A systematic approach to the analysis and design of electrical machines for automotive traction applications

Abstract

Negli ultimi decenni, il processo di elettrificazione ha interessato diversi aspetti e attività delle moderne società industrializzate. In questo contesto, l'elettrificazione dei trasporti mostra ancora un ritardo significativo. Ciò è dovuto principalmente alle prestazioni altamente competitive del petrolio come fonte di energia sia sotto il profilo tecnico sia economico. Tuttavia, le considerazioni in merito all'inquinamento dell'aria unitamente a politiche di autosufficienza energetica hanno recentemente aumentato l'interesse dell'industria automobilistica verso i powertrain ibridi ed elettrici. Inoltre, in pochi anni, i powertrain elettrici hanno raggiunto le prestazioni di quelli a combustione interna e, grazie a particolari caratteristiche (quali ad esempio il sovraccarico e gli alti livelli di efficienza), hanno persino superato i risultati dei powertrains convenzionali.

Il presente lavoro di tesi si concentra sulle macchine elettriche usate per la propulsione e il freno dei nuovi autoveicoli, con una particolare attenzione alla geometria di rotore, alle configurazioni degli avvolgmenti e ai più importanti trade-off relativi al design della macchina elettrica. Anche le possibilità di controllo sull'intero intervallo di velocità sono state considerate accuratamente. In più, un nuovo modello magnetico ricorsivo è stato sviluppato per eseguire ottimizzazioni multi-obiettivo dei parametri di rotore e un'inedita geometria di tipo spoke-type viene proposta per ridurre il volume del magnete permanente nella macchina.

Questa tesi è organizzata nel seguente modo: l'introduzione fornisce le informazioni di contesto generale in materia di elettrificazione dell'automobile, il capitolo 1 si occupa dei requisiti specifici di un motore per trazione dimostrando che i motori a magneti permanenti interni sono quelli che meglio soddisfano tali vincoli, nel capitolo 2 un'approfondita analisi di due macchine prese in considerazione come casi di studio viene svolta per mezzo sia di un'approccio analitico sia di simulazioni a elementi finiti, quindi nel capitolo 3 si esegue un'analisi critica delle principali opzioni di progetto della macchina e infine, nel capitolo 4, le linee-guida risultanti vengono applicate al design di un nuovo motore prototipo destinato alle corse di formula studentesca (SAE). Il progetto copre non soltanto i tipici aspetti elettromagnetici del motore ma anche le proprietà termiche e meccaniche della macchina.

In the last decades, the electrification process has involved several aspects and activities of modern industrialized societies. In this context, the electrification of the transportation sector still exhibits a significant delay. This is mainly due to the rather competitive oil performances as an energy source from both a technical and economic point of view. However, air pollution considerations as well as energy self-sufficiency policies have recently raised the industrial interest for automotive hybrid and electric powertrains. Moreover, in just a few years, the electrical powertrains have reached the Internal Combustion Engine performances and, thanks to their particular features (such as the overload and the very high efficiency levels), they even outperformed most of the conventional powertrains.

This work focuses on the electrical machines used for the new car propulsion and braking, with special regard to the rotor geometry, winding configurations and all the most important trade-offs related to the machine design. The control capabilities over the whole speed range have also been considered carefully. In addition, a new recursive magnetic model has been developed to perform multi-objective rotor parameters optimization and a novel spoke-type geometry is proposed to reduce the machine permanent magnet volume.

This thesis is organized in the following way: the introduction gives the general background information about the car electrification topic, the chapter 1 deals with the specific requirements for a traction motor showing that the Interior Permanent Magnet is the motor type which best meets those constraints, in the chapter 2 a deep analysis is carried out on two case study machines by means of both analytic approach and Finite Elements simulations, then chapter 3 performs a critical analysis of the machine main design options and finally, in chapter 4, the resultant guidelines are applied to the design of a new motor prototype for Student Formula races. The design covers not only the typical electric and magnetic aspects of the motor but also the thermal and mechanical properties of the machine.