Unità di azionamento integrate: compromessi tra l'involucro dello statore e le dimensioni del rotore

Le unità di azionamento integrate non perdonano gli errori geometrici. Una volta fissate le proporzioni dello statore e del rotore, si bloccano la densità di coppia, il comportamento acustico, la complessità del raffreddamento, la distinta base e persino il modo in cui i tecnici dell'assistenza malediranno l'unità dieci anni dopo. Il software rifinisce i bordi, ma è il metallo a determinare la forma del problema.

Il sistema che stai realmente progettando

La maggior parte dei documenti relativi alle unità di trazione (EDU) parla di mappe di efficienza e densità di potenza, ma i team che si occupano dei veicoli prestano attenzione a una serie di numeri diversi: spazio tra gli assi, barre antiurto, punti di aggancio del sottotelaio e spazio libero nel tunnel della batteria. Le recensioni delle moderne EDU mostrano la stessa tendenza: motore, cambio e inverter sono dimensionati insieme come un unico oggetto meccanico, non come tre componenti separati che condividono semplicemente un albero.

Ciò significa che il diametro esterno dello statore e l'involucro del rotore non sono "variabili di progettazione del motore" isolate. Sono requisiti in competizione tra loro in termini di volume con il gruppo ingranaggi, il differenziale e l'inverter. Gli assali elettrici ad alta velocità di AVL e altri lo dimostrano chiaramente: riducono notevolmente la lunghezza e il diametro del rotore, ottenendo in cambio una maggiore velocità e un rapporto di riduzione più elevato nel treno di ingranaggi.

Pertanto, qualsiasi discussione sui compromessi relativi alle dimensioni del rotore che ignori la fusione dell'EDU, gli angoli dei semiassi o lo spessore del mattone dell'inverter è già incompleta.

Prima l'imballaggio dello statore o prima le dimensioni del rotore?

In teoria, potresti partire dalla coppia e dalla velocità di base, scegliere una topologia del motore, quindi lasciare che il CAD decida dove posizionare tutto il resto. In un programma reale, spesso funziona al contrario. I punti di fissaggio della scocca grezza forniscono un "cilindro di delimitazione" del motore tra i semiasse e la superficie dell'inverter. Il cambio richiede una parte di quello spazio. Gli ingegneri termici richiedono poi lo spessore delle pareti e i condotti dell'olio. Solo dopo questo braccio di ferro si scopre quale diametro del rotore e quale lunghezza dello stack rimangono effettivamente disponibili.

Il motore compatto di Lucid ne è un ottimo esempio: rotore, statore, sistema di raffreddamento e ingranaggi planetari sono strettamente integrati, con il differenziale inserito nell'albero motore. Il motore non può espandersi assialmente perché gli ingranaggi devono rimanere allineati, né radialmente perché l'alloggiamento deve rimanere tra gli elementi delle sospensioni.

Quindi la risposta onesta è: né lo statore né il rotore vengono prima. L'involucro EDU viene prima, e la geometria del rotore/statore è ciò che si risolve per far funzionare quell'involucro dal punto di vista elettrico, termico e meccanico.

Diametro del rotore rispetto alla lunghezza: la silenziosa lotta all'interno dell'alloggiamento

Tutti gli addetti ai lavori conoscono le proporzionalità di base. La coppia è proporzionale al raggio del traferro, alla lunghezza assiale e alla sollecitazione di taglio. Si è tentati di aumentare la coppia semplicemente aumentando il diametro del rotore fino a quando l'alloggiamento non dà segni di cedimento. Questo funziona per un po'. Poi compaiono i problemi.

Un diametro maggiore aumenta la velocità della punta del rotore per un determinato numero di giri meccanici al minuto. La sollecitazione centrifuga nel manicotto e nei magneti aumenta con il quadrato della velocità, quindi i margini di sicurezza meccanica si riducono rapidamente una volta superato un certo raggio per un determinato numero massimo di giri al minuto. Gli studi sugli alberi ad alta velocità e i nuovi concetti di raffreddamento del rotore sottolineano quanto impegno venga ora dedicato alla gestione di queste sollecitazioni e temperature nelle macchine EV compatte.

D'altra parte, i rotori lunghi e sottili presentano alcuni problemi. Aumentano le modalità di flessione, possono amplificare le eccitazioni dell'ingranaggio nelle EDU e diventano fastidiosi dal punto di vista della tolleranza di accumulo. Gli articoli NVH sugli assali elettrici mostrano come le modalità dell'albero e del rotore si accoppiano con la dinamica dell'alloggiamento e dell'ingranaggio in modi che non favoriscono la silenziosità dell'abitacolo, soprattutto quando si spinge la velocità del motore a decine di migliaia di giri al minuto.

Tutto ciò si aggiunge all'ovvio: il diametro influisce sulla lunghezza del percorso del rame nello statore, sulla densità di flusso dei denti dello statore e sulla quantità di ferro necessaria nel giogo. La lunghezza influisce sulla proporzione dell'avvolgimento terminale, sui percorsi di dispersione assiale e, talvolta, sulla distribuzione del raffreddamento. Conoscete già le equazioni; ciò che conta in un EDU è come questi effetti elettromagnetici interagiscono con la fusione, gli ingranaggi e l'olio.

