KR101210825B1 - Apparatus and method for monitoring condition of permanent magnet synchronous motors, and recoding medium having program for executing the method - Google Patents

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KR101210825B1 KR1020110090805A KR20110090805A KR101210825B1 KR 101210825 B1 KR101210825 B1 KR 101210825B1 KR 1020110090805 A KR1020110090805 A KR 1020110090805A KR 20110090805 A KR20110090805 A KR 20110090805A KR 101210825 B1 KR101210825 B1 KR 101210825B1
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Abstract

PURPOSE: A state diagnosis device of permanent magnet synchronizing motor, a diagnosing method, and a recording medium to record the program for progressing the diagnosis method are provided to easily diagnose the demagnetization state of permanent magnet of permanent magnet synchronizing motor and the eccentricity state of rotor without disassembling the motor or using any expensive additional equipment. CONSTITUTION: A state diagnosis device of permanent magnet synchronizing motor comprises a magnetic field generator(1110), a stator current measuring part(1120), and a state diagnosis part(1130). A magnetic field generator generates multiple magnetic fields which were overlapped by the DC magnetic field and AC magnetic field toward the pole of permanent magnet when the rotor is in the stationary state. A stator current measuring part measures a flowing current in the stator winding that corresponds to a generated magnetic field respectively. A state diagnosis part diagnoses the trend of differential inductance regarding the polar direction constituent value of permanent magnet which flows the stator winding based on the demagnetized state of permanent magnet and the eccentric state of rotor. [Reference numerals] (1110) Magnetic field generator; (1120) Stator current measuring part; (1130) State diagnosis part; (AA) Stator; (BB) Rotor; (CC) Permanent magnet; (DD) Stator wiring; (EE) Motor

Description

영구 자석 동기 전동기의 상태 진단 장치, 진단 방법, 및 진단 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 기록 매체{Apparatus and method for monitoring condition of permanent magnet synchronous motors, and recoding medium having program for executing the method}Apparatus and method for monitoring condition of permanent magnet synchronous motors, and recoding medium having program for executing the method}

본 발명은 영구 자석 동기 전동기의 상태 진단 장치, 진단 방법, 및 진단 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 기록 매체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 영구 자석 동기 전동기 내의 영구 자석의 감자 및 편심 상태를 진단하는 장치, 진단 방법, 및 진단 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 기록 매체에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a recording medium on which a state diagnosis apparatus, a diagnostic method, and a program for executing the diagnostic method of a permanent magnet synchronous motor are recorded. An apparatus, a diagnostic method, and a recording medium having recorded thereon a program for executing the diagnostic method.

영구 자석 동기 전동기(Permanent Magnet Synchronous Machines : PMSM)는 높은 효율성, 높은 전력 밀도 및 제어의 용이성으로 인해 전기 자동차 풍력 발전기, 전차, 추진 시스템 등에 널리 사용되고 있다. 영구 자석(Permanent Magnet : PM) 회전자는 모터 구동 시스템의 성능, 효율 및 신뢰성을 결정하는 PMSM에서 가장 중요한 부품 중 하나이다. 최근, 영구 자석의 감자, 회전자의 편심, 그리고 베어링의 파손이 PMSM 고장의 주요한 근본 원인임이 밝혀졌으며, 이러한 고장의 검출을 위해 집중적인 연구가 수행되어 왔다. 이러한 고장은 제조 시의 결함, 동작 중의 스트레스, 그리고 오작동으로 인해 발생할 수 있으며, 모터 성능과 효율의 심각한 저하를 가져올 수 있다. 따라서 모터의 최적 성능을 위해 회전자의 상태와 모터를 구동하는 전체 과정을 주기적으로 점검하는 것이 중요하다. Permanent Magnet Synchronous Machines (PMSM) are widely used in electric vehicle wind generators, trams and propulsion systems because of their high efficiency, high power density and ease of control. Permanent Magnet (PM) rotors are one of the most important parts of PMSM that determine the performance, efficiency and reliability of motor drive systems. Recently, it has been found that the demagnetization of the permanent magnet, the eccentricity of the rotor, and the failure of the bearings are the main root causes of PMSM failure, and intensive studies have been conducted to detect such failures. These failures can be caused by manufacturing defects, stress during operation, and malfunctions, which can lead to serious degradation of motor performance and efficiency. Therefore, it is important to periodically check the condition of the rotor and the whole process of driving the motor for optimum performance of the motor.

회복불가능한 부분적 또는 전체적인 감자는 영구 자석에 가해지는 열적, 전기적, 기계적 및 환경적인 스트레스에 기인하여 발생할 수 있는 문제이다. 회복불가능한 감자의 주요한 근본 원인 은 '동작점 효과'로서, 이는 감자 곡선에서 온도 종속적인 감소와 접극자 기자력(magneto-motive force : mmf)의 감소에 기인한 성능(부하) 곡선의 천이의 효과가 결합된 결과이다. 만약 동작점(감자 곡선과 성능 곡선의 교차점)이 감자 곡선의 변곡점 아래로 떨어지면 자석은 영구적으로 감자된다. 또한 증가된 온도 및/또는 부식/산화에 기인한 자성 물질에서의 금속특성의 변화가 회복불가능한 감자를 초래할 수 있다. 높은 에너지 밀도와 합리적인 가격으로 잘 알려진 NdFeB 자석는 높은 성능, 높은 에너지 밀도의 PMSM을 제조할 수 있기에 널리 사용되고 있다. 그러나 NdFeB 자석은 낮은 온도 특성(낮은 동작 온도와 높은 온도 계수), 낮은 부식 저항성(환경에 포함되어 있는 습기 또는 염소 하에서) 및 낮은 기계적 강성(부식, 조각 또는 금으로 인한 파손)에 기인한 회복불가능한 감자에 민감하다.Unrecoverable partial or total potatoes are a problem that can arise due to thermal, electrical, mechanical and environmental stresses on the permanent magnets. The main root cause of irreversible potatoes is the 'operating point effect', which is due to the effect of the transition of the performance (load) curve due to the temperature-dependent decrease in the potato curve and the reduction of the magneto-motive force (mmf). Combined results. If the operating point (intersection of the potato curve and the performance curve) falls below the inflection point of the potato curve, the magnet is permanently demagnetized. Changes in metal properties in magnetic materials due to increased temperature and / or corrosion / oxidation can also lead to irreversible potatoes. NdFeB magnets, known for their high energy density and reasonable price, are widely used to produce high performance, high energy density PMSMs. However, NdFeB magnets are irreversible due to their low temperature characteristics (low operating temperatures and high temperature coefficients), low corrosion resistance (under moisture or chlorine in the environment) and low mechanical stiffness (breaks due to corrosion, flakes or gold). Sensitive to potatoes

또한 모터의 동작 중 또는 제조 단계에서의 불량으로 인해 공극 편심이 발생할 수 있으며, 본래의 편심 정도는 공극의 5~10 % 이내로 요구된다. 정적 편심(Static Eccentricity : SE)은 최소 방사 공극의 위치가 고정되어 있는 상태이다. 이는 고정자 코어의 난형 또는 고정자 코어의 부정확한 위치에 의해 발생하며, 일반적으로 그 정도는 시간이 경과해도 변하지 않는다. 동적 편심(Dynamic Eccentricity : DE)은 최소 방사 공극이 회전자와 함께 회전하는 상태이다. 이는 낡은 베어링, 굽은 축, 회전자의 비대칭적인 열적 팽창 또는 높은 수준의 정적 편심에 의해 발생한다. 편심은 진동, 소름, 베어링 파손 및/또는 회전자의 편향을 낳게 되는 불균형한 자기적 인력을 야기한다. 비록 SE의 정도는 시간의 흘러도 변하지 않지만, DE의 정도는 증가되어 영구 자석, 코어 또는 권선에 심각한 손상을 가할 수 있는 회전자와 고정자의 접촉을 야기한다. 따라서 지난 5~6년 동안 PMSM 구동 시스템의 성능, 신뢰성 및 효율을 개선하기 위해 영구 자석의 감자와 편심 오류를 검출하는 기술의 개발에 많은 연구가 이루어져 왔다.In addition, void eccentricity may occur due to a defect in the operation or manufacturing of the motor, and the original degree of eccentricity is required within 5-10% of the void. Static Eccentricity (SE) is a state where the position of the minimum radial void is fixed. This is caused by an ovoid shape of the stator core or an incorrect position of the stator core, which generally does not change over time. Dynamic Eccentricity (DE) is a state in which the minimum radial void rotates with the rotor. This is caused by old bearings, bent shafts, asymmetric thermal expansion of the rotor or high levels of static eccentricity. Eccentricity causes unbalanced magnetic attraction that results in vibration, creepy, bearing breakage and / or deflection of the rotor. Although the degree of SE does not change over time, the degree of DE increases, causing contact between the rotor and the stator, which can seriously damage permanent magnets, cores or windings. Therefore, much research has been made in the last 5-6 years to develop a technique for detecting potato and eccentric error of permanent magnets to improve the performance, reliability and efficiency of the PMSM drive system.

모터 전류 특성 분석(Motor Current Signature Analysis : MCSA)은 센서없이 연속적이고 모터 파라미터와 온도에 독립적인 온라인 감시를 제공하기에 가장 적극적으로 연구되는 PMSM의 회전자 고장 검출 방법이다. 회전자의 회전 속도 주파수 성분은 수학식 1과 같이 표현되며, 부분적인 영구 자석의 감자, SE, DE, 오정렬 또는 회전자/부하의 불균형을 포함하는 회전자 이상에 대한 척도로서 제시된다.Motor Current Signature Analysis (MCSA) is the PMSM's rotor failure detection method that is most actively studied to provide continuous, motor-parameter- and temperature-independent on-line monitoring without sensors. The rotational speed frequency component of the rotor is expressed as Equation 1 and is presented as a measure for rotor anomalies including partial permanent magnet demagnetization, SE, DE, misalignment or rotor / load imbalance.

Figure 112011070018912-pat00001
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여기서, frf와 fs는 각각 회전자 이상과 기본 주파수 성분이고, k는 정수이며, p는 극쌍의 개수이다.Here, f rf and f s are the rotor ideal and the fundamental frequency component, k is an integer, and p is the number of pole pairs.

비록 MCSA가 앞서 언급한 많은 이점이 있지만, 실제 활용시 구현에 있어서 많은 제약이 존재한다. 많은 PMSM 적용 제품들에 있어서, 모터는 속도와 부하가 연속적으로 변하는 정상 상태하에서 동작하므로, 정확하게 수학식 1의 결과를 얻기 어렵다. 시간-주파수 분석 기법은 신뢰성있는 검출을 위해 연구되어 왔다. 그러나 이 또한 계산 강도와 하드웨어 사양으로 인한 비용이 증가하여 저가의 구동 제품에 적용하기 어렵다. 수학식 1에서 전류 성분을 유도하는 자속 패턴의 비대칭성이 존재하기 때문에, 통상적으로 나타나는 균일하거나 대칭적인 감자는 검출할 수 없다. MCSA의 따른 치명적인 제한사항은 진동하는 부하 토크(예를 들면, 왕복 압축기)가 수학식 1과 같은 동일한 주파수 성분에서 부엽을 낳는다는 것이다. 이는 이상에 기인한 크기보다 더 크며, 이들을 분리할 수 있는 실질적인 수단이 존재하지 않는다.Although the MCSA has many of the advantages mentioned above, there are many limitations in its implementation in practical use. In many PMSM applications, the motor operates under steady-state conditions where the speed and load vary continuously, making it difficult to obtain the exact result of Equation 1. Time-frequency analysis techniques have been studied for reliable detection. However, this also increases costs due to computational strength and hardware specifications, making it difficult to apply to low-cost drive products. Since there is an asymmetry of the magnetic flux pattern that induces the current component in Equation 1, the uniform or symmetrical potato that is usually present cannot be detected. A fatal limitation of the MCSA is that oscillating load torques (eg, reciprocating compressors) produce side lobes at the same frequency components as in equation (1). This is larger than the size due to the above, and there is no practical means to separate them.

