MODELLAZIONE E ANALISI TERMICA E MECCANICA DI MACCHINE ELETTRICHE SINCRONE A CAMPO AVVOLTO PER APPLICAZIONI DI TRASPORTO

Wound-field synchronous machines (WFSM) have a long-established history in power generation due to their reliability and exceptional performance. However, when applied to transportation, particularly as generator in aerospace and traction motor in automotive sectors, achieving the necessary power density and efficiency becomes a challenge. To meet these demands, a comprehensive multi-physics design and modelling approach is essential. This thesis proposes a methodology that integrates advanced thermal and mechanical management techniques to optimize WFSM for transportation applications. Innovative modelling techniques such as 3D lumped parameter thermal networks (LPTN), 2D and 3D finite element (FE) thermal and mechanical models, and 3D computational fluid dynamics (CFD) models are employed to assess and improve the machine's performance. In addition to the theoretical, analytical and numerical work, experimental studies are conducted to monitor the fatigue of PEEK insulation material, enabling early damage detection in the field of very high cycle fatigue (VHCF) testing using an electrodynamic shaker. This research emphasizes the thermal and mechanical aspects of WFSM design, positioning them as strong contenders against permanent magnet machines for transportation applications.

Le macchine sincrone a campo avvolto hanno una lunga storia nella generazione di energia grazie alla loro affidabilità e alle prestazioni eccezionali. Tuttavia, quando applicate ai trasporti, in particolare come generatori nel settore aerospaziale e motori di trazione nel settore automobilistico, ottenere la densità di potenza e l'efficienza necessarie diventa una sfida. Per soddisfare queste esigenze, è essenziale un approccio completo di progettazione e modellazione multi-fisica. Questa tesi propone una metodologia che integra tecniche avanzate di gestione termica e meccanica per ottimizzare le performance delle macchine sincrone a campo avvolto per applicazioni di trasporto. In particolare, tecniche di modellazione innovative come reti termiche a parametri concentrati 3D, modelli termici e meccanici agli elementi finiti 2D e 3D, e modelli di fluidodinamica computazionale 3D vengono utilizzate per valutare e migliorare le prestazioni della macchina. Oltre al lavoro teorico, modelli di calcolo analitico e numerico vengono condotti studi sperimentali per monitorare la fatica del materiale polimerico PEEK, utilizzato come isolante nelle macchine elettriche, operando test di fatica ad alta frequenza attraverso uno shaker elettro-meccanico. Questa ricerca enfatizza gli aspetti termici e meccanici della progettazione delle macchine sincrone a campo avvolto, posizionandole come forti contendenti rispetto alle macchine a magneti permanenti per applicazioni di trasporto.