Progettazione di motori elettrici e processo di sviluppo

Come svilup­pare un motore elet­tri­co ad alta effi­cien­za e quale soft­ware è più adat­to a questo scopo. La pro­ce­du­ra qui descrit­ta può essere uti­liz­za­ta sia per i motori a cor­rente alter­na­ta che per quel­li a cor­rente con­tin­ua. I motori a cor­rente alter­na­ta com­pren­dono anche i motori BLDC, chia­mati anche motori a cor­rente con­tin­ua sen­za spaz­zole. Anche i motori a flus­so assiale e i motori a induzione, come quel­li di Tes­la, ven­gono prog­et­tati con questo meto­do. Di segui­to sono descrit­ti i pas­sag­gi per la prog­et­tazione dei motori e i cal­coli elet­tro­mag­neti­ci dei motori elettrici.

Processo di progettazione e sviluppo di motori elettrici
Proces­so di prog­et­tazione e svilup­po di motori elettrici

1) Definire i requisiti del motore elettrico

Il pri­mo pas­so nel­la prog­et­tazione di un motore elet­tri­co è quel­lo di scri­vere ciò che il motore elet­tri­co deve fare e deve essere in gra­do di fare. Nel set­tore, ques­ta oper­azione viene defini­ta anche come definizione dei req­ui­si­ti del motore elet­tri­co. Quan­ta cop­pia e veloc­ità deve avere il motore elet­tri­co? Quale poten­za ed effi­cien­za, quan­to deve essere lun­go il motore, quale diametro deve avere il motore. Si dovrebbe sem­pre iniziare sta­bilen­do i req­ui­si­ti per l’ap­pli­cazione speci­fi­ca, ad esem­pio un vei­co­lo elet­tri­co, una bar­ca elet­tri­ca o un aereo elet­tri­co. Da qui si devono ricavare i req­ui­si­ti del­l’azion­a­men­to elet­tri­co e del sis­tema di bat­terie. Dai req­ui­si­ti del­l’azion­a­men­to elet­tri­co si pos­sono poi ricavare i req­ui­si­ti del motore elet­tri­co e del­l’in­vert­er. È inoltre nec­es­sario sta­bilire un ordine di pri­or­ità dei req­ui­si­ti, in modo che tut­ti i mem­bri del team di svilup­po sap­pi­ano quali sono i più impor­tan­ti. La definizione delle pri­or­ità è impor­tante per pot­er scegliere in segui­to il tipo di motore elet­tri­co più adatto.

Derivare i requisiti per i motori elettrici
Derivare i req­ui­si­ti per i motori elettrici

2) Creare l’architettura di sistema dell’azionamento elettrico

È nec­es­sario creare anche un’ar­chitet­tura di sis­tema del­l’azion­a­men­to elet­tri­co, che con­siste nel motore elet­tri­co, nel­l’in­vert­er e pos­si­bil­mente anche nel ridut­tore. Un’ar­chitet­tura di sis­tema aiu­ta a capire come i diver­si com­po­nen­ti inter­agis­cono tra loro, cioè mec­ca­ni­ca­mente, elet­tri­ca­mente e ter­mi­ca­mente. L’ar­chitet­tura aiu­ta a com­pren­dere le inter­re­lazioni e le inter­azioni tra motore elet­tri­co, invert­er e ridut­tore. L’ar­chitet­tura può essere uti­liz­za­ta per dis­cutere come ottimiz­zare il sis­tema di azion­a­men­to e dove è pos­si­bile risparmi­are sui costi.

Architettura di sistema di un motore elettrico
Architet­tura di sis­tema di un motore elettrico

3) Scelta del tipo di motore elettrico e confronto

Nel proces­so di pre­se­lezione, occorre con­sid­er­are con mol­ta atten­zione il tipo di motore elet­tri­co più adat­to all’ap­pli­cazione cor­rispon­dente. Ogni motore elet­tri­co pre­sen­ta van­tag­gi e svan­tag­gi. Con l’aiu­to dei req­ui­si­ti prece­den­te­mente scrit­ti e di una ger­ar­chia di pri­or­ità, si deve con­frontare il tipo di motore elet­tri­co più adat­to all’ap­pli­cazione speci­fi­ca. Occorre inoltre con­sid­er­are con atten­zione il numero di unità in cui il motore elet­tri­co ver­rà suc­ces­si­va­mente prodot­to. Dal numero di unità deri­va anche la tec­nolo­gia di avvol­gi­men­to uti­liz­za­ta per il motore elet­tri­co. E la tec­nolo­gia di avvol­gi­men­to ha una grande influen­za sul­la prog­et­tazione del motore elettrico.

