Modellazione e ottimizzazione del progetto di macchine sincrone a campo avvolto per la trazione sostenibile nei veicoli pesanti

The electrification of transportation marks a defining shift in the history of mobility. What once seemed a long-term aspiration is now becoming a tangible reality, as governments, industries, and consumers converge on the shared goal of achieving a fully electric transport system within the coming years. This aligns with a broader global movement to reduce pollution and safeguard the well-being of current and future generations. The aim of this thesis is to identify a greener solution for heavy-duty traction, removing permanent magnets, to move to a more sustainable material as copper, or whether possible, aluminum. To do so, among the possible PM free alternatives, Wound Field Synchronous Machine has been selected as a candidate, due to its regained fame in the electric motors for transportation scenario. This electrical machine topology has been widely studied and adopted on its generator operating version, while it has been so far avoided on its motor operating version, due to some intrinsic limitations. They can easily fit on greener transportation roadmaps for the absence of magnets, making them a suitable and appetizing solution. The thesis will focus on the design optimisation from the rotor design point of view, given a fixed stator configuration. After the introduction, a comprehensive literature review identifies the state of the art for this machine topology, drawing the topic where there is room for research and improvements. In the following chapter the numerical-analytical implementation of the machine with an harmonics-based model has been developed. The Finite Element Analysis software implementation follows, together with the evaluation of the feasibility of aluminum adoption for rotor windings, as well as multiphysics optimisation implementation. Last but not least 3D structural studies has led to the design of fundamental retaining structures for the rotor end winding. At the time of writing this abstract, a prototype of the optimal machine is under development, which will further contribute to completing the overall thesis and study.

L’elettrificazione dei trasporti rappresenta una svolta decisiva nella storia della mobilità. Ciò che un tempo appariva come un obiettivo a lungo termine sta ora diventando una realtà concreta, poiché governi, industrie e consumatori convergono verso l’obiettivo comune di raggiungere un sistema di trasporto completamente elettrico nei prossimi anni. Questa trasformazione si inserisce in un più ampio movimento globale volto a ridurre l’inquinamento e a salvaguardare il benessere delle generazioni presenti e future. L’obiettivo di questa tesi è individuare una soluzione più sostenibile per la trazione pesante, eliminando i magneti permanenti e adottando materiali più ecologici come il rame o, laddove possibile, l’alluminio. Tra le possibili alternative prive di magneti permanenti, è stata selezionata la macchina sincrona a campo avvolto (WFSM) come candidata, grazie al rinnovato interesse che questa topologia di macchina sta riscuotendo nel settore dei motori elettrici per il trasporto. Questa tipologia di macchina è stata ampiamente studiata e adottata nella sua configurazione di generatore, mentre finora è stata poco utilizzata nella sua configurazione come motore, a causa di alcune limitazioni intrinseche. Tuttavia, l’assenza di magneti le consente di inserirsi facilmente nelle roadmap della mobilità sostenibile, rendendola una soluzione valida e interessante.