Permanent Magnet Synchronous Machine for Parallel Hybrid Vehicle

The aim of this thesis is to describe hybrid drive design problems, the advantages and difficulties related to the drive. A review of possible hybrid constructions, benefits of parallel, series and series-parallel hybrids is done. In the thesis analytical and finite element calculations of permanent magnet synchronous machines with embedded magnets were done. The finite element calculations were done using Cedrat’s Flux 2D software. This machine is planned to be used as a motor-generator in a low power parallel hybrid vehicle. The boundary conditions for the design were found from Lucas-TVS Ltd., India. Design Requirements, briefly: • The system DC voltage level is 120 V, which implies Uphase = 49 V (RMS) in a three phase system. • The power output of 10 kW at base speed 1500 rpm (Torque of 65 Nm) is desired. • The maximum outer diameter should not be more than 250 mm, and the maximum core length should not exceed 40 mm. The main difficulties which the author met were the dimensional restrictions. After having designed and analyzed several possible constructions they were compared and the final design selected. Dimensioned and detailed design is performed. Effects of different parameters, such as the number of poles, number of turns and magnetic geometry are discussed. The best modification offers considerable reduction of volume.

Hardware design of a multiconverter for hybrid vehicle applications

Hybridiajoneuvosovellukset vaativat usein sekä korkea- että matalajännitejärjestelmän. Korkeajännitejärjestelmä sisältää yleensä energiavaraston, joka on joko superkondansaattori tai korkeajänniteakusto, dieselgeneraattorin tai range extenderin ja ajokäytön. Korkeajännitejärjestelmään liitetään usein myös erilaisia apukäyttöjä kuten kompressoreita ja hydraulipumppuja. Matalajännitejärjelmä koostuu yleensä ohjausyksiköistä, ajovaloista, yms. laitteista. Perinteisesti matalajännitejärjestelmää on syötetty dieselmoottorin laturista, mutta korkeajännitejärjestelmien myötä DC/DC-hakkurin käyttäminen korkea- ja matalajännitejärjestelmien välillä on herättänyt kiinnostusta, koska tällöin laturin voisi poistaa ja matalajänniteakustoa pienentää. Tässä työssä kuvatun monilähöisen tehonmuokkaimen invertterisilta soveltuu apukäyttöjen ajamiseen, ja erotettu DC/DC-hakkuri matalajännitejärjestelmän syöttämiseen. Tässä työssä käydään läpi edellä mainitun tehonmuokkaimen suunnittelu, keskittyen eritoten laitteen korkeajänniteosien mitoitukseen ja termiseen suunniteluun. DC/DC-hakkurin osalta perinteisiä piistä valmistettuja IGBT transistoreja vertaillaan piikarbidi MOSFET transistoreihin. Lämpömallilaskujen paikkaansapitävyyttä tutkitaan suorittamalla prototyyppilaitteelle hyötysuhdemittaus, jonka tuloksia verrataan laskettuihin tuloksiin. Lämpömallin parannusmahdollisuuksia käsitellään myös hyötysuhdemittauksen tulosten perusteella.

System Investigation for Hybrid Electric Vehicle

A hybrid electric vehicle is a fast-growing concept in the field of vehicle industry. Nowadays two global problems make manufactures to develop such systems. These problems are: the growing cost of a fuel and environmental pollution. Also development of controlled electric drive with high control accuracy and reliability allows improving of vehicle drive characteristics. The objective of this Diploma Thesis is to investigate the possibilities of electrical drive application for new principle of parallel hybrid vehicle system. Electric motor calculations, selection of most suitable control system and other calculations are needed. This work is not final work for such topic. Further investigation with more precise calculations, modeling, measurements and cost calculations are needed to answer the question if such system is efficient.

