<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article article-type="research-article" dtd-version="2.3" xml:lang="EN" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Energy Res.</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Energy Research</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Energy Res.</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">2296-598X</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="publisher-id">875706</article-id>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/fenrg.2022.875706</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Energy Research</subject>
<subj-group>
<subject>Original Research</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>Fast and Accurate Traction Induction Machine Performance Calculation Method for Integrated Onboard Charging in Vehicle to Grid Application</article-title>
<alt-title alt-title-type="left-running-head">Cai et al.</alt-title>
<alt-title alt-title-type="right-running-head">Fast IM Calculation for V2G</alt-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name>
<surname>Cai</surname>
<given-names>Haiwei</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<xref ref-type="corresp" rid="c001">&#x2a;</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1678739/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Huang</surname>
<given-names>Ru</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Zhai</surname>
<given-names>Hao</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Xu</surname>
<given-names>Honghua</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff2">
<sup>2</sup>
</xref>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>Shaojun</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff2">
<sup>2</sup>
</xref>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Xu</surname>
<given-names>Jingzhou</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff2">
<sup>2</sup>
</xref>
</contrib>
</contrib-group>
<aff id="aff1">
<sup>1</sup>
<institution>School of Electrical Engineering, Southeast University</institution>, <addr-line>Nanjing</addr-line>, <country>China</country>
</aff>
<aff id="aff2">
<sup>2</sup>
<institution>Nanjing Power Supply Company State Grid Jiangsu Electric Power CO., LTD</institution>, <addr-line>Nanjing</addr-line>, <country>China</country>
</aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Edited by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1489965/overview">Qingxin Shi</ext-link>, North China Electric Power University, China</p>
</fn>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Reviewed by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1681943/overview">Jianyu Pan</ext-link>, Chongqing University, China</p>
<p>
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1682142/overview">Yanpu Zhao</ext-link>, Wuhan University, China</p>
</fn>
<corresp id="c001">&#x2a;Correspondence: Haiwei Cai, <email>haiweicai@seu.edu.cn</email>
</corresp>
<fn fn-type="other">
<p>This article was submitted to Smart Grids, a section of the journal Frontiers in Energy Research</p>
</fn>
</author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>01</day>
<month>04</month>
<year>2022</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2022</year>
</pub-date>
<volume>10</volume>
<elocation-id>875706</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>14</day>
<month>02</month>
<year>2022</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>01</day>
<month>03</month>
<year>2022</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#xa9; 2022 Cai, Huang, Zhai, Xu, Liu and Xu.</copyright-statement>
<copyright-year>2022</copyright-year>
<copyright-holder>Cai, Huang, Zhai, Xu, Liu and Xu</copyright-holder>
<license xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">
<p>This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.</p>
</license>
</permissions>
<abstract>
<p>Reusing traction electric machine windings in electric vehicles as an integrated filtering inductor is a promising solution to reduce the size of the vehicle to grid (V2G) charging/discharging system. Obviously, the integrated inductors need to meet the requirements of traction and charging/discharging, which brings challenge for the design of traction machines. As one of the most popular traction electric machine types, the high-speed induction machine usually has large electrical time constant and consequently unacceptably long transient time in the design stage when finite element analysis is adopted. In this article, a method is proposed to quickly and accurately calculate the steady state performance of the induction machine by time-stepping transient magnetic finite element analysis. First, the stator current magnitude is ramped up from zero to full magnitude gradually to control the DC component in rotor flux and torque. Second, a multistep equivalent resistance method is adopted to decrease rotor time constant and suppress slot-tooth harmonic transient response. The proposed method can predict the FEA computation load before running the calculation, and it does not rely on the machine parameter and feedback signal. Its performance is tested by an example induction machine. The result shows that the proposed method can reduce the finite element calculation time of a high-speed operating point by 99<italic>%</italic>.</p>
</abstract>
<kwd-group>
<kwd>finite element</kwd>
<kwd>induction machine</kwd>
<kwd>torque</kwd>
<kwd>transient response</kwd>
<kwd>high-speed</kwd>
<kwd>equivalent resistance</kwd>
<kwd>V2G</kwd>
<kwd>harmonic</kwd>
</kwd-group>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec id="s1">
<title>1 Introduction</title>
<p>As an emerging type of distributed energy resources (DERs), the electric vehicle is increasingly connected to the power grid in the two-way charging and discharging manner (<xref ref-type="bibr" rid="B5">Haghbin et al., 2013</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B6">Khaligh and D&#x2019;Antonio, 2019</xref>). To suppress the harmonics brought by the grid-connected inverters, filter inductors are usually required to be installed between the inverter and the power grid. Integrated filter inductors reused traction electric machine windings instead of adding an extra set of inductors for the purpose of reducing the charging system size (<xref ref-type="bibr" rid="B13">Xiao et al., 2019</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B10">Metwly et al., 2020</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B12">Wang et al., 2020</xref>). It is well known that the vehicle traction application requires the machine to have high efficiency and small size, while the V2G application focuses more on the power quality such as harmonic components. Hence, it is necessary to make sure the machine can satisfy the requirements of both applications.</p>
