ETD

• Axial-Flux Permanent-Magnet Motor
• Multiphysics Numerical Simulation
• Pulsating Heat Pipe

The continuous drive towards the electrification and miniaturization of propulsion systems requires electrical machines characterized by increasingly higher power and torque densities. In this context, axial flux motors, and particularly those with a YASA (Yokeless And Segmented Armature) topology, represent one of the most technologically promising solutions. The YASA architecture typically consists of two external rotor discs, on which permanent magnets are arranged, and a central stator made up of geometrically independent teeth, each wound with its own coil. Although this configuration offers excellent electromagnetic performance, it presents an inherent critical issue related to thermal management: Joule and iron losses are concentrated in the central stator region, making heat extraction to the outside complex. Consequently, the maximum temperatures tolerated by the insulating materials and magnets limit the supply current and, ultimately, the maximum power of the machine. To overcome these issues, this thesis work proposes and analyses a highly innovative solution: the replacement of traditional solid copper windings with Pulsating Heat Pipes (PHPs), which are wickless two-phase devices characterized by flexibility and ease of fabrication. In this hybrid architecture, the PHP tube acts simultaneously as an electrical conductor carrying the phase current and as a two-phase device, extracting heat from thermally critical hotspots to the external cooling system.
In order to rigorously validate the feasibility of this solution, the work is divided into several sequential phases. Initially, an in-depth state-of-the-art review was conducted on two-phase thermal devices used in motor cooling, subsequently analysing the potential and limitations of integrating Pulsating Heat Pipes in such applications. A crucial part of this preliminary phase was the conceptual validation of the proposed geometry: by studying unusual and complex three-dimensional morphologies, it was demonstrated that PHPs maintain excellent thermodynamic performance even when subjected to tight bends, sharp turns, and flattening deformations, confirming the mechanical and thermal feasibility of wrapping a PHP around a YASA stator tooth.
Subsequently, the study focused on the electromagnetic modelling of a bench-test YASA motor, preliminarily evaluated at an ambient temperature of 20°C. To balance the accuracy of the results with computational effort, Finite Element Method (FEM) simulations were set up using a 2.5D approach, also known as the multi-slice method. This methodology involves discretizing the machine's geometry into an appropriate number of cylindrical sections evaluated at different radial coordinates; these are then linearly unrolled into equivalent 2D models and solved individually. The solutions thus obtained are finally numerically integrated along the spatial dimension not directly represented in the individual planes to reconstruct the global behavior of the machine. The objective of this phase is to calculate the nominal performance in terms of torque, power, and electrical efficiency, with particular focus on quantifying the losses generated in the electromagnetically active components.
However, the performance evaluated at ambient temperature is not representative of actual operating conditions. The thermal increase induced by the losses significantly degrades overall performance: copper resistivity rises, increasing Joule losses, while the residual magnetic flux density of the magnets decreases, reducing the produced torque. To capture these phenomena, the core of the thesis focuses on the development of a decoupled hybrid multiphysics analysis. Due to the inherently three-dimensional nature of heat transfer, a fully coupled direct simulation proved computationally unfeasible. Therefore, an iterative procedure was implemented between the 2.5D electromagnetic model and a 3D thermal model limited to a single periodic sector of the motor. In this approach, the losses calculated in the electrical model are imported as volumetric heat sources into the 3D model; the resulting temperatures are then fed back into the electrical model to update copper conductivity and magnet remanence, iterating until full convergence at steady state is reached.
The three-dimensional thermal analysis required accurate modelling of the cooling system, which includes a water jacket around the housing and an epoxy resin used for the structural consolidation of the stator. The accurate characterization of the heat transfer coefficients and the proper modelling of the PHP's equivalent behavior represent a key point for validating the thermal simulation. The results highlighted that the thermally critical points are located in the stator region. With the integration of PHPs, the improved cooling achieved allows for an increase in current density and useful power of approximately 3-4%. Even more than the modest absolute performance increase, the real asset of this technology lies in the reliability it imparts to the machine: the presence of the two-phase fluid inside the PHP flattens spatial temperature gradients, drastically reducing the risk of localized thermal hot-spots.
Finally, to generalize the obtained results and better understand the potential of the proposed innovation, the last phase of the work involved the development of a simplified analytical model, allowing for an extensive parametric investigation. By carrying out the analysis while varying the motor's geometric dimensions and the effectiveness of the external cooling system, the study demonstrates how, for specific motor sizes, PHP technology can guarantee substantial overall gains in output power.
In conclusion, through a rigorous multiphysics and parametric approach, this thesis work demonstrates the engineering validity of integrating Pulsating Heat Pipes into axial flux machines. The proposed solution, by offering improvements in the motor's thermal management, enables the design of electrical motors with increasingly high power densities, capable of overcoming the current limits imposed by conventional cooling systems.

