Types, applications and design aspects of high-speed electrical machines

This thesis provides a thorough and unified analysis of High-Speed Electrical Machines (HSEMs), emphasizing their diverse classifications, complex applications, and the rigorous, multidisciplinary design standards that govern their performance and reliability. Operating at speeds generally exceeding $10,000~{RPM}$, HSEMs offer substantial benefits in power density and compactness, essential for advancements in electrification, aerospace, and medical technologies. The study first establishes a hierarchical classification across six major HSEM topologies—including Permanent Magnet Synchronous Machines (PMSMs), Switched Reluctance Machines (SRMs), and Bearingless Machines (BLMs)—analyzing the trade-offs in their structural characteristics, such as the use of carbon-fiber containment sleeves and various flux orientations. A core focus is the multidisciplinary design challenge imposed by high-speed operation, where mechanical stress increases quadratically, and thermal/electromagnetic losses increase even faster. The analysis details Electromagnetic aspects, including mitigation strategies for high-frequency losses (like the skin effect and eddy currents) using thin laminations and Litz wire. In Mechanics, the necessity of rotor dynamics analysis (FEM/modal analysis) is discussed to avoid critical speed resonance, along with the use of high strength-to-density materials (titanium, CFRPs). For Thermal Design, the role of accurate thermal models and advanced hybrid cooling systems in managing heat flux, which ultimately sets the continuous power limit of the machine, is examined. Ultimately, the thesis contends that high-precision manufacturing is the most critical enabling technology for achieving theoretical efficiency in real-world HSEM systems. Future research and development should prioritize Additive Manufacturing (AM) for complex rotor cooling, Integrated Mechatronic Systems, and Data-Driven Health Monitoring to maximize reliability and operational envelopes.

Questa tesi fornisce un’analisi approfondita e unificata delle Macchine Elettriche ad Alta Velocità (HSEM), sottolineando le loro diverse classificazioni, le complesse applicazioni e i rigorosi standard di progettazione multidisciplinare che ne regolano le prestazioni e l’affidabilità. Operando a velocità che generalmente superano i 10.000 giri/min, le HSEM offrono notevoli vantaggi in termini di densità di potenza e compattezza, essen- ziali per i progressi nell’elettrificazione, nel settore aerospaziale e in quello medico. Lo studio stabilisce innanzitutto una classificazione gerarchica attraverso sei principali topolo- gie HSEM—incluse le Macchine Sincrone a Magneti Permanenti (PMSM), le Macchine a Riluttanza Commutata (SRM) e le Macchine Senza Cuscinetti (BLM)—analizzando i compromessi nelle loro caratteristiche strutturali, come l’uso di manicotti di contenimento in fibra di carbonio e le diverse orientazioni di flusso. Un focus centrale è rappresentato dalla sfida di progettazione multidisciplinare imposta dall’alta velocità, dove lo stress meccanico aumenta in modo quadratico e le perdite termiche/elettromagnetiche aumen- tano ancora più rapidamente. L’analisi dettaglia gli aspetti Elettromagnetici, incluse le strategie di mitigazione per le perdite ad alta frequenza (come l’effetto pelle e le correnti parassite) utilizzando laminazioni sottili e filo di Litz. Nella Meccanica, si discute la ne- cessità dell’analisi di dinamica rotorica (FEM/analisi modale) per evitare la risonanza a velocità critiche, insieme all’uso di materiali con elevato rapporto resistenza/densità (titanio, CFRP). Per la Progettazione Termica, si esamina il ruolo di modelli termici accurati e di sistemi di raffreddamento ibridi avanzati nella gestione del flusso termico, che in ultima analisi fissa il limite di potenza continua della macchina. In conclusione, la tesi sostiene che la produzione ad alta precisione è la tecnologia abilitante più critica per tradurre l’efficienza teorica in prestazioni reali nei sistemi HSEM. La futura ricerca e sviluppo dovrebbero dare priorità a: Manifattura Additiva (AM) per il raffreddamento complesso del rotore, Sistemi Meccatronici Integrati e Monitoraggio dello Stato di Salute basato sui Dati per massimizzare l’affidabilità e gli inviluppi operativi.