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.
