Macchine Elettriche ad elevata affidabilità e sostenibilità per l’elettrificazione dei veicoli

Many of today’s social, economic and environmental decisions are driven by sustainability. From an environmental perspective, one key policy to cut emissions is the electrification of transportation sector, as it is currently responsible of nearly 23% of global CO2 production. This transition has prompted an increased emphasis on sustainability in the design of electric drives and powertrains, with the objective of reducing emissions throughout the entire product life cycle, from raw material sourcing and manufacturing to operation, recycling and reuse. Reducing the scope to the development of electric machines for traction applications, current research trends reflect this interest, leading to design strategies that adopt alternative materials to reduce environmental impact and improve recyclability, while improving reliability for guaranteeing long-term life and waste minimization. Meanwhile, the implementation of these strategies can introduce several challenges: Materials with lower environmental impact or alternative design approaches often lead to performance trade-offs in electromagnetic and thermal design, as well as manufacturing constraints, requiring re-adaptation of the existing manufacturing line. This work addresses all these aspects by proposing a high reliable and sustainable design of electric machines, employing aluminum hairpin winding as a replacement for conventional copper ones. Specifically, the study begins with the electromagnetic design and analysis of aluminum hairpin machines, compared against their copper counterparts, in order to establish design guidelines. The feasibility of the aluminum solution is then validated through a thermal analysis, comparing the performance of copper and aluminum versions under identical cooling conditions. Finally, the complete manufacturing process of two aluminum hairpin stators is presented, emphasizing the differences, challenges, and best practices for adapting process parameters relative to conventional copper hairpin production. Additionally, a dedicated study on the voltage stress reduction in hairpin windings is reported, providing guidelines for reliability-oriented hairpin winding design that ensure the integrity of the insulation system and long-term operation. This study aims to support the sustainable transition of the transportation sector toward electrification through a comprehensive design process for traction electric machines, with focus on aluminum hairpin technology.

Le decisioni sociali, economiche e ambientali contemporanee sono sempre più orientate dai principi della sostenibilità. Dal punto di vista ambientale, una delle politiche più rilevanti per la riduzione delle emissioni consiste nell’elettrificazione del settore dei trasporti, responsabile attualmente di circa il 23% della produzione globale di CO₂. Tale transizione ha determinato una crescente attenzione verso la sostenibilità nella progettazione dei sistemi di trazione elettrica, con l’obiettivo di ridurre le emissioni lungo l’intero ciclo di vita del prodotto: dall’approvvigionamento delle materie prime e dalla produzione, fino alla fase di esercizio, al riciclo e al riutilizzo. Limitando l’ambito di analisi allo sviluppo delle macchine elettriche destinate ad applicazioni di trazione, le attuali tendenze di ricerca promuovono strategie progettuali che impiegano materiali alternativi al fine di ridurre l’impatto ambientale e migliorare la riciclabilità, garantendo al contempo elevati livelli di affidabilità per assicurare una lunga durata operativa e la minimizzazione dei rifiuti. L’implementazione di tali strategie, tuttavia, può introdurre diverse criticità: materiali a minore impatto ambientale o approcci progettuali innovativi comportano spesso compromessi in termini di prestazioni elettromagnetiche e termiche, nonché vincoli di natura produttiva, che richiedono l’adattamento delle linee di fabbricazione esistenti. Questo lavoro di tesi affronta tali aspetti proponendo una progettazione sostenibile e ad alta affidabilità di macchine elettriche, mediante l’impiego di avvolgimenti hairpin in alluminio in sostituzione di quelli convenzionali in rame. In particolare, lo studio prende avvio con la progettazione e l’analisi elettromagnetica di macchine hairpin in alluminio, messe a confronto con le corrispondenti versioni in rame, al fine di definire linee guida di progettazione. La fattibilità tecnica della soluzione in alluminio è successivamente verificata attraverso un’analisi termica comparativa, condotta in condizioni di raffreddamento identiche per le due configurazioni. Segue la presentazione dell’intero processo di fabbricazione di due statori hairpin in alluminio, evidenziando le differenze, le criticità e le migliori pratiche per l’adattamento dei parametri di processo rispetto alla produzione convenzionale in rame. Infine, viene illustrato uno studio specifico sulla riduzione delle sollecitazioni di tensione negli avvolgimenti hairpin, con la definizione di linee guida per una progettazione orientata all’affidabilità, finalizzate a garantire l’integrità del sistema di isolamento e la durabilità dell’applicazione. Lo studio intende contribuire al percorso di transizione sostenibile del settore dei trasporti verso l’elettrificazione, proponendo un processo di progettazione completo per macchine elettriche di trazione, con particolare attenzione alla tecnologia hairpin in alluminio come soluzione innovativa e a ridotto impatto ambientale.