Rationalization of Product Architecture: A Design for Simplicity Approach for Electric Motor Shafts

Questa tesi analizza l'ottimizzazione meccanica e sistemica dei servomotori brushless sincroni della serie SMx, concentrandosi sull'interfaccia tra l'albero motore e il resolver. In precedenza, l'assemblaggio del sistema di retroazione richiedeva l'inserimento forzato di una spina elastica. Tale metodo introduceva criticità significative, tra cui tensioni residue, problemi di bilanciamento ed errori da parte dell'operatore. Inoltre, per adattarsi alle diverse retroazioni, il produttore era costretto a gestire una distinta base estremamente frammentata, con numerose varianti di alberi dedicati. Questa tesi, mediante il Design for Simplicity (DFS) e la Concurrent Engineering, propone un riprogetto strutturale incentrato su un inserto personalizzato. Questo componente collega il resolver a un'interfaccia universale dell'albero (MES6), standardizzata per gli encoder Hiperface. La soluzione sostituisce la spina a percussione con un accoppiamento filettato a coppia controllata, migliorando direttamente l'ergonomia di assemblaggio e la ripetibilità del processo.La nuova architettura è stata validata strutturalmente tramite analisi agli elementi finiti. Le simulazioni hanno dimostrato una distribuzione simmetrica della pressione di contatto sulle superfici di accoppiamento e uno spostamento massimo di 0,001652 mm sulla faccia distale critica. Tale valore rispetta rigorosamente la tolleranza di runout di 0,050 mm richiesta dal produttore del resolver, garantendo l'allineamento necessario per la strategia di controllo MTPA. Da una prospettiva industriale, l'implementazione di questo adattatore universale permette una radicale razionalizzazione del portafoglio prodotti, riducendo il numero di alberi necessarie fino al 46,94% per le taglie di motore più grandi. Standardizzare consente significative economie di scala, riduce i tempi di attrezzaggio delle macchine e il capitale circolante immobilizzato, ottimizzando infine l'efficienza della supply chain e migliorando il flusso di cassa operativo.

This thesis investigates the mechanical and systemic optimization of the SMx series of synchronous brushless servomotors, focusing on the interface between the motor shaft and the resolver. Assembling the feedback system in the past required the forced insertion of a spring pin. This method introduced significant criticalities, including residual stresses, balancing issues and risk of operator error. Accommodating different feedback systems forced the manufacturer to manage a highly fragmented BOM with numerous dedicated shaft variants. This study, through the principles of Design for Simplicity (DFS) and Concurrent Engineering proposes a structural redesign centered on a customized adapter insert. This component links the resolver with a universal shaft interface (MES6), originally standardized for Hiperface encoders. The solution replaces the percussive pin with a torque-controlled threaded coupling, directly improving assembly ergonomics and process repeatability. The new architecture was structurally validated through Finite Element Method (FEM) analysis. The simulations demonstrated a symmetric contact pressure distribution across the mating surfaces and a maximum displacement of 0.001652 mm at the critical distal face. This value strictly complies with the 0.050 mm runout tolerance required by the resolver manufacturer, ensuring the accurate mechanical alignment necessary for the MTPA control strategy. From an industrial perspective, the implementation of this universal adapter allows for a radical rationalization of the product portfolio, reducing the number of required shaft variants by up to 46.94% for the largest motor sizes. This standardization enables significant economies of scale, lowers machine setup times and reduces tied-up working capital, ultimately optimizing supply chain efficiency and improving operating cash flow.