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Nel corso degli ultimi anni, la riconversione all’elettrico nel settore dei trasporti è stata prorompente. Nonostante l’iniziale inerzia al cambiamento, pare che la società si stia sensibilizzando e punti al riscatto.
L’utilizzo di vetture elettriche garantisce consumi energetici ridotti e un taglio drastico delle emissioni inquinanti, quantomeno nei luoghi di impiego dei veicoli: la loro diffusione a rimpiazzare gradualmente il parco autovetture convenzionali esistente rappresenta quindi un passo molto importante verso il miglioramento delle condizioni ambientali a livello globale.

Le competizioni automobilistiche a loro volta hanno già iniziato ad adeguarsi al nuovo scenario, tant’è che anche la Formula 1 si convertirà all’elettrico dall’anno 2021. Da sempre, questo mondo è stato il trampolino di lancio per lo sviluppo e la sperimentazione di nuove tecnologie nell’ambito automobilistico. Avendo fondi per la ricerca pressoché illimitati, le case automobilistiche sono in grado di testare l’efficacia e i limiti delle nuove tecnologie, sperimentando su tutti i fronti. Le soluzioni ritenute più efficaci anche per le autovetture ordinarie hanno poi trovato puntualmente sbocco sul mercato consumer, divenendo quindi fruibili e accessibili nella vita di tutti i giorni.
La Formula SAE, competizione dedicata a team studenteschi universitari, da qualche anno ha istituito una gara dedicata alle vetture elettriche, valutata a parte rispetto alle vetture con propulsione a motore endotermico.

Questa tesi è incentrata sul dimensionamento di motori elettrici di propulsione per autovetture Formula SAE, inquadrato nel contesto del powertrain. A tale scopo verranno utilizzati diversi strumenti: Fogli di calcolo Excel per le valutazioni preliminari di massima, script Matlab per l’implementazione di un modello elettromagnetico circuitale, software Flux per l’analisi elettromagnetica di dettaglio e l’affinamento progettuale tramite metodo degli elementi finiti.

Per prima cosa occorre fare una precisazione su un aspetto, che sarà la linea guida di tutti i passi che porteranno al dimensionamento finale del motore; il budget.
Da notizie relative all’evento [2], risulta che la somma a disposizione dei vari team sia molto variegata, passando da soli 15.000 € fino a 1.000.000 €. Le università mettono a disposizione una certa cifra, che solitamente non è sufficiente a coprire le spese; la parte rimanente viene coperta dagli sponsor, che quindi possono fare la differenza.

Detto questo, si potrebbe ipotizzare di avere a che fare con una vettura super performante, realizzando un sistema di propulsione con i migliori materiali in commercio e magari comprendente un motore per ciascuna ruota allo scopo di sfruttare al meglio il limite di aderenza. Questo implicherebbe di adeguare l’intero progetto dal punto di vista elettromagnetico, elettronico, meccanico e di bilanciamento aerodinamico con incremento notevole dei costi.
In alternativa, è possibile cercare un trade-off tra prestazioni ed economicità, strettamente legata alla semplicità costruttiva e al costo dei materiali. Questa è la strada che è stata esplorata in questa tesi, anche in considerazione del tipico scenario di budget limitato con cui la squadra corse Formula SAE dell’Università di Pisa deve tipicamente confrontarsi.

Il punto di partenza del lavoro consiste nell’analisi del regolamento di gara della Formula SAE elettrica e quindi delle singole prove che il veicolo dovrà affrontare, al fine di determinare le specifiche generali che consentiranno di fare le prime scelte progettuali.
Un aspetto strettamente connesso alla coppia erogata è la possibilità di trasferirla al suolo, ovvero l’aderenza. È dimostrato che il coefficiente di aderenza si riduce all’aumentare della velocità [9] ed il sistema che consente di recuperare questo scompenso è il kit aerodinamico [8].
Verranno quindi prese in considerazione differenti soluzioni aerodinamiche facendo riferimento alla letteratura del settore, che verranno comparate ed analizzate in base alle loro grandezze caratteristiche tenendo conto del tipo di telaio preso a riferimento, che è quello utilizzato dalla squadra corse dell’Università di Pisa nella competizione 2018, nonché dei dati reali ottenuti dalle telemetrie di alcune prove su pista effettuate nello stesso campionato.
Questi dati forniscono una visione molto dettagliata delle richieste di potenza e dei principali indicatori di performance del veicolo durante la prova su un circuito di endurance.
Si sfrutteranno quindi questi dati per estrarre dettagliate informazioni che saranno il punto di partenza per la scelta dell’architettura del powertrain e quindi delle specifiche del sistema di trasmissione e del motore di propulsione, nonché per il dimensionamento del pacco batterie.
Il cuore della tesi sarà costituito dal dimensionamento elettromagnetico e termico del motore di propulsione, di cui ci si preoccuperà di minimizzare le dimensioni e il peso in funzione del volume a disposizione sul veicolo.
L’intero lavoro di progettazione del motore sarà articolato in tre fasi:
1- Un primo dimensionamento elettromagnetico e termico di massima sarà ottenuto tramite l’utilizzo di fogli di calcolo Excel che implementano un modello matematico semplificato.
2- I risultati ottenuti per gli aspetti elettromagnetici saranno verificati utilizzando un modello circuitale più accurato implementato in ambiente Matlab, con cui si procederà alla definizione del dimensionamento iniziale.
3- Tale dimensionamento sarà ulteriormente validato e raffinato mediante l’utilizzo di un modello elettromagnetico agli elementi finiti implementato nel software specialistico Flux.