<p>Induction machines (IMs) are commonly used in electric and hybrid vehicle traction (<xref ref-type="bibr" rid="B15">Zhu and Howe, 2007</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B3">El-Refaie, 2013</xref>). To improve machine efficiency, the IMs need to operate at high speed, which results in a large rotor electrical time constant <inline-formula id="inf1">
<mml:math id="m1">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and consequently a very time-consuming transient response before obtaining steady state performance (<xref ref-type="bibr" rid="B14">Yamazaki et al., 2012</xref>). Because finite element analysis (FEA) can accurately calculate electric machine performance, it is commonly used in the machine design stage. However, the accuracy comes at the cost of large amount of computation load and time; it becomes impractical to design an IM that meets the traction and V2G applications in an acceptable time length (<xref ref-type="bibr" rid="B8">Le Besnerais et al., 2010</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B7">Kim et al., 2019</xref>).</p>
<p>To reduce the calculation time, many researchers have proposed different ideas to calculate the initial steady state performance in a relatively short time. The locked-rotor method sets the rotor speed to be zero and increases rotor resistance by a factor of <inline-formula id="inf2">
<mml:math id="m2">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:math>
</inline-formula> to obtain a <inline-formula id="inf3">
<mml:math id="m3">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:math>
</inline-formula> times faster transient response time (<xref ref-type="bibr" rid="B9">Lin et al., 2017</xref>). However, to consider the tooth/slot harmonics, the rotor speed must be changed back to the normal speed, but such transition will introduce a new transient response. In <xref ref-type="bibr" rid="B9">Lin et al. (2017</xref>), a compensation voltage is added to original sinusoidal voltage excitation to eliminate the DC flux to suppress the transient response, which works on permanent magnet machines, but works on IMs because the two machine types are very different.</p>
<p>The current excitation is transitioned to a voltage excitation in <xref ref-type="bibr" rid="B2">Di et al. (2019</xref>), which reduces the transient time by as much as 66<italic>%</italic>. However, the research does not provide theoretical analysis on the optimal transition moment. The time-harmonic (TH) FEA and larger time step methods are also studied (<xref ref-type="bibr" rid="B4">Fu et al., 2012</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B11">Rainer et al., 2012</xref>). However, these methods cannot guarantee the accuracy of the result. Hence, they face the same transition transient response issue when switched back to the accurate time-stepping FEA model.</p>
<p>This article proposes a two-step IM performance calculation method to accelerate the machine design process. The first step is to control the DC component in rotor flux and torque by gradually ramping up stator current magnitude. The second step is to reduce the rotor time constant by slowing down rotor speed and increasing rotor resistance simultaneously.</p>
<p>The content of this article is organized as follows: in <xref ref-type="sec" rid="s2">Section 2</xref>, the transient dynamic of the IM under current source excitation is discussed. The performance of several existing methods is analyzed. <xref ref-type="sec" rid="s3">Section 3</xref> presents and discusses the proposed method. Then, the performance of the proposed method is tested by an example induction machine in <xref ref-type="sec" rid="s4">Section 4</xref>. <xref ref-type="sec" rid="s5">Section 5</xref> concludes the article.</p>
</sec>
<sec id="s2">
<title>2 Performance of Existing Methods</title>
<sec id="s2-1">
<title>2.1 Steady State Model in the DQ Reference Frame</title>
<p>The rotor flux, current, and torque of an IM in synchronous <italic>d</italic> &#x2212; <italic>q</italic> reference frame can be expressed by <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">(1</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="e5">5)</xref>. Since current excitation is supplied to the stator winding, the transient response is mainly on the rotor flux and current. Hence, the stator voltage and flux equations are not included.<disp-formula id="e1">
<mml:math id="m4">
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
<label>(1)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e2">
<mml:math id="m5">
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
<label>(2)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e3">
<mml:math id="m6">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
<label>(3)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e4">
<mml:math id="m7">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
<label>(4)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e5">
<mml:math id="m8">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(5)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The reference d-axis is selected such that <italic>i</italic>
<sub>
<italic>ds</italic>
</sub> and <italic>i</italic>
<sub>
<italic>qs</italic>
</sub> satisfy (6) and (7), respectively, in the steady state.<disp-formula id="e6">
<mml:math id="m9">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:math>
<label>(6)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e7">
<mml:math id="m10">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(7)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Regardless of the transient waveform of the stator current, as long as the steady state inputs <italic>I</italic>
<sub>
<italic>s</italic>
</sub> and <italic>&#x3c9;</italic>
<sub>
<italic>slip</italic>
</sub> are known, solving (1&#x2013;4) and setting all differential terms to be zero can obtain the steady state rotor flux value as expressed by <xref ref-type="disp-formula" rid="e8">8</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e9">9</xref>.<disp-formula id="e8">
<mml:math id="m11">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
<label>(8)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e9">