Electrical machine in a Hybrid Electrical Vehicle

Hybrid electric vehicles (HEV) have attracted very much attention during the latest years. Increasing environmental concern and an increase in fuel prices are key factors for the growing interest towards the HEV. In a hybrid electric vehicle the power train consists of both a mechanical power system and an electric power transmission system. The major subsystems in the mechanical power system are the internal combustion engine which powers the vehicle; electric power transmission including an energy storage, power electronic inverter, hybrid control system; the electric motor drive that runs either in the generating mode or in the motoring mode to process the power flow between the energy storage and the electrical machine. This research includes two advanced electric motors for a parallel hybrid: induction machine and permanent magnets synchronous machine. In the thesis an induction motor and a permanent magnet motor are compared as propulsion motors. Electric energy storages are also studied.

Dieselmoottorisen kaupunkilinja-auton muuttaminen sarjahybridiajoneuvoksi

Tutkimus on pohjustusta Lappeenrannan teknillisen yliopiston Green Campus–hankkeessa tulevaisuudessa mahdollisesti rakennettavalle Cambus–hybridibussille ja siihen liittyvälle muutostyölle. Tässä tutkimuksessa käsitellään asioita, joita kohdataan kun tavallinen dieselkäyttöinen linja–auto muutetaan hybridiajoneuvoksi. Työ sisältää teoriaosuuden, jossa esitellään peruskomponentteja esimerkiksi moottoreiden ja energianvarastointitekniikoiden osalta sekä uusimpia kehityskohteita polttomoottoreiden osalta. Tutkimuksessa on myös vertailtu erilaisia hybridivaihtoehtoja sekä käsitelty mm. tasauspyörästön välityssuhteen ja vaihteiston vaikutusta bussin teoreettiseen suorituskykyyn. Tehdyn tutkimustyön perusteella on hahmoteltu eräs mahdollinen sarjahybridibussin voimansiirtolinja esimerkkikomponentteineen. Tutkimuksessa esitetään myös laskelmia järjestelmän teoreettisesta polttoaineenkulutuksesta jarrutusenergian talteenotto huomioiden perinteiseen kaupunkilinja-autoon verrattuna.

Sähkömoottoriprototyypin mekaniikkasuunnittelu järjestelmällisen tuotesuunnittelun avulla

Työn tavoitteena oli suunnitella sähkömoottoriprototyyppi, joka soveltuu hybridiajoneuvon ajomoottoriksi. Mekaniikkasuunnittelu toteutettiin samanaikaisesti sähkösuunnittelun kanssa ja siinä käytettiin yleisesti käytössä olevaa järjestelmällistä tuotesuunnittelua. Järjestelmällinen tuotesuunnittelu soveltuu laajoihin suunnitteluprojekteihin, sillä sen avulla suunnitteluprosessi on jaoteltu useampiin pieniin askeliin. Työssä esitetään sähkömoottorin yleistä toimintaperiaatetta sekä niitä sähköteknisiä erityispiirteitä, joita mekaniikkasuunnittelussa tulee ottaa huomioon. Työn tuloksissa käytiin yksityiskohtaisesti läpi roottorin suunnittelu. Muille komponenteille käytettiin samaa järjestelmällistä tuotesuunnittelua mutta niitä ei esitetä yksityiskohtaisesti tässä työssä. Kokonaisuudessaan sähkömoottorista saatiin suunniteltua ratkaisuehdotus, joka täyttää halutut vaatimukset. Lisäksi työssä kerättiin kattava lista standardeista, jotka tukevat sähkömoottorin suunnittelua. Järjestelmällisen tuotesuunnittelun todettiin soveltuvan sähkömoottorin suunnitteluun hyvin ja saatua ratkaisuehdotusta voidaan pitää toimivana. Moottori suunnitelmasta valmistetaan ensimmäinen prototyyppi keväällä 2012. Prototyyppiä voidaan kehittää suunnittelemalla siitä paremmin sarjatuotantoon soveltuva malli esimerkiksi vähentämällä koneistettavien osien määrää ja korvaamalla ne valukappaleilla.

