cioè
una serie di uguaglianze e disuguaglianze che devono essere
soddisfatte perché il progetto sia fattibile o accettabile) e
delle funzioni obiettivo da minimizzare o massimizzare.
Oltre a generare la fase “cieca” (il cosiddetto progetto di
primo tentativo -DOE- in cui alle variabili sono assegnati
casualmente valori del dominio), l’ottimizzatore provvede
al lancio ponderato di ogni nuova serie di calcoli (generazione) usando le tendenze e i gradienti stabiliti sulla base
delle prestazioni conseguite con le generazioni precedenti.
Ogni individuo (ovvero ogni singola configurazione valutata) la cui prestazione viene sorpassata da uno più giovane, viene semplicemente scartato, ma il relativo gradiente
delle variabili viene tenuto in memoria. In questo modo
mentre le generazioni sono rinnovate, la prestazione evolve
verso il dato obiettivo e le singole variabili si spostano
verso la serie ottimale di progetto. In particolare questa ottimizzazione multi-obiettivo (MO) è stata sviluppata tramite algoritmi genetici (GA), che imitano numericamente
il processo di selezione naturale. Durante il processo, le variabili di ingresso vengono cambiate sulla base dei tre prin-
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supply characteristics, and a dozen of parameters
(mainly of geometrical nature) have been selected out
of the space of variables (their selection being based
on previous, hand made analyses); these key variables
are equivalent to the genomes in chromosomes. The
multi-objective genetic algorithm (MOGA) optimization has been chosen because some of the objectives
were expected to be in general contrast and some of
the variables allow discrete variation.
When analysing the history plot of the single variables
it is possible to appreciate their randomly scattered
evolution reported in Fig.4, that is characterized by an
asymptotic trend only for the objectives.
To select the right design to be manufactured, ASI designers had to choose the most suitable geometry be-
The plot of the individuals onto a Cartesian graph
with the two objectives on the two axes shows that
the optimum designs tend to the Pareto frontier. The
Pareto frontier is the set of best fitting individuals, that
are the ones whose genomes cannot be singularly varied without causing a decrease of other fitness levels;
in this case it is formed by the set of motors whose
cost decrease would imply a power loss increase and
vice versa, see Fig.3.
Since the variables and performance spaces have several dimensions, the output data analysis is not trivial
Fig. 4 - Example of evolution of a geometric variable during the optimization
process.
Fig. 4 - Esempio di evoluzione di una variabile geometrica durante il processo
di ottimizzazione.
tween dozens of designs belonging to the Pareto
frontier. To simplify this task the parallel coordinates
chart represents each optimum design by means of a
web of segments connecting the value of the variables
and objectives, see Fig.5.
In this environment the designers can apply additional
thresholds and study how the ranges of the most im-
Fig. 3 - bubble chart of the two objectives. Are also reported the design number
(bubble colour, from blue to red the evolution from the beginning to the end of the
optimization) and the maximum windings temperature (bubble diameter).
Fig. 3 - Diagramma a bolle dei due obiettivi. Sono anche riportati il numero di
progetto (colore bolla, da azzurro a rosso l’evoluzione dall’inizio alla fine dell’ottimizzazione) e la massima temperatura avvolgimenti (diametro bolla).
and requires smart display and filtering tools; for example in Fig.3 the designs are divided into two regions
from a constraint of minimum acceptable efficiency
equal to 98.2%, while the bubble diameter represent
designs with a high winding temperature -which have
been naturally penalized during the evolutionary
process in order to promote the more cool and efficient designs.
Fig. 5 - The parallel coordinates web links the variables and objectives of each Pareto
frontier design.
