CARATTERIZZAZIONE SPERIMENTALE DI MATERIALI FERROMAGNETICI DOLCI IN ADDITIVE MANUFACTURING PER MOTORI ELETTRICI

Negli ultimi anni, l’esigenza di sviluppare motori elettrici sempre più efficienti e sostenibili ha aumentato l’interesse verso la caratterizzazione approfondita dei materiali ferromagnetici dolci, con particolare attenzione alla valutazione e all’ottimizzazione delle prestazioni in condizioni operative reali. I metodi produttivi tradizionali dei nuclei magnetici, basati sull’impiego di sottili lamierini, sono tecnologicamente maturi e industrialmente consolidati; tuttavia, presentano limitazioni intrinseche che si mira a superare con l’introduzione di tecnologie innovative come l’Additive Manufacturing (AM). In questo contesto, diventa fondamentale caratterizzare rigorosamente le proprietà magnetiche di materiali non convenzionali realizzati in AM e analizzare in modo critico gli scostamenti che possono emergere nel trasferimento dai risultati di laboratorio, ottenuti su provini conformi alle norme IEC 60404 sulla caratterizzazione dei materiali magnetici, ai componenti finali destinati all’impiego nei motori elettrici, dove geometrie e condizioni di magnetizzazione possono differire sensibilmente. Il presente lavoro si è focalizzato sulla caratterizzazione sperimentale delle proprietà magnetiche di provini toroidali in FeSi 2.9%, stampati in AM mediante il processo Laser Powder Bed Fusion. Tramite la strumentazione Brockhaus MPG 200 D, sono stati eseguiti test in corrente continua e alternata per ricavare le curve di prima magnetizzazione e i cicli di isteresi a diverse frequenze e a diversi valori di induzione magnetica massima. In dettaglio, per indagare l’influenza della dimensione dei provini sulle misure sperimentali, sono stati testati un toroide di riferimento con dimensioni conformi alle norme IEC 60404 e sette toroidi con diametro esterno, diametro interno e altezza diversi rispetto al provino di riferimento e non conformi alle norme. Inoltre, per valutare l’effetto della direzione di stampa sulle proprietà magnetiche del materiale, i provini sono stati prodotti con orientazione di stampa sia di 0° che di 90° rispetto all’asse del toroide. Infine, per valutare la ripetibilità del processo, ciascuna combinazione è stata riprodotta tre volte, per un totale di quarantotto provini testati e sottoposti ad analisi statistica. Per estendere lo studio dei materiali ferromagnetici dolci prodotti in AM al caso applicativo dei nuclei per motori elettrici, sono state condotte analisi agli elementi finiti con il software Altair Flux Motor. In particolare, è stato considerato un motore elettrico impiegato su una vettura ibrida di serie, Toyota Prius (2010), e ne sono state confrontate le prestazioni nel caso di statore convenzionale e nel caso di statore realizzato in AM. Quest’ultimo scenario è stato analizzato implementando nel modello le proprietà magnetiche ricavate sperimentalmente sul provino con dimensioni più prossime a quelle dello statore convenzionale del veicolo considerato. Il lavoro svolto ha contribuito a individuare gli effetti indotti dalla variazione delle dimensioni dei provini toroidali sulle misure sperimentali di caratterizzazione magnetica e a integrare dati sperimentali in un modello di motore di serie, con l’obiettivo di migliorare l’affidabilità della caratterizzazione di materiali ferromagnetici dolci non convenzionali e di quantificare l’impatto della sostituzione dei lamierini tradizionali con nuclei realizzati in AM sulle prestazioni di un motore elettrico di trazione.