Riassunto analitico
Negli ultimi anni si è assistito a un notevole progresso nello sviluppo di materiali innovativi e tecniche di produzione all'avanguardia, spinto dalla ricerca di maggiore efficienza e sostenibilità, specialmente nel settore della mobilità elettrica. I motori elettrici, nel cui nucleo avviene la conversione elettromeccanica dell'energia, giocano un ruolo chiave in questa transizione. Sebbene i convenzionali metodi di produzione dei nuclei magnetici, basati su sottili laminazioni di acciaio elettrico, siano ampiamente consolidati, presentano limitazioni intrinseche, potenzialmente superabili con l'adozione di nuove promettenti soluzioni, come i Soft Magnetic Composites (SMC) e le tecnologie Additive Manufacturing (AM) per la produzione di Soft Magnetic Materials (SMM).
Per introdurre nell'Industria materiali così innovativi è necessaria la piena conoscenza delle loro proprietà magnetiche, di cui è ancora assente una caratterizzazione completa, rigorosa e standardizzata. Alla luce di ciò, diversi campioni toroidali sono stati progettati e testati con la strumentazione MPG 200 D di Brockhaus, in conformità con le norme IEC 60404 sulla misurazione delle proprietà dei materiali magnetici. Per automatizzare l'attività di post-processing dei dati campionati, sono stati creati degli script in linguaggio Python per il calcolo delle grandezze d'interesse e la visualizzazione delle curve B-H dei materiali, nonché per il confronto del comportamento magnetico di più provini. Parallelamente, è stato validato un set-up di test alternativo che semplifica la preparazione dei campioni da testare tramite l'adozione di un avvolgimento primario con spire apribili, eliminando la lunga e laboriosa fase di predisposizione dell'avvolgimento primario tradizionale.
Dai test effettuati su un toroide in SMC, prodotto a partire dalla polvere commerciale Somaloy, si sono ottenute le curve B-H alle alte frequenze, assenti nel datasheet della polvere, verificando il potenziale degli SMC nelle applicazioni a frequenze elevate.
Per la realizzazione dei provini tramite AM, sono stati selezionati la lega Fe-Si 2.9 wt% e il processo Laser Powder Bed Fusion. Per esaminare gli effetti della direzione di costruzione e del trattamento termico sul comportamento magnetico del materiale, i campioni sono stati prodotti con orientazioni di stampa sia di 0° che di 90° rispetto all'asse del toroide e testati sia in condizioni as-built che dopo un trattamento termico di un'ora a 1200 °C. Per indagare oggettivamente la ripetibilità del processo, ogni configurazione è stata riprodotta tre volte, per un totale di dodici provini testati, e i dati ottenuti sono stati esplorati con un'analisi statistica. A completamento, a partire dalla stessa polvere Fe-Si 2.9, è stato prodotto, tramite AM, uno statore di un motore elettrico che replicasse il design di uno statore in acciaio elettrico laminato, per ricavare un confronto diretto tra la risposta magnetica dello stesso componente realizzato con metodi tradizionali e tramite AM. Questa attività è parte del progetto "Innovative Additive Manufacturing for Electrical Machines: Greater Efficiency and Sustainability through Design Flexibility", che ha coinvolto UniMoRe, PoliBa e Ferrari SpA.
In sintesi, la Tesi presenta dati standardizzati sul comportamento magnetico sia di materiali SMC che di materiali ferromagnetici dolci prodotti tramite AM, fornendo un contributo al design e all'industrializzazione di motori elettrici più efficienti e sostenibili per la mobilità del futuro.
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