Master's Thesis

Analysis of higher-voltage traction drives for E-mobility

Final Thesis 5.36 MB

Author of thesis: Bc. Matěj Michálek

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. Jan Bárta, Ph.D.

Reviewer: Ing. Martin Světlík

Abstract:

This master's thesis examines the transition of automotive traction drives from 400 V to 800 V architectures. The theoretical section outlines the technological limitations associated with voltage scaling, with a particular focus on  dielectric stress in organic insulation systems and the integration of wide-bandgap semiconductor inverters. The practical section quantifies these limitations through a simulation study of an interior permanent magnet synchronous motor (IPMSM), using a reference design provided by Garrett Advancing Motion. By modifying the stator winding, reducing the number of parallel paths from two to one, 800 V operation was enabled at half the phase current. However, under realistic inverter voltage constraints, the machine operates deeper within the field-weakening region. To assess dielectric stress on the slot insulation, a 3D transient finite element analysis was performed using Ansys Maxwell. The results indicate that during steep inverter voltage transients, the electric field intensity within microscopic interstitial air voids exceeds the breakdown thresholds defined by Paschen’s law. Therefore, reliable operation of 800 V traction machines  cannot be achieved merely by thickening the primary solid insulation, but it strictly requires vacuum pressure impregnation (VPI) to eliminate low-permittivity gas pockets.

Keywords:

high-voltage electric drives, transportation electrification, insulation systems, power converters, electromobility, modern trends, technical limitations, partial discharges, high-speed electric drives, interior permanent magnet synchronous motor

Date of defence

09.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaCznamka

Grading

C

Process of defence

Student prezentoval diplomovou práci na téma Anylýza trakčních pohonů na vyšší napětí pro E-mobilitu. Student prezentoval různé aplikace elektrických pohonů. Následně byla odprezentována limitace vysokonapěťových trakčních soustav a následná simulace trakčního motoru pro různé hladiny napětí. Student vysvětlil anylýzu rozložení elektrického pole v dřážce. Student odpověděl na otázky oponenta. Student dokázal odpovědět na všechny otázky komise.

Language of thesis

English

Faculty

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií

Department

Department of Power Electrical and Electronic Engineering

Study programme

Power Electrical and Electronic Engineering (MPC-SVE)

Composition of Committee

Ing. Petr Procházka, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Jiří Valenta, Ph.D. (člen)
Ing. Jan Knobloch, Ph.D. (člen)
Ing. Jan Martiš, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Radoslav Cipín, Ph.D. (předseda)

Supervisor’s report
doc. Ing. Jan Bárta, Ph.D.

Student Bc. Matěj Michálek vypracoval svou diplomovou práci na téma Analýza trakčních pohonů na vyšší napětí pro E-mobilitu. Práce byla vypracována ve spolupráci se společností Garrett Motion a měla za cíl analyzovat hairpin vinutí vysokootáčkového trakčního elektromotoru s ohledem na jeho možnosti provozu při napájení ze zdroje vyššího napětí. Studující v rámci řešení práce strávil jeden semestr na LUT ve Finsku, kde byl odborný konzultant prof. Aarniovuori. Dalším konzultantem byl Dr. Petr Chmelíček ze společnosti Garrett Motion.

-    Z hlediska zadání práce autor splnil body zadání. Nicméně šíře i hloubka plnění jednotlivých bodů mohla být větší. Hodnocení kritéria: Dobře


-    Prezentační úroveň: Z hlediska struktury je práce přehledná a obsahuje odpovídající ilustrace. Místy ale nejsou data dobře prezentována, např. série obrázků 4.3 – 4.6, kde nelze přečíst značení kontur. Autor ale mohl dále provést větší diskuzi dosažených výsledků. Hodnocení kritéria: Dobře

-    Jazykové a formální hledisko: Autor napsal text, který je převážně odborný a srozumitelný. Místy text obsahuje gramatické chyby nebo stylistické nepřesnosti. Hodnocení kritéria: Dobře

-    Práce s literaturou: Autor citoval 86 literárních zdrojů. Hodnocení kritéria: výborně

-    Výsledek a přínos práce: Autor vytvořil elektromagnetický model zadaného stroje, kde zkoumal vinutí za různých napěťových stavů. Jedná se spíše o úvodní studii, na kterou by bylo zajímavé navázat. Hledisko využitelnosti a přínosu práce tak hodnotím stupněm velmi dobře.

