Minimizzazione delle perdite AC in avvolgimenti di tipo Hairpin realizzati e progettati per la manifattura additiva.

In the last years the increasing demand of higher torque and power densities has led to the adoption of hairpin windings in electrical machines, mainly in those intended for automotive applications. However, this winding topology is quite sensitive to AC losses, hence one of their main challenges is represented by their reduction. This work deals with different design aspects related to the enhancements of some performance figures of rotating electrical machines for traction applications, above all power density and reliability. First, the existing analytical formulations for the evaluation of active length AC losses for hairpin windings are recalled. Then, a general analytical formulation is investigated also for non-conventional hairpin windings design, such as asymmetrical and segmented configurations. Therefore, the existing analytical formulation is extended, updated and validated through finite element simulations and experimental tests performed on motor portions, so called motorette. For both the configurations, the main advantages and possible design constraints are illustrated, along with guidelines for the practical realization and connections of the conductors. Additionally, a detailed examination of the additive manufacturing production process is provided to identify possible strategies for overcoming the design limitations of conventional manufacturing processes for hairpin windings with a detailed focus on additive manufacturing optimisation of solid conductors. Once a suitable production process is selected, a detailed material analysis is conducted to minimize total AC losses in the machine while limiting environmental impact. Finally, the feasibility and benefits of adopting an additive manufacturing -produced asymmetrical hairpin winding are investigated. The analysis is carried out using the developed analytical and finite element models, with validation tests performed on a hairpin winding prototype. In addition to the investigation of active parts of solid conductors, a detailed estimation of the AC behaviour in end windings with both constant and variable cross-sections is performed using a 3D finite element model. The results focus not only on the current density distribution for the specific layout but also on the AC-to-DC trend, providing a qualitative estimation of the increase in losses as frequency rises.

Negli ultimi anni, la crescente richiesta di densità di coppia e potenza più elevate ha portato all'adozione di avvolgimenti hairpin nelle macchine elettriche, in particolare in quelle destinate ad applicazioni automobilistiche. Tuttavia, questa topologia è piuttosto sensibile alle perdite AC, rendendo la loro riduzione una delle principali sfide. Questo lavoro affronta diversi aspetti della progettazione volti a migliorare le prestazioni delle macchine elettriche per la trazione, con particolare attenzione all'incremento della densità di potenza e all'affidabilità. Inizialmente, si richiamano le formulazioni analitiche esistenti per la valutazione delle perdite AC nella parte attiva degli avvolgimenti hairpin. Successivamente, viene esplorata una formulazione analitica universale che considera anche design non convenzionali, come configurazioni asimmetriche e segmentate. Di conseguenza, l'attuale formulazione viene estesa, aggiornata e validata attraverso simulazioni agli elementi finiti e test sperimentali condotti su sezioni di motore. Per entrambe le configurazioni vengono descritti i principali vantaggi e le eventuali problematiche progettuali, insieme a linee guida per la realizzazione pratica e il collegamento dei conduttori. Si offre inoltre un'analisi dettagliata del processo produttivo tramite fabbricazione additiva, con l'obiettivo di individuare strategie che possano superare le limitazioni dei metodi di produzione tradizionali, concentrandosi in particolare sull'ottimizzazione degli avvolgimenti hairpin mediante tale tecnologia. Una volta identificato un processo produttivo idoneo, si conduce un'analisi approfondita dei materiali per ridurre al minimo le perdite AC complessive nella macchina, limitando al contempo l'impatto ambientale. Infine, viene analizzata la fattibilità e i benefici derivanti dall'impiego di avvolgimenti hairpin asimmetrici prodotti tramite fabbricazione additiva. Questa analisi si basa sui modelli analitici e agli elementi finiti sviluppati, con test di validazione su un prototipo di avvolgimento. Oltre allo studio delle parti attive dei conduttori, viene condotta una stima accurata del comportamento AC nelle testate con sezioni trasversali costanti e variabili utilizzando un modello 3D agli elementi finiti. I risultati si concentrano non solo sulla distribuzione della densità di corrente per il layout specifico, ma anche sul fattore di perdita AC, fornendo una stima delle perdite in funzione dell'aumento della frequenza.