The introduction of inverters utilizing wide band-gap semiconductors allow for higher switching frequency and improved machine drive energy efficiency. However, inverter switching results in fast voltage surges which cause overvoltage at the stator terminals and uneven voltage distribution in the stator winding. Therefore, it is important to understand how next generation machine drives, with higher switching frequency, affect the voltage distribution. For this purpose, a lumped-parameter model capable of simulating winding interturn voltages for the wide frequency range of 0-10 MHz is developed for a slotless PMSM. The model includes both capacitive and inductive couplings, extracted from 2D finite element simulations, as well as analytically estimated resistive winding losses. The developed model of a single phase-winding is used to investigate how machine design aspects such as insulation materials and winding conductor distribution affects both voltage distribution and winding impedance spectrum. Validation measurements demonstrate that the model is accurate for the wide frequency range. The sensitivity analysis suggests that the winding conductor distribution affect both impedance spectrum and voltage distribution. For the slotless machine, capacitance between the winding and the stator is several times smaller than capacitance between turns. Therefore, the high-frequency effects are dominated by the capacitance between turns. Insulation materials that affect this coupling does therefore have an impact on the impedance spectrum but does not have any significant impact on the voltage distribution. / Nästa generations inverterare för styrning av elektriska maskiner, baserade på bredbandgaps komponenter, tillåter högre switchfrekvenser vilket skapar en energieffektivare drivlina. Nackdelen är att snabba spänningsflanker från den höga switchfrekvensen skapar överspänning på stators anslutningar och en ojämn spänningsfördelning i statorlindningen. Det är därför betydelsefullt att förstå hur dessa nya drivlinor påverkar lindningens spänningsfördelning. I denna rapport används en modell kapabel att simulera lindningens spänningsfördelning i det breda frekvensspektrumet 0-10 MHZ. Modellen är framtagen för en faslindning av en PMSM, utan statoröppning, som inkluderar både kapacitiva och induktiva kopplingar samt analytiskt beräknade lindningsförluster. Modellen används för att undersöka spänningsfördelningen i lindningen samt inverkan från designparametrar som isolationsmaterial och lindningsdistribution. Känslighetsanalysen visar att lindingsdistributionen har en signifikant påverkan på både impedansspektrumet och spänningsfördelningen. För den studerade maskintypen är det kapacitansen mellan varv som är dominerande för högfrekventa fenomen. Isolationsmaterial som påverkar denna koppling har en påverkan på impedansspektrumet men är liten för spänningsfördelningen.

Transformers are essential for modern power distribution system. They are efficient and enable the voltages to be transformed up for transportation of electricity and back down for consumer use. The reliability of the transformer is affected by faults and fatigue of the copper. The bigger faults a transformer is subjected to, the shorter life time it will have due to damage to the winding and other parts of the transformer. This thesis investigates if it is possible to characterise the noise made from the windings during a short circuit fault or lightning strike, to see if it can be replicated and if transformers can be diagnosed with the help from the noise. Faults creates forces on the windings, these forces can be so great that the windings collide with each other and in worst case breaks. The sound sources that are interesting are the thermal expansion due to the current, the radial forces and the axial forces acting on the coil. Simulations were made in Comsol multiphysics to see how the currents and forces behaved in a winding. A simplified microphone circuit was built and tested to see if it could detect the noise made from the collisions in the coil. Two microphone types and amplifier circuits were tested to see which ones was most suited for the experiments. The microphone circuit was used to record the sound made from the coils when being compressed. An experiment with a capacitor bank sending a large current pulse through different coils and the noise made from the coil was recorded with a microphone circuit connected to an oscilloscope. The currents are recorded by a computer using the program Picoscope. The capacitor bank was charged to different voltages to get different current amplitudes. A microphone circuit was built and tested so it could detect the sound from the collision. Sound occured with a current pulse with an amplitude of 2 kA, and permanent deformation occured when the amplitude of the current pulse was 4.5 kA. The frequency content of the impact was within the audible spectrum. Possibly even higher frequencies than 20 kHz was present during the fault. The microphone had a bandwidth between 20-20000 Hz, which limits the frequencies that is picked up by the microphone. / Transformatorer är viktiga för det morderna elsystemet. Transformatorer är effektiva och tillåter spänningen att transformeras upp för transport vilket minimerar förlusterna i lendningarna och sedan ned igen för kunder. Tillförlitligheten av transformatorer blir påverkad av fel, felen kan orsaka utslitning av kopparen i lindningarna. Ju större fel som transformatorn blir utsatt för, ju kortare livstid får transformatorn på grund av skada på lindningarna eller andra delar av transformatorn. Denna avhandling undersöker om det är möjligt att karaterisera ljudet från transformator lindningar under ett kortslutningsfel eller blixtnedslag. Felströmmarna skapar krafter på lindningarna, dessa krafter kan vara så stora att lindningarna kolliderar med varandra och i värsta fall går lindningarna sönder. Några intressanta ljudkällor är termisk expansion av kopparen från strömmarna, den radiella kraften på spolen och den axiella kraften på spolen. Simuleringar gjordes i Comsol Multiphysics för att se hur strömmar och krafterna beter sig i transformator lindningarna. En mikrofonkrets byggdes och testades för att se om den kunde detektera ljudet från kollisionerna i spolen. Två olika mikrofontyper och två olika förstärkartyper testades för att se vilka som passade bäst för experimenten. Mikrofonkretsen användes för att spela in ljudet från spolarna. Experimenten gjordes med med hjälp av en kondensatorbank som genererar en strömpuls genom de olika lindningarna/spolarna och ljudet från spolarnas kompression var inspelade av mikrofonkretsen som var inkopplad till ett oscilloskop. Strömpulsen var sparad på datorn med programmet Picoscope. Kondensatorbanken var uppladdad med olika spänningar för att få strömpulser med olika amplituder. Experimenten gjordes på fyra olika spolar, en två varvs spole, en 19 varvs spole, en 40 varvs tätlindad spole och en deformerad 19 varvs spole, för att se om det var skillnad mellan kollisionerna. Ljud uppstod vid en strömpuls med amplituden 2 kA och permanent deformation uppstod vid 4.5 kA. Frekvensinnehållet från kollisionen befann sig inom det hörbara spektrumet. Det fanns möjligen frekvenser över 20 kHz, men mikrofonen hade en bandbredd mellan 20-20000 Hz vilket begränsar de upptagna frekvenserna.

During the insert process when the windings of an electric motor are pushed into the stator slots, some detrimental phenomena can occur that affect the efficiency and life of the motor. To detect these phenomena and optimize the process, a simulation would be useful. An investigation of the possibility to perform a simulation, using an appropriate numerical method for the insert process of distributed windings in a permanent magnet synchronous motor, was performed. During the project, a literature study was carried out to investigate existing methods and key-parameters for the simulation of the process. Explicit finite element method has been shown to be a suitable numerical method for simulating another winding process. An explicit finite element analysis was performed with a simplified model of the stator, the wires, the transmission tool and the needles by using the software Abaqus/CAE. In order to reduce the computational time, beam elements were used to model the wires and the other parts as rigid bodies. The model accounted for example contact and provided numerical results. The result was a suitable model. However, it needs to be developed further.

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.

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.