Riassunto analitico
Storicamente il motore più utilizzato nelle applicazioni hand-held risulta essere il motore a combustione interna 2T. Tuttavia, con la crescente attenzione verso la sostenibilità ambientale, nel settore “Agricoltura, Attività forestale e Giardinaggio” in cui opera anche Emak (azienda presso cui ho svolto l’attività esposta in questo documento) si manifesta una tendenza allo sviluppo di nuove attrezzature elettriche, quindi equipaggiate da batteria e Power-Unit.
La transizione verso questa nuova tecnologia offre molteplici vantaggi tra cui la riduzione della rumorosità e delle vibrazioni trasmesse all’utente. Questi benefici sono dati dai differenti principi fisici dai quali scaturisce la generazione della coppia, e dall’assenza di tutti quei componenti meccanici tipici di un motore endotermico. Inoltre, durante il funzionamento, si ottiene un’emissione locale di inquinanti pari a 0 non essendovi alcun processo di combustione.
Esiste, tuttavia, un importante limite tecnologico dato dalla ridotta autonomia connessa alla capacità della batteria e, conseguentemente, i lunghi tempi necessari per la ricarica. Rappresenta, tuttavia, un limite superabile nel momento in cui, come per l’applicazione ivi analizzata, si hanno a disposizione più batterie con sé.
Un’ ulteriore problematica riguarda la temperatura di esercizio delle batterie poiché se troppo bassa (nell’intorno di 0°C o inferiore) può ridurre la capacità della batteria, mentre se elevata (oltre i 40°C) può portare al degrado della stessa con conseguente riduzione dei cicli di vita.
Attualmente, tali attrezzature trovano utilizzo per lavorazioni dove sono sufficienti delle potenze contenute e non è richiesto dall’utente un utilizzo prolungato nel tempo. Dal punto della vista progettazione, uno degli aspetti più critici riguarda il Thermal management. Risulta fondamentale gestire la potenza dissipata sotto forma di calore dai vari elementi del sistema, dall’accumulatore passando per l’elettronica di controllo, fino all’unita motrice. Questo va a beneficio sia delle prestazioni che della vita utile dei componenti.
Dall’esigenza di curare questi aspetti progettuali, nasce lo scopo di quest’attività di tirocinio, ossia l’ottimizzazione del processo di raffreddamento di una Power-Unit. Tramite il software Simcenter Star CCM+, e con l’ausilio di CATIA V5, nella prima fase viene realizzato un modello fluidodinamico CFD-3D basato sull’applicazione esistente e validato facendo riferimento ai dati sperimentali forniti da Emak. Nella seconda fase, si è intrapreso il percorso di ottimizzazione dove si vagliano delle nuove configurazioni migliorative.
Individuate quelle che risultassero compatibili con i vincoli progettuali presenti, e, al tempo stesso, più promettenti sulla base delle performance ottenute dal modello, si è proceduto alla prototipazione rapida. Sono state quindi eseguite nuove prove sperimentali, in laboratorio prima e sul campo poi.
A margine della fase di ottimizzazione, dati i buoni risultati raggiunti, si è valutata la possibilità di utilizzare il modello CFD realizzato per predire il comportamento dell’applicazione nell’ottica di uno scaling del motore elettrico BLDC.
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Abstract
Historically, the most widely used engine in hand-held applications has been the 2-stroke internal combustion engine (2T). However, with increasing attention to environmental sustainability, the “Agriculture, Forestry, and Gardening” sector, in which Emak (the company where I conducted the activity described in this document) operates, is experiencing a trend toward the development of new electric equipment, so powered by batteries and power units.
The transition to this new technology offers multiple advantages, including reduced noise and vibrations transmitted to the user. These benefits are due to the different physical principles behind torque generation and the absence of mechanical components typical of an internal combustion engine. Additionally, during operation, local pollutant emissions are reduced to zero as there is no combustion process involved.
However, significant technological limitation is the reduced autonomy associated with battery capacity, and consequently, the long charging times required. Nevertheless, this limitation can be overcome when, as in the application analyzed here, multiple batteries are available.
Another issue concerns the operating temperature of the batteries, as excessively low temperatures (around 0°C or lower) can reduce battery capacity, while excessively high temperatures (above 40°C) can lead to battery degradation, resulting in a shortened lifespan.
Currently, such equipment is used for tasks where limited power is sufficient, and extended usage is not required by the user. From a design perspective, one of the most critical aspects is thermal management. It is essential to manage the power dissipated as heat from various system elements, from the battery to the control electronics and the motor unit. This benefits both performance and component longevity.
From the need to address these design aspects, the purpose of this internship activity arose: the optimization of the cooling process of a power unit. Using Simcenter Star CCM+ software and with the aid of CATIA V5, the first phase involved creating a CFD-3D fluid dynamic model based on the existing application, which was validated using experimental data provided by Emak. In the second phase, the optimization process began, evaluating new improved configurations.
Once those configurations compatible with existing design constraints were identified, and at the same time more promising based on the performance obtained from the model, rapid prototyping was carried out. New experimental tests were then conducted, first in the lab and later in the field.
In addition to the optimization phase, given the good results achieved, the possibility of using the developed CFD model to predict the behavior of the application in light of scaling the BLDC electric motor was evaluated.
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