Feasibility study of the use of bars in MGU-K electric motor

Electric motors have experienced an increased popularity in recent years as alternative to traditional combustion motors and also to reduce the emissions in hybrid vehicles. This popularity has also affected the car championships such as Formula one. Two type of engines are used in it: MGU-H for the recovery of energy from heat and MGU-K for the recovery of kinetic energy. These engines must be light, small, powerful and competitive, so the best performing materials for their construction are sought. For small motors, the wire windings are generally used, while for large motor sizes the bar windings are preferred. More recently there have been experiments of using bars in small motors, which have shown many advantages compared to the equivalent wire but at low speeds. The purpose of this work is to carry out a feasibility study of the use of bars in competition engines for the formula one championship. The aim will be to verify the use of bars in application where the dimensions have to be kept small and the speed is high. The high speed introduces various parasitic phenomena which increase the losses, so precautions will be presented to limits those effects. This study will bring the motor to its extreme condition of work, in order to fully verify if it will improve reliability and efficiency. Firstly, an introduction is presented. In the second chapter a theoretical background is presented. Then, in the third chapter the simulations were presented, explaining which software is used and how data is collected. Later, the results concerning the optimization design are displayed and compared with the reference results. A prospective and a future work that take into account the drawback of all the design to improve the motor is carried out at the end. Simulations and study took place in Magneti Marelli Motorsport headquarters facilities, Milan, Italy.

Negli ultimi anni i motori elettrici stanno subendo un aumento di popolarità. Essi vengono visti come principale alternativa ai motori di combustione tradizionali, ma anche come supporto per ridurre le emissioni nei veicoli ibridi. Questa popolarità ha anche influenzato i campionati automobilistici come la Formula uno. In esso due tipi di motori elettrici sono utilizzati: MGU-H per il recupero di energia dal calore e MGU-K per il recupero di energia dalla cinetica. Questi motori devono essere leggeri, piccoli, potenti e competitivi, quindi per la loro costruzione vengono ricercati e impiegati i materiali più performanti. Per i piccoli motori, generalmente vengono usati gli avvolgimenti a filo, mentre nei motori di grandi dimensioni gli avvolgimenti a barre vengono preferiti. Recentemente sono stati effettuati studi ed esperimenti che hanno visto l’impiego di avvolgimenti a barre nei motori di piccolo taglio. I risultati ottenuti hanno evidenziato diversi vantaggi rispetto all’equivalente con avvolgimento a filo, ma a basse velocità. Lo scopo di questo lavoro è quello di effettuare uno studio di fattibilità sull'utilizzo di avvolgimenti a barre nei motori elettrici da competizione usati nel campionato automobilistico di formula uno. L'obiettivo sarà quello di verificare l'uso di barre in applicazioni dove le dimensioni del motore devono essere contenute e la velocità di rotazione elevata. L'alta velocità introduce vari fenomeni parassiti che vanno ad aumentare le perdite, quindi, al fine di limitare questi effetti saranno prese delle contromisure. Questo studio porterà il motore a lavorare nei suoi punti limite, al fine di verificare pienamente se miglioreranno o meno l'affidabilità e l'efficienza. Per primo viene presentata un'introduzione. Nel secondo capitolo viene presentata la teoria necessaria alla comprensione di tutti passi di questo studio. Successivamente, nel terzo capitolo vengono presentate le simulazioni, spiegando i software utilizzati e come sono stati raccolti i dati. Nel quarto capitolo i risultati sono riportati, vengono anche confrontati i valori ottenuti a seguito dell’ottimizzazione con il modello di riferimento a filo. Infine, una prospettiva del lavoro effettuato e un’analisi dei lavori futuri che tiene conto dei limiti ottenuti in fase di design al fine di evidenziare le aree di maggiore interesse per successivi studi. Le simulazioni e lo studio hanno avuto luogo nella sede centrale di Magneti Marelli Motorsport, Corbetta (MI), Italia.