In recent years, due to growing environmental awareness regarding global warming, green cars, such as hybrid electric vehicles, have gained a lot of importance. With the decreasing cost of rare earth magnets, brushless permanent magnet motors, such as the Interior Permanent Magnet Motor, have found usage as part of the traction drive system in these types of vehicles. As a design issue, building a motor with a performance curve that suits both city and highway driving has been treated in this thesis as a multi-objective problem; matching specific points of the torque-speed curve to the desired performance output. Conventionally, this has been treated as separate problems or as a combination of several individual problems, but doing so gives little information about the trade-offs involved. As a means of identifying the compromising solutions, we have developed a stochastic optimizer for tackling electromagnetic device optimization and have also demonstrated a new innovative way of studying how different design parameters affect performance.

The University of Waterloo Alternative Fuels Team’s participation in EcoCAR: The Next Challenge provided an unparalleled opportunity to execute advanced vehicle technology research with hands on learning and industry leading mentoring from practicing engineers in the automotive industry. This thesis investigates the optimization of the hybrid operating strategy on board the EcoCAR development vehicle. This investigation provides the framework to investigate the pros and cons of different hybrid control strategies, develop the model based design process for controls development in a student team environment and take the learning of this research and apply them to a mule development vehicle. A primary controls development model was created to simulate software controls before releasing to the vehicle level and served as a tool to evaluate and compare control strategies. The optimization routine was not directly compatible with this model and so a compromise was made to develop a simplified vehicle model in the MATLAB environment that would be useful for observing trends but realizing that the accuracy of the results may not be totally consistent with the real world vehicle. These optimization results were then used to create a new control strategy that was simulated in the original vehicle development model. This new control strategy exhibited a 15% gain in fuel economy over the best case from the literature during an Urban Dynamometer Driving Schedule (UDDS) drive cycle. Recommendations for future work include adding charge depletion operation to the simulation test cases and improving the accuracy of the optimization model by removing the simplifications that contributed to faster simulation time. This research has also illustrated the wide variability of drive cycles from the mildly aggressive UDDS cycle having 5 kilowatts average propulsion power to the very aggressive US06 cycle having 19 kilowatts average propulsion power and their impact on the efficiency of a particular control strategy. Understanding how to adapt or tune software for particular drive cycle or driver behaviour may lead to an interesting area of research.

Thesis (MScEng (Electrical and Electronic Engineering))--University of Stellenbosch, 2011. / Due to finite oil resources and its political and economical impact, a renewed interest in energy independence has compelled industry and government to pursue electric vehicle designs. The current worldwide research that is being conducted on drivetrain topologies for EVs, focus mainly on direct in-wheel drive, direct differential drive and fixed-gear differential drive topologies. Furthermore, the control strategy for these type of motor drives require a, so called, field-weakening operation in order to achieve acceptable performance characteristics for the vehicle. This thesis evaluates the use of a manual gearbox drivetrain topology and a radial flux air-cored permanent magnet (RFAPM) synchronous machine, without flux-weakening operation, as a traction drive application for EVs. For the purpose of this research study, a 2006 model Opel Corsa Lite is converted to a battery electric vehicle, and the Corsa is renamed to the E-Corsa. The Corsa is converted so that all the original functionality, boot space and space inside the vehicle are retained. The original 5-speed manual gearbox is used as drivetrain for the vehicle and a 40 kW, 70 Nm RFAPM traction drive is developed for the manual gearbox. A power electronic converter is designed for RFAPM traction drive and a Lithium ion (Li-ion) battery pack is used as energy source for the traction drive. The battery pack is mounted partially in the front and partially in the back of the vehicle to maintain an even weight distribution in the vehicle.

