Performance improvement of induction machines for automotive application

The automotive sector is shifting towards electric traction. As the market increases, efficient, performing, and green drives are required. Most of the electric vehicles are equipped with Permanent Magnet Synchronous Machines (PMSM), eventually coupled with Induction Motors (IM). This Thesis investigates IM as a possible option for a rare-earths-free main drive. In the first part, the motor’s development is described, starting from analytical equations through Finite Element Analysis. Different winding configurations are developed and then processed with a multi-objective optimization. The comparison between the achieved results highlights interesting trends through the different combinations and shows which one may be preferred. To enhance the motor’s performances, which are typically worst for IM compared to PMSM, different rotor bar shapes and the application of grain-oriented steel in the stator’s teeth are analyzed in the second part. The improvement achieved with these solutions is discussed considering the different working conditions the motor has to face. In every chapter, the procedure and the tools used to achieve every result are described, before showing the results themselves. In this way, the presented work contributes to the above-mentioned objectives and collects useful guidelines for the development of an induction motor.

Il settore automobilistico si sta rapidamente convertendo alla trazione elettrica. La continua crescita del mercato, richiede motori sempre più efficienti, performanti e sostenibili. La maggior parte dei veicoli elettrici utilizza motori sincroni a magneti permanenti, eventualmente accoppiati con motori a induzione. Questa Tesi studia la possibile applicazione di un motore asincrono come main drive, così da evitare l’impiego di terre rare. Nella prima parte, viene descritto lo sviluppo del motore, partendo dalle equazioni analitche per poi passare a un’analisi agli elementi finiti. Diversi schemi d’avvolgimento sono stati considerati, e successivamente, ottimizzati. Il confronto tra i risultati ottentuti dall’ottimizzazione multi-obiettivo mostra come le diverse combinazioni influenzano le caratteristiche del motore, e permette di identificare la migliore tra queste. Per incrementare le prestazioni del motore, tipicamente inferiori per le macchine a induzione rispetto a quelle sincrone, nella seconda parte si analizzano diverse forme delle barre di rotore e l’applicazione di acciaio a grani orientati nei denti di statore. Gli interessanti risultati ottenuti sono discussi, anche alla luce delle diverse condizioni di lavoro che il motore dovrà affrontare. Ogni capitolo è organizzato in modo tale da descrivere la procedura e gli strumenti usati per raggiungere i risultati descritti successviamente. In questo modo il presente lavoro non solo contribuisce agli obiettivi prefissati, ma raccoglie numerose indicazioni utili per le prime fasi dello sviluppo di un motore a induzione.