This master thesis aimed to design a permanent magnet assisted synchronous reluctancemachine (PMaSynRM) rotor for pump applications which were to be implemented inan existing Induction Machine stator. The machine were to be compared with a similarpermanent magnet synchronous machine (PMSM) with similar torque production in termsof cost and performance.This thesis goes through the theory of the Synchronous Reluctance Machine andthe Permanent Magnet assistance. A rotor was designed by utilizing existing design approachesand simulation of performance by use of finite element analysis. A demagnetizationstudy was conducted on the added permanent magnets in order to investigate thefeasiblity of the design.The final design of the PMaSynRM was thereafter compared to the equivalentsurface-mounted PMSM in terms of performance and cost. The performance parameterswas torque production, torque ripple, efficiency and power factor. Due to the lower torquedensity of the PMaSynRM, for equal torque production the PMSM had a 40% shorterlamination stack than the PMaSynRM.The economic evaluation resulted in that when utilizing ferrite magnets in the PMa-SynRM it became slightly cheaper than the PMSM, up to 20%. However, due to the fluctuatingprices of NdFeB magnets, there exist breakpoints below which the PMaSynRM isin fact more expensive than the PMSM or where the price reduction of the PMaSynRMis not worth the extra length of the motor. However, it was shown that the PMaSynRMis very insensitive to magnet price fluctuations and thereby proved to be a more securechoice than the PMSM / Detta examensarbete avsåg att designa en rotor till en permanentmagnetsassisteradsynkron reluktansmaskin (PMaSynRM) för pumpapplikationer, vilken skulle implementeras i en befintlig asynkronmaskin (IM) stator. Maskinen jämfördes ekonomiskt och prestandamässigt med en liknande synkronmaskin med permanentmagneter (PMSM) med jämförbar vridmomentsproduktion.Uppsatsen avhandlar teorin bakom synkrona reluktansmaskiner och konceptet kring permanentmagnetassistans. Rotorn designades genom användandet av befintliga designmetoder och simulering genom finit elementanalys (FEA). En avmagnetiseringsstudie utfördes på de adderade magneterna för att undersöka rimligheten kring designenDen slutgiltiga designen av PMaSynRMen jämfördes därefter mot den jämlika PMSMen i termer om prestanda och kostnad. De undersökta prestandaparameterarna var vridmoment, vridmomentsrippel, verkningsgrad och effektfaktor. Eftersom vridmomentsdensiteten i en PMaSynRM är lägre än hos en PMSM så visade sig PMSMen ha en 40% kortare lamineringskropp än PMaSynRMen vid jämnlik vridmomentsproduktion.Den ekonomiska utvärderingen resulterade i att vid användandet av ferritmagneter i PMaSynRMen så blev den något billigare än PMSMen, upp till 20%. På grund av fluktuerande priser hos NdFeB magneter, så finns det brytpunkter där PMaSynRMen faktiskt blir dyrare än PMSMen eller då kostnadsreduktionen för PMaSynRMen kan bedömas att vara för låg med tanke på den ökade längden och vridmomentsrippel. Däremot visades det att PMaSynRMen är väldigt okänslig för prisvariationer och därför visades vara ettkostnadsmässigt tryggare val än PMSMen

Permanent magnet synchronous machines (PMSM are considered as viable options for automotive and traction applications. Rare earth magnets such as Neodymium Iron Boron (NdFeB is the most common choice in the PMSM for electric vehicles to achieve high power density machines. However, rare earth magnets are problematic from ethical and sustainability perspectives. From these perspectives, there are better magnet alternatives, such as ferrites. Ferrite magnets are well known for lower environmental impact, abundance and low cost. Due to a lower residual flux density of a ferrite magnet than that of a rare earth magnet, a larger amount of ferrite magnets are needed to achieve the same performance. This master thesis is aimed to compare a PMSM using NdFeB magnets with a PMSM using ferrite magnets in terms of different parameters such as torque production, power factor, drive cycle efficiency, losses mapping, cost, and environmental impact. The machines are designed based on the Volvo XC40 vehicle requirements. In order to compare both the machines, ferrite based machine with different types of rotor structures such as arc and spoke type configurations are designed in Ansys Maxwell and compared with the reference PMSM holding NdFeB magnet. The demagnetisation study was performed on the ferrite magnets at lower temperature in order to investigate the feasibility of the design. In order to reduce the risk of demagnetisation, a parametric analysis of the rotor structure has been conducted. Furthermore, the mechanical integrity was investigated at top speed. / Permanent magnet-synkronmaskiner (PMSM) betraktas som lönsamma alternativ för fordons och dragapplikationer. Sällsynta jordartsmagneter som Neodymiumbor (NdFeB) är det vanligaste valet i PMSM för elfordon att uppnå