This thesis investigates optimization of the control of electrical and thermal equipment by using FEM and CFD modeling in combination with dynamic simulation models. The thesis focuses on the production of electrical strips and the control system with the aim of reducing losses and improving magnetic properties. Several parameters and factors contribute to core losses. Thickness deviations in strip production, high levels of impurities in the core, orientation, ageing, surface oxidation, overloading, and hot spot temperature are among the reasons for losses in the core. Some of the losses occur during strip cutting and core assembly. This dissertation focuses on the reduction of losses in the cold rolling, annealing and manufacturing stages. The cold rolling process has a direct influence on the accuracy of the strip thickness and magnetic ageing of sheets. Some disturbances such as eccentricity, working rolls gap deviation, shape and edge deflections have to be removed in order to achieve accurate thickness. Thickness measurement makes up an important portion of loss evaluation in electrical equipment. Impurities and dirty strip surfaces in the cold rolling step can increase the carbon content of strips that pass through the annealing furnaces after cold rolling. The slab should be cleaned before reeling and rewinding. As the strip passes through the annealing furnaces, the temperature should be homogenous over the entire strip. According to simulations of furnace and strip temperature computed in the COMSOL environment, homogenous temperatures may be achieved using high electrical power reflectors which are equipped with molybdenum disilicide (MoSi2) electrical heating elements to replace the gas fired burners that are currently used. Modelling of the cold rolling process is conducted in order to find the correlation between control system parameters. A multivariable mathematical model for the rolling process is derived here, which reveals the interactions of the influencing variables. This approach provides numerically efficient algorithms, which are necessary for running in a real-time environment. A control model is applied in the MATLAB environment in order to determine the strip thickness at online-offline state using a robust algorithm. The critical problem in the thickness control loop is analysed, and an adaptive control algorithm is proposed. A number of control methods are investigated to improve the final strip properties. Cold rolled strip thickness deviations, eccentricities and shape defects are compensated for. The simulation results are verified with measurement data and the most significant sources of disturbances are detected. Finally, to solve the hottest spot problem in large scale electric power transformer, a new apparatus, oil spraying, is proposed and analysed. / Denna avhandling behandlar optimering och kontroll av elektrisk och termisk utrustning med hjälp av FEM och CFD-modellering i kombination med dynamiska simuleringsmodeller. Avhandlingen fokuserar på produktion av remsor och styrsystemet i syfte att minska förluster och ge bättre magnetiska egenskaper. Flera parametrar och faktorer bidrar till förluster i kärnan. Tjockleksavvikelser i remsor, höga nivåer av föroreningar i kärnan, orientering, åldrande, yta oxidation, överbelastning och temperaturer i heta punkter finns bland orsakerna till förlusterna i kärnan. Några av de förluster som uppstår under klippning av remsor och ihopsättningen av kärnan. Denna avhandling fokuserar på att minska förlusterna i produktionsstegen för kallvalsning och  glödgning. Kallvalsningen har ett direkt inflytande på riktigheten av remsornas tjocklek och magnetiska åldrande. Vissa störningar i till exempel excentriciteten, gapet mellan valsarna, form och kanter måste minimeras för att uppnå korrekt tjocklek. Tjockleksmätningar utgör en viktig del av utvärderingen av förluster  i elektrisk utrustning. Föroreningar och smutsiga bandytor i kallvalsningssteget kan öka kolhalten i band som passerar genom ugnar efter kallvalsning. Valsämnet bör rengöras innan avhaspling och upprullning. När bandet passerar genom glödgningsugnar bör temperaturen vara homogen över hela remsan. Enligt simuleringar av ugnen och remsans temperatur kan homogen temperatur uppnås med elektriska värmeelement (Molybden disilikat, MoSi2) insatta i reflektorer. De kan ersätta den gaseldade brännare som för närvarande används. Modellering av kallvalsningsprocessen sker i syfte att hitta korrelation mellan styrsystemparametrar. En multivariabel matematisk modell för valsningsprocessen har tagits fram som använder korrelation mellan variabler. Denna metod ger numeriskt effektiva algoritmer som behövs för att köra i en realtids-miljö. En modell har tagits fram för att bestämma remsornas med tjocklek för kontinuerlig och icke-kontinuerligt tillstånd med hjälp av en robust algoritm. Det kritiska problemet i reglerloopen för tjocklek har analyserats, och en adaptiv regleralgoritm föreslås. Ett antal metoder har undersökts för att förbättra de slutliga bandegenskaperna. Avvikelser i kallvalsade band med avseende på tjocklek, excentriciteter och form kompenseras. Simuleringsresultaten har verifierats med mätdata och de viktigaste källorna till störningar upptäckts.   Slutligen, för att lösa problemet med heta punkter i stora transformatorer föreslås en ny metod för oljesprutning, vilken också analyseras i avhandlingen.

