In this fast pace world, climate change is one of the primary concerns worldwide. The world is racing towards reducing CO2 emissions by focusing on decreasing energy consumption. Electric motors capture about two-third of the industrial energy consumption, of which the most growing sector is electrical vehicles. The precise design of electric motors requires an optimal estimation of the machine’s performance characteristics. In this master thesis, the impact on core losses of an electric machine (e-machine) due to laser cutting is studied. The impact is derived in terms of a mathematical model which is introduced in a finite element model of an e-machine to attain optimal performance characteristics. A customized Single Sheet Tester (SST) based measuring apparatus is developed. The measuring apparatus is used to characterize the magnetic materials (electrical steel) used in the core of an e-machine. The studies already presented in the literature compromise on maintaining the same material mass while characterizing the magnetic material. Thus, a novel approach is attempted in this work to maintain approximately the same mass for all test samples used for characterization. The samples under test are laser cut possessing different sample widths leading to different distances from the cut edge. The characterized samples are compared for magnetic properties such as permeability and core losses to derive a mathematical model to estimate the impact of degradation in electrical steel. The derived models are implemented in a reference Permanent Magnet Synchronous Machine (PMSM) to analyze the degradation effect on the loss and performance characteristics. The influence of laser cutting impacts drastically the iron losses at an average which increases by about 35 % with a corresponding reduction of 21 % in material permeability. There is an average increase in machine torque by about 2 % and the increase in the total iron losses leads to an average 0.5 % decrease in the efficiency of the machine. The increase in iron losses at lower magnetic flux densities is more significant compared to the saturation region. The maximum degradation effect in the material is nearer to the cutting edge and reduces going away from the cut-edge. The permeability in the material decreases closer to the cut edge and thus the maximum amount of flux gets enforced towards the center because of degradation. / I denna snabba värld är klimatförändringarna en av de främsta problemen världen över. Världen tävlar mot att minska CO2 -utsläppen genom att fokusera på att minska energiförbrukningen. Elmotorer tar upp ungefär två tredjedelar av den industriella energiförbrukningen, varav den mest växande sektorn är elfordon. Den exakta designen av elmotorer kräver en optimal uppskattning av maskinens prestandaegenskaper. I denna masteruppsats studeras inverkan på kärnförluster hos en elektrisk maskin (e-maskin) på grund av laserskärning. Effekten härleds i termer av en matematisk modell som åberopas i en Finite Element Modelling (FEM) av en e-maskin för att uppnå optimala prestandaegenskaper. En skräddarsydd SST-baserad mätapparat utvecklas. Mätapparaten används för att karakterisera de magnetiska material (elektriskt stål) som används i kärnan i en e-maskin. De studier som redan presenterats i litteraturen kompromissar med att bibehålla samma materialmassa samtidigt som de karakteriserar det magnetiska materialet. Således har ett nytt tillvägagångssätt försökts i detta arbete för att bibehålla ungefär samma massa för alla testprover som används för karakterisering. Proverna som testas är laserskurna med olika provbredder vilket leder till olika avstånd från den skurna kanten. De karakteriserade proverna jämförs för magnetiska egenskaper såsom permeabilitet och kärnförluster för att härleda en matematisk modell för att uppskatta effekten av nedbrytning i elektriskt stål. De härledda modellerna implementeras i en referens PMSM för att analysera nedbrytningseffekten på förlust- och prestandaegenskaper. Inverkan av laserskärning påverkar drastiskt järnförlusterna med ett genomsnitt som ökar med cirka 35% med en motsvarande minskning av 21 % i material permeabilitet. Det finns en genomsnittlig ökning av maskinens vridmoment med cirka 2 % och ökningen av de totala järnförlusterna leder till en genomsnittlig minskning av maskinens effektivitet med 0,5 %. Ökningen av järnförluster vid lägre magnetiska flödestätheter är mer signifikant jämfört med mättnadsområdet. Den maximala nedbrytningseffekten i materialet är närmare skäreggen och minskar bortgången från skärkanten. Permeabiliteten i materialet minskar närmare den skurna kanten och sålunda tvingas den maximala mängden flöde in mot mitten på grund av nedbrytning.

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.

This Master Thesis deals with the study of analytical and finite-element (FE) models for calculation of losses in traction induction motors. Motors are fed through inverters for this type of application. Therefore, both fundamental and harmonic losses are considered. The study is done with one particular motor and one initial analytical model. In order to validate the model and improve it, a FE model is developed with the tool FLUX 2D. Several chosen operating points with different modulation patterns are simulated both with FE and analytical models and results are compared. Stator and rotor Joule losses are studied first. A model to calculate stator Joule losses at strand level is proposed as an improvement to the current analytical model. Then iron losses, both in stator and rotor, are calculated. Two different computations methods with data extraction from FE are studied: the Bertotti model and a recently developed method called MVPRS in the report. It is based on a mathematical model for curve fitting of the core loss material data. Results with the two methods are compared with the ones from ana-lytical model. Finally total fundamental and harmonic losses are compared with measurements and conclusions are drawn on the quality and accuracy of the analytical model. / Detta examensarbete handlar om analytiska och Finita Element (FE) modeller för beräkning av förluster i asynkronmotorer för traktion. Motorer matas genom växelriktare för denna typ av applikation. Därför är det nödvändigt att både grundläggande och harmoniska förluster beaktas. Studien görs för en särskild motor och en redan existerande analytisk modell. För att validera modellen och förbättra den, utvecklats en FE modell med verktyget FLUX 2D. Flera arbetspunkter med olika moduleringsmönster simuleras både med FE och analytiska modeller och resultaten jämförs. Först studeras stator och rotor Joule förluster. En modell för att beräkna stator Joule förluster i varje ledare föreslås som en förbättring av den nuvarande analytiska modellen. Sedan beräknas järnförluster, både i stator och rotor, beräknas. Två olika metoder baserad på flödestäthet variationer i tid och rum från FE simuleringar studeras med Bertottis modell och en nyutvecklad metod som kallas MVPRS. Den är baserat på en matematisk modell för kurvanpassning av materialet förlust data. Resultaten med de två metoderna jämförs med de från analytiska modellen. Slutligen jämförs totala fundamentala och harmoniska förluster med mätningar och slutsatser dras om kvalitet och noggrannhet av analytiska modellen.

