Analisi termica di motori elettrici per sistemi robotici = Thermal analysis of electric motors for robotic systems

Questa tesi si inserisce nel progetto IDRA (Inflatable and Deployable Robotic Arm), un sistema robotico innovativo con elementi gonfiabili per applicazioni spaziali. IDRA consente un notevole risparmio di volume, un fattore cruciale nelle missioni spaziali, e offre un’espansione dell’area di lavoro oltre le capacità dei tradizionali manipolatori robotici spaziali. Il robot presenta una struttura ibrida, composta da bracci gonfiabili e giunti rigidi azionati elettricamente. Una volta che i bracci vengono dispiegati, il robot opera come un manipolatore tradizionale. La capacità di dispiegarsi e retrarsi consente al sistema di occupare volume solo quando necessario, riducendo così l’esposizione agli impatti con detriti spaziali e alle condizioni ambientali estreme. In questa fase iniziale del progetto è stato sviluppato un banco prova per l’esecuzione di test in condizioni di microgravità simulata. A tale scopo è stato realizzato un prototipo planare di IDRA, che utilizza un piano in resina epossidica e cuscinetti ad aria per riprodurre condizioni di quasi assenza di attrito e peso. Al fine di simulare il prototipo in ambiente digitale, è stato realizzato un digital twin in ambiente Simulink/Simscape. Per rendere più completo il gemello digitale del robot, vi era la necessità che i motori fossero modellati termicamente. In questa tesi viene realizzato un modello per l’analisi termica dei motori che controllano il movimento del manipolatore. L’analisi termica, è stata condotta realizzando due modelli, uno a parametri concentrati su Simulink/Simscape e uno ad elementi finiti su Ansys Workbench. Il modello su Simscape ha la caratteristica di poter essere integrato direttamente nel digital twin, fornendo informazioni immediate sulle temperature raggiunte dai motori. Il modello del robot viene controllato in velocità pertanto viene scelto di dare lo stesso input al modello termico. Attraverso un modello costruito su Simscape, viene simulato il funzionamento del motore e viene ricavato il calore prodotto dalle bobine e dal rotore. Per determinare le temperature, viene costruito un modello a parametri concentrati, che utilizza come sorgenti calde il rotore e gli avvolgimenti, e simulando il passaggio di calore tra gli elementi del motore, attraverso dei blocchi sensore presenti nella libreria di Simscape vengono ricavate le temperature. Di ogni elemento rappresentato nel modello, vengono inserite le geometrie semplificate e i modelli termici che descrivono il passaggio del calore, oltre alle proprietà termodinamiche proprie dei materiali. Il modello realizzato su Ansys (FEM), è costruito su una geometria 3D realizzata dal progettista tramite Solidworks. Non conoscendo tuttavia le reali dimensioni degli elementi interni che costituiscono il motore, sono state scelte delle dimensioni che fossero coerenti, con gli ingombri esterni della macchina. Il modello su Ansys simula il calore generato dalle bobine e dal rotore, ottenendo le temperature come output. I due modelli vengono poi fatti fittare tra di loro, in modo che le temperature siano coerenti. Per la validazione dei risultati ottenuti, viene eseguita una campagna di rilevazione sperimentale, dalla quale è possibile confrontare i risultati ottenuti mediante modellazione, con le temperature effettivamente raggiunte. Come future implementazioni, potranno essere integrati nel modello: i carichi termici esterni che investono il robot mentre è in orbita, così come potranno essere realizzate delle geometrie più fedeli per un’analisi più precisa.