PROGETTAZIONE E ANALISI ELETTROMAGNETICA DI UN MOTORE A RILUTTANZA SINCRONO: CONFRONTO TRA ROTORE IN ACCIAIO LAMINATO E ROTORE IN COMPOSITO MAGNETICO DOLCE

This master thesis presents a comparative study between low-power synchronous reluctance motor with Soft Magnetic Composite (SMC) rotors and traditional laminated steel rotors. The primary aim of the work is to investigate the effect of introducing flux barriers into the rotor geometry in order to improve the overall electromagnetic performance of the machine. The study builds upon previous research activities, incorporating advanced flux barrier geometries proposed in the literature and by earlier works. In the first chapter, a comprehensive overview of synchronous machines is provided, covering their classification, operating principles, and key characteristics. Particular attention is devoted to synchronous reluctance machines, highlighting their advantages, technological relevance, and the motivations behind their selection for this study. The second part of the thesis focuses on the machine design process, starting with an introduction to the simulation software used throughout the work, Flux and FluxMotor. The methodology adopted for the machine design is described in detail, with particular emphasis on the sizing and design of the stator windings and the development of rotor geometries. Three different rotor configurations are analyzed: one based on conventional laminated steel and two based on SMC materials. Special emphasis is placed on the design of flux barriers, explaining their role in influencing torque production and losses. Furthermore, the main properties of the materials employed are presented, with particular focus on the electromagnetic characteristics of SMC compared to laminated steel. The performance of the machines is evaluated through finite element method (FEM) simulations using FluxMotor. The analysis includes both steady-state operating conditions at specific working points and extended performance maps over a range of speeds and supply voltages. Finally, the results obtained from the three configurations are compared in terms of torque, efficiency, losses, and overall performance. The study highlights the advantages and limitations of SMC-based rotor designs and provides insights into their potential for future electric machine applications.

Questa tesi di laurea magistrale presenta uno studio comparativo di un motore sincrono a riluttanza a bassa potenza che mette in relazione motori con rotore in acciaio laminato e in composito magnetico dolce. L’obiettivo primario di questo lavoro è migliorare le prestazioni elettromagnetiche del motore aggiungendo delle barriere di flusso nella geometria del rotore. Lo studio si basa su precedenti attività di ricerca, tra le quali troviamo le geometrie avanzate di barriere di flusso, proposte in letteratura e in lavori precedenti del gruppo di ricerca del laboratorio di “Diagnostics and Design of Electrical Machines”. Nel primo capitolo vengono presentate le generalità della macchina sincrona, le sue classificazioni, principio di funzionamento e delle caratteristiche principali. Particolare attenzione è dedicata alle macchine a riluttanza sincrona, evidenziandone i vantaggi, la rilevanza tecnologica e le motivazioni alla base della loro scelta per questo studio. La seconda parte della tesi si concentra sul processo di progettazione della macchina, iniziando con un’introduzione al software di simulazione utilizzato durante il lavoro, Flux e FluxMotor. La metodologia adottata per la progettazione della macchina è descritta in dettaglio, con particolare enfasi sul dimensionamento e sulla progettazione degli avvolgimenti di statore e sullo sviluppo delle geometrie del rotore. Vengono analizzate tre diverse configurazioni di rotore: nel primo caso il rotore è in acciaio laminato mentre nel secondo e terzo caso è in SMC. Particolare attenzione è posta sulla progettazione delle barriere di flusso, spiegandone il ruolo nell’influenzare la produzione di coppia e le perdite. Inoltre, vengono presentate le principali proprietà dei materiali impiegati, con un focus sulle caratteristiche elettromagnetiche degli SMC rispetto all’acciaio laminato. Le prestazioni delle macchine sono valutate tramite simulazioni agli elementi finiti (FEM) utilizzando FluxMotor. L’analisi include sia condizioni operative a regime stazionario in specifici punti di lavoro, sia mappe di prestazione estese su un intervallo di velocità e tensioni di alimentazione. Infine, i risultati ottenuti dalle tre configurazioni sono confrontati in termini di coppia, efficienza, perdite e prestazioni complessive. Lo studio evidenzia i vantaggi e le limitazioni dei rotori basati su SMC e fornisce indicazioni sul loro potenziale per future applicazioni nelle macchine elettriche.