Un modo sintetico per riflettere sulle scelte relative alla geometria del rotore

Ecco un modo per riassumere le decisioni geometriche su cui continui a tornare nelle unità integrate:

Il punto non è che una fila sia "giusta". È che una volta scelta una preferenza, tutta una serie di decisioni secondarie diventano quasi obbligatorie.

Imballaggio dello statore, slot e l'inverter che si trova accanto

I moderni motori elettrici utilizzano tecnologie statoriche già note: statori a forcella o avvolti a barra per un elevato riempimento delle fessure, nuclei statorici segmentati, avvolgimenti concentrati in alcuni modelli. Tuttavia, quando il motore è integrato in un'unità di alimentazione elettrica (EDU), tali scelte non sono più solo di natura elettromagnetica.

Gli statori segmentati con avvolgimenti concentrati a scanalature frazionarie sono interessanti perché semplificano la produzione, consentono un elevato riempimento delle scanalature e possono integrare canali di raffreddamento nei singoli segmenti. Il lavoro del DOE e di altri dimostra che tali concetti soddisfano obiettivi aggressivi di densità di potenza con raffreddamento integrato. Tuttavia, i giunti dei segmenti, le caratteristiche aggiuntive delle piastre terminali e il complesso percorso del refrigerante occupano spazio che avrebbe potuto appartenere al raggio del rotore o agli elementi del riduttore.

Gli avvolgimenti a forcina, utilizzati nei motori di produzione come l'Ampera-e, sfruttano al meglio l'area delle fessure dello statore e si adattano bene alla produzione automatizzata. In un EDU, tuttavia, le estremità a forcina richiedono spazio assiale. Ciò aumenta la lunghezza assiale del motore o riduce la lunghezza del gruppo ingranaggi. Inoltre, crea zone dense di rame proprio dove il raffreddamento e il percorso delle sbarre collettrici sono già affollati.

Il packaging dell'inverter fornisce quindi un feedback: moduli di potenza e sbarre collettrici più spessi potrebbero determinare un diametro esterno dello statore maggiore o costringere il motore a spostarsi rispetto al gruppo ingranaggi, il che può modificare la posizione in cui è possibile collocare le spalle dei cuscinetti e i supporti del rotore. Il discorso sulla geometria è un circolo vizioso.

NVH, modalità e rumori che non compaiono nella scheda tecnica

Gli EDU vengono valutati dai clienti più con le orecchie che con i grafici FFT. E la geometria del rotore/statore è molto evidente alle orecchie.

Il diametro e la lunghezza del rotore modificano la rigidità e la massa del gruppo rotante e, di conseguenza, le modalità di flessione e torsione dell'albero. Quando questo interagisce con le frequenze di ingranaggio e le armoniche di commutazione dell'inverter, il risultato può essere un rumore tonale che nessun filtro software è in grado di eliminare completamente. Gli studi incentrati sul NVH degli assali elettrici sottolineano l'importanza di una progettazione congiunta precoce tra forze elettromagnetiche, modalità strutturali e dinamiche degli ingranaggi, piuttosto che di interventi correttivi in fase avanzata.

Anche la geometria dello statore è importante: denti stretti e un numero elevato di fessure modificano i numeri d'onda della forza e possono spingere l'eccitazione dominante in regioni meno sensibili delle funzioni di trasferimento acustico dell'abitacolo. Tuttavia, un numero molto elevato di fessure aumenta la complessità di produzione e può entrare in conflitto con le regole di confezionamento per le forcelle o i giunti segmentati. Anche in questo caso, si tratta di compromessi, non di vantaggi gratuiti.

Realtà di raffreddamento all'interno di un'unità integrata

Se si osservano le attuali strategie di raffreddamento EDU, emerge un modello ricorrente. Il rotore e lo statore vengono spesso lavati con olio o fluido dielettrico, che trasferisce il calore a un circuito acqua-glicole e quindi a un radiatore. Il circuito dell'olio condivide lo spazio con ingranaggi, cuscinetti e guarnizioni, oltre a tutto ciò di cui il team responsabile della trasmissione ha bisogno per la lubrificazione e il controllo delle perdite di agitazione.

Le recensioni sui sistemi di raffreddamento e le guide alla scelta sottolineano ora che è necessario considerare il rotore, lo statore, l'alloggiamento e persino l'inverter come un unico oggetto termico. Un rotore spesso con un'elevata densità di perdita può andare bene dal punto di vista elettromagnetico, ma costringe a ricorrere a un complesso sistema di raffreddamento a liquido canalizzato attraverso l'albero o a getti d'olio molto aggressivi, che aumentano la potenza della pompa e il rischio di progettazione. Un rotore lungo e sottile distribuisce la perdita in senso assiale, ma potrebbe richiedere alloggiamenti più lunghi e una superficie maggiore per lo stesso flusso di refrigerante, che non è gratuito.

