Simcenter STAR-CCM+ 2606: Guida al raffreddamento dei motori elettrici

Team ChampionXperience

9 luglio 2026 5 minuti di lettura

Avete mai visto un veicolo elettrico (EV) scattare da fermo? La coppia istantanea è mozzafiato, ma dietro quell'accelerazione silenziosa si cela un'enorme sfida ingegneristica: il calore. Man mano che i propulsori dei veicoli elettrici puntano a una maggiore densità di potenza e a pesi più contenuti, la gestione dei limiti termici è diventata il principale ostacolo alla durata e alle prestazioni della trasmissione.

L'olio non è più solo un lubrificante per far girare gli ingranaggi senza intoppi. Grazie alla sua elevata conduttività termica e capacità termica specifica, l'olio agisce come un fluido dielettrico refrigerante fondamentale, spruzzato direttamente sulle parti più calde del motore. Simulare queste complesse interazioni fluido-termiche ad alta velocità è sempre stata un'operazione computazionalmente estenuante. Ecco perché il rilascio di Simcenter STAR-CCM+ 2606 rappresenta un evento di enorme importanza per gli ingegneri della simulazione.

La battaglia ad alto rischio contro il calore dei motori elettrici

Sebbene i motori elettrici siano incredibilmente efficienti – spesso convertono oltre il 94% dell'energia elettrica in energia meccanica – la frazione rimanente viene dispersa sotto forma di calore. Per un motore da 200 kW, ciò si traduce in circa 12 kW di calore disperso concentrato in un alloggiamento compatto. Se non gestiamo correttamente questa energia termica, le conseguenze possono essere disastrose. Le temperature eccessive degradano l'isolamento in rame degli avvolgimenti, aumentano la resistenza elettrica (che a sua volta genera ulteriore calore) e riducono in modo permanente la densità di flusso dei magneti del rotore.

Questo calore ha origine da due cause principali:

Perdite per effetto Joule: generate quando la corrente elettrica scorre attraverso gli avvolgimenti in rame. Poiché queste perdite sono proporzionali al quadrato della corrente, aumentano rapidamente in caso di forte accelerazione o traino.
Perdite nel ferro: causate da correnti parassite e isteresi magnetica all'interno dei nuclei dello statore e del rotore, quando questi sono soggetti a campi magnetici che si alternano rapidamente.

Per ovviare a questo problema, gli ingegneri utilizzano getti fissi e rotanti per spruzzare olio dielettrico direttamente sugli avvolgimenti terminali. Tuttavia, prevedere con precisione come l'olio ricopre, aderisce e si raffredda è sempre stato estremamente difficile a causa delle scale temporali enormemente diverse coinvolte. Le goccioline d'olio si muovono in millisecondi, ma il raggiungimento dell'equilibrio termico può richiedere minuti.

Perché la simulazione tradizionale ha raggiunto un punto morto

La Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) è un approccio brillante e senza griglia per catturare flussi di fluidi violenti e con schizzi in geometrie complesse. Ma quando si trattava di calcolare il trasferimento di calore coniugato (CHT), il flusso di lavoro diventava complicato.

Gli ingegneri dovevano affidarsi a modelli ibridi multifase computazionalmente onerosi o ricorrere alla mappatura manuale dei dati. Ciò significava eseguire una simulazione fluidodinamica, esportare manualmente i coefficienti di scambio termico (HTC) e importarli in un solutore termico separato. Se si voleva eseguire uno studio di progettazione con decine di iterazioni, questa programmazione e il trasferimento manuale dei dati diventavano un collo di bottiglia tedioso e soggetto a errori che rallentava i cicli di sviluppo.

La rivoluzione: l'accoppiamento diretto SPH-Energy Solver

Siemens ha risolto questo collo di bottiglia in Simcenter STAR-CCM+ 2606 accoppiando direttamente il solutore SPH con il solutore di energia per la simulazione CHT all'interno di un unico ambiente unificato.