<mml:math id="m12">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(9)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>When the current source is imposed on stator winding, the transient response of the IM is mainly referring to oscillation of the rotor current, flux, and torque. (10) and (11) can be derived from <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">(1</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="e4">4)</xref>. Note that rotor speed <italic>&#x3c9;</italic>
<sub>
<italic>r</italic>
</sub> is an input value in the FEA calculation, so slip frequency <italic>&#x3c9;</italic>
<sub>
<italic>slip</italic>
</sub> &#x3d; <italic>s&#x3c9;</italic>
<sub>
<italic>e</italic>
</sub> &#x3d; <italic>&#x3c9;</italic>
<sub>
<italic>e</italic>
</sub> &#x2212; <italic>&#x3c9;</italic>
<sub>
<italic>r</italic>
</sub> can be designated.<disp-formula id="e10">
<mml:math id="m13">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2033;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
<label>(10)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e11">
<mml:math id="m14">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2033;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(11)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Three existing methods, including constant <italic>I</italic>
<sub>
<italic>s</italic>
</sub> method, step function <italic>I</italic>
<sub>
<italic>s</italic>
</sub> method, and ramp function <italic>I</italic>
<sub>
<italic>s</italic>
</sub> method, will be discussed in the following subsections (<xref ref-type="bibr" rid="B1">Cai, 2020</xref>). They are different because of the different input stator current waveforms as shown in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref>.</p>
<fig id="F1" position="float">
<label>FIGURE 1</label>
<caption>
<p>
<italic>I</italic>
<sub>
<italic>s</italic>
</sub> waveform of the three methods (analytical model).</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fenrg-10-875706-g001.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s2-2">
<title>2.2 Existing Method 1&#x2014;Constant <italic>I</italic>
<sub>
<italic>s</italic>
</sub>
</title>
<p>In the constant <italic>I</italic>
<sub>
<italic>s</italic>
</sub> method, the steady state sinusoidal current is supplied to stator winding from time zero until the steady state is reached. (12) and (13) can be derived from <xref ref-type="disp-formula" rid="e10">10</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e11">11</xref>.<disp-formula id="e12">
<mml:math id="m15">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>1</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
<label>(12)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e13">
<mml:math id="m16">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>1</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(13)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The transient electromagnetic torque can be calculated by substituting (6), (7), (12), and (13) into (5). The result is shown in <xref ref-type="disp-formula" rid="e14">14</xref>, where <inline-formula id="inf4">
<mml:math id="m17">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula>.<disp-formula id="e14">
<mml:math id="m18">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(14)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The ratio between the magnitude of the oscillating component <inline-formula id="inf5">
<mml:math id="m19">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>1</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the steady state component <italic>T</italic>
<sub>
<italic>ess</italic>
</sub>, i.e., the torque error, can be calculated by <xref ref-type="disp-formula" rid="e15">15</xref>. Then, the number of synchronous electrical cycles <inline-formula id="inf6">
<mml:math id="m20">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> needed to make the error smaller than <inline-formula id="inf7">
<mml:math id="m21">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> (practical steady state in numerical computation) can be calculated by <xref ref-type="disp-formula" rid="e16">16</xref>, which is a function of <italic>s</italic> and <italic>&#x3c4;&#x3c9;</italic>
<sub>
<italic>slip</italic>
</sub>.<disp-formula id="e15">
<mml:math id="m22">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:math>
<label>(15)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e16">
<mml:math id="m23">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(16)</label>
</disp-formula>
</p>
</sec>
<sec id="s2-3">
<title>2.3 Existing Method 2&#x2014;Step Function for <italic>I</italic>
<sub>
<italic>s</italic>
</sub>
</title>
<p>In the step function <italic>I</italic>
<sub>
<italic>s</italic>
</sub> method, the input stator current magnitude can be expressed by <xref ref-type="disp-formula" rid="e17">17</xref>. When <italic>t</italic> &#x3e; 0, (18) and (19) can be derived.<disp-formula id="e17">
<mml:math id="m24">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="{" close=";">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
<label>(17)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e18">
<mml:math id="m25">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>2</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
<label>(18)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e19">
<mml:math id="m26">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>2</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(19)</label>
</disp-formula>Similar to (16), the number of synchronous electrical cycles needed to reach a given error <inline-formula id="inf8">
<mml:math id="m27">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> can be derived as (20).<disp-formula id="e20">
<mml:math id="m28">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(20)</label>
</disp-formula>
</p>
</sec>
<sec id="s2-4">
<title>2.4 Existing Method 3&#x2014;Ramp Function for <italic>I</italic>
<sub>
<italic>s</italic>
</sub>
</title>
<p>In the ramp function <italic>I</italic>
<sub>
<italic>s</italic>
</sub> method, <italic>I</italic>
<sub>
<italic>s</italic>
</sub> is expressed by <xref ref-type="disp-formula" rid="e21">21</xref>.<disp-formula id="e21">
<mml:math id="m29">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="{" close="">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
<label>(21)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>When <italic>t</italic> &#x2264; <italic>t</italic>
<sub>0</sub>, the rotor flux is expressed by <xref ref-type="disp-formula" rid="e22">22</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e23">23</xref>, where <inline-formula id="inf9">
<mml:math id="m30">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.<disp-formula id="e22">