Il pacchetto statore interagisce con questo. Le camicie interne, i canali incorporati nei segmenti dello statore e il raffreddamento diretto degli avvolgimenti terminali richiedono tutti elementi o inserti fusi. Questi elementi occupano spazio radiale e assiale che avrebbe potuto essere destinato al raggio del rotore o alla larghezza della superficie dell'ingranaggio.

Euristica di progettazione che aiuta concretamente nella sala riunioni

Gli strumenti formali di ottimizzazione multidominio sono utili e i recenti lavori sulla co-ottimizzazione integrata dell'asse elettrico con l'apprendimento automatico sono impressionanti. Tuttavia, i team di ingegneri continuano a prendere le prime decisioni sulla base di modelli semplici.

Un modello: partire dal veicolo e dal cambio, non dal motore. Bloccare l'involucro esterno EDU massimo consentito, la strategia di riduzione del cambio e il volume del mattone dell'inverter. Questo ti dà un "cilindro di budget" per il motore. All'interno di quel budget, scegli una banda di velocità del rotore che corrisponda ai materiali magnetici disponibili, alla tecnologia di contenimento e alle aspettative NVH del cliente.

Una volta concordata la banda di velocità, utilizzare il diametro del rotore come unità di misura comune tra i team elettromagnetici, meccanici e termici. Ogni millimetro in più di diametro dovrebbe garantire un vantaggio chiaro e quantificabile in termini di densità di coppia o riduzione delle perdite, e il suo prezzo dovrebbe essere visibile in termini di contenimento, velocità periferica e agitazione dell'olio. La lunghezza assiale diventa quindi la variabile che mantiene l'efficienza lungo il ciclo di azionamento a un livello ragionevole, piuttosto che un silenzioso strisciamento ad ogni revisione del progetto.

Un secondo modello: trattare le caratteristiche dell'involucro dello statore come voci di bilancio nello stesso budget. Se vengono proposti statori segmentati o camicie di raffreddamento complesse, richiedere una giustificazione esplicita in termini di costi di produzione, strategia di riparazione o miglioramento misurato dell'efficienza o della densità di potenza su un ciclo di guida realistico, non solo al picco. Altrimenti, quel materiale sta semplicemente occupando spazio sul rotore senza un guadagno chiaro.

Cosa cambierà in futuro: materiali, velocità e trucchi di integrazione

Il settore commerciale non è statico. Le recensioni sui recenti sviluppi dei motori di trazione mostrano una crescente attenzione verso velocità meccaniche più elevate, materiali non tradizionali per i rotori e concetti multi-rotore o a flusso assiale per aumentare la densità di potenza senza limitarsi ad aumentare il diametro.

I manicotti dei rotori rinforzati in fibra di carbonio e persino i corpi strutturali dei rotori stanno passando dai documenti di ricerca a prototipi reali, offrendo un migliore contenimento alle alte velocità periferiche e aprendo la strada a diametri dei rotori più aggressivi in alloggiamenti compatti. Le architetture multi-statore multi-rotore possono sovrapporre stadi che producono coppia senza aumentare il diametro esterno, a scapito della complessità meccanica e talvolta della crescita assiale.

Sul lato statore, i nuovi layout di raffreddamento e i concetti integrati di inverter-motore stanno progressivamente sostituendo il tradizionale modello "motore con componenti aggiuntivi". I design integrati che avvolgono l'inverter attorno o all'interno dell'alloggiamento del motore modificano la direzione e l'entità della crescita, oltre a spostare la direzione effettiva del calore.

Pertanto, le dimensioni del rotore e l'involucro dello statore rimangono le due leve principali per la densità di potenza e la compattezza dell'EDU, ma la gamma di materiali e strumenti di integrazione a loro disposizione continua ad ampliarsi. Si tratta di una buona notizia, ma significa anche che le vecchie regole empiriche devono essere regolarmente verificate alla luce dei nuovi dati.

Quindi, dove si colloca un designer EDU in tutto questo?

Se sei responsabile di un'unità di azionamento integrata, devi decidere quanto spazio limitato destinare al raggio del rotore, quanto alla lunghezza assiale e quanto al rame dello statore, all'acciaio, alla struttura di raffreddamento, al gruppo ingranaggi e all'inverter. Ogni millimetro ha una funzione.

La mossa pratica è quella di rendere espliciti tali compiti. Collegare il diametro del rotore, la lunghezza del rotore e le scelte di confezionamento dello statore a metriche di sistema concrete: non solo kW o Nm di picco, ma anche efficienza del ciclo di guida, potenza della pompa, obiettivi acustici, complessità di assemblaggio, CO₂ per unità e strategia di assistenza. Utilizzare modelli e dati di test per verificare che non si stia semplicemente spostando il problema dall'elettromagnetismo al NVH o dal raffreddamento alla produzione.

Se lo fai in modo coerente, i "compromessi sulle dimensioni del rotore" smettono di essere un argomento astratto di progettazione dei motori. Diventano un linguaggio condiviso dal team EDU, dove tutti possono capire perché il motore è esattamente così spesso, lungo e complicato come è risultato.