This thesis analyzes the power losses in induction machines and how the losses depend on the harmonic content of the applied voltages. Two cases are compared, one case where a machine is fed with a sinusoidial voltage and one case with a modular multilevel converter (M2C). The sine is representing an ideal grid while the M2C represents a case with harmonic content. The usage of converters for electrical drive systems is increasing due to advantages when the rotor speed could be variable by changing the frequency of the voltage. This is usually increasing the efficiency of the overall system, but is also adding harmonics fed to the machine and switching losses in the converter. Low switching losses in the inverter usually create higher harmonic content that instead increases the losses of the machine. The M2C is then proposed as a converter topology that can keep the harmonic content low while keeping the switching losses relatively low. This study focuses on the iron losses, the part of the total losses that is most hard to predict or measure. Today’s methods used to calculate the iron losses are often rough approximations that do not take the impact of the harmonic content of voltage into consideration, even though the iron losses are dependent on the harmonics. Experimental results in the study show that the losses of a M2C-fed case do not differ much from a sine-fed case. The difference could be explained by low increase of iron losses caused by the small harmonic content from the M2C. The increase of iron losses was linked to the harmonic content of the voltage. / Detta examensarbete analyserar effektförluster i induktionsmaskiner och hur förlusterna beror på övertonsinnehållet i den matande spänningen. Två fall kommer att jämföras, ett fall där en maskin är matad från en sinus spänning och ett fall med en modulär multinivå omvandlare (M2C). Sinusen representerar ett idealt nät medan M2C representerar ett fall med övertonsinnehåll. Användning av omvandlare för elekriska drivsystem ökar på grund av fördelarna när rotorhastighet kan varieras genom att ändra frekvensen från den matande växelriktaren. Detta ökar vanligtvis verkningsgraden på det sammanlagda systemet, men detta bidrar även med övertonsinnehåll matat till maskinen och switchförluster i omvandlaren. Låga switchförluster i omvandlaren medför oftast ett högt övertonsinnehåll som istället ökar förlusterna i maskinen. M2C är därför föreslaget som en teknik som håller övertonsinnehållet lågt medan switchförlusterna är relativt låga. Denna studie fokuserar på järnförluster, den del av de totala förlusterna som är som svårast att förutse eller mäta. De metoder som finns för att beräkna järnförlusterna är vanligtvis grova skattningar som inte tar hänsyn till inverkan från spänningens övertoninnehåll, även om järnförluster beror på övertonerna i stor utsträckning. Experimentella resultat i studien visar att förlusterna i ett M2C-matat fall inte avviker i stor utsträkning jämte ett sinusmatat fall. Skillnanen kan förklaras utifrån den lilla ökningen av järnförluster från det låga övertonsinnehållet från M2C:n. Järnförlusterna ses vara kopplade till övertonsinnehållet i spänningen.

