Progettazione di una macchina a flusso assiale con Additive Manufacturing = Design of an axial flux machine using Additive Manufacturing

I motori a flusso assiale a magneti permanenti (AFPM) garantiscono diversi benefici, tra cui semplicità costruttiva, elevata compattezza, buone prestazioni ed efficienza, pur presentando dei limiti nella velocità angolare raggiungibile prevalentemente legati alle elevate inerzie rotazionali in gioco. I percorsi del flusso magnetico si sviluppano tuttavia nelle tre dimensioni dello spazio, portando ad una maggiore complessità della fase di progettazione elettromagnetica. Sulla base di queste premesse, la suddetta tesi si propone di approfondire le varie fasi che portano alla progettazione di una macchina elettrica a flusso assiale di piccola taglia, impiegabile come motore ausiliario per applicazioni automotive/aerospace, con lo scopo ultimo di individuare una geometria ottimale dello statore in grado di garantire un buon compromesso tra prestazioni, efficienza e costi di processo. L’aspetto innovativo di questo progetto sta per l’appunto dietro al processo di produzione dello statore, pensato per essere realizzato mediante Additive Manufacturing: questa tecnologia sta progressivamente prendendo piede anche nella fabbricazione di componenti metallici per applicazioni magnetiche, promettendo di superare i limiti tecnologici dei processi di laminazione convenzionali. Il progetto di tesi nasce da una collaborazione tra Politecnico di Torino e TallTech, università di tecnologia situata in Tallinn (Estonia), che si è occupata della produzione del materiale dello statore e ha contribuito alla definizione preliminare della geometria dello stesso. Nello specifico, il materiale impiegato è un acciaio dolce con tenore di silicio del 3 %, ottenuto a partire da polveri metalliche tramite la tecnica di Selective Laser Melting (SLM). L’acciaio è stato caratterizzato magneticamente all’interno dei laboratori del Politecnico di Torino, confrontando i risultati ottenuti per un provino semplice e uno trattato termicamente mediante ricottura. Delle analisi termografiche sono state dunque condotte per valutare eventuali difetti di fabbricazione. Le geometrie proposte sono caratterizzate da laminazioni differenti ricavate su un modello “padre”, ottenuto in seguito ad un dimensionamento analitico preliminare e realizzato in Soft Magnetic Composite (SMC), allo scopo di separare il contributo in termini di prestazioni riconducibile al materiale da quello legato alla differente geometria. Mediante il software di simulazione Altair Flux, sono state quindi eseguite delle prove - a vuoto e in condizioni di carico nominale - per la valutazione delle prestazioni delle diverse configurazioni, al fine di effettuare un confronto opportuno e stabilire dei criteri di buona progettazione per macchine di tipo AFPM. Dai risultati delle simulazioni emerge come una macchina con statore prodotto tramite AM sia in grado di fornire prestazioni confrontabili con una macchina convenzionale, offrendo allo stesso tempo maggiore libertà nella scelta della composizione chimica dei materiali coinvolti e nella geometria dei componenti, che si traduce in migliori caratteristiche meccaniche e magnetiche. Ulteriori misure sperimentali su un prototipo reale risultano necessarie per validare i risultati ottenuti e ottimizzare l’impostazione dell’ambiente di simulazione.