평균 PM 강도에 비례하는 회전자 자속 λdr 또는 토크 상수 kt의 모델 기반 추정 기법 역시 감자 검출을 위해 연구되어 왔다. 그러나 회전자 자속 λdr과 토크 상수 kt 역시 온도의 증가에 따라 감소하며(특히, 세라믹과 NdFeB 자석에 대해), 코어의 자기포화에 따라 변한다. 게다가 회전자 자속 λdr 또는 토크 상수 kt 추정은 모델의 정확도와 파라미터에 크게 의존한다. 따라서 비선형 교차 자화 효과, 자기 포화 및 회전자 온도 변화에 기인한 모델에서의 변동이 고려되어야 하며, 이는 상당히 어렵기 때문에 회전자 자속 λdr 또는 토크 상수 kt가 작거나 국부적인 영구 자석의 결함에 민감하게 된다. 결과적으로 회전자 자속 λdr 또는 토크 상수 kt 추정은 공극 편심에 민감한 지시자로 제공되기 어렵다.Model-based estimation of rotor flux λ dr or torque constant k t proportional to mean PM intensity has also been studied for potato detection. However, the rotor flux λ dr and the torque constant k t also decrease with increasing temperature (especially for ceramic and NdFeB magnets) and change with the magnetic saturation of the core. In addition, the rotor flux λ dr or torque constant k t estimation is highly dependent on the accuracy and parameters of the model. Therefore, variations in the model due to nonlinear cross-magnetization effects, magnetic saturation, and rotor temperature variations should be considered, which is quite difficult, as rotor flux λ dr or torque constant k t is small or local defects in permanent magnets are considered. It becomes sensitive. As a result, rotor flux λ dr or torque constant k t estimation is difficult to provide as an indicator sensitive to void eccentricity.

영구 자석의 품질 또는 DE에 대한 전통적인 오프라인 테스트는 시각 검사, 가우스 미터, 다이얼 테스트 표시자 측정 등이다. 이들은 회전자의 표면에서 직접적으로 측정 결과를 얻기 때문에 회전자 품질에 대한 정확한 결과를 제공할 수 있다. 그러나 이들은 모터를 해체하여야 하고, 특정한 측정 장비 또는 설정이 필요하다. 영구 자석의 평균 강도는 또한 일정한 속도로 회전하는 회전자에 대해 역 기전력(electo-motive force : emf) 전압을 측정하여 간접적으로 추정될 수 있다. 이러한 오프라인 테스트 역시 영구 자석의 온도에 종속적이며, 회전자를 일정한 속도로 회전시키기 위한 외부 수단이 필요하기 때문에 편리하지 않다.Traditional off-line tests on the quality of permanent magnets or DE are visual inspection, gauss meter, dial test indicator measurement, etc. They can provide accurate results on rotor quality because they get measurement results directly on the surface of the rotor. However, they must dismantle the motor and require specific measurement equipment or settings. The average strength of a permanent magnet can also be indirectly estimated by measuring the electro-motive force (emf) voltage for a rotor rotating at a constant speed. This off-line test, too, is dependent on the temperature of the permanent magnet and is not convenient because it requires external means to rotate the rotor at a constant speed.

한편, 일본공개특허공보 제2009-22091호에는 무부하 운전 상태에서 전동기로부터 검출한 영구 자석에 의한 유발 전압 또는 전동기로부터 검출한 전류로부터 산출한 유발 전압이 정상적인 영구 자석에 대한 감소자 한계 곡선보다 낮으면 영구 자석이 감자된 것으로 판단하는 기술 구성이 개시되어 있다. 또한 한국공개특허공보 제2011-68446호에는 동기발전기로부터 측정한 고정자 전압을 정상성분 전압과 역상성분 전압으로 분해하고, 정상성분 전압 대비 역상성분 전압의 비율을 계산한 후 정상적인 영구 자석에 대해 얻어진 비율과 비교하여 영구 자석의 감자여부를 판단하는 기술 구성이 개시되어 있다. 또한 한국공개특허공보 제2010-45718호에는 전동기가 정지한 상태에서 회전자의 회전축을 관통하면서 방향이 다른 복수의 자계를 발생하고, 각각의 자계에 대해 고정자 권선에서 측정된 전류와 정상적인 회전자에 대해 고정자 권선에서 측정된 전류를 비교하여 영구 자석의 감자 상태를 진단하는 기술 구성이 개시되어 있다. 그러나 이들 선행기술들 중에서 한국공개특허공보들에 기재된 선행기술들은 영구 자석의 감자 상태만을 검출하는 구성만을 개시하고 있고, 감자 상태의 검출 기법에 있어서 본 발명과 상이하다. 또한 일본공개특허공보에 기재된 선행기술은 정지 상태가 아닌 무부하 운전 상태에서 영구 자석의 감자여부와 편심여부를 측정하고 있어 회전자를 일정한 속도로 회전시키기 위한 외부 수단이 필요하다는 단점이 있다.On the other hand, Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2009-22091 discloses that when the induced voltage generated by the permanent magnet detected from the motor or the induced voltage calculated from the current detected by the motor in the no-load operation state is lower than the reducer limit curve for the normal permanent magnet. A technical configuration for determining that a permanent magnet is demagnetized is disclosed. In addition, Korean Patent Publication No. 2011-68446 discloses a ratio obtained for a normal permanent magnet after decomposing the stator voltage measured from the synchronous generator into a normal component voltage and a reverse phase component voltage and calculating a ratio of the reverse phase component voltage to the normal component voltage. Compared with the disclosed technology configuration for determining whether the permanent magnet demagnetization is disclosed. In addition, Korean Patent Publication No. 2010-45718 discloses a plurality of magnetic fields having different directions while passing through a rotating shaft of a rotor in a state where the motor is stopped. A technical arrangement is disclosed for diagnosing the demagnetization state of a permanent magnet by comparing the current measured at the stator windings. However, among these prior arts, the prior arts described in Korean Patent Laid-Open Publications disclose only a configuration for detecting only the potato state of a permanent magnet, and are different from the present invention in the technique of detecting potato state. In addition, the prior art described in the Japanese Laid-Open Patent Publication is measuring the demagnetization and eccentricity of the permanent magnet in the no-load operation state, not stationary state has the disadvantage that an external means for rotating the rotor at a constant speed is required.

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 전동기를 분해하지 않으면서도 고가의 별도 장비 없이 용이하게 영구 자석 동기 전동기의 감자 상태와 편심 상태를 진단할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.The present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art, the technical problem to be achieved by the present invention is to easily diagnose the potato state and eccentric state of the permanent magnet synchronous motor without expensive separate equipment without disassembling the motor It is to provide a device and method that can be.

또한 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 전동기를 분해하지 않으면서도 고가의 별도 장비 없이 용이하게 영구 자석 동기 전동기의 감자 상태와 편심 상태를 진단할 수 있는 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 기록 매체를 제공하는 데 있다.In addition, another technical problem to be achieved by the present invention is a recording medium for recording a program for executing a method in the computer to easily diagnose the potato state and the eccentric state of the permanent magnet synchronous motor without expensive separate equipment without disassembling the motor To provide.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 영구 자석 동기 전동기의 상태 진단 장치는, 회전자가 정지상태에 있을 때 영구 자석의 극 방향으로 직류 자계와 교류 자계가 중첩된 복수의 자계를 발생하는 자계 발생부; 상기 발생된 자계 각각에 대응하여 고정자 권선에 흐르는 전류를 측정하는 고정자 전류 측정부; 및 상기 발생된 자계 각각에 대응하여 측정된 상기 고정자 권선에 흐르는 전류의 상기 영구 자석의 극 방향 성분값에 대한 디퍼런셜 인덕턴스의 변화 추이를 기초로 상기 영구 자석의 감자 상태와 상기 회전자의 편심 상태를 진단하는 상태 진단부;를 구비하며, 상기 디퍼런셜 인덕턴스는 상기 발생된 자계에 포함되어 있는 교류 자계 성분에 의한 전류의 상기 영구 자석의 극 방향 성분값의 변화량에 대한 상기 교류 자계 성분으로부터 측정된 쇄교 자속(flux linkage)의 상기 영구 자석의 극 방향 성분값의 변화량으로 정의된다.In order to achieve the above technical problem, the apparatus for diagnosing a state of a permanent magnet synchronous motor according to the present invention includes generating a plurality of magnetic fields in which a direct current magnetic field and an alternating magnetic field are superposed in the pole direction of the permanent magnet when the rotor is in a stationary state. Magnetic field generating unit; A stator current measuring unit configured to measure a current flowing in the stator windings corresponding to each of the generated magnetic fields; And the potato state of the permanent magnet and the eccentric state of the rotor on the basis of the change of the differential inductance with respect to the polar component value of the permanent magnet of the current flowing in the stator windings measured corresponding to each of the generated magnetic fields. A diagnosing state diagnosing unit, wherein the differential inductance is measured from the alternating magnetic field component with respect to the amount of change in the polar component value of the permanent magnet of the current by the alternating magnetic field component included in the generated magnetic field. It is defined as the amount of change in the value of the polar component of the permanent magnet in flux linkage.

상기의 다른 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 영구 자석 동기 전동기의 상태 진단 방법은, (a) 회전자가 정지상태에 있을 때 영구 자석의 극 방향으로 직류 자계와 교류 자계가 중첩된 복수의 자계를 발생하는 단계; (b) 상기 발생된 자계 각각에 대응하여 고정자 권선에 흐르는 전류를 측정하는 단계; 및 (c) 상기 발생된 자계 각각에 대응하여 측정된 상기 고정자 권선에 흐르는 전류의 상기 영구 자석의 극 방향 성분값에 대한 디퍼런셜 인덕턴스의 변화 추이를 기초로 상기 영구 자석의 감자 상태와 상기 회전자의 편심 상태를 진단하는 단계;를 가지며, 상기 디퍼런셜 인덕턴스는 상기 발생된 자계에 포함되어 있는 교류 자계 성분에 의한 전류의 상기 영구 자석의 극 방향 성분값의 변화량에 대한 상기 교류 자계 성분으로부터 측정된 쇄교 자속(flux linkage)의 상기 영구 자석의 극 방향 성분값의 변화량으로 정의된다.In order to achieve the above another technical problem, a method for diagnosing a state of a permanent magnet synchronous motor according to the present invention includes: Generating a magnetic field; (b) measuring a current flowing in the stator windings corresponding to each of the generated magnetic fields; And (c) the potato state of the permanent magnet and the rotor state of the rotor based on the change of the differential inductance with respect to the polar component value of the permanent magnet of the current flowing in the stator windings measured corresponding to each of the generated magnetic fields. Diagnosing an eccentric state, wherein the differential inductance is measured from the alternating magnetic field component with respect to the amount of change in the polar component value of the permanent magnet of the current by the alternating magnetic field component included in the generated magnetic field. It is defined as the amount of change in the value of the polar component of the permanent magnet in flux linkage.