Conselho Nacional do Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Fundação Araucária de Apoio ao Desenvolvimento Científico e Tecnológico do Paraná / Este trabalho propõe o estudo e desenvolvimento de uma metodologia alternativa de identificação de falhas nos enrolamentos do estator de motores de indução trifásicos conectados diretamente à rede elétrica. A fim de reduzir a dimensão e complexidade destes tipos de sistemas, são utilizadas duas ferramentas de processamento de sinais, extração e seleção de características. Na etapa de extração, calcula-se a informação mútua atrasada dos sinais de correntes das fases A e B da máquina e na seleção, os algoritmos árvore de decisão C4.5 e rede neural artificial MLP são utilizados para a predição das classes, a fim de se obter um sistema de diagnóstico de falhas de estator eficaz. Os resultados experimentais offline e online consideram problemas de qualidade de energia, uma ampla faixa de conjugado de carga e curto-circuito entre as espiras do enrolamento de estator da ordem de 1% à 20%, os quais são apresentados para validar a abordagem desenvolvida neste trabalho. Os resultados obtidos indiciam que esta abordagem pode ser empregada para classificar falhas de curto-circuito entre as espiras do stator. / This work proposes the study and development of an alternative approach to diagnose stator short-circuit faults in induction motors driven directly from a supply line. In order to reduce the size and complexity in these types of systems, signal processing techniques of extraction and feature selection are used. In the extraction step, the mutual information of the delayed phases of current signals, ia and ib, are computed and in the selection procedure, the algorithms C4.5 decision tree and multilayer perceptron neural network are employed in order to obtain an effective diagnostic of stator short-circuit faults. To assess the classification accuracy across the various levels of stator short-circuit fault severity (from 1% to 20%), offline and online experimental tests also considered a wide range of load conditions and voltage unbalance in the power supply. The obtained results indicate that this approach can be employed to classify stator short-circuit faults.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de uma metodologia de manutenção preditiva para motores elétricos, que utiliza a técnica de monitoramento de variáveis, transmissão de dados pela rede elétrica (Powerline Communication) e um tratamento com os métodos multicritério para classificação (ELECTRE TRI e AHPSort) e ordenação (ELECTRE II) dos motores que apresentam condição de falha incipiente, além do aproveitamento das instalações elétricas existentes para a aquisição de dados do funcionamento de motores elétricos tais como: tensão, corrente, temperatura e vibração. Essas informações podem ser avaliadas e tratadas através de métodos multicritério para alocar os motores em classes que representam estados de funcionamento normal, aceitável e falha incipiente. Assim, nos motores classificados em condição de falha incipiente pode ser realizado um ranking para apontar o motor em pior estado de funcionamento. Neste trabalho, foi conduzido um ensaio de falhas programadas em bancada com um período de aquisição de 1 minuto das variáveis de funcionamento de seis motores. Neste período, pode ser feito o registro do motor que apresentou as condições mais críticas para a falha, considerando as variáveis medidas como critérios na análise. Após um largo período de análise, foram computadas todas as vezes que cada motor foi classificado na classe de falha incipiente e ranqueado em primeiro lugar, significando que ele possui condições fora do padrão normal de funcionamento e piores que dos outros motores analisados. Com isso, foi possível identificar o motor que, por mais vezes, esteve em condição de falha incipiente, refletindo as falhas inseridas durante o ensaio. Essa metodologia possibilitou indicar ao gestor da manutenção, os desvios do funcionamento normal de motores elétricos, considerando mais de uma variável ao mesmo tempo, alinhado aos objetivos do decisor, através dos pesos calculados para os critérios, limites e preferências estabelecidas em cada método multicritério utilizado na metodologia proposta neste trabalho. / This work presents the development of a predictive maintenance methodology for electric motors, which uses the variable monitoring technique, data transmission through the electric network (Powerline Communication) and a treatment with multicriteria methods for sorting (ELECTRE TRI and AHPSort) and ranking (ELECTRE II) electric motors with incipient failure condition and the use of existing electrical installations for the acquisition of data of the operation of electric motors such as voltage, current, temperature and vibration. This information can be evaluated and treated through multicriteria methods to allocate motors in classes that represent normal, acceptable, and incipient failure states. Thus, in electric motors classified as incipient failure condition, a ranking can be performed to detect the engine in the worst operating state. In this work, a bench experiment was conducted with a 1-minute acquisition period of the operating variables in 6 motors. In this period, the electric motor can be registered that presented the most critical conditions for the fault, considering the measured variables as criteria in the analysis. After a longer period of analysis, we computed every time this engine was classified in the incipiente failure and first rank class, which means that it has conditions that are out of the normal operating range and worse than the other engines analyzed. Through this methodology it is possible to indicate to the maintenance manager deviations from the normal operation of electric motors, considering more than one variable at the same time aligned to the objectives of the decision maker, through the weights calculated for the criteria and limits and preferences established in each multicriteria method used in the methodology proposed in this work.

