Thermal design and control of a wound rotor synchronous motor for heavy-duty electric vehicles

The transition to sustainable transportation is essential for reducing greenhouse gas emissions, with electrification emerging as a pivotal solution. Heavy-duty vehicles (HDVs), responsible for over 25% of EU road transport emissions, represent a major target in achieving climate goals. This thesis project investigates the Electrically Excited Synchronous Motor (EESM) as a viable motor design for electric HDVs, aiming to maximize their efficiency, sustainability, and performances across different operational demands. Unlike Permanent Magnet Synchronous Motors, EESMs eliminates the reliance on rare-earth materials, addressing both cost and environmental concerns. A hybrid approach, combining theoretical analysis with simulated validation, is adopted to explore the EESM's electromagnetic, thermal, and control properties. Electromagnetic results concern the design implementation and validation on MotorCAD of a 12 pole 300 kW Electrically Excited Synchronous Motor (EESM) designed for Iveco Trucks. In particular, the verification of operating parameters and performances in both continuous and peak modes is finalized. The thermal management of the EESM is the critical focus of this thesis; an optimized cooling system inspired by the state of art for high power density electric motors is developed using Motor-CAD thermal network modelling. Hence, the heat generation sources in the motor can be identified and hotspots can be mitigated as well, ensuring reliable long-term operation. Finally, a control strategy for the EESM has been implemented in Simulink. Key aspects of the study include the flexibility of field excitation, which enhances high torque production at low speeds and enables effective field weakening at high speeds. Further, the advanced control algorithms developed here - namely, Maximum Torque per Ampere (MTPA), Field Weakening (FW) and Maximum Torque per Volt (MTPV) - support adaptable torque-speed characteristics, while minimizing copper losses, facing the thermal issues and enhancing overall performance.

La transizione verso una mobilità sostenibile è fondamentale per ridurre le emissioni di gas serra, e l’elettrificazione si sta affermando come una soluzione cruciale. I veicoli pesanti (HDV), responsabili di oltre il 25% delle emissioni del trasporto su strada nell’UE, rappresentano un obiettivo prioritario per il raggiungimento degli obiettivi climatici. Questo progetto di tesi studia l’applicazione del motore sincrono a eccitazione elettrica (EESM) come opzione valida per i veicoli elettrici pesanti, con l’obiettivo di ottimizzare la loro efficienza, sostenibilità e prestazioni in base alle diverse esigenze operative. A differenza dei motori sincroni a magneti permanenti, gli EESM non fanno uso di terre rare, con risvolti positivi sia dal punto di vista economico che ambientale. Il progetto combina analisi teoriche con validazioni e implementazioni simulate, al fine di studiare le caratteristiche elettromagnetiche, termiche e di controllo dell’EESM. I risultati elettromagnetici riguardano l’implementazione e la validazione in MotorCAD di un motore sincrono a eccitazione elettrica (EESM) da 12 poli e 300 kW progettato per un camion Iveco. In particolare, si verifica il rispetto dei parametri operativi e delle prestazioni sia in servizio continuativo che in termini di valori di picco. La gestione termica dell’EESM è un aspetto cruciale: è stato sviluppato un sistema di raffreddamento ottimizzato ispirato allo stato dell’arte dei motori elettrici ad alta densità di potenza utilizzando la modellizzazione della rete termica di Motor-CAD, per dissipare il calore generato nel motore e garantire un funzionamento affidabile a lungo termine. Infine, è stata sviluppata una strategia di controllo per l’EESM in Simulink. In particolare, lo studio si è focalizzato sulla flessibilità dell’eccitazione di campo, che permette una produzione elevata di coppia a basse velocità e un efficace indebolimento del campo a velocità elevate. Inoltre, gli algoritmi di controllo sviluppati – ovvero, “Maximum Torque per Ampere” (MTPA), “Field Weakening” (FW) e “Maximum Torque per Volt” (MTPV) – supportano caratteristiche adattabili di coppia-velocità, minimizzando le perdite nei conduttori e affrontando le problematiche termiche, al fine di migliorare le prestazioni complessive