Fig. 5 - La rete delle coordinate parallele collega le variabili e gli obiettivi di
ogni progetto frontiera Pareto.
portant variables of the project get simplified and
shrunk. For example just limiting the minimum efficiency to 98.2% or the maximum windings temperature to 130°C, a large number of designs (>80%)
become unfeasible and disappears, simplifying the se-
cipali operatori GA mutazione, incrocio e selezione per ottimizzare le funzioni di idoneità, qui rappresentate dalla
minimizzazione simultanea delle perdite e del costi. In questo caso le proprietà dei materiali sono state fissate così
come le caratteristiche dell’alimentazione, mentre una dozzina di parametri (principalmente di natura geometrica) è
stata selezionata dallo spazio delle variabili (la loro scelta
basata su analisi numeriche preliminari); queste variabili
chiave sono equivalenti ai genomi nei cromosomi. L’ottimizzazione con algoritmi genetici multi-obiettivo (MOGA)
è stata selezionata perché si supponeva che alcuni degli
obiettivi fossero in contrasto e alcune delle variabili ammettessero una variazione discreta. Il diagramma degli individui trovati su di un grafico cartesiano avente i due
obiettivi sui due assi mostra che i progetti ottimali tendono
alla frontiera di Pareto.
La frontiera Pareto è la serie degli individui migliori, cioè
quelli i cui genomi non possono essere variati singolarmente senza causare una diminuzione di altri livelli di idoneità. In questo caso essa è formata dalla serie di motori
la cui riduzione del costo implicherebbe un aumento della
potenza persa e viceversa, vedere Fig. 3. Poiché gli spazi
delle variabili e delle prestazioni hanno molteplici dimensioni, l’analisi dei dati di uscita non è banale e richiede una
visualizzazione astuta e adeguati strumenti di filtraggio. Un
esempio è riportato nella Fig. 3; i progetti sono divisi in
due regioni da un vincolo di minima efficienza accettabile
pari al 98.2%, mentre il diametro della bolla rappresenta
progetti con un’alta temperatura degli avvolgimenti, i quali
sono stati naturalmente penalizzati durante il processo evolutivo per promuovere i progetti migliori e più efficienti.
Quando si analizza il tracciato cronologico delle singole
variabili è possibile apprezzare la loro distribuzione casuale, riportata nella Fig. 4, che è caratterizzata da una evoluzione asintotica solo per le variabili obiettivo. Per
selezionare il migliore progetto da realizzare, i progettisti
ASI hanno dovuto scegliere la configurazione più appropriata tra dozzine di progetti appartenenti alla frontiera di
Pareto. Uno degli strumenti adottati per semplificare questo compito è il diagramma delle coordinate parallele, che
rappresenta ogni progetto ottimale per mezzo di una rete
di segmenti che collegano il valore delle variabili e gli obiettivi, vedere Fig. 5.
In questo ambiente i progettisti possono applicare soglie
ulteriori e studiare come gli intervalli delle variabili più importanti del progetto si semplificano e riducono. Per esempio, limitando semplicemente la minima efficienza al
98.2% o la massima temperatura degli avvolgimenti a
130°C, un gran numero di progetti (>80%) diventa impraticabile e scompare, limitando l’ambito della scelta; infine
il progetto selezionato può assomigliare alla linea azzurra
tratteggiata nella Fig. 5. Il processo numerico descritto in
realtà è abbastanza complesso e la fase di sviluppo di Daphne3 ha richiesto circa cinque mesi, più un paio di mesi
per la correzione errori e la taratura finale. Se la configurazione è considerata fattibile, Daphne3 ha bisogno di circa
quattro ore su una cpu veloce per correlare una serie di variabili a un individuo con tutte le sue prestazioni. Per ridurre il più possibile il tempo di riproduzione generazioni,
ASI ha usato la potenza di calcolo di varie cpu in parallelo
e per raggiungere la soluzione ottimale selezionata sono
stati generati circa settecento individui, mentre solo quattrocento hanno raggiunto lo screening della performance.
