Relatore
Descrizione
The automotive industry is experiencing a period of transition from traditional internal combustion engine (ICE) vehicles to electric vehicles (EVs). Although electric machines have always been used in many applications, this new scope of application has brought new challenges to face. One of the main difficulties encountered when designing an electric motor is determining an optimal trade-off between efficiency, torque output, and noise emission. Multi-objective programming is a rigorous way to handle such a complex design task. This paper deals with a multi-objective optimisation process for the optimal design of an interior permanent magnet synchronous motor (IPMSM). The process involves many objective functions (torque, torque ripple, efficiency) and design constraints related to geometrical feasibility, maximum voltage rating, thermal safety and acoustic emission (NVH). A large number of design variables describing the rotor, stator and windings design are considered in the optimization process. The method is applied for the optimal design of a 8-poles 48-slots IPMSM. Different designs of the electric motor are simulated with Motor-CAD software to evaluate the relative objective functions and to calculate the electromagnetic forces arising in the airgap, which are responsible of the motor acoustic emission. The vibro-acoustic behaviour of the motor is simulated by a novel simplified analytical model based on a curved beam of generalized cross section equivalent to the motor stator. To speed-up the process, Artificial Intelligence (AI)-based models are trained with a limited set of numerical simulations and then employed for the computation of the objective functions. Finally, 100 non-dominated design solutions are obtained and some design solutions are extracted from these results and compared.
L'industria automobilistica sta vivendo un periodo di transizione dai tradizionali veicoli con motore a combustione interna (ICE) ai veicoli elettrici (EV). Sebbene le macchine elettriche siano da sempre utilizzate in molte applicazioni, questo nuovo ambito di applicazione ha portato nuove sfide da affrontare. Una delle principali difficoltà che si incontrano nella progettazione di un motore elettrico per impiego automobilistico è determinare un compromesso ottimale tra efficienza, coppia erogata ed emissione di acustica. La programmazione multi-obiettivo è un modo rigoroso per gestire un'attività di progettazione così complessa. Questo articolo mostra il processo di ottimizzazione multi-obiettivo impiegato per la progettazione ottimale di un motore sincrono a magneti permanenti interni (IPMSM). Il processo coinvolge molte funzioni obiettivo (coppia, fluttuazione di coppia, efficienza) e vincoli di progettazione relativi alla fattibilità geometrica, alla tensione nominale massima, alla sicurezza termica e all'emissione acustica (NVH). Nel processo di ottimizzazione vengono prese in considerazione un gran numero di variabili di progettazione che descrivono il design del rotore, dello statore e degli avvolgimenti. Il metodo viene applicato per la progettazione ottimale di un IPMSM a 8 poli e 48 slot. Diversi progetti del motore elettrico vengono simulati con il software Motor-CAD per valutarne le relative funzioni obiettivo e per calcolare le forze elettromagnetiche che si verificano nel traferro, che sono responsabili dell'emissione acustica del motore. Il comportamento vibro-acustico del motore è simulato da un nuovo modello analitico semplificato basato su di una trave ad asse curvilineo di sezione trasversale generalizzata equivalente allo statore del motore. Per accelerare il processo, modelli basati sull'Intelligenza Artificiale (AI) vengono allenati con un set limitato di simulazioni numeriche e quindi impiegati per il calcolo delle funzioni obiettivo. Infine, si ottengono 100 soluzioni progettuali non dominate appartenenti al fronte Pareto e da questi risultati vengono estratte e confrontate alcune soluzioni progettuali ottimizzate.
