Axial flux induction machines are attractive solutions for electric vehicle applications nowadays. Thanks to their high torque density and no need for rare-earth material for permanent magnets, axial flux induction machines are the most used electric machine type with good performance and low prices. Research on the thermal characteristics of induction machines can benefit the design development of products. Generally, the finite element analysis (FEA) method is used to conduct a fast thermal simulation of machines. However, a significant disadvantage of the FEA method is that the forced convection heat transfer and the fluid motion are challenging to consider. To solve this problem, the thesis work focuses on conducting a computational fluid dynamics (CFD) model to predict the temperature distribution of the AuraGen induction machine and the velocity distribution of the airflow by accurately considering the forced convection heat transfer and the fluid motion in different operation conditions. The thesis work covers the improvement of 3D cad models of the AuraGen induction machines and airflow fields, evaluation of simulation parameters of the CFD simulation models, and the comparison of results between the CFD simulation, FEA simulation, and physically experimental measurements. Finally, the best CFD simulation model can accurately predict the temperature distribution of all components of the induction machine and the airflow in the 3000, 2000, and 1000 rpm conditions. The accuracy satisfies the desired goal which is within 4℃ of the average error and 8℃ of the maximum error. Velocity distributions of the airflow can also show characteristics of the fluid motion from inlets to the outlet. Compared with simulation results of the FEA method, the CFD simulation model has significantly more accurate results when applied for a wide range of operating speeds to predict the temperature distribution in the forced convection heat transfer condition. The good CFD simulation results can help quickly discover design problems in the early stage of the product development process without making repeated prototype constructions and physical tests. The good CFD simulation results are beneficial to reducing the number of necessary prototypes and therefore reducing development costs and time consumed. / Axial Flux Induktionsmaskiner är attraktiva lösningar för elektriska fordonsansökningar nuförtiden. Tack vare sin höga vridmomentäthet och inget behov av sällsynt jordmaterial för permanenta magneter är Axial Flux-induktionsmaskiner den mest använda elektriska maskintypen med bra prestanda och låga priser. Forskning om induktionsmaskinernas värmekarakteristik kan gynna designutvecklingen av produkter. I allmänhet används metoden Finite Element Analysis (FEA) för att genomföra en snabb termisk simulering av maskiner. Emellertid är en signifikant nackdel med FEA-metoden att den tvungen konvektionsvärmeöverföringen och fluidrörelsen är svåra att ta hänsyn till. För att lösa detta problem fokuserar avhandlingsarbetet att genomföra en CFD-modell för att förutsäga temperaturfördelningen av Auragen-induktionsmaskinerna och luftflödeshastighetsfördelningen genom att noggrant överväga den tvungen konvektionsvärmeöverföring och fluidrörelse i olika driftsförhållanden. Avhandlingsarbetet täcker förbättringen av 3D CAD-modeller av Auragen-induktionsmaskiner och luftflödesfält, utvärdering av simuleringsparametrar för CFD-simuleringsmodellerna och jämförelsen av resultaten av CFD-simuleringen, FEA-simulering och fysiskt experimentella mätningar. Slutligen kan den bästa CFD-simuleringsmodellen noggrant förutsäga temperaturfördelningen av alla komponenter i induktionsmaskinen och luftflödet i 3000, 2000 och 1000 rpm-förhållandena. Noggrannheten uppfyller det önskade målet som är inom 4 ℃ från medelfelet och 8 ℃ från det maximala felet. Velocitetsfördelningar av luftflödet kan också visa egenskaper hos fluidrörelsen från inlopp till utloppet. Jämfört med simuleringsresultat av FEA-metoden har CFD-simuleringsmodellen betydligt mer exakta resultat när det appliceras för ett brett spektrum av driftshastigheter för att förutsäga temperaturfördelningen i det tvångsöverföringstillstånd. De goda CFD-simuleringsresultaten kan hjälpa till att snabbt upptäcka designproblem i ett tidigt skede av produktutvecklingsprocessen utan att göra upprepade prototypkonstruktioner och fysiska tester. De goda CFD-simuleringsresultaten är fördelaktiga för att minska antalet nödvändiga prototyper och därför minska utvecklingskostnaderna och tidsåtgången.

