Optimal Systems Design of a Permanent Magnet Synchronous Motor for a Formula Student Vehicle

Abstract

Deze thesis onderzoekt het optimale systeemontwerp van een in het wiel geïntegreerde permanente magneet-synchroonmotor (PMSM), ontwikkeld binnen Formula Electric Belgium. Commerciële motoren voldoen vaak aan de basisvereisten, maar missen de performantie en integratiemogelijkheden essentieel voor een competitieve Formula Student-aandrijflijn. Het doel is de voertuigprestaties te verbeteren met een motor die afgestemd is op het reglement, gesimuleerde rijprofielen en integratie in de wielaandrijving.

Een literatuurstudie bespreekt de belangrijkste ontwerpprincipes van PMSM’s. Een methode werd ontwikkeld om het vereiste vermogen en koppel te bepalen op basis van simulaties van dynamische events, elk gewogen volgens hun impact op de competitiescore. Deze eisen vormen de basis voor de optimalisatie. Om systeemniveau-afwegingen mogelijk te maken, wordt de overbrengingsverhouding opgenomen als variabele. Aangezien het simuleren van elk ontwerp computationeel zwaar is, wordt een surrogate model opgesteld. Dit maakt het mogelijk om 10.000 varianten te onderzoeken en verkort de rekentijd met meer dan 100 dagen. Deze aanpak vormt de kern van een multi-objectieve optimalisatie die competitieprestatie maximaliseert via een evenwicht tussen massa en efficiëntie, binnen de vereisten.

De finale motor behaalt een vermogensdichtheid van 17,9 kW/kg, een verbetering van 5,4 kW/kg, wat leidt tot een verbetering van 0,4% op competitie. Tot slot wordt een mechanisch concept voorgesteld dat zorgt voor een optimale integratie van de motor.