<mml:math id="m31">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>3</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
<label>(22)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e23">
<mml:math id="m32">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>3</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(23)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>When <italic>t</italic> &#x3e; <italic>t</italic>
<sub>0</sub> and <italic>i</italic>
<sub>
<italic>qs</italic>
</sub> &#x3d; <italic>I</italic>
<sub>
<italic>sss</italic>
</sub>, rotor flux can be calculated by <xref ref-type="disp-formula" rid="e24">24</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e25">25</xref>, where <italic>t</italic>&#x2a; &#x3d; <italic>t</italic> &#x2212; <italic>t</italic>
<sub>0</sub>, <inline-formula id="inf10">
<mml:math id="m33">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>3</mml:mi>
<mml:mi>0</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf11">
<mml:math id="m34">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>3</mml:mi>
<mml:mi>0</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula>. Note that <italic>&#x3bb;</italic>
<sub>
<italic>dr30</italic>
</sub> and <italic>&#x3bb;</italic>
<sub>
<italic>qr30</italic>
</sub> can be calculated by letting <inline-formula id="inf12">
<mml:math id="m35">
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="e22">22</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e23">23</xref>.<disp-formula id="e24">
<mml:math id="m36">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>3</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>;</mml:mo>
</mml:math>
<label>(24)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e25">
<mml:math id="m37">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>3</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(25)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Similar to (16) and (20), the synchronous electrical periods needed to make the error smaller than <inline-formula id="inf13">
<mml:math id="m38">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> can be derived as (26).<disp-formula id="e26">
<mml:math id="m39">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(26)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Performance of the three existing methods are evaluated with an example IM, when <italic>&#x3c9;</italic>
<sub>
<italic>e</italic>
</sub> &#x3d; 2<italic>&#x3c0;</italic> &#xd7; 510, <italic>&#x3c4;&#x3c9;</italic>
<sub>
<italic>slip</italic>
</sub> &#x3d; 30, and <italic>s</italic> &#x3d; 0.0196, and the torque waveforms of the three methods are shown in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2</xref>. It should be pointed out that for simplicity of initial discussion, the example uses an analytical model rather than a finite element model, so the nonlinear behaviors have not been considered yet.</p>
<fig id="F2" position="float">
<label>FIGURE 2</label>
<caption>
<p>Torque waveform of the three methods (analytical model).</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fenrg-10-875706-g002.tif"/>
</fig>
<p>Even though the ramp function <italic>I</italic>
<sub>
<italic>s</italic>
</sub> method can significantly reduce the transient response time when compared with the other two methods, it still takes hundreds of cycles to reach the steady state. In fact, it takes much longer time to decay from 10 to 1% error than that from zero to 10% error.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s3">
<title>3 Proposed Method&#x2014;Multistep Equivalent Resistance Method</title>
<p>To further reduce the transient time, this article proposes the multistep equivalent resistance method. It is well known that as long as the value of <inline-formula id="inf14">
<mml:math id="m40">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:math>
</inline-formula> is not changed, the steady state torque and flux (fundamental component) of the IM will remain the same. By increasing <italic>R</italic>
<sub>
<italic>r</italic>
</sub> in proportion to <italic>s</italic>, the oscillation time of rotor flux and torque can be reduced since <inline-formula id="inf15">
<mml:math id="m41">
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:math>
</inline-formula> becomes smaller. This approach is called the equivalent resistance (ER) method.</p>
<p>To implement the ER method, when <italic>R</italic>
<sub>
<italic>r</italic>
</sub> needs to be increased by a factor of <italic>k</italic>
<sub>
<italic>R</italic>
</sub>, then the rotor bar resistivity and rotor slip should also be multiplied by <italic>k</italic>
<sub>
<italic>R</italic>
</sub>, and the rotor mechanical speed should be modified as <italic>n</italic>&#x2a; &#x3d; <italic>n</italic> (1 &#x2212; <italic>sk</italic>
<sub>
<italic>R</italic>
</sub>)/(1 &#x2212; <italic>s</italic>).</p>
<p>To calculate the accurate IM performance, it is necessary to switch from the ER model back to the original model. Since the ramp function method has shown obvious advantages over the other two methods, if it can be combined with the ER method, the transient response time can be further reduced. Thus, <inline-formula id="inf16">
<mml:math id="m42">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> can be updated as (27).<disp-formula id="e27">
<mml:math id="m43">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(27)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The relationship between <italic>&#x3c4;&#x3c9;</italic>
<sub>
<italic>slip</italic>
</sub> and <inline-formula id="inf17">
<mml:math id="m44">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> at various <italic>k</italic>
<sub>
<italic>R</italic>
</sub> values is plotted in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref>, which shows that the peak value of <inline-formula id="inf18">
<mml:math id="m45">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> is inversely proportional to <italic>k</italic>
<sub>
<italic>R</italic>
</sub>. More importantly, the peak value of <inline-formula id="inf19">
<mml:math id="m46">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> is 6.38, indicating that the IM can reach the steady state in less than 6.5 synchronous periods. In contrast, the existing methods will need hundreds or thousands of periods. Hence, it seems reasonable to select <italic>k</italic>
<sub>
<italic>R</italic>
</sub> to be as large as possible. However, larger <italic>k</italic>
<sub>
<italic>R</italic>
</sub> will lead to larger <italic>t</italic>
<sub>
<italic>add</italic>