CAPES / A geração de energia a partir de fontes alternativas é na atualidade tema de inúmeras pesquisas e desenvolvimento no meio científico e industrial. A energia eólica destaca-se nesse cenário como uma das mais proeminentes alternativas na geração de energia elétrica, por suas inúmeras vantagens. Em trabalhos de pesquisa, a reprodução computacional e em bancada do comportamento de uma turbina eólica, incluindo simulação de grandezas mecânicas e elétricas, que afetam diretamente a conversão de energia, são ferramentas muito apropriadas para o desenvolvimento e estudo de novas tecnologias quanto ao aproveitamento do potencial eólico de uma determinada região. Este trabalho aborda estudos referentes ao processo de conversão de energia em sistemas eólicos para geração de energia elétrica, com a finalidade de se desenvolver uma ferramenta para emulação de turbina eólica em bancada experimental, utilizando software LabVIEW®. O objetivo desta ferramenta é emular o torque mecânico desenvolvido no eixo de uma turbina eólica operando em geração distribuída, a partir de uma bancada experimental constituída por motor de indução trifásico e gerador síncrono a imã permanente, sob diferentes condições de velocidade de vento. Tal ferramenta possui o objetivo de ser flexível para demais arranjos laboratoriais, ou seja, capaz de ser empregada em outras estruturas de emulação de geração eólica em tempo real. Uma modelagem do sistema eólico é apresentada, desde a turbina ao gerador elétrico, após uma ferramenta de simulação em ambiente Matlab/Simulink® é desenvolvida com finalidade de pré-validar o experimento em bancada, então é realizada a implementação de projeto em bancada. / Power generation from alternative sources is at present the subject of numerous research and development in science and industry. Wind energy stands out in this scenario as one of the most prominent alternative in the generation of electricity, by its numerous advantages. In research works, computer reproduction and experimental behavior of a wind turbine are very suitable tools for the development and study of new technologies and the use of wind potential of a given region. These tools generally are desired to include simulation of mechanical and electrical parameters that directly affect the energy conversion. This work presents the energy conversion process in wind systems for power generation, in order to develop a tool for wind turbine emulation testing experimental, using LabVIEW® software. The purpose of this tool is to emulate the torque developed in an axis wind turbine. The physical setup consists of a three phase induction motor and a permanent magnet synchronous generator, which are evaluated under different wind speed conditions. This tool has the objective to be flexible to other laboratory arrangements, and can be used in other wind power generation structures in real time. A modeling of the wind power system is presented, from the turbine to the electrical generator. A simulation tool is developed using Matlab/Simulink® with the purpose to pre-validate the experiment setup. Finally, the design is implemented in a laboratory setup.