ROTORE A LEVITAZIONE MAGNETICA
Per raggiungere i valori obiettivo di potenza e velocità in
un tale rotore -relativamente lungo- i cuscinetti magnetici
attivi (AMB) sono necessari per consentire un comportamento rotodinamico subcritico nell’intero intervallo di velocità. In generale la densità volumetrica di coppia per
l’architettura slotless Halbach non è alta, e il diametro di
rotore è limitato per non oltrepassare i limiti strutturali dei
materiali e per tenere la velocità periferica subsonica.
Con questa soluzione il rotore in moto non tocca mai le
superfici circostanti: la costruzione risulta completamente
priva di olio e non ha nessuna parte soggetta a usura, raggiungendo la massima efficienza e affidabilità, introducendo inoltre la possibilità di correggere lo sbilanciamento
residuo del rotore o deformazioni termiche inattese. Sono
infine naturalmente implementate anche importanti funzioni di monitoraggio e diagnostica rotorica on line. Il nucleo di calcolo Daphne3 tiene conto delle dimensioni
fattibili delle giranti condotte, delle proprietà inerziali, del
centro della massa e dei carichi di spinta. I vincoli di spostamento assiale facevano sì che il cuscinetto magnetico attivo (AMB) reggispinta fosse posto preferibilmente sul lato
trasmissione, tra i due AMB radiali.
Questa scelta consente un controllo più stretto della posizione della girante e un comportamento subcritico stabile,
con un appropriato margine di separazione rispetto alla 1ª
velocità critica di flessione anteriore.
Le modalità di rotazione inverse non devono essere tenute
in conto con gli AMB; le due modalità rigide (modalità cilindrica e conica) sono poste sotto l'intervallo di velocità
di interesse, vedere Fig. 6.
Nella peggiore condizione di squilibrio dinamico la risposta mostra un’ampiezza di spostamento sotto la soglia delle
regole API: L’ampiezza dello spostamento radiale ammessa
è pari al 20% del gioco dei cuscinetti di emergenza (di tipo
“touch down”) nella condizione di carico massimo. Una
possibile evoluzione futura potrebbe interessare le applicazioni dei motori con obiettivi di rendimento inferiore, e
guarda all’adozione di cuscinetti ceramici ad alta precisione
invece di cuscinetti magnetici attivi.
Questa soluzione consentirebbe un comportamento rotodinamico subcritico solo per rotori più corti e meno potenti, ciononostante sarebbe interessante per via dei costi
di sistema molto inferiori; i dati raccolti finora confermano
la fattibilità generale di tale soluzione.
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lection; finally the design selected looks something like
the scattered blue line in Fig.5.
The described numerical process is quite complex and
Daphne3 software development phase required about
five months, plus a couple of months for debugging
and final tuning. If the configuration is deemed feasible, Daphne3 needs about four hours to correlate a set
of variables to an individual with all its performance.
To cut as much as possible the generations breed time
ASI used the computation power of several cpu in parallel, and to reach the selected optimum solution about
seven hundred individuals have been generated, while
only four hundred completed the performance evaluation screening.
Fig. 6 - Example of evolution of a geometric variable during the optimization
process.
MAGNETIC ROTOR LEVITATION
To reach the target power and speed values for such a
comparatively long rotor the active magnetic bearings
(AMBs) are mandatory to allow a rotordynamic subcritical behaviour in the whole speed range. In fact the
slotless Halbach volume torque density is not high,
and the rotor is limited in diameter not to exceed materials stress limits and to keep the peripheral speed
below sonic speed.
With this technical solution the spinning rotor never
touch the surrounding surfaces: the construction is totally oil-free and has no parts subject to wear, getting
the maximum efficiency and reliability together with
important on-line monitoring and diagnostic functions,
and introducing the possibility to correct residual rotor
unbalance or unexpected thermal deformations.
The computation core Daphne3 tooks into account
driven impellers feasible dimensions, inertial properties, centre of mass and thrust loads. Axial displacement constraints preferred the thrust AMB to be
placed on the drive end side, between the two radial
AMBs. This choice allows a stricter control of the impeller position and a stable subcritical behaviour with
an appropriate separation margin with respect to the
1st forward bending critical speed.