Electric drives are crucial components of powertrain of modern vehicles. They need to be controlled effectively to deliver a comfortable and efficient driving experience. The control unit needs to be robust to handle extreme operating conditions and faults in a safe manner. Hardware in Loop (HIL) setups can be used to develop such control units for majority of real-life test cases, without involving physical drives. Typical HIL setup includes the controller (hardware) under test connected to a high fidelity computer model of the controlled system (plant). Thanks to the efficient, inexpensive, consistent and nondestructive nature of HIL setups, they are widely used for research and development in the automotive industry. This thesis focuses on developing such a HIL setup for latest electric drive architecture at Scania CV AB. In this thesis, the plant models are programmed onto a field programmable gate array (FPGA). The HIL setup, plant models and the controller are continuously improved throughout the thesis to achieve higher fidelity and real time replication of the internal permanent magnet synchronous machine under consideration. Software in Loop (SIL) strategy, wherein all components are represented by computer models, is also applied for rapid developments. Several aspects like flux linkage-based and inductance-based machine models, choice of arithmetic, discretization methods, noise, delays, etc. are studied and optimised during the thesis. Validation is conducted for both SIL and HIL setups and above 95% correlation with physical drive’s performance is reported. Stable operation and repeatability of the developed HIL setup ensure that the framework is scalable to be applied to other drives and control units. / Elektriska drivenheter är centrala komponenter i drivlinan hos moderna elektriska fordon. Drivenheterna måste regleras effektivt för att ge en bekväm och effektiv körupplevelse. Regulatorn måste vara robust för att säkert hantera extrema driftsförhållanden och fel. Hardware in Loop (HIL) simuleringar kan användas för att utveckla sådana regulatorer för de flesta verkliga testfall, utan att involvera de fysiska komponenterna. En typisk HIL-installation inkluderar styrenheten (hårdvaran) som testas ansluten till en datormodell av det kontrollerade systemet (anläggningen). På grund av den effektiva, billiga, konsekventa och oförstörande naturen hos HIL simuleringar används de i stor utsträckning för FoU inom fordonsindustrin. Detta examensarbete fokuserar på att utveckla en sådan HIL-modell för en elektrisk drivlina hos Scania CV AB. I detta examensarbete är anläggningsmodellerna programmerade på en programmerbar integrerad krets. HIL-inställningen, anläggningsmodellerna och styrenheten förbättras kontinuerligt under hela examensarbetet för att uppnå högre kvalitet och realtidsreplikering av den permanentmagnetiserade synkronmaskin som övervägs. En Software in Loop (SIL) strategi, där alla komponenter representeras av datormodeller, tillämpas också för snabb utveckling. Flera aspekter såsom flödesbaserade och induktansbaserade maskinmodeller, val av aritmetik, diskretiserings metoder, brus, fördröjningar etc. studeras och optimeras. Validering utförs för både SIL- och HIL-inställningar och över 95% korrelation med fysiska enhetsprestanda erhålls. Stabil drift och repeterbarhet av den utvecklade HIL-kretsen säkerställer att ramverket är skalbart för att kunna appliceras på andra enheter och regulatorer.

