Electric Drives with Permanent Magnet Synchronous Machines Connected to Internal Combustion Engines

In recent years, the increasing cost of oil and Earth global warming due to greenhouse gases have pushed the scientific research, the governments and thus the markets in the direction of a higher efficiency of the systems in order to reduce the use of this fuel and therefore its associated emissions of CO2. Nowadays, the most involved sectors of this technological revolution are the fields of electricity generation and the transportation. In fact, these two sectors are the main accountable of CO2 global emission, that are associated for about 45% to electricity generation and for about 30% to transport. Moreover, it should be noted that although the oil is not a renewable energy source, currently about 40% of the production world energy depends on oil and the level of dependence rises to about 80% in the transportation sector where the majority of vehicles is powered by an engine fueled by oil derivatives. For these reasons, the scientific research in the last decade was focusing on these issues in particular in emerging fields such as distributed cogeneration and hybrid electric vehicles. In particular, new systems of distributed energy are studied, which are capable to increase the energy efficiency of the plant because the electrical and thermal energy are produced in combined way and directly in the site where they are required. In this way the losses of the network can be reduced. Instead, in the field of hybrid electric vehicles the use of the electric machine can help to increase the efficiency of the power-train in the various working points. These hybrid systems allow to reduce up to 30% the fuel consumption and associated emissions compared to a conventional vehicle. With this historical context this thesis is focused in the study of a power-train structure of domestic cogeneration system or a vehicle, namely the analysis of a system composed by an internal combustion engine directly connected to an electric machine. The two principal tasks of the electric machine are: startup of the internal combustion engine and generate on electric energy. In the case of a hybrid electric vehicle, in addition to those listed above, there are other two operation modes that are: increase the engine torque during the acceleration and recovering the energy during braking phase. Among the various types of electrical machines existing in the market, the permanent magnet synchronous machines take up an important position in the cogeneration and hybrid vehicle fields. In fact, this kind of electric machine allows to obtain: a high performance, high torque density, high overload capacity, a good robust construction, compact volume, and therefore low weight. Furthermore this type of electric machine can work at variable speeds and operate as motor and as generator with comparable performance. For this reason in this Ph.D. thesis the electrical drives composed by an internal combustion engines direct connected to permanent magnet synchronous electric machines will be presented. The author’s doctoral thesis has been carried out at the Electric Drive Laboratory of University of Padova, which since more than twenty years is active in the design of electrical machines and their control through research projects with industrial partners and scientific publications in journals and in international conferences. Therefore, although in the literature there are several books discussing an electric drives, thanks to the experience acquired in this laboratory the author intention is to emphasize with greater detail the aspects and basic notions which in his opinion are fundamental to the design of on electric drive devoted to the applications subject of this work. In addition, in the opinion of the author, unlike a paper on journal or conference the doctoral thesis should be reasonably self-contained and should be understandable even by a non expert of this field of research; therefore also basic aspects of an electric drive and its control have been reported with detail. So the work reported in this thesis is essentially composed by two parts, the first part is made up by the first four Chapters and the second one is composed by the last two Chapters. In the first part of Ph.D. thesis the basic aspects, that are required for a good knowledge on the electric drives field, have been reported. In particular the design aspects and fundamental characteristics of electric machine control, operating limits of a permanent magnet synchronous machine, and power converter have been pointed out. The second part of Ph.D. thesis is focused on the design aspects of electric drive for a domestic cogeneration system and for hybrid electric motorcycle. In particular for CHP system some effective techniques, that can help to reduce the vibration and noise problems due to the internal combustion engine, have been described. In the field of hybrid electric motorcycle the main design choices carried out in order to achieve a hybrid electric motorcycle prototype with good performance are reported.