-    Pracovní přístup: Autor pracoval usilovně a převážně samostatně. Jednoznačně prokázal samostatnou schopnost řešit inženýrský problém, a proto hledisko práce autora hodnotím stupněm výborně.


Shrnutí:
Autor se problematice věnoval usilovně a svědomitě, přičemž prokázal schopnost samostatně analyzovat a optimalizovat specifický konstrukční prvek trakčního elektromotoru na inženýrské odborné úrovni. Výsledky práce mají praktický přínos. S ohledem na výše uvedené hodnotím práci stupněm B – velmi dobře a práci doporučuji k obhajobě. Výsledný počet bodů navržený vedoucím: 80
Známka navržená vedoucím: B Points proposed by supervisor: 80

Grade proposed by supervisor: B

Reviewer’s report
Ing. Martin Světlík

Student Bc. Michálek Matěj předložil diplomovou práci o rozsahu 87 stran, zaměřenou na "Analýzu trakčních pohonů na vyšší napětí pro E-mobilitu". Student provedl širokou literární rešerši zaměřenou na vybrané elektromobily, druhy jejich pohonů včetně dosahovaných výkonů a příklady jejich využití a trendy zvyšování jejich napájecího napětí. Dále popsal limitace spojené se zvyšováním tohoto napětí z hlediska dostupných izolací a používaných měničů. Obě kapitoly hodnotím velmi kladně jak z hlediska stylistiky, tak z hlediska hloubky rešerše. V kapitole tři popisuje numerické modelování, avšak tato kapitola působí v porovnání s ostatními kapitolami velmi stroze. V dalších kapitolách se student věnoval samotnému modelování stroje a analýzám spojeným se zvyšováním napěťové hladiny, kdy porovnal stejnou geometrii stroje navrženou pro hladinu 400 V a 800 V. Nutno podotknout, že student prezentuje geometrii vytvořenou prostřednictvím softwaru Motor-CAD, nikoliv Ansys Maxwell. Jeho absenci hodnotím velmi negativně. V následující kapitole se student věnoval analýze rozložení elektrického pole ve statorové drážce. Pro tuto analýzu vytvořil 3D model, který následně porovnal s analytickými výpočty a z výsledků vyvodil patřičné závěry. Co se týče zdrojů uvedených v této práci, jako negativní aspekt hodnotím "přetékání" některých odkazů na tyto zdroje uvedené v bibliografii mimo stránky, avšak jejich množství a rozsah jejich použití, a to včetně využití norem a technických standardů, hodnotím kladně.

Práce je po slohové stránce zvládnuta na dobré úrovni. Co se týče její stylistiky, preferoval bych kompaktnější styl, který nezahrnuje volné řádky mezi jednotlivými odstavci, a to zejména na straně 66, kde jsou tyto mezery velmi výrazné a rušivé.

I přes jisté nedostatky hodnotím práci kladně a tuto doporučuji k obhajobě Topics for thesis defence:
  1. Je nutné vždy provádět všechny zmíněné off-line testy izolace? Pokud ne, kdy se jednotlivé testy provádí?
  2. Je nutné vždy provádět všechny zmíněné on-line testy izolace? Pokud ne, kdy se jednotlivé testy provádí?
  3. V grafu na obrázku 11.b uvádíte v legendě hodnotu pro Pmax = 1.00 · Udc - 174.9, odkud pochází konstanta "174.9" uvedená v tomto vztahu?
  4. Dovysvětlete roli použití Maxwellu v bodu zadání č.1.
Points proposed by reviewer: 75

Grade proposed by reviewer: C

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová