Innovazione nei Motori Elettrici: Motore IPMSM a Magnetizzazione Multistrato Coniuga Efficienza e Silenziosità
Nel panorama in rapida evoluzione della mobilità elettrica, dove prestazioni, efficienza e comfort di guida sono prioritari, una nuova ricerca ha introdotto un progresso significativo nella tecnologia dei motori sincroni a magneti permanenti (PMSM). Un team di ricercatori della Scuola di Ingegneria Elettrica e dell’Informazione dell’Università di Scienza e Tecnologia di Anhui ha sviluppato e ottimizzato un innovativo motore sincrono a magneti permanenti interni (IPMSM) con architettura multistrato, specificamente progettato per avvolgimenti a forcella (hairpin) nei veicoli elettrici (EV). Questo design promette di offrire una maggiore densità di potenza, un’efficienza migliorata e una riduzione significativa dell’ondulazione di coppia (torque ripple) e della coppia di detenzione (cogging torque) – tre fattori critici che influenzano direttamente l’esperienza di guida e le prestazioni complessive degli EV moderni.
La ricerca, guidata dal Dott. Han Lin, Professore Associato e Supervisore di Master, insieme agli studenti laureati YuHang Zhang, ZhongGen Wang e TianLong Deng, è stata pubblicata sul Journal of Chongqing University of Technology (Natural Science). Il loro lavoro presenta un approccio completo alla progettazione di motori che integra modellazione elettromagnetica avanzata, analisi agli elementi finiti e sofisticate tecniche di ottimizzazione per spingere i limiti di ciò che è possibile nei sistemi di azionamento elettrici compatti e ad alte prestazioni.
Mentre l’industria automobilistica globale continua la sua transizione verso l’elettrificazione, la domanda di motori elettrici più efficienti e potenti non è mai stata così alta. I motori tradizionali, sebbene affidabili, spesso affrontano limitazioni in termini di densità di potenza, gestione termale e prestazioni acustiche. La tecnologia degli avvolgimenti a forcella è emersa come una soluzione promettente ad alcune di queste sfide, offrendo fattori di riempimento delle cave più elevati, perdite AC ridotte e un miglior dissipazione del calore rispetto agli avvolgimenti tradizionali con filo rotondo. Tuttavia, anche con i vantaggi degli avvolgimenti a forcella, la progettazione del rotore e della sua struttura magnetica rimane un’area critica per l’innovazione.
Il team di ricerca si è concentrato sull’architettura del rotore, esplorando specificamente configurazioni di magneti multistrato all’interno di un layout a magneti permanenti interni (IPM). A differenza dei design convenzionali a singolo o doppio strato, il motore proposto presenta una struttura magnetica a tre strati che combina magneti permanenti a forma di U, di V e di I in una configurazione unica UV-I. Questa disposizione complessa permette un maggiore controllo sulla distribuzione del flusso magnetico all’interno del motore, consentendo agli ingegneri di mettere a punto caratteristiche prestazionali come la produzione di coppia, la capacità di indebolimento del flusso e il contenuto armonico.
Una delle principali sfide nei motori elettrici ad alta velocità è la presenza dell’ondulazione di coppia e della coppia di detenzione, che possono portare a vibrazioni, rumore e ridotto comfort di guida. Questi effetti indesiderati sono particolarmente pronunciati nei motori a magneti permanenti interni a causa dell’interazione tra i denti dello statore e i poli magnetici del rotore. Per affrontare questo problema, i ricercatori hanno implementato una strategia di ottimizzazione in più fasi che inizia con la segmentazione e l’inclinazione (skewing) del rotore.
L’inclinazione segmentata è una tecnica ben nota utilizzata per ridurre le armoniche elettromagnetiche introducendo un disallineamento controllato tra i segmenti del rotore. In questo studio, il team ha adottato un design di inclinazione lineare segmentata con tre segmenti e un angolo di inclinazione di 5 gradi. Questo primo passo di ottimizzazione ha prodotto risultati notevoli: la coppia di detenzione è stata ridotta di un impressionante 97.01%, mentre l’ondulazione di coppia è scesa dal 9.91% al 3.18%. Sebbene si sia registrato un leggero aumento della distorsione armonica totale (THD) della densità di flusso nel traferro, il miglioramento complessivo nella scorrevolezza e nella riduzione del rumore ha giustificato il compromesso.
Con le prestazioni di base significativamente migliorate attraverso l’inclinazione, i ricercatori hanno proceduto a confrontare quattro diverse configurazioni di magneti multistrato: UU-I, UU, UV e UV-I. Ogni design è stato valutato in base ad indicatori chiave di prestazione come la coppia media, l’ondulazione di coppia, la THD della forza elettromotrice (FEM) indotta e la densità del flusso magnetico nel traferro. Tra le quattro, la configurazione UV-I si è distinta come la più bilanciata ed efficace. Ha fornito una coppia media di 129.19 N·m con un’ondulazione di coppia di appena il 3.18%, mantenendo al contempo una coppia di detenzione relativamente bassa di 244.11 mN·m. La forma d’onda della FEM indotta ha mostrato eccellenti caratteristiche sinusoidali con una THD di solo il 2.88%, indicando una distorsione armonica minima e un funzionamento più regolare.
