Design di motori elettrici ad elevate prestazioni mediante l'utilizzo di additive manufacturing e materiali innovativi

This thesis presents an integration of Additive Manufacturing with the design, optimization, and fabrication of different kinds of electrical machines: a tubular reluctance motor, a wound rotor motor and an axial flux machines. The proposed designs have the purpose of maximizing the performance of the machine without any dependence on rare-earth materials. Nowadays the maximization of power density of electric motors is crucial for special applications: it can be obtained through a careful design of the machine and exploiting innovative materials and manufacturing techniques. Additive Manufacturing (AM) has the potential to innovate the design and manufacturing of Electric Machines (EMs) allowing an improvement in machine's thermal, electromagnetic, and mechanical performance. In addition, it is possible to reduce the waste of raw material compared to traditional manufacturing techniques. A general analytical optimization method to maximize the power density of electrical machines is presented. Starting from a reference design, thanks to this method different geometries of electrical machines with minimized mass can be obtained as a function of different outer stator diameter. Three motor's design are presented, all of them exploit additive manufacturing to obtain innovative and optimized geometries. The first motor is a tubular synchronous reluctance machine, whose plunger is produced using additive manufacturing. An analytical lumped parameter model for tubular machines is derived from the state of the art relating to rotational motors, then parametrized simulations are carried out to obtain the best solutions for the proposed application. The motor was produced through metal additive manufacturing (thanks to Raw Power Srl and m4p GmbH) with different powder materials and then tested to compare experimental results with the analytical model and 2D-FEA simulations. The second motor is a wound rotor motor, whose rotor winding is fabricated through metal additive manufacturing. The particular shape of the conductors allows the rotor filling factor to be maximized, reducing the total Joule losses in the rotor. Aluminum rotor windings are considered to reduce the weight of the motor. The third one is a double three phase axial flux synchronous reluctance machine: also in this case, exploiting metal additive manufacturing, an innovative rotor geometry is obtained to simplify the traditional reluctance machine configuration, reducing the total mass of the machine and improving its power density.

Questa tesi presenta l’integrazione dell’Additive Manufacturing con la progettazione, l’ottimizzazione e la realizzazione di diverse tipologie di macchine elettriche: un motore a riluttanza tubolare, un motore a rotore avvolto e una macchina a flusso assiale. L’obiettivo dei progetti proposti è massimizzare le prestazioni delle macchine senza ricorrere a materiali a terre rare. La massimizzazione della densità di potenza dei motori elettrici riveste oggi un ruolo cruciale nelle applicazioni speciali. Essa può essere raggiunta attraverso una progettazione accurata della macchina e grazie all’impiego di materiali e tecniche produttive innovative. L’additive manufacturing offre un potenziale significativo per rivoluzionare la progettazione e la produzione delle macchine elettriche, consentendo di migliorarne le prestazioni termiche, elettromagnetiche e meccaniche. Inoltre, rispetto ai processi produttivi tradizionali, permette una notevole riduzione degli sprechi di materiale. Viene presentato un metodo analitico di ottimizzazione generale per massimizzare la densità di potenza delle macchine elettriche. Partendo da un progetto di riferimento, il metodo consente di ottenere diverse geometrie di macchine con massa minimizzata, in funzione del diametro esterno dello statore. Sono sviluppati tre progetti di motore, accomunati dallo sfruttamento dell’Additive Manufacturing per ottenere geometrie innovative e ottimizzate: Il primo motore è una macchina sincrona a riluttanza tubolare, con pistone realizzato tramite Additive Manufacturing. È stato sviluppato un modello analitico a parametri concentrati, derivato dallo stato dell’arte relativo ai motori rotativi, e successivamente sono state condotte simulazioni parametriche per individuare le soluzioni più adatte all’applicazione proposta. Il prototipo è stato realizzato in metallo tramite additive manufacturing (in collaborazione con Raw Power Srl e m4p GmbH) utilizzando diverse polveri e successivamente testato per confrontare i risultati sperimentali con il modello analitico e con simulazioni FEA 2D. Il secondo motore è un motore a rotore avvolto, il cui avvolgimento è stato realizzato mediante Additive Manufacturing in metallo. La particolare forma dei conduttori consente di massimizzare il fattore di riempimento del rotore, riducendo così le perdite Joule complessive. Sono stati inoltre considerati avvolgimenti in alluminio per ridurre ulteriormente il peso del motore. Il terzo motore è una macchina sincrona a riluttanza a flusso assiale a doppio sistema trifase. Anche in questo caso, grazie all’additive manufacturing, è stata sviluppata una geometria innovativa del rotore, che semplifica la configurazione tradizionale delle macchine a riluttanza, riduce la massa complessiva e migliora la densità di potenza.