Wound field synchronous motors in automotive traction drive applications

This thesis investigates the use of wound field synchronous motors (WFSMs) in automotive traction drive applications. The main objective is to optimize the design and performance of these motors in order to achieve higher efficiency and better compatibility with various traction systems, focusing particularly on electric vehicles (EV). The introductory part of this study underlines the importance of this new technology coming from the need of substituting the permanent magnets drives for economical and sustainability reasons. Qualitatively, WFSMs have also an additional control degree of freedom given by the adjustable field excitation which, however, requires an external excitation system in order to provide power to the rotor field windings, contrarily from all the other traditional EV drives. The first chapter of this paper presents the excitation system whose contactless capacitive power transfer (CPT) system is the key enabling technology for leveraging the attractive attributes of WFSM as EV traction motors. The design and construction of this system are discussed in detail. The second chapter delves into the modeling of the WFSM, with a specific focus on an analytical calculation method for motor losses estimation. The design and construction of the machine are also highlighted. In the third chapter, the rotor field oriented control (RFOC) of the WFSM is discussed. The presented control scheme employs the maximum torque per ampere (MTPA) control strategy in the constant torque region and the flux weakening (FW) strategy in the constant power region, achieving a near unity power factor over the entire torque-speed range. Also degradation (derating strategy) and safety (shutoff strategies) aspects are considered and fixed. The final chapter presents the tests conducted in Simulink at various speed and load conditions to show the performance of the designed system at least in simulation. These simulations confirm the efficiency and reliability of the proposed motor for automotive traction drive applications, such as EVs.

Questa tesi indaga l’uso dei motori sincroni a campo di rotore avvolto (WFSM) nelle applicazioni di trazione automobilistica. L'obiettivo principale è quello di ottimizzare il design e le prestazioni di questi motori per ottenere una maggiore efficienza e una migliore compatibilità con i vari sistemi di trazione, con particolare attenzione ai veicoli elettrici (EV). La parte introduttiva di questo studio sottolinea l'importanza di questa nuova tecnologia derivante dalla necessità di sostituire i motori a magneti permanenti per motivi economici e di sostenibilità. Qualitativamente, i WFSM hanno anche un ulteriore grado di libertà nel controllo dato dall'eccitazione di campo regolabile che, tuttavia, richiede un sistema di eccitazione esterno per fornire energia agli avvolgimenti di campo di rotore, contrariamente a tutti gli altri motori tradizionali. Il primo capitolo di questo lavoro presenta il sistema di eccitazione il cui sistema di trasferimento capacitivo di potenza (CPT) senza contatto è la tecnologia chiave per sfruttare le caratteristiche più importanti dei WFSM come motori di trazione per EV. La progettazione e la costruzione di questo sistema sono discussi in dettaglio. Il secondo capitolo approfondisce la modellazione del WFSM, con particolare attenzione a un metodo di calcolo analitico per la stima delle perdite del motore. Vengono, inoltre, illustrati il design e la costruzione della macchina. Nel terzo capitolo viene discusso il controllo orientato al campo di rotore (RFOC) del WFSM. Lo schema di controllo presentato impiega la strategia di controllo di coppia massima per ampere (MTPA) nella regione di coppia costante e la strategia di deflussaggio (FW) nella regione di potenza costante, ottenendo un fattore di potenza prossimo all'unità nell'intero range di coppia-velocità. Vengono inoltre considerati e risolti gli aspetti di deterioramento della macchina (strategia di derating) e di sicurezza (strategie di shutoff). Il capitolo finale presenta i test condotti in Simulink a varie condizioni di carico e a diverse velocità confermando l'efficienza e l'affidabilità del motore proposto per applicazioni di trazione automobilistica, come gli EV.