Ora è possibile modellare simultaneamente l'evoluzione della temperatura del fluido, il trasferimento di calore alle pareti e le variazioni di temperatura del solido senza script di esportazione. Inoltre, la nuova versione consente di mappare i campi di flusso a volume finito (FV) direttamente sulle simulazioni SPH come condizioni di sfondo con accoppiamento completo della resistenza aerodinamica. Ciò significa che è possibile catturare gli effetti del vento e del flusso d'aria turbolento sugli spruzzi d'olio con incredibile precisione.

Aspetto di simulazione	Mappatura tradizionale multifase/manuale	Simcenter STAR-CCM+ 2606 SPH-CHT
Configurazione del flusso di lavoro	Frammentato; richiede script personalizzati o esportazioni manuali da HTC.	Unificato; completamente integrato in un unico ambiente.
Gestione della scala temporale	Approssimazioni estremamente lente o fortemente semplificate.	Risolutori fluidodinamici/termici sfalsati tramite operazioni di simulazione.
Interazione con il flusso d'aria	Spesso ignorato o semplificato a causa della complessità della mesh.	Accoppiamento completo della resistenza con campi di flusso FV di sfondo.
Cambiamenti geometrici	Richiede una rimodellazione della mesh che richiede molto tempo per ogni piccola modifica al design.	Senza mesh; aggiornamenti rapidi della geometria e iterazioni veloci.

Chiudere il cerchio con la multifisica elettromagnetica

Nel mondo reale, i comportamenti termici ed elettrici non esistono in isolamento. Le perdite per effetto Joule e nel ferro dipendono fortemente dalla temperatura; man mano che il motore si riscalda, la sua efficienza elettrica diminuisce, modificando la sua impronta termica.

Con Simcenter STAR-CCM+ 2606, è possibile attivare il solutore elettromagnetico integrato (EMAG) e aggiungerlo direttamente al delle operazioni di simulazione . Man mano che l'olio raffredda gli avvolgimenti, la simulazione aggiorna dinamicamente le perdite dipendenti dalla temperatura. Questa simulazione multifisica a circuito chiuso offre un livello di precisione senza precedenti per i casi di carico termico transitorio, come ad esempio la guida di un veicolo pesantemente carico su un ripido passo di montagna.

Ottimizzare ogni goccia con Simcenter HEEDS

Poiché la riduzione del peso impone di utilizzare la minor quantità possibile di olio, ogni goccia di liquido refrigerante deve funzionare con la massima efficienza. Una volta impostato il modello SPH-termico accoppiato, è possibile parametrizzare facilmente il progetto.

Modificando il numero di getti d'olio, i loro diametri, angoli e portate, è possibile ottimizzare il comportamento di bagnatura degli avvolgimenti terminali. Poiché SPH è un software senza mesh, questi aggiornamenti geometrici non richiedono la laboriosa rigenerazione manuale della mesh. È possibile collegare il modello direttamente a Simcenter HEEDS per automatizzare l'esplorazione del progetto, lasciando che il software trovi la configurazione di getti ottimale per massimizzare il trasferimento di calore.

L'integrazione dell'accoppiamento termico diretto in SPH rappresenta un enorme passo avanti per lo sviluppo dei sistemi di propulsione dei veicoli elettrici. Elimina le complesse barriere della programmazione, consentendo agli ingegneri di concentrarsi su ciò che sanno fare meglio: progettare macchine più veloci, più efficienti e più affidabili.

Come sta affrontando attualmente il vostro team le complesse sfide multifisiche del raffreddamento dei motori elettrici? Siete pronti ad abbandonare la mappatura manuale dell'HTC e ad adottare un flusso di lavoro completamente integrato e senza mesh? Fateci sapere cosa ne pensate nei commenti qui sotto!

Questa guida si basa sulle informazioni contenute nel blog .