The backward whirling modes need not to be taken
into account with AMBs; the two rigid modes (cylindrical and conical mode) are placed below the speed
range of interest, see Fig.6.
With this solution under the worst dynamic unbalance
condition the response shows a displacement amplitude below the API rules threshold: the admitted radial
Fig. 6 - Esempio di evoluzione di una variabile geometrica durante il processo
di ottimizzazione.
displacement amplitude is 20% of touch down bearings clearance in maximum load condition.
A possible project future evolution branch could interest motor application with lower efficiency targets,
and looks forward into the adoption of high precision
ceramic bearings instead of active magnetic bearings.
This solution would allow a subcritical rotordynamic
behaviour only for shorter and less powerful rotors,
nonetheless it would be interesting due to the much
lower system costs; the data collected up to now confirm the general feasibility of such a solution.
POWER ELECTRONICS
To minimize loop current circulation phenomena, the
prototype machine is equipped with a double star
windings (in-phase), that will be supplied by two levels
standard 690V ASI PWM inverter.
The maximum fundamental frequency will be 450Hz.
To reach the highest dynamic performance capabilities
a two pole magnetic resolver provides angular feedback and, in order to withstand a sudden regenerative
deceleration, the drive under construction has an active front end grid interface.
This “tool” drive will achieve an ordinary efficiency
level on the converter side.
In the meanwhile a dedicated 1.4kV multilevel drive
is currently under definition: it would adopt an multiple-secondary input transformer (also useful in facing
different worldwide grid voltage levels), a stout diode
CONVERTITORE ELETTRONICO
Per minimizzare fenomeni di correnti di circolazione, la
macchina prototipo è equipaggiata con avvolgimenti a
doppia stella (in fase), che saranno alimentati da una combinazione di inverter a due livelli GT5000; la massima frequenza dell’armonica fondamentale sarà di 450 Hz.
pre difficili da approcciare e da quantificare esattamente
per mezzo di una qualsiasi tecnica di calcolo. La sensazione
è che il motore sia naturalmente flessibile e adattabile a più
ampie aree di potenza e velocità: sacrificando una piccola
quota di efficienza – comunque molto elevata – dovrebbe
essere possibile estendere la potenza massima conseguibile.
Per raggiungere le più alte prestazioni dinamiche, un resolver magnetico a due poli fornisce retroazione sulla posizione angolare e, per permettere la prova di improvvise
decelerazioni rigenerative, il convertitore in allestimento ha
un’interfaccia alla rete di tipo AFE.
Con tutta probabilità un miglioramento (o una parziale riprogettazione) del sistema di raffreddamento consentirebbe
di avvicinare con la trasmissione diretta anche interessanti
applicazioni di turboespansori.
Questo convertitore realizzerà un rendimento ordinario,
ma nel frattempo è in fase di definizione un convertitore
mutilivello dedicato da 1.4kV. Esso adotterebbe un trasformatore di ingresso multisecondario (utile anche per ammettere i diversi livelli di tensione delle reti nazionali), un
solido raddrizzamento a diodi e quattro celle a cascata per
fase, come indicato nella Fig. 7.
Questa elettronica di potenza dedicata è basata su IGBT
a bassa tensione; essa introdurrà diversi vantaggi, i principali dei quali sono: un aumento sia dell'efficienza della
conversione lato elettronica e lato motore, una riduzione
dell’ondulazione di coppia all’albero e non necessiterà di
filtri di uscita ingombranti e costosi.
QUALIFICA DEL PROTOTIPO
Attualmente i principali sub componenti di rotore e statore
sono in fabbricazione, e si prevede che i componenti del
prototipo saranno pronti per il montaggio agli inizi del
2012, vedere Fig. 8; il montaggio dei cuscinetti magnetici
e la loro fase di taratura sono le ultime operazioni da eseguire prima di avviare la qualifica delle prestazioni al
banco di prova, programmata per la prossima primavera.