Kestomagneettitahtikoneen vääntömomentin tuottokyvyn optimointi hybridibussikäyttöön

Työssä tarkastellaan hybridi- ja sähköajoneuvojen voimankäyttöjärjestelmiä ja bussin ajomoottorina toimivan kestomagneettitahtikoneen toimintaa ja sen soveltuvuutta ajoneuvokäyttöön. Esitetään analyyttinen työkalu kestomagneettitahtikoneen induktanssisuunnittelun ja koneen vääntömomentin tuottokyvyn optimoinnin tueksi. Työkalua hyödynnetään esitettävässä ajomoottorin mitoituslaskelmassa. Työssä päätellään, että kestomagneettitahtimoottori soveltuu hyvin ajoneuvokäyttöön. Maksimaalisen vääntömomentin saavuttamiseksi sen roottorin rakenne ja induktanssit on optimoitava. Analysoimalla ajoneuvokäyttöön tarkoitettua kestomagneettitahtimoottoria työkalun avulla havaitaan, että yhtä suuremmalla induktanssisuhteella vääntömomentti on pienempi kentänheikennyksessä kuin ajettaessa konetta taajuusmuuttajalla vakioteholla nimelliskuormalla. Vastaavasti yhtä pienemmillä induktanssisuhteilla vääntömomentti on pienempi kentänheikennyksessä. Todetaan, että vääntömomentti kasvaa induktanssisuhteen poiketessa yhdestä. Suuri vääntömomentti saadaan pienillä induktanssisuhteilla. Induktanssisuhteen kasvattaminen yhdestä ei lisää moottorin tuottamaa vääntömomenttia yhtä paljon kuin induktanssisuhteen pienentäminen. Työn lopuksi verrataan työkalun laskemia tuloksia kirjallisuudesta löytyvillä yhtälöillä laskettuihin tuloksiin. Työkalun laskemat tulokset vaikuttavat ristiriidattomilta ja yhteneväisiltä teorian kanssa. Työkalun toteutuksessa tehdyt teoreettiset yksinkertaistukset aiheuttavat todennäköisesti epätarkkuutta tuloksissa erityisesti suurella kuormituksella.

Liquid cooling solutions for rotating permanent magnet synchronous machines

In the design of electrical machines, efficiency improvements have become very important. However, there are at least two significant cases in which the compactness of electrical machines is critical and the tolerance of extremely high losses is valued: vehicle traction, where very high torque density is desired at least temporarily; and direct-drive wind turbine generators, whose mass should be acceptably low. As ever higher torque density and ever more compact electrical machines are developed for these purposes, thermal issues, i.e. avoidance of over-temperatures and damage in conditions of high heat losses, are becoming of utmost importance. The excessive temperatures of critical machine components, such as insulation and permanent magnets, easily cause failures of the whole electrical equipment. In electrical machines with excitation systems based on permanent magnets, special attention must be paid to the rotor temperature because of the temperature-sensitive properties of permanent magnets. The allowable temperature of NdFeB magnets is usually significantly less than 150 ˚C. The practical problem is that the part of the machine where the permanent magnets are located should stay cooler than the copper windings, which can easily tolerate temperatures of 155 ˚C or 180 ˚C. Therefore, new cooling solutions should be developed in order to cool permanent magnet electrical machines with high torque density and because of it with high concentrated losses in stators. In this doctoral dissertation, direct and indirect liquid cooling techniques for permanent magnet synchronous electrical machines (PMSM) with high torque density are presented and discussed. The aim of this research is to analyse thermal behaviours of the machines using the most applicable and accurate thermal analysis methods and to propose new, practical machine designs based on these analyses. The Computational Fluid Dynamics (CFD) thermal simulations of the heat transfer inside the machines and lumped parameter thermal network (LPTN) simulations both presented herein are used for the analyses. Detailed descriptions of the simulated thermal models are also presented. Most of the theoretical considerations and simulations have been verified via experimental measurements on a copper tooth-coil (motorette) and on various prototypes of electrical machines. The indirect liquid cooling systems of a 100 kW axial flux (AF) PMSM and a 110 kW radial flux (RF) PMSM are analysed here by means of simplified 3D CFD conjugate thermal models of the parts of both machines. In terms of results, a significant temperature drop of 40 ̊C in the stator winding and 28 ̊C in the rotor of the AF PMSM was achieved with the addition of highly thermally conductive materials into the machine: copper bars inserted in the teeth, and potting material around the end windings. In the RF PMSM, the potting material resulted in a temperature decrease of 6 ̊C in the stator winding, and in a decrease of 10 ̊C in the rotor embedded-permanentmagnets. Two types of unique direct liquid cooling systems for low power machines are analysed herein to demonstrate the effectiveness of the cooling systems in conditions of highly concentrated heat losses. LPTN analysis and CFD thermal analysis (the latter being particularly useful for unique design) were applied to simulate the temperature distribution within the machine models. Oil-immersion cooling provided good cooling capability for a 26.6 kW PMSM of a hybrid vehicle. A direct liquid cooling system for the copper winding with inner stainless steel tubes was designed for an 8 MW directdrive PM synchronous generator. The design principles of this cooling solution are described in detail in this thesis. The thermal analyses demonstrate that the stator winding and the rotor magnet temperatures are kept significantly below their critical temperatures with demineralized water flow. A comparison study of the coolant agents indicates that propylene glycol is more effective than ethylene glycol in arctic conditions.

