Design and Analysis of Interior Permanent Magnet Synchronous Machines for Electric Vehicles

The adoption of permanent magnet (PM) on rotating electrical machines represents now a fashionable design option in all elds as transportation, industrial processing, power plants, domestic appliances, actuators and so on. The corresponding power ratings of such machines ranges now from fractions of Watts to some million of Watts, as in a wind generator. Actually, among the electrical machines, the PM synchronous machine is the more deeply studied from academia and industry. In particular, the PM synchronous machine combines several advantages as high effciency, high power factor, high torque density, high overload capability, robustness, reduced maintenance, compactness and low weight. These advantages are becoming crucial for those non-industrial application, as the electric vehicles. High performance and compactness are often the winning characteristics of such machines as respect to the induction machines. Referring to the automotive eld, variable speed drives as PM synchronous machine are adopted to improve the overall performance of the vehicles. The design exibility due to the absence of rotor winding excitation and the variety of PM sizes and characteristics allow to achieve several features, e.g. fault-tolerance and fux-weakening capability. Thanks to these features the PM machine is a suitable candidate for traction requirements. However the recent trend is to select those congurations that allow to minimize the PM utilization. It is also due to the issues related to PM temperature derating, mechanical stress, and PM reliability. The PM synchronous reluctance machine or interior PM machine is, among the others, a promising candidate to satisfy the traction requirements. Thanks to its anisotropy rotor structure is able to provide torque not only due to the PM ux. In addition the adoption of fractional-slot winding, as respect to the standard integral-slot winding, is imperative to achieve some of the appealing features. In this field, several topics are under study by the international community of researchers. However, the aim of the doctoral work is to deepen some aspects concerning the design of these machines. It is worth noticing that the complexity of the rotor structure of these machine involves several drawbacks, such as torque oscillations, additional iron losses, vibrations, and so on. Therefore, some aspects have been analyzed by means of analytical procedures, nite element simulations and experiential measurements on prototypes. The variety of topic treated is directly due to the complexity of the design: a tradeo between advantages and drawbacks is usually necessary rather than a perfect minimization of a single aspect. Therefore, an overview of the design options is required in order to design a suitable machine. In the contest of the analysis of the interior permanent magnet machines, the objectives can be summarized as: 1) To evaluate how the rotor geometry aects the torque ripple, and thus the solutions allowing to minimize it. 2) To evaluate how the rotor geometry aects the eddy current iron losses in the stator teeth, and thus the solutions allowing to minimize it (in particular referring to the fux-weakening operating conditions). 3) To deeply investigate the torque mechanism and complex magnetic phenomena, in particular adopting fractional-slot winding. 4) To investigate a particular conguration of fault-tolerant machine, the dual three-phase machine provided of a suitable anisotropic rotor. To the knowledge of the author, the remarkable contribution of this thesis for future researchers in this eld are: 1) An analytical model of the anisotropic synchronous machine that can be simply adopted to evaluate optimal solutions allowing to satisfy selected objectives. It has been applied to the issues of torque ripple minimization and stator tooth eddy current minimization. The model has been veried experimentally comparing the measured and predicted stator tooth flux density. 2) An extended analysis of the dual three-phase machine provided of an interior permanent magnet rotor, supported by experimental verication. A simple design rule to select the appropriate number of slots and poles in order to achieve a six- phase machine is proposed.L'utilizzo dei magneti permanenti nel campo delle macchine elettriche rotanti attualmente rappresenta una scelta comune e vantaggiosa nella quasi totalità delle applicazioni: ad esempio il trasporto, i processi industriali, gli impianti di generazione, gli attuatori, gli elettrodomestici. Le potenze di queste macchine elettriche spaziano dalle frazioni di Watt ai milioni di Watt. Tra le varie tipologie di macchine elettriche provviste di eccitazione mediante magnete permanente, le macchine sincrone a magnete permanente occupano un posto di rilievo nella ricerca, sia in ambito accademico che industriale. In particolare queste macchine sincrone permettono di combinare più vantaggi, come alto rendimento, elevato fattore di potenza, alta densità di coppia, notevole capacità di sovraccarico, robusta costruzione, limitata manutenzione, volumi compatti e quindi peso ridotto. Negli ultimi anni questi vantaggi stanno diventando delle caratteristiche cruciali e preferibili, in particolare per le applicazioni non prettamente industriali come la trazione elettrica dei veicoli. Infatti, per queste nuove applicazioni, la compattezza dei volumi e le alte prestazioni in termini di coppia e rendimento sono le caratteristiche vincenti che li fanno preferire ai motori asincroni. Nell'ambito automobilistico le macchine elettriche a velocità variabile, come i motori sincroni a magnete permanente, sono attualmente sempre più utilizzati per migliorare le prestazioni complessive dei veicoli. In aggiunta ai vantaggi già indicati, i motori a magnete permanente permettono una notevole fessibilità di progettazione. L'assenza di avvolgimento di eccitazione rotorico ha permesso di studiare varie di strutture. Conseguentemente, grazie a progettazioni dedicate, è possibile ottenere macchine che esibiscono una capacità di tollerare alcuni guasti o macchine in grado di operare lungo un campo di velocità estremamente esteso. Queste peculiarità sono spesso richieste dalle applicazioni di mobilità, come il trasporto, che richiedono inoltre un alto livello di affdabilità. Nonostante questi indubbi vantaggi sussistono delle problematiche legate all'utilizzo dei magneti permanenti. La tendenza odierna è, quindi, quella di studiare le congurazioni che permettono di limitare o minimizzare la quantità di magnete permanente, pur soddisfando le richieste di progetto. Tra le soluzioni proposte, i motori sincroni a riluttanza assistita dai magneti permanenti o più semplicemente i motori a magnete interno rappresentano una valida scelta adatta alle richieste nel campo del trasporto. Grazie ad una struttura rotorica anisotropa, questi motori sono in grado di produrre coppia utile anche in assenza di magnete permanente. L'utilizzo dei magneti permanenti permette di migliorarne le prestazioni eliminando alcuni svantaggi. Questi motori sono oggetto di studio di un gran numero di gruppi universitari di ricerca. Lo scopo di questa tesi di dottorato è analizzare in dettaglio alcuni aspetti di progettazione elettromeccanica delle macchine sincrone a magneti permanenti interni. Infatti la complessa struttura geometrica rotorica, che permette di ottenere i noti vantaggi, determina anche una serie di problematiche. In generale, queste macchine elettriche sono caratterizzate da elevate oscillazioni di coppia, distorsioni dei fussi magnetici e conseguenti perdite nel ferro, vibrazioni, ed altri eetti parassiti. Quindi, l'obiettivo della tesi è analizzare alcuni di questi aspetti mediante procedure analitiche, simulazioni agli elementi niti e prove sperimentali al ne di valutare regole di progettazione che permettano di minimizzare gli svantaggi dei questa congurazione. Nel ambito dell'analisi delle metodologie di progettazione del motore a magneti permanenti interni sono state arontate le seguenti tematiche di studio: 1) Investigare gli eetti della geometria rotorica sull'oscillazione di coppia ed individuare le soluzioni che permettono di minimizzare questo fenomeno. 2) Investigare gli eetti della geometria rotorica sulle uttuazioni dell'induzione nei denti statorici, e le conseguenti perdite nel ferro per eetto delle correnti parassite. In questo contesto, individuare le soluzioni che permettono di limitare le perdite alle alte velocità in condizioni di defussaggio. 3) Investigare il principio di produzione della coppia elettromagnetica, in particolare della componente non legata ai magneti permanenti, ed analizzare alcuni eletti parassiti legati all'utilizzo di avvolgimenti a passo frazionario. 4) Investigare una particolare macchina, il motore a doppio avvolgimento trifase, che permette di ottenere un aumento della tolleranza ai guasti pur richiedendo componentistica standard

