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Il nuovo motore ad alta velocità offre una maggiore densità di potenza per l’uso nei veicoli elettrici

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Il nuovo motore progettato e costruito dal team dell’UNSW è un miglioramento degli IPMSM esistenti (Motori per macchine sincrone a magneti permanenti interni), che vengono utilizzati in modo efficiente nella trazione dei veicoli elettrici. Credito: Dr Guoyo Chu

Gli ingegneri dell’UNSW hanno costruito un nuovo motore ad alta velocità che ha il potenziale per aumentare l’autonomia dei veicoli elettrici.

Il design del prototipo di motore di tipo IPMSM è stato ispirato dalla forma del ponte ferroviario più lungo della Corea del Sud e ha raggiunto velocità di 100.000 giri al minuto.

La potenza e la velocità massime raggiunte da questo nuovo motore hanno superato e raddoppiato con successo il record esistente di alta velocità di IPMSM laminati (Motore sincrono a magneti permanenti interni), rendendolo l’IPMSM più veloce al mondo mai costruito con materiali di laminazione commercializzati.

Ancora più importante, il motore è in grado di produrre una densità di potenza molto elevata, il che è vantaggioso per i veicoli elettrici nel ridurre il peso complessivo e quindi aumentare l’autonomia per una data carica.

La nuova tecnologia, sviluppata da un team guidato dal Professore Associato Rukmi Dutta e dal Dr. Guoyu Chu della Scuola di Ingegneria Elettrica e Telecomunicazioni dell’UNSW, è un miglioramento degli IPMSM esistenti, che vengono utilizzati in modo efficiente nella trazione dei veicoli elettrici.

Un motore di tipo IPMSM ha magneti incorporati nei suoi rotori per creare una coppia elevata per un intervallo di velocità esteso. Tuttavia, gli IPMSM esistenti soffrono di una bassa resistenza meccanica a causa dei sottili ponti in ferro nei loro rotori, che ne limitano la velocità massima.

Ma il team dell’UNSW ha brevettato una nuova topologia del rotore che migliora notevolmente la robustezza, riducendo anche la quantità di terre rare per unità di produzione di energia.

Colmare il futuro

Il nuovo design si basa sulle proprietà ingegneristiche del ponte ferroviario di Gyopo, una struttura ad arco a doppia legatura in Corea del Sud, nonché su una tecnica di distribuzione delle sollecitazioni meccaniche basata su una curva composta.

Il nuovo motore ad altissima velocità offre una migliore densità di potenza per l'uso nei veicoli elettrici

Il design del nuovo motore IPMSM si è ispirato al ponte ferroviario ad arco a doppia trave di Gyopo, in Corea del Sud. Credito: Dr Guoyo Chu

E l’impressionante densità di potenza del motore offre potenzialmente prestazioni migliorate per i veicoli elettrici in cui il peso è estremamente importante.

“Una delle tendenze per i veicoli elettrici è che abbiano motori che ruotano a velocità più elevate”, afferma il dott. Chu.

“Ogni produttore di veicoli elettrici sta cercando di sviluppare motori ad alta velocità e il motivo è che la natura della legge della fisica consente quindi di ridurre le dimensioni di quella macchina. E con una macchina più piccola, pesa meno e consuma meno energia e quindi che offre al veicolo una maggiore autonomia.

“Con questo progetto di ricerca abbiamo cercato di raggiungere la velocità massima assoluta, abbiamo registrato oltre 100.000 giri al minuto e la densità di potenza di picco è di circa 7kW per chilogrammo.

“Per un motore di un veicolo elettrico ridurremmo leggermente la velocità, ma ciò ne aumenterebbe anche la potenza. Possiamo ridimensionare e ottimizzare per fornire potenza e velocità in un determinato intervallo, ad esempio un motore da 200 kW con una velocità massima di circa 18.000 giri/min. che si adatta perfettamente alle applicazioni EV.

“Se un produttore di veicoli elettrici, come Tesla, volesse utilizzare questo motore, credo che ci vorrebbero solo dai sei ai 12 mesi per modificarlo in base alle loro specifiche.

“Abbiamo il nostro pacchetto software di progettazione della macchina in cui possiamo inserire i requisiti di velocità o densità di potenza ed eseguire il sistema per un paio di settimane e ci offre il design ottimale che soddisfa tali esigenze”.

Il nuovo prototipo di motore IPMSM è stato sviluppato utilizzando il programma di ottimizzazione assistito dall’intelligenza artificiale del team UNSW che ha valutato una serie di progetti per una serie di aspetti fisici diversi, vale a dire elettrici, magnetici, meccanici e termici.

Il programma valuta 90 potenziali progetti, quindi seleziona il 50 percento migliore delle opzioni per generare una nuova gamma di progetti e così via, fino al raggiungimento dell’ottimo. Il motore finale è la 120a generazione analizzata dal programma.

Oltre al veicolo elettrico, il motore ha molte altre potenziali applicazioni. Uno di questi sono i grandi sistemi di riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell’aria (HVAC) che richiedono compressori ad alta velocità per utilizzare una nuova forma di refrigerante che riduce significativamente l’impatto sul riscaldamento globale.

Può essere utilizzato anche in macchine CNC ad alta precisione molto richieste dall’industria aeronautica e robotica. La tecnologia del motore ad alta velocità UNSW può consentire a macchine CNC ad alta precisione di fresare o forare con diametri minimi.

Un’altra applicazione è come IDG (Integrated Drive Generator) all’interno di un motore aeronautico per fornire energia elettrica ai sistemi aeronautici.

Il nuovo motore del team UNSW offre anche un notevole vantaggio in termini di costi rispetto alla tecnologia esistente e utilizza meno terre rare come il neodimio.

“La maggior parte dei motori ad alta velocità utilizza un manicotto per rafforzare i rotori e tale manicotto è solitamente realizzato in materiale ad alto costo come il titanio o la fibra di carbonio. Il manicotto stesso è molto costoso e deve anche essere montato con precisione e ciò aumenta i costi di produzione del motore”, dice il dottor Chu.

“I nostri rotori hanno un’ottima robustezza meccanica, quindi non abbiamo bisogno di quel manicotto, il che riduce i costi di produzione. E utilizziamo solo circa il 30% di terre rare, il che include una grande riduzione del costo del materiale, rendendo così il nostro -motori ad alte prestazioni più rispettosi dell’ambiente e convenienti.”


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