Types, applications and design aspects of high speed electrical machines

The research and prospects of high speed electrical machines have been pivotal in recent years due to the potential benefits that high speed rotating machines can offers. Capitalizing on the high rotational speed, the design of the machines power can be maximized while having an optimized mass and volume, leading to several applications fields increased interest in deploying and exploiting the different advantages such design offer. Nevertheless, the design of high speed machines is intricate and require an iterative multidisciplinary review and analysis, and often a tradeoff between different disciplines is made to achieve a balance between having higher power density, increased mechanical strength or high operating temperature limits. Moreover, understanding the different topologies of high speed rotating machines with its different characteristics can enhance utilization of these machines and offer new fields that can exploit the advantages offered by these machines. Therefore, the aim of this thesis is to provide an overview of high speed electrical machines, in particular discussing and provide an explanation of the different major types available in literature and understand the benefits and drawbacks that each alternative offer. A description of the different industries utilizing high speed machines will be made, wherein, the specific roles that such machines play in each application will be discussed along with a listing of notable examples currently used. This thesis will also present a multidisciplinary design review of critical aspects of the designing steps of high speed electrical machines, such as knowing how to analyze the induced losses in iron and copper as well as friction losses. Explaining the risks associated with high rotating speeds and induced centrifugal forces, and how the geometrical aspect of the rotor can affect included stress and critical speeds. And lastly offering a preview of the different thermal analysis methods and provide an explanation and comparison of the different cooling systems options suitable for high speed applications.

La ricerca e le prospettive delle macchine elettriche ad alta velocità sono state fondamentali negli ultimi anni, grazie ai potenziali vantaggi che le macchine rotanti ad alta velocità possono offrire. Sfruttando l'elevata velocità di rotazione, è possibile massimizzare la potenza delle macchine, ottimizzandone al contempo massa e volume, il che ha portato a un aumento dell'interesse per l'impiego e lo sfruttamento dei diversi vantaggi offerti da questo tipo di progettazione in diversi campi applicativi. Tuttavia, la progettazione di macchine ad alta velocità è complessa e richiede una revisione e un'analisi multidisciplinare iterativa, e spesso viene effettuato un compromesso tra diverse discipline per raggiungere un equilibrio tra una maggiore densità di potenza, una maggiore resistenza meccanica o limiti di temperatura operativa elevati. Inoltre, la comprensione delle diverse topologie di macchine rotanti ad alta velocità con le loro diverse caratteristiche può migliorare l'utilizzo di queste macchine e offrire nuovi campi che possono sfruttare i vantaggi offerti da queste macchine. Pertanto, lo scopo di questa tesi è quello di fornire una panoramica delle macchine elettriche ad alta velocità, in particolare discutendo e fornendo una spiegazione dei diversi tipi principali disponibili in letteratura e comprendendo i vantaggi e gli svantaggi che ciascuna alternativa offre. Verrà fatta una descrizione dei diversi settori industriali che utilizzano le macchine ad alta velocità e verranno discussi i ruoli specifici che tali macchine svolgono in ogni applicazione, oltre a un elenco di esempi notevoli attualmente utilizzati. La tesi presenterà anche una revisione multidisciplinare degli aspetti critici delle fasi di progettazione delle macchine elettriche ad alta velocità, come ad esempio saper analizzare le perdite indotte nel ferro e nel rame e le perdite per attrito. Spiegare i rischi associati alle alte velocità di rotazione e alle forze centrifughe indotte, e come l'aspetto geometrico del rotore possa influenzare le sollecitazioni incluse e le velocità critiche. Infine, offrire un'anteprima dei diversi metodi di analisi termica e fornire una spiegazione e un confronto delle diverse opzioni di sistemi di raffreddamento adatti alle applicazioni ad alta velocità.