Affrontare le moderne sfide nella progettazione dei motori elettrici

La progettazione dei motori elettrici ha fatto grandi progressi negli ultimi anni, grazie alla sempre crescente domanda di veicoli elettrici, dispositivi di energia rinnovabile e apparecchiature di automazione industriale.

Progettazione di motori elettrici, principali sfide

Questo progresso in atto sta costringendo i progettisti ad affrontare nuove e numerose sfide legate alle nuove esigenze e ai nuovi scenari tecnologici. Alcune delle principali sfide includono:

Efficienza

Migliorare l'efficienza energetica dei motori elettrici è una sfida importante, poiché ciò può influire sulla durata della batteria, sui costi e sulla sostenibilità. Ci sono diverse tecniche utilizzate per migliorare l'efficienza dei motori elettrici, come l'uso di materiali magnetici avanzati, il controllo del motore tramite algoritmi sofisticati e l'ottimizzazione del design della geometria del motore.

Potenza e densità di potenza

Aumentare la potenza dei motori elettrici è una sfida importante per applicazioni come l'automotive, l'aeronautica e la robotica, dove sono richieste alte prestazioni in spazi ristretti. La densità di potenza, ovvero la quantità di potenza che può essere generata da un determinato volume o massa, è un'altra metrica importante da migliorare.

Affidabilità

I motori elettrici sono spesso utilizzati in applicazioni critiche in cui l'affidabilità è fondamentale. La progettazione di motori elettrici affidabili richiede una comprensione approfondita dei materiali e delle tecniche di produzione utilizzati, nonché una buona progettazione di circuiti elettrici.

Rumore e vibrazioni

I motori elettrici possono produrre rumore e vibrazioni indesiderati, specialmente a velocità elevate. La progettazione di motori elettrici silenziosi e a bassa vibrazione richiede la riduzione delle perdite di energia e l'ottimizzazione delle caratteristiche dinamiche del motore.

Scalabilità e modularità

I motori elettrici sono utilizzati in una vasta gamma di applicazioni, dalle biciclette elettriche ai veicoli pesanti. La progettazione di motori elettrici scalabili e modulari può semplificare la produzione e ridurre i costi di sviluppo.

La simulazione ingegneristica virtuale è una metodologia fondamentale nella progettazione dei motori elettrici, poiché consente ai progettisti di testare diverse soluzioni e valutare le prestazioni del motore in modo rapido ed efficiente.

In particolare gli strumenti best in class come Ansys Motor-CAD possono aiutare a vincere le sfide della progettazione dei motori elettrici in diversi modi:

Ottimizzazione della geometria del motori

Con la simulazione ingegneristica, i progettisti possono analizzare diversi design e scegliere quello più efficiente e performante, ad esempio sfruttando l'analisi del flusso magnetico per ottimizzare la geometria del rotore e dello statore.

Esempio di template parametrico in Ansys Motor-CAD. In particolare è evidenziato come sia possibile
variare la forma dei magneti permanenti sul rotore esterno per ridurre la Cogging Torque.

Analisi termica

La simulazione termica può aiutare i progettisti a identificare le aree a rischio di surriscaldamento del motore e a trovare soluzioni per ridurre il riscaldamento e migliorare l'efficienza. Poter eseguire queste analisi prima della costosa fase di prototipazione con i migliori strumenti permette di ottenere un grande risparmio in termini di costi e tempi.

Analisi vibrazionale

la simulazione vibrazionale può aiutare a identificare le cause delle vibrazioni nel motore e a trovare soluzioni per ridurle, migliorando la durata e l'affidabilità del motore. Questa analisi è particolarmente importante in ambito automotive (anlisi NVH).

Esempio di diagramma di Campbell e lo spettrogramma acustico di un motore elettrico calcolato da Ansys Motor-CAD.

Analisi delle perdite

la simulazione può essere utilizzata per analizzare e ridurre le perdite del motore, migliorando l'efficienza e riducendo il consumo energetico.

Analisi Multifisica

Gli strumenti di simulazione di ultima generazione come Ansys Motor-CAD consentono di integrare le diverse fisiche che afferiscono alla simulazione di una macchina elettrica, permettendo la condivisione delle geometrie e lo scambio degli input e degli output da una fisica all’altra. Nella figura a fianco è schematizzato l’accoppiamento termo-magnetico attraverso l’utilizzo del modulo Therm e Lab su un intero duty cycle.

Integrazione con il sistema di controllo

La simulazione può aiutare a testare e ottimizzare il sistema di controllo del motore, migliorando la flessibilità e la precisione delle prestazioni del motore.

Ansys Motor-CAD è uno strumento di progettazione di macchine elettriche che, implementando una combinazione di tecniche numeriche ed analitiche, consente un’analisi rapida ma accurata sull’intero range di funzionamento della macchina. Motor-CAD permette ai progettisti di valutare diverse tipologie di macchine già durante la fase concettuale, su tutto il range il funzionamento, considerandone il comportamento multifisico: magnetico, termico e strutturale. Inoltre Ansys Motor-CAD è integrato con altri prodotti Ansys per un’analisi completa e di dettaglio delle macchine elettriche.

Ansys fornisce una suite di strumenti software per la progettazione, l'analisi e l'ottimizzazione di macchine elettriche, tra cui Ansys Maxwell per la simulazione del campo elettromagnetico anche nel dominio tridimensionale, Ansys Fluent per l'analisi termica e Ansys Mechanical per l'analisi strutturale (calcolo NVH).

Se ti interessa scoprire come integrare questa nuova tecnologia all’interno del processo produttivo della vostra azienda contattaci, uno dei nostri esperti risponderà a tutte le tue domande.