In industrial settings, a common challenge associated with electrical machines is the lack of parameters, which are not always available from the machine manufacturer. These parameters play a crucial role in tuning the control gains of Field-Oriented Control (FOC). Traditional parameter identification methods, widely accepted in the literature, are the standard IEEE tests such as DC measurement, no-load test, locked-rotor test, and short circuit test. However, their implementation can be impractical as they necessitate additional equipment that may be costly and not readily accessible. This thesis addresses self-commissioning procedures as a solution to this challenge, aiming to automatically identify electrical parameters of machine equivalent circuits. Specifically, this study focuses on the Imperix motor testbench, comprising Induction Machine (IM) and Surface Mounted Permanent Magnet Synchronous Machine (SPMSM). Self-commissioning utilizes signal injection through a power converter and the available sensors, with minimal operator intervention and no additional equipment. For the SPMSM, the parameters under study include the stator resistance, the synchronous inductance, and the Permanent Magnets (PM)-flux. The resistance is estimated through DC current injection considering the inverter non-linearity. The synchronous inductance and its saturation characteristic are examined using high-frequency sinusoidal injection with and without DC bias via a Current Controller (CC), and square wave voltage injection through hysteresis control. The PM-flux is determined by accelerating the SPMSM using the IM as a prime mover in an open circuit configuration. This deviation from the standstill constraint of the self-commissioning procedure is necessary as the PM’s effect becomes visible only when the rotor speed is non-zero. For the IM, the stator resistance, the leakage inductance, the rotor resistance, and the magnetizing inductance are analyzed. The stator resistance and inverter non-linearity are identified using the same method as for the SPMSM. The leakage inductance is tested with a high-frequency sinusoidal injection with stepped DC bias, with which the saturation characteristic is built. Then, a DC-biased low-frequency sinusoidal injection identifies the rotor resistance. The magnetizing inductance is not identified in this work because of the extensive nature of the problem and time constraints. Comparison with standard IEEE tests serves as validation, demonstrating close alignment of the results, except for discrepancies in the unsaturated SPMSM synchronous inductance estimation. The introduced innovation involves adapting existing procedures, initially developed for other AC machines, to SPMSM applications, for which only limited literature is available. Overall, this work makes a valuable contribution to understanding the influence of inverter non-linearity and saturation behavior on parameter identification. It also opens the door to integrating saturation effects into control algorithms, which enables dynamic adjustment of FOC gains, potentially enhancing control performance. / I industriella miljöer är en vanlig utmaning i samband med elektriska maskiner bristen på parametrar, som inte alltid är tillgängliga från maskintillverkaren. Dessa parametrar spelar en avgörande roll för att ställa in kontrollförstärkningarna för fältorienterad kontroll (FOC). Traditionella metoder för parameteridentifiering, som är allmänt accepterade i litteraturen, är standard IEEE-tester som DC-mätning, nollbelastningstest, låst rotortest och kortslutningstest. Implementeringen av dessa kan dock vara opraktisk eftersom de kräver ytterligare utrustning som kan vara kostsam och svåråtkomlig. Denna avhandling behandlar procedurer för självavstängning som en lösning på denna utmaning och syftar till att automatiskt identifiera elektriska parametrar för maskinens ekvivalenta kretsar. Studien fokuserar särskilt på Imperix motortestbänk, som består av induktionsmaskiner (IM) och ytmonterad synkronmaskin med permanentmagnet (SPMSM). Självinkoppling är en stilleståndsprocedur som använder signalinjektion genom en kraftomvandlare och de tillgängliga sensorerna, med minimal operatörsintervention och utan extra utrustning. För SPMSM studeras parametrarna statorresistans, synkroninduktans och permanentmagneter (PM)-flöde. Motståndet uppskattas genom likströmsinjektion med hänsyn till växelriktarens olinjäritet. Den synkrona induktansen och dess mättnadskarakteristik undersöks med hjälp av högfrekvent sinusinjektion med och utan DC-bias via en strömstyrenhet (CC), och fyrkantsvåginjektion genom hysteresstyrning. Flödet PM bestäms genom acceleration av SPMSM med hjälp av IM som drivmotor i en öppen kretskonfiguration. Denna avvikelse från stilleståndsbegränsningen i förfarandet för självavstängning är nödvändig eftersom PM effekt blir synlig först när rotorhastigheten är skild från noll. För IM analyseras statorresistansen, läckinduktansen, rotorresistansen och den magnetiserande induktansen. Statorresistansen och inverterns olinjäritet identifieras med samma metod som för SPMSM. Läckageinduktansen testas med en högfrekvent sinusformad injektion med stegad DC-bias, med vilken mättnadskarakteristiken byggs. Därefter identifierar en DC-baserad lågfrekvent sinusinjektion rotorresistansen. Den magnetiserande induktansen identifieras inte i detta arbete på grund av problemets omfattande natur och tidsbegränsningar. Jämförelse med standard IEEE-tester fungerar som validering och visar att resultaten ligger nära varandra, med undantag för avvikelser i uppskattningen av den omättade synkrona induktansen för SPMSM. Den introducerade innovationen innebär att befintliga procedurer, som ursprungligen utvecklats för andra AC-maskiner, anpassas till SPMSM-tillämpningar, för vilka endast begränsad litteratur finns tillgänglig. Sammantaget ger detta arbete ett värdefullt bidrag till förståelsen av hur omriktarens icke-linjäritet och mättnadsbeteende påverkar parameteridentifieringen. Det öppnar också dörren för att integrera mättnadseffekter i regleralgoritmer, vilket möjliggör dynamisk justering av FOC-förstärkningar, vilket potentiellt kan förbättra reglerprestanda.

