Metodi e tecniche avanzate per la progettazione e l’ottimizzazione dei motori elettrici

In questo articolo si descrivono le tecniche e le metodologie più avanzate per l’analisi e l’ottimazione dei motori elettrici

Gli specialisti in ingegneria dedicati alla creazione di macchine elettriche richiedono strumenti di simulazione avanzati per garantire un processo di sviluppo produttivo e preciso. L'utilizzo di metodi di calcolo agli elementi finiti fin dalle prime fasi della progettazione consente di accelerare il processo di sviluppo, migliorando l'efficienza energetica del dispositivo, ottimizzando l'uso dei materiali e conseguentemente riducendo i costi complessivi.

Per assicurare una progettazione ottimale del motore, è essenziale adottare un flusso di lavoro completo che esamini il motore da una prospettiva multifasica, considerando una gamma più ampia di condizioni operative rispetto a quelle previste. Questo approccio consente di indirizzare in modo accurato la progettazione, riducendo al minimo eventuali ritardi nel processo produttivo e i rischi di malfunzionamenti del prodotto.

Potenziare la progettazione e la simulazione delle macchine elettriche

I veicoli ibridi ed elettrici (HEV) si prendono la maggior parte dei titoli nel contesto dell’elettrificazione, ma le macchine elettriche stanno anche alimentando le nostre fabbriche, riscaldando e raffreddando le nostre case e sono all'avanguardia delle nuove tecnologie aeronautiche. La domanda di macchine leggere, silenziose ed efficienti dal punto di vista energetico guiderà il mercato dei motori elettrici nei prossimi anni.

Per rispondere alla richiesta di macchine elettriche che siano piccole, potenti ed efficienti, gli ingegneri hanno bisogno di un approccio al design completo che copra tutte le fasi, dalla progettazione iniziale fino alla valutazione finale della producibilità. Ad esempio, per progettare un motore elettrico più piccolo, è essenziale creare un sistema di raffreddamento basato su modelli termici affidabili. Allo stesso modo, per motori più silenziosi è necessario fare simulazioni che calcolino in maniera accurata le vibrazione e il rumore della macchina (NVH). Inoltre, l'efficienza energetica è strettamente legata all'ottimizzazione delle prestazioni. Poiché le macchine elettriche sono parte di un sistema più ampio e complesso, gli ingegneri devono considerare come interagiscono i diversi domini, come quello elettrico, meccanico, termico ed elettromagnetico, durante tutto il processo di sviluppo.

In questo contesto l’ottimizzazione ricopre un ruolo chiave. Per ottimizzare in modo efficiente il workflow di progettazione, è fondamentale condurre un'analisi che consideri diversi aspetti fisici contemporaneamente. Inoltre è necessario valutare le prestazioni della macchina in tutto il range di funzionamento. In breve, devono essere sviluppate strategie di ottimizzazione che tengano conto di tutti gli aspetti fisici della macchina lungo l'intero intervallo di velocità previsto.

In quest’ottica il progettista ha bisogno di strumenti e metodologie che gli consentano di valutare rapidamente le prestazioni della macchina e di comprendere l'impatto di eventuali modifiche rispetto alle performance nominale in accordo con le specifiche. Ansys Motor-CAD® risponde alle esigenze appena discusse. Infatti permette agli ingegneri progettisti di valutare topologie e configurazioni di motori su tutto il range di funzionamento, al fine di realizzare prodotti ottimizzati in relazione alle prestazioni, all’efficienza e alle dimensioni. I quattro moduli integrati del software Motor-CAD - EMag, Therm, Lab, Mech - consentono di eseguire calcoli multifisici in modo rapido e iterativo, in modo che i progettisti possono passare dal concetto al progetto finale in tempi rapidi.

Per esempio, grazie alle funzionalità di recente aggiunte al modulo Mech di Ansys Motor-CAD, l’analisi NVH di una macchina elettrica può essere effettuata rapidamente fin dalle prime fasi della progettazione, e inclusa quindi nella valutazione e caratterizzazione di un design anche rispetto alle specifiche richieste. Questa tecnologia aiuta a prevenire problemi relativi ad eccessive vibrazioni e rumore della macchina che,  se si presentano nelle fasi conclusive dello sviluppo, comportano un aumento dei costi ed un allungamento dei tempi di realizzazione del motore a causa della necessaria revisione del progetto. 