In the recent decades, an increased interest into multiphase machines has developed due to certain beneficial properties they have over the standard three- phase machines. Proper modelling of a multiphase machine allows access to higher degrees of freedom given by the ability to control higher order harmonic frames. This feature is of particular interest in the area of parameter estimation as it may provide an opportunity to implement methods that are not feasible in three- phase machines. Modelling of a real six- phase machine meant for marine application with a functioning control structure is carried out on MATLAB/Simulink; considering nonlinear relations, cross coupling and saturation effects, the model includes the machine’s behavior in the fundamental frame as well as the next two higher order harmonic frames. Stator resistances and permanent magnet flux linkage are estimated online and simultaneously during various operating points. It is shown that stator resistance may be accurately estimated by means of DC test signal injections into the highest order harmonic frame; thus, minimizing torque ripple and additional loss generation. Permanent magnet flux linkage is accurately estimated via reactive power calculations on the fundamental frame which remains undisturbed by the aforementioned test signals. / Under de senaste decennierna har intresset för flerfasmaskiner ökat, på grund av i vissa avseenden, fördelaktiga egenskaper i jämförelse med traditionella trefasmaskiner. En väl genomförd modellering av flerfasmaskiner möjliggör högre grader av frihet givet förmågan att kontrollera frekvensplan av högre ordning. Denna funktion är av särskilt intresse inom parameteruppskattning, då det kan ge möjligheter att implementera metoder som är omöjliga i trefas maskiner. En modell av en verklig sexfasmaskin, byggd för en marin tillämpning och med ett givet styrsystem, har skapats i MATLAB/Simulink. Modellen tar hänsyn till ickelinjära förhållanden, korskopplingar och mättning. Den inkluderar även maskinens egenskaper i det fundamentala frekvensplanet och de två nästkommande frekvensplanen av högre ordning. Statorresistansen och permanentmagneternas sammanlänkade flöden uppskattas i realtid för olika driftsförhållanden. Det visar sig att statorresistansen kan uppskattas noggrant genom inmatning av en DC testsignal i högsta ordningens frekvensplan vilket minimerar momentrippel och extra förluster. Permanentmagneternas flöden kan uppskattas noggrant genom beräkning av den reaktiva effekten i det fundamentala frekvensplanet som är opåverkat av de ovan nämnda testsignalerna.

Electrical machines with more than three phases are usually called multiphase electrical machines and they can have several advantages compared to conventional three-phase electrical machines such as a lower content of space-harmonics, lower torque ripple and better fault tolerance. This degree project involves rewinding of a three-phase induction machine into an asymmetrical six-phase machine. The winding design is based on simulations of a machine model in a finite element method software and the method "the star of the slot" that computes winding layouts. A six-phase drive is developed based on an existing printed circuit board prototype that is not operating according to its original specifications. Debugging of the prototype is performed and solutions to the problems are identified. Design and layout improvements for better electromagnetic compatibility are also implemented. The drive including the electrical machine is tested and confirmed to be working according to the specifications. Speed control based on indirect rotor field orientation is implemented and tested for the six-phase induction machine as well with the machine connected as a standard three-phase induction machine. / Elektriska maskiner med fler än tre faser kallas vanligtvis flerfasiga elektriska maskiner och kan ha flera fördelar jämfört med konventionella trefasiga elektriska maskiner, som lägre innehåll av övervågor, lägre rippel i vridmomentet och bättre feltolerans. Detta examensarbete involverar omlindning av en trefasig asynkronmaskin till en asymmetrisk sexfasig asynkronmaskin. Lindningsdesignen baseras på simuleringar av en maskinmodell i mjukvara baserat på finita element metoden och metoden kallad the star of the slotsom räknar ut lindnings ritningar. En sexfasig drivlina utvecklas baserat på en existerande kretskorts prototyp som inte fungerar enligt dess ursprunliga specifikationer. Felsökning av prototypen utförs och lösningar till problemen identifieras. Design- och layoutförbättringar för bättre elektromagnetisk kompatibilitet implementeras också. Drivlinan med den elektriska maskinen inkluderad testas och bekräftas fungera enligt dess specifikationer. Hastighetsreglering baserad på indirekt rotorfälts orientering implementeras och testas för den sexfasiga asynkronmaskinen samt även med maskinen kopplad som en standard trefas asynkronmaskin.

