Come progettare motori elettrici

Figura 1. Interfaccia di Ansys Motor-CAD per il settaggio dei dati geometrici dello statore e del rotore. A) Vista radiale, B) Vista assiale

I motori elettrici, fondamentali per la propulsione dei mezzi di trasporto e il funzionamento degli elettrodomestici, stanno diventando sempre più cruciali data la crescente attenzione all’efficienza energetica. La progettazione di questi motori richiede competenze specializzate in diversi ambiti dell’ingegneria e della fisica per ottimizzare le prestazioni e l’affidabilità. Di conseguenza, negli ultimi anni sono stati sviluppati diversi software dedicati per assistere gli ingegneri nella loro progettazione e nell’ottimizzazione.

di Carlo Alberto Pasquinucci

Introduzione

Una delle sfide ingegneristiche che ci attendono nei prossimi anni è quella di innovare costantemente i motori elettrici, al fine di aumentarne l’efficienza e migliorare le prestazioni, con particolare attenzione all’ottimizzazione dell’autonomia nei mezzi di trasporto e all’efficienza energetica degli elettrodomestici. Grazie all’aumento dei motori prodotti, si ha la possibilità di una progettazione più sofisticata e su misura, capace di rispondere in modo mirato alle diverse esigenze di utilizzo. Questo tipo di progettazione, però, richiede una vasta gamma di competenze specialistiche in vari settori dell’ingegneria e della fisica.

È necessario comprendere a fondo i principi dell’elettromagnetismo per garantire un funzionamento ottimale del motore, così come applicare conoscenze avanzate di fluidodinamica per progettare sistemi di raffreddamento efficaci. Inoltre, la scienza delle costruzioni gioca un ruolo cruciale nel garantire l’affidabilità strutturale del motore, assicurando che sia in grado di sopportare le sollecitazioni meccaniche senza comprometterne le prestazioni o la durata nel tempo.

Negli ultimi anni, in risposta alla crescente complessità dei motori elettrici e alla necessità di valutare le loro prestazioni in modo accurato e efficiente durante la fase di progettazione, sono stati sviluppati diversi software dedicati. Questi strumenti sono progettati per fornire agli ingegneri un ambiente virtuale in cui possono condurre simulazioni multifisiche, integrando analisi elettromagnetiche, strutturali e fluidodinamiche.

L’approccio multifisico adottato da questi software consente agli ingegneri di comprendere in modo completo e dettagliato il comportamento dei motori elettrici sotto diverse condizioni operative. Le simulazioni elettromagnetiche consentono di valutare la distribuzione del campo magnetico all’interno del motore, comprendere le perdite elettromagnetiche e predire le prestazioni elettriche. Le analisi strutturali permettono di valutare lo stress meccanico e la deformazione del materiale sotto carico, identificando potenziali punti deboli nella struttura del motore. Le simulazioni fluidodinamiche, invece, consentono di studiare il flusso di raffreddamento all’interno del motore, valutando l’efficacia del sistema di raffreddamento e prevenendo il surriscaldamento.

Software principali

Le software house hanno risposto alla crescente domanda di strumenti dedicati alla progettazione e all’analisi dei motori elettrici sviluppando una serie di soluzioni specifiche. A titolo esemplificativo, Ansys ha sviluppato Motor-CAD, Altair ha introdotto FluxMotor, mentre Siemens ha presentato E-Machine Design. Questi software sono progettati per fornire agli ingegneri un’ampia gamma di strumenti per simulare, analizzare e ottimizzare i motori elettrici, integrando analisi elettromagnetiche, termiche, strutturali e fluidodinamiche.

Figura 3. La rappresentazione dello schema radiale del diagramma di avvolgimento in Ansys Motor-CAD

Nell’ambito di tali simulazioni, è possibile inoltre incorporare i risultati ottenuti da software più specifici, consentendo una valutazione più approfondita e accurata delle prestazioni del motore. Pertanto, è consigliabile utilizzare programmi della stessa suite per garantire una migliore integrazione dei risultati e una maggiore coerenza nell’analisi.

Anche nell’ambito del software open-source sono disponibili strumenti per l’analisi dei motori elettrici, sebbene non siano ancora altrettanto specializzati e completi delle controparti commerciali. Ad esempio, FEMM (Finite Element Method Magnetics) offre funzionalità per la simulazione del campo magnetico e include anche un simulatore per l’analisi degli scambi termici. Elmer FEM è un altro esempio di software open-source, un ambiente di simulazione multifisica che offre alcune capacità per l’analisi dei motori elettrici, sebbene non sia dedicato specificamente a tale scopo.

Purtroppo, a oggi, questi software non sono sviluppati in una suite che comprende altri software specifici, per cui risulta più ostica l’integrazione con software CFD come OpenFOAM o FEM come Salomè.

Figura 3. Report della densità di flusso magnetico nel software FEMM. Come si può vedere anche comparandola con la immagine tratta da Motor-CAD, i software open-source in questo campo sono ancora decisamente lontani da quelli commerciali

Driving cycle e duty cycle

Un aspetto fondamentale che distingue in modo significativo questi software da quelli più tradizionali è la loro abilità di simulare con precisione e rapidità i cicli operativi dei motori elettrici. Questo è essenziale poiché i motori, sia quelli utilizzati in elettrodomestici che nei veicoli, non funzionano costantemente alla massima potenza. Sono soggetti a variazioni istantanee nella richiesta di potenza emessa e/o nel numero di giri.

Per esempio, il motore di una lavatrice modula i suoi giri in base al tipo di centrifuga richiesta, con variazioni che possono manifestarsi anche all’interno dello stesso ciclo di lavaggio, secondo il suo duty cicle. In modo simile, un motore di un veicolo subisce richieste di potenza più elevate durante l’accelerazione, mentre agisce come generatore durante la frenata o in altre modalità operative.