Calcolo NVH in Ansys Motor-CAD

Workflow completo di simulazione per le macchine elettriche

Ansys Motor-CAD fornisce strumenti di simulazione da utilizzarsi fin dalle prime fasi dello sviluppo del prodotto. Motor-CAD è stato creato appositamente per la progettazione di macchine elettriche, considerando ogni aspetto: dal design dell'interfaccia utente, alla efficiente combinazione di solutori agli elementi finiti e algoritmi analitici, fino alle specifiche capacità di post-processing. Motor-CAD comprende una serie di funzionalità di modellazione accoppiate fra le varie fisiche, in modo da includere aspetti elettromagnetici, termici e meccanici, mirati a consentire una progettazione rapida e completa delle macchine elettriche su tutto il range di funzionamento.

Per l'analisi dettagliata e la validazione dei progetti dei motori, Motor-CAD utilizza l’integrazione con le soluzioni Ansys, inclusi il solutore di campi elettromagnetici Ansys Maxwell®, Ansys Fluent® per la simulazione fluidodinamica, il software Ansys optiSLang® per l'integrazione di processo e l'ottimizzazione del design (PIDO), ecc. L'integrazione di questi strumenti con Motor-CAD fornisce agli utenti capacità di analisi 2D/3D di alta affidabilità, consentendo di esaminare dettagliatamente aspetti come gli effetti tridimensionali, la smagnetizzazione, le perdite nel nucleo, l'isteresi, le analisi NVH ed altri fenomeni elettromagnetici avanzati, oltre alla progettazione completa dei sistemi di raffreddamento dei i motori elettrici.

L'integrazione di Motor-CAD nel flusso di progettazione delle macchine elettriche di Ansys crea un workflow completo, dalle fasi iniziali all’ottimizzazione, per la progettazione di macchine elettriche, iniziando con la progettazione elettromagnetica e termica e procedendo attraverso l'ottimizzazione e la verifica.

Il workflow di analisi dei motori elettrici in Ansys

Ansys Maxwell ISO26262 compliance

Il portfolio prodotti Ansys, compreso Ansys Maxwell ed Ansys Motor-CAD è ora certificato secondo la normativa per la sicurezza funzionale ISO 26262 per aiutare a sviluppare sistemi e componenti elettronici efficienti e sicuri legati alle tecnologie AV ed EV.

ISO 26262 è uno standard internazionale che definisce i requisiti per la sicurezza funzionale nei sistemi elettrici ed elettronici nell'industria automobilistica. La conformità a ISO 26262 significa che un'organizzazione o un prodotto segue le linee guida e gli standard stabiliti da questo documento per garantire la sicurezza dei sistemi elettronici nei veicoli.

Ansys ISO26262 compliance

In altre parole, quando si parla di ISO 26262 compliance, ci si riferisce al fatto che un'azienda o un prodotto rispetta e aderisce ai requisiti di sicurezza funzionale specificati nell'ISO 26262. Questo standard è particolarmente rilevante nell'ambito dell'industria automobilistica, dove la sicurezza dei sistemi elettronici è di fondamentale importanza per garantire la sicurezza dei veicoli e dei loro occupanti. La conformità a ISO 26262 è spesso richiesta o raccomandata per i fornitori di componenti elettronici e software nell'industria automobilistica.

Gli specialisti in ingegneria dedicati alla creazione di macchine elettriche richiedono strumenti di simulazione avanzati per garantire un processo di sviluppo produttivo e preciso. L'utilizzo di metodi di calcolo agli elementi finiti fin dalle prime fasi della progettazione consente di accelerare il processo di sviluppo, migliorando l'efficienza energetica del dispositivo, ottimizzando l'uso dei materiali e conseguentemente riducendo i costi complessivi.
Per assicurare una progettazione ottimale del motore, è essenziale adottare un flusso di lavoro completo che esamini il motore da una prospettiva multifasica, considerando una gamma più ampia di condizioni operative rispetto a quelle previste. Questo approccio consente di indirizzare in modo accurato la progettazione, riducendo al minimo eventuali ritardi nel processo produttivo e i rischi di malfunzionamenti del prodotto.