CAPES; CNPq; FINEP; FA; UNICAMP / Este trabalho apresenta a comparação entre as respostas à vibração, de sensores baseados em redes de Bragg em fibra ótica, sendo um em fibra padrão G-652 (FBG) e outros na mesma fibra, porém afinada – taper (TFBG) com diâmetros de 60μm e 80μm. Os sensores foram submetidos à vibração na faixa de frequência entre 50Hz e 240Hz, geradas por um alto falante alimentado através de um amplificador por um gerador de ondas senoidais com controle de frequência e amplitude. A faixa de frequência utilizada é de interesse para aplicação no monitoramento de vibração em motores elétricos, cujas frequências de trabalho são de 57,0Hz a 59,2Hz e suas harmônicas. Os resultados mostraram que os sensores à vibração baseados em TFBG, tiveram resultado superior ao da FBG, obtendo-se um ganho médio de 2,1 para a TFBG 80μm e de 2,7 para a TFBG 60μm. Utilizando, como referência, um acelerômetro baseado em redes de Bragg em fibra ótica de sensibilidade 98pm/g, o sensor TFBG 80μm apresentou uma sensibilidade de 64,4pm/g e o sensor TFBG 60μm apresentou uma sensibilidade de 84,8pm/g. / This work presents results of a comparison of the responses to vibration sensors based on Bragg gratings in optical fiber, being a standard fiber G-652 (FBG) and others in the same fiber, but tapered (TFBG) with diameters of 60 micrometers and 80 micrometers. The sensors were subjected to vibration in the frequency range between 50Hz and 240Hz, generated by a speaker through an amplifier powered by a sinusoidal wave generator with a frequency and voltage control. The frequency range used is of interest for use in the vibration monitoring of electric motors, whose working at frequencies of 57.0Hz to 59.2Hz and its harmonics. The results showed that the vibration sensors based on TFBG, exhibited superior results to the FBG, yielding a gain of 2.1 for TFBG 80 micrometers and of 2.7 for the TFBG 60 μm. Using, as a reference, an fiber Bragg gratings accelerometer with a sensitivity of 98pm/g, the TFBG 80 micrometers sensor had a sensitivity of 64.4pm/g and the TFBG 60 micrometers sensor had a sensitivity of 84.8pm/g.

CAPES / A geração de energia a partir de fontes alternativas é na atualidade tema de inúmeras pesquisas e desenvolvimento no meio científico e industrial. A energia eólica destaca-se nesse cenário como uma das mais proeminentes alternativas na geração de energia elétrica, por suas inúmeras vantagens. Em trabalhos de pesquisa, a reprodução computacional e em bancada do comportamento de uma turbina eólica, incluindo simulação de grandezas mecânicas e elétricas, que afetam diretamente a conversão de energia, são ferramentas muito apropriadas para o desenvolvimento e estudo de novas tecnologias quanto ao aproveitamento do potencial eólico de uma determinada região. Este trabalho aborda estudos referentes ao processo de conversão de energia em sistemas eólicos para geração de energia elétrica, com a finalidade de se desenvolver uma ferramenta para emulação de turbina eólica em bancada experimental, utilizando software LabVIEW®. O objetivo desta ferramenta é emular o torque mecânico desenvolvido no eixo de uma turbina eólica operando em geração distribuída, a partir de uma bancada experimental constituída por motor de indução trifásico e gerador síncrono a imã permanente, sob diferentes condições de velocidade de vento. Tal ferramenta possui o objetivo de ser flexível para demais arranjos laboratoriais, ou seja, capaz de ser empregada em outras estruturas de emulação de geração eólica em tempo real. Uma modelagem do sistema eólico é apresentada, desde a turbina ao gerador elétrico, após uma ferramenta de simulação em ambiente Matlab/Simulink® é desenvolvida com finalidade de pré-validar o experimento em bancada, então é realizada a implementação de projeto em bancada. / Power generation from alternative sources is at present the subject of numerous research and development in science and industry. Wind energy stands out in this scenario as one of the most prominent alternative in the generation of electricity, by its numerous advantages. In research works, computer reproduction and experimental behavior of a wind turbine are very suitable tools for the development and study of new technologies and the use of wind potential of a given region. These tools generally are desired to include simulation of mechanical and electrical parameters that directly affect the energy conversion. This work presents the energy conversion process in wind systems for power generation, in order to develop a tool for wind turbine emulation testing experimental, using LabVIEW® software. The purpose of this tool is to emulate the torque developed in an axis wind turbine. The physical setup consists of a three phase induction motor and a permanent magnet synchronous generator, which are evaluated under different wind speed conditions. This tool has the objective to be flexible to other laboratory arrangements, and can be used in other wind power generation structures in real time. A modeling of the wind power system is presented, from the turbine to the electrical generator. A simulation tool is developed using Matlab/Simulink® with the purpose to pre-validate the experiment setup. Finally, the design is implemented in a laboratory setup.