A common architecture for electric vehicles is to have two electric machines one each on the front and rear axle. Despite the redundancy, this configuration ensures performance. Being energy efficient is equally important for electric vehicles to deliver a sufficiently high range. Hence, operating a single machine at low to medium torque requirement is desirable. A clutch can be implemented on the front axle and its engagement dynamically controlled to reduce the magnetic drag losses in the front machine. With clutch disengaged, the entire torque will be delivered by the rear machine causing it to heat up quickly. As electric machine and inverter losses are also temperature dependent, this work attempts to derive an optimal torque split strategy between the two machines considering thermal effects. An upper-temperature limit for both electric machine and inverter is imposed for component protection. Thermal models for the electric machine, inverter and coolant circuit are simplified using system identification and model order reduction approach. Dynamic optimal torque split is realized by minimizing the energy loss over the entire drive cycle. Dynamic programming is used to investigate the benefits of including thermal losses and to generate a benchmark solution for optimal torque split strategy. Further, two online controllers are developed, one based on non-linear model predictive control and the other being a static controller with added heuristic rules to prevent temperatures of critical components to exceed the limits. A high-fidelity plant model was developed using VSIM as master and GT-Suite thermal model as slave to compare the performance of these controllers. The results show that it is possible to obtain decent thermal performance of electric motor and inverter with one node lumped parameter thermal model and a five-node lumped parameter model for the coolant circuit. Including thermal dynamics in the controller can constraint the temperature within the limits and give an optimal torque split. The benefit of adding temperature-dependent thermal maps is found to be limited to certain operating regions. The static controller with torque split based on instantaneous power loss also performed well for the given configuration. The major contribution to energy saving was obtained by dynamic disengagement of clutch in the form of reduced magnetic drag losses. / En vanlig arkitektur för elfordon är att ha två elmaskiner en vardera på fram- och bakaxeln. Trots redundansen säkerställer denna konfiguration prestanda. Att vara energieffektiv är lika viktigt för att elfordon ska leverera en tillräckligt hög räckvidd. Det är därför önskvärt att driva en enda maskin med lågt till medelhögt vridmoment. En koppling kan implementeras på framaxeln och dess ingrepp kan styras dynamiskt för att minska de magnetiska motståndsförlusterna i den främre maskinen. Med kopplingen urkopplad kommer hela vridmomentet att levereras av den bakre maskinen vilket gör att den snabbt värms upp. Eftersom förluster av elektriska maskiner och växelriktare också är temperaturberoende, försöker detta arbete härleda en optimal vridmomentsdelningsstrategi mellan de två maskinerna med tanke på termiska effekter. En övre temperaturgräns för både elektrisk maskin och växelriktare är införd för komponentskydd. Termiska modeller för den elektriska maskinen, växelriktaren och kylvätskekretsen förenklas med hjälp av systemidentifiering och modellbeställningsreduktion. Dynamisk optimal vridmomentdelning realiseras genom att minimera energiförlusten under hela körcykeln. Dynamisk programmering används för att undersöka fördelarna med att inkludera termiska förluster och för att generera en benchmarklösning för optimal vridmomentsdelningsstrategi. Vidare utvecklas två online-styrenheter, en baserad på icke-linjär modell för prediktiv styrning och den andra är en statisk styrenhet med tillagda heuristiska regler för att förhindra att temperaturer på kritiska komponenter överskrider gränserna. En högfientlig anläggningsmodell utvecklades med VSIM som master och GT-Suite termisk modell som slav för att jämföra prestandan hos dessa styrenheter. Resultaten visar att det är möjligt att erhålla hyfsad termisk prestanda för elmotor och växelriktare med en termisk modell med en nodklumpad parameter och en femnodsmodell med klumpparametrar för kylvätskekretsen. Att inkludera termisk dynamik i regulatorn kan begränsa temperaturen inom gränserna och ge en optimal vridmomentfördelning. Fördelen med att lägga till temperaturberoende termiska kartor har visat sig vara begränsad till vissa driftsområden. Den statiska styrenheten med vridmomentdelning baserad på momentan effektförlust fungerade också bra för den givna konfigurationen. Det största bidraget till energibesparingen erhölls genom dynamisk urkoppling av kopplingen i form av minskade magnetiska motståndsförluster.