Grant: Alliance Grants

To achieve the goals set in the Paris Agreement of limiting the global temperature increase requires the development of zero-emission vehicle (ZEV) as the transport sector contributes about 25% of the total greenhouse gas emissions. According to the International Energy Agency, at least 20% of all road transport vehicles should be electrically driven by 2030. In Canada, at least 70% Canadian passenger auto sales will have to be ZEVs by 2030. Therefore, extensive research and innovations are required to advance the electric vehicle (EV) technology and help increase the public acceptance. This project aims to make EVs more efficient and affordable by developing a low-cost and high performance electric traction drive system (ETDS). This research project focuses on ETDS without rare earth permanent magnets for EVs. Considering cost and performance, wound field synchronous machine (WFSM) is a promising candidate for EV propulsion. In this research proposal, the applicants will design and develop a low-cost WFSM drive system with improved performance. From a machine design aspect, the team will perform sensitivity analysis on WFSM using intelligent algorithms to derive the relation between design parameters and the output characteristics. Further, novel WFSM topologies with different field excitations will be investigated using innovative electromagnetic models and multi-physics design optimization techniques. Scaled-down machine prototypes will be developed to test and validate the proposed design in laboratory. To achieve a high performance WFSM control, the additional control degree of freedom through direct regulation of the field excitation will be explored and utilized for good dynamics and loss minimization at high speeds. Novel control techniques will also be proposed to address challenges in a low cost and high performance WFSM drive, for example the control complexity due to additional asymmetric cross coupling between the direct and field axes and issues related to low frequency ratio at high speeds. In addition, low-cost control solutions with reduced number of sensors will be investigated.The novelty of this research lies in a synthetic design of a low cost WFSM drive system through electromagnetics and control optimization. The proposed research is expected to provide a product implementable solution of non-rare-earth permanent magnet traction motor drive to the Canadian and global automotive industry with reduced cost. This research project will train four graduate students in the area of electric machines and controls. They will all acquire research expertise and capabilities to advance electric motor drive technology and to help propel a paradigm shift in overall EV design. The advanced knowledge produced through this project will be beneficial in developing future EVs of much greater capability with reduced cost than those currently available to consumers. This project also supports several Sustainable Development Goals (SDGs). Firstly, it supports SDG9 (Industry, Innovation, and Infrastructure) directly through technological innovation and the development of new ETDS for EVs. The proposed low cost and efficient ETDS contributes to SDG7 by making EVs mote efficient and affordable, leading to positive solutions towards SDG11 and SDG13 related to Sustainability and Climate Action. Pour atteindre les objectifs de l'Accord de Paris visant à limiter le réchauffement climatique, il est essentiel de développer des véhicules à zéro émission (VZE), car les transports sont responsables d'environ 25 % des émissions de gaz à effet de serre. Selon l'Agence internationale de l'énergie, d'ici 2030, au moins 20 % des véhicules routiers devraient être électriques. Au Canada, ce chiffre sera d'au moins 70 % pour les ventes de voitures particulières. Des recherches et innovations sont donc nécessaires pour promouvoir la technologie des véhicules électriques (VEs) et favoriser leur acceptation par le public. Ce projet vise à rendre les VEs plus efficaces et abordables en créant un système de traction électrique (STE) à faible coût et haute performance. Ce projet se concentre sur les STE sans aimants permanents en terres-rares pour les VEs. Considérant coûts et performances, la machine synchrone à champ enroulé (MSCE) sera un candidat prometteur pour la propulsion des VEs. Dans cette proposition de recherche, les candidats concevront un système d'entraînement MSCE économique et performant. D'un point de vue conception de machine, l'équipe effectuera une analyse de sensibilité sur la MSCE pour comprendre la relation entre les paramètres de conception et les caractéristiques de sortie en utilisant des algorithmes intelligents. De plus, ils étudieront de nouvelles configurations MSCE avec des excitations de champ différentes à l'aide de modèles électromagnétiques innovants et d'optimisation multi-physique. Des prototypes à l'échelle réduite seront développés pour valider la conception en laboratoire. Pour améliorer le contrôle performant des MSCE, le degré de liberté de commande supplémentaire par la régulation directe de l'excitation du champ sera exploré et utilisé pour une meilleure dynamique et une minimisation des pertes à haute vitesse. De nouvelles techniques de contrôle seront proposées pour relever les défis d'un système MSCE économique et performant, y compris la complexité due aux couplages croisés et aux problèmes à haute vitesse. De plus, des solutions de contrôle à faible coût avec moins de de capteurs seront étudiées.Cette recherche innove en proposant une conception synthétique d'un système d'entraînement MSCE à faible coût grâce à l'optimisation électromagnétique et de contrôle. La recherche proposée vise à offrir une solution de produit à coût réduit pour le moteur de traction sans aimants permanents en terres-rares à l'industrie automobile canadienne et mondiale. Ce projet de recherche formera quatre étudiants diplômés en machines électriques et régulation. Ils acquerront l'expertise en recherche pour faire avancer la technologie des moteurs électriques et provoquer un changement de paradigme dans la conception globale des VEs. Les connaissances avancées issues de ce projet seront utiles pour développer des VEs futurs offrant de meilleures performances à un coût réduit par rapport aux modèles actuels. Ce projet soutient plusieurs objectifs de développement durable (ODD). Il soutient directement l'ODD9 (Industrie, innovation et infrastructure) grâce à l'innovation technologique pour les VEs. De plus, le STE à faible coût et efficace proposé contribue aux ODD7, 11 et 13 en rendant les VEs plus efficaces et abordables, favorisant ainsi la durabilité et l'action climatique.