Optimal Design and Finite Element Analysis of an Efficiency BPMDC Motor for EV Propulsion with Reduced Material Cost and Power Losses Using ANSYS Electronics

I veicoli elettrici stanno diventando una vista familiare sulle strade di tutto il mondo, eppure il cuore di ogni auto elettrica rimane una macchina complessa: il motore elettrico. Per muovere un veicolo, questi motori devono convertire l'elettricità in movimento con il minor spreco possibile. Quando l'energia viene sprecata, solitamente si trasforma in calore o viene persa attraverso l'attrito, il che accorcia l'autonomia di guida e aumenta il costo del veicolo. Un tipo specifico di motore, noto come motore a corrente continua a magneti permanenti senza spazzole (brushless), è emerso come un forte contendente per questo compito perché è compatto, potente ed efficiente. Tuttavia, costruirne uno non significa solo farlo girare; richiede un delicato equilibrio di materiali. I magneti all'interno del rotore, l'acciaio nel nucleo e il rame negli avvolgimenti hanno tutti costi e caratteristiche di prestazione differenti. Se i materiali sono troppo costosi, l'auto diventa inaccessibile; se sono troppo deboli, il motore spreca energia. La sfida per gli ingegneri è trovare la combinazione perfetta che offra alte prestazioni senza prosciugare il budget.

In uno studio recente, un team di ricercatori si è posto l'obiettivo di risolvere questo equilibrio per un motore progettato specificamente per la propulsione di veicoli elettrici. Si sono concentrati su un motore da 2,08 kilowatt, una dimensione adatta a veicoli più piccoli o applicazioni di guida specifiche, e hanno utilizzato simulazioni informatiche avanzate per testare le loro idee. Invece di costruire prototipi fisici, che possono essere lenti e costosi, hanno utilizzato una potente suite di software chiamata ANSYS Electronics. Questo strumento ha permesso loro di creare un modello digitale dettagliato del motore e di osservare come l'elettricità e i campi magnetici interagissero al suo interno. I ricercatori hanno progettato il motore per funzionare a 220 volt a una velocità di 1500 giri al minuto. Hanno selezionato con cura l'acciaio per i nuclei dello statore e del rotore e hanno disposto gli avvolgimenti in rame secondo un modello specifico per garantire che le forze magnetiche fossero distribuite uniformemente. L'obiettivo era vedere come diverse scelte nei magneti permanenti — i pezzi che forniscono il campo magnetico costante all'interno del motore — avrebbero cambiato l'efficienza del motore e la quantità di energia sprecata.

Per trovare la soluzione migliore, il team non ha testato solo un tipo di magnete. Ha creato sei versioni diverse del motore, ciascuna con un diverso grado di materiale magnetico permanente. Hanno poi eseguito la stessa simulazione su tutte e sei le versioni per vedere quale performasse meglio nelle stesse condizioni. Il computer ha calcolato ogni dettaglio, da quanto calore generassero i fili di rame a quanta energia venisse persa a causa dello sfregamento delle parti del motore contro l'aria. I risultati sono stati chiari: non tutti i magneti sono uguali. Un magnete specifico, identificato nello studio come XG196/96, ha superato gli altri. Questa particolare configurazione ha permesso al motore di raggiungere un'efficienza dell'87,56 percento, la più alta del gruppo. Al contrario, la configurazione magnetica meno efficiente ha gestito solo circa l'85,2 percento di efficienza. La differenza può sembrare piccola, ma nel mondo dei veicoli elettrici, anche una frazione di un punto percentuale in efficienza si traduce in più miglia percorse con la stessa carica della batteria.

Lo studio ha anche analizzato esattamente dove andasse l'energia e dove venisse persa. Con il magnete dalle migliori prestazioni, il motore ha mostrato perdite ridotte in ogni ambito. Gli avvolgimenti di rame, che trasportano la corrente elettrica, hanno perso circa 203,7 watt di potenza sotto forma di calore. Il nucleo di ferro, che guida il campo magnetico, ha perso 14,77 watt. Anche i componenti elettronici che accendono e spengono la corrente, come transistor e diodi, hanno contribuito alla perdita totale, ma il team è stato in grado di quantificare questi importi con precisione. Le perdite per attrito e resistenza aerodinamica (windage), ovvero i costi energetici del motore che ruota nell'aria e della resistenza meccanica delle sue parti in movimento, sono state mantenute molto basse, a soli 12 watt. Confrontando questi numeri tra i sei diversi progetti, i ricercatori hanno potuto vedere che la scelta del magnete influenzava direttamente la corrente che scorreva nel motore, il che a sua volta determinava quanta energia veniva sprecata. Il magnete XG196/96 richiedeva meno corrente per svolgere lo stesso lavoro, motivo per cui generava meno calore e sprecava meno energia.

Oltre all'efficienza, i ricercatori hanno esaminato quanto il motore funzionasse in modo fluido. Un problema comune nei motori elettrici è il "cogging", una sensazione di scatto che si verifica quando i denti magnetici del rotore e dello statore si incastrano tra loro. Questo può causare vibrazioni e rumore, il che è sgradevole per un conducente. Le simulazioni hanno dimostrato che il design scelto produceva una coppia molto fluida, il che significa che la forza di rotazione era costante e regolare. Il campo magnetico all'interno del motore era distribuito uniformemente e i segnali elettrici che guidano il motore erano puliti e simmetrici. Il team ha anche controllato la capacità del motore di partire da fermo, un momento critico per qualsiasi veicolo. La simulazione ha indicato che il motore poteva produrre una coppia di avviamento quasi quattro volte superiore alla sua coppia operativa normale, suggerendo che avrebbe accelerato con forza quando necessario.

Il lavoro presentato in questo articolo è uno studio di simulazione, il che significa che i risultati derivano da un sofisticato modello informatico piuttosto che da una macchina fisica su un banco di prova. Tuttavia, il livello di dettaglio nella modellazione è elevato, tenendo conto delle proprietà specifiche dell'acciaio, della forma esatta dei magneti e del comportamento delle correnti elettriche. I ricercatori non hanno sostenuto di aver costruito una nuova auto o un nuovo motore pronto per la sala esposizioni. Al contrario, hanno fornito un progetto rigoroso e un metodo collaudato per la selezione dei materiali. Hanno dimostrato che, scegliendo attentamente il magnete giusto, è possibile progettare un motore che sia sia conveniente che altamente efficiente. Per il futuro del trasporto elettrico, dove ogni watt di energia conta, questo tipo di ingegneria di precisione è essenziale. Lo studio conclude che il magnete XG196/96 offre il miglior compromesso tra prestazioni e costi, fornendo una solida base per la prossima generazione di sistemi di propulsione per veicoli elettrici.