Skip to main content

LUP Student Papers

LUND UNIVERSITY LIBRARIES

Effects of Multilevel Pulse Width Modulation on Iron Losses in Stator Cores

Stahre, Peter LU (2025) In CODEN:LUTEDX/TEIE EIEM01 20252
Division for Industrial Electrical Engineering and Automation
Abstract
The global energy transition and the growing adoption of electric vehicles drives an ever-increasing demand for more efficient electrical machines. A key improvement area is understanding and reducing iron losses in machine magnetic materials, such as those caused by Pulse Width Modulation (PWM). This thesis investigates the effects of PWM on magnetic hysteresis and the resulting iron losses in FeSi laminated stator core materials, with emphasis on the effects of switching frequency, modulation index and modulation levels.

An experimental setup allowing for magnetic excitation of toroidal and stator cores was used. Measurements were conducted with sinusoidal waveforms and emulated cascaded H-bridge PWM with frequencies up to 600 Hz and... (More)
The global energy transition and the growing adoption of electric vehicles drives an ever-increasing demand for more efficient electrical machines. A key improvement area is understanding and reducing iron losses in machine magnetic materials, such as those caused by Pulse Width Modulation (PWM). This thesis investigates the effects of PWM on magnetic hysteresis and the resulting iron losses in FeSi laminated stator core materials, with emphasis on the effects of switching frequency, modulation index and modulation levels.

An experimental setup allowing for magnetic excitation of toroidal and stator cores was used. Measurements were conducted with sinusoidal waveforms and emulated cascaded H-bridge PWM with frequencies up to 600 Hz and switching frequencies between 4 kHz and 16 kHz.

The results show that the increased iron losses from the harmonic content present in the PWM signal can be mitigated with an increased modulation index or switching frequency, where an increased modulation has a larger impact. Furthermore, increasing the number of cascaded H-bridges drastically reduced iron losses as well as the impact of increasing the switching frequency or modulation index.

The study contributes to a deeper understanding of how different PWM parameters affect magnetic induction and power losses, providing material and insight that can assist in improving the efficiency of future EV applications. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Visste du att en elbil är minst 40% mer effektiv än en bil som går på bensin? Det är sant! En bil med förbränningsmotor kan maximalt utnyttja runt 40% av energin som finns i bensinen. En elbil däremot, kan idag använda upp till 97% av energin i batteriet. Med detta i åtanke känns det ganska naturligt att elbilar kommer bli allt vanligare i samhället, till och med om man bortser från miljöaspekten. Om elbilar i framtiden utgör en stor del av världens bilflotta, kan plötsligt skillnaden mellan 96% och 97% effektivitet motsvara miljontals Watt med energi. Det är kärnfrågan bakom det här exjobbet: Hur kan man effektivisera elbilsmotorer med hjälp av att skräddarsy strömmen som får motorn att snurra?

Pulse Width Modulation är en teknik som... (More)
Visste du att en elbil är minst 40% mer effektiv än en bil som går på bensin? Det är sant! En bil med förbränningsmotor kan maximalt utnyttja runt 40% av energin som finns i bensinen. En elbil däremot, kan idag använda upp till 97% av energin i batteriet. Med detta i åtanke känns det ganska naturligt att elbilar kommer bli allt vanligare i samhället, till och med om man bortser från miljöaspekten. Om elbilar i framtiden utgör en stor del av världens bilflotta, kan plötsligt skillnaden mellan 96% och 97% effektivitet motsvara miljontals Watt med energi. Det är kärnfrågan bakom det här exjobbet: Hur kan man effektivisera elbilsmotorer med hjälp av att skräddarsy strömmen som får motorn att snurra?

Pulse Width Modulation är en teknik som idag används för att driva motorn i en elbil. Den använder korta pulser av spänning för att skräddarsy elektriciteten hos apparater. Till exempel i taklampor kan man genom att ha olika breda pulser skapa starkt eller svagt ljus, där fungerar PWM som en dimmer! I elbilsmotorn används det för att skapa de elektromagneter som får hjulen att snurra. Men spänningen hos PWM slår av och på så snabbt att motorn inte hänger med, och det blir en slags magnetisk friktion i motorn som leder till uppvärmning. Detta är bortkastad energi som kallas för ”järnförluster”. Detta arbete har gått ut på att undersöka hur den påverkas av olika PWM-strömmar.

Genom att plocka ut den stationära delen av bilmotorn: ”statorn”, och magnetisera den med digitalt designade strömmar, har jag i det här examensarbetet undersökt hur olika PWM-strömmar påverkar magnetiseringen. Jag har fokuserat på hur tre faktorer påverkar järnförlusterna som skapas: hur stor andel av den tillgängliga spänningen man använder, hur snabbt man varierar strömmen samt hur avancerade PWM-moduler man använder. Resultatet kan delas upp i två delar: för enklare PWM-moduler är det fördelaktigt att använda så mycket av spänningen som möjligt och variera strömmen så snabbt det går. Använder man mer sofistikerade moduler minskar järnförlusterna snabbt och att ändra spänningsanvändningen och hur snabbt strömmen varierar gör inte längre så stor skillnad.

Genom att välja mer passande PWM parametrar ser vi en märkbar reduktion i järnförlusterna. Optimeringen kan användas för att utveckla mer effektiva eldrivsystem. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Stahre, Peter LU
supervisor
organization
alternative title
Påverkan av flernivåpulsbreddsmodulering på järnförluster i statorkärnor
course
EIEM01 20252
year
type
H3 - Professional qualifications (4 Years - )
subject
keywords
Pulse Width Modulation, Hysteresis, Core losses, Iron losses, PWM, Multi-level PWM, Laminated steel, Stator cores, Cascaded H-bridge
publication/series
CODEN:LUTEDX/TEIE
report number
5554
language
English
id
9215994
date added to LUP
2026-01-10 11:42:09
date last changed
2026-01-10 11:42:09
@misc{9215994,
  abstract     = {{The global energy transition and the growing adoption of electric vehicles drives an ever-increasing demand for more efficient electrical machines. A key improvement area is understanding and reducing iron losses in machine magnetic materials, such as those caused by Pulse Width Modulation (PWM). This thesis investigates the effects of PWM on magnetic hysteresis and the resulting iron losses in FeSi laminated stator core materials, with emphasis on the effects of switching frequency, modulation index and modulation levels. 

An experimental setup allowing for magnetic excitation of toroidal and stator cores was used. Measurements were conducted with sinusoidal waveforms and emulated cascaded H-bridge PWM with frequencies up to 600 Hz and switching frequencies between 4 kHz and 16 kHz. 

The results show that the increased iron losses from the harmonic content present in the PWM signal can be mitigated with an increased modulation index or switching frequency, where an increased modulation has a larger impact. Furthermore, increasing the number of cascaded H-bridges drastically reduced iron losses as well as the impact of increasing the switching frequency or modulation index. 

The study contributes to a deeper understanding of how different PWM parameters affect magnetic induction and power losses, providing material and insight that can assist in improving the efficiency of future EV applications.}},
  author       = {{Stahre, Peter}},
  language     = {{eng}},
  note         = {{Student Paper}},
  series       = {{CODEN:LUTEDX/TEIE}},
  title        = {{Effects of Multilevel Pulse Width Modulation on Iron Losses in Stator Cores}},
  year         = {{2025}},
}