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Metodi di identificazione dei parametri termici equivalenti in avvolgimenti di motori a magneti permanenti
No full textLAUREA MAGISTRALEIl presente lavoro propone e confronta due metodi innovativi per la stima della conducibilità termica e del calore specifico omogeneizzati negli avvolgimenti statorici di motori a magneti permanenti. Il primo metodo si basa sull’analisi del transitorio termico mediante un modello analitico di primo ordine, che consente di stimare in modo rapido e non invasivo la conducibilità termica equivalente keq, la capacità termica Ceq e la resistenza termica Req della regione omogeneizzata. Il secondo metodo integra un modello termico ibrido accoppiato (un analisi ad elementi finiti FEA-2D per gli avvolgimenti in cava e una rete termica a parametri concentrati LPTN-3D per gli end-windings) con tecniche di regressione a processi gaussiani (GPR), al fine di individuare i parametri ottimali attraverso l’ottimizzazione dell’errore tra la risposta simulata e la curva di riferimento. Entrambi i metodi sono stati concepiti per essere facilmente implementabili, computazionalmente efficienti e applicabili in contesti industriali, offrendo una rapida identificazione sperimentale dei parametri termici. Inoltre, il modello termico ibrido (FEA-2D+LPTN-3D) degli avvolgimenti, sviluppato nella presente tesi può essere utilizzato come strumento di supporto nella fase di progettazione termica dei motori, contribuendo alla valutazione delle proprietà termofisiche equivalenti
degli avvolgimenti. A causa delle limitazioni temporali che non hanno permesso di effettuare prove sperimentali, i metodi sono stati validati in modo preliminare tramite dati
pseudosperimentali ottenuti da simulazioni numeriche. Questi dati non costituiscono
parte integrante della procedura, ma sono stati impiegati esclusivamente per verificarne
la precisione dei metodi implementati.This work proposes and compares two innovative methods for estimating the homogenized thermal conductivity and specific heat of stator windings in permanent magnet (PM) motors.
The first method relies on the analysis of the initial thermal transient using a first-order analytical model, which enables fast and non-invasive estimation of the equivalent thermal conductivity keq, thermal capacity Ceq, and thermal resistance Req of the homogenized winding region. The second method combines a hybrid coupled thermal mode (based on finite element analysis (FEA-2D) for the slot windings and a lumped-parameter thermal network (LPTN-3D) for the end-windings) with Gaussian Process Regression (GPR) techniques. This approach enables the identification of optimal thermal parameters by minimizing the error between the simulated and reference thermal response curves. Both methods are designed to be easy to implement, computationally efficient, and suitable for industrial applications, offering a rapid and reliable thermal parameter identification. Furthermore, the hybrid thermal model (FEA-2D + LPTN-3D) developed in this thesis can also serve as a valuable tool during the thermal design phase of PM motors, supporting the evaluation of equivalent thermophysical properties of the windings. Due to time constraints that prevented the execution of experimental tests, both methods were preliminarily validated using pseudo-experimental data generated from numerical simulations. Although not part of the estimation procedure itself, these data were used exclusively to verify the accuracy and robustness of the proposed methods
A two-phase refrigerant based cooling system for traction electric motors
No full textDOTTORATOL'attività di ricerca presentata in questa tesi contribuisce allo sviluppo di un nuovo concetto di raffreddamento per i motori dei veicoli elettrici (EV), con l’obiettivo di migliorare le prestazioni del gruppo propulsore. L’approccio proposto si basa sull'utilizzo di un refrigerante bifase a bassa temperatura, già disponibile nei sistemi di climatizzazione a compressione di vapore (HVAC), comunemente presenti a bordo dei veicoli. La tesi esplora la possibilità di estrarre una frazione di refrigerante dal ciclo principale di compressione di vapore del sistema HVAC e di convogliarla negli avvolgimenti del motore, per favorire l’estrazione del calore dissipato dalle perdite negli avvolgimenti e garantire un raffreddamento efficace. L’aspetto chiave di questa soluzione è il cambiamento di fase del refrigerante, che permette di ottenere coefficienti di scambio termico estremamente elevati e di mantenere gli avvolgimenti del motore a temperature significativamente inferiori a quelle tipiche nei motori elettrici con raffreddamento convenzionale. L'obiettivo di questa ricerca è quello di sfruttare la conseguente riduzione della resistività elettrica con la temperatura per diminuire le perdite Joule negli avvolgimenti e migliorare l'efficienza del motore elettrico. Per valutare le caratteristiche e le prestazioni di questo concetto di raffreddamento bifase integrato, la tesi analizza diverse configurazioni progettuali volte a massimizzare il contatto tra il refrigerante e gli avvolgimenti, evidenziandone vantaggi e svantaggi. Inoltre, viene sviluppata una tecnica di modellazione semplificata che integra il ciclo di compressione di vapore dell'HVAC con i sottosistemi di raffreddamento del motore. A tale scopo, è stato sviluppato un modello in Matlab per analizzare configurazioni pratiche dei canali della struttura dell’evaporatore nelle cave degli avvolgimenti. L'obiettivo principale è quantificare la riduzione delle perdite negli avvolgimenti rispetto all'inevitabile aumento del consumo di potenza del compressore dell’HVAC e identificare il miglior compromesso progettuale per massimizzare l’efficienza complessiva del sistema motore-elettrico + HVAC.The research work presented in this thesis provides a contribution to the development of a new disruptive electric motor cooling concept for Electric Vehicles (EVs) to boost power-train performance. This innovative cooling approach is based on the use of low-temperature, two-phase refrigerant that is inherently available in vapour-compression Heat Ventilation Air Conditioning (HVAC) systems, which are typically on-board vehicles. The thesis explores the potential of bleeding a refrigerant fraction from the HVAC vapour-compression core cycle and channelling it into the traction motor windings to extract the rejected heat from winding losses and achieve radical cooling. The central aspect of the proposed solution is the refrigerant phase-change unlocking extremely high heat-transfer coefficients, so as to maintain the motor windings at relatively low temperatures. The ambition is to capitalise on the consequent electric resistivity drop with temperature to reduce winding Joule losses and improved the electric motor drive efficiency. In order to evaluate the features and performance of this integrated two-phase motor cooling concept, the thesis proposes and explores different configurations to bring the refrigerant in close contact with the windings and their pros and cons. Furthermore, the thesis presents a simplified modelling technique that integrates the HVAC vapour compression cycle with the motor cooling sub-models. This is done by building an integrated modelling tool in Matlab and evaluating some practical slot-channel configurations for the evaporator structure. The key objective is to assess the reduction in winding losses against the inevitable increase in the HVAC compressor power demand and identify the best design trade-off.DIPARTIMENTO DI ENERGIA36PERINI, ROBERTOMUSSETTA, MARC
Improved model-based temperature estimation for permanent-magnet traction motors
No full textDOTTORATONel contesto degli sforzi globali per mitigare il cambiamento climatico, le politiche internazionali mirate a raggiungere emissioni nette pari a zero sono diventate un punto focale fondamentale. L'urgenza di ridurre le emissioni di gas a effetto serra ha portato alla formulazione e all'adozione di strategie articolate da parte di governi e organizzazioni internazionali. Queste politiche comprendono la promozione delle fonti di energia rinnovabile, i progressi nell'efficienza energetica e l'integrazione di tecnologie all'avanguardia in vari settori. Tra questi, i veicoli elettrici nel settore automobilistico hanno attirato enorme attenzione negli ultimi vent'anni.
Tra le opzioni disponibili per i motori elettrici di trazione, i Motori Sincroni a Magneti Permanenti Interni (IPMSMs) sono ancora ampiamente utilizzati nel settore automobilistico, grazie alla loro elevata densità di coppia, efficienza e ampio intervallo di velocità operativa, nonostante l’instabilità del prezzo di mercato dei magneti permanenti.
Oltre alle politiche internazionali, i requisiti dell'industria automobilistica in termini di precisione delle prestazioni stanno diventando sempre più stringenti, e spesso non possono essere soddisfatti senza considerare le variazioni di temperatura dei magneti permanenti (PM). In effetti, tali variazioni possono causare diversi problemi, come condizioni operative non ottimali, una diminuzione delle prestazioni del veicolo e guasti al motore. Tuttavia, i metodi per misurare direttamente la temperatura dei PM non sono ancora adottabili nel settore automobilistico a causa dei loro costi e della loro complessità. Pertanto, le tecniche di stima della temperatura in tempo reale rappresentano un’alternativa valida e promettente per l’industria automobilistica.
Nel contesto sopra menzionato, questa tesi esamina metodologie innovative per il monitoraggio in tempo reale della temperatura dei magneti, sottolineandone l'importanza nel migliorare le prestazioni e l'affidabilità del motore, in linea con gli obiettivi dello sviluppo sostenibile e dei requisiti prestazionali. Tra le diverse tecniche di stima, la principale candidata è la stima della temperatura basata su modello, che utilizza il modello IPMSM alla frequenza fondamentale. Tuttavia, per funzionare correttamente, questi stimatori richiedono un modello magnetico IPMSM accurato, spesso non considerato in maniera adeguata nell’implementazione.