본 발명에 따른 영구 자석 동기 전동기의 상태 진단 장치, 진단 방법, 및 진단 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 기록 매체에 의하면, 전동기를 분해하지 않으면서도 고가의 별도 장비없이 용이하게 영구 자석 동기 전동기 내의 영구 자석의 감자 상태와 회전자의 폄심 상태를 진단할 수 있다. 또한 영구 자석 동기 전동기를 구동하기 위한 인버터의 전류 센서와 컨트롤러 등 기존의 하드웨어 자원을 그대로 이용하므로, 별도의 하드웨어를 추가할 필요가 없다는 이점이 있다. 또한 시간이 오래 걸리고 큰 비용을 치러야 하는 기존의 진단 방법에 비해 신속하고 간편하게 영구 자석의 감자 상태와 편심 상태를 진단할 수 있다. 또한 기존의 MCSA 기법, 모델 기반 또는 역 기전력 기반 영구 자석 동기 전동기의 회전자 고장 검출 방법에 비해 높은 민감도와 신뢰도를 가지며, 비용이 작게 소요된다.According to the recording medium recording the condition diagnosis device, the diagnosis method, and the program for executing the diagnosis method of the permanent magnet synchronous motor according to the present invention, the permanent magnet in the permanent magnet synchronous motor can be easily installed without expensive equipment without disassembling the motor. The potato demagnetization of the magnet and the core of the rotor can be diagnosed. In addition, since the existing hardware resources such as the current sensor and controller of the inverter for driving the permanent magnet synchronous motor is used as it is, there is an advantage that there is no need to add additional hardware. In addition, it can quickly and easily diagnose the demagnetization and eccentricity of permanent magnets compared to conventional diagnostic methods that are time-consuming and expensive. In addition, compared to the conventional MCSA, model-based or counter electromotive force-based permanent magnet synchronous motor rotor detection method has a higher sensitivity and reliability, it costs less.

도 1은 본 발명에 따른 영구 자석 동기 전동기의 상태 진단 장치 및 방법에 있어서 상태 진단 기법을 설명하기 위한 도면,
도 2는 정상적인 상태의 여기되지 않은 영구 자석 동기 전동기의 자계 밀도 분포를 도시한 도면,
도 3은 영구 자석을 구성하는 d축 방향의 자계 경로, d축 방향의 고정자 권선, 공극, 및 고정자, 그리고 회전자 코어에 대한 등가의 자기 회로 모델을 도시한도면,
도 4는 영구 자석의 자기 저항-기자력 특성(영구 자석의 감자 곡선)과 영구 자석 외부의 자기 회로(투자 곡선)를 도시한 도면,
도 5는 기자력의 소스로 모델링된 영구 자석과 고정자 권선에 대한 d축 자속 경로의 기자력 특성을 도시한 도면,
도 6은 d축 쇄교 자속과 전류 관계 및 d축 인덕턴스와 디퍼런셜 인덕턴스 곡선을 도시한 도면,
도 7은 d축 쇄교 자속과 전류 관계 및 영구 자석 감자에 따른 d축 디퍼런셜 인덕턴스 곡선을 도시한 도면,
도 8은 영구 자석 감자와 편심에 따른 직류 전류대 d축 디퍼런셜 인덕턴스의 변화를 도시한 도면,
도 9는 편심을 가진 모터에 대해 고정자 전류를 인가하지 않은 상태에서 영구 자석에 기인한 자속 밀도의 DC 정자기 FE 시뮬레이션 결과를 도시한 도면,
도 10은 공극 편심에 대한 d축 쇄교 자속과 전류 곡선 및 디퍼런셜 인덕턴스 곡선을 도시한 도면,
도 11은 본 발명에 따른 영구 자석 동기 전동기의 상태 진단 장치의 바람직한 실시예의 구성을 도시한 도면,
도 12는 본 발명에 따른 영구 자석 동기 전동기의 상태 진단 방법에 대한 일 실시예의 수행과정을 도시한 흐름도,
도 13은 실험에 사용된 모터 회전자와 영구 자석의 구성, 그리고 부분적인 감자를 실험하기 위해 파손한 영구 자석에 대한 사진,
도 14는 50 %의 동적 편심(샘플 G)을 낳기 위해 축과 키 배열에 대한 기구적인 설계도,
도 15는 동적 편심 상태를 낳기 위한 실험 설정을 도시한 도면,
도 16은 영구 자석 감자에 대한 실험 결과를 도시한 도면,
도 17은 감자된 영구 자석 샘플 A~D에 대해 Id=5 A에서 측정된 Xd'와 Xd'의 % 변화를 도시한 도면,
도 18은 공극 편심에 대한 실험 결과를 도시한 도면, 그리고,
도 19는 편심 회전자 샘플 E~G에 대해 Id=4 A에서 측정된 Xd'와 Xd'의 % 변화를 도시한 도면이다.
1 is a view for explaining a state diagnosis technique in the apparatus and method for diagnosing a state of a permanent magnet synchronous motor according to the present invention;
2 is a diagram showing a magnetic field density distribution of an unexcited permanent magnet synchronous motor in a normal state;
3 shows an equivalent magnetic circuit model for the magnetic field path in the d-axis direction, the stator windings in the d-axis direction, the voids and the stator, and the rotor core constituting the permanent magnet, FIG.
4 shows the magnetoresistance-magnetic force characteristics of a permanent magnet (potato curve of a permanent magnet) and a magnetic circuit outside the permanent magnet (investment curve), FIG.
5 is a diagram illustrating the magnetomotive force characteristics of a d-axis magnetic flux path for a stator winding and a permanent magnet modeled as a source of magnetomotive force;
6 is a diagram showing a relationship between a d-axis linkage flux and a current and a d-axis inductance and a differential inductance curve;
7 is a diagram showing a d-axis differential inductance curve according to the d-axis linkage flux and current relationship and the permanent magnet potato;
8 is a diagram showing the change of the DC current band d-axis differential inductance according to the permanent magnet potato and the eccentricity,
9 is a diagram showing a result of a DC sperm FE simulation of the magnetic flux density due to a permanent magnet without a stator current applied to an eccentric motor;
FIG. 10 shows the d-axis linkage flux and current curves and differential inductance curves for void eccentricity;
11 is a view showing the configuration of a preferred embodiment of a state diagnosis device of a permanent magnet synchronous motor according to the present invention;
12 is a flowchart illustrating an embodiment of a method for diagnosing a state of a permanent magnet synchronous motor according to the present invention;
13 is a photograph of the configuration of the motor rotor and the permanent magnet used in the experiment, and a permanent magnet that is broken to test a partial potato,
14 is a mechanical design of the axis and key arrangement to produce 50% dynamic eccentricity (sample G).
15 shows an experimental setup for producing a dynamic eccentric state;
16 shows experimental results for permanent magnet potatoes;
FIG. 17 shows the percent change in Xd 'and Xd' measured at Id = 5 A for demagnetized permanent magnet samples A-D;
18 is a diagram showing experimental results on void eccentricity, and
FIG. 19 shows the percent change in Xd 'and Xd' measured at Id = 4 A for eccentric rotor samples E-G.

이하에서, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 영구 자석 동기 전동기의 상태 진단 장치, 진단 방법, 및 진단 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 기록 매체의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, a preferred embodiment of a recording medium on which a state diagnosis apparatus, a diagnostic method, and a program for executing the diagnostic method of a permanent magnet synchronous motor according to the present invention will be described in detail.

도 1은 본 발명에 따른 영구 자석 동기 전동기의 상태 진단 장치 및 방법에 있어서 상태 진단 기법을 설명하기 위한 도면이다.1 is a view for explaining a state diagnosis technique in the apparatus and method for diagnosing a state of a permanent magnet synchronous motor according to the present invention.

도 1을 참조하면, 영구 자석의 감자 상태와 공극 편심을 검출하고 분류하기 위해 모터가 정지상태에 있을 때마다 인버터(100)를 이용하여 영구 자석 동기 전동기(110)에 신호를 인가한다. 인버터(100)는 등가의 디퍼런셜 인덕턴스 Ld'를 얻기 위해 d축 방향의 직류 자계에 부가된 작은 교류 자계로 영구 자석 동기 전동기(110)를 구동하도록 작동된다. Referring to FIG. 1, a signal is applied to the permanent magnet synchronous motor 110 by using the inverter 100 whenever the motor is in a stopped state in order to detect and classify the potato state and the space eccentricity of the permanent magnet. The inverter 100 is operated to drive the permanent magnet synchronous motor 110 with a small alternating magnetic field added to a direct current magnetic field in the d-axis direction to obtain an equivalent differential inductance Ld '.

도 2는 정상적인 상태의 여기되지 않은 영구 자석 동기 전동기의 자계 밀도 분포를 도시한 도면이다.2 is a diagram showing a magnetic field density distribution of an unexcited permanent magnet synchronous motor in a normal state.

도 2를 참조하면, d축의 자성 특성을 파악하기 위해 4P 내부 영구 자석 동기 전동기에 대한 직류 정자기 유한 요소 시뮬레이션을 수행하였다. 고정자 여기없는 영구 자석 동기 전동기의 자계 분포는 정지 상태에서 회전자에 나타나며, 최소 자기 저항 경로로 배열된다. 영구 자석을 구성하는 d축 방향의 자계 경로, d축 방향의 고정자 권선, 공극, 및 고정자, 그리고 회전자 코어는 도 3에 도시된 등가의 자기 회로 모델로 표현될 수 있다. 도 3에서, F, R, Φ 및 N은 각각 기자력, 자기 저항, 자속 및 등가의 권선수를 나타내며, 아래 첨자 pm, g, g 및 l은 각각 영구 자석, 공극, 코어 및 부하를 의미한다. 자성 물질이 공기와 유사한 비투자율을 가지고 있기 때문에, 영구 자석은 일반적으로 내부 전원 자기 저항을 가진 자속 종속적인 기자력으로 모델링된다. Referring to FIG. 2, DC static magnetic finite element simulation of a 4P internal permanent magnet synchronous motor was performed to understand magnetic properties of the d-axis. The magnetic field distribution of a permanent magnet synchronous motor without stator excitation appears at the rotor in a stationary state and is arranged in the path of least magnetoresistance. The magnetic field path in the d-axis direction, the stator windings in the d-axis direction, the voids, and the stator constituting the permanent magnet, and the rotor core may be represented by the equivalent magnetic circuit model shown in FIG. In Fig. 3, F, R, Φ and N represent the number of magnetic forces, magnetic resistance, magnetic flux and equivalent windings, respectively, and the subscripts pm, g, g and l mean permanent magnets, voids, cores and loads, respectively. Because magnetic materials have a specific permeability similar to air, permanent magnets are generally modeled as magnetic flux-dependent magnetic force with internal power magnetoresistance.

도 4에는 영구 자석의 자기 저항-기자력 특성(영구 자석의 감자 곡선)과 영구 자석 외부의 자기 회로(투자 곡선)가 도시되어 있다. 4 shows the magnetoresistance-magnetic force characteristics of the permanent magnet (potato curve of the permanent magnet) and the magnetic circuit outside the permanent magnet (investment curve).

