On Electrical Machine Topologies for Electric Vehicle Applications

QC 20221028

Abstract

Ökad användning av elektriska fordon bedöms vara en hållbar lösning föratt minska förbrukningen av fossila bränslen och därmed de globala utsläppenav växthusgaser. För att utveckla och producera elektriska framdrivningssy-stem med hög verkningsgrad och låg kostnad är valet av lämpliga elmotor-konstruktioner ett viktigt steg.Målet med detta arbete är att identifiera, analysera och jämföra lämpligaelektriska maskintopologier baserade på starkt kopplade och delvis motstridi-ga kriterier. För detta ändamål har en evolutionär multiobjektiv optimeringutvecklats som kan ge en uppsättning Pareto-optimala lösningar vilka möjlig-gör kompromisser mellan de olika designkriterierna. Algoritmens effektivitethar påvisats, vilket gör den till ett viktigt verktyg för den efterföljande ana-lysen.Avhandlingens första del analyserar asynkronmaskiner med variabelt pol-och fastal. En speciell topologi med lindade, separatmatade härvor i statorn(Wound, Independently Controlled Stator Coils, WICSC) presenteras. Sta-torlindningskonfigurationen tillåter individuell styrning av strömmen i respek-tive statorspår, vilket underlättar ändringen av både antalet faser och poltal irealtid. En magnetisk 2D och en termisk 3D finit element modell (FEM) harutvecklats tillsammans med en analytisk transient modell för strömmen. Endetaljerad undersökning av beteendet hos poltals- och fastalsväxlande asyn-kronmaskiner och inverkan av deras konstruktion på valet av optimalt antalpoler och faser har genomförts för hela maskinens arbetsområde. Specifikthar tre WICSC-maskiner, som ursprungligen konstruerades med 2, 4 resp. 6poler, utvärderas vid användning som poltals- och fastalsväxlande maskinermed syftet att bestämma den totala förbättringen av vridmoment per ampereoch verkningsgrad.Avhandlingens andra del fokuserar på konstruktion och prestanda förasynkronmaskiner av axialflödestyp (Axial Flux Induction Machine, AFIM).En elektromagnetisk dimensioneringsalgoritm för konstruktion av AFIM sombygger på ett geometriskt tillvägagångssätt har utvecklats, samtidigt som be-hovet av att använda empiriska faktorer minimeras. Effektiviteten hos dennaalgoritm har validerats experimentellt med hjälp av en kommersiellt tillgäng-lig dubbelstator AFIM för en integrerad startgenerator i ett hybriddrivsystemför elfordon. För att bedöma fördelarna med fas- och poltalsväxling i maski-ner med axiellt flöde, har en optimering av en permanentmagnetiserad syn-kronmaskin, en radialflödes-WICSC-maskin och en dubbelrotor-axialflödes-WICSC-maskin genomförts. Jämförelsen gjordes för ett tyngre elfordon ochmaskinernas Pareto-optimala lösningar presenteras.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-320634