• Aluminum hairpin
• E-mobility
• Electrification
• Genetic Algorithm
• Sustainability

Oltre a efficienza e prestazioni, uno degli aspetti principali dell progettazione di macchine elettriche è la sostenibilità. Ciò si rileva soprattutto nel settore automotive, nel quale sta avvenendo una transizione all’elettrificazione. Il lavoro mira a ridurre l’impatto ambientale delle macchine elettrihce, sostituendo gli avvolgimenti hairpin a statore in rame con quelli in alluminio. Lo studio presenta un metodo di ottimizzazione basato su un algoritmo genetico multi obiettivo, che considera aspetti di sostenibilità, prestazioni e efficienza. Il processo di ottimizzazione è stato svolto con lo scopo di minimizzare le perdite e l’utilizzo di magneti permanenti in terre rare. Successivamente, la realizzabilità del layout ottimizzato è valutata anche da un punto di vista termico, grazie a un modello termico avanzato che si riferisce allo specifico sistema di raffreddamento considerato in questa analisi. Inoltre, vengono presentati risultati sperimentali provenienti da due prototipi con stessa geometria ma con avvolgimento hairpin a statore in rame e alluminio, rispettivamente. Sulla base dei risultati osservati, è stato possibile svolgere un confronto diretto tra le due soluzioni in termini di efficienza e prestazioni. Inoltre, la campagna sperimentale ha permesso di validare l’accuratezza del metodo di modellazione usato nel processo di ottimizzazione. Col seguente studio, si dimostra come la soluzione “hairpin in alluminio” proposta possa essere considerata come forte alternativa all’hairpin in rame, a causa del basso impatto ambientale e della minima influenza sull’efficienza del motore, specialmente nei punti di operazione rappresentativi di condizioni urbane ed extraurbane.

Along with efficiency and performances, one of the main aspects of the electric machines design is sustainability. This is further highlighted in automotive segment where a transition to electrification is occurring. This work aims at lowering the environmental load of the electric machines by replacing copper hairpin stator winding with aluminum ones. The study presents an optimization method based on multi-objective genetic algorithm that takes into account sustainability targets as well as the performance and efficiency objectives. The optimization process has been performed with the aim of minimizing the losses and utilization of rare-earth permanent magnets. Subsequently, the feasibility of the optimized design is evaluated from a thermal perspective using an advanced thermal model taking into account the layouts of the cooling system designed. Experimental results on the prototypes built using copper and aluminum hairpins are also presented. Based on the measurement results, a comparison between the efficiency and performance of the prototypes is made. Additionally, measurement results are used to verify accuracy of the modeling method used in the optimization process. The results show that the proposed solution based on aluminum hairpin can be considered as a strong alternative to copper hairpin due to its low environmental load impact and minimal influence on the motor efficiency in the operating points representing highway driving and standard urban conditions.