</sub>, and the total transient response time may become longer instead.</p>
<fig id="F3" position="float">
<label>FIGURE 3</label>
<caption>
<p>
<italic>&#x3c4;&#x3c9;</italic>
<sub>
<italic>slip</italic>
</sub> vs. <inline-formula id="inf20">
<mml:math id="m47">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> at various <italic>k</italic>
<sub>
<italic>R</italic>
</sub> values with the ramp function (<italic>k</italic>
<sub>0</sub>&#x3d;1) for <italic>I</italic>
<sub>
<italic>s</italic>
</sub> and equivalent resistance method adopted. <inline-formula id="inf21">
<mml:math id="m48">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>%</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fenrg-10-875706-g003.tif"/>
</fig>
<p>To mitigate this problem, the multistep ER method is proposed. The basic idea is to use a time-varying <italic>k</italic>
<sub>
<italic>R</italic>
</sub> value to smooth the transition, such that <italic>t</italic>
<sub>
<italic>add</italic>
</sub> can be greatly reduced. As shown in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4</xref> (<italic>&#x3c9;</italic>
<sub>
<italic>e</italic>
</sub> &#x3d; 2<italic>&#x3c0;</italic> &#xd7; 510<italic>Hz</italic> and <italic>s</italic> &#x3d; 0.0196), the one-step ER method will introduce large oscillation when the transition happens. While in <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5</xref>, when a two-step ER method is adopted, <italic>t</italic>
<sub>
<italic>add</italic>
</sub> becomes much shorter. It should be pointed out if the rotor speed is increased to the actual speed following a constant slope (ramp function) after the transition, it becomes a special case of the multistep ER method.</p>
<fig id="F4" position="float">
<label>FIGURE 4</label>
<caption>
<p>Traditional single-step equivalent resistance method.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fenrg-10-875706-g004.tif"/>
</fig>
<fig id="F5" position="float">
<label>FIGURE 5</label>
<caption>
<p>Proposed multistep equivalent resistance method.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fenrg-10-875706-g005.tif"/>
</fig>
<p>Note that <xref ref-type="fig" rid="F4">Figures 4</xref>, <xref ref-type="fig" rid="F5">5</xref> are schematic waveforms; the actual response of the finite element IM model involves complex nonlinear behavior that is difficult to be expressed by accurate analytical equations. Hence, the effectiveness of the proposed multistep ER method will be proven in the next section by the FEA model directly.</p>
<p>In short, the proposed method has two parts. First, stator current magnitude <italic>I</italic>
<sub>
<italic>s</italic>
</sub> is increased following a ramp function and applied on q-axis while keeping the d-axis current to be zero (arbitrary synchronous reference frame). Second, a multistep equivalent resistance method is adopted.</p>
</sec>
<sec id="s4">
<title>4 Validation of the Proposed Method</title>
<p>A high-speed traction IM is selected for investigation as shown in <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6</xref> (cross section) and <xref ref-type="table" rid="T1">Table 1</xref> (specs). For easiness of understanding, the steady state value of <italic>&#x3c4;&#x3c9;</italic>
<sub>
<italic>slip</italic>
</sub> is calculated after the simulation, which is around 30. For the purpose of comparison, the transient response of different methods including the three existing methods discussed earlier is also calculated. The torque waveforms for constant <italic>I</italic>
<sub>
<italic>s</italic>
</sub> and ramp function <italic>I</italic>
<sub>
<italic>s</italic>
</sub> methods are shown in <xref ref-type="fig" rid="F7">Figures 7</xref>, <xref ref-type="fig" rid="F8">8</xref>, respectively.</p>
<fig id="F6" position="float">
<label>FIGURE 6</label>
<caption>
<p>Cross section of the example traction induction machine.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fenrg-10-875706-g006.tif"/>
</fig>
<table-wrap id="T1" position="float">
<label>TABLE 1</label>
<caption>
<p>Specifications of the example induction machine.</p>
</caption>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th align="left">Quantity</th>
<th align="center">Unit</th>
<th align="center">Value</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td align="left">&#xa0;Number of poles</td>
<td align="left"/>
<td align="center">4</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">&#xa0;Stator/rotor slot number</td>
<td align="left"/>
<td align="center">60/74</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">&#xa0;Stack length</td>
<td align="center">mm</td>
<td align="center">153</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">&#xa0;Stator OD/ID</td>
<td align="center">mm</td>
<td align="center">254/157</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">&#xa0;Rotor OD/ID</td>
<td align="center">mm</td>
<td align="center">155.6/50</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">&#xa0;DC bus voltage</td>
<td align="center">V</td>
<td align="center">300</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">&#xa0;Slip (s)</td>
<td align="left"/>
<td align="center">0.0196</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">&#xa0;Stator current (Peak)</td>
<td align="center">A</td>
<td align="center">1,273</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">&#xa0;Rotor speed</td>
<td align="center">RPM</td>
<td align="center">15,000</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<fig id="F7" position="float">
<label>FIGURE 7</label>
<caption>
<p>Torque of the constant <italic>I</italic>
<sub>
<italic>s</italic>
</sub> method (FEA result).</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fenrg-10-875706-g007.tif"/>
</fig>
<fig id="F8" position="float">
<label>FIGURE 8</label>
<caption>
<p>Torque of the ramp function <italic>I</italic>
<sub>
<italic>s</italic>
</sub> method (FEA result).</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fenrg-10-875706-g008.tif"/>
</fig>
<p>To validate the effectiveness of the multistep ER method, the rotor speed is increased from 0 to 15000RPM following a constant slope from t &#x3d; 6<italic>t</italic>
<sub>
<italic>syn</italic>
</sub> &#x3d; 11.8&#xa0;ms to t &#x3d; 12<italic>t</italic>
<sub>
<italic>syn</italic>
</sub> &#x3d; 23.5&#xa0;ms (<xref ref-type="fig" rid="F9">Figure 9</xref>). The torque waveform is shown in <xref ref-type="fig" rid="F10">Figure 10</xref>. It is found that there is almost no additional transient response after the rotor speed reaches 15000RPM. Hence, the total transient time is only 12<italic>t</italic>
<sub>
<italic>syn</italic>