Avendo identificato la struttura UV-I come candidato ottimale, la fase successiva della ricerca si è concentrata sulla messa a punto delle dimensioni dei singoli segmenti magnetici. È qui che il team ha impiegato il metodo Taguchi, una potente tecnica di ottimizzazione statistica ampiamente utilizzata nella progettazione ingegneristica per identificare i parametri più influenti e determinarne le impostazioni ottimali con un numero minimo di esperimenti.
Sei parametri geometrici chiave sono stati selezionati per l’ottimizzazione: la larghezza e la lunghezza totale del magnete a U, la larghezza e la lunghezza totale del magnete a V, e la larghezza e la lunghezza totale del magnete a I. Ad ogni parametro sono stati assegnati cinque diversi livelli, risultando in un totale di 25 combinazioni sperimentali basate su una matrice ortogonale. Per ogni combinazione sono state condotte simulazioni agli elementi finiti per valutare la coppia media e l’ondulazione di coppia.
I risultati dell’analisi Taguchi hanno rivelato che la lunghezza del magnete a V (D) aveva l’impatto più significativo sulla coppia media, contribuendo per il 56.65% alla variazione complessiva. Seguivano la lunghezza del magnete a U (B) al 20.45% e la larghezza del magnete a I (E) al 14.53%. Per l’ondulazione di coppia, la larghezza del magnete a I (E) è emersa come il fattore più influente, rappresentando il 43.13% della variazione, seguita dalla lunghezza totale del magnete a I (F) al 31.48%.
Sulla base di queste intuizioni, i ricercatori hanno selezionato la combinazione ottimale dei livelli dei parametri: A(5), B(5), C(4), D(4), E(3), F(5). Questa configurazione corrisponde a valori dimensionali specifici che massimizzano la coppia media minimizzando al contempo l’ondulazione di coppia. Dopo aver applicato questa geometria ottimizzata, le prestazioni del motore sono ulteriormente migliorate: la coppia media è aumentata a 131.28 N·m, l’ondulazione di coppia è scesa sotto il 2% all’1.78% e l’ampiezza fondamentale della FEM indotta è salita da 274.09 V a 279.35 V. Tuttavia, è stato osservato un effetto collaterale inaspettato: la coppia di detenzione è aumentata leggermente da 244.11 mN·m a 259.78 mN·m. Ciò indicava che mentre l’ottimizzazione geometrica aveva migliorato con successo l’output di coppia e la regolarità, introduceva una nuova sfida in termini di forze magnetiche di detenzione.
Per affrontare questo problema, il team si è rivolto a una tecnica di magnetizzazione avanzata nota come magnetizzazione a matrice di Halbach. Una matrice di Halbach è una disposizione speciale di magneti permanenti che concentra il campo magnetico su un lato annullandolo sull’altro. Nel contesto dei motori elettrici, la magnetizzazione parziale di Halbach può essere utilizzata per modellare la distribuzione del flusso nel traferro, riducendo le armoniche e minimizzando la coppia di detenzione senza sacrificare la densità di coppia.
I ricercatori hanno applicato la magnetizzazione di Halbach in modo selettivo ai diversi strati del rotore multistrato. Hanno testato quattro configurazioni: magnetizzando il magnete a I, il magnete a V, il segmento inclinato del magnete a U e il segmento orizzontale del magnete a U. Ciascuna è stata valutata con un angolo di magnetizzazione iniziale fisso di 35 gradi, variando parametricamente la lunghezza del segmento magnetizzato per trovare l’impostazione ottimale.
I risultati sono stati rivelatori. Sebbene tutte le configurazioni mostrassero un certo grado di riduzione della coppia di detenzione, il magnete a V ha dimostrato le prestazioni più consistenti ed efficaci. All’aumentare della lunghezza del segmento magnetizzato con Halbach, la soppressione della coppia di detenzione migliorava costantemente. Ancora più importante, a differenza del segmento inclinato del magnete a U – che causava un significativo aumento dell’ondulazione di coppia – il magnete a V ha mantenuto una bassa ondulazione di coppia durante tutto il processo di ottimizzazione.
Incoraggiati da questi risultati, il team si è concentrato esclusivamente sull’ottimizzazione della magnetizzazione di Halbach del magnete a V. Hanno condotto una seconda serie di scansioni parametriche, questa volta variando sia l’angolo di magnetizzazione (da 25° a 45°) che la lunghezza del segmento magnetizzato (da 4 mm a 16 mm). L’obiettivo era trovare un equilibrio tra la massima riduzione della coppia di detenzione e l’impatto minimo sull’ondulazione di coppia e sulla coppia media.
L’analisi ha mostrato una tendenza chiara: all’aumentare dell’angolo di magnetizzazione, aumentava anche l’efficacia della soppressione della coppia di detenzione. Tuttavia, questo avveniva a scapito di un aumento dell’ondulazione di coppia e di un declino della coppia media. Con un angolo di magnetizzazione di 45° e una lunghezza del segmento di 9 mm, la coppia di detenzione ha raggiunto il suo punto più basso, ridotta del 45.08% rispetto allo stato post-ottimizzazione Taguchi. Tuttavia, l’ondulazione di coppia è salita sopra il 2% e la coppia media è diminuita del 4.59%.