Air-gap Flux Density Distortion and Iron Losses in Anisotropic Synchronous Motors

The anisotropy of the rotor of the synchronous reluctance motor (sometimes assisted by permanent magnets) causes a high content of \ufb02ux density harmonics. These harmonics cause \ufb02ux density \ufb02uctuations in the stator iron teeth, and thus iron losses. These losses increase with the motor speed and are independent of the main \ufb02ux, that is, they exist even during the \ufb02ux-weakening operations. An analytical model, validated by \ufb01nite-element analysis, shows the dependence of \ufb02ux density harmonic content on the rotor geometry. Therefore, this model is adopted to individuate the \ufb02ux-barrier geometry so as to minimize the stator iron losses

Design Considerations of Permanent Magnet Machines for Automotive Applications

INVITED PAPER for Plenary Session of 31 Marc

Iron Losses Reduction in Synchronous Motors with Anisotropic Rotor

In a synchronous reluctance motor (including the PM assisted and interior PM configurations), the anisotropy of the rotor causes high contents of flux density harmonics. These harmonics yield flux density fluctuation in the stator, especially in the teeth, and thus additional iron losses. These losses increase with the motor speed and are independent of the main flux, that is, they exist even during the flux-weakening operations. In fact iron losses increase even under flux-weakening operations, due to that the speed increase is higher than the flux density decrease. An analytical model is developed, showing the dependence of flux density harmonic contents on the rotor geometry. Therefore, the results of this model allow to individuate the flux-barrier geometry so as to minimize the stator iron losses

Torque components in integral- and fractional-slot IPM machines

The anisotropic interior permanent magnet (IPM) synchronous machine is characterized by two torque components: the PM torque and the reluctance torque. The aim of this paper is to investigate the torque components of such a machine. Both integral- and fractional-slot windings are analyzed. To this aim different machine geometries, e.g slot and pole combinations, are considered. The impact of stator winding and rotor poles on the torque mechanism is evaluated, focusing on the correlation of the rotor geometry and the preponderance of one of the two torque terms. The results confirm that the rotor anisotropy play a fundamental rule on the machine features. Then is has to be to maximized since the reluctance torque is still present and relevant even if a fractional-slot wingding is adopted. In addition, the two torque components are analyzed when the machine runs at rated torque, as well as under overload operating conditions

Optimization of IPM Motors with Machaon Rotor Flux Barriers

The interior permanent magnet (IPM) motor is normally designed with two or more flux barriers per pole. The form of such flux barriers has a direct impact on the torque developed by the IPM motor, including both average value and ripple. The Machaon structure is formed by flux barriers of different shape, greatly reducing the torque ripple. Their shape must be optimized based on the number of poles, slots, winding arrangements, and PM volume. At this aim a stochastic optimizer is applied in order to find the best shape of the flux barriers with the twofold objective of achieving a smooth with a high average value