Riassunto analitico
Nei motori elettrici, siano essi di impiego industriale o utilizzati nell’ambito dei trasporti, ricoprono una fondamentale importanza i sistemi di raffreddamento impiegati. Tale rilevanza è dovuta alla dipendenza che le perdite associate al rame, materiale con cui sono realizzati i conduttori presenti all’interno del motore, possiedono rispetto alla temperatura. Di conseguenza, un efficiente sistema di raffreddamento del motore elettrico porta ad un abbassamento della temperatura media degli avvolgimenti e ad una minor potenza dissipata sotto forma di calore, cosa che permette di aumentare l’efficienza e le prestazioni del motore elettrico, oltre che aumentarne la durata di funzionamento in condizioni ottimali. Per questo motivo, diviene fondamentale, nell’ambito della progettazione e prototipazione industriale di questa categoria di prodotti, riuscire a prevedere le prestazioni del sistema di raffreddamento, mediante simulazioni 0D e 3D, oltre che trovare soluzioni innovative che consentano di migliorare queste ultime. In quest’ottica, il presente lavoro si propone di illustrare innanzitutto i concetti teorici su cui viene modellato lo scambio termico e le soluzioni ad oggi presenti sul mercato; in seguito, considerando il caso di un prototipo di un motore elettrico da competizione, viene presentato un metodo per poter simulare in maniera efficace una soluzione per il sistema di raffreddamento in grado di garantire prestazioni migliori rispetto a quelle offerte dal sistema già in uso. Per poter svolgere tale attività, sono state considerate tanto le proprietà geometriche del motore quanto quelle dei materiali di cui è composto quest’ultimo a partire da un modello a parametri concentrati, realizzato su MotorCAD e fornito dalla casa produttrice del prototipo. Grazie a tali informazioni, è stato realizzato un modello CAD di una porzione del motore, a cui sono stati associati, per ciascuna parte, i materiali considerati, dei quali sono state valutate anche le caratteristiche anisotropiche da essi possedute e per validare i quali è stata realizzata una campagna di simulazioni CFD che portasse ad ottenere dei valori confrontabili in termini di temperatura e dissipazioni con quanto ottenuto dal modello a parametri concentrati. Validato il modello realizzato, è stato possibile simulare le prestazioni dell’alternativa proposta, ovvero la realizzazione di condotti di forma rettangolare ricavati all’interno delle zeppe statoriche, a diretto contatto con gli avvolgimenti del motore: nell’ottica di individuare le dimensioni ottimali di tale canale, sono state effettuate varie simulazioni CFD su diverse geometrie e portate, parallelamente alla redazione di un modello analitico che consenta di prevedere, con un margine d’errore limitato, alcune grandezze fondamentali dello scambio termico. Una volta individuata la geometria in grado di garantire le migliori prestazioni termiche rispetto alle altre, è stata svolta l’implementazione sul codice commerciale a parametri concentrati di tale soluzione, mediante l’inserimento di opportune resistenze termiche all’interno della rete rappresentante il motore: in questo modo, è possibile, sostituendo i valori di resistenza calcolati in corrispondenza della geometria desiderata e della portata sulla base del modello analitico, ottenere in modo rapido e soddisfacente le prestazioni termiche del motore tramite il solo utilizzo del modello a parametri concentrati. In conclusione, si presenta un confronto fra la soluzione proposta e quella preesistente, oltre che rispetto all’utilizzo delle ultime due combinate ed anche rispetto ad un ulteriore soluzione che prevede l’impiego dei condotti all’interno delle zeppe statoriche in combinazione con canali circolari realizzati all’interno dello statore.
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