Gli stimatori di temperatura proposti dalla comunità scientifica si basano frequentemente su modelli accurati costruiti a partire da dati sperimentali ottenuti da un singolo motore prototipo; un approccio che può risultare inadatto nel contesto della produzione di massa. Questa tesi si propone di colmare tale lacuna, adattando stimatori basati su modelli alla modellazione magnetica accurata ottenuta tramite analisi agli elementi finiti (FEA) dipendente dalla temperatura, e introducendo una strategia di calibrazione che richiede solo pochi test.
Il Capitolo 1 fornisce un quadro introduttivo dell’intero lavoro. Il Capitolo 2 affronta un tema strumentale allo sviluppo dello stimatore di temperatura dei PM trattato nei capitoli successivi, proponendo uno schema di controllo robusto per l’indebolimento di campo, al fine di garantire un funzionamento corretto ad alte velocità e in presenza di significative variazioni della tensione di alimentazione.
Nel Capitolo 3, due stimatori di temperatura dei PM basati su modelli vengono riformulati per essere accoppiati a un modello magnetico del PM dipendente dalla temperatura, alimentato da dati già disponibili per il controllo ottimale del motore. Inoltre, grazie a un’analisi di sensitività dettagliata, viene proposto uno stimatore di temperatura ibrido, che combina un metodo di stima basato su modello con una rete termica semplificata.
Il Capitolo 4 presenta i risultati delle simulazioni e dei test sperimentali condotti per convalidare l’accuratezza dello stimatore. Il Capitolo 5 ha l’obiettivo di generalizzare lo stimatore per IPMSM prodotti in serie, proponendo un nuovo approccio di calibrazione che richiede unicamente il valore del flusso a vuoto dei PM a una temperatura di riferimento, con la necessità di un solo test del motore al termine della linea di produzione.
Il Capitolo 6 riassume le principali conclusioni della ricerca e propone raccomandazioni per futuri sviluppi.Within the context of global efforts to mitigate climate change, international policies targeting net-zero emissions have become a pivotal focus. The urgency to curb greenhouse gas emissions has led to the formulation and adoption of comprehensive strategies by governments and international organizations. These policies encompass the promotion of renewable energy sources, advancements in energy efficiency, and the integration of cutting-edge technologies across various sectors. Among these, electric vehicles in the automotive sectors have attracted enormous attention over the last two decades. Among the available options for the electric traction motors, Interior Permanent Magnet Synchronous Motors (IPMSMs) are still widely used in the automotive sector, because of their high torque density and efficiency and wide operating speed range, despite their market price instability. Besides international policies, the automotive industry requirements for performance accuracy are becoming increasingly severe and often cannot be achieved without considering permanent magnet (PM) temperature variations. In fact, PM temperature changes can lead to several problems such as: non-optimal operating conditions, a decrease in vehicle performance, and motor failure. Nevertheless, methods to directly measure the PM temperature are not yet palatable for automotive industry due to their cost and complexity. Therefore, real-time temperature estimation techniques are a viable and interesting alternative for the automotive industry. Within the aforementioned context, this thesis examines innovative methodologies for real-time temperature monitoring of PMs, emphasizing their significance in enhancing motor performance and reliability in the context of sustainable development and performance requirements. Among different estimation techniques, the main candidate is model-based temperature estimation relying on the IPMSM model at the fundamental frequency. However, to work properly, these estimators require an accurate IPMSM magnetic model, which is not always adequately considered in the implementation. Temperature estimators proposed by the research community adopt accurate models which are often based on experimental data from a single prototype motor, but this approach is not always adequate in the context of mass production. This thesis tries to fill this gap by adapting model-based estimators to temperature-dependent FEA-based accurate magnetic modelling and proposing a calibration strategy based only on a few tests.