도 4를 참조하면, 자기 저항과 기자력에 대한 동작점은 두 개의 곡선의 교차지점에서 결정되며, 여기되지 않은 상태에서(즉, id=0) Φm과 Fm에서의 개방 회로 동작점이 도시되어 있다. 도 3에서 알 수 있듯이, d축 고정자 전류(id≠0)는 추가적인 기자력을 낳게 된다. 이는 도 4에 도시된 바와 같이 감자 곡선이 천이된 것으로 등가화될 수 있으며, 동작점을 변경시키게 된다. 한편 도 5에 도시된 바와 같이 기자력의 소스로서 영구 자석과 권선을 살펴보고 전체 자기 투자도의 부분으로서 Rpm을 포함하면 분석이 단순화될 수 있다. 기자력 곡선은 수직선을 형성하며, 값은 영구 자석과 권선 기자력들의 합이다. 투자도 곡선은 영구 자석, 공극 및 코어의 투자도의 결합된 효과를 포함하며, 투자도 곡선의 기울기는 인덕턴스와 비례한다. d축 방향의 자기 회로의 동작점은 도 4에 도시된 바와 유사하게 두 개의 곡선의 교차점에서 결정된다. 도 3 내지 도 5로부터 d축 방향으로 자속을 생성하는 양 전류(id>0)는 기자력과 자속을 증가시키고, 인덕턴스(투자도 곡선의 기울기)를 감소시킨다.Referring to Fig. 4, the operating point for the magnetoresistance and the magnetomotive force is determined at the intersection of the two curves, and the open circuit operating point at Φ m and F m in the unexcited state (i.e. i d = 0) is shown. It is. As can be seen in FIG. 3, the d-axis stator current i d ≠ 0 results in an additional magnetomotive force. This may be equivalent to the potato curve transition as shown in FIG. 4, changing the operating point. Meanwhile, as shown in FIG. 5, the analysis may be simplified by looking at the permanent magnet and the winding as a source of magnetomotive force and including R pm as part of the total magnetic permeability . The magnetic force curve forms a vertical line, the value of which is the sum of the permanent magnet and the winding magnetic force. The permeability curve includes the combined effect of the permeability of permanent magnets, voids and cores, and the slope of the permeability curve is proportional to the inductance. The operating point of the magnetic circuit in the d-axis direction is determined at the intersection of the two curves, similar to that shown in FIG. The positive current i d > 0 generating magnetic flux in the d-axis direction from FIGS. 3 to 5 increases the magnetic force and the magnetic flux, and decreases the inductance (the slope of the permeability curve).

도 5에 도시된 d축 자속에 대한 기자력 곡선은 도 6에 도시된 바와 같이 N을 곱하거나 나눔으로써 쇄교 자속(flux lingage) λd에 대한 전류 id 곡선으로 다시 그려질 수 있다. 선형 영역에서 λd-id 곡선은 코일의 인덕턴스와 동일하며, 재작성된 곡선은 다음의 수학식 2와 같이 영구 자석 동기 전동기의 d축 방향의 자속 방정식으로 표현된다.The magnetic force curve for the d-axis flux shown in FIG. 5 can be redrawn as a current i d curve for flux lingage λ d by multiplying or dividing N as shown in FIG. 6. In the linear region, the λ d -i d curve is equal to the inductance of the coil, and the rewritten curve is expressed by the magnetic flux equation in the d-axis direction of the permanent magnet synchronous motor as shown in Equation 2 below.

Figure 112011070018912-pat00002
Figure 112011070018912-pat00002

여기서, λm은 id=0(NΦm)일 때 코일의 쇄교 자속이다.Here, λ m is the linkage magnetic flux of the coil when i d = 0 (NΦ m ).

id=0인 영구 자석으로 인해 기자력과 자속이 d축 방향으로 자속 경로가 형성되기 때문에, λd 축은 λ-i 곡선의 원점(도 6에서 0)을 지나지 않는다. 그리고 λd 축은 id=0일 때 λd가 λm과 동일한 지점인 개방 회로 동작점 a에서 교차하며, 원점을 향하는 등가의 id는 영구 자석의 기자력을 N으로 나눈 값에 대응된다. 수학식 2로부터 d축의 인덕턴스 Ld는 개방 회로 동작점 a에 대해 다음의 수학식과 같이 λd의 증가량과 d축 전류 id의 비로 정의된다.The lambda d axis does not pass the origin of the lambda -i curve (0 in Fig. 6) because the magnetic force path is formed in the direction of the d axis due to the permanent magnet with i d = 0. The λ d axis intersects at the open circuit operating point a where λ d is equal to λ m when i d = 0, and the equivalent i d toward the origin corresponds to the dividing force of the permanent magnet divided by N. From Equation 2, the inductance L d of the d-axis is defined as the ratio of the increase amount of λ d and the d-axis current i d with respect to the open circuit operating point a as in the following equation.

Figure 112011070018912-pat00003
Figure 112011070018912-pat00003

이는 도 6의 우측에 도시된 Ld 곡선(점 b")에서 알 수 있으며, 포화로 인해 Ld가 약간 감소한다. 본 발명에서 이상 모니터링을 위해 채용하는 값인 d축 디퍼런셜 인덕턴스 Ld'는 Ld와 차이가 있다. 디퍼런셜 인덕턴스 Ld'는 λ-i 곡선상의 각 점에서 λ-i 곡선의 기울기로 정의되며, 다음의 수학식으로 표현된다.This can be seen in the L d curve (point b ") shown on the right side of Fig. 6, where L d decreases slightly due to saturation. The d-axis differential inductance L d ', which is a value employed for abnormal monitoring in the present invention, is L The differential inductance L d 'is defined as the slope of the λ-i curve at each point on the λ-i curve, and is expressed by the following equation.

Figure 112011070018912-pat00004
Figure 112011070018912-pat00004

포화 상태에서 Ld'의 감소는 λ-i 곡선의 미분이기 때문에 Ld의 감소와 비교하여 보다 중요하다. The reduction in L d 'at saturation is more important compared to the reduction in L d because it is a derivative of the λ-i curve.

동작점의 d축 디퍼런셜 인덕턴스는 d축 방향으로 교류 고정자 자계를 가하고, 고정자 전압과 전류의 기본 성분으로부터 임피던스의 리액티브 성분을 계산함으로써 얻어질 수 있다. 교류 자계의 크기가 지나치게 크지 않으면, 인덕턴스는 λ-i 곡선의 동작점에서 Ld'와 동일한 것으로 간주될 수 있으며, 동작점은 일반적으로 최적의 성능을 위해 선형 영역에서 곡선의 변곡점 전에 위치하도록 설계된다. 만약 고정자 교류 자계가 a축 방향으로 고정자 직류 자계에 부가되면, 직류 자계는 동작점을 천이시키며, 대응되는 점에서 Ld'의 값은 교류 성분으로부터 얻어질 수 있다. 일예로, 가해진 직류 전류 성분이 Id와 동일하면, 도 6의 동작점은 점 a로부터 점 b로 이동하고, 교류 성분으로부터 얻어지는 Ld'의 값은 포화로 인해 Ld , a'로부터 Ld , b'로 감소한다. 점 b'에서 디퍼런셜 인덕턴스 Ld' 값의 감소는 점 b"에서 인덕턴스 Ld에 대응하는 값의 감소와 비교할 때 매우 크다.The d-axis differential inductance of the operating point can be obtained by applying an alternating stator magnetic field in the d-axis direction and calculating the reactive component of the impedance from the fundamental components of the stator voltage and current. If the magnitude of the alternating magnetic field is not too large, the inductance can be considered equal to L d 'at the operating point of the λ-i curve, and the operating point is generally designed to be located before the inflection point of the curve in the linear region for optimal performance. do. If a stator alternating magnetic field is added to the stator direct current magnetic field in the a-axis direction, the direct current magnetic field shifts the operating point, and at a corresponding point, the value of L d 'can be obtained from the alternating current component. For example, if the applied DC current component is equal to I d , the operating point of FIG. 6 moves from point a to point b, and the value of L d 'obtained from the alternating current component is from L d , a ' to L d due to saturation. , b '. The decrease in the differential inductance L d 'value at point b' is very large compared to the decrease in the value corresponding to inductance L d at point b ".

상술한 바와 같은 Ld'의 계산을 위해, d축을 기준으로 θ의 각도로 가해진 고정자 자계는 θ와 θ+180° 사이를 맥동하는 피크를 가진 교류 자계와 θ에서 고정된 직류 자계를 포함한다. θ에서 교류 자계와 직류 자계가 합해진 자계의 벡터는 다음의 수학식과 같이 세 개의 위상 전압 참조 집합을 가진 사인 델타 펄스 폭 변조(sine-delta PWM)를 가지고 얻어질 수 있다.For the calculation of L d 'as described above, the stator magnetic field applied at an angle of θ with respect to the d axis includes an alternating magnetic field having a peak pulsating between θ and θ + 180 ° and a fixed DC magnetic field at θ. The vector of the magnetic field, which is the sum of the alternating magnetic field and the direct current magnetic field at θ, can be obtained with sine-delta PWM with three phase voltage reference sets as in the following equation.

Figure 112011070018912-pat00005
Figure 112011070018912-pat00005

여기서, Vdc와 Vac는 각각 직류와 교류 성분의 전압 크기이고, ω는 여기 주파수이다. Where V dc and V ac are the voltage magnitudes of the dc and ac components, respectively, and ω is the excitation frequency.

가해진 자계는 직류 자계가 회전자의 현재 위치에 회전자를 정렬하기 때문에 장치에 토크를 유발하지 않으며, 교류 자계는 반대 방향으로 동일한 크기의 토크를 낳는다. d 축 각도(θ)는 회전자 돌출 및/또는 포화를 기초로 초기 회전자 위치 추정 방법에 의해 용이하게 추정될 수 있다. d 축 방향(θ)으로의 기준 전압과 전류 벡터는 수학식 6과 ias, ibs 및 ics 전류 측정으로부터 다음의 수학식에 의해 계산될 수 있다.The applied magnetic field does not cause torque in the device because the direct current field aligns the rotor at the rotor's current position, and the alternating magnetic field produces torque of the same magnitude in the opposite direction. The d-axis angle θ can be easily estimated by the initial rotor position estimation method based on rotor protrusion and / or saturation. The reference voltage and current vector in the d-axis direction [theta] can be calculated by the following equation from Equations 6 and i as , i bs and i cs current measurements.

Figure 112011070018912-pat00006
Figure 112011070018912-pat00006

여기서, k는 2/3이고, v* abcs와 iabcs는 각각 고정자 기준 전압과 전류 매트릭스를 의미한다.Where k is 2/3 and v * abcs and i abcs denote stator reference voltage and current matrix, respectively.

등가 Ld'는 다음의 수학식에 의해 기준 전압 Vd와 전류 벡터 Id의 위상 기본 성분으로부터 추출될 수 있다. Equivalent L d ′ may be extracted from the phase fundamental components of the reference voltage V d and the current vector I d by the following equation.

Figure 112011070018912-pat00007
Figure 112011070018912-pat00007

앞서 설명한 이유들 중 하나로 인한 부분적인 또는 균일한 영구 자석 감자는 영구 자석의 기자력(Fpm)을 약하게 한다. 이는 Φm 또는 λm의 약화를 초래하며, 도 7에 도시된 바와 같이 도 6의 λd 축을 왼쪽으로 이동시킨 것과 같이 표현될 수 있다. 개방 회로 동작점은 기자력과 λd의 감소와 함께 원점을 향해 선형 영역(도 7에서 점 a로부터 점 d)에서 아래로 이동된다. 동작점들이 선형 영역(점 a와 점 d에서 λ-i 곡선의 기울기는 Ld , a'≒Ld , d'로 유사)에 존재하기에 Ld'의 값은 감자와 함께 크게 변하지 않는다. 정상적인 모터와 비교할 때 감자된 영구 자석을 가진 모터의 코어를 포화시키기 위해 높은 직류 자계 성분이 요구된다. 도 6에 도시된 정상적인 영구 자석에 대해, Id의 직류 전류에 대응하는 직류 자계가 측정되면 코어가 포화되기 때문에 Ld,a'의 값은 Ld , b'로 감소한다. 그러나 Ld'는 여전히 도 7에 도시된 감자된 영구 자석을 가진 경우에 대한 동일한 직류 자계 여기(Id)와 동일(Ld , c'≒Ld , d')하다. 따라서 Ld'는 동일한 여기 상태(Id>0)하에서 측정될 수 있다. Partial or uniform permanent magnet demagnetization due to one of the reasons described above weakens the magnetomotive force (F pm ) of the permanent magnet. This results in a weakening of Φ m or λ m , which can be expressed as shifting the λ d axis of FIG. 6 to the left as shown in FIG. 7. The open circuit operating point is moved down in the linear region (point d to point d in FIG. 7) towards the origin with a decrease in magnetomotive force and λ d . Since the operating points are in the linear region (the slope of the λ-i curve at points a and d is similar to L d , a '≒ L d , d '), the value of L d 'does not change significantly with potatoes. Compared to normal motors, a high direct current magnetic field component is required to saturate the core of the motor with demagnetized permanent magnets. Also for the normal permanent magnet shown in Fig. 6, when a direct current magnetic field is measured which corresponds to the DC current I d of the core it is to be saturated because L d, a 'value of the L d, b' will be reduced to a. However, L d ′ is still the same (L d , c '≒ L d , d ') for the same direct current magnetic field excitation I d for the case with the potato permanent magnet shown in FIG. Thus L d ′ can be measured under the same excitation state (I d > 0).