Sähköajoneuvojen akkujen uusiokäyttö

Tässä kandidaatintyössä tutkittiin sähkö- ja hybridiajoneuvojen akkujen uusiokäyttöä. Tutkimus toteutettiin kirjallisuustyönä. Tavoitteena oli selvittää voidaanko sähkö- ja hybridiajoneuvojen akkuja uusiokäyttää, mitä ongelmia mahdollisesti uusiokäyttöön liittyy, minkälaisissa sovelluksissa käytettyjä akkuja voisi käyttää ja uusiokäytetäänkö kyseisenlaisia akkuja jo nykyään. Työssä esiteltiin myös yleisimpiä akkutekniikoita sekä niiden kierrätystä. Tutkimuksessa havaittiin, että akuissa on runsaasti kapasiteettia jäljellä ajoneuvokäytön jälkeen. Uusiokäytössä akku voi kestää jopa yhtä paljon käyttöä kuin ajoneuvokäytössä. Ongelmat uusiokäytössä liittyvät akkujen vaihtelevaan kuntoon ja kapasiteettiin. Ennen uusiokäyttöä akut tulisi tarkastaa ja jos mahdollista, poistaa huonokuntoiset ja vialliset kennot. Käytettyjen akkujen uusiokäyttöön soveltuvista laitteistoista on tehty muutamia prototyyppejä, jotka ovat teholtaan ja kapasiteetiltaan hyvin vaihtelevia. Sopivalla valvontajärjestelmällä varustettuna käytettyjä akkuja voitaneen käyttää myös olemassa olevissa, akkuja sisältävissä järjestelmissä. Käytettyjä akkuja voitaneen käyttää muun muassa uusiutuvan energian varastointiin, sähköverkon kulutushuippujen kompensointiin ja sähköajoneuvojen pikalatauksen puskurina. Etenkin litiumioniakkujen uusiokäyttö on järkevää, koska kierrätys ei ole kovin tehokasta ainakaan vielä.

