Evaluation of Surface Slotting in Additively Manufactured Rotors with Respect to Eddy-Current Suppression and Manufacturability

Additive manufacturing enables new rotor geometries for electrical machines, but solid or weakly segmented rotor structures are generally more susceptible to eddy-current formation than conventional laminated designs. These additional losses can deteriorate efficiency, thermal behavior, and overall electromagnetic performance. Within this context, this thesis investigates surface slotting as a rotor design strategy for reducing eddy-current effects in additively manufactured rotors while maintaining acceptable machine performance and considering manufacturability constraints. In particular, the work focuses on alternative surface-slot patterns beyond simple conventional slits and evaluates their suitability for electromagnetic screening and practical implementation. The study is carried out using a consistent three-dimensional finite-element-method framework in JMAG. A baseline rotor without advanced surface patterning is first defined as a reference configuration. On this basis, several slot-pattern geometries are modeled and compared, including axial slit arrangements, snake-line slotting, and Hilbert-type surface structures. The comparative assessment is performed under identical modeling assumptions and excitation conditions in order to isolate the influence of surface topology on rotor electromagnetic behavior. The main evaluation criteria are rotor eddy-current losses and average torque, while manufacturability is considered as an additional engineering constraint in the interpretation of the results. The thesis therefore contributes a structured comparison of how slot-path geometry, segmentation behavior, and surface complexity influence the trade-off between electromagnetic loss suppression and torque-related performance. Rather than treating surface slotting only as a geometric modification, the work frames it as a design variable linking electromagnetic functionality with additive-manufacturing feasibility. The results provide a screening-oriented basis for identifying promising rotor surface patterns for future development of additively manufactured electrical machines. Overall, the thesis demonstrates that surface slot design can be used as a targeted tool for controlling rotor eddy-current behavior and supports the broader objective of adapting rotor design methodology to the opportunities and limitations of additive manufacturing.

La manifattura additiva consente nuove geometrie del rotore per le macchine elettriche e offre una maggiore libertà geometrica rispetto ai processi di produzione convenzionali. Tuttavia, le strutture di rotore solide o debolmente segmentate sono generalmente più soggette alla formazione di correnti parassite rispetto ai tradizionali design laminati. Queste perdite aggiuntive possono peggiorare l’efficienza, il comportamento termico e le prestazioni elettromagnetiche complessive. In questo contesto, la presente tesi analizza la scanalatura superficiale come strategia di progettazione del rotore per ridurre gli effetti delle correnti parassite nei rotori prodotti mediante manifattura additiva, mantenendo al contempo prestazioni accettabili della macchina e tenendo conto dei vincoli di fabbricabilità. In particolare, il lavoro si concentra su configurazioni alternative di scanalature superficiali oltre alle semplici fessure convenzionali e ne valuta l’idoneità per uno screening elettromagnetico e una possibile implementazione pratica. Lo studio è condotto utilizzando un quadro coerente di simulazione tridimensionale agli elementi finiti in JMAG. Un rotore di base, privo di pattern superficiali avanzati, viene innanzitutto definito come configurazione di riferimento. Su questa base, vengono modellate e confrontate diverse geometrie di scanalatura, comprese configurazioni a fessure assiali, scanalature snake-line e strutture superficiali di tipo Hilbert. La valutazione comparativa viene eseguita sotto ipotesi di modellazione e condizioni di eccitazione identiche, al fine di isolare l’influenza della topologia superficiale sul comportamento elettromagnetico del rotore. Il criterio principale di valutazione è costituito dalle perdite per correnti parassite nel rotore, mentre la coppia media è considerata solo come indicatore comparativo secondario ed è interpretata con cautela nell’ambito dell’attuale rappresentazione cilindrica del rotore. La tesi fornisce quindi un confronto strutturato di come la geometria del percorso delle scanalature, il comportamento di segmentazione e la complessità superficiale influenzino il compromesso tra la soppressione delle perdite elettromagnetiche e le prestazioni legate alla coppia. Piuttosto che considerare la scanalatura superficiale soltanto come una modifica geometrica, il lavoro la interpreta come una variabile di progetto che collega la funzionalità elettromagnetica con la fattibilità della manifattura additiva. I risultati forniscono una base orientata allo screening per l’individuazione di configurazioni promettenti della superficie del rotore per il futuro sviluppo di macchine elettriche realizzate mediante manifattura additiva. Nel complesso, la tesi dimostra che la strutturazione superficiale può essere utilizzata per modificare il comportamento delle correnti parassite nel rotore, mentre l’efficacia finale rimane fortemente dipendente dalla geometria del pattern selezionato.