Optimal design of an electric motor for automotive application

This study aims at designing an optimised induction motor with squirrel cage rotor which, powered by an inverter connected to a 12 V battery, must be able to provide a torque of 0.55 Nm at 7000 rpm with the highest possible efficiency. The motor is designed for an application in the automotive field and it will be positioned under the hood of a vehicle, hence it must respect some geometrical constraints related to the maximum available room. The design of the motor has been carried out through an analytical iterative procedure, able to determine the geometry of the components of the motor and to calculate the proposed motor performance. This procedure requires as input the desired operating conditions and some other parameters. In order to maximise the efficiency, these parameters have been determined through a genetic algorithm, i.e. a stochastic optimisation method. Then, the performance of the proposed design has been analysed in three different operating conditions. The performance of the proposed design for the motor have also been calculated through the software Motor-CAD, for comparison. An experimental campaign has been held on a test motor to validate the models and eventually calibrate them. In particular, the test motor has been reproduced using an analytical and a Motor-CAD model, and the performance proposed by both models have been compared to the results obtained from the experimental tests. Beside the models to compute the performances, two more models have been developed, to perform a NVH characterisation of the test motor. One model is an analytical one, that approximates the test motor as an equivalent tube subjected to a time-dependent uniform pressure, the other is a FE model, that reproduces the geometry of the stator and of the case of the test motor through the software Abaqus. Also for the NVH analysis an experimental campaign has been conducted on the test motor in order to calibrate some physical parameters adopted in the NVH models and to validate the results proposed by the NVH models.

Questo studio ha come obbiettivo la progettazione ottimizzata di un motore a induzione con rotore a gabbia di scoiattolo, il quale, essendo alimentato da un inverter collegato ad una batteria da 12 V, dovrà essere in grado di fornire una coppia di 0.55 Nm a 7000 rpm, con l’efficienza più alta possibile. Il motore è progettato per un’applicazione in ambito automobilistico e sarà posizionato al di sotto del cofano di un autoveicolo, di conseguenza deve rispettare alcuni vincoli geometrici relativi al massimo ingombro disponibile. Il dimensionamento del motore è stato eseguito attraverso una procedura iterativa analitica, in grado di determinare la geometria dei componenti costituenti il motore e di calcolare le prestazioni del motore proposto. Questa procedura richiede in ingresso le condizioni operative desiderate e alcuni parametri, i quali, nell’ottica di massimizzare l’efficienza, sono stati determinati attraverso un algoritmo genetico, ovvero un metodo di ottimizzazione stocastico. Successivamente, le prestazioni del motore proposto sono state analizzate in tre diverse condizioni operative. Le prestazioni del motore proposto sono state calcolate anche utilizzando il programma Motor-CAD, a fini comparativi. Una campagna sperimentale è stata condotta su un motore di prova per validare i modelli ed eventualmente calibrarli. Nel dettaglio, il motore di prova è stato riprodotto usando un modello analitico e un modello Motor-CAD, dopodiché le prestazioni previste dai modelli sono state confrontate con i risultati dei test sperimentali. Oltre ai modelli impiegati per simulare le prestazioni dei motori, altri due modelli sono stati sviluppati, per caratterizzare il motore di prova dal punto di vista NVH. Uno dei due modelli è un modello analitico, il quale approssima il motore a un tubo equivalente sottoposto ad una pressione uniforme variabile nel tempo, l’altro è un modello a elementi finiti, il quale riproduce la struttura dello statore e della carcassa del motore di prova attraverso il programma Abaqus. Una ulteriore campagna sperimentale è stata eseguita sul motore di prova per calibrare alcuni parametri fisici adottati nei modelli NVH e per validare i risultati proposti dai modelli NVH.