Sähköautojen akkuteknologioiden tilannekatsaus

Tämän kandidaatintyön tavoitteena oli tutkia sähköautoissa käytettäviä akkuteknologioita ja verrata niiden ominaisuuksia keskenään sekä sähköautojen asettamien akkuvaatimusten kanssa. Akkuteknologiakartoituksen ja ominaisuusvertailun avulla tutkimuksessa oli tarkoitus selvittää sähköautojen akkujen kehitystä menneestä nykyhetkeen ja luoda katsaus akkuteknologian tulevaisuuteen. Tutkimuksessa painotettiin akkujen suorituskykynäkökulmaa, mutta tutkimuksessa otettiin kantaa myös eri akkuteknologioiden turvallisuuteen, ympäristötekijöihin ja hintaan. Työ toteutettiin kirjallisuustutkimuksena ja lähteinä käytettiin alan kirjallisuutta, IEEE artikkeleita, tutkimusraportteja ja verkkodokumentteja. Lisäksi tutkimuksessa hyödynnettiin akku- ja sähköautovalmistajilta saatavaa tietoa, johon suhtauduttiin varauksin. Tutkimuksessa kävi ilmi, että erilaisia litiumioniakkuteknologioita käytetään tällä hetkellä eniten sekä täyssähköautoissa että pistokehybrideissä. Huomattiin, että akkujen suorituskyvyn kehittyminen on nopeutunut viime vuosina. Erityisesti akkujen energianvarastointikykyyn vaikuttavat ominaisenergiatasot ovat kasvaneet selkeästi. Nykyisen kehittyneen litiumioniakkuteknologian todettiin täyttävän jo osittain lähivuosien suorituskykytavoitteet. Tutkimuksessa tultiin siihen tulokseen, että litiumrikkiakkuteknologia voi korvata litiumioniakkuteknologian ainakin täyssähköautoissa parempien ominaisenergiatasojen ja halvempien valmistuskustannuksien takia. Myös litiumilma-akkuteknologialla havaittiin olevan mahdollisuuksia haastaa muut litiumakkuteknologiat seuraavalla vuosikymmenellä. Tutkimuksen johtopäätöksenä todetaan, että sähköautot voivat kaupallistua laajemmin lähivuosina akkujen suorituskykyominaisuuksien kehittyessä jatkuvasti. Suorituskykyominaisuuksien parantuminen tulee todennäköisesti johtamaan siihen, että täyssähköautot yleistyvät enemmän ja pistokehybridit tulevat jäämään sähköautojen välivaiheeksi. Uusien akkuteknologioiden käyttöönotto kaupallisiin sähköautoihin voi viedä kuitenkin odotettua kauemmin, sillä akut tarvitsevat huolellista testausta ja käyttöönotto edellyttää, että kaikki ominaisuudet ovat vaaditulla tasolla.

Design and Control of Permanent Magnet Synchronous Machine for Hybrid Electric Vehicle

This master’s thesis mainly focuses on the design requirements of an Electric drive for Hybrid car application and its control strategy to achieve a wide speed range. It also emphasises how the control and performance requirements are transformed into its design variables. A parallel hybrid topology is considered where an IC engine and an electric drive share a common crank shaft. A permanent magnet synchronous machine (PMSM) is used as an electric drive machine. Performance requirements are converted into Machine design variables using the vector model of PMSM. Main dimensions of the machine are arrived using analytical approach and Finite Element Analysis (FEA) is used to verify the design and performance. Vector control algorithm was used to control the machine. The control algorithm was tested in a low power PMSM using an embedded controller. A prototype of 10 kW PMSM was built according to the design values. The prototype was tested in the laboratory using a high power converter. Tests were carried out to verify different operating modes. The results were in agreement with the calculations.

Determining vehicle drivetrain dynamics using system identification

Target of this book is to propose an approach for modelling drivetrain dynamics in order to design further a vibration control system of a hybrid bus. In this thesis two approaches are examined and compared. First model is obtained by theoretical means: drivetrain is represented as a system of rotating masses, which motion is described with differential equations. Second model is obtained using system identification method: mathematical description of the dynamic behavior of a system is formed based on measured input (torque) and output (speed) data. Then two models are compared and an optimal approach is suggested.

Fluorescence in situ hybridization of potato somatohaploids and their somatic hybrid donors using two Solanum brevidens specific sequences

Selostus: Perunan somaattisten hybridien ja niiden somatohaploidien fluoresenssi in situ -hybridisaatio Solanum brevidens -lajin spesifisten sekvenssien avulla