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Questa attività nasce dalla collaborazione tra Elettromeccanica Lucchi srl, azienda familiare con sede a Rimini che costruisce motori elettrici, e la R&D CFD, spin off del Dipartimento di Ingegneria Enzo Ferrari dell'Università di Modena e Reggio Emilia. L'obiettivo principale di questa collaborazione è costruire un modello termico CFD di un motore elettrico asincrono trifase e calibrarlo facendo riferimento a dati empirici, ottenuti da esperimenti sul prototipo reale del motore. In questo modo il modello CFD è in grado di prevedere il comportamento termico del sistema per qualsiasi punto operativo. Le fasi dell’attività sono le segunti:
- Modificare il modello CAD 3D del motore fornito dalla Elettromeccanica Lucchi srl in modo che sia adatto ad una simulazione CFD termica utilizzando il CAD interno di Starccm+. Vengono eliminati smussi e raccordi, soprattutto nella parte interna dello statore e del rotore del motore elettrico, così come le tolleranze dimensionali, che creano cuspidi e volumi cuneiformi. Il canale della water jacket ha una forma a spirale ed è ricreata utilizzando alcuni parametri di controllo così da ottenere diversi lay out geometrici. Statore e rotore sono suddivisi nei singoli corpi che li compongono e viene ricreata la loro esatta geometria. I cuscinetti a sfera, che sostengono il rotore del motore elettrico, sono suddivisi solo in anelli interni ed esterni e in un ponte termico tra i due anelli, che racchiude sia i corpi volventi che la gabbia delle sfere, aria e guarnizioni. Altri elementi come viti, rondelle, cablaggi dell’alimentazione trifase e il sensore del pick-up magnetico vengono eliminati, perché non sono rilevanti per la simulazione del movimento del fluido.
- Creare una mesh di volume per ogni singolo elemento del sistema: laddove la geometria del motore lo consente, viene utilizzato un tipo di mesh estrusa con matrice poliedrica per discretizzarne il volume. Se non è possibile, si utilizza una semplice mesh poliedrica. Il prism layer mesh viene utilizzato solo vicino alle boundaries di parete nella regione del fluido per modellare il flusso nella regione di strato limite.
- Assegnare modelli fisici appropriati a regioni sia solide che fluide. Per parti specifiche come il refrigerante e gli avvolgimenti dello statore, vengono modellati materiali con proprietà equivalenti al caso reale, le quali vengono verificate per mezzo di appropriati esperimenti numerici. Viene calcolato un database utilizzando la massa e la frazione molare delle proprietà dell'acqua pura e del glicole puro all'80-20 percento della miscela e confrontato con la stessa miscela di refrigerante utilizzata durante i test al banco. Lo statore, che è composto da avvolgimenti in rame, vernice per fili, resina epossidica e aria, è modellato con un materiale che ha proprietà equivalenti a quello reale valutate con formule specifiche, coinvolgendo le proprietà dei singoli materiali. Tramite test numerici, che confrontano la simulazione della divisione reale tra rame e matrice e il materiale equivalente per lo stesso dominio geometrico, si individua il modo migliore per modellare la fisica di questa parte.
- Organizzare prove sperimentali per misurare le prestazioni termiche del motore e ottenere quindi alcuni dati di riferimento per la calibrazione del modello in termini di caduta di pressione nel canale della water jacket, fonti di calore e campo di temperatura all'interno del motore.
- Calibrare il modello di simulazione facendo riferimento a dati empirici.
Si costruisce inoltre uno studio DOE per migliorare le prestazioni della water jacket. Tale simulazione confronta diverse configurazioni della geometria della water jacket tra loro in termini di perdite di pressione e capacità di scambiare calore tra il refrigerante e la carcassa del motore.

This activity is a collaboration between the Elettromeccanica Lucchi srl, a family business based in Rimini which builds electric motors, and the R&D CFD, a spin off from Enzo Ferrari Department of Engineering at the University of Modena and Reggio Emilia. The main goal of this collaboration is to build a CFD thermal model of an electric three-phase asynchronous motor and calibrate it referring to empiric data, token from experiments on the real motor prototype. In this way, the CFD model can predict the thermal behaviour of the system for any operative point. The job steps are: - Modify the motor 3D CAD model provided by Elettromeccanica Lucchi srl to a thermal CFD simulation using the CAD tool in Starccm+. Chamfers and fillets are eliminated, especially in the interior part of the electric motor stator and rotor, as same as dimensional clearances, which all create pinnacle and cuneiform shapes. The water jacket channel geometry has a spiral shape and it is recreated using some controls parameters, which allow to obtain different geometry lay outs. Stator and rotor are split in singular bodies which compose them and their exact geometry is recreated. The ball bearings, which sustain the electric motor rotor, are subdivided only in inner and outer rings and in a thermal bridge between the two rings, which encloses both steel ball and ball cage and air and gaskets. Other elements like screws, washers, outside three-phase wirings and the magnetic pick up sensor are deleted from the 3D model, because they are not relevant for the fluid motion simulation. - Create a body mesh for any single element of the system: wherever the motor geometry allows it, an extruded mesh type with a polyhedral matrix is used to discretized its volume. If it is not possible, a simple polyhedral mesh is employed. Prism layer mesh type is employed only close to the wall in fluid region, to model the flow on the log layer part. - Assign appropriate physic models to both solid and fluid regions. For specific parts such as coolant and stator wirings, equivalent materials with equivalent properties are modelled and validated with proper numeric experiments. A database is calculated using mass and molar fraction of properties of pure water and pure glycole at 80-20 percent of mixture and compared with the same coolant mixture used during bench tests. The stator, that is composed of copper wirings, wiring varnish, epoxy resin and air, is modelled with an equivalent material, that has properties evaluated with specific formulas, involving the single materials properties. Through numeric tests, which compare the simulation of the real division of copper and matrix and the equivalent material for the same geometry domain, the best way to model the physic of this part is identified. - Organize a group of empirical tests to measure motor thermal performances and get some reference data for the model calibration in terms of pressure drop in the water jacket channel, heat sources and temperature field inside the motor. Test benches are organized by Elettromeccanica Lucchi srl inside its headquarter. - Calibrate the simulation model referring to empirical data, adjusting the distribution of heat sources for all parts in the system. On the other side, a DOE study is carried on to improve the jacket performances. The task of this kind of simulation is to compare each other different water jacket geometry configurations in terms of pressure losses and capability to exchange heat between coolant and motor case.