ETD

• analytical modelling
• axial flux machine
• brushless motors
• experimental validation
• FEM
• Halbach arrays
• quasi-3D-modelling
• slot effect

This thesis investigates high torque density brushless machines, with a particular focus on axial flux permanent magnet (AFPM) motors, aiming to enhance electromechanical performance in the context of sustainable development and increasing electrification.
Chapter 1 outlines the study’s foundations, presenting AFPM machines as a promising solution, quasi-3D modelling as an efficient approach to reduce computational cost, and segmented Halbach arrays as an innovative strategy to improve performance. It also introduces a novel parametric method for defining permanent magnet arrays, enabling a systematic and intuitive description of arbitrary configurations.
Chapter 2 examines AFPM design principles, focusing on component arrangement and system integration, and providing the theoretical and methodological tools required to manage design complexity.
Chapter 3 develops the theoretical framework based on Maxwell’s equations and introduces two 2D electromagnetic models: a hybrid Fourier–Bessel model and a linearised quasi-3D analytical model. These approaches, supported by advanced techniques such as conformal mapping, establish a rigorous analytical basis for studying AFPM machines and segmented Halbach arrays.
Chapter 4 applies these methods to multiple case studies, exploring different configurations and their design implications. It also presents an experimental platform for characterising permanent magnets and analysing segmented Halbach arrays through automated measurements. Additional aspects include axial force evaluation, magnet skewing, and the impact of magnet geometry on electromagnetic and thermal performance, particularly in automotive applications.
Overall, the thesis integrates analytical, numerical, and experimental approaches, highlighting the potential of segmented Halbach arrays and providing robust tools for future developments in high torque density electrical machines.

Questa tesi analizza macchine brushless ad alta densità di coppia, con particolare attenzione ai motori a flusso assiale a magneti permanenti (AFPM), con l’obiettivo di migliorarne le prestazioni elettromeccaniche nel contesto della sostenibilità e della crescente elettrificazione.
Il Capitolo 1 introduce i fondamenti dello studio, presentando le macchine AFPM come soluzione promettente, la modellazione quasi-3D come tecnica efficiente per ridurre i costi computazionali e gli array di Halbach segmentati come strategia innovativa per incrementare le prestazioni. Viene inoltre proposta una nuova definizione parametrica degli array di magneti permanenti, che consente una descrizione sistematica e intuitiva di configurazioni arbitrarie.
Il Capitolo 2 tratta i principi di progettazione delle AFPM, concentrandosi sull’organizzazione dei componenti e sulla loro integrazione in un sistema completo, fornendo le basi teoriche e metodologiche per affrontarne la complessità.
Il Capitolo 3 sviluppa il quadro teorico a partire dalle equazioni di Maxwell e introduce due modelli elettromagnetici bidimensionali: un modello ibrido Fourier–Bessel e un modello analitico linearizzato basato su principi quasi-3D. Questi approcci, supportati da tecniche di mappatura conforme, costituiscono una solida base analitica.
Il Capitolo 4 applica le metodologie a diversi casi studio, analizzando varie configurazioni e le relative implicazioni progettuali. Viene inoltre sviluppata una piattaforma sperimentale per la caratterizzazione dei magneti permanenti e lo studio degli array di Halbach segmentati. Sono infine affrontati temi quali le forze assiali, lo skew dei magneti e l’influenza della geometria sulle prestazioni elettromagnetiche e termiche, con particolare riferimento all’ambito automotive.
Nel complesso, la tesi integra approcci analitici, numerici e sperimentali, evidenziando il potenziale degli array di Halbach segmentati e fornendo strumenti solidi per futuri sviluppi nelle macchine elettriche ad alta densità di coppia.