CAPES; CNPq; FINEP; FA; UNICAMP / Este trabalho apresenta a comparação entre as respostas à vibração, de sensores baseados em redes de Bragg em fibra ótica, sendo um em fibra padrão G-652 (FBG) e outros na mesma fibra, porém afinada – taper (TFBG) com diâmetros de 60μm e 80μm. Os sensores foram submetidos à vibração na faixa de frequência entre 50Hz e 240Hz, geradas por um alto falante alimentado através de um amplificador por um gerador de ondas senoidais com controle de frequência e amplitude. A faixa de frequência utilizada é de interesse para aplicação no monitoramento de vibração em motores elétricos, cujas frequências de trabalho são de 57,0Hz a 59,2Hz e suas harmônicas. Os resultados mostraram que os sensores à vibração baseados em TFBG, tiveram resultado superior ao da FBG, obtendo-se um ganho médio de 2,1 para a TFBG 80μm e de 2,7 para a TFBG 60μm. Utilizando, como referência, um acelerômetro baseado em redes de Bragg em fibra ótica de sensibilidade 98pm/g, o sensor TFBG 80μm apresentou uma sensibilidade de 64,4pm/g e o sensor TFBG 60μm apresentou uma sensibilidade de 84,8pm/g. / This work presents results of a comparison of the responses to vibration sensors based on Bragg gratings in optical fiber, being a standard fiber G-652 (FBG) and others in the same fiber, but tapered (TFBG) with diameters of 60 micrometers and 80 micrometers. The sensors were subjected to vibration in the frequency range between 50Hz and 240Hz, generated by a speaker through an amplifier powered by a sinusoidal wave generator with a frequency and voltage control. The frequency range used is of interest for use in the vibration monitoring of electric motors, whose working at frequencies of 57.0Hz to 59.2Hz and its harmonics. The results showed that the vibration sensors based on TFBG, exhibited superior results to the FBG, yielding a gain of 2.1 for TFBG 80 micrometers and of 2.7 for the TFBG 60 μm. Using, as a reference, an fiber Bragg gratings accelerometer with a sensitivity of 98pm/g, the TFBG 80 micrometers sensor had a sensitivity of 64.4pm/g and the TFBG 60 micrometers sensor had a sensitivity of 84.8pm/g.

Esta tese apresenta uma metodologia específica para a quantificação das perdas energéticas em motores elétricos de indução trifásicos com rotor em gaiola, por meio da determinação indireta do rendimento nas condições de funcionamento a plena carga. A referida metodologia, denominada MHmit, foi desenvolvida em ambientes industriais, particularmente no segmento alimentício, contando também com a colaboração do Laboratório de Máquinas Elétricas do Instituto de Eletrotécnica e Energia da Universidade de São Paulo no tocante a disponibilização dos ensaios de vários motores de indução trifásicos com rotor em gaiola ao longo de vários anos de prestação de serviços. Esses ensaios foram de extrema importância para a validação da metodologia apresentada. Sendo o motor elétrico um equipamento de uso final de forte presença industrial, é passível de substituição por tecnologias mais eficientes mediante a realização de estudos de eficiência energética. Os diagnósticos energéticos em sistemas motrizes beneficiam as indústrias por meio da diminuição dos custos com energia elétrica, tanto pela redução de demanda, quanto pela redução do consumo. Porém, para o desenvolvimento desta metodologia foi necessária a avaliação de estudos realizados por empresas prestadoras de serviços na área de conservação de energia elétrica. Essas empresas foram selecionadas a partir da averiguação da satisfação do cliente quanto aos serviços prestados e resultados obtidos após a substituição dos motores. Por meio da análise de 266 casos, verificaram-se os problemas encontrados por essas empresas antes, durante e após a substituição dos motores elétricos do tipo padrão por de alto rendimento. Em alguns casos, a substituição de um motor antigo do tipo padrão por um motor novo do tipo alto rendimento resultou num aumento do consumo de energia elétrica, fato este totalmente controverso quando se espera uma economia de 2 a 6% proveniente desta mudança de tecnologias, de acordo com Eletrobrás e NEMA MG 1. A metodologia MHmit desenvolvida neste trabalho contempla esta situação. As principais metodologias atualmente utilizadas na realização de estudos para substituição de motores elétricos dos tipos padrão por alto rendimento foram analisadas e apresentadas neste trabalho. Dentre elas, a metodologia convencional, que utiliza curvas de motores elétricos para a determinação do rendimento, a metodologia que utiliza o programa denominado BD Motor, desenvolvido pelo Centro de