4) Selezionare il punto di partenza per la progettazione del motore

La scelta del gius­to pun­to di parten­za per il cal­co­lo non è così impor­tante. Esistono equazioni per sti­mare le dimen­sioni del motore elet­tri­co per una deter­mi­na­ta poten­za. Ma è meglio guardare sem­plice­mente a quali dimen­sioni uti­liz­zano altri pro­dut­tori e con­cor­ren­ti che han­no req­ui­si­ti sim­ili. Nel­la mag­gior parte dei casi, il pun­to di parten­za per il dimen­sion­a­men­to del motore elet­tri­co è già dato dai req­ui­si­ti di lunghez­za e diametro del motore.

5) Progettazione analitica del motore elettromagnetico

Per la prog­et­tazione e il cal­co­lo si uti­liz­zano stru­men­ti soft­ware analiti­ci. I para­metri come il diametro, la lunghez­za e la ten­sione del motore elet­tri­co ven­gono inser­i­ti nel soft­ware. Il soft­ware di prog­et­tazione del motore cal­co­la quin­di la cop­pia e la veloc­ità in modo analiti­co uti­liz­zan­do un’e­quazione. Sono suf­fi­ci­en­ti pochi sec­on­di per ottenere un risul­ta­to. Si mod­i­f­i­cano quin­di i para­metri fino a ottenere la cop­pia desider­a­ta. La rego­lazione dei para­metri richiede mol­ta espe­rien­za, per­ché ogni para­metro ha un’in­fluen­za diret­ta su diverse pro­pri­età del motore elet­tri­co. Ad esem­pio, è pos­si­bile uti­liz­zare algo­rit­mi di ottimiz­zazione per svilup­pare un motore elet­tri­co par­ti­co­lar­mente effi­ciente. Tut­tavia, il cal­co­lo analiti­co ha un grosso prob­le­ma: l’ac­cu­ratez­za dei risul­tati di veloc­ità, cop­pia ed effi­cien­za. L’ac­cu­ratez­za è soli­ta­mente com­pre­sa tra il 70 e l’80%. Dipende dal­la com­p­lessità del motore elet­tri­co e dal soft­ware uti­liz­za­to. Come si può miglio­rare l’ac­cu­ratez­za o ver­i­fi­care il risultato?

Progettazione analitica di motori elettrici
Prog­et­tazione ana­lit­i­ca di motori elettrici

6) Simulazione 2D FEM del motore elettrico

Il modo migliore per ver­i­fi­care il cal­co­lo analiti­co è una sim­u­lazione FEM 2D. 2D sig­nifi­ca che il motore è divi­so in tan­ti pic­coli pezzi nelle due dimen­sioni X e Y. Più pic­coli sono i pezzi, più pre­ciso è il risul­ta­to. Più pic­coli sono i pezzi, più accu­ra­to è il risul­ta­to, ma questo richiede anche più tem­po di cal­co­lo. I risul­tati pos­sono essere uti­liz­za­ti per miglio­rare i para­metri del cal­co­lo analiti­co. Per­ché fare un pas­so indi­etro nel cal­co­lo analiti­co? In una sim­u­lazione bidi­men­sion­ale, di soli­to si cal­co­la un solo pun­to di cari­co, cioè l’ef­fi­cien­za a un solo pun­to di velocità/coppia. Per questo moti­vo è più sen­sato cal­co­lare una map­pa di effi­cien­za in modo analiti­co, con i para­metri adat­tati dal­la sim­u­lazione 2D.

