Analytical and numerical vibro-acoustic behavior prediction for permanent magnet synchronous motors

With the worldwide increase of hybrid and electric vehicles market during the recent years, permanent magnet synchronous machines (PMSMs) acoustic emission estimation has acquired a role of primary importance in the motor design process. The present thesis aims at presenting analytical and numerical design methods capable of predicting the electromagnetic-borne noise produced by electromagnetic forces acting inside the motor air gap, including the contribution of both radial and tangential electromagnetic forces. The analytical method considered models the stator of a PMSM as a simple curved beam having equivalent physical and geometrical properties, and estimates the noise emission through a simplified analytical model valid for cylindrical radiators. The model requires few input parameters and provides swiftly information suitable for improving the machine layout in early design phases. The aim of the present thesis is the development of a numerical vibro-acoustic finite element model based on the actual geometry of a complete PMSM prototype provided by a car manufacturer: the model relies on equivalent stator laminations and windings properties estimated on the basis of known physical properties of the materials involved. Therefore, since the model does not require the experimental identification of material parameters, it is suitable to be employed during initial design stages before the manufacturing of prototypes, thus saving time and investments. Both analytical and numerical models provide quite accurate vibro-acoustic results compared with experimental data provided, when tested on simple and complex PMSMs.

Con la crescita globale del mercato dei veicoli ibridi ed elettrici, la stima dell’emissione acustica dei motori sincroni a magneti permanenti (PMSM) ha acquisito un ruolo di primaria importanza nella fase di sviluppo dei motori. Nella presente tesi vengono proposti metodi analitici e numerici finalizzati a predire l’intensità del rumore emesso dal motore, associato alle forze elettromagnetiche agenti all’interno dello stesso ed includendo sia il contributo delle forze radiali sia quello delle forze tangenziali. Il metodo analitico considerato modella lo statore di un motore a magneti permanenti basandosi sulla teoria della trave curva, avente proprietà fisiche e geometriche equivalenti, e stima l’emissione acustica tramite un modello analitico semplificato e valido per sorgenti cilindriche. Il metodo analitico richiede un numero limitato di parametri in ingresso ed è in grado di fornire rapidamente informazioni utili a migliorare il layout del motore nelle fasi iniziali della progettazione. L’obiettivo della presente tesi è lo sviluppo di un innovativo modello numerico vibro-acustico a elementi finiti e basato sulla reale geometria di un prototipo completo, fornito da una casa automobilistica. Tale modello, sia per il laminato statorico, sia per gli avvolgimenti, si basa su parametri equivalenti stimati sulla base delle proprietà fisiche e note dei singoli materiali coinvolti. Ne consegue che, non essendo richiesta l’identificazione sperimentale di alcun parametro, il modello risulta impiegabile sin dalle fasi iniziali della progettazione ed antecedenti alla produzione del prototipo, consentendo di risparmiare tempo ed investimenti economici. Entrambi i modelli, analitico e numerico, testati su motori semplificati e più complessi, forniscono risultati vibro-acustici complessivamente soddisfacenti rispetto ai dati sperimentali forniti.