만약 Ld'가 Id의 함수로 표현되면, 도 8에 도시된 바와 같이 Id의 증가와 함께 코어가 포화되기 시작함에 따라 Ld'가 감소하기 시작한다. 코어가 과포화 영역에 도달함에 따라, Ld'는 낮은 값으로 수렴한다. 감자된 회전자를 가진 영구 자석 동기 전동기에 있어서, 코어를 포화시키기 위해 큰 Id가 필요하기 때문에 정상적인 영구 자석을 가진 모터에 대한 Ld'-Id 곡선이 오른쪽으로 이동한다. 따라서 감자된 영구 자석에 대한 Ld'의 값은 가해진 직류 자계 성분 또는 Id의 일정한 범위로 증가한다. 최대 검출 민감도에 대한 직류 자계의 최적 값은 모터의 설계에 의존한다. 이러한 값은 Ld'에서 변화의 절대값 |ΔLd'|으로부터 결정될 수 있으며, 이는 FE 분석 또는 실험으로부터 얻어질 수 있다. 이는 유도 전동기와 달리 영구 자석 동기 전동기는 일반적으로 제품 적용에 대해 함께 설계되므로, 영구 자석 동기 전동기의 특성이 인버터에 의해 잘 알려져 있어 얻기 어렵지 않다. 민감한 검출을 위해 필요한 직류 자계는 |ΔLd'|가 최대값이므로, 도 8에 도시된 예에 대한 Id , dem에 대응하는 자계이다. 교류 성분은 Ld'를 추출하기 위해 사용되므로, Vac는 일관성있는 실험 결과를 위해 전류 측정에 있어서 충분한 해상도를 제공할 수 있을 정도로 충분히 커야 한다.If, when the expression as a function of I d, L d as the core together with the increase of I d, as shown in FIG. 8 starts to be saturated, L d begins to decrease the. As the core reaches the supersaturation region, L d ′ converges to a lower value. In a permanent magnet synchronous motor with a demagnetized rotor, the L d '-I d curve for a motor with a normal permanent magnet shifts to the right because a large I d is needed to saturate the core. Thus, the value of L d 'for a demagnetized permanent magnet increases to a constant range of applied DC magnetic field component or I d . The optimum value of the direct current magnetic field for the maximum detection sensitivity depends on the design of the motor. These values, the absolute value of the change in | ΔL d '| L d may be determined from, which can be obtained from the FE analysis or experiment. This is in contrast to induction motors, and since permanent magnet synchronous motors are generally designed together for product applications, the characteristics of permanent magnet synchronous motors are well known by inverters and are not difficult to obtain. The DC magnetic field required for sensitive detection is a magnetic field corresponding to I d and dem for the example shown in FIG. 8 since | ΔL d '| is the maximum value. Since the alternating current component is used to extract L d ', V ac must be large enough to provide sufficient resolution for current measurements for consistent experimental results.

자속 패턴이 편심에 따라 변화하는 상태를 관찰하기 위해, 편심을 가진 여기되지 않은 영구 자석 동기 전동기에 대해 직류 정자기 FE 분석을 수행하였다. 회전자는 정지 상태에 있으며, 도 9에 도시된 바와 같이 편심 방향은 자기적 인력이 최대인 영구 자석의 중심을 향하는 것으로 가정한다. 도 9와 도 3을 참조하면, 상부 자기 회로의 고정자 코어 내의 자속은 자기 저항이 감소하기에 증가하는 반면, 하부 자기 회로 내의 자속은 자기 저항의 증가로 인해 감소한다. 도 10에 도시된 바와 같이, 이는 다중 극 쌍(p) 모터(본 실시예의 경우 p=2)에 대해 정상적인 모터의 투자도 곡선으로부터 반대 방향에 있는 자기 회로에 대한 투자도 곡선의 이동으로 표현될 수 있다(점 e,up과 점 e,low에서 동작점들). 만약 편심이 존재하면, 투자도 곡선의 기울기가 큰 공극과 함께 감소하기 때문에 하부의 자기 회로의 Ld'의 값 Ld,e,low'가 감소한다. 상부의 자기 회로에 대해, 투자도 곡선의 기울기는 감소된 공극과 함께 증가하나, 동작점은 자속의 증가로 인해 포화 영역으로 돌입한다. 이는 도 10에 도시된 바와 같이 Ld'(Ld ,e, up')의 감소를 낳게 된다. λ가 하부의 과포화와 동일하기 때문에, 두 개의 자기 회로에 대한 투자도 곡선들은 큰 직류 전류 성분을 가진 유사한 값으로 수렴한다. Ld ,e, low'와 Ld ,e, up' 모두 감소하기 때문에 편심을 가진 모터의 Ld' 값인 Ld , e'는 동심 모터의 Ld' 값인 Ld , a'로부터 감소한다. 따라서 Ld'가 동일한 여기 상태에서 측정되면, Ld' 값의 감소는 편심의 지표로 사용될 수 있다.In order to observe the state in which the magnetic flux pattern changes with the eccentricity, DC static magnetic FE analysis was performed on an eccentric unexcited permanent magnet synchronous motor. The rotor is in a stationary state, and as shown in FIG. 9, the eccentric direction is assumed to be toward the center of the permanent magnet with the maximum magnetic attraction. 9 and 3, the magnetic flux in the stator core of the upper magnetic circuit increases because the magnetic resistance decreases, while the magnetic flux in the lower magnetic circuit decreases due to the increase of the magnetic resistance. As shown in FIG. 10, this can be expressed as the shift of the permeability curve for a magnetic circuit in the opposite direction from the permeability curve of a normal motor for a multipole pair (p) motor (p = 2 in this embodiment). (Operating points at points e, up and e, low). If the eccentricity is present, investment also because the slope of the curve decreased with large pores of the lower magnetic circuit L d 'value of the L d, e, low' is reduced. For the upper magnetic circuit, the slope of the permeability curve increases with the reduced void, but the operating point enters the saturation region due to the increase of the magnetic flux. This results in a reduction of L d '(L d , e, up ') as shown in FIG. 10. Since λ is equal to the underlying supersaturation, the permeability curves for the two magnetic circuits converge to similar values with large direct current components. L d, e, low 'and L d, e, up' because it reduces both the motor with eccentric L d 'values L d, e' is reduced from L d 'values L d, a' concentric motor. Therefore, if L d ′ is measured in the same excited state, the reduction of L d ′ can be used as an indicator of eccentricity.

만약 편심 모터에 대해 Ld , e'에 대한 Id의 그래프를 작성하면, Id=0에서 Ld , e'는 Ld , a'보다 낮으며, Id가 증가함에 따라 동심 모터보다 급격하게 증가한다. 도 10으로부터 Ld , e'의 급격한 감소는 상부 자기 회로의 코어가 포화됨에 따라 Ld ,e, up' 값이 감소함에 기인하는 것으로 예상할 수 있다. |ΔLd'|의 그래프를 살펴보면, 감자의 경우와 같이 모터 설계에 종속적인 편심에 대한 최대 검출 민감도를 위한 직류 자계의 최적값이 존재함을 알 수 있다. 도 8에 도시된 예의 경우에, 검출 민감도에 요구되는 직류 자계는 |ΔLd'|rk 최대인 Id , ecc에 해당한다. Id=0에서 Ld'의 값은 d축(Vdc=0)에서 교류 자계 여기를 가지고 측정할 수 있다. 편심 검출의 민감도는 도 8에 도시된 바와 같이 동작점을 이동시키는 본 발명에 의해 향상될 수 있다.If, when creating the graph of I d on, I d = from 0 L d, e, L d, e to the eccentric motor is lower than L d, a ', as I d increases sharply than concentric motor Increases. Fig from 10 L d, e can be estimated to be due as the value decreases, the rapid decrease of the L d, e, up as that of the upper magnetic core saturation circuit. Looking at the graph of | ΔL d '|, it can be seen that there is an optimal DC magnetic field for maximum detection sensitivity to motor design-dependent eccentricity as in the case of potatoes. In the case of the example shown in Fig. 8, the DC magnetic field required for the detection sensitivity corresponds to I d , ecc which is | ΔL d '| rk max. The value of L d 'at I d = 0 can be measured with alternating magnetic field excitation on the d axis (V dc = 0). The sensitivity of the eccentric detection can be improved by the present invention, which moves the operating point as shown in FIG.

영구 자석 동기 전동기의 감자와 편심을 파악하기 위해 사전에 설정된 수준의 직류 자계 또는 Id에 대해 측정된 Ld'의 변화는 정상적인 영구 자석에 대한 Ld , a' 값과 비교된다. 만약 영구 자석이 감자되면 Ld'의 값이 증가하고, 회전자가 편심되면 Ld'의 값이 감소하여, 영구 자석 동기 전동기 회전자의 고장에 대한 명백한 검출과 분류를 가능하게 한다.In order to identify the demagnetism and eccentricity of the permanent magnet synchronous motor, the measured change in L d 'for a predetermined level of direct current magnetic field or I d is compared with the value of L d , a ' for a normal permanent magnet. If the permanent magnet is demagnetized, the value of L d 'is increased, and if the rotor is eccentric, the value of L d ' is decreased, which enables clear detection and classification of the failure of the permanent magnet synchronous motor rotor.

