Σχεδιασμός ηλεκτρικών μηχανών για ηλεκτρικά οχήματα εξετάζοντας τεχνολογίες τρισδιάστατης εκτύπωσης

Abstract

The present doctoral dissertation addresses the study, analysis, and optimization of materials andtechnologies used in modern electrical machines, with particular emphasis on high-speed, high power-densitypermanent magnet synchronous machines. The increasing demand for energy efficiency, emission reduction,and the minimization of volume and weight in electromechanical systems necessitates an in-depthinvestigation of advanced materials, innovative design techniques, and modern manufacturing methods. Initially, recent developments in magnetic material technology are presented, including both soft andhard ferromagnetic materials, along with the fundamental electromagnetic field equations governing theoperation of electrical machines. Particular emphasis is placed on the study of hysteresis and eddy currentlosses, the magnetic behavior of materials, and their impact on overall machine performance. In parallel,modern additive manufacturing techniques are analyzed to explore the feasibility of employing threedimensionallyprinted magnetic materials in electrical machines. Subsequently, conductor materials and winding configurations are extensively examined. A detailedstudy of Litz wire conductors is carried out, focusing on the calculation and comparison of AC losses due toskin and proximity effects. The influence of conductor cross-sectional geometry (circular, square, andrectangular) on AC losses is systematically evaluated. Furthermore, experimental methods for the characterization of magnetic materials are presented,including the Epstein frame, ring test technique, and single-sheet tester, along with an experimental investigation of three-dimensionally printed magnetic cores. Advanced numerical methods for electromagnetic and thermal analysis based on the finite element method (FEA), in both two-dimensional andthree-dimensional formulations, are developed and applied. A central component of the dissertation is the development and experimental validation of synchronous machines incorporating three-dimensionally printed cores. Comprehensive electromagnetic and thermalmodeling is performed, including a comparison between two-dimensional and three-dimensional analyses anda quantitative assessment of losses and thermal behavior. The results are experimentally validated,demonstrating the reliability of the numerical models. Special emphasis is placed on high-speed machinesoperating under demanding conditions, such as those encountered in electric propulsion systems for unmannedaerial vehicles. In addition, an axial flux permanent magnet synchronous machine with a 3D-printed core isinvestigated, where a dynamic model is developed, equivalent circuit parameters are determined, andtheoretical and experimental results are compared under various operating scenarios. The findings demonstrate that 3D-printed cores can serve as a viable alternative in low- and medium power applications, offering advantages in design flexibility and weight reduction, with a controlled impacton losses and thermal performance. The dissertation contributes to the field of electrical machines through the integrated coupling of advanced materials, numerical analysis, and experimental validation, proposing directions for further optimization and broader utilization of 3D printing technology in high-performance electromechanical applications. Finally, the main conclusions of the research are summarized, the scientific contribution of the dissertation to the field of electrical machines is highlighted, and directions for future research are proposed, aiming at the further exploitation of advanced materials and manufacturing technologies in high-performance electromechanical systems.