DESIGN AND ANALYSIS OF HIGH-SPEED ELECTRICAL MACHINE CONSIDERING MAGNET EDDY CURRENT LOSS COMPUTATION

In high-speed PM machines, a precise estimation and reduction of rotor eddy current losses are crucial for achieving better performance and high efficiency. These losses significantly rise with the increasing rotational speed, which considerably affects PM temperature and increases the risk of irreversible demagnetization. The primary focus of this thesis is on the accurate computation and mitigation of magnet eddy current losses, a critical issue exacerbated by spatial harmonics in high-speed operations. Novel design strategies, including incorporating auxiliary stator slots and rotor retaining mechanisms, are proposed to substantially reduce eddy current losses while maintaining mechanical integrity at high rotational speeds. Furthermore, an analytical method for the precise and fast computation of eddy current losses in SPM machines is introduced. This method eliminates the complexity of conventional Fourier series-based approaches, providing an efficient and accurate tool for early-stage design optimization. Additionally, a novel design method is proposed for generating symmetrical multiphase fractional-slot concentrated windings (FSCWs), which overcomes the limitations of the conventional star-of-slot technique. The findings of this research have been validated through extensive finite element analysis (FEA) and, where applicable, experimental verification. The proposed methods and design solutions provide a strong foundation for further advancements in performance and reliability, facilitating the evolution of next-generation high-speed electrical machines that meet the increasing demands of modern engineering applications.

Nelle macchine a magneti permanenti (PM) ad alta velocità, una stima precisa e la riduzione delle perdite per correnti parassite nel rotore sono cruciali per ottenere migliori prestazioni e alta efficienza. Queste perdite aumentano significativamente con la velocità di rotazione crescente, influenzando considerevolmente la temperatura dei PM e incrementando il rischio di smagnetizzazione irreversibile. Il focus principale di questa tesi è la precisa computazione e mitigazione delle perdite per correnti parassite nei magneti, una questione critica aggravata dalle armoniche spaziali nelle operazioni ad alta velocità. Vengono proposte strategie progettuali innovative, inclusa l'incorporazione di cave ausiliarie nello statore e meccanismi di contenimento del rotore, per ridurre sostanzialmente le perdite per correnti parassite, mantenendo al contempo l'integrità meccanica alle alte velocità di rotazione. Inoltre, viene introdotto un metodo analitico per la computazione precisa e rapida delle perdite per correnti parassite nelle macchine a magneti permanenti superficiali (SPM). Questo metodo elimina la complessità degli approcci convenzionali basati su serie di Fourier, fornendo uno strumento efficiente e accurato per l'ottimizzazione della progettazione nelle fasi iniziali. Viene anche proposta una nuova metodologia di progettazione per generare avvolgimenti concentrati a slot frazionari simmetrici a multiphase (FSCW), che supera le limitazioni della tecnica convenzionale "star-of-slot". I risultati di questa ricerca sono stati validati attraverso un'ampia analisi agli elementi finiti (FEA) e, ove applicabile, mediante verifiche sperimentali. I metodi e le soluzioni progettuali proposte forniscono una solida base per ulteriori avanzamenti in termini di prestazioni e affidabilità, facilitando l'evoluzione delle macchine elettriche ad alta velocità di prossima generazione, in grado di soddisfare le crescenti esigenze delle applicazioni ingegneristiche moderne.