La qualifica sul banco di prova si terrà nell’impianto ASI
di Monfalcone, impiegherà il convertitore attrezzo descritto, un torsiometro ad alta velocità e un moltiplicatore
di giri per trascinare una macchina in corrente continua da
2 MW usata come generatore.
Il generatore sarà controllato esternamente e caricato su
un banco di resistori, vedere Fig. 9. Il torsiometro userà un
paio di giunti elastici metallici accoppiati per garantire tolleranze di compensazione accettabili. Questo banco di
prova consentirà di collaudare il prototipo a una velocità
massima di 15000 rpm e ad una potenza di 900 kW con
un errore di misura entro lo 0.05% (errore assoluto inferiore a 500 W sia sulla porta meccanica che elettrica).
POTENZIALE
Il prototipo è pensato appositamente per provare l’efficienza di conversione elettromeccanica, e consentirà una
visione migliore di tutti i fenomeni fisici la cui natura interdisciplinare, non lineare e tridimensionale li rende sem-
Per questi motivi quando lo stadio di progettazione ha consentito l’avvio della fase di produzione prototipo, ASI ha
iniziato una ulteriore campagna di ricerca cercando i limiti
di applicabilità della speciale configurazione, ovvero per
definire l’intero potenziale ed i limiti della tecnologia slotless Halbach.
Così Daphne3 e l’ottimizzatore genetico sono stati riconfigurati e lanciati in molteplici ricerche evolutive, aventi la
velocità di rotazione in ingresso e la potenza dell’albero insieme all’efficienza come principali obiettivi in uscita (in
questo modo è stato eseguito anche un conveniente sfruttamento costante delle risorse di calcolo).
L’analisi è ancora in corso, ma i risultati parziali raccolti
finora fanno intravedere una positiva conferma del potenziale predetto, vedere Fig. 10.
Ridurre l’attenzione sul rendimento energetico rende chiaramente il campo di temperatura un indice di fattibilità preminente: anche se le soluzioni e i materiali selezionati per
il prototipo ammettono qualche margine di impiego, il vero
grado di flessibilità e una maggiore fiducia sulla possibilità
dell’utilizzo esteso della configurazione slotless Halbach
deriverà chiaramente solo da dettagliate misurazioni sul
prototipo e sulla tendenza della temperatura delle sue parti
attive. Il progetto in fase di sviluppo costituisce la parte
principale di un contributo di ricerca regionale biennale.
Questo progetto di ricerca è stato possibile grazie alla sensibilità di ASI per la richiesta di miglioramento del rendimento energetico, e allo sforzo congiunto dell’ingegneria e
delle tecniche di fabbricazione dello stabilimento di Monfalcone e delle ingegnerie di Vicenza e Milano.
Le tecniche di progettazione avanzata delle macchine rotanti positivamente sperimentate e il concetto di ottimizzazione genetica sono già in fase di estensione ad altri
generatori particolarmente complessi.
Mentre costruiamo il prototipo stiamo guardando ai risultati dei test per avere conferma della nascita di un sistema
di conversione ad alto rendimento realmente innovativo, e
per sviluppare la sua fase di industrializzazione in un’altra
importante esperienza di lavoro di squadra.
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rectification and four cascade cells per phase, as depicted in Fig.7.
This improved power electronics is based on low voltage IGBTs; it will introduces several advantages, the
main being: an increase of both the drive and the
motor conversion efficiency, a reduction of the shaft
torque ripple amount and won’t require bulky and expensive output filters.
falcone plant, will use the tool power converter, a high
speed torquemeter and a multiplication gearbox to
move a 2MW DC machine used as a pony generator.
The generator will be externally controlled and loaded
on a resistor bank, see Fig.9.
The torquemeter will use a couple of metal bellows
Fig. 7 - multilevel drive configuration topology and simulated output waveforms;
example with a 200Hz first harmonic and 2kHz carrier frequency; voltage
THD=13.4%, current THD 0.6%.
