Types, applications, performances and design aspects of Axial flux machines

This thesis explores the types, applications, performance, and design aspects of axial flux electrical machines (AFMs), which represent a significant innovation in electric motor and generator technology. Unlike traditional radial flux machines, AFMs have a magnetic field that flows parallel to the axis of rotation, resulting in a unique flat, disc-like structure. This configuration offers several advantages including higher power density, improved efficiency, and enhanced cooling capabilities, making them ideal for applications where space and weight are critical. The document provides a comprehensive overview of the various types of AFMs, detailing their structural differences and performance characteristics. These include single stator single rotor (SSSR), double stator single rotor (DSSR), single stator double rotor (SSDR), and multi-stator multi-rotor (MSMR) configurations. Each type is evaluated based on its mechanical and magnetic properties, and their respective suitability for different applications is discussed. In terms of performance, the thesis examines how different design parameters such as air gap, magnet shapes, and stator configurations affect the torque, efficiency, and overall operation of AFMs. It also compares the performance of AFMs with that of radial flux machines, highlighting scenarios where AFMs are superior. The design aspects of AFMs are covered extensively, focusing on the material selection, electromagnetic and mechanical design considerations, and thermal management strategies necessary to optimize their performance. This section also includes analytical and computational methods used in the design process to achieve high performance with minimal losses. Finally, the thesis investigates the applications of AFMs in various industries, particularly in electric vehicles, power generation, and mobile drilling rigs. The modular and scalable nature of AFMs allows them to be adapted for a wide range of uses, from high-torque, low-speed applications to high-speed, low-torque scenarios.

Questa tesi esplora i tipi, le applicazioni, le prestazioni e gli aspetti di progettazione delle macchine elettriche a flusso assiale (AFM)* che rappresentano una significativa innovazione nella tecnologia dei motori e generatori elettrici. A differenza delle tradizionali macchine a flusso radiale, le AFM presentano un campo magnetico che scorre parallelamente all'asse di rotazione, risultando in una struttura unica e piatta, simile a un disco. Questa configurazione offre diversi vantaggi, tra cui una maggiore densità di potenza, un'efficienza migliorata e capacità di raffreddamento potenziate, rendendole ideali per applicazioni in cui spazio e peso sono critici. Il documento fornisce una panoramica completa dei vari tipi di AFM, descrivendo in dettaglio le loro differenze strutturali e le caratteristiche prestazionali. Questi includono configurazioni a singolo statore singolo rotore (SSSR), doppio statore singolo rotore (DSSR), singolo statore doppio rotore (SSDR) e multi-statore multi-rotore (MSMR). Ogni tipo è valutato in base alle sue proprietà meccaniche e magnetiche, e viene discussa la loro rispettiva idoneità per diverse applicazioni. In termini di prestazion, la tesi esamina come diversi parametri di progettazione, come il gap d'aria, le forme dei magneti e le configurazioni degli statori, influenzano la coppia, l'efficienza e l'operazione complessiva delle AFM. Viene anche confrontata la prestazione delle AFM con quella delle macchine a flusso radiale, evidenziando scenari in cui le AFM sono superiori. Gli aspetti di progettazione delle AFM sono trattati in modo approfondito, con un focus sulla selezione dei materiali, sulle considerazioni di progettazione elettromagnetica e meccanica, e sulle strategie di gestione termica necessarie per ottimizzare le loro prestazioni. Questa sezione include anche metodi analitici e computazionali utilizzati nel processo di progettazione per ottenere alte prestazioni con perdite minime. Infine, la tesi esamina le applicazioni delle AFM in vari settori, in particolare nei veicoli elettrici, nella generazione di energia e nelle piattaforme di perforazione mobili. La natura modulare e scalabile delle AFM consente loro di essere adattate per una vasta gamma di usi, da applicazioni a coppia elevata e bassa velocità a scenari ad alta velocità e bassa coppia.