Sizing, optimisation and thermal evaluation of an axial flux permanent magnet motor in comparison with a radial flux motor

This work is based on an initiative of the National Recovery and Resilience Plan (PNRR). The three-year project, of which this thesis constitutes the first chapter, aims to develop prototypes of engines for automotive applications with the goal of promoting the transition to electric vehicles and improving their efficiency. The project focus was on optimising parameters and thermal evaluation of an axial flux motor with a direct comparison to a radial flux motor. The first fundamental step for this project involved the development of an innovative electric motor, in which the magnetic field flow was directed parallel to the axis of rotation, resulting in a structure called axial flux motor. For the efficient realisation of a prototype, an "objective function" minimisation algorithm with constraints was implemented using MATLAB. The parameters were subsequently validated through a series of phases using finite element analysis software. For the radial flux motor model, the user-friendly software Ansys MotorCAD was used, while for the more complex axial flux model, Ansys Maxwell and MotorXP-AFM were employed. The performance results of both motors were compared to identify their respective advantages and disadvantages. To complete the project, a comprehensive thermal analysis of the two motors was conducted. For the radial flux motor, a finned enclosure was designed, as its larger dimensions allow for more efficient thermal dissipation without the need for liquid cooling. For the axial flux motor, given its compactness and high performance, a liquid cooling solution was proposed due to the potential generation of elevated temperatures over the long term. In both cases the results were validated: using Ansys MotorCAD for the radial flux motor and Ansys Fluent for the axial flux motor. This research contributes to knowledge in the field of electric motor design for vehicles by providing a detailed and comparative analysis between radial and axial flux motors, with a focus on size, thermal efficiency, and performance. The added value of this work lies in the design and validation of innovative motors, as well as the optimisation of cooling solutions, providing valuable data for the future development of more efficient and sustainable electric vehicles.

Questo elaborato è basato su un'iniziativa del Piano Nazionale di Ripresa e Resilienza (PNRR). Il progetto triennale, di cui questa tesi costituisce il primo capitolo, è finalizzato a sviluppare prototipi di motori per applicazioni automobilistiche con l'obiettivo di promuovere la transizione verso i veicoli elettrici e migliorarne l'efficienza. Il focus del progetto è stato l'ottimizzazione dei parametri e la valutazione termica di un motore a flusso assiale con un confronto diretto con un motore a flusso radiale. Il primo passo fondamentale per questo progetto ha coinvolto lo sviluppo di un motore elettrico innovativo, in cui il flusso del campo magnetico è stato direzionato parallelamente all'asse di rotazione, ottenendo così una struttura chiamata a flusso assiale. Per la realizzazione efficiente di un prototipo, è stato implementato un algoritmo di minimizzazione delle "objective function" con vincoli, utilizzando MATLAB. I parametri sono stati successivamente validati attraverso una serie di fasi utilizzando software di analisi a elementi finiti. Per il modello del motore a flusso radiale, è stato utilizzato il software user-friendly Ansys MotorCAD, mentre per il modello a flusso assiale, più complesso, sono stati impiegati Ansys Maxwell e MotorXP-AFM. I risultati delle prestazioni di entrambi i motori sono stati comparati per identificare i rispettivi vantaggi e svantaggi. Per completare il progetto, è stata condotta un'analisi termica approfondita dei due motori. Per il motore a flusso radiale, è stato progettato un involucro alettato, poiché le sue dimensioni maggiori permettono una dissipazione termica più efficiente senza la necessità di raffreddamento a liquido. Per il motore a flusso assiale, invece, data la sua compattezza e le elevate prestazioni, è stata proposta una soluzione di raffreddamento a liquido a fronte della potenziale generazione di temperature elevate a lungo termine. In entrambi i casi i risultati sono stati validati: utilizzando Ansys MotorCAD per il motore a flusso radiale e Ansys Fluent per il motore a flusso assiale. Questa ricerca contribuisce alla conoscenza nel campo della progettazione di motori elettrici per veicoli, offrendo un'analisi dettagliata e comparativa tra i motori a flusso radiale e assiale, con particolare attenzione alla dimensione, all'efficienza termica e alle prestazioni. Il valore aggiunto di questo lavoro risiede nella progettazione e validazione di motori innovativi, nonché nell'ottimizzazione delle soluzioni di raffreddamento, fornendo dati preziosi per il futuro sviluppo di veicoli elettrici più efficienti e sostenibili.