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.
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.
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.
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?
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.
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.