Riassunto analitico
Lo sviluppo dei motori elettrici, contrariamente al pensiero comune, è iniziato molti anni fa, antecedentemente allo sviluppo del primo motore endotermico; tuttavia, a causa delle ridotte possibilità tecniche del periodo, è stato messo da parte per fare posto al concorrente nell’applicazione alla trazione veicolare. Negli ultimi due decenni si è evidenziata una necessità ambientale che ha portato il settore dell’industria automotive ad una vera e propria rivoluzione, deviando radicalmente il proprio percorso, in direzione della molto più ecologica trazione elettrica.
Tuttavia, unitamente alla riduzione delle emissioni inquinanti, le prestazioni di un motore elettrico si sono dimostrate molto differenti da quelle di un motore endotermico e, per certi aspetti, nettamente superiori; tutto ciò ha fatto sì che le maggiori industrie veicolistiche si interessassero a questa tecnologia, sviluppando sistemi di propulsione sempre più performanti ed efficienti.
Questo lavoro di tesi si pone l’obiettivo di progettare un motore elettrico con destinazione d’uso high performance nella sua interezza, con una particolare attenzione allo sviluppo di un sistema di raffreddamento altamente efficiente ed efficace ed alla progettazione della geometria “attiva”, essendo entrambi gli aspetti di fondamentale importanza per ottenere elevate performance.
Il sistema di raffreddamento è stato sviluppato portando avanti due differenti design con diverse caratteristiche di funzionamento:
- Il primo, più convenzionale, prevede l’utilizzo di una camicia di raffreddamento ad acqua per l’asportazione del calore sviluppato dal motore;
- Il secondo, più innovativo, consiste nello sviluppo di un sistema di spray ad olio in modo da ridurre la catena di resistenze tra la sorgente del calore e il punto di asportazione di tale calore, facendo entrare in contatto il liquido refrigerante con gli avvolgimenti al livello delle testate.
Entrambi gli approcci considerano le testate del motore come punti di concentrazione del calore, a causa della forte anisotropia termica dei cavi all’interno delle cave statoriche, i quali, assialmente, incontrano solo la resistenza del rame stesso, di per sé molto bassa, consentendo al calore di propagarsi in tale direzione con maggiore facilità. Per l’asportazione di tale calore, la camicia ad acqua opera sul diametro esterno del motore e su una testata, mentre il sistema a getti d’olio non è dotato di raffreddamento sulla superficie laterale, ma si basa solo sul contatto diretto dell’olio con gli avvolgimenti; tuttavia quest’ultimo approccio aumenta il grado di complessità tecnica del sistema a causa di diverse problematiche, prima tra tutte la presenza dell’olio all’interno del motore, quindi a contatto con rotore, magneti ed, ovviamente, i cavi di rame.
Riguardo la definizione della geometria attiva si è avviato uno studio a stretto contatto tra la progettazione e le simulazioni elettromagnetiche e strutturali, in modo da ottimizzare il motore in termini di dimensioni e peso, ponendosi come obiettivo il raggiungimento di determinate performance in potenza e coppia.
Attraverso vari step di definizione del design attivo, si sono ottenute diverse geometrie, a seconda della tipologia di motore selezionata e di materiale utilizzato, cercando di soddisfare i requisiti elettromagnetici senza andare oltre i limiti meccanici dei componenti.
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