또한 영구 자석은 영구 자석 온도 TPM의 변동에 따라 회복할 수 있는 감자를 겪는다. 이때 영구 자석 재료에 따른 Φr에 대해 온도 계수(℃ 증가 당 % 변화) 범위는 0.0 2%/℃와 -0.02 %/℃ 사이이다. 따라서 자속 크기에 의존하여 회전자의 고장을 검출하는 모든 기법들은 TPM의 변화에 영향을 받으며, 이는 신뢰성있는 측정을 위해 고려되어야 한다. 본 발명에서 회복할 수 없는 감자에 기인한 Ld'의 변화와 TPM에 종속적인 감자는 지표에 있어서 λd 축의 이동과 동작점의 이동에 기인하기 때문에 서로 구별될 수 없다. TPM을 간접적으로 측정하는 하나의 방법은 고정자 온도 Ts의 양호한 지표인 고정자 저항 Rs에 대한 추정에 의한 것이다. Rs의 추정은 인버터를 사용하여 정지 상태에 있는 모터에 직류 성분을 가한 이후에 전압과 전류의 직류 성분으로부터 용이하게 얻어질 수 있다. 만약 모터가 대기 온도로 낮아진 이후 모터의 기동 전에 테스트를 수행하면, Rs 추정 값(Ts)은 TPM을 나타낸다. 유사한 TPM에서 얻어진 Ld' 측정값은 정지 상태의 테스트이기 때문에 온도에 민감하지 않은 신뢰성있는 영구 자석 회전자의 상태 추정에 대한 변화 추이가 될 수 있다. 편심 검출을 위한 또 다른 접근은 도 8에 도시된 Ld' 곡선의 형태를 관찰하는 것이다. 곡선은 TPM에 따라 왼쪽 또는 오른쪽으로 이동할 수 있지만, 형태는 변하지 않기에 TPM에 독립적인 편심 검출이 가능하다.Permanent magnets also suffer from demagnetization, which can be recovered as the permanent magnet temperature T PM fluctuates. The temperature coefficient (in% change per ° C increase) for Φ r depending on the permanent magnet material is between 0.0 2% / ° C and -0.02% / ° C. Therefore, all the techniques for detecting the failure of the rotor depending on the magnitude of the magnetic flux are affected by the change of T PM , which should be considered for reliable measurement. In the present invention, the change of L d 'due to the irreversible potato and the potato dependent on T PM cannot be distinguished from each other because of the movement of the lambda d axis and the movement of the operating point in the surface. One method of indirectly measuring T PM is by estimation of stator resistance R s , which is a good indicator of stator temperature T s . Estimation of R s can be easily obtained from the direct current component of voltage and current after applying a direct current component to a motor at standstill using an inverter. If the test is performed before starting the motor after the motor has cooled down to ambient temperature, the R s estimate (T s ) represents T PM . Since the measured value of L d 'from similar T PMs is a stationary test, it can be a change in the state estimate of a reliable permanent magnet rotor that is not temperature sensitive. Another approach for eccentric detection is to observe the shape of the L d 'curve shown in FIG. 8. The curve can be shifted left or right according to T PM , but the shape does not change, allowing eccentricity detection independent of T PM .

Ld , a'의 정상적인 값은 영구 자석 및/또는 코어 재료 또는 제조 결함 또는 불일치 등의 개별적인 변동으로 인해 동일한 설계의 모터에 대해 변할 수 있다. 따라서 개별적인 모터에 대해 Ld , a'의 정상적인 값을 측정하여 저장하고, 신뢰성있는 측정을 위해 시간의 흐름에 따라 관할하는 것이 바람직하다. Normal values of L d , a ′ may vary for motors of the same design due to individual variations such as permanent magnets and / or core materials or manufacturing defects or inconsistencies. Therefore, it is desirable to measure and store the normal values of L d , a ′ for individual motors and to manage them over time for reliable measurements.

도 11은 본 발명에 따른 영구 자석 동기 전동기의 상태 진단 장치의 구성을 도시한 도면이다.11 is a diagram illustrating a configuration of a state diagnosis device of a permanent magnet synchronous motor according to the present invention.

도 11을 참조하면, 본 발명에 따른 영구 자석 동기 전동기의 상태 진단 장치(1100)는 자계 발생부(1110), 고정자 전류 측정부(1120) 및 상태 진단부(1130)를 구비한다. Referring to FIG. 11, the state diagnosis apparatus 1100 of the permanent magnet synchronous motor according to the present invention includes a magnetic field generating unit 1110, a stator current measuring unit 1120, and a state diagnosis unit 1130.

자계 발생부(1110)는 영구 자석 동기 전동기의 회전자가 정지 상태에 있을 때 영구 자석의 극 방향(즉, S극에서 N극 쪽)으로 직류 자계와 교류 자계가 중첩된 자계를 발생한다. 이러한 자계 발생부(1110)는 도 1에 도시된 바와 같은 인버터(100)에 의해 구현될 수 있다. 이때 자계 발생부(1110)에 의해 영구 자석 동기 전동기로 인가된 전류(ia, ib, ic)에 의해 발생된 자계가 영구 자석의 극 방향과 일치하지 않고 일정한 각도(즉, 도 1에서 회전자의 극 방향인 d축과 자계의 발생 방향 사이의 각도 θ)를 이루는 경우가 발생한다. 이러한 d 축 각도 θ는 회전자 돌출 및/또는 포화를 기초로 본 발명이 속하는 기술분야에서 널리 알려진 초기 회전자 위치 추정 방법에 의해 용이하게 추정될 수 있다. 그리고 d 축 방향으로의 자계 성분은 수학식 7에 의해 얻어질 수 있다. 이때 자계 발생부(1110)는 일정한 범위 내에서 직류 자계의 크기를 변화시키며, 이에 의해 코어의 포화 정도가 변화된다. 예를 들어, 영구 자석 동기 전동기에 영구 자석의 극 방향으로 직류 전류를 흘려 직류 자계를 증가시키면, 영구 자석의 자계와 고정자 권선에서 발생한 자계가 중첩되어 코어가 포화되고 이에 따라 디퍼런셜 인덕턴스가 감소한다. 만약 영구 자석 동기 전동기의 영구 자석이 감자되면, 정상 상태의 영구 자석보다 큰 직류 자계를 인가해야 코어가 포화되기 시작한다. 따라서 감자된 영구 자석에 대해서는 보다 큰 직류 전류를 전류를 인가해야 코어가 포화되어 디퍼런셜 인덕턴스가 감소하기 시작한다. The magnetic field generator 1110 generates a magnetic field in which a DC magnetic field and an alternating magnetic field are superposed in the pole direction of the permanent magnet (that is, from the S pole to the N pole) when the rotor of the permanent magnet synchronous motor is in a stopped state. The magnetic field generator 1110 may be implemented by the inverter 100 as shown in FIG. 1. At this time, the magnetic field generated by the currents i a , i b , i c applied by the magnetic field generating unit 1110 to the permanent magnet synchronous motor does not coincide with the pole direction of the permanent magnet and is a constant angle (ie, in FIG. 1). The angle θ) between the d axis, which is the pole direction of the rotor, and the generating direction of the magnetic field occurs. This d-axis angle θ can be easily estimated by an initial rotor position estimation method well known in the art based on rotor protrusion and / or saturation. And the magnetic field component in the d-axis direction can be obtained by the equation (7). At this time, the magnetic field generating unit 1110 changes the magnitude of the DC magnetic field within a certain range, thereby changing the degree of saturation of the core. For example, when a DC magnetic field is increased by flowing a DC current in a pole direction of the permanent magnet to the permanent magnet synchronous motor, the magnetic field of the permanent magnet and the magnetic field generated in the stator winding are overlapped to saturate the core, thereby reducing the differential inductance. If the permanent magnet of the permanent magnet synchronous motor is demagnetized, the core will begin to saturate only when a direct current magnetic field is applied to the permanent magnet. Therefore, for demagnetized permanent magnets, a larger direct current must be applied to the core to saturate and the differential inductance begins to decrease.

고정자 전류 측정부(1120)는 발생된 자계 각각에 대응하여 고정자 권선에 흐르는 전류를 측정한다. 따라서 고정자 전류 측정부(1120)는 자계 발생부(1110)에 의해 발생되어 영구 자석 동기 전동기에 인가된 직류 자계의 크기별로 각각 고정자 권선에 흐르는 전류를 측정하여 출력한다.The stator current measuring unit 1120 measures current flowing through the stator windings in correspondence with each of the generated magnetic fields. Accordingly, the stator current measuring unit 1120 measures and outputs current flowing through the stator windings for each magnitude of the DC magnetic field generated by the magnetic field generating unit 1110 and applied to the permanent magnet synchronous motor.

상태 진단부(1130)는 발생된 자계 각각에 대해 측정된 고정자 권선의 전류값들의 영구 자석의 극 방향 성분과 교류 자계 성분으로부터 측정된 영구 자석의 극 방향 전류 id와 영구 자석의 극방향 쇄교 자속 λd을 기초로 수학식 4에 의해 산출된 디퍼런셜 인덕턴스 Ld'의 변화 추이를 기초로 영구 자석의 감자 상태와 편심 상태를 진단한다. 이때 상태 진단부(1130)는 영구 자석의 감자 상태를 진단하기 위해 먼저 교류 자계 성분으로부터 측정된 전류와 쇄교 자속을 기초로 수학식 4에 의해 디퍼런셜 인덕턴스를 산출한다. 다음으로 상태 진단부(1130)는 산출된 디퍼런셜 인덕턴스를 정상적인 영구 자석에 대해 사전에 측정되어 저장되어 있는 기준 인덕턴스와 비교하여 영구 자석의 감자 상태와 편심 상태를 진단한다. Status diagnosis unit 1130 polarity of the permanent magnet, measured from the pole direction component and the alternating current magnetic field component of the permanent magnets of the current value of the stator winding measured with respect to the generated magnetic field, each polarity current i d and the permanent magnet flux linkage Based on the change of the differential inductance L d ′ calculated by Equation 4 on the basis of λ d , the potato state and the eccentric state of the permanent magnet are diagnosed. At this time, the state diagnosis unit 1130 first calculates the differential inductance based on Equation 4 based on the current and the chain flux measured from the alternating magnetic field component to diagnose the potato state of the permanent magnet. Next, the state diagnosis unit 1130 diagnoses the potato state and the eccentric state of the permanent magnet by comparing the calculated differential inductance with a reference inductance previously measured and stored for a normal permanent magnet.

만약 고정자 전류 측정부(1120)에 의해 측정된 고정자 권선에 흐르는 서로 다른 크기의 직류 전류값과 이에 대응하여 산출된 디퍼런셜 인덕턴스가 정상적인 영구 자석에 대해 동일한 상황에서 산출된 기준 디퍼런셜 인덕턴스보다 크면, 상태 진단부(1130)는 영구 자석이 감자된 것으로 판단한다. 또한 영구 자석 동기 전동기에 인가된 서로 다른 크기의 직류 전류값과 이에 대응하여 산출된 디퍼런셜 인덕턴스가 정상적인 영구 자석에 대해 동일한 상황에서 산출된 기준 디퍼런셜 인덕턴스보다 작으면, 상태 진단부(1130)는 편심이 발생한 것으로 판단한다. 이때 영구 자석 동기 전동기에 인가되는 직류 전류값들은 감자와 편심을 각각 가장 민감하게 진단할 수 있는 값으로 설정되는 것이 바람직하다. 따라서 도 8에 도시된 바와 같이 감자 상태를 진단할 때와 편심 상태를 진달할 때 각각 인덕턴스의 차이가 가장 크게 되는 Id , dem과 Id , ecc을 직류 전류값으로 결정하는 것이 바람직하다. If the DC current values of different magnitudes flowing through the stator windings measured by the stator current measuring unit 1120 and the differential inductances calculated corresponding thereto are larger than the reference differential inductances calculated under the same conditions for the normal permanent magnet, the state diagnosis is performed. The unit 1130 determines that the permanent magnet is demagnetized. In addition, if the DC current values of different magnitudes applied to the permanent magnet synchronous motor and the differential inductance calculated corresponding thereto are smaller than the reference differential inductance calculated in the same situation for the normal permanent magnet, the state diagnosis unit 1130 is eccentric. It is considered to have occurred. At this time, the DC current values applied to the permanent magnet synchronous motor are preferably set to values that can most sensitively diagnose potato and eccentricity. Therefore, as shown in FIG. 8, it is preferable to determine I d , dem , I d , and ecc as the direct current value at which the difference in inductance is greatest when diagnosing a potato state and advancing an eccentric state, respectively.

