Study of innovative electric machines for high efficiency vehicular traction applications

This thesis collects some of the work accomplished during the PhD research activity focused on the study of special electric machines for vehicle traction applications. The work is divided into due parts. The rst part is mainly technological and covers some studies and experimental activities concerning new technical solutions to solve some common issues in operation of electric motors for automotive use, namely ux weakening and cogging torque. The second part has a more theoretical nature and focuses on some methods for electric machine modeling and analysis which has been developed to facilitate the study and design optimizations carried out during the PhD research work. The chapters in the rst part address the following topics: 1. Development and testing of an interior-permanent-magnet motor prototype fully conceived, designed and manufactured at the University of Trieste to implement a new concept of flux weakening system at high speeds. The concept has been also protected through a pending patent. 2. Multi-objective design optimization of an interior permanent magnet reluctance-assisted synchronous motor for the automotive industry. The design optimization was meant to support an industrial development project which is still in progress so no prototype has been built yet. 3. Study of a new optimized magnetic wedge design capable of reducing cogging torque in automotive propulsion motors having open stator slots. The second part proposes some analytical and numerical results that have been worked out to approach the modeling and optimization of various kinds of permanent magnet synchronous motors. The main problem to which these chapters try to answer is to nd suciently fast but accurate methods for permanent magnet analysis without time-consuming finite-element transient analysis. The proposed methods have been successfully integrated into design optimization programs used in the industrial environment in the development of innovative electric machines not only for the automotive industry.

Questa tesi contiene alcuni dei temi riguardanti le macchine elettriche per trazione veicolare che si sono arontati durante i tre anni di dottorato di ricerca. Il lavoro è suddiviso in due parti. La prima parte si concentra su aspetti tecnologici e riguarda alcuni studi ed attività sperimentali che vanno a risolvere alcune problematiche comuni delle macchine elettriche per trazione, in particolare il deflussaggio e le pulsazioni di coppia. La seconda parte, invece risulta essere più teorica e si concentra su alcuni metodi matematici di modellizzazione ed analisi sviluppati per facilitare la progettazione e lo studio delle macchine elettriche che si è portato avanti durante il periodo di dottorato. I capitoli della prima parte sono così suddivisi: 1. Sviluppo e sperimentazione di un motore a magneti permanenti prototipale; interamente concepito, progettato e realizzato presso l'Università degli Studi di Trieste; in cui un nuovo metodo di deflussagio per alte velocità è stato implementato. Inoltre tale tecnologia è stata assoggettata a brevetto. 2. Ottimizzazione multi obiettivo di un motore sincrono a magneti permanenti a riluttanza assistita per applicazioni nell'industria automobilistica. L'ottimizzazione aveva lo scopo di supportare un progetto industrale portato avanti da un nostro partner ed ancora in atto, di conseguenza nessun prototipo è ancora stato realizzato. 3. Studio e ottimizzazione di una bietta magnetica per motori con statore a cave aperte, in grado di ridurre la pulsazione di coppia. La seconda parte propone dei metodi di analisi numerica delle macchine elettriche sviluppati per modellizzare ed analizzare diversi tipi di macchine a magneti permanenti. La principale criticità alla quale questi capitoli tentano di dare soluzione è quello di trovare dei metodi di analisi delle macchine a magneti permanenti accurati, senza dover ricorrere a simulazioni transitorie agli elementi niti, che come è noto sono molto dispendiose in termini di tempo.