Riassunto analitico
La progettazione di un motore elettrico coinvolge aspetti ingegneristici che spaziano dall’elettromagnetismo alla verifica di resistenza termo-strutturale dell’intero sistema. La sua apparente semplicità architettonica non è accompagnata da una altrettanta facilità progettuale. La progettazione ottimale di un motore elettrico richiede pertanto dei compromessi; infatti, la ricerca delle migliori performance elettromagnetiche porta ad un naturale decremento delle prestazioni strutturali, e viceversa. Stessa considerazione si applica agli aspetti elettromagnetici versus gli aspetti termici.
La selezione dei materiali ferromagnetici e conduttivi impiegati per la realizzazione dei magneti e per la realizzazione degli avvolgimenti dello statore influenzano le prestazioni ultime del progetto. Un decadimento delle prestazioni di magnetizzazione e delle proprietà conduttive si evidenzia a seguito dei campi termici a cui il motore viene a lavorare.
Il presente lavoro di tesi è stato svolto presso il MilleChili Lab del Dipartimento di Ingegneria Enzo Ferrari durante il periodo di tirocinio.
L’obiettivo del lavoro è quello di sviluppare una innovativa metodologia di ottimizzazione multi-obiettivo e multi-fisica su un motore esistente a magneti permanenti attualmente in produzione cercando di migliorare il design attuale.
L’ottimizzazione verterà su funzioni obiettivo sia a carattere elettromagnetico, sia a carattere strutturale impiegando la tecnica numerica di calcolo agli elementi finiti. Tale lavoro rappresenta un avanzamento dell’attuale stato dell’arte in questo ambito di ricerca. In genere, le tecniche di ottimizzazione che vengono adottate massimizzano la resa magnetica del motore mentre la validazione della sua resistenza strutturale viene effettuata a posteriori della definizione dell’architettura motore. Rari tentativi di ottimizzazioni ibride, ossia che coinvolgono funzioni obiettivo magnetiche e contemporaneamente strutturali, sono rintracciabili ma vengono applicate a geometrie fortemente approssimate.
Il presente lavoro invece ricerca la geometria di motore ottimale considerando un numero di dettagli geometrici molto rilevante quali posizionamento ed estensione delle sedi dei magneti, dimensioni del rotore, dimensione dei traferri, … Il progetto è stato svolto impiegando la piattaforma di calcolo Altair Hyperworks 2019.1: dove Flux è stato utilizzato per la risoluzione delle analisi elettromagnetiche e termiche mentre il solutore lineare Optistruct per l’analisi strutturale. Da ultimo, per l’ottimizzatore multi-obiettivo, Hyperstudy è stato adottato per l’impostazione e la ricerca dell’ottimo compromesso tra prestazioni magnetiche e prestazioni di resistenza.
La presenza di più funzioni obiettivi, vedremo, porta alla costruzione di una superficie di risposta detta superficie o curva di Pareto Front sulla quale si vengono a collocare tutte le soluzioni ottimali trovate dall’algoritmo di ottimizzazione in grado di soddisfare i vincoli di progetto, e che sono in grado di massimizzare la coppia elettromagnetica media e di minimizzare la massima tensione di Von Mises ed il ripple di coppia. Un dettagliato commento delle soluzioni progettuali ritenute tecnologicamente e meccanicamente più rilevanti verrà riportato.
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