La simulazione nei motori elettrici

Lo sviluppo di un propulsore elettrico a batteria è un problema in cui bisogna esaminare diversi sistemi complessi. Questo articolo esamina le principali problematiche, come la simulazione numerica può essere la soluzione, e infine quali vantaggi si ottengono da questo approccio nello sviluppo di motori elettrici in un gruppo propulsore. Tutto questo mostrando come le diverse scelte progettuali, come la topologia del motore, il tipo di avvolgimento e il sistema di raffreddamento, possono essere confrontate e valutate considerando il loro impatto complessivo sul sistema. Le simulazioni CAE possono aiutare gli ingegneri a determinare se un magnete permanente interno (IPM), un magnete a induzione (IM) o un magnete sincrono a campo avvolto (WFSM) è il miglior design del motore per un veicolo elettrico. I software permettono di considerare anche il compromesso tra le tecnologie di avvolgimento a forcella e stranded winding e può confrontare tre diversi metodi per il raffreddamento del motore.

Sfide progettuali nella progettazione dei motori elettrici

Nel passato la progettazione preliminare di una macchina elettrica era considerata una questione prevalentemente elettromagnetica. L'approccio alla progettazione in questo settore in rapido movimento ha dovuto evolversi per stare al passo. Oggi i requisiti in termini di prestazioni richiedono una progettazione che garantisca l'affidabilità entro limiti elettromagnetici, elettrici, termici e meccanici, ottimizzando al contempo pesi, rumorosità e costi. Una progettazione più multifisica consente pertanto di raggiungere un progetto altamente ottimizzato con tempi di sviluppo più brevi.

La Simulazione numerica a supporto dei motori elettrici

Oggi esiste uno strumento leader di mercato dedicato alla progettazione e all'analisi di macchine elettriche rotanti a flusso radiale. Questo software è un FEA general purpose EMAG dedicato alla simulazione dei fenomeni elettromagnetici  a bassa frequenza (LF). Inoltre esistono soluzioni che consentono di svolgere simulazioni termofluidodinamiche e altre per simulare gli effetti meccanici quali fatica e vibrazioni.

Vantaggi della simulazione CAE nella progettazione dei motori elettrici

Grazie alla simulazione numerica gli ingegneri ottengono un'analisi elettromagnetica, termica, meccanica ed NVH rapida e accurata di una macchina elettrica in tutto il range di funzionamento, utilizzando un mix di modelli FEA, analitici e sperimentali. Le soluzioni vengono progettate e sviluppate in stretta collaborazione con progettisti esperti di macchine elettriche. Inoltre le soluzioni odierne permettono l’esistenza di competenze integrate grazie ad una vastissima libreria di modelli di macchine industrializzate e delle features di dimensionamento che contemplano le configurazioni e le geometrie più diffuse. Inoltre la simulazione numerica permette una valutazione rapida e iterativa delle caratteristiche del motore ottenendo progetti ottimizzati per dimensioni, prestazioni ed efficienza.

I modelli 3D quindi danno la possibilità di simulare la realtà fisica del fenomeno in tutta la sua completezza. Accoppiati ai solutori CFD che consentono una verifica di dettaglio elettromagnetica e termica, relativamente ad un punto di funzionamento, che può essere utilizzata per validare il setting del modello sviluppato. Infine la simulazione numerica accoppiata a solutori strutturali rigid/flexible multi bodies per il calcolo delle sollecitazioni e dello stato di deformazione, consente di predire la vita a fatica ed il rumore.