maskiner med hög effektdensitet. Sällsynta jordartsmagneter är emellertid problematiska ur etiska perspektiv och hållbarhetsperspektiv. Ur dessa perspektiv finns det bättre magnetalternativ, såsom ferriter. Ferrit är välkänt för lägre miljöpåverkan, överflöd och låga kostnader. På grund av låg restflödestäthet hos en ferritmagnet än en sällsynt jordartsmagnet behövs en större mängd ferritmagneter för att uppnå samma prestanda. Detta examensarbete syftar till att jämföra en PMSM med hjälp av NdFeB-magneter med en PMSM som använder ferritmagneter i termer av olika prestandaparametrar såsom vridmomentproduktion, effektfaktor, drivcykeleffektivitet, kartläggning av förluster, kostnad och miljöpåverkan. Maskinerna är designade baserat på Volvo XC40 fordons krav. För att jämföra båda maskinerna utformas ferritbaserad maskin med olika typer av rotorstruktur, såsom båg- och ekertypskonfiguration i Ansys Maxwell och jämförs med referensen PMSM som håller NdFeB-magneten. Demagnetiseringsstudien utfördes på ferritmagneterna vid lägre temperatur för att undersöka designens genomförbarhet. För att minska risken för demagnetisering har den parametriska analysen av rotorstrukturen genomförts. Dessutom undersöktes mekanisk integritet i toppfart.

Magnetism is a familiar phenomenon, and is applied in a variety of devices, from simple ones, like compasses, to the more sophisticated magnetic hard disk drives. It is also known that the magnetization of a material can change, for example by heating or by exposure to an external magnetic field. The dynamics of transitions between different magnetizations, however, is largely unknown, particularly in complex materials. To further the understanding of such dynamics, this thesis presents an observational study of the dynamics of laser induced demagnetization of permalloy (Ni0.8Fe0.2). Dynamics were studied with element-specificity, i.e. Fe and Ni were studied simultaneously, but separately, rather than studying the overall material. The study was conducted at the HELIOS laboratory at Uppsala University, which features equipment for the study of magnetization dynamics. Important concepts like high-order harmonic generation (HHG) and the transverse magneto-optic Kerr effect (T-MOKE) are discussed. HHG is the laser induced generation of high energy photons, and T-MOKE relates the intensity of reflected light to the magnetization of the reflecting material. The study revealed a very short demagnetization time, and maximum demagnetization of both elements was achieved within 1 picosecond. An onset delay in the demagnetizations of Fe and Ni of about 25 femtoseconds was also observed. Both phenomena have been previously reported. The results further imply that the magnetizations diverge over a 10 picosecond time interval after the onset of demagnetization, which has not been previously reported. The apparent divergence may be due to an unknown transient setup-related issue. The short demagnetization times, as well as the onset delay could potentially contribute to the development of a more complete theory of magnetization dynamics. / Magnetism är ett bekant fenomen, som utnyttjas i allt från enkla tillämpningar, som kompasser,till mer sofistikerade sådana, som hårddiskar. Det är också känt att magnetiseringen i ett material kan ändras, t.ex. genom upphettning eller genom att det utsätts för ett yttremagnetiskt fält. Dynamiken vid övergångar mellan olika magnetiseringstillstånd är dock ett relativt okänt ämne, i synnerhet när det kommer till komplexa material. För främjandet av en större förståelse inom ämnet, presenteras här en observationell studie av dynamiken för laserinducerad avmagnetisering av permalloy (Ni0.8Fe0.2). Dynamiken undersöktes med grundämnesspecificitet, d.v.s. Fe och Ni undersöktes samtidigt, men var för sig, snarare än att materialet undersöktes som helhet. Undersökningen gjordes vid HELIOS-laboratoriet vid Uppsala Universitet, som tillhandahåller utrustning för undersökning av magnetiseringsdynamik. Viktiga koncept diskuteras, såsom övertonsgenerering och den transversella magnetooptiska Kerr-effekten (T-MOKE). Övertonsgenerering innebär laserinducerad generering av högenergifotoner, och T-MOKE relaterar reflekterad intensitet till magnetiseringen i det reflekterande materialet. Undersökningen påvisade en mycket kort avmagnetiseringstid, och maximal avmagnetisering nåddes inom en pikosekund. En relativ tidsförskjutning mellan avmagnetiseringsförloppen för Fe och Ni om ungefär 25 femtosekunder observerades också. Båda fenomen har rapporterats tidigare. Resultatet visar även en divergens mellan magnetiseringsförloppen under ett tidsspann på 10 pikosekunder efter avmagnetiseringens början, vilket inte har rapporterats förr. Den skenbara divergensen kan bero på ett okänt, tillfälligt problem i uppställningen. Den korta avmagnetiseringstiden och den relativa tidsförskjutningen skulle kunna bidra till utvecklingen av en mer komplett teori för magnetiseringsdynamik.