La continua spinta verso l'elettrificazione e la miniaturizzazione dei sistemi di propulsione richiede macchine elettriche caratterizzate da densità di potenza e di coppia sempre più elevate. In questo scenario, i motori a flusso assiale, e in particolare quelli con topologia YASA (Yokeless And Segmented Armature), rappresentano una delle soluzioni tecnologicamente più promettenti. L'architettura YASA è tipicamente costituita da due dischi rotorici esterni, sui quali sono disposti i magneti permanenti, e da uno statore centrale formato da denti geometricamente indipendenti, ciascuno avvolto da una propria bobina. Sebbene questa configurazione offra eccellenti prestazioni elettromagnetiche, essa presenta una criticità intrinseca legata al raffreddamento dei componenti termicamente critici: le perdite per effetto Joule e le perdite nel ferro si concentrano nella parte statorica centrale, rendendo complessa l'estrazione del calore verso l’esterno. Di conseguenza, le temperature massime tollerabili dai materiali isolanti e dai magneti limitano la corrente di alimentazione e, in ultima analisi, la potenza erogabile dalla macchina. Per superare questi problemi, il presente lavoro di tesi propone e analizza una soluzione profondamente innovativa: la sostituzione dei tradizionali avvolgimenti in rame massiccio con Pulsating Heat Pipe (PHP), ovvero tubi di calore wickless caratterizzati da flessibilità e semplicità costruttiva. In questa architettura ibrida, il tubo del PHP funge contemporaneamente da conduttore elettrico, per il trasporto della corrente di fase, e da dispositivo di raffreddamento per lo smaltimento del calore verso il sistema di raffreddamento esterno.
Al fine di validare rigorosamente la fattibilità di questa soluzione, il lavoro si articola in diverse fasi sequenziali. Inizialmente, è stata condotta un'approfondita indagine dello stato dell'arte sui dispositivi termici bifase impiegati nel raffreddamento dei motori, per poi analizzare le potenzialità e i limiti dell’integrazione dei Pulsating Heat Pipe in tali applicazioni. Una parte cruciale di questa fase preliminare è stata la validazione concettuale della geometria proposta: attraverso lo studio di morfologie inusuali e complesse in tre dimensioni, si è dimostrato come i PHP mantengano ottime prestazioni termodinamiche anche a fronte di curvature repentine, piegature e schiacciamenti, confermando la fattibilità meccanica e termica dell'avvolgimento del PHP attorno ad un dente statorico YASA.
Successivamente, lo studio si è concentrato sulla modellazione elettromagnetica di un motore YASA da laboratorio, valutato preliminarmente in condizioni di temperatura ambiente a 20°C. Al fine di coniugare l'accuratezza dei risultati con l'onere computazionale, le simulazioni agli elementi finiti (FEM) sono state impostate adottando un approccio 2.5D, noto anche come metodo multi-slice. Tale metodologia consiste nel discretizzare la geometria della macchina in un opportuno numero di sezioni cilindriche valutate a differenti coordinate radiali; queste vengono sviluppate linearmente in modelli 2D equivalenti e risolte singolarmente. Le soluzioni così ottenute vengono infine integrate numericamente lungo la dimensione spaziale non direttamente rappresentata nei singoli piani per ricostruire il comportamento globale della macchina. L’obiettivo di questa fase è il calcolo delle prestazioni nominali in termini di coppia, potenza ed efficienza, con particolare attenzione alla determinazione delle perdite generate nei componenti elettromagneticamente attivi.
Tuttavia, le prestazioni valutate a temperatura ambiente non sono rappresentative delle reali condizioni operative. L'incremento termico indotto dalle perdite degrada significativamente le performance complessive: la resistività del rame cresce, incrementando le perdite per effetto Joule, mentre la densità di flusso magnetico residuo dei magneti diminuisce, riducendo la coppia prodotta. Per catturare questi fenomeni, il nucleo centrale della tesi si concentra sullo sviluppo di un'analisi multifisica ibrida disaccoppiata. A causa della natura intrinsecamente tridimensionale della trasmissione del calore, la simulazione accoppiata diretta si è rivelata computazionalmente impraticabile. È stata quindi implementata una procedura iterativa tra il modello elettromagnetico 2.5D e un modello termico 3D limitato a un settore del motore sfruttando le simmetrie della macchina. In questo approccio, le perdite calcolate nel modello elettrico vengono importate come sorgenti termiche nel modello 3D; le temperature risultanti vengono poi reintrodotte nel modello elettrico per aggiornare la conducibilità del rame e la rimanenza dei magneti, iterando fino alla completa convergenza a regime stazionario.
L'analisi termica tridimensionale ha richiesto un'accurata modellazione del sistema di raffreddamento, che comprende una water jacket sulla carcassa e una resina epossidica impiegata per il consolidamento strutturale dello statore. La definizione rigorosa dei coefficienti di scambio termico e la corretta modellazione del comportamento equivalente del PHP rappresentano un punto chiave per la validazione della simulazione termica. I risultati hanno evidenziato come i punti termici critici siano presenti nella parte statorica. Con l’integrazione dei PHP, il miglior raffreddamento attestato permette di registrare un aumento di densità di corrente e potenza utile di circa il 3-4%. Ancor più del modesto incremento prestazionale assoluto, il vero punto di forza della tecnologia risiede nell’affidabilità conferita alla macchina: la presenza del fluido bifase all'interno del PHP, infatti, abbatte i gradienti di temperatura spaziali, riducendo drasticamente il rischio di hot-spot termici localizzati.
Infine, per generalizzare i risultati ottenuti e comprendere meglio le potenzialità dell’innovazione proposta, l'ultima fase del lavoro ha previsto lo sviluppo di un modello analitico semplificato, permettendo l’esecuzione di un'estesa indagine parametrica. Eseguendo l'analisi al variare delle dimensioni geometriche del motore e dell'efficacia del sistema di raffreddamento esterno, lo studio dimostra come, per specifiche taglie, la tecnologia dei PHP possa garantire incrementi complessivi della potenza utile del motore estremamente significativi.
In conclusione, il presente lavoro di tesi dimostra, tramite un rigoroso approccio multifisico e parametrico, la validità ingegneristica dell'integrazione dei Pulsating Heat Pipe nelle macchine a flusso assiale. La soluzione proposta, offrendo miglioramenti nella gestione termica del motore, consente la progettazione di motori elettrici dotati di densità di potenza sempre più elevate e capaci di superare gli attuali limiti imposti dai sistemi di raffreddamento convenzionali.