Tecnologie di avvolgimento per motori brushless: valutazione delle prestazioni tra avvolgimenti random-wound e configurazioni ad hairpin

The aim of this thesis is to analyze the differences in performance between the use of random-wound windings and the use of hairpin configurations in brushless motors. The study focuses on the modelling, simulation and evaluation of the main performance parameters of a pre-existing brushless motor with internal permanent magnets using random-wound windings and the subsequent comparison with the same motor using different hairpin configurations. The simulations were carried out using Altair software, in particular FluxMotor and FluxSkew software, which allows the electromagnetic behavior of the machine to be evaluated using the finite element method (FEM). The first part of the thesis deals with the state of the art and the applications of brushless machines, with a description of the construction aspects, the materials used, the operating principle and the control techniques, focusing the discussion on the characteristics inherent to anisotropic brushless motors, such as the one treated in this thesis. Subsequently the hairpin conductors were treated, describing their production process, the advantages compared to other winding technologies and the application challenges, deepening some innovative topological solutions regarding the shape of the stator slots, as well as different configurations of the conductors in the slot, in order to optimize the performance of motors using this type of conductor. Then, after having described the functions of the software used, an initial brushless motor using random-wound type windings was modeled and simulated and, subsequently, the results obtained were analyzed in terms of electromagnetic characteristics of the machine. The same study, analyzing the same electromagnetic quantities previously evaluated, was carried out with an identical motor to the previous one but using a system of hairpin conductors. In particular, different topologies of the stator slots were evaluated, as well as a different number and arrangement of the conductors in the slot, in order to study how these parameters influence the values of the different losses and, therefore, the efficiency of the machine. Finally, a comparison, mainly in terms of performance, was made between the results obtained with the different hairpin configurations analyzed and the results obtained with the initial motor configuration using random-wound windings.

Lo scopo della seguente tesi è quello di analizzare le differenze in termini di prestazioni tra l’uso di avvolgimenti di tipo random-wound e l’uso di configurazioni ad hairpin nei motori brushless. Lo studio si incentra sulla modellizzazione, simulazione e valutazione dei principali parametri prestazionali di un motore brushless preesistente a magneti permanenti interni adoperante avvolgimenti random-wound ed il successivo confronto con il medesimo motore adoperante differenti configurazioni ad hairpin. Le simulazioni sono state effettuate utilizzando i software di Altair, in particolare i software FluxMotor e FluxSkew, che consentono di valutare il comportamento elettromagnetico della macchina in questione con il metodo degli elementi finiti (FEM). Nella parte iniziale della tesi vengono trattati lo stato dell’arte e le applicazioni delle macchine brushless, con una descrizione circa gli aspetti costruttivi, i materiali adoperati, il principio di funzionamento e le tecniche di controllo, focalizzando la trattazione sulle caratteristiche inerenti ai motori brushless anisotropi, come quello trattato in questa tesi. Successivamente sono stati trattati i conduttori hairpin, descrivendone il processo di produzione, i vantaggi rispetto alle altre tecnologie di avvolgimento e le sfide applicative, approfondendo alcune innovative soluzioni topologiche circa la forma delle cave di statore, nonché differenti configurazioni dei conduttori in cava, al fine di ottimizzare le prestazioni dei motori adoperanti questa tipologia di conduttori. In seguito, dopo aver descritto le funzionalità dei software utilizzati, è stato modellizzato e simulato un motore brushless iniziale adoperante avvolgimenti di tipo random-wound e, successivamente, sono stati analizzati i risultati ottenuti in termini di grandezze elettromagnetiche caratteristiche della macchina. Lo stesso studio, analizzando le stesse grandezze elettromagnetiche valutate in precedenza, è stato effettuato con un motore identico al precedente ma adoperante un sistema di conduttori hairpin. In particolare, sono state valutate differenti topologie delle cave di statore, nonché un diverso numero e disposizione dei conduttori in cava, al fine di studiare come questi parametri influenzano i valori delle varie voci di perdita e, quindi, l’efficienza del motore. In conclusione, è stato fatto un paragone, principalmente di natura prestazionale, tra i risultati ottenuti con le differenti configurazioni ad hairpin analizzate ed i risultati ottenuti con la configurazione del motore iniziale adoperante avvolgimenti random-wound.