</sub> (23.5&#xa0;ms). As shown, the average value of the steady state torque is 112.5&#xa0;N&#xa0;m.</p>
<fig id="F9" position="float">
<label>FIGURE 9</label>
<caption>
<p>
<italic>I</italic>
<sub>
<italic>s</italic>
</sub> and <italic>n</italic> waveform of the ramp function <italic>I</italic>
<sub>
<italic>s</italic>
</sub> with the multistep ER method (FEA result).</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fenrg-10-875706-g009.tif"/>
</fig>
<fig id="F10" position="float">
<label>FIGURE 10</label>
<caption>
<p>Toque of the ramp function <italic>I</italic>
<sub>
<italic>s</italic>
</sub> method with the multistep ER method (FEA result).</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fenrg-10-875706-g010.tif"/>
</fig>
<p>The number of electrical cycle needed to reach 1% torque error is listed in <xref ref-type="table" rid="T2">Table 2</xref>. Since the constant <italic>I</italic>
<sub>
<italic>s</italic>
</sub> method takes the longest time to reach the practical steady state (1%), its computation time is used as the reference for other methods. It is observed that the transient response time of the FEA models is longer than that of the theoretical analysis, which is the result of nonlinearity of the core material (saturation).</p>
<table-wrap id="T2" position="float">
<label>TABLE 2</label>
<caption>
<p>Performance comparison of different methods.</p>
</caption>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th align="left">Method</th>
<th align="center">Transient time (ms)</th>
<th align="center">Transient period</th>
<th align="center">
<italic>%</italic>
</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td align="left">Constant <italic>I</italic>
<sub>
<italic>s</italic>
</sub>
</td>
<td align="char" char=".">2,877</td>
<td align="char" char=".">1,467</td>
<td align="char" char=".">100</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Step function <italic>I</italic>
<sub>
<italic>s</italic>
</sub>
</td>
<td align="char" char=".">2,200</td>
<td align="char" char=".">1,122</td>
<td align="char" char=".">76.5</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Ramp function <italic>I</italic>
<sub>
<italic>s</italic>
</sub>
</td>
<td align="char" char=".">675</td>
<td align="char" char=".">344</td>
<td align="char" char=".">23.5</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Ramp function <italic>I</italic>
<sub>
<italic>s</italic>
</sub> &#x2b; multistep ER</td>
<td align="char" char=".">23.5</td>
<td align="char" char=".">12</td>
<td align="char" char=".">0.82</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<p>The finite element results show that the calculation time has been reduced from 2.877&#xa0;s (constant Is method as shown in <xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7</xref>) to 23.5&#xa0;ms (proposed method as shown in <xref ref-type="fig" rid="F10">Figure 10</xref>). Hence, the calculation time is reduced by more than 99% for the test case. In fact, this test case is a very challenging operating point in terms of finite element calculation, which is the maximum speed (15000&#xa0;rpm) and low torque point. It is important to point out that the end time of calculation is decided by the most challenging and time-consuming points, rather than the average calculation time of all operating points. To be more specific, if the constant <italic>I</italic>
<sub>
<italic>s</italic>
</sub> method takes 24&#xa0;h to get the result, with the proposed method, the calculation time is reduced to less than 12&#xa0;min.</p>
<p>Compared with the other two existing methods (step function Is method and ramp function Is method), the proposed method that combines the ramp function <italic>I</italic>
<sub>
<italic>s</italic>
</sub> method and the multistep ER method can reduce transient response time by 98.9<italic>%</italic> and 96.5<italic>%</italic>, respectively.</p>
</sec>
<sec id="s5">
<title>5 Conclusion</title>
<p>A method to significantly accelerate the time-stepping magnetic transient FEA calculation of steady state performance of the high-speed traction IM is proposed. The proposed method includes two parts.</p>
<p>The first part is the ramp function <italic>I</italic>
<sub>
<italic>s</italic>
</sub> method, which increases the stator current magnitude from zero to full magnitude following a constant slope, such that the DC component can be controlled at a very low level from the beginning. This part alone can reduce FEA calculation time by 76.5<italic>%</italic>.</p>
<p>The second part is the multistep equivalent resistance method, which adjusts the rotor resistance inversely proportional to the slip multiple times during the transient stage, such that the additional transient response due to the transition from the equivalent model to original model is suppressed to a negligible level.</p>
<p>Note that these two parts can work separately and together, either way can significantly reduce the FEA calculation time. The proposed method has two important features. First, the maximum electrical cycle needed to reach the steady state can be easily calculated before running the FEA model. Hence, the computation load and time are predictable. Second, the proposed method does not require knowing the parameter or feedback signal of the machine. Hence, its performance is very stable and robust.</p>
<p>The performance of the proposed method is validated by the FEA model of a typical high-speed traction IM. The result shows that the proposed method can reduce the FEA calculation time by 99<italic>%</italic>. Since the example calculation point is a very challenging test case, it is reasonable to believe that assuming error tolerance is 1<italic>%</italic>, the ramping up time of <italic>I</italic>
<sub>
<italic>s</italic>
</sub> can be set at 6<italic>t</italic>
<sub>
<italic>syn</italic>
</sub> and the multi-step ER method can be set to increase the rotor speed gradually within 6<italic>t</italic>
<sub>
<italic>syn</italic>
</sub>, then the transient response time can be limited within 12<italic>t</italic>
<sub>
<italic>syn</italic>
</sub> in most cases.</p>
</sec>
</body>
<back>
<sec id="s6">
<title>Data Availability Statement</title>
<p>The raw data supporting the conclusion of this article will be made available by the authors, without undue reservation.</p>
</sec>
<sec id="s7">
<title>Author Contributions</title>
<p>HC: IM FEA model construction and writing the manuscript. RH and HZ: programming. HX, SL, and JX: literature review and writing the manuscript.</p>
</sec>
<sec id="s8">
<title>Funding</title>