È fondamentale tenere conto di tali variazioni durante la fase di progettazione, in quanto esiste un ritardo tra la richiesta di potenza e la conseguente variazione di temperatura, dovuto all’inerzia termica. Non considerare questo può portare a dei surriscaldamenti che possono provocare dei malfunzionamenti o addirittura degli incendi. Allo stesso tempo, sovradimensionare le ventole o comunque tenerle in funzione per un tempo maggiore del necessario può aumentare sensibilmente i costi e i consumi.

Cicli di guida standard

Nei veicoli, specificamente, sono stati definiti tracciati standard che rappresentano teoricamente percorsi tipici urbani ed extraurbani. Uno dei più utilizzati è il WLTC (acronimo di Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Procedure) che si basa su una serie di cicli di guida predefiniti, che includono diverse fasi di accelerazione, decelerazione, fermate e velocità costante, progettate per simulare i comportamenti di guida tipici in varie condizioni stradali.

Figura 4. Driving cycle “WLTC” per i veicoli più comuni. Rappresenta l’andamento della velocità durante un percorso standard.

Questi cicli di guida sono stati sviluppati considerando dati reali di traffico e stili di guida provenienti da diverse regioni del mondo, al fine di garantire una valutazione più accurata delle prestazioni dei veicoli in termini di emissioni e consumo di carburante. In particolare, il tipo 3, che deve essere utilizzato per la maggior parte dei veicoli è diviso in quattro zone con differenti velocità massime crescenti, da 55 km/h fino a 130, per simulare il comportamento del veicolo in ambito urbano, suburbano, fuori città e in autostrada.

Questa procedura serve ad armonizzare i test di omologazione dei veicoli tra diverse giurisdizioni e per fornire ai consumatori informazioni più accurate sulle prestazioni dei veicoli in termini di efficienza del carburante e di emissioni.

I modelli a parametri concentrati

Per fare questo tipo di simulazioni, il software approssima il motore elettrico e i vari componenti come un modello a parametri concentrati. Questo consente un’analisi molto veloce rispetto all’utilizzo di modelli numerici. Un modello a parametri concentrati è un tipo di modello matematico utilizzato per descrivere il comportamento dinamico di un sistema fisico. Il comportamento dei vari componenti è approssimato mediante dei parametri, ciascuno dei quali rappresenta una parte specifica del sistema reale. I parametri concentrati sono delle funzioni che caratterizzano l’elemento, come la capacità termica in un sistema termico.

L’idea chiave di un modello a parametri concentrati è semplificare il sistema complesso suddividendolo in elementi più semplici, ognuno dei quali è descritto da un numero limitato di parametri. Questo permette di semplificare e velocizzare l’analisi, consentendo di predire il suo comportamento dinamico in risposta a determinati ingressi o condizioni di funzionamento.

In questo modo è possibile simulare diverse ore di funzionamento del motore in pochi minuti. È possibile poi anche complicare l’analisi, considerando parte a parametri concentrati e invece simulare direttamente con analisi termiche o elettromagnetiche i componenti più critici o che hanno un’influenza maggiore sulle performance.

Figura 5. Densità del flusso magnetico a tre diversi angoli del rotore.

Simulazioni acustiche

I motori elettrici, sebbene generalmente più silenziosi dei tradizionali motori a combustione interna, possono comunque emettere suoni che risultano invadenti e talvolta sgradevoli, poiché differenti da quelli a cui siamo abituati. Pertanto, è essenziale considerare l’impatto acustico del motore durante il processo di progettazione.

Gli strumenti software dedicati consentono di esaminare in modo dettagliato tutti i fenomeni acustici coinvolti, inclusi gli effetti delle vibrazioni indotte dalle forze elettromagnetiche. Nei motori elettrici, tali forze rappresentano una delle principali cause di rumorosità e possono dipendere da vari fattori come la densità del flusso del traferro, il numero di poli, il numero di fessure nello statore, il tipo di avvolgimento e le condizioni di guasto.

Attraverso l’analisi del comportamento di queste forze elettromagnetiche, è possibile individuare le aree in cui si verificano aumenti della rumorosità e sviluppare strategie per mitigarli. Ciò implica l’ottimizzazione dei parametri magnetici, strutturali e di raffreddamento del motore. I parametri chiave per ridurre il rumore acustico includono la progettazione dell’alloggiamento strutturale del motore, la disposizione strategica delle alette di raffreddamento e la minimizzazione dell’eccentricità delle parti rotanti. Mediante un approccio olistico alla progettazione, è possibile migliorare significativamente le caratteristiche acustiche del motore elettrico, garantendo un funzionamento più silenzioso e confortevole.

Inoltre, questi software riescono a riprodurre il rumore generato, che può quindi essere ascoltato e analizzato direttamente dai progettisti e dagli esperti di confort acustico.

Conclusione

Nel complesso processo di sviluppo dei motori elettrici, è chiaro che un approccio integrato e multifisico risulta cruciale per massimizzare le loro prestazioni. L’integrazione di tutti gli aspetti fenomenologici, dalle caratteristiche elettriche a quelle termiche e acustiche, rappresenta una tappa fondamentale per garantire un funzionamento ottimale del sistema. L’adozione di tale approccio durante la progettazione consente di valutare con precisione le curve di coppia e di velocità del motore in relazione al raffreddamento. Allo stesso tempo consente di analizzare e caratterizzare il livello di rumore generato in base al regime operativo del motore. Questa metodologia offre quindi una solida base per lo sviluppo di motori elettrici altamente efficienti e performanti, che saranno alla base della prossima rivoluzione ecologica.