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

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.