Simulazione numerica del processo di sovrariscaldamento di un motore al mozzo per bicicletta elettrica

The combination of a small electric motor to the traditional bicycle, namely the pedal-assisted bicycle, is experiencing rapid market success in Italy and Europe, but worldwide it is already an established reality with considerable numbers: 120 million units circulating in China in 2010 and a market that doubles every year in the United States. This thesis describes a study, performed with computational flid dynamics methods, of the overheating problem concerning the electric hub motors for electric bicycles. The breakage of various components of the motor due to overheating is one of the factors that limit the power and reliability of this type of motors; nevertheless, the overheating problem and its mitigation have not yet been systematically studied, nor from the numerical point of view nor from the experimental one. The software used for the study is OpenFOAM. After a simple yet reasonably accurate calculation strategy is built and tested, two solutions to achieve an efficient cooling are analyzed and compared: the application of external fins on the rotor and the drilling of the rotor. The results obtained are useful foremost in relation to each other. They confirm and give an effectiveness estimate of the beneficial effects of the cooling solutions. Especially with the drilling of the rotor, the stator temperatures can be lowered to reach sustainable values.

L'abbinamento di un piccolo motore elettrico alla tradizionale bicicletta, cioè la bicicletta a pedalata assistita, sta conoscendo un rapido successo di mercato in Italia e in Europa, ma a livello mondiale costituisce da anni una realtà affermata con numeri ragguardevoli: 120 milioni di unità circolanti in Cina già nel 2010 e un mercato che raddoppia ogni anno negli Stati Uniti. La tesi descrive uno studio del problema del surriscaldamento di motori elettrici del tipo hub motor per biciclette elettriche realizzato attraverso metodi di fluidodinamica computazionale. La rottura di varie componenti del motore per problemi di surriscaldamento è uno dei fattori che limitano la potenza e l'affidabilità di un motore di questo tipo; ciononostante, il problema del surriscaldamento e la sua mitigazione non sono ancora stati studiati sistematicamente, né dal punto di vista numerico né da quello sperimentale. Il software utilizzato per lo studio è stato OpenFOAM. Dopo aver costruito e messo alla prova una strategia di calcolo semplice e insieme ragionevolmente accurata, si sono analizzate e confrontate due soluzioni per ottenere un raffreddamento efficiente: l'applicazione di alette esterne al motore e la foratura del rotore. I risultati ottenuti sono utili soprattutto in relazione tra loro e confermano gli effetti benefici delle soluzioni per il raffreddamento dandone anche una stima dell'efficacia. Con la foratura del rotore in particolare, si riescono ad abbassare le temperature dello statore fino ad ottenere valori sostenibili.