Design and construction of electrical rotating machines subject to extreme shocks and mechanical loads

This master thesis focuses on the design and structural analysis of electrical rotating machines specifically intended for operation under conditions of extreme mechanical shocks and loads. These machines differ significantly from conventional industrial motors as they must maintain structural integrity and operational reliability even in high-stress environments, such as the defense sector (e.g., naval and submarine motors) and the renewable energy industry (hydro-generators). The primary objective is the mechanical integrity verification of critical components, including the rotor, stator, and shaft. Particular attention is paid to radial shaft deflection verification to prevent rotor-stator contact during collisions or shocks, and axial interference verification between the rotor and shaft to prevent slippage. The validation process combines an analytical approach and a numerical approach. Simulations are conducted using the Finite Element Method (FEM) in SolidWorks, which allows for accurate assessment of stresses, displacements, and safety factors on the actual assembly geometry in response to shocks ranging from ranging from 5g up to three-digit g. The work concludes with the description of the experimental validation phase, which includes in-field tests such as the hammer test and the barge test, essential for qualifying the machine according to military standards (MIL-S-901D) and demonstrating its functionality after shocks induced by underwater explosions or impacts. The study demonstrates how the combination of structural modeling, mechanical verification, and experimental validation leads to the creation of safe and reliable rotating electrical machines under extreme conditions.

Il presente lavoro di tesi è incentrato sulla progettazione e l'analisi strutturale di macchine elettriche rotanti specificatamente destinate a operare in condizioni di estremi carichi e shock meccanici. Tali macchine si differenziano dai motori industriali convenzionali poiché devono mantenere l'integrità strutturale e l'affidabilità operativa anche in ambienti ad alto stress, come quelli del settore della difesa (ad esempio, motori navali e sottomarini) e delle energie rinnovabili (idrogeneratori). L'obiettivo principale è la verifica dell'integrità meccanica dei componenti critici, come il rotore, lo statore e l'albero. Particolare attenzione è dedicata alla verifica a flessione radiale dell'albero per prevenire il contatto tra rotore e statore durante urti o collisioni, e alla verifica dell'interferenza assiale tra rotore e albero per scongiurare slittamenti. Il processo di validazione combina un approccio analitico e un approccio numerico. Le simulazioni sono effettuate tramite l'uso del metodo agli Elementi Finiti (FEM) in SolidWorks, che permette di valutare accuratamente le sollecitazioni, gli spostamenti e i fattori di sicurezza sulla geometria effettiva in risposta a shock che vanno da 5g fino a g di tre cifre. Il lavoro si conclude con la descrizione della fase di validazione sperimentale, che comprende test in campo come l'hammer test e il barge test, essenziali per qualificare la macchina secondo gli standard militari (MIL-S-901D) e dimostrare la sua operatività in seguito a shock indotti da esplosioni sottomarine o impatti. Lo studio dimostra come l'integrazione di modellazione strutturale, verifica meccanica e convalida sperimentale conduca alla realizzazione di macchine elettriche rotanti sicure e affidabili in condizioni estreme.