The growing need for simpler and cheaper manufacturing process has led to the research into fractional-slot concentrated-wound (FSCW) motors. This concept has been widely investigated for surface-mounted permanent magnet (SMPM) machines. This thesis studies the same concept applied for synchronous reluctance machines (SynRM). In this thesis, a FSCW, 15 kW, 4-pole, Permanent-Magnet-Assisted Synchronous Reluctance Machine (PMaSynRM) is designed and optimized using finite element method (FEM) based simulations for a set of given technical specifications. Initially, the existing synchronous machine topologies are investigated and later two novel motor designs are introduced and optimized, namely, a FSCW-SynRM and a FSCW-PMaSynRM with ferrite magnets. Moreover, the influence of replacing ferrite material with Neodymium Iron Boron (NdFeB) in the FSCWPMaSynRM is analyzed. Detailed investigations are performed in order to compare the impact of material at different temperatures. Variation of the torque-speed capabilities with temperature and a safe operating temperature range where the magnets are not demagnetized are identified. The variation of overload capability with temperature is also studied. Finally, a comparison between the new proposed designs and other existing standard design topologies is performed. It was found that FSCW-SynRM present lower efficiency, power factor and higher torque ripple than DW-SynRM. However when ferrite magnets are inserted in FSCW-PMaSynRM the efficiency, power factor and the flux-weakening capability exceed the values of the DW-SynRM. Moreover, by using NdFeB instead of ferrite in FSCW-PMaSynRM, the torque ripple, the fluxweakening capability and the overload capability improve and a wider safe temperature range for no demagnetization is achievable. Finally, it is found that DW-PMaSynRM with ferrite presents the same efficiency level as FSCW-PMaSynRM with ferrite, but higher power factor and lower torque ripple. However FSCW-PMaSynRM with ferrite have other advantages, such as shorter end-winding length, good fault-tolerant capability and simpler and cheaper manufacturing process. / Det växande behovet av enklare och billigare tillverkningsprocesser har lett till att den senaste forskningen om elektriska maskiner har fokuserats till maskiner med koncentrerade lindningar (FSCW). Detta koncept har i stor utsträckning undersökts för synkronmaskiner med ytmonterade permanentmagneter (SMPM). Detta projekt studerar samma lindning koncept, tillämpat på synkrona reluktansmaskiner (SynRM). I denna avhandling är en 15 kW, 4-polig, SynRM med FSCW och permanentmagneter (PMaSynRM) utformad och optimerad med användandet av finita elementmetoden (FEM). Simuleringar för en uppsättning givna, tekniska specifikationer har genomförts. Inledningsvis undersöks den befintliga synkronreluktansmaskinen med distribuerad lindning och senare presenteras och optimeras två nya motorkonstruktioner: en FSCW-SynRM respektive en FSCW-PMaSynRM med ferritmagneter. Vidare analyseras påverkan av att ersätta ferritmaterial med neodym-järn-bor (NdFeB) i FSCW-PMaSynRM. Detaljerade undersökningar genomförs för att jämföra effekten av materialen vid olika temperaturer. Variationen av maximal vridmomentet som funktion av hastighet vid olika temperaturer identifierar ett säkert driftstemperaturintervall där magneterna inte avmagnetiseras. Även variationen i överbelastningskapacitet vid olika temperaturer studeras. Slutligen görs en jämförelse mellan den nya föreslagna designen och andra befintliga topologier. Resultaten visar att FSCW-SynRM har lägre effektivitet och effektfaktor, samt högre vridmomentsrippel än DW-SynRM. När ferritmagneter är införda i FSCW-PMaSynRM erhålls emellertid högre värden på effektivitet, effektfaktor och fältförsvagning än i DW-SynRM. Genom att använda NdFeB i stället för ferrit i FSCW-PMaSynRM förbättras dessutom vridmomentet, fältförsvagningskapaciteten och överbelastningskapaciteten, vilket ger ett bredare temperaturområde utan avmagnetisering. Slutligen visar DW-PMaSynRM med ferrit samma effektivitetsnivå som FSCW-PMaSynRM med ferrit, men med högre effektfaktor och lägre vridmomentsrippel. FSCW-PMaSynRM med ferrit har dock andra fördelar, såsom kortare härvänderna, god feltolerans samt enklare och billigare tillverkningsprocess.