<p>This work was supported by the Science and Technology Project of State grid Cooperation of China: Research on Harmonic Pollution of Non-Ideal AC Filter Inductor in V2G System and Countermeasures (5400-202099287A-0-0-00).</p>
</sec>
<sec sec-type="COI-statement" id="s9">
<title>Conflict of Interest</title>
<p>HX, SL, and JX were employed by Nanjing Power Supply Company State Grid Jiangsu Electric Power Co., Ltd.</p>
<p>The remaining authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.</p>
</sec>
<sec sec-type="disclaimer" id="s10">
<title>Publisher&#x2019;s Note</title>
<p>All claims expressed in this article are solely those of the authors and do not necessarily represent those of their affiliated organizations, or those of the publisher, the editors, and the reviewers. Any product that may be evaluated in this article, or claim that may be made by its manufacturer, is not guaranteed or endorsed by the publisher.</p>
</sec>
<ack>
<p>The authors would like to thank ANSYS Inc., for providing the finite element analysis tool Maxwell.</p>
</ack>
<sec sec-type="abbreviation" id="s11">
<title>Abbreviation</title>
<p>
<italic>I</italic>
<sub>
<italic>s</italic>
</sub>, <italic>i</italic>
<sub>
<italic>ds</italic>
</sub>, <italic>i</italic>
<sub>
<italic>qs</italic>
</sub>, stator current magnitude and <italic>dq</italic> components; <italic>i</italic>
<sub>
<italic>dr</italic>
</sub>, <italic>i</italic>
<sub>
<italic>qr</italic>
</sub>, rotor current <italic>dq</italic> components; <italic>&#x3bb;</italic>
<sub>
<italic>dr</italic>
</sub>, <italic>&#x3bb;</italic>
<sub>
<italic>qr</italic>
</sub>, rotor flux <italic>dq</italic> components; <italic>R</italic>
<sub>
<italic>s</italic>
</sub>, <italic>R</italic>
<sub>
<italic>r</italic>
</sub>, stator resistance and rotor resistance; <italic>L</italic>
<sub>
<italic>s</italic>
</sub>, <italic>L</italic>
<sub>
<italic>r</italic>
</sub>, <italic>L</italic>
<sub>
<italic>m</italic>
</sub>, stator, rotor, and mutual inductance; <italic>t</italic>
<sub>
<italic>syn</italic>
</sub>, electrical synchronous period; <italic>&#x3c9;</italic>
<sub>
<italic>e</italic>
</sub>, synchronous angular frequency, <inline-formula id="inf22">
<mml:math id="m49">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:math>
</inline-formula>; <italic>&#x3c4;</italic>, rotor electrical time constant, <inline-formula id="inf23">
<mml:math id="m50">
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:math>
</inline-formula>; <italic>n</italic>, rotor mechanical speed in round per minute; <italic>&#x3c9;</italic>
<sub>
<italic>r</italic>
</sub>, rotor speed, <inline-formula id="inf24">
<mml:math id="m51">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>60</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:math>
</inline-formula>; <italic>&#x3c9;</italic>
<sub>
<italic>slip</italic>
</sub>, <italic>s</italic>, slip frequency in rad/s and slip, <italic>&#x3c9;</italic>
<sub>
<italic>slip</italic>
</sub> &#x3d; <italic>s&#x3c9;</italic>
<sub>
<italic>e</italic>
</sub> &#x3d; <italic>&#x3c9;</italic>
<sub>
<italic>e</italic>
</sub> &#x2212; <italic>&#x3c9;</italic>
<sub>
<italic>r</italic>
</sub>; <italic>T</italic>
<sub>
<italic>e</italic>
</sub>, electromagnetic torque; <italic>Peak</italic>, subscript denoting the peak value; &#x2032;, &#x2033;, superscripts denoting 1st and 2nd order derivatives, respectively; <italic>P</italic>, number of poles; <italic>ss</italic>, subscript denoting the steady state value.</p>
</sec>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<citation citation-type="confproc">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Cai</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). &#x201c;<article-title>A Fast Calculation Method for Steady State Performance of High Speed Traction Induction Machine by Finite Element Analysis</article-title>,&#x201d; in <conf-name>2020 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE)</conf-name>, <fpage>4284</fpage>&#x2013;<lpage>4291</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/ECCE44975.2020.9236417</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B2">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Di</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Petrov</surname>
<given-names>I.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pyrhonen</surname>
<given-names>J. J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Accelerating the Time-Stepping Finite-Element Analysis of Induction Machines in Transient-Magnetic Solutions</article-title>. <source>IEEE Access</source> <volume>7</volume>, <fpage>122251</fpage>&#x2013;<lpage>122260</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/ACCESS.2019.2938269</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B3">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>El-Refaie</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2013</year>). <article-title>Motors/generators for Traction/propulsion Applications: A Review</article-title>. <source>IEEE Veh. Technol. Mag.</source> <volume>8</volume>, <fpage>90</fpage>&#x2013;<lpage>99</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/MVT.2012.2218438</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B4">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Fu</surname>
<given-names>W. N.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ho</surname>
<given-names>S. L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhou</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2012</year>). <article-title>Reduction of Computing Time for Steady-State Solutions of Magnetic Field and Circuit Coupled Problems Using Time-Domain Finite-Element Method</article-title>. <source>IEEE Trans. Magn.</source> <volume>48</volume>, <fpage>3363</fpage>&#x2013;<lpage>3366</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TMAG.2012.2199285</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B5">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Haghbin</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lundmark</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Alakula</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Carlson</surname>
