Analysis and design procedures of permanent magnet machines for hybrid electric vehicles and rail-traction applications

The interest for Permanent Magnet (PM) synchronous machines has increased in the recent years. This is mainly due to important developments in the field of the electrical machine design, control systems and PM technology. These factors enable the possibility of designing electrical machines with a high torque density, power density, efficiency, low cost with wide degrees of freedom. Such requirements are highly sought in the automotive field, especially following the increasingly stringent energy efficiency and air pollution emissions policies. These conditions are pushing forward the transition from the conventional internal combustion engine mobility systems to the hybrid electric and full electric vehicles for the mass market production. Moreover, further requirements, especially in high demanding traction and auxiliary machines, such as Electric Power Steering (EPS) motors, are nowadays getting more and more important. Flux weakening performance, torque quality (cogging torque and torque ripple), demagnetization, acoustic performance and robustness of the designs has to be taken into account, together with stringent dimensional, electrical and thermal constraints typical for compact integrated automotive electrical drives. Due to recent sky-rocketing price, instability, critical availability of Rare Earth (RE) metals and the related environmental issue for their sourcing, Heavy (HR) RE free, RE-free and even PM free machines are hunted for in the automotive market. The novel PM motor topologies meet such a „market pull“. The main research subject of this PhD is the development of novel analysis and design procedures of PM synchronous machines for automotive applications. The latter range from low torque / power auxiliary systems, i.e. EPS machines, to high torque / high power applications, such as traction machines. It provides a comprehensive evaluation of various synchronous machine topologies. Particular attention is devoted to the study of HRE-free solutions and the development of Finite Element Analysis (FEA) and analytical procedures for the optimization of the motor designs. As mentioned above, these methodologies take into account several electromechanical constraints and various performance targets. As regards the traction machines, the investigation is focused to the permanent magnet assisted reluctance (PMASR) topology. The interest around the PMASR motors has grown in the last years especially as consequence of the price crisis of rare earth magnets. In fact these machines represent a potential low cost replacement of conventional PM machines due to several technical advantages, such as wide speed range, competitive torque density and efficiency, high overload capability and robust structure. On the other had, the most important drawback is represented by the high torque ripple. In the area of the electric power steering motors, several topologies, both with isotropic anisotropic rotor structures and equipped with fractional slot concentrated windings, are evaluated. Some novel motor designs, which employ the reluctance and flux concentration principle, are introduced, optimized by means of FEA procedures and experimentally validated in detail, including the acoustic and PM performance. Further considerations are derived on the robustness of the solutions against the manufacturing imperfections. Comparing to the isotropic topologies, these innovative motor configurations show higher torque density, extended speed range, optimal torque quality and acoustic performance, ensuring lower active cost and structural simplicity. Therefore, they represent attractive candidates for high performance automotive applications.

Negli ultimi anni l'interesse nel settore delle macchine sincrone a magneti permanenti ha riscontrato una notevole crescita. Questo e' stato determinato principalmente da importanti sviluppi nel campo della progettazione delle macchine elettriche, nei sistemi di controllo e nelle tecnologie dei magneti permanenti. Questi fattori hanno reso possibile la progettazione di macchine elettriche con elevata densita' di coppia, densita' di potenza, rendimento, basso costo unitamente ad ampi gradi di liberta' nella geometria e struttura della macchina. Tali requisiti sono fortemente ricercati nel campo automotive, soprattutto a seguito dell'introduzione di sempre piu' stringenti normative sull'efficienza energetica e sulle emissioni atmosferiche inquinanti. Questi aspetti hanno accelerato la transizione da sistemi di mobilita' tradizionali con motori a combustione interna a veicoli ibridi-elettrici e puramente elettrici, nella produzione industriale di massa. Inoltre, ulteriori requisiti, specialmente in macchine da trazione ed ausiliarie ad alte prestazioni, quali ad es. motori per servosterzo elettrico, stanno attualmente diventando sempre piu' importanti. Prestazioni in deflussaggio, qualita' della coppia (coppia di impuntamento ed oscillazione della coppia), smagnetizzazione, prestazioni acustiche e robustezza delle configurazioni devono essere tenute in conto, insieme a stringenti vincoli dimensionali, elettrici e termici tipici di azionamenti elettrici compatti ed integrati. A causa dell'incremento significativo ed instabilita' dei prezzi delle terre rare, della criticita' dei loro approvvigionamenti ed i relativi impatti ambientali, soluzioni prive di terre rare pesanti, senza terre rare od addirittura senza magneti permanenti, sono fortemente ricercate nel settore automotive. La principale tematica di ricerca di questo dottorato riguarda lo sviluppo di innovative procedure di analisi e sintesi di macchine sincrone a magneti permanenti per applicazioni automotive. Queste ultime spaziano da sistemi ausiliari a bassa coppia / bassa potenza, nella fattispecie motori per servosterzo elettrico, fino a applicazioni at alta coppia / alta potenza, quali ad es. motori da trazione. Questo lavoro fornisce una valutazione complessiva di differenti tipologie di macchine. Particolare attenzione e' dedicata allo studio di soluzioni con magneti permanenti privi di terre rare pesanti ed allo sviluppo di procedure di ottimizzazione ad elementi finiti ed analitiche della geometria del motore. Come menzionato precedentemente, tali metodologie tengono in considerazione numerosi vincoli elettromeccanici e differenti obiettivi. Per quanto riguarda le macchine da trazione, la ricerca si e' focalizzata sulla topologia di motori a riluttanza assistiti da magneti permanenti. L‘interesse attorno a tali macchine e' cresciuto negli ultimi anni soprattutto a seguito della crisi dei prezzi dei magneti permanenti a terre rare. Infatti, tali macchine rappresentano una soluzione alternativa a basso costo rispetto a motori a magneti permanenti tradizionali a causa di importanti vantaggi tecnici quali ad es. un ampio regime di velocita', competitivi valori di densita' di coppia ed efficienza, elevata capacita' di sovraccarico ed una robustezza della struttura. D'altra parte, uno dei principali svantaggi e' rappresentato dall'elevata oscillazione della coppia. Nel campo dei motori per servosterzo elettrico, differenti topologie, sia dotate di rotore isotropo che anisotropo ed equipaggiate con avvolgimenti concentrati, sono state valutate. Alcune nuove configurazioni, che sfruttano il principio della riluttanza e della concentrazione di flusso, sono introdotte, ottimizzate per mezzo di procedure ad elementi finiti ed infine validate per mezzo di misure sperimentali, includendo valutazioni delle prestazioni acustiche e quelle dei magneti permanenti. Ulteriori considerazioni sono tratte per quanto concerne la robustezza delle soluzioni nei confronti delle imperfezioni costruttive. Rispetto alle macchine isotrope, tali configurazioni sviluppano una densita' di coppia piu' alta, esibiscono un piu' ampio intervallo di velocita', maggiore rendimento raggiungendo un qualita' della coppia e prestazioni acustiche competitive ad un costo inferiore e con una buona semplicita' costruttiva. Esse si dimostrano, pertanto, dei candidati ottimali per applicazioni automotive ad alte prestazioni.