In questi ultimi anni l’aumento del costo del petrolio e il riscaldamento globale della terra dovuto ai gas serra ha spinto il settore scientifico, i governi e quindi il mercato nella direzione di una più alta efficienza dei sistemi con lo scopo di ridurre l’utilizzo di questo combustibile e quindi le sue emissioni di CO2 associate. Oggigiorno i settori più coinvolti in questa rivoluzione tecnologica sono il settori della generazione di energia elettrica e il settore dei trasporti. Infatti questi due settori sono i principali responsabili di emissioni di CO2 globali della terra che sono associate per circa il 45% alla generazione elettrica e per circa 30% ai trasporti. Inoltre va ricordato che sebbene il petrolio non sia una fonte di energia rinnovabile attualmente circa il 40% dell’energia mondiale dipende dal petrolio e questo livello di dipendenza sale a circa 80% nel settore dei trasporti dove la maggior parte dei veicoli è spinta da un motore alimentato da derivati del petrolio. Per questi motivi la ricerca scientifica negli ultimi dieci anni si sta concentrando su questi problematiche in particolare nei settori emergenti quali cogenerazione distribuita e veicoli ibridi. In particolare vengono studiati nuovi impianti di energia distribuita capaci di aumentare l’efficienza energetica producendo in maniera combinata energia elettrica e termica direttamente dove richiesta e solo se necessaria in questo modo si riducendo le perdite di rete. Nel settore dei veicoli ibridi invece l’utilizzo del motore elettrico può aiutare ad aumentare l’efficienza del motore termico nei vari punti di lavoro, questi sistemi consentono infatti di migliorare fino al 30% le prestazioni in termini di consumi ed emissioni rispetto ad un veicolo tradizionale. Con questo contesto storico la tesi si è focalizzata nello studio di una struttura della catena di potenza di un veicolo o di un sistema di cogenerazione di piccola taglia ossia l’analisi di un sistema composto da un motore endotermico direttamente calettato con una macchina elettrica. La macchina elettrica viene generalmente utilizzata con due funzioni principali: avviare il motore a combustione e generare energia elettrica. Nel caso di un veicolo ibrido vi sono altre due funzioni che si aggiungono a quelle appena elencate ossia la fase di incremento di coppia durante le accelerazioni e una fase di recupera di energia durante le frenate. Tra le varie tipologie di macchine elettriche esistenti nel mercato, le macchine sincrone a magnete permanente occupano un posto di rilievo in questi settori. Infatti questa tipologia di macchina elettrica consente di ottenere: un alto rendimento, un’alta densità di coppia, notevole capacità di sovraccarico, una buona robustezza costruttiva, volumi compatti e quindi peso ridotto. Inoltre questo tipo di macchina può lavorare a velocità variabile e può operare con prestazioni aragonabili sia come motore che come generatore. Per questo motivo nella tesi verranno presentati azionamenti elettrici basati su motori a combustione interna calettati a macchine elettriche sincrone a magneti permanenti. La tesi di dottorato dell’autore è stata svolta presso il laboratorio di azionamenti elettrici di Padova, il quale da più di venti anni è attivo nel campo della progettazione di macchine elettriche e del loro controllo mediante progetti di ricerca con partner industriali e pubblicazioni scientifiche su riviste e su conferenze internazionali. Quindi sebbene siano presenti in letteratura molti libri che parlano di azionamenti elettrici grazie all’esperienza dell’autore maturata in questo laboratorio l’autore ha voluto enfatizzare con maggiore dettaglio gli aspetti e le nozioni che secondo la sua opinione sono fondamentali per la progettazione di un azionamento elettrico. Inoltre secondo il parere dell’autore al tesi di dottorato a differenza di un articolo su conferenza o su rivista deve essere autonoma e deve poter essere compresa anche da un non esperto del settore pertanto sono stati riportati con dettaglio anche aspetti base di una azionamento elettrico e del controllo motore. Quindi il lavoro riportato in questa tesi di dottorato è diviso sostanzialmente in due parti la prima composta dai primi quattro capitoli e la seconda parte composta dagli ultimi due capitoli. Nella prima parte sono state riportate le nozioni fondamentali necessarie per una buona conoscenza sul settore degli azionamenti elettrici in particolare nella parte di controllo motore, limiti di funzionamento di un motore sincrono a magneti permanenti e inverter di potenza. Mentre la seconda parte si è focalizzata sulla descrizione della progettazione di un azionamento per un sistema di cogenerazione domestica e per motociclette ibride. Nell’ambito della cogenerazione sono state descritte alcune tecniche che consentono di ridurre il problema delle vibrazioni dovute al motore a combustione interna. Nel settore della motocicletta ibrida sono state mostrate le principali scelte di progettazione effettuate per realizzare un prototipo efficace e funzionante di motocicletta ibrida.