한편 상태 진단부(1130)는 직류 전류 대 디퍼런셜 인덕턴스 그래프의 기울기를 기초로 편심 상태를 진단할 수 있다. 즉, 도 8에 도시된 바와 같이, 영구 자석 동기 전동기의 고정자 권선으로부터 측정된 서로 다른 크기의 직류 전류값에 대해 이에 대응하여 산출된 디퍼런셜 인덕턴스의 변화비(즉, 직류 전류 대 디퍼런셜 인덕턴스 그래프의 기울기)가 정상적인 영구 자석에 대해 동일한 상황에서 산출된 기준 디퍼런셜 인덕턴스의 변화비와 다르면, 상태 진단부(1130)는 회전자가 편심된 것으로 판단한다.Meanwhile, the state diagnosis unit 1130 may diagnose the eccentric state based on the slope of the DC current versus the differential inductance graph. That is, as shown in Fig. 8, the change ratio of the differential inductance calculated correspondingly with respect to the DC current values of different magnitudes measured from the stator windings of the permanent magnet synchronous motor (i.e., the slope of the graph of the DC current vs. the differential inductance graph). ) Is different from the change ratio of the reference differential inductance calculated in the same situation with respect to the normal permanent magnet, the state diagnosis unit 1130 determines that the rotor is eccentric.

도 12는 본 발명에 따른 영구 자석 동기 전동기의 상태 진단 방법에 대한 일 실시예의 수행과정을 도시한 흐름도이다.12 is a flowchart illustrating an embodiment of a method for diagnosing a state of a permanent magnet synchronous motor according to the present invention.

도 12를 참조하면, 영구 자석 동기 전동기의 회전자가 정지상태에 있을 때 자계 발생부(1110)는 영구 자석의 극 방향(즉, S극에서 N극 쪽)으로 직류 자계와 교류 자계가 중첩된 복수의 자계를 발생한다(S1200). 이때 자계 발생부(1110)에 의해 발생된 복수의 자계는 직류 자계의 크기가 사전에 설정된 범위 내에서 서로 다르게 설정된다. 다음으로 고정자 전류 측정부(1120)는 발생된 자계 각각에 대응하여 고정자 권선에 흐르는 전류를 측정한다(S1210). 다음으로 감자 상태 진단부(1130)는 발생된 자계 각각에 대해 측정된 고정자 권선의 전류값들과 교류 자계 성분으로부터 측정된 전류 id와 쇄교 자속 λd을 기초로 수학식 4에 의해 산출된 디퍼런셜 인덕턴스 Ld'의 변화 추이를 기초로 영구 자석의 감자 상태와 편심 상태를 진단한다(S1220).Referring to FIG. 12, when the rotor of the permanent magnet synchronous motor is in a stationary state, the magnetic field generating unit 1110 includes a plurality of DC magnetic fields and AC magnetic fields superposed in the pole direction of the permanent magnet (that is, from the S pole to the N pole). Generate a magnetic field of (S1200). In this case, the plurality of magnetic fields generated by the magnetic field generating unit 1110 are set differently within the range in which the magnitude of the DC magnetic field is set in advance. Next, the stator current measuring unit 1120 measures the current flowing in the stator windings in correspondence with each of the generated magnetic fields (S1210). Next, the potato state diagnosis unit 1130 calculates the differential calculated by Equation 4 based on the current values of the stator windings measured for each generated magnetic field and the current i d measured from the alternating magnetic field component and the linkage flux λ d . The potato state and the eccentric state of the permanent magnet are diagnosed based on the change in inductance L d ′ (S1220).

본 발명에 따른 효과를 검증하기 위해 도 13의 (a)에 도시된 바와 같은 4극 7.5 kW NdFeB 자석을 내장한 영구 자석 동기 전동기에 대해 실험을 수행했다. d축 방향으로 직류와 교류 자계가 결합된 자계로 모터를 구동하기 위해 IGBT 인버터를 제어하기 위해 상용의 DSP를 사용하였다. 그리고 Vdc의 값을 Id가 -1 A에서 7 A(또는 10 A) 사이에서 변하도록 설정하고, 직류 자계의 크기에 따른 디퍼런셜 인덕턴스 Ld'에 대한 검출 민감도의 변화 추이를 확인하기 위해 Id의 크기를 1 A 단위로 증가시켰다. 교류 자계로부터 측정된 전압 v와 전류 i로부터 Ld'를 계산하기 위해 교류 주파수를 50 Hz로 하였고, 교류 전류의 크기가 각각의 Id 크기에 대해 2 A의 피크 투 피크를 가지도록 Vac를 설정하였다. Ld'의 일관성은 2 A의 피크 투 피크보다 큰 교류 전류 크기에서 개선되지 않는다. 엄격한 균일 감자를 가진 모터 샘플(샘플 B)과 부분적으로 깨진 영구 자석(샘플 C, D)으로 테스트를 수행하였고, 균일하고 부분적인 감자하에서 본 발명의 검출 민감도를 평가하기 위해 정상적인 회전자와 비교하였다. 샘플 A와 B에 대해 30000 RPM에서 역 기전력 전압 측정 결과에 따르면, 샘플 B의 역 기전력 상수는 균일한 감자로 인해 31.2 % 감소되었다. 부분적으로 감자된 샘플을 얻기 위해, 도 13의 (b)와 (c)에 도시된 바와 같이 끌로 자석의 7.2 %와 10.4 %를 고의로 깨트렸다. In order to verify the effect of the present invention, an experiment was performed on a permanent magnet synchronous motor having a 4-pole 7.5 kW NdFeB magnet as shown in FIG. A commercial DSP was used to control the IGBT inverter to drive the motor as a magnetic field combined with direct current and alternating magnetic fields in the d-axis direction. The value of V dc is set so that Id varies between -1 A and 7 A (or 10 A), and I d is used to check the change of detection sensitivity with respect to the differential inductance L d 'according to the magnitude of the DC magnetic field. The size of was increased in units of 1 A. The AC frequency was set to 50 Hz to calculate L d 'from the voltage v and current i measured from the alternating magnetic field, and V ac was set so that the magnitude of the alternating current had a peak-to-peak of 2 A for each I d magnitude. Set. The consistency of L d ′ does not improve at alternating current magnitudes greater than the peak-to-peak of 2 A. Tests were performed with a motor sample with strict homogeneous potatoes (Sample B) and a partially broken permanent magnet (Samples C, D) and compared with a normal rotor to assess the detection sensitivity of the present invention under uniform and partial potatoes. . According to the results of the back EMF voltage measurement at 30000 RPM for Samples A and B, the back EMF constant of Sample B was reduced by 31.2% due to uniform potatoes. In order to obtain a partially demagnetized sample, 7.2% and 10.4% of the chisel magnets were intentionally broken as shown in FIGS. 13B and 13C.

0.65 mm 공극에 대해 0 %, 25 % 및 50 % DE 상태를 얻기 위해 도 13의 (a)에 도시된 바와 같은 회전자 코어에 적합한 특별한 축 어셈블리를 제작했다. 원래 축의 외부 크기를 축소하고, 네 개의 홈을 제조하여 축과 회전자 코어 사이의 간격이 다른 높이의 키를 사용하여 편심을 제어하기 위해 조절될 수 있도록 하였다. 도 14에는 위쪽으로 50 %의 DE를 가지는 경우에 대한 기계적인 구성이 도시되어 있다. 그리고 도 15에는 제작된 축, 0 %, 25 % 및 50 %의 편심을 위한 세 개의 키, 그리고 회전자 코어 어셈블리의 사진이 도시되어 있다. 도 9에 도시된 FE 시뮬레이션에서 알 수 있듯이, 자기적 인력이 최대인 자석의 중심에 DE의 방향이 정렬되도록 한 상태에서 실험적인 측정이 수행되었다. In order to obtain 0%, 25% and 50% DE states for 0.65 mm voids, a special shaft assembly suitable for the rotor core as shown in FIG. 13 (a) was fabricated. The outer dimensions of the original shaft were reduced and four grooves were made so that the spacing between the shaft and the rotor core could be adjusted to control the eccentricity using keys of different heights. 14 shows the mechanical configuration for the case with 50% DE upwards. 15 shows a picture of the manufactured shaft, three keys for eccentricity of 0%, 25% and 50%, and the rotor core assembly. As can be seen from the FE simulation shown in FIG. 9, experimental measurements were performed with the direction of DE aligned to the center of the magnet having the largest magnetic attraction force.

도 16의 (a)에는 건강하고 감자된 영구 자석 샘플들(A~D)의 Xd'에 대한 측정 결과가 Id의 함수로 도시되어 있다. 만약 직류 자계 성분이 특정한 범위에 있으면, Xd'는 샘플 B~D에 대한 감자 정도에 따라 증가함을 명백하게 알 수 있다. 부분적으로 감자된 샘플 C와 D의 경우에, 코어를 포화시키기 위해 높은 기자력이 요구되기 때문에 Xd' 곡선이 우측으로 이동한다. 샘플 B의 경우에, 엄격한 균일 감자로 인해 d축으로 인가된 직류 자계의 범위 내에서 곡선의 선형 영역만 관찰된다. 이러한 샘플에 있어서 코어 포화에 기인한 Xd'의 감소는 매우 큰 Id 값에서만 관찰될 수 있다. 동작점이 선형 영역에서 변곡점보다 훨씬 아래에 있기 때문에 Id=0에서 샘플 B의 Xd' 값은 샘플 A, C 및 D보다 크다.In FIG. 16A, measurement results for X d ′ of healthy and potato permanent magnet samples A to D are shown as a function of I d . If the direct current magnetic field component is in a certain range, it can be clearly seen that X d 'increases with the degree of potato for samples B-D. In the case of partially demagnetized samples C and D, the X d 'curve shifts to the right because high magnetism is required to saturate the core. In the case of sample B, only the linear region of the curve is observed within the range of the direct current magnetic field applied to the d axis due to the strict uniform potato. In these samples a reduction in X d 'due to core saturation can only be observed at very large I d values. Because the operating point is far below the inflection point in the linear region, the X d 'value of sample B is greater than samples A, C and D at I d = 0.

도 16의 (b)에는 높은 민감도를 위한 최적의 여기 조건을 파악하기 위해 부분적으로 감자된 샘플과 정상적인 샘플의 Xd' 값들 사이의 차이 ΔXd'가 도시되어 있다. 도 16의 (b)를 참조하면, 샘플 C와 D에 대해 ΔXd'는 초기에 Id와 함께 증가하나, 곡선이 유사한 값으로 수렴하기 때문에 코어가 과포화에 도달함에 따라 감소하기 시작한다. ΔXd'의 값은 Id=5 A일 때 가장 크며, 이는 감자 검출에 대한 민감도가 최대임을 의미한다. 샘플 B의 경우에 있어서 중요한 영구 자석의 감자는 모델 기반 검출 기법 또는 역 기전력 기반 검출 기법에 의해 용이하게 검출될 수 있다. 그러나 샘플 C와 D의 경우와 같이 작은 크기의 부분적인 감자는 검출되기 어렵다. 만약 5 A의 직류 여기가 사용되면, 도 17에 도시된 바와 같이 Xd'는 1.8 %와 2.6 %의 부분적인 감자에 대해 각각 6.2 %와 12.6 %만큼 증가한다. 이로부터 본 발명에 따른 진단 장치 및 방법이 감자된 영구 자석에 있어서 비선형 포화 효과로 인해 Xd'의 증가가 증폭되는 자기 포화를 이용하기 때문에 작은 양의 부분적인 감자에 매우 민감함을 알 수 있다. 이는 고장 지표가 자석의 세기에 비례하는 기존의 기법과 비교할 때 민감도에 있어서 상당한 개량이라 할 수 있다.In FIG. 16B, the difference ΔX d ′ between the partially demagnetized sample and the X d ′ values of the normal sample is shown to determine an optimal excitation condition for high sensitivity. Referring to FIG. 16B, ΔX d ′ initially increases with I d for samples C and D, but begins to decrease as the core reaches supersaturation because the curve converges to similar values. The value of ΔX d ′ is greatest when I d = 5 A, which means that the sensitivity to potato detection is maximum. The demagnetization of the permanent magnets, which is important for sample B, can be easily detected by model-based detection techniques or by back electromotive force-based detection techniques. However, small potatoes, such as those of samples C and D, are difficult to detect. If 5 A direct current excitation is used, X d 'is increased by 6.2% and 12.6% for 1.8% and 2.6% partial potatoes, respectively, as shown in FIG. From this, it can be seen that the diagnostic apparatus and method according to the present invention are very sensitive to small amounts of partial potatoes because of the magnetic saturation in which the increase of X d 'is amplified due to the nonlinear saturation effect in the potato permanent magnet. . This is a significant improvement in sensitivity compared to conventional techniques where the failure indicator is proportional to the strength of the magnet.