Fig. 7 - Topologia di configurazione trasmissione multilivello e forme d'onda
d’uscita simulate; esempio con una prima armonica da 200 Hz e frequenza portante da 2 kHz; tensione THD = 13.4%, corrente THD 0.6%.
PROTOTYPE QUALIFICATION
At the moment the main rotor and stator components
are under manufacturing and the prototype subcomponents are scheduled to be ready for assembly by the
early 2012, see Fig.8; the magnetic bearing assembly
and their tuning phase are the last operations to be
performed before to start the testbench performance
qualification, scheduled by next Spring.
The testbench qualification will be held in ASI Mon-
Fig. 9 - Testbench layout. Left to right: prototype, torquemeter, reduction gearbox,
DC pony shaft.
configuration, so that define the whole potential and
limits of the slotless Halbach technology.
Thus Daphne3 and the genetic optimizator have been
reconfigured and launched in multiple evolutionary
searches, having the rotation speed as an input and
the shaft power together with the efficiency as main
targets output; in this way also a steady exploitation
of the computational resources is been conveniently
performed. The analysis is still under way, but the
partial results collected up to now give a positive
feedback on the aforementioned potential, see Fig.10.
Relenting the focus on the energy efficiency clearly
makes the temperature field a paramount feasibility
index: even if the solutions and the materials selected
for the prototype allow significant exploitation margins, the real degree of flexibility and a better confidence on the practical possibility of the slotless
Halbach configuration utilization will clearly come
from extended prototype measurements and temperature recording trends.
The project under development constitutes the major
part of a two years regional research founding contribution.
This research project has been possible thanks to ASI
sensitivity towards the improved energy efficiency demand and the effort of the engineering and manufacturing technology departments of MGD facility.
The rotating machines advanced design techniques
positively experienced and the evolutionary design
concept are already under way to be applied to other
challenging motors and generators.
Now we are looking forward to the prototype test
results to confirm the birth of a truly innovative high
efficiency energy conversion system, and to develop
its industrialization phase in another remarkable
teamwork experience.
Fig. 9 - Disposizione banco di prova; da sinistra a destra: prototipo, torsiometro,
cambio di riduzione, albero pony cc.
coupling to grant acceptable offsets tolerance. This
testbench will allow to test the prototype at speed as
high as 15000rpm and a up to 900kW power with
error within 0.05%, that means an absolute error
lower than 500W both on the mechanical and on the
electrical port.
POTENTIAL
The prototype is specially meant to prove the electromechanical conversion efficiency, and it will allow a
better insight on all the physical phenomena whose interdisciplinary, nonlinear and threedimensional nature
makes them always tricky to approach and to exactly
quantify by means of computational techniques.
The scientific feeling is for the motor to be naturally
flexible and adaptable to wider power and speed regions: sacrificing a small quota of efficiency -however
elevated- it should be possible to extend the power capability field. Most likely a cooling system improvement (or redesign) would allow to look into interesting
direct-drive turboexpander applications.
Fig. 8 - detail of a single Samarium-Cobalt, polymeric coated Halbach magnetized
array; Similar arrays will be placed on the rotor shaft central part.
Fig. 8 - Dettaglio di una serie magnetizzata Halbach al Samario-Cobalto,
rivestita in polimeri; Serie simili saranno poste sulla parte centrale dell’albero
rotore.
For the abovementioned reasons when the design stage
allowed the start of the prototype manufacturing
phase, ASI begun a further investigation campaign
looking for the applicability constraints of the special
Fig. 10 - 4 Pole Slotless Halbach provisional power to speed capability; (the higher efficiency values are about 98.7%, while the lowest are about 97%).
Fig. 10 - Capacità di potenza a velocità provvisoria Halbach senza cave da 4 poli; (i valori più alti di efficienza sono circa il 98.7%, mentre i più bassi sono circa il 97%).
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