The importance of accurately controlling the speed and torque of Synchronous Machines (SMs) in industry, transportation, aerospace, to name a few, can not be overstated. The driving unit to control the machines are called Variable Speed Drives (VSDs) and they can be designed in many different ways. In this project, a speed sensorless drive using high-frequency square-wave voltage injection is implemented in a open-source Python software called Motulator, developed by Prof. Marko Hinkkanen at Aalto University. The drive is first tested on an already existing linear model of a Permament Magnet Synchronous Machine (PMSM). An equivalent model is built in Matlab/Simulink to benchmark the performance of the implementation in Python. The results suggest that the performance Motulator implementation is satisfactory when compared to the Simulink implementation. Next, a non-linear Synchronous Reluctance Machine (SynRM) is implemented, using data from Finite Element (FEM) simulations of the non-linear flux-current relation. By using the injection scheme (with some tweaks), the speed of the motor is accurately controlled, but a steady-state position error is observed at all operating points. The error is produced due to the cross-saturation effect and a compensation strategy is implemented in an attempt to remove this error. however without full success. / Det är av avgörande betydelse att kunna kontrollera varvtal och vridmomentet hos synkrona elektriska maskiner (SM) inom transport, flyg och rymd, för att nämna några tillämpningar. Drivsystem för att styra de elektriska maskinerna kallas för varvtalsreglerade drivsystem och kan konstrueras på många olika sätt. I det här projektet implementeras ett varvtalsreglerat drivsystem, utan sensor för mätning av varvtalet. Varvtalsestimeringen bygger på att en fyrkantsvåg med hög frekvens injiceras varur det är möjligt att estimera hastigheten. Implementering görs i Python i en open-source programvara kallad Motulator, utvecklad av professor Marko Hinkkanen från Aaltouniversitetet. Regleringen testas först på en redan existerande linjär modell av en permanentmagnetiserad motor. Som jämförelse utvecklas även en motsvarande implementering av regleralgoritm och motor i Matlab/Simulink. Resultaten visar att Motulatorimplementeringen fungerar väl och att simuleringarna stämmer väl överens med Matlab/Simulink-modellen. I nästa steg implementeras en icke-linjär modell av en synkron reluktansmaskin. Det icke-linjära förhållande mellan flöde och ström modelleras med hjälp av data från finita elementsimuleringar (FEM). Simuleringar i Motulator visar att varvtalet i denna motormodell kan kontrolleras för alla olika laster och varvtal. Däremot noteras ett stationärt rotorpositionsfel vid vissa driftpunkter. Felet beror på mättningen av statorinduktansen och en algoritm implementerats för att kompensera effekten av mättningen och därmed eliminera felet. Det visar sig dock att kompenseringsalgoritmen endast fungerar vid vissa driftpunkter.

Spårledningar används inom tunnelbanan för att visa tågets position samt bestämma tågets hastighet genom att bryta spänningsamplituden i signalen vid olika frekvenser. Frekvensen till spårledningen fås från en roterande frekvensomformare. I dagens anläggning används roterande frekvensomformare med borstar. Dessa avger i relärum mycket värme och ger miljöproblem i form av koldamm från borstarna. Det befintliga systemet är gammal och har funnits i drift över 30 år, därför håller reservdelar på att ta slut samt service till systemet svårtillgängligt. Detta examensarbete har undersökt möjligheten att uppgradera till nyare system som bygger på en lösning med roterande borstlös frekvensomformare där reservdelarna och service är tillgängliga i minst 25 år. Undersökningen jämför olika roterande borstlösa frekvensomformare från olika leverantörer för att hitta en frekvensomformare där kraven från Trafikförvaltningen uppfylls. Studien har haft fokus på problemområdet med borstade frekvensomformaren som producerar skadliga ämnen såsom koldamm och värmen i relärum. Diskussioner med tillverkningsföretag av roterande borstlös frekvensomformaren har skett under denna studies gång där möjliga alternativ för vidare utveckling av systemet i relärum analyseras. I projektet har även diskuterat möjligheten att använda det nya systemet av frekvensomformare med borstlösa motor och generator istället för den nuvarande borstade frekvensomformaren som finns i anläggningen. Resultatet har även visat att den roterande borstlösa frekvensomformaren kan omvandla frekvensen till 75 Hz. Det nya systemet uppfyller kraven från Trafikförvaltningen samt att systemet håller i minst 25 år till. Att systemet håller minst i 25 år till var ett stort krav av Trafikförvaltningen som uppfylldes under denna studie. / Track lines are used in subway stations to show the train locations and determine the speed of the train by chopping the frequency. The frequency of the track lines is obtained from a rotary frequency converter. In today's stations, rotary frequency converters with brushes are commonly used. These emit a great deal of heat in some relays and produce environmental problems in the form of carbon dust from the brushes. The existing systems have been used for over 30 years and obtaining spare parts and conducting maintenance on the systems can be difficult. This degree project examines the possibility of newer systems being built on a rotating brushless frequency converter, where the spare parts and servicing would be available for at least the next 25 years. The project surveys and compares different rotating brushless frequency converters from different suppliers to find an identical frequency converter to meet the requirements of the Traffic Administration. The result of this study has had a lot of focus on the problem area with the brushed frequency converter that produces harmful substances such as carbon dust and the heat in the relay room. Discussions with manufacturing companies of rotating brushless frequency converters have been made during this study where possible options were discussed for further development of the system in relay rooms. The result has also discussed the possibilities of using the new system of frequency converters with brushless motor and generator instead of the current brushed frequency converter available in the facility. The result has also shown that the rotating brushless frequency converter can convert the frequency to 75 Hz. The new system meets RAMS requirements of the Trafikförvaltning, and the system lasts for at least 25 years. This was a major requirement of the Trafikförvaltning, which was fulfilled during this study.