<given-names>O.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2013</year>). <article-title>Grid-connected Integrated Battery Chargers in Vehicle Applications: Review and New Solution</article-title>. <source>IEEE Trans. Ind. Electron.</source> <volume>60</volume>, <fpage>459</fpage>&#x2013;<lpage>473</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TIE.2012.2187414</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B6">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Khaligh</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>D&#x27;Antonio</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Global Trends in High-Power On-Board Chargers for Electric Vehicles</article-title>. <source>IEEE Trans. Veh. Technol.</source> <volume>68</volume>, <fpage>3306</fpage>&#x2013;<lpage>3324</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TVT.2019.2897050</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B7">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kim</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Koo</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Nam</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Induction Motor Design Strategy for Wide Constant Power Speed Range</article-title>. <source>IEEE Trans. Ind. Electron.</source> <volume>66</volume>, <fpage>8372</fpage>&#x2013;<lpage>8381</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TIE.2018.2885691</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B8">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Le Besnerais</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fasquelle</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hecquet</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pelle</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lanfranchi</surname>
<given-names>V.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Harmand</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2010</year>). <article-title>Multiphysics Modeling: Electro-Vibro-Acoustics and Heat Transfer of Pwm-Fed Induction Machines</article-title>. <source>IEEE Trans. Ind. Electronics</source> <volume>57</volume>, <fpage>1279</fpage>&#x2013;<lpage>1287</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TIE.2009.2029526</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B9">
<citation citation-type="confproc">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Lin</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhou</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>N.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lu</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Christini</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2017</year>). &#x201c;<article-title>Fast Methods for Reaching Ac Steady State in Fe Transient Analysis</article-title>,&#x201d; in <conf-name>2017 IEEE International Electric Machines and Drives Conference (IEMDC)</conf-name>, <fpage>1</fpage>&#x2013;<lpage>6</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/IEMDC.2017.8001996</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B10">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Metwly</surname>
<given-names>M. Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Abdel-Majeed</surname>
<given-names>M. S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Abdel-Khalik</surname>
<given-names>A. S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hamdy</surname>
<given-names>R. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hamad</surname>
<given-names>M. S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ahmed</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>A Review of Integrated On-Board Ev Battery Chargers: Advanced Topologies, Recent Developments and Optimal Selection of Fscw Slot/pole Combination</article-title>. <source>IEEE Access</source> <volume>8</volume>, <fpage>85216</fpage>&#x2013;<lpage>85242</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/ACCESS.2020.2992741</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B11">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Rainer</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Biro</surname>
<given-names>O.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Stermecki</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Weilharter</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2012</year>). <article-title>Frequency Domain Evaluation of Transient Finite Element Simulations of Induction Machines</article-title>. <source>IEEE Trans. Magnetics</source> <volume>48</volume>, <fpage>851</fpage>&#x2013;<lpage>854</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TMAG.2011.2173164</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B12">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>You</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Xiao</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cheng</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>An Integrated Power Conversion System for Electric Traction and V2g Operation in Electric Vehicles with a Small Film Capacitor</article-title>. <source>IEEE Trans. Power Electronics</source> <volume>35</volume>, <fpage>5066</fpage>&#x2013;<lpage>5077</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TPEL.2019.2944276</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B13">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Xiao</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yu</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>An Integrated On-Board Ev Charger with Safe Charging Operation for Three-phase Ipm Motor</article-title>. <source>IEEE Trans. Ind. Electronics</source> <volume>66</volume>, <fpage>7551</fpage>&#x2013;<lpage>7560</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TIE.2018.2880712</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B14">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Yamazaki</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kuramochi</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fukushima</surname>
<given-names>N.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yamada</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tada</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2012</year>). <article-title>Characteristics Analysis of Large High Speed Induction Motors Using 3-d Finite Element Method</article-title>. <source>IEEE Trans. Magnetics</source> <volume>48</volume>, <fpage>995</fpage>&#x2013;<lpage>998</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TMAG.2011.2172919</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B15">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Zhu</surname>
<given-names>Z. Q.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Howe</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2007</year>). <article-title>Electrical Machines and Drives for Electric, Hybrid, and Fuel Cell Vehicles</article-title>. <source>Proc. IEEE</source> <volume>95</volume>, <fpage>746</fpage>&#x2013;<lpage>765</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/JPROC.2006.892482</pub-id> </citation>
</ref>
</ref-list>
</back>
</article>