La simulazione tridimensionale di motori elettrici

Gli ingegneri che progettano macchine elettriche necessitano di strumenti di simulazione che possano essere impiegati per uno sviluppo del prodotto rapido ed accurato.  Impiegando metodi di calcolo agli elementi finiti già nelle prime fasi del processo di progettazione è possibile accelerare lo sviluppo del prodotto, raggiungendo una maggior efficienza energetica della macchina, risparmiando sui materiali, e quindi riducendo i costi complessivi. Inoltre la continua richiesta di macchine elettriche sempre più performanti guidata dal processo di elettrificazione in atto, conduce alla necessità di utilizzare tecniche di modellazione e simulazione tridimensionale in luogo della tradizionale schematizzazione 2D.

Metodologie tradizionali per la simulazione tridimensionale delle macchine elettriche.

Per molti anni, le pratiche in uso per preparare un modello 3D per una simulazione magnetica di  motori elettrici, sono consistite prima nell'importazione della geometria 3D, quindi nella definizione della più piccola simmetria circonferenziale utilizzando gli strumenti geometrici a disposizione, ed implementando le condizioni al contorno necessarie. Questo è ancora un approccio moderno, ampiamente utilizzato nel settore della simulazione, per restringere il dominio di calcolo, e ridurre di conseguenza i tempi richiesti dalle simulazioni nel dominio del tempo generalmente implementate per questo tipo di modelli. In questa ottica i meshatori più recenti consentono l’implementazione di topologie di mesh più simmetriche e regolari, per ridurre al minimo l'impatto sui tempi di calcolo del metodo numerico. 

Tuttavia, le sfide incontrate dai progettisti quando la geometria 3D diventa più complessa, non possono essere risolte in maniera efficiente con la metodologia appena descritta. Si pensi ad esempio alle configurazioni che prevedono inclinazioni delle cave di rotore o statore per le quali è necessario trovare, in fase di modellazione, un compromesso tra la minima simmetria geometrica valida e le condizioni elettromagnetiche richieste. 

Infatti, in questi casi, la definizione della simmetria circonferenziale attraverso l’utilizzo di tagli piani radiali, non sempre cattura la corretta simmetria della geometria, quando appunto il motore mostra configurazioni oblique. Non solo: i tagli planari comportano la separazione del modello 3D ridotto dal resto della geometria, il che rende non accurato il trasferimento di dati elettromagnetici (perdite o forze) sull'intera geometria 3D, quando siano richieste analisi multifisiche accoppiate (Thermal management, NVH ).

La nuova metodologia per la simulazione di geometrie tridimensionali complesse.

Alla luce di queste premesse, le ultime soluzioni hanno introdotto una soluzione best-in-class per la simulazione tridimensionale di macchine elettriche con geometrie complesse. Di fatto, a partire da un'intera geometria tridimensionale del motore importata da qualsiasi strumento MCAD, Maxwell crea automaticamente il modello 3D circonferenziale, applicando tagli non planari come condizioni al contorno e corrispondentemente implementando una mesh regolare e simmetrica (Clone Mesh) su tutte le parti della geometria. 

Questo approccio consente di risolvere solo una frazione del modello 3D originale, e poi di visualizzare i risultati di campo, nelle fasi di post-processing,  sull’intera geometria 3D iniziale.

Inoltre, sebbene l’analisi elettromagnetica sia risolta su una porzione minima del modello completo iniziale, è possibile accoppiare la soluzione, in termini di forze magnetiche e di potenze dissipate, con i solutori termici (Thermal Management) e strutturali (analisi NVH) dove generalmente non si può prescindere dalla geometria completa (360° di macchina).

In conclusione la metodologia descritta rappresenta una nuova best practice per quanto riguarda la simulazione 3D di macchine elettriche realizzate con geometrie complesse. 

Simmetria circonferenziale e condizioni al contorno non planari generate automaticamente a partire da un modello completo 3D.

La nuova best practice per il calcolo tridimensionale di macchine elettriche: importazione della geometria completa, creazione automatica del modello simmetrico minimo per il calcolo e post-processing sul modello completo.

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