The electrification of automobiles has emerged as the sustainable powertrain solutionto meet United Nations sustainable development goals of sustainable cities andcommunities, affordable and clean energy, and climate action. The success of theelectrification depends on the efficiency of traction motors. Hence, the automobileindustry is dedicated to improving the performance of electrical traction machinesfor high performance and sustainability. The thesis aims to build various electricalmachine’s concept designs and quantify their behaviour on sustainability andperformance. The thesis objective is to design Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM),Synchronous Reluctance Motor (SynRM), and Permanent Magnet SynchronousReluctance Motor (PM­SynRM). The thesis work comprises of accurate performanceestimation and optimisation of these electrical machines through a finite element based method. The in­house scripts are developed to estimate the performance, electrical losses, and efficiency of these electrical machines through flexible open-source tools. The performance of PMSM with rare-­earth magnet Neodymium Ferrite Boron(NdFeB) and without rare­-earth magnet (ferrite) is done to evaluate the role of bothmagnets in producing torque density. The SynRM is evaluated and optimized usinggenetic algorithms in the thesis. The electrical machines are designed without the useof rare-­earth magnets to eliminate the degradation of the environment and reduce thecost and weight of the motor. / The electrification of automobiles has emerged as the sustainable powertrain solutionto meet United Nations sustainable development goals of sustainable cities andcommunities, affordable and clean energy, and climate action. The success of theelectrification depends on the efficiency of traction motors. Hence, the automobileindustry is dedicated to improving the performance of electrical traction machinesfor high performance and sustainability. The thesis aims to build various electricalmachine’s concept designs and quantify their behaviour on sustainability andperformance. The thesis objective is to design Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM),Synchronous Reluctance Motor (SynRM), and Permanent Magnet SynchronousReluctance Motor (PM­SynRM). The thesis work comprises of accurate performanceestimation and optimisation of these electrical machines through a finite element based method. The in­house scripts are developed to estimate the performance, electrical losses, and efficiency of these electrical machines through flexible open-source tools. The performance of PMSM with rare-­earth magnet Neodymium Ferrite Boron(NdFeB) and without rare­-earth magnet (ferrite) is done to evaluate the role of bothmagnets in producing torque density. The SynRM is evaluated and optimized usinggenetic algorithms in the thesis. The electrical machines are designed without the useof rare-­earth magnets to eliminate the degradation of the environment and reduce thecost and weight of the motor.   Sammanfattning på svenska / Abstract in Swedish Elektrifieringen av bilar har framstått som en hållbar drivlinelösning för att mötaFörenade Nationernas hållbara utvecklingsmål för hållbara städer och samhällen, medprisvärda och rena energi och klimatåtgärder. Framgången med elektrifieringen berorpå effektivitet på motorer för framdrivningen. Därför är bilindustrin dedikerad tillatt förbättra prestanda för elmotorer för hållbarhet och hög prestanda. Avhandlingensyftar till att bygga olika konceptdesign för elmotorer för framdrivning och kvantifieraderas beteende på hållbarhet och prestanda. Uppsatsmålet är att utforma Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM),Synchronous Reluktance Motor (SynRM) och permanent magnetassisterad SynRM(PM­SynRM). Examensarbetet består av noggrann prestationsuppskattning ochoptimering av dessa elektriska maskiner genom finit element metod (FEM). Deskripten för att hantera FEM för elektormagnetisk design är in­house utveckladeför att uppskatta flexibelt prestanda, elektriska förluster och effektiviteten hos dessaelektriska maskiner genom att använda öppen källkod. Prestanda för PMSM med en sällsynta jordartsmagnet (NdFeB) och PMSM utansällsynta jordartsmagnet (ferrit) räknades fram för att utvärdera båda magneternasroll för att producera vridmomentdensitet. SynRM och PM­SynRM maskinernautvärderas och optimeras med hjälp av genetiska algoritmer i avhandlingen.De studerade elektriska maskinerna är designad utan användning av sällsyntajordartsmagneter för att eliminera miljöförstöring och minska motorns kostnad ochvikt.