Cercando una soluzione più equilibrata, i ricercatori hanno identificato un punto ottimale con un angolo di magnetizzazione di 30° e una lunghezza del segmento di 9 mm. Con questa impostazione, la coppia di detenzione è stata ridotta del 25.43%, l’ondulazione di coppia è rimasta eccezionalmente bassa all’1.72% e la coppia media è diminuita di appena il 2.26% a 128.31 N·m. Questa configurazione rappresentava il compromesso ideale, offrendo una sostanziale riduzione del rumore e delle vibrazioni senza compromettere le metriche prestazionali fondamentali del motore.
Il motore ottimizzato finale ha dimostrato caratteristiche complessive impressionanti. A pieno carico con una corrente di 400 A, la mappa dell’efficienza ha rivelato un’efficienza massima del 96.74%, con un’ampia zona di alta efficienza che copre una vasta gamma di condizioni operative. Il motore ha raggiunto una potenza nominale di 134.35 kW a 10.000 giri/min e una potenza di picco di 298 kW, con una velocità massima di 22.000 giri/min. Queste cifre evidenziano la capacità del motore di offrire sia prestazioni sostenute che un’elevata risposta dinamica – qualità essenziali per gli EV moderni.
Per convalidare la superiorità del loro design, i ricercatori lo hanno confrontato con un IPMSM a doppio strato a V con avvolgimento a forcella, precedentemente pubblicato e con specifiche simili (8 poli, 48 cave, dimensioni fisiche comparabili). I risultati sono stati sorprendenti: il nuovo motore multistrato UV-I ha superato il design di riferimento in quasi tutte le categorie. Ha raggiunto una coppia nominale più alta (128.31 N·m contro 82.9 N·m), una maggiore potenza di picco, una velocità massima più elevata (22.000 giri/min contro 12.000 giri/min) e un’efficienza superiore. Quest’analisi comparativa sottolinea i benefici tangibili dell’architettura magnetica multistrato combinata con tecniche di ottimizzazione avanzate.
Dal punto di vista produttivo e pratico, il design proposto mantiene la compatibilità con i processi produttivi esistenti per gli avvolgimenti a forcella, garantendo scalabilità e convenienza. L’uso dell’inclinazione segmentata e della magnetizzazione selettiva di Halbach introduce un’ulteriore complessità, ma i ricercatori sostengono che i guadagni prestazionali giustifichino lo sforzo ingegneristico aggiuntivo, specialmente per applicazioni EV di fascia alta dove raffinatezza ed efficienza sono punti di vendita chiave.
Inoltre, lo studio fornisce preziose intuizioni sul ruolo delle singole forme di magnete all’interno dei rotori multistrato. Conferma che i magneti a V offrono l’influenza più bilanciata sulle prestazioni del motore, migliorando sia la produzione di coppia che la controllabilità del flusso. Il magnete a I, sebbene riduca i livelli di coppia e flusso, svolge un ruolo cruciale nella soppressione delle armoniche e nel miglioramento della qualità della forma d’onda. Il magnete a U, sebbene potente nell’aumentare la coppia, tende ad aumentare l’ondulazione e la distorsione, richiedendo una regolazione accurata per evitare effetti collaterali negativi.
Questa ricerca esemplifica il tipo di ingegneria multidisciplinare richiesta per far avanzare la tecnologia della propulsione elettrica. Combinando teoria elettromagnetica, modellazione computazionale, ottimizzazione statistica e strategie di magnetizzazione avanzate, il team ha creato un motore che non solo soddisfa ma supera le esigenti richieste dei veicoli elettrici di prossima generazione. L’integrazione dell’avvolgimento a forcella con un rotore multistrato meticolosamente ottimizzato rappresenta un passo significativo in avanti nella ricerca di una maggiore efficienza, un minore rumore e una maggiore densità di potenza.
Mentre i produttori di automobili continuano a spingere i limiti delle prestazioni dei veicoli elettrici, innovazioni come questa giocheranno un ruolo cruciale nel plasmare il futuro dei trasporti sostenibili. Il lavoro condotto da Han Lin, YuHang Zhang, ZhongGen Wang e TianLong Deng presso l’Università di Scienza e Tecnologia di Anhui dimostra che anche all’interno del consolidato quadro dei motori a magneti permanenti, rimane ampio spazio per miglioramenti rivoluzionari attraverso una progettazione ponderata e un’ottimizzazione rigorosa.
Pubblicato sul Journal of Chongqing University of Technology (Natural Science), Vol. 38, No. 7, 2024. DOI: 10.3969/j.issn.1674-8425(z).2024.07.029 Autori: Han Lin, YuHang Zhang, ZhongGen Wang, TianLong Deng Affiliazione: Scuola di Ingegneria Elettrica e dell’Informazione, Università di Scienza e Tecnologia di Anhui