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται τη μελέτη, ανάλυση και βελτιστοποίηση υλικών καιτεχνολογιών που χρησιμοποιούνται στις σύγχρονες ηλεκτρικές μηχανές, με ιδιαίτερη έμφαση σε σύγχρονεςμηχανές μόνιμων μαγνητών υψηλής ταχύτητας και υψηλής πυκνότητας ισχύος. Η αυξανόμενη απαίτηση γιαενεργειακή αποδοτικότητα, μείωση εκπομπών και περιορισμό του όγκου και του βάρους τωνηλεκτρομηχανολογικών συστημάτων καθιστά αναγκαία την εις βάθος διερεύνηση νέων υλικών, προηγμένωντεχνικών σχεδιασμού και σύγχρονων μεθόδων κατασκευής. Αρχικά, παρουσιάζονται οι πρόσφατες εξελίξεις στην τεχνολογία μαγνητικών υλικών, τόσο μαλακώνόσο και σκληρών σιδηρομαγνητικών, καθώς και οι θεμελιώδεις εξισώσεις των ηλεκτρομαγνητικών πεδίωνπου διέπουν τη λειτουργία των ηλεκτρικών μηχανών. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στη μελέτη των απωλειώνυστέρησης και δινορρευμάτων, στη μαγνητική συμπεριφορά των υλικών και στην επίδρασή τους στησυνολική απόδοση της μηχανής. Παράλληλα, αναλύονται σύγχρονες τεχνικές προσθετικής κατασκευής, μεστόχο τη διερεύνηση της δυνατότητας χρήσης τρισδιάστατα εκτυπωμένων μαγνητικών υλικών σε ηλεκτρικέςμηχανές. Στη συνέχεια, εξετάζονται εκτενώς τα υλικά αγωγών και οι διαμορφώσεις τυλιγμάτων ηλεκτρικώνμηχανών. Πραγματοποιείται αναλυτική μελέτη των αγωγών τύπου Litz, με έμφαση στον υπολογισμό και τη σύγκριση των απωλειών εναλλασσόμενου ρεύματος που οφείλονται στο επιδερμικό φαινόμενο και στοφαινόμενο γειτνίασης. Αξιολογείται η επίδραση της γεωμετρίας της διατομής των αγωγών (κυκλική,τετραγωνική και ορθογωνική) στις απώλειες. Ακολούθως, παρουσιάζονται πειραματικές μέθοδοι χαρακτηρισμού μαγνητικών υλικών, όπως η διάταξη Epstein, η τεχνική δακτυλίου και η τεχνική μονού ελάσματος, καθώς και πειραματική διερεύνησητρισδιάστατα εκτυπωμένων μαγνητικών πυρήνων. Παράλληλα, αναπτύσσονται και εφαρμόζονταιπροηγμένες αριθμητικές μέθοδοι ηλεκτρομαγνητικής και θερμικής ανάλυσης βασισμένες στην ανάλυσηπεπερασμένων στοιχείων (FEA), τόσο σε δισδιάστατο όσο και σε τρισδιάστατο επίπεδο. Κεντρικό άξονα της διατριβής αποτελεί η ανάπτυξη και πειραματική επιβεβαίωση σύγχρονων μηχανώνμε πυρήνα τρισδιάστατης εκτύπωσης. Πραγματοποιείται ηλεκτρομαγνητική και θερμική αναπαράσταση,σύγκριση δισδιάστατης και τρισδιάστατης ανάλυσης, καθώς και ποσοτική αποτίμηση των απωλειών και τηςθερμικής συμπεριφοράς. Τα αποτελέσματα επιβεβαιώνονται πειραματικά, αποδεικνύοντας την αξιοπιστίατων αριθμητικών μοντέλων. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στη μελέτη μηχανών υψηλών στροφών και σελειτουργία υπό απαιτητικές συνθήκες, όπως αυτές που συναντώνται σε εφαρμογές ηλεκτρικής πρόωσης μηεπανδρωμένων εναέριων οχημάτων. Επιπλέον, εξετάζεται σύγχρονη μηχανή μόνιμων μαγνητών αξονικήςροής με 3D-εκτυπωμένο πυρήνα, όπου αναπτύσσεται δυναμικό μοντέλο, υπολογίζονται οι παράμετροι τουισοδύναμου κυκλώματος και συγκρίνονται θεωρητικά και πειραματικά αποτελέσματα σε διαφορετικάσενάρια λειτουργίας. Τα ευρήματα καταδεικνύουν ότι οι 3D-εκτυπωμένοι πυρήνες μπορούν να αποτελέσουν λειτουργικήεναλλακτική σε εφαρμογές χαμηλής και μέσης ισχύος, προσφέροντας πλεονεκτήματα ευελιξίας σχεδιασμού και μείωσης βάρους, με ελεγχόμενη επίδραση στις απώλειες και στη θερμική συμπεριφορά. Η διατριβή συμβάλλει στην επιστήμη των ηλεκτρικών μηχανών μέσω της ολοκληρωμένης σύζευξης υλικών, αριθμητικήςανάλυσης και πειραματικής τεκμηρίωσης, προτείνοντας κατευθύνσεις για περαιτέρω βελτιστοποίηση καιαξιοποίηση της τεχνολογίας 3D printing σε προηγμένες ηλεκτρομηχανικές εφαρμογές. Τέλος, συνοψίζονται τα κύρια συμπεράσματα της έρευνας, αναδεικνύεται η επιστημονική συνεισφοράτης διατριβής στον τομέα των ηλεκτρικών μηχανών και προτείνονται κατευθύνσεις για μελλοντική έρευνα,με στόχο την περαιτέρω αξιοποίηση προηγμένων υλικών και τεχνολογιών κατασκευής σεηλεκτρομηχανολογικές εφαρμογές υψηλών επιδόσεων.