The aim of this master thesis is to design and analyse a FSCW PMaSynRM (Permanent Magnet assisted Synchronous Reluctance Motor) for industrial applications. The design process includes analytical calculations (initial design and PM amount minimization) and nite element method (FEM) based design optimization. An overcompensated design is proved to be advantageous for a 10-pole reluctance motor. A comparative analysis with other rotor topologies was made, where motor performance, temperature e ects and production costs are taken into account. Detailed curves which describe eciency, power factor and current with respect to ambient temperature are studied for the proposed motor designs at di erent working points. The demagnetization risk is also taken into account and the safe working temperature ranges have been dened for all the considered motors. The results show that the initial motor design with 10 poles/12 slots PMaSynRM with NdFeB magnets has poor performance in terms of eciency and power factor, with huge amount of PM inserted. This is mainly due to the lack of reluctance torque for this relatively higher number of poles solution. Moreover, it has been found in literature and conrmed in this investigation that this negative e ect for the 10-pole motor is amplied due to the presence of the concentrated winding. Indeed, it is shown by simulations that the motor performance is improved by employing 8 poles/12 slots PMaSynRM conguration with a relatively lower NdFeB magnet amount, thanks to the improved rotor anisotropy. The 10 poles/12 slots interior permanent magnet (IPM) and surface mounted permanent magnet (SMPM) topologies present higher performance due to the e ective utilization of PM, mainly or completely producing the torque. Hence, IPM and SMPM do not su er the lack of anisotropy. / Syftet med detta examensarbete ar att utforma och analysera en FSCW PMaSynRM (Permanent Magnet assisted Synchronous Reluctance Motor) for industriella applikationer. Designprocessen omfattar analytiska berakningar (ursprungliga konstruktion och PM belopp minimering) och nita elementmetoden (FEM) baserad design optimering. En overkompenserad design visat sig vara fordelaktigt for en 10-polig reluktansmotor. En jamforande analys med andra rotor topologier gjordes, dar motor prestanda, temperature ekter och produktionskostnader beaktas. Detaljerade kurvor som beskriver e ektivitet, e ektfaktor och strom med avseende pa omgivningstemperatur studeras for de foreslagna motorn for vid olika arbetspunkter. Den avmagnetisering risken ocksa beaktas och sakerhetstemperaturomraden har denierats for alla ansag motorerna. Resultaten visar att den initiala motordesign med 10-polig/12 spar PMaSynRM med NdFeB magneter har daliga e ektivitet och e ektfaktor, med enorma mangder PM insatt. Detta ar framst pa grund av bristen pa reluktansvridmomentet for denna relativt hogre poltal losning. Dessutom har man funnit i litteraturen och bekraftat i denna unders okning att denna negativa e ekt for 10-polig motorn forstarks pa grund av narvaron av den koncentrerade lindningen. Faktum ar att det framgar av simuleringar att motorprestanda forbattras med en 8-polig/12 spar PMaSynRM konguration med en relativt lagre NdFeB magnet belopp, tack vare den forbattrade rotor anisotropi. Den 10-polig/12 spar interior permanentmagnet (IPM) och ytmonterade permanent magnet (SMPM) topologier presentera hogre prestanda tack vare ett e ektivt utnyttjande av PM och deras produktion vridmoment, huvudsakligen eller helt anfortrotts PM effekten.