Chapter 1 serves as an introductory framework for the rest of the work. Chapter 2 addresses a topic merely instrumental to the PM temperature estimator investigated in the next chapters, by proposing a robust Flux-Weakening control scheme in order to properly work at high-speeds and with significant variations in the supply voltage. In Chapter 3, two model-based PM temperature estimators are reformulated to couple them with a PM-temperature-dependent magnetic model which is fed by data already available for optimal motor control. Furthermore, thanks to a detailed sensitivity analysis, a hybrid PM temperature estimator combing a model-based PM temperature estimation method and a simplified thermal network is proposed. Chapter 4 discusses the results obtained from simulations and experimental tests to validate the PM temperature estimator accuracy. Chapter 5 aims to generalise the temperature estimator for mass-produced IPMSMs by proposing a novel tuning approach which requires only the value of the no-load PM flux linkage at a reference temperature, therefore calling only for a single motor test at the end of the production line. Chapter 6 summarizes the main findings of this research and presents the recommendations for future work and developments.DIPARTIMENTO DI ENERGIA37PERINI, ROBERTOMUSSETTA, MARC
Avvolgimenti multi-conduttore per motori elettrici operanti a frequenza elevata
Full text linkLAUREA MAGISTRALEQuesta tesi affronta il tema della riduzione delle perdite AC negli avvolgimenti ad alte frequenze (500 Hz – 2.0 kHz) delle macchine elettriche. L'obiettivo principale è progettare motori che operino a frequenze elevate, al fine di ottenere una maggiore densità di potenza attraverso l'aumento della velocità nominale e del numero di poli, riducendo così la massa complessiva del motore. Questo aspetto riveste particolare importanza nei settori automobilistico e aerospaziale, dove le dimensioni ridotte e l'alta densità di potenza sono fattori chiave.
Il lavoro di ricerca si concentra sulla progettazione di avvolgimenti adeguati alle alte frequenze, in modo da soddisfare i requisiti richiesti e limitare le perdite aggiuntive. In particolare, vengono analizzate diverse tipologie di avvolgimenti, con particolare attenzione ai conduttori in barra di tipo Hairpin. L'idea di suddividere questi conduttori viene introdotta con l'obiettivo di determinare la disposizione ottimale per limitare le perdite AC.This thesis addresses the topic of reducing AC losses in high-frequency (500 Hz – 2.0 kHz) windings of electric machines. The main objective is to design motors that operate at high frequencies in order to achieve higher power density by increasing the rated speed and the number of poles, thus reducing the overall mass of the motor. This aspect is particularly important in the automotive and aerospace sectors, where compact size and high-power density are key factors.
The research work focuses on the design of windings suitable for high frequencies, aiming to meet the required specifications and limit additional losses. Various types of windings are analyzed, with particular attention given to Hairpin-type bar conductors. The idea of replacing solid conductors with subdivided/transposed ones is introduced with the goal of determining the optimal arrangement to limit winding AC losses
Design of a blower switched reluctance motor (SRM)
Full text linkLAUREA MAGISTRALELa tesi magistrale si concentra sull'ottimizzazione dei Motori a Riluttanza Variabile (SRM) adatti per applicazioni di soffiaggio, con un particolare enfasi sul design del rotore. In collaborazione con MAE Ametek, il progetto mira a sviluppare una configurazione motore 6/4 adattando uno statore da una macchina brushless DC esistente, utilizzando un Motore Brushless DC (BLDC) come punto di riferimento per un confronto delle prestazioni.
Utilizzando simulazioni 2D in Comsol, lo studio cerca di migliorare le prestazioni degli SRM senza fare affidamento su magneti permanenti. La simulazione incorpora un controller a onda quadra per le tre fasi, analizzando coppia, perdite ed efficienza. Gli obiettivi principali sono minimizzare il ripple di coppia cercando di mantenere una buona media della stessa.
La ricerca si conclude con la costruzione di un prototipo fisico testato presso le strutture di MAE Ametek, convalidando le simulazioni e valutando le capacità di produzione di vuoto del prototipo 6/4. Questo lavoro ha implicazioni per lo sviluppo di motori per soffianti efficienti dal punto di vista energetico con prestazioni migliorate.This Master's thesis focuses on the optimization of Switched Reluctance Motors (SRMs) tailored for blower applications, placing a specific emphasis on rotor design. In collaboration with MAE Ametek, the project aims to develop a 6/4 motor configuration by adapting a stator from an existing brushless DC machine, utilizing a Brushless DC Motor (BLDC) as a benchmark for a comparison of performance.
Utilizing 2D simulations in Comsol, the study attempt to enhance SRM performance without relying on permanent magnets. The simulation incorporates a square wave controller for the three phases, analyzing torque, losses, and efficiency. The main objectives are to minimize torque ripple while maintaining a good average torque.