Simulazione 2D FEM del motore elettrico
Sim­u­lazione 2D FEM del motore elettrico

Top 10 soft­ware per la prog­et­tazione di motori »

7) Simulazione 3D FEM del motore elettrico

Quan­do e per­ché è anco­ra nec­es­saria una sim­u­lazione 3D? Con la sim­u­lazione 2D si pre­sume che la strut­tura si ripeta nel­la direzione Z. Ma se si osser­va il motore elet­tri­co dal­l’al­to, ad esem­pio, non è così alle estrem­ità supe­ri­ori e infe­ri­ori del motore. Ma se si osser­va il motore elet­tri­co dal­l’al­to, ad esem­pio, questo non è il caso alle estrem­ità supe­ri­ori e infe­ri­ori di un motore elet­tri­co. I flus­si paras­si­ti pos­sono ver­i­fi­car­si alle estrem­ità supe­ri­ori e infe­ri­ori del motore e si deve sti­mare l’en­tità del­la loro influen­za. Per i motori elet­tri­ci molto cor­ti, l’in­fluen­za dei flus­si paras­si­ti può essere ele­va­ta. Per­tan­to, i risul­tati del­la sim­u­lazione 3D devono essere ripor­tati nel­la sim­u­lazione 2D. Il cal­co­lo del­la cur­va carat­ter­is­ti­ca di un motore elet­tri­co in una sim­u­lazione 3D richiederebbe una capac­ità di cal­co­lo e un tem­po ecces­sivi. Un altro esem­pio in cui le sim­u­lazioni 3D sono nec­es­sarie sono i motori a flus­so assiale, in cui il cam­po elet­tro­mag­neti­co cam­bia in tutte e 3 le dimen­sioni. Anche nel caso di motori elet­tri­ci molto lunghi, pos­sono ver­i­fi­car­si vibrazioni di fles­sione del­l’al­bero, che cau­sano la vari­azione del­la dis­tan­za tra rotore e sta­tore sul­la lunghez­za. Ques­ta dis­tan­za è chia­ma­ta anche tra­fer­ro e la sua vari­azione ha nat­u­ral­mente un’in­fluen­za sul­la cop­pia e sul suo andamento.

Punti aggiuntivi nello sviluppo dei motori elettrici

Test e misure sui motori elettrici

Chi­unque simuli e cal­coli deve ovvi­a­mente sapere anche come ver­i­fi­care i pro­pri risul­tati. Per­ché la dif­feren­za tra teo­ria e prat­i­ca è mag­giore nel­la prat­i­ca che nel­la teo­ria. La ver­i­fi­ca dei risul­tati può essere sud­di­visa in 3 fasi. Mis­urare i mate­ri­ali, ad esem­pio i mag­neti e la lamiera. Mis­urazione dei com­po­nen­ti, ad esem­pio il rotore con i mag­neti e lo sta­tore con gli avvol­gi­men­ti. Infine, nat­u­ral­mente, la mis­urazione atti­va e pas­si­va del motore elet­tri­co com­ple­to. Si dovrebbe iniziare a mis­urare mate­ri­ali e com­po­nen­ti il pri­ma pos­si­bile e las­cia­re che i risul­tati con­fluis­cano nel­la sim­u­lazione per migliorarla.

Progettazione meccanica e termica del motore elettrico

Anche la prog­et­tazione e la sim­u­lazione mec­ca­ni­ca e ter­mi­ca del motore elet­tri­co sono molto impor­tan­ti. Solo con la sim­u­lazione ter­mi­ca, infat­ti, si può sapere per quan­to tem­po il motore elet­tri­co può real­mente fornire la mas­si­ma poten­za. La pro­ce­du­ra di prog­et­tazione e cal­co­lo ter­mi­co è molto sim­i­le a quel­la del­la prog­et­tazione elet­tro­mag­net­i­ca descrit­ta in prece­den­za. I risul­tati del­la sim­u­lazione elet­tro­mag­net­i­ca, come le perdite di poten­za, ven­gono incor­po­rati nel­la sim­u­lazione ter­mi­ca. La sim­u­lazione mec­ca­ni­ca è par­ti­co­lar­mente impor­tante se il motore elet­tri­co gen­era gran­di cop­pie o rag­giunge veloc­ità elevate.