In this master thesis, the magnetic properties of SiFe laminations after cutting and welding are studied. The permeability and the iron loss density are investigated since they are critical characteristics for the performance of electrical machines. The magnetic measurements are conducted on an Epstein frame for sinusoidal variations of the magnetic ux density at frequencies of 50, 100 and 200 Hz, according to IEC 404-2. Mechanical cutting with guillotine and cutting by means of ber and CO2 laser are performed. The inuence of the ber laser settings is also investigated. Especially the assisting gas pressure and the power, speed and frequency of the laser beam are considered. In order to increase the cutting e ect, the specimens include Epstein strips with 1, 2 and 3 additional cutting edges along their length. It is found that mechanical cutting degrades the magnetic properties of the material less than laser cutting. For 1.8% Si laminations, mechanical cutting causes up to 35% higher iron loss density and 63% lower permeability, compared to standard Epstein strips (30 mm wide). The corresponding degradation for laser cut laminations is 65% iron loss density increase and 65% permeability drop. Material of lower thickness but with the same Si-content shows lower magnetic deterioration. Additionally, laser cutting with high-power/high-speed characteristics leads to the best magnetic characteristics among 15 laser settings. High speed settings have positive impact on productivity, since the cutting time decreases. The inuence of welding is investigated by means of Epstein measurements. The test specimens include strips with 1, 3, 5 and 10 welding points. Experiments show an iron loss increase up to 50% with a corresponding 62% reduction in the permeability. A model that incorporates the cutting e ect is developed and implemented in a FEMbased motor design software. Simulations are made for a reference induction motor. The results indicate a 30% increase in the iron losses compared to a model that does not consider the cutting e ect. In case of laser cut core laminations, this increase reaches 50%. The degradation prole considers also the deteriorated magnetizing properties. This leads to increased nominal current up to 1.7% for mechanically cut laminations and 3.4% for laser cut la / I detta examensarbete studeras hur de magnetiska egenskaperna hos SiFe-plat paverkas av skarning och svetsning. Permeabilitet och jarnforlustdensitet undersoks eftersom de ar kritiska variabler for elektriska maskiners prestanda. De magnetiska matningarna genomfordes pa en Epstein ram med en odesfrekvens pa 50, 100 och 200 Hz, enligt IEC 404-2. E ekterna av mekanisk skarning med giljotin samt skarning med ber- och CO2-laser studerades. Inverkan av olika berlaserinstallningar undersoktes ocksa genom att variera gastrycket, skarhastigheten samt frekvensen och e ekten av laserstralen. For att oka skare ekten inkluderades Epsteinremsor med ytterligare 1, 2 och 3 langsgaende skarsnitt. Det visas att mekanisk skarning har en mindre paverkan pa de magnetiska egenskaperna hos materialet an vad laserskarning har. Matningar pa plat med 1.8% Si visar att da prov med tre extra langsgaende giljotinklipp anvands kan permeabiliteten reduceras med upp till 63% och jarnforlusterna kan oka med upp till 35%. Motsvarande resultat for laserskurna platar visar en permeabilitetsreduktion pa upp till 65% och en jarnforlustokning pa upp till 65%. Ur studien av de tva studerade skarprocesserna framkommer aven att tunnare plat paverkas mindre negativt an tjockare plat. Ett antal olika installningar har provats for att utreda hur olika parametrar paverkar e ekterna av laserskarning. Studien indikerar att skarning med hog e ekt och hog hastighet ger den minsta paverkan pa materialets magnetiska egenskaper. Vilket aven har en positiv inverkan pa produktiviteten vid laserskarning. Epsteinprover har aven utforts for att undersoka vilka e ekter som introduceras da SiFe-plat svetsas. Provstyckena bestod av remsor med en, tre, fem och 10 svetspunkter. Experimenten visar en jarnforlustokning med upp till 50% samt en permeabilitetsreduktion upp till 62% da platarna svetsats samman tva och tva. En modell for att studera e ekterna av de forandrade materialegenskaperna vid skarning pa en induktionsmotor utvecklas och implementeras i en FEM-baserad mjukvara. Resultaten tyder pa en jarnforlustokning med 30% da skare ekten orsakad av giljotin beaktas. Vid simulering av laserskuren plat kan denna okning vara sa stor som 50%. Det framkommer aven att laserskarningen kan reducera e ektfaktorn sa mycket som 2.6%.