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Design of a permanent magnet synchronous machine for hybrid electric vehicles with twin electric machines and a range extender

An, Jeongki (2020):
Design of a permanent magnet synchronous machine for hybrid electric vehicles with twin electric machines and a range extender.
Darmstadt, Technische Universität, DOI: 10.25534/tuprints-00011826,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Design of a permanent magnet synchronous machine for hybrid electric vehicles with twin electric machines and a range extender
Language: English
Abstract:

In this work, design processes of an electric machine with a high power to weight and volume ratios via an intensified water jacket cooling for the DE-REX powertrain are presented. For a high-power density, a 6-pole interior permanent magnet synchronous machine with a continuous power of 24 kW and a short-term power of 48 kW (30 s, overload) at rated speed of 4167 /min was designed. The electric machine rotates up to a maximum speed of 10000 /min with field weakening control to achieve the demanded maximum speed of 180 km/h at hybrid driving mode. A prototype electric machine and four further electric machines for the DE-REX powertrain (two for the powertrain test bench and two for the prototype vehicle) were constructed and tested in the Institute of Electrical Energy Conversion at TU Darmstadt. Based on the measurement results, the electromagnetic design of the machines was validated and the analytically and numerically calculated losses were verified. In addition, measured efficiency maps of the prototype machine with the corresponding inverter were created over the entire torque-speed range. The functionality test of the DE-REX powertrain was performed at the individual electric machine test bench with two driving cycles, the NEDC and the WLTC. The effectiveness of the chosen cooling system was verified by temperature measurements. The measured temperatures showed that the machine has certain thermal reserve for the used Thermal Class H. Thus, the machine could produce more power to avoid high thermal reserve and to increase thermal utilization. Also, it is possible to downsize the machine to avoid big thermal reserve. In this work, two possible downsizing methods are presented; increasing electromagnetic and thermal utilization by reducing active volume of electric machine and using hair wave winding which has higher slot fill factor. The redesigned machine with round wire lap winding reduced an active volume by 23 %. Using a hairpin lap winding, the rede-signed machine had an active volume reduction of 32 %, compared to the prototype machine.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In dieser Arbeit werden die Konstruktionsprozesse einer elektrischen Maschine mit einem hohen Leistung-Masse-Verhältnis und hohen Leistung-Volumen-Verhältnis über eine intensivierte Wassermantelkühlung für den DE-REX-Antriebsstrang vorgestellt. Für eine hohe Leistungsdichte wurde eine 6-polige innenliegende permanentmagnetische Synchronmaschine mit einer Dauerleistung von 24 kW und einer maximalen Kurzzeitleistung von 48 kW (30 s, Überlast) bei der Nenndrehzahl von 4167 /min ausgelegt. Die elektrische Maschine dreht bis zu einer Höchstdrehzahl von 10000 /min mit Feldschwächungssteuerung, um die geforderte Fahrzeug-Höchstgeschwindigkeit von 180 km/h im Hybridbetrieb zu erreichen. Am Institut für Elektrische Energiewandlung der TU Darmstadt wurden ein Prototyp einer Elektromaschine und vier weitere Elektromaschinen für den DE-REX-Antriebsstrang (zwei für den X-in-the-Loop-Prüfstand und zwei für das Prototyp-Fahrzeug) gebaut und getestet. Basierend auf den Messergebnissen wurde die elektromagnetische Auslegung der Maschinen validiert und die analytisch und numerisch berechneten Verluste messtechnisch verifiziert. Darüber hinaus wurden gemessene Wirkungsgradkennfelder der Prototypmaschine mit dem entsprechenden Umrichter über den gesamten Drehmoment-Drehzahlbereich erstellt. Der Funktionstest des DE-REX-Antriebsstrangs wurde auf dem einzelnen Elektromaschinenprüfstand mit zwei Fahrzyklen, dem NEFZ und dem WLTC durchgeführt. Die Wirksamkeit des gewählten Kühlsystems wurde durch Temperaturmessungen überprüft. Die gemessenen Temperaturen zeigten, dass die Maschine eine gewisse Temperaturreserve für die eingesetzte Wärmeklasse H aufweist. Somit könnte die Maschine mehr Leistung erzeugen, um thermisch mehr zu nutzen. Außerdem ist es möglich, die Maschine zu verkleinern, um große thermische Reserven zu vermeiden. In dieser Arbeit werden zwei mögliche Downsizing-Methoden vorgestellt: die Erhöhung der elektromagnetischen und thermischen Ausnutzung durch Reduzierung des aktiven Volumens der elektrischen Maschine und die Verwendung von Hairpin-Wicklung mit höherem Füllfaktor. Die neu ausgelegte Maschine mit Runddrahtwickelung reduzierte das aktive Volumen um 23 %. Durch die Verwendung von Hairpin-Wicklung wies die neu ausgelegt Maschine eine aktive Volumenreduzierung von 32 % gegenüber der Prototypmaschine auf.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electrical Energy Conversion > Electrical Energy Conversion
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electrical Energy Conversion
Date Deposited: 15 Jul 2020 13:32
Last Modified: 16 Jul 2020 07:17
DOI: 10.25534/tuprints-00011826
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-118268
Referees: Binder, Prof. Dr. Andreas and Neudorfer, Prof. Dr. Harald
Refereed: 15 April 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/11826
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