Motori Elettrici Senza Terre Rare tramite Manifattura Additiva per l'Agricoltura Sostenibile

My PhD thesis explores the development of two distinct types of electrical machines: a tubular reluctance motor and a wound motor, both of which eschew the use of rare earth materials. The focus on tubular linear electrical machines highlights their numerous advantages, including the ability to generate linear motion directly without the need for additional mechanical components. This direct approach leads to enhanced dynamic performance and precision of movement. The axisymmetric geometry inherent in tubular machines ensures a balanced radial attraction force, significantly simplifying the requirements for the machine's support structure. Among the various configurations of tubular electrical motors, permanent magnet (PM) designs have been the most widely studied due to their high force production and reliable dynamic performance. However, the reluctance configuration has been less explored, largely due to the complexity associated with the plunger geometry. This thesis addresses these challenges by presenting an analytical design and feasibility assessment of a synchronous reluctance tubular electrical machine, validated through finite element analysis (FEA) and prototype testing. Additive manufacturing is employed to overcome the complexities of the mover geometry, allowing for optimized flux barrier designs. This enables a maximized saliency ratio and efficient performance, crucial for the motor's application in sustainable agricultural technologies. Notably, the mover for this machine was produced using selective laser melting (SLM) with two different alloys: FeSi2.9 and FeCo49V2. These linear movers were rigorously tested both before and after heat treatment, following established literature recommendations. Furthermore, the magnetic characterization of the FeCo49V2 alloy was conducted using the MPG 200 D measuring system from Brockhouse, which is housed in the MeltingLab laboratory at the University of Modena and Reggio Emilia. This characterization is critical to understanding the material properties that influence the performance of the tubular machine. In addition to the tubular reluctance motor, the thesis also investigates the wounded motor, highlighting the potential of additive manufacturing techniques to re-design of rotor windings achieving a higher slot filling factor, and to create optimized geometries that enhance machine performance, while taking advantage of the lower insulation requirements for DC excitation in wound rotors. By employing additive manufacturing, this study demonstrates how complex designs can be realized, ultimately allowing for improved efficiency and sustainability in electrical machines. Both studies underline the importance of using alternative materials and advanced manufacturing methods to develop efficient and environmentally friendly electrical machines, especially in the context of promoting greener technologies in agriculture. The findings presented in this thesis not only contribute to the field of electrical engineering but also pave the way for future innovations in sustainable machine design and manufacturing practices.

La mia tesi di dottorato affronta lo studio di due tipi distinti di macchine elettriche: un motore tubolare a riluttanza e un motore avvolto, entrambi privi di terre rare. Le macchine elettriche lineari tubolari posseggono il vantaggio di generare direttamente il moto lineare senza la necessità di componenti meccanici aggiuntivi. Questo approccio diretto consente di migliorare le prestazioni dinamiche e la precisione del movimento. La geometria assialsimmetrica insita nelle macchine tubolari garantisce una forza di attrazione radiale bilanciata, semplificando notevolmente i requisiti della struttura di supporto della macchina. Tra le varie configurazioni di motori elettrici tubolari, le architetture a magneti permanenti (PM) sono state le più studiate grazie alla loro elevata produzione di forza e alle prestazioni dinamiche affidabili. Pertanto, la configurazione a riluttanza è stata meno esplorata, soprattutto a causa della complessità associata alla geometria dell'attuatore lineare. Questa tesi affronta queste sfide presentando un progetto analitico e una valutazione di fattibilità di una macchina elettrica tubolare sincrona a riluttanza, convalidata attraverso l'analisi agli elementi finiti (FEA) e test su prototipi. La produzione additiva viene impiegata per superare le complessità della geometria del movimentatore, consentendo di ottimizzare il design della barriera di flusso e, conseguentemente, di massimizzare il rapporto di salienza, raggiungendo prestazioni ed efficienza, fondamentali per l'applicazione del motore nelle tecnologie agricole sostenibili. In particolare, il mover di questa macchina è stato prodotto mediante fusione laser selettiva (SLM) con due leghe diverse: FeSi2.9 e FeCo49V2. Entrambi gli attuatori lineari sono stati rigorosamente testati sia prima che dopo il trattamento termico, seguendo le raccomandazioni della letteratura. Inoltre, la caratterizzazione magnetica della lega FeCo49V2 è stata eseguita utilizzando il sistema di misura MPG 200 D di Brockhouse, ospitato nel laboratorio MeltingLab dell'Università di Modena e Reggio Emilia. Questa caratterizzazione è fondamentale per comprendere le proprietà del materiale che influenzano le prestazioni della macchina tubolare. Oltre al motore tubolare a riluttanza, la tesi indaga anche sul motore avvolto, evidenziando il potenziale delle tecniche di fabbricazione additiva per riprogettare gli avvolgimenti del rotore ottenendo un fattore di riempimento più elevato e per creare geometrie ottimizzate che migliorano le prestazioni della macchina, sfruttando al contempo i minori requisiti di isolamento per l'eccitazione in corrente continua nei rotori avvolti. Utilizzando la produzione additiva, questo studio dimostra come sia possibile realizzare progetti complessi, consentendo in ultima analisi di migliorare l'efficienza e la sostenibilità delle macchine elettriche. Entrambi gli studi sottolineano l'importanza di utilizzare materiali alternativi e metodi di produzione avanzati per sviluppare macchine elettriche efficienti ed ecologiche, soprattutto nel contesto della promozione di tecnologie più ecologiche in agricoltura. I risultati presentati in questa tesi non solo contribuiscono al campo dell'ingegneria elettrica, ma aprono anche la strada a future innovazioni nelle pratiche di progettazione e produzione di macchine sostenibili.