도 18의 (a)와 (b)에는 각각 편심 샘플 E~G에 대한 Xd'의 측정값과 ΔXd'가 Id의 함수로 도시되어 있다. 도 18을 참조하면, Xd'는 DE(샘플 F, G)의 크기가 증가함에 따라 증가함을 알 수 있다. Xd' 곡선은 Id의 특정한 범위에서 아래쪽으로 이동하며, 이는 주로 편심이 공극이 감소되는 코어의 부분을 포화시켜 코어의 해당 부분에서 Xd'를 감소시키기 때문이다. 샘플 A와 E에 대한 Xd' 곡선은 재료의 개별적인 변화 및/또는 제조의 비이상적인 상황으로 인해 약간 차이가 있음을 주목할 필요가 있다. 따라서 Xd'의 변화는 동일한 환경과 사전에 설정된 여기 조건 하에서 개별적인 모터의 정상적인 값에 대해 검사되어야 한다. 도 18의 (b)로부터 ΔXd'는 초기에 증가하고, 코어가 포화됨에 따라 감소하여 0으로 수렴됨을 알 수 있다. 연구에서 편심에 대한 가장 높은 검출 민감도는 ΔXd'가 가장 큰 Id=4 A(Id , ecc)에서 얻어진다. Id=4 A에서 ΔXd'의 감소는 Id=0 A일 때보다 매우 높으며, 이에 의해 본 발명에 따른 진단 장치 및 방법은 기존의 기법에 비해 높은 민감도를 가진다. 도 19에는 샘플 F와 G에 대해 Id , ecc=4 A에서 측정된 Xd'의 증가가 도시되어 있다. % 감소는 25 %와 50 %의 편심에 대해 각각 5.8 %와 14.5 %만큼 높다. 감자의 경우와 마찬가지로, 본 발명에 따른 진단 장치 및 방법은 비선형 자기 포화가 편심 회전자에 대해 Xd'의 감소를 증폭시키기 때문에 편심에 매우 민감하다. 이는 기본 성분에 대한 고장 성분의 % 크기가 -60 dB이하인(이는 기본 성분의 0.1 % 이하임) 기존의 MCSA에 비해 실질적인 개선이라 할 수 있다.Of Figure 18 (a) and (b), each X sample d of the eccentric E ~ G 'measured values of ΔX and d' is shown as a function of I d. Referring to FIG. 18, it can be seen that X d ′ increases as the size of DE (samples F and G) increases. The X d 'curve moves downwards over a certain range of I d , mainly because the eccentricity saturates the portion of the core where the voids are reduced, reducing X d ' in that portion of the core. It should be noted that the X d 'curves for Samples A and E are slightly different due to individual variations in materials and / or non-ideal conditions of manufacture. Therefore, the change in X d 'should be checked for the normal values of the individual motors under the same environment and preset excitation conditions. It can be seen from (b) of FIG. 18 that ΔX d ′ initially increases and decreases as it saturates and converges to zero. The highest detection sensitivity for eccentricity in the study is obtained at I d = 4 A (I d , ecc ) with ΔX d 'largest. The decrease in ΔX d ′ at I d = 4 A is much higher than when I d = 0 A, whereby the diagnostic device and method according to the invention has a higher sensitivity than conventional techniques. Figure 19 shows the increase in Xd 'measured at I d , ecc = 4 A for samples F and G. The% reduction is as high as 5.8% and 14.5% for 25% and 50% eccentricity, respectively. As with the potato case, the diagnostic device and method according to the invention is very sensitive to eccentricity because the nonlinear magnetic saturation amplifies the reduction of X d 'for the eccentric rotor. This is a substantial improvement over the conventional MCSA, where the percent magnitude of the failure component relative to the base component is less than -60 dB, which is less than 0.1% of the base component.

본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.The present invention can also be embodied as computer-readable codes on a computer-readable recording medium. A computer-readable recording medium includes all kinds of recording apparatuses in which data that can be read by a computer system is stored. Examples of the computer-readable recording medium include a ROM, a RAM, a CD-ROM, a magnetic tape, a floppy disk, an optical data storage device, and the like, and may be implemented in the form of a carrier wave (for example, transmission via the Internet) . The computer readable recording medium can also be distributed over network coupled computer systems so that the computer readable code is stored and executed in a distributed fashion.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be taken by way of limitation in the embodiment in which said invention is directed. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and detail may be made therein without departing from the scope of the appended claims.

Claims (5)

회전자가 정지상태에 있을 때 영구 자석의 극 방향으로 직류 자계와 교류 자계가 중첩된 복수의 자계를 발생하는 자계 발생부;
상기 발생된 자계 각각에 대응하여 고정자 권선에 흐르는 전류를 측정하는 고정자 전류 측정부; 및
상기 발생된 자계 각각에 대응하여 측정된 상기 고정자 권선에 흐르는 전류의 상기 영구 자석의 극 방향 성분값에 대한 디퍼런셜 인덕턴스의 변화 추이를 기초로 상기 영구 자석의 감자 상태와 상기 회전자의 편심 상태를 진단하는 상태 진단부;를 포함하며,
상기 디퍼런셜 인덕턴스는 상기 발생된 자계에 포함되어 있는 교류 자계 성분에 의한 전류의 상기 영구 자석의 극 방향 성분값의 변화량에 대한 상기 교류 자계 성분으로부터 측정된 쇄교 자속(flux linkage)의 상기 영구 자석의 극 방향 성분값의 변화량으로 정의되는 것을 특징으로 하는 영구 자석 동기 전동기의 상태 진단 장치.
A magnetic field generating unit generating a plurality of magnetic fields in which a direct current magnetic field and an alternating magnetic field overlap in a pole direction of the permanent magnet when the rotor is in a stationary state;
A stator current measuring unit configured to measure a current flowing in the stator windings corresponding to each of the generated magnetic fields; And
Diagnosing the demagnetized state of the permanent magnet and the eccentric state of the rotor on the basis of the change of the differential inductance with respect to the polar component value of the permanent magnet of the current flowing in the stator windings corresponding to each of the generated magnetic fields It includes a; state diagnosis unit
The differential inductance is the pole of the permanent magnet of flux linkage measured from the alternating magnetic field component with respect to the amount of change in the polar component value of the permanent magnet of the current by the alternating magnetic field component contained in the generated magnetic field. A state diagnosis apparatus for a permanent magnet synchronous motor, characterized in that it is defined as a change amount of a direction component value.
제 1항에 있어서,
상기 상태 진단부는 상기 발생된 자계를 기초로 산출한 디퍼런셜 인덕턴스가 상기 영구 자석이 정상인 상태에서 산출하여 보유하고 있는 기준 디퍼런셜 인덕턴스보다 크면 상기 영구 자석이 감자된 것으로 진단하고, 상기 발생된 자계를 기초로 산출한 디퍼런셜 인덕턴스가 상기 영구 자석이 정상인 상태에서 산출하여 보유하고 있는 기준 디퍼런셜 인덕턴스보다 작으면 상기 회전자가 편심된 것으로 진단하는 것을 특징으로 하는 영구 자석 동기 전동기의 상태 진단 장치.
The method of claim 1,
The state diagnosis unit diagnoses that the permanent magnet is demagnetized when the differential inductance calculated based on the generated magnetic field is larger than the reference differential inductance calculated and retained in the state where the permanent magnet is normal, and based on the generated magnetic field. And diagnosing that the rotor is eccentric if the calculated differential inductance is less than the reference differential inductance calculated and retained in the state where the permanent magnet is normal.
(a) 회전자가 정지상태에 있을 때 영구 자석의 극 방향으로 직류 자계와 교류 자계가 중첩된 복수의 자계를 발생하는 단계;
(b) 상기 발생된 자계 각각에 대응하여 고정자 권선에 흐르는 전류를 측정하는 단계; 및
(c) 상기 발생된 자계 각각에 대응하여 측정된 상기 고정자 권선에 흐르는 전류의 상기 영구 자석의 극 방향 성분값에 대한 디퍼런셜 인덕턴스의 변화 추이를 기초로 상기 영구 자석의 감자 상태와 상기 회전자의 편심 상태를 진단하는 단계;를 포함하며,
상기 디퍼런셜 인덕턴스는 상기 발생된 자계에 포함되어 있는 교류 자계 성분에 의한 전류의 상기 영구 자석의 극 방향 성분값의 변화량에 대한 상기 교류 자계 성분으로부터 측정된 쇄교 자속(flux linkage)의 상기 영구 자석의 극 방향 성분값의 변화량으로 정의되는 것을 특징으로 하는 영구 자석 동기 전동기의 상태 진단 방법.
(a) generating a plurality of magnetic fields in which the direct current magnetic field and the alternating magnetic field overlap in the pole direction of the permanent magnet when the rotor is in a stationary state;
(b) measuring a current flowing in the stator windings corresponding to each of the generated magnetic fields; And
(c) the potato state of the permanent magnet and the eccentricity of the rotor on the basis of the change of the differential inductance with respect to the polar component value of the permanent magnet of the current flowing in the stator windings measured corresponding to each of the generated magnetic fields. Diagnosing the condition;
The differential inductance is the pole of the permanent magnet of flux linkage measured from the alternating magnetic field component with respect to the amount of change in the polar component value of the permanent magnet of the current by the alternating magnetic field component contained in the generated magnetic field. A method for diagnosing a condition of a permanent magnet synchronous motor, characterized in that it is defined by the amount of change in the direction component value.
제 3항에 있어서,
상기 (c)단계에서, 상기 발생된 자계를 기초로 산출한 디퍼런셜 인덕턴스가 상기 영구 자석이 정상인 상태에서 산출하여 보유하고 있는 기준 디퍼런셜 인덕턴스보다 크면 상기 영구 자석이 감자된 것으로 진단하고, 상기 발생된 자계를 기초로 산출한 디퍼런셜 인덕턴스가 상기 영구 자석이 정상인 상태에서 산출하여 보유하고 있는 기준 디퍼런셜 인덕턴스보다 작으면 상기 회전자가 편심된 것으로 진단하는 것을 특징으로 하는 영구 자석 동기 전동기의 상태 진단 방법.
The method of claim 3,
In the step (c), if the differential inductance calculated based on the generated magnetic field is larger than the reference differential inductance calculated and retained in the state in which the permanent magnet is normal, the permanent magnet is diagnosed as demagnetized, and the generated magnetic field And diagnosing that the rotor is eccentric if the differential inductance calculated on the basis of the differential inductance is less than the reference differential inductance calculated and retained in the normal state of the permanent magnet.
제 3항 또는 제 4항에 기재된 영구 자석 동기 전동기의 상태 진단 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체.A computer-readable recording medium having recorded thereon a program for causing a computer to execute the method for diagnosing a condition of a permanent magnet synchronous motor according to claim 3 or 4.
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