An estimated 30% of the faults in Induction Machine (IM) are related to its stator. These faults are mostly in the form of an Inter-Turn Short Circuit (ITSC) fault i.e., when two winding inside the stator of IM are shorted due to insulation failure. However, ITSC fault can be avoided by detecting them in advance and then scheduling the maintenance of the IM. This thesis studies two methods for detecting this incipient ITSC fault in a three-phase IM and then estimating the stator resistance unbalance due to the ITSC fault. The first method is based on the asymmetry caused in the IM by the ITSC fault. As a result of this asymmetry, the negative sequence components of the stator voltages and the stator currents are generated inside the IM. A healthy IM also have these negative sequence components due to the manufacturing process and the supply voltage unbalances. The characteristics and the compensation methods of these negative sequence components in a healthy IM are discussed. The results show that after compensating the negative sequence components in a healthy machine, they can be used for detecting an ITSC fault and then to calculate the fault quantities as well as the stator resistance unbalances. The second method for detecting an ITSC fault is based on analysing the stator resistance unbalances. A three-phase drive is used to inject DC voltage in the stationary reference frame. The DC current generated by this DC voltage is measured and then by applying Ohm’s law stator phase resistances are calculated. In a healthy IM, the phase resistances are balanced. However, in case of ITSC fault in any of the phases, the phase resistance of that phase deviates from those of the other two phases which can be utilized for detecting ITSC fault. / Uppskattningsvis 30% av alla fel i induktionsmaskiner (IM) är kopplad till dess stator. Dessa fel är i huvudsak Inter-Turn Short Circuit (ITSC)-fel, dvs. två lindningar inom IM:ens stator blir kortsluta pga. ett isoleringsfel. Emellertid kan man undvika ITSC-fel genom att detektera dem i förhand och planera underhåll. Det här examensarbetet undersöker två metoder för att detektera ett förestående ITSC-fel i en tre-fas IM. Den första metoden är baserad på asymmetrin i IM:er pga. ITSC-felet. Resultatet av den här asymmetrin är att en negativ sekvens genereras i IM:ens statorspänning och statorström. En oskadad IM kan också visa dessa negativa sekvenser pga. tillverksprocessen och statorspänningsobalanser. Egenskaperna och kompensationsmetoderna för dessa negativa sekvenser i en oskadad IM kommer att diskuteras. Resultaten visar att efter kompenseringen av de negativa sekvenserna i en oskadad IM, kan de användas för att detektera ITSC-fel och efteråt för att beräkna felstorheter och även statormotståndobalanser. Den andra metoden för att detektera ITSC-fel är baserad på en undersökning av statormotståndobalanser. Ett tre-fas-drivsystem används för att injektera likspänning i den stationära referensramen. Likströmmen som följer av denna likspänning mäts och statorfasmotstånden beräkna efteråt med Ohms lag. I en oskadad IM är fasmotstånden balanserade. Däremot, när ett ITSC-fel uppstår i en fas, avviker fasmotståndet i den felaktiga fasen från de andra två fasernas, vilket kan användas för att detektera ITSC-fel.