Modeling and simulation of the winding process for electric motor rotors

This study is focused on the modelling and simulation of the winding process of a copper wire for the rotor of electric motors, with a specific focus on the electrically excited synchronous motor (EESM) developed by Renault. The innovative use of copper wires wound around the rotor's cores instead of traditional permanent magnets eliminates the reliance on rare earth materials, leading to economic and environmental benefits. However, the winding process is complex and defects caused by the non-perfect deposition of the copper wire, can compromise the electric motor's performance, causing for example short circuits or efficiency losses. Nowadays, it does not exist a software that allows for a simulation of the deposition process of the copper wire. This makes the winding optimization a time-consuming and costly experimental process. This thesis aims to develop a solution to simulate the winding process using Multifil, a software developed by D. Durville to simulate metallic cable behaviour. The idea is to extend Multifil capabilities to tackle the specific challenge of rotor winding, modelling contact friction interactions that occur when the wire interacts with the rotor and itself, treating plastic deformations, and determining the stress state to which the wire is subjected during the process. The simulation results allow for an investigation of the behaviour of the copper wire during deposition and also for quantification of the mechanical quantities involved, providing a basis for improving the quality and reliability of the rotor winding process and laying the groundwork for a future parametric study of the winding.

Questo studio è incentrato sulla modellazione e simulazione del processo di avvolgimento di un filo di rame per il rotore dei motori elettrici, con un'attenzione particolare al Motore Sincrono a Eccitazione Elettrica (EESM) sviluppato da Renault. L'uso innovativo dei fili di rame avvolti attorno ai nuclei del rotore, invece dei tradizionali magneti permanenti, elimina la dipendenza dai materiali delle terre rare, offrendo vantaggi economici e ambientali. Tuttavia, il processo di avvolgimento è complesso, e i difetti causati da una deposizione non perfetta del filo di rame possono compromettere le prestazioni del motore elettrico, causando, ad esempio, cortocircuiti o perdite di efficienza. Attualmente non esiste un software che consenta la simulazione del processo di deposizione del filo di rame, rendendo l'ottimizzazione dell'avvolgimento un processo sperimentale lungo e costoso. Questa tesi mira a sviluppare una soluzione per simulare il processo di avvolgimento utilizzando Multifil, un software sviluppato da Damien Durville per simulare il comportamento dei cavi metallici. L'idea è quella di estendere le capacità di Multifil per affrontare la sfida specifica dell'avvolgimento del rotore, modellando le interazioni di attrito e di contatto che si verificano quando il filo interagisce con il rotore e con se stesso, trattando le deformazioni plastiche e determinando lo stato di tensione a cui il filo è sottoposto durante il processo. I risultati della simulazione consentono di indagare il comportamento del filo di rame durante la deposizione e di quantificare le grandezze meccaniche coinvolte, fornendo una base per migliorare la qualità e l'affidabilità del processo di avvolgimento del rotore e gettando le basi per un futuro studio parametrico dell'avvolgimento.