The research concludes with the construction of a physical prototype tested at MAE Ametek's facilities, validating simulations and assessing the vacuum production capabilities of the 6/4 prototype. This work holds implications for the development of energy-efficient blower motors with enhanced performance
Magnetic analysis and experimental characterisation of an outer-rotor DC brushless motor
No full textLAUREA MAGISTRALEQuesta tesi si occupa dell'analisi magnetica di un motore brushless DC a rotore esterno. Il motore, chiamato BL42, è una delle configurazioni DC brushless disponibili nel catalogo MAE (Motori Apparacchiature Elettriche). La sua configurazione a 6-poli/9-cave deriva da un precedente AC brushless, di cui conserva l'anello magnetico magnetizzato sinusoidalmente.
Questo motore è solitamente utilizzato come soffiatore. Gli ingegneri di MAE mirano a renderlo adatto anche in altre applicazioni, aumentandone le prestazioni e riducendo gli inevitabili ripple di coppia causati dal design magnetico derivato dal modello in “corrente alternata". MAE ha richiesto di raggiungere questo obiettivo cambiando solo la struttura del rotore e la disposizione dei magneti, mantenendo la struttura dello statore esistente. Questo vincolo è giustificato da ragioni economiche e di standardizzazione in tutta la catena di produzione e fornitura di MAE, soprattutto per quanto riguarda le laminazioni dello statore. Vale anche la pena menzionare che le topologie DC-brushless "derivate dall'AC" non sono in effetti insolite negli elettrodomestici, e soluzioni simili sono state trovate nei cataloghi dei motori dei concorrenti MAE.
Il comportamento magnetico del motore di riferimento viene studiato attraverso una varietà di tecniche, partendo da semplici modelli analitici per poi passare all'analisi agli elementi finiti con modelli 2D creati in COMSOL Multiphysics. Basandosi sui risultati dell'analisi del motore di riferimento, vengono suggerite ed esaminate nuove configurazioni magnetiche per il rotore. Alcune modifiche sono state poi implementate in nuovi prototipi di motore che sono stati testati in laboratorio.This dissertation deals with the magnetic analysis of an outer-rotor DC brushless motor. The motor, called BL42, is one of the DC brushless configuration available in the MAE (Motori Apparacchiature Elettriche) catalog. Its 6-pole/9-slot configuration derives from a previous AC brushless, from which it retains the sinusoidally-magnetized rotor-ring.
This motor is usually applied in blower applications. MAE’s engineers aim at making it suitable also in other applications, by increasing its performances and reducing the inevitable torque ripples caused by its “AC-derived” magnetic design. MAE required this goal to be reached by changing only the rotor structure and magnet arrangement, while maintaining the existing stator structure from BL42 motor. This constraint is justified by economic and standardization reasons across MAE production and supply chain, especially as far as the stator laminations are concerned. It is also worth mentioning that “AC-derived” DC-brushless topologies are in fact not so unusual in appliances, and similar solutions were found in motor catalogues from MAE competitors.
The benchmark motor magnetic behaviour is studied through a variety of techniques, starting from simple analytic models and then moving to Finite Element Analysis with 2D models created in COMSOL Multiphysics. Building on the analysis results of the benchmark motor, new magnetic configurations for the rotor are suggested and examined. Some modifications have then been implemented in new motor prototype tested in the laboratory
Going Beyond Counting First Authors in Author Co-citation Analysis
Full text linkThe present study examines one of the fundamental aspects of author co-citation analysis (ACA) - the way co-citation
counts are defined. Co-citation counting provides the data on which all subsequent statistical analyses and mappings
are based, and we compare ACA results based on two different types of co-citation counting - the traditional type that
only counts the first one among a cited work's authors on the one hand and a non-traditional type that takes into
account the first 5 authors of a cited work on the other hand. Results indicate that the picture produced through this non-traditional author co-citation counting contains more coherent author groups and is therefore considerably clearer. However, this picture represents fewer specialties in the research field being studied than that produced through the traditional first-author co-citation counting when the same number of top-ranked authors is selected and analyzed. Reasons for these effects are discussed
Variations on the Author
Full text link“Variations on the Author” discusses two of Eduardo Coutinho’s recent films (Um Dia na Vida, from 2010, and Últimas Conversas, posthumously released in 2015) and their contribution to the general question of documentary authorship. The director’s filmography is characterized by a consistent yet self-effacing form of authorial self-inscription: Coutinho often features as an interviewer that rather than express opinions propels discourses; an interviewer that is good at listening. This mode of self-inscription characterizes him as an author who is not expressive but who is nonetheless markedly present on the screen. In Um Dia na Vida, however, Coutinho is completely absent form the image, while Últimas Conversas, on the contrary, includes a confessional prologue that moves the director from the margins to the center of his films. This article examines the ways in which these works stand out in the filmography of a director who offers new insights into the notion of cinematic authorship
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