Design of direct drive PM motors (wheel motors) for vehicle propulsion

This thesis presents the design and optimization of a high-performance Direct-Drive In-Wheel motor based on an Internal Permanent Magnet (IPM) V-shape architecture, specifically engineered for a heavy-duty SUV application. The research addresses the critical challenge of delivering high torque density within the strict volumetric constraints of a standard 20-inch rim, eliminating traditional drivetrain components to enhance overall vehicle efficiency and responsiveness. The design process leverages an outrunner configuration with 32 poles and 54 slots, optimized through a systematic sensitivity analysis of key geometric parameters. Special focus is placed on the stator yoke thickness and air gap length. Finite Element Method (FEM) simulations demonstrate that an optimized stator yoke is essential to mitigate magnetic saturation (1.65 T on teeth) and sustain a peak torque of 1,316 Nm, despite the associated increase in iron losses at high speeds. The analysis further validates a 1.0 mm air gap as the optimal compromise between peak torque production and mechanical robustness required for the harsh in-wheel environment. Performance results reveal two distinct operating envelopes: • Peak Performance Scenario: The motor achieves a peak torque of 1,316.68 Nm with a current density of 25 A/mm2, providing a torque-to-weight ratio of 12.60 Nm/kg. • Continuous Rated Scenario: To ensure thermal stability, a nominal operating point is established at 842.86 Nm with 14 A/mm2, maintaining an efficiency of 95.41%. Thermal sustainability is ensured by an integrated liquid-cooling jacket designed to dissipate up to 4.23 kW of continuous losses. The study concludes that the proposed IPM V-shape architecture successfully meets the demanding requirements of modern electric SUVs, providing a robust, efficient, and mechanically integrated solution for next-generation electric traction.

Questa tesi presenta la progettazione e l'ottimizzazione di un motore In-Wheel Direct-Drive ad alte prestazioni basato su un'architettura a magneti permanenti interni (IPM) con configurazione a V, specificamente progettato per l'applicazione su SUV di grandi dimensioni. La ricerca affronta la sfida critica di fornire un'elevata densità di coppia entro i rigidi vincoli volumetrici di un cerchio standard da 20 pollici, eliminando i tradizionali componenti della trasmissione per migliorare l'efficienza complessiva e la reattività del veicolo. Il processo di progettazione sfrutta una configurazione a rotore esterno (outrunner) con 32 poli e 54 cave, ottimizzata attraverso un'analisi di sensitività sistematica dei parametri geometrici chiave. Particolare attenzione è stata rivolta allo spessore dello yoke statorico e alla lunghezza del traferro. Le simulazioni con il metodo degli elementi finiti (FEM) dimostrano che uno yoke statorico ottimizzato è essenziale per mitigare la saturazione magnetica (1,65 T sui denti) e sostenere una coppia di picco di 1.316 Nm, nonostante il conseguente aumento delle perdite nel ferro alle alte velocità. L'analisi convalida ulteriormente un traferro di 1,0 mm come compromesso ottimale tra la produzione di coppia massima e la robustezza meccanica richiesta per l'ostico ambiente in-wheel. I risultati prestazionali rivelano due distinti scenari operativi: • Scenario di Picco: il motore raggiunge una coppia massima di 1.316,68 Nm con una densità di corrente di 25 A/mm2, fornendo un rapporto coppia-peso di 12,60 Nm/kg. • Scenario Nominale Continuo: per garantire la stabilità termica, è stato stabilito un punto operativo nominale a 842,86 Nm con 14 A/mm2, mantenendo un'efficienza del 95,41%. La sostenibilità termica è garantita da una camicia di raffreddamento a liquido integrata, progettata per dissipare fino a 4,23 kW di perdite continue. Lo studio conclude che l'architettura IPM a V proposta soddisfa con successo i severi requisiti dei moderni SUV elettrici, fornendo una soluzione robusta, efficiente e meccanicamente integrata per la trazione elettrica di prossima generazione.