Riassunto analitico
Recentemente, l'adozione di un'elevata densità di potenza ed efficienza sono diventati gli aspetti predominanti nell’ambito del trasporto elettrico e, per raggiungere tale obiettivo, la tendenza è quella di aumentare le frequenze operative delle macchine elettriche grazie anche all’impiego di dispositivi basati su materiali semiconduttori ad ampia banda di frequenza, quali il carburo di silicio (SiC) e il nitruro di gallio (GaN). Tuttavia, l’utilizzo di frequenze di funzionamento più elevate comportano maggiori perdite di potenza negli avvolgimenti elettrici e, a causa della limitata energia disponibile nel pacco batteria, diventa indispensabile avere un'elevata efficienza in tutte le condizioni del ciclo di guida. Oggigiorno un motore progettato per applicazioni di trasporto deve soddisfare diversi requisiti, tra i quali: un’elevata densità di coppia/potenza, un’alta efficienza in un'ampia gamma di velocità, un’elevata affidabilità nonché dei costi sostenibili.
I conduttori elettrici, allo stato attuale dello sviluppo dell’efficienza, risultano essere l’elemento deficitario e, quindi, per migliorare le prestazioni e accelerare la crescita del settore, sono necessari progressi nello sviluppo di nuove soluzioni inerenti alla loro struttura e al relativo raffreddamento. A tal riguardo, la tecnologia Hairpin garantisce una migliore conduttività termica all'interno della cava grazie alla superficie di conduzione più elevata, ma occorre prestare particolare attenzione alle perdite nel rame, che sono tipicamente il maggior contributo nelle perdite complessive che caratterizzano il motore.
Altre perdite rilevanti si verificano quando una corrente alternata alimenta l'avvolgimento, dove la frequenza è un punto chiave. Esempi di fenomeni conseguenti all’uso di alte frequenze sono i c.d. effetti pelle e di prossimità, che portano la corrente a circolare principalmente attraverso la parte esterna del conduttore.
Questo tipo di perdite, combinate con le perdite Joule, sono un punto centrale di interesse per questa tesi, in quanto devono essere analizzate, e minimizzate, al fine di studiare il comportamento degli avvolgimenti Hairpin alle frequenze operative tipiche delle applicazioni automobilistiche. Con gli avvolgimenti Hairpin è possibile ottenere un elevato fattore di riempimento, ovvero un’elevata concentrazione di conduttori in cava, alle quali corrisponde un'elevata densità di potenza e a un elevato carico elettrico.
La tesi è stata sviluppata concentrandosi su alcuni punti chiave:
1) Sviluppo di un modello analitico per valutare le perdite all'interno dei conduttori;
2) Evoluzione del modello esistente per considerare nuovi layout degli avvolgimenti, come i conduttori asimmetrici;
3) Familiarizzazione con il software FE Magnet, al fine di validare il modello analitico;
4) Sviluppo di uno strumento di ottimizzazione per utilizzare il modello analitico convalidato e trovare un layout di avvolgimento ottimale per ridurre le perdite;
5) Indagine dei materiali da adoperare sui layout di avvolgimento Hairpin ottimali identificati.
Tuttavia, una combinazione di materiali più leggeri e più performanti, metodi per ridurre l'utilizzo dei materiali e una tecnica di progettazione e analisi innovativa devono essere adottati per migliorare la potenza specifica degli EM. La tesi mostra alcune importanti osservazioni a tal proposito, come l'adozione della manifattura additiva (AM) per la produzione di Hairin con sezione variabile che permette di ottenere una configurazione più performante dal punto di vista delle perdite. Rilevanti inoltre sono state le scelte economiche per la produzione via AM dei conduttori poiché, a parità di perdite, la lega selezionata vede di nove volte ridotti i costi totali.
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Abstract
Recently, the adoption of high power density and efficiency has become a central concern in the
green transportation and in order to reach this target requirements of modern ground propulsion
and transport applications, the trend is to increase the fundamental operating frequencies of
electrical machines. New power devices based on wide bandgap semiconductor materials, such as
silicon carbide (SiC) and gallium nitride (GaN) featuring extremely short switching times,
are enabling technologies in this sense. But, higher operating frequencies also means increased
power losses in windings and due to the limited stored energy available in the battery pack,
becomes essential to have a high efficiency in the whole driving cycle conditions in order to
guarantee a good usability of the vehicle. Nowadays an EM designed for transportation
applications needs to satisfy several requirements, including: high torque/power density, high
efficiency in a wide range of speed, have high reliability and a sustainable cost.
Windings, at this state of art, are the bottleneck, so for improved performance and to accelerate
growth of full electric or hybrid transportation systems requires advances in the development of
novel solutions for winding structure and cooling system for enhance power density
and efficiency.
Hairpin technology guarantees a better thermal conductivity within the slot due to the higher
conductive surface. Thanks to this, temperature is lower within the slot and this involves several
advantages, like the possibility to sustain for a longer period overload keeping care about the
insulation; but we need to take particular attention to copper losses that are typically the biggest
contributor to the overall losses that characterize the motor.
Other relevant losses occur when an AC current supplies the winding, where frequency is a key
point. Examples of high frequencies phenomena are skin and proximity effects that lead the
current to circulate mainly across the external part of the conductor.
This type of losses, combined with the Joule losses, are a key point of interest of this thesis
because they need to be analysed in order to investigate the behaviour of hairpin windings at
operational frequencies typical of automotive applications. With hairpin windings it is possible to
achieve a high fill factor corresponding to a high-power density and high electric load. However, a
combination of lighter and more performant materials, methods to reduce material usage must be
adopted and an innovative design and analysis technique must be used to enhance the specific
power of EMs.
The thesis was developed focusing on some key points:
1) Development of an analytical model in order to evaluate losses within the conductors.
2) Upgrade of the existing model to consider new windings layouts, such as asymmetric
conductors.
3) Familiarization with the FE software Magnet, in order to validate the analytical model.
4) Development of an optimization tool in order to use the validated analytical model and
find an optimum winding layout to reduce losses.
5) Investigation on innovative manufacturing technologies and materials to implement onto
the identified optimal hairpin winding layouts.
In the result section of the thesis is evident how some important adoption like additive
manufacturing (AM) technology, selection of aluminium alloy for hairpin and production of
section variant hairpin allow to achieve more performant configuration.
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