Pesquisas em Energia Elétrica da Eletrobrás, a VII metodologia que utiliza o programa Mark IV, desenvolvido por pesquisadores da Universidade Federal de Itajubá, em parceria com o Procel / Eletrobrás e o software Motor Master, desenvolvido pelo Departamento de Energia Norte-Americano (DoE). Todos esses programas estão disponíveis gratuitamente para download no site do Procel Info / Eletrobrás - www.procelinfo.com.br. A metodologia MHmit, desenvolvida neste trabalho, apresentou desvios percentuais satisfatórios (10,12%) entre os valores previstos (durante as simulações com o aplicativo MHmit) e reais (por meio da verificação da real economia de energia elétrica proporcionada após a substituição do novo motor) das metodologias em estudo. Estas, não contemplam dados de parâmetros de motores antigos, dificultando a obtenção de um valor verdadeiro do rendimento do motor em funcionamento, pois muitas vezes este já sofreu reparos, rebobinagens e curtos-circuitos. Os 86 estudos de caso realizados para a validação desta metodologia (motores com potências de 7,5 a 125 cv) mostraram diferenças significativas entre os valores previstos pelas metodologias atuais e a metodologia desenvolvida MHmit. / This thesis presents a specific methodology to quantify the energy loss in three-phase induction electric motors with cage rotor, by indirect determination of efficiency under operation conditions at full load. This methodology, named MHmit, was developed in industrial environments, particularly in textile and food sectors, relying on the collaboration of the machines laboratory of the Institute of Electrotechnics and Energy, University of São Paulo on the availability of tests in several three-phase induction motors with cage rotor over several years under the laboratory service. These essays were extremely important to validate the presented methodology. Once the electric motor is an equipment of final use strongly present in industry, it is subject to replacement by more efficient technologies by carrying out energy efficiency studies. Energy Diagnosis in electric motors aims to provide the client with a decrease in electric energy costs, not only a decrease in demand, but also as a decrease in consumption. However, for the development of this methodology, it was necessary for evaluation, an assessment by companies that provide services in the area of energy conservation. These companies were selected from an investigation of customer satisfaction on services provided and results obtained after replacing the motors. By analyzing 266 cases, the problems found by these companies had been verified before, during and after the substitution of standard electric motors by high-efficiency ones. In some cases, the substitution of an old standard motor by a new high-efficiency one resulted in an increase of consumption of electric energy, and this fact is totally controversial when one expects savings of 2 to 6 % from this change of technologies, according to Eletrobrás and NEMA MG 1. The methodology MHmit developed in this work covers this situation. The main methodologies currently used to carry out studies to replace standard electric motors by high-efficiency ones were analyzed and presented in this work. Amongst them, the conventional methodology, which uses electric motor curves to determine efficiency, and the methodology that uses the program named BD Motor, developed by the Center of Research in Electric Energy of Eletrobrás, the methodology that uses the program Mark IV, developed by researchers from Federal University of Itajubá, in partnership with Procel/Eletrobrás and the IX program named Motor Master, developed by the North American Department of Energy (DoE). All these programs are freely available for download at Procel Info/Eletrobrás website - www.procelinfo.com.br. The MHmit methodology, developed in this work, presented satisfactory percentage values of deviations (10,12%), between the predicted values (during simulations with MHmit application) and real (by checking the real electric energy savings provided after the old standard motor replacement) when compared to the methodologies in study. These, do not include the old motor data parameters, making it difficult to obtain a true value of motor operation efficiency, because it may have gone through repairs, rewinding and short-circuits. The 86 case studies which were carried out for the validation of this methodology (motors with rated power from 7.5 to 125 hp) showed significant differences between the values provided by current methodologies and the methodology developed MHmit.