Analysis of Demagnetization Faults in a Permanent Magnet Synchronous Machine utilizing the Stray Magnetic Field

Abstract

En permanent magnet synkronmaskin (PMSM) er en høytytende enhet på grunn av sin høye effektivitet og høye effekt til vekt forhold. Maskinen er imidlertid utsatt for skader som kan oppdages av en sensor som er montert på statorrammen for å overvåke det eksterne magnetfeltet. En elementmodell av en PMSM Weg W22 er laget for å analysere effekten av forskjellige typer avmagnetiseringsskader som uniform-, enpolig- og bakkant avmagnetisering. Denne oppgaven fokuserer på frekvensspekterets forskjeller mellom de friske og defekte scenarioene med 50% belastning og full belastning. Analysen er utført i Ansys Electronics Desktop.

Frekvensspekterene samles ved hjelp av rask Fourier-transformasjon. For enpolig avmagnetisering ble det funnet at de odde harmoniske verdiene som følger serien 1/3, 2/3, 4/3 og 5/3 ganger fundamental frekvensen på 50 Hz, som er de subharmoniske 16.67 Hz, 33.33 Hz, 66.67 Hz og 83.33 Hz, hadde en prosentvis endring på 75.5%, 86.5%, 87.9% og 83.5%. Resten av subharmoniske verdiene som fulgte samme mønster hadde også en stor økning i amplitude i desibel (dB). Dette mønsteret ble også observert med 50% belastning. Avmagnetisering av bakkanten på 1/8 av magneten ga mindre forskjeller, men for 1/4 av magneten dukket det opp et nytt subharmonisk mønster som følger 1/4 delt på polpar i maskinen. Dette mønsteret ble ikke observert med 50% belastning. Det eksterne flukssignalet av den induserte spenningen i sensoren hadde lavere amplitude for bakkant scenarioene sammenlignet med den friske tilstanden, med en reduksjon på 2.6% for 1/8 av magneten og 7.1% for 1/4 magneten fra toppverdien i den friske tilstanden.

For uniform avmagnetisering ble amplituden til frekvensspekteret betydelig redusert for subharmoniske ved full belastning, men matchet ved halv belastning. Å analysere det eksterne flukssignalet direkte av den induserte spenningen i sensoren viste stor forskjell med økning på 62.5% sammenlignet med frisk indusert spenning for uniform avmagnetisering.

Full belastningsscenarioet ble justert ved å påføre all nominell spenning i q-aksen, og for 50% belastning ble vinkelen mellom stator- og rotorfeltet endret. Dette gjøres ved å påføre spenning i d-aksen, som justeres med en vinkel i spenningen som er utledet av Clarke- og Park-transformasjonen.

The permanent magnet synchronous machine (PMSM) is a high-performance device due to its high efficiency and high power to weight ratio. The machine is however prone to damages that can be detected by a sensor that is mounted in the stator frame to monitor the stray magnetic field. A finite element model of a PMSM Weg mode W22 is made to analyze the impact of different types of demagnetization faults like uniform-, one pole- and trailing edge demagnetization. This thesis focuses on the frequency spectrum differences between the healthy and the faulty scenarios between 50% load and full load. The analysis is conducted in Ansys Electronics Desktop.

The frequency spectrums are gathered through the use of fast Fourier transform. For one pole demagnetization it was found that the odd harmonics following the series 1/3, 2/3, 4/3 and 5/3 times the fundamental frequency of 50 Hz, which are the subharmonics 16.67 Hz, 33.33 Hz, 66.67 Hz and 83.33 Hz had a percentage change of 75.5%, 86.5%, 87.9% and 83.5%. The rest of the subharmonics following the same pattern also had a large increase in amplitude dB. This pattern was also observed with 50% load. Trailing edge demagnetization of 1/8 of the magnet gave minor differences, but for 1/4 of the magnet a new subharmonic pattern appeared with following 1/4 divided by the pole pairs in the machine. This pattern was not observed with 50% load. The stray flux signal of the induced voltage in the sensor had a lower amplitude for the trailing edge scenarios than the healthy with a decrease of 2.6% for 1/8 magnet and 7.1% for 1/4 magnet from the peak value of healthy case.

For uniform demagnetization the amplitude of the frequency spectrum was reduced significantly for the subharmonics in full load but matching at half load. Analysing the stray flux signal directly of the induced voltage in the sensor had a large difference with spikes of an increase of 62.5% compared with healthy induced voltage for the uniform demagnetization.

The full load scenario was adjusted by applying all of the rated voltage in the q-axis and for 50% load the angle between the stator and rotor field was changed. This is done by applying voltage in the d-axis which is adjusted by an angle in the voltage derived by the Clarke and Park transformation.