Design of an Axle Generator and an AC/DC interface for train sensor power supply

This thesis presents the design, development, and validation of an axial generator compatible with the structure of train bushes, along with its supporting electronics. The project, carried out in collaboration with the Department of Mechanical Engineering at the Politecnico di Milano, aims to harvest energy from the movement of wagon wheels. This energy is used to power an onboard monitoring and data acquisition system, as well as to ensure the charging of a backup battery that guarantees operational continuity even when the train is stationary. A distinctive feature of the generator is the use of a PCB-based stator. This technology is still relatively unexplored and has been the subject of an in-depth study in this work. The research and development activities are pursued along two main rails: one focused on power electronics and the other on the design of the PCB stator. An initial objective was to manage the various voltage levels at the terminals of the different devices. This objective ranged from the design and implementation of the electronic system for managing the energy produced by the generator to the integration of an STM32 microcontroller, which is responsible for controlling the current output from one stage of the system. The thesis also describes the development and performance optimization techniques of an 8-layer PCB stator, designed using Altium Designer. This is followed by the planning and execution of experimental tests, with a detailed evaluation of the overall system performance.

La tesi presenta la progettazione, lo sviluppo e la validazione di un generatore assiale compatibile con la struttora della boccola dei treni, insieme alla sua elettronica di supporto. Il progetto, in collaborazione con il Dipartimento di Meccanica del Politecnico di Milano, mira a produrre energia dal movimento delle ruote del vagone. Il tutto al fine di alimentare un sistema di monitoraggio e acquisizione dati di bordo, oltre a garantire la carica di una batteria tampone che assicura continuità operativa anche a convoglio fermo. Una caratteristica distintiva del generatore è l'impiego di uno statore realizzato su PCB. Si tratta di una tecnologia ancora poco esplorata nel settore ingegneristico e oggetto di un approfondito studio nell’ambito di questo lavoro. L'attività di ricerca e sviluppo procede su due binari, il primo legato all'elettronica di potenza e l'altro che riguarda invece la progettazione dello statore PCB. Un primo obiettivo è stato la gestione dei diversi livelli di tensione ai terminali dei vari dispisitivi. Questo a partire dalla progettazione e realizzazione del sistema elettronico per la gestione dell'energia prodotta dal generatore; fino all'integrazione di un microcontrollore STM32, responsabile del controllo della corrente in uscita da uno stadio del sistema. La tesi descrive inoltre lo sviluppo e le tecniche di ottimizzazione delle prestazioni di uno statore PCB a 8 strati conduttivi, progettato tramite il software Altium Designer. Da qui segue poi la pianificazione e l'esecuzione dei test sperimentali, con una valutazione dettagliata delle prestazioni del sistema complessivo.