L'analisi termica di un motore elettrico non comincia dal conoscere la perdita totale — comincia dal sapere dove la perdita nasce.
I termini di perdita si comportano in modo diverso
Perdita nel rame (negli avvolgimenti). Cresce con il quadrato della corrente. Dominante ad alta coppia e bassa velocità. Nasce dentro l'avvolgimento e per uscire deve attraversare l'isolamento e il riempimento di cava.
Perdita nel ferro. Cresce con la frequenza. Diventa dominante ad alta velocità. Nasce distribuita nei lamierini statorici.
Perdite nei magneti e nel rotore. Nascono sul rotore e sono il calore più difficile da smaltire: il rotore gira, e il suo contatto con l'esterno passa per il traferro e per i cuscinetti. Nelle macchine a magneti permanenti la temperatura è un criterio critico, perché a caldo i magneti perdono irreversibilmente la magnetizzazione.
Un'analisi corretta prende la perdita non come un totale fisso ma come una distribuzione dipendente dal punto di funzionamento.
Colli di bottiglia nel percorso del calore
- Isolamento cava-dente. La maggiore resistenza termica sul percorso dall'avvolgimento al pacco lamellare sta di solito qui; la conducibilità del materiale di riempimento e la sua frazione di vuoti fissano direttamente la temperatura dell'avvolgimento.
- Contatto pacco-carcassa. Una resistenza di contatto che dipende dall'accoppiamento con interferenza ed è sensibile alla tolleranza di lavorazione.
- Il traferro. Sottile e rotante; è il cammino del calore dal rotore allo statore e dipende dalla velocità.
- Le testate degli avvolgimenti. Fuori dal pacco, con un raffreddamento diverso — e spesso il punto più caldo.
Decisioni di modellazione
Il problema è coniugato: dominano le regioni solide, il flusso è secondario ma determinante.
Risolvere l'avvolgimento filo per filo non è praticabile; lo si rappresenta come una regione omogenea con conducibilità anisotropa equivalente — alta lungo l'asse (rame), bassa in direzione trasversale (isolamento).
La grandezza cercata è di solito transitoria: di quanto sale la temperatura dell'avvolgimento sotto un breve sovraccarico. Questo richiede che la massa termica sia definita correttamente.
Riferimenti
- JEDEC Solid State Technology Association. JESD51 — Methodology for the Thermal Measurement of Component Packages (Single Semiconductor Device).
- Shah, R. K. & Sekulić, D. P. (2003). Fundamentals of Heat Exchanger Design. John Wiley & Sons. DOI: 10.1002/9780470172605