Sistemi di trasmissione ibridi per applicazioni off-highway: le macchine elettriche, la loro alimentazione e il loro controllo. Analisi dei vantaggi competitivi ottenibili attraverso schemi e soluzioni innovative

Hybridization and electrification of mobile working machinery are becoming promising areas of research and development for the off-highway industry. In this context, numerical modeling plays a fundamental role in predicting the performance of the vehicle transmission system and in optimizing its operation. A good design of the mechanical and electrical components of a hybrid transmission can be achieved only through an integrated approach. Regarding the hybrid electric traction, by means of the Ph.D. with high level training apprenticeship contract, I proceeded to the identification and analysis of some schemes in order to develop innovative solutions for the off-highway industry. I dealt with innovative solutions focusing on the modeling of industrial hybrid electric transmissions and agricultural electric powersplit transmissions. I chose to use AMESim as 1D multi-domain dynamic simulation tool. The results showed that an industrial vehicle equipped with an electric-hydrodynamic hybrid transmission, demonstrates 8% lower fuel consumption than a conventional vehicle. A representative working cycle defined by the author on the basis of the company experience and the data collected in literature was proposed as basis for comparison. Within the agricultural transmissions the electric variator has proved to be more competitive even better than conventional hydrostatic variator for power-split applications. I went into detail about the design of electrical machines and their related power and control technologies adopted for off-highway hybrid transmission considering also their integration into the mechanical system. This activity, aimed at the design of an electric drive for an industrial application, has allowed me to develop a model of electric motor, taking into account iron and copper losses, to be integrated in the simulation model of the complete vehicle. In this way, the electromagnetic and thermal design aspects were examined, identifying the parameters of optimization and the trade-offs that play a role in the design of a permanent magnet synchronous electric machine and in the development of the control algorithms. Having identified and quantified the benefits of hybrid solutions compared to conventional designs, thanks to the skills that I have acquired during the training period inside the company, my research has focused on the development of a preliminary design for a hybrid transmission, addressing also constructive aspects: from mechanical design to manufacturing and assembly. This concept will be tested in the research and development department of the company upon completion of the detailed design.

L'elettrificazione e l'ibridizzazione delle macchine agricole e industriali sono e saranno negli anni a venire le principali aree di ricerca e sviluppo per il settore off-highway. In questo contesto la modellazione numerica gioca un ruolo fondamentale nel predire le prestazioni del sistema di trasmissione del veicolo ed ottimizzare il suo funzionamento. Una buona progettazione della componente meccanica ed elettrica di una trasmissione ibrida può essere raggiunta solo tramite un approccio sistemico. Attraverso il percorso di Apprendistato in Alta Formazione ho proceduto all'individuazione di alcuni architetture realizzabili nell'ambito della trazione ibrido elettrica, ed alla loro analisi finalizzata allo sviluppo di soluzioni innovative per il settore. Ho affrontato soluzioni all'avanguardia concentrandomi sulla modellazione di trasmissioni industriali ibride elettro-idrodinamiche e trasmissioni agricole a ripartizione di potenza elettrica. Ho scelto di utilizzare AMESim come strumento di simulazione dinamica 1D multidominio. I risultati hanno dimostrato come un veicolo industriale equipaggiato con una trasmissione ibrida elettro-idrodinamica dimostri consumi di carburante inferiori dell'8% rispetto al veicolo convenzionale in un ciclo rappresentativo di utilizzo definito dall'Autore in base all'esperienza aziendale e a dati reperiti in letteratura. Nell'ambito delle trasmissioni agricole la ripartizione di potenza elettrica si è dimostrata concorrenziale se non vantaggiosa rispetto all'odierna ripartizione di potenza idrostatica. Sulla base dei modelli sviluppati, ho approfondito gli aspetti di progettazione delle macchine elettriche e le relative tecnologie di alimentazione e di controllo, anche in relazione con il loro impiego nei sistemi ibridi di trasmissione per applicazioni nel settore off-highway e alla loro integrazione con le componenti meccaniche. Questa attività, finalizzata alla progettazione di un azionamento elettrico per una applicazione industriale, mi ha consentito di definire un modello di macchina elettrica, completo di perdite, da poter integrare nel modello di simulazione del veicolo. In questo percorso, gli aspetti di progettazione elettromagnetica e termica sono stati approfonditi, permettendo di identificare i parametri di ottimizzazione ed i trade-offs che giocano un ruolo primario nella progettazione di una macchina elettrica sincrona a magneti permanenti e nello sviluppo degli algoritmi di controllo. Dopo aver identificato e quantificato i vantaggi delle soluzioni ibride rispetto alle trasmissioni tradizionali, grazie alla competenze che ho acquisito nel percorso di alta formazione in azienda, la mia attività di ricerca si è concentrata sullo sviluppo di un design preliminare per una trasmissione ibrida industriale, affrontando gli aspetti costruttivi, dal dimensionamento meccanico alla produzione ed assemblaggio. Una volta completata la progettazione di dettaglio, questo concept, verrà testato nell'ambito della ricerca e sviluppo di nuovi prodotti dell'azienda.