KR20220156037A - 영구 자석 동기 모터의 영구 자석 플럭스 링키지 결정 - Google Patents

영구 자석 동기 모터의 영구 자석 플럭스 링키지 결정 Download PDF

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KR20220156037A
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추니안 레이
게르트 슐라거
라크슈미 바라하 이예르
필립 코르타
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마그나 인터내셔널 인코포레이티드
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Abstract

영구 자석 동기화 기계(PMSM) 내의 영구 자석(PM) 플럭스 강도는 열적, 기계적, 환경적 및 전기적 스트레스를 포함하는 동작 조건에 의해서 영향을 받을 수 있다. 탈자기로도 지칭되는, 감소된 플럭스 강도는 기계 및 구동 시스템의 효율, 성능 및 신뢰성의 저하를 초래할 수 있다. PMSM를 동작시키기 위해서 이용되는 것과 동일한 인버터(즉, 모터 드라이브)를 이용하는, 신뢰 가능한 PM 강도, PM 플럭스 링키지, PM SOH, PM 탈자기 검출 방법이 제공된다. 방법은 정지 조건의 PMSM에서, 위상 전압을 PMSM의 복수의 모터 리드의 각각에 인가하는 단계; 위상 전압을 인가하면서 PMSM의 복수의 모터 리드의 각각에서 전류를 측정하는 단계; 및 모터 리드 중 적어도 하나에서의 전류의 값을 기초로, 플럭스 링키지, PM 강도, PM SoH, 또는 PM 탈자기 중 적어도 하나를 결정하는 단계를 포함한다.

Description

영구 자석 동기 모터의 영구 자석 플럭스 링키지 결정
관련 출원에 대한 상호 참조
본 PCT 국제특허출원은 2020년 3월 20일자에 출원되고 명칭이 "Permanent Magnet Flux Linkage Measurement And Estimation Method For High Performance PMSM Control"인 미국 가특허출원 제62/992,179호의 이익을 주장하며, 이러한 가특허출원의 전체 개시 내용이 본원에서 참조로 포함된다.
본 개시 내용은 일반적으로, 영구 자석 동기 모터(PMSM) 내의 가역적 또는 비가역적 자기 결함의 검출 및 성능 개선을 위한 모터 제어를 위해서 이용될 수 있는, 영구 자석 강도 또는 플럭스 링키지의 측정에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 개시 내용은 정지 조건에서 PMSM 내의 탈자기를 검출하기 위해서 영구 자석의 건강 상태(SOH) 및 강도를 측정하고 평가하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
영구 자석 동기 기계(PMSM)는 그 높은 전력 밀도 및 높은 효율로 인해서 전기 차량에서 널리 이용되고 있다. PMSM 기계 내의 영구 자석(PM) 플럭스 강도는 열적, 기계적, 환경적 및 전기적 스트레스 하에서 동작 조건에 의해서 영향을 받을 수 있다. 이는 기계 및 전체 시스템의 효율, 성능 및 신뢰성의 저하를 초래할 수 있다. 영구 자석(PM) 탈자기는 PMSM에서 심각한 결함을 초래할 수 있다. PMSM 내의 PM 강도는 열적, 기계적, 환경적 및 전기적 스트레스 또는 그러한 스트레스들의 조합 하에서 그 동작 조건에 의해서 영향을 받을 수 있다. 이는 불균형 자기 당김(unbalanced magnetic pull), 토크 감소, 전체 모터 구동 시스템의 시스템 효율 및 신뢰성의 저하를 초래할 수 있다. 탈자기는 PMSM에서 자기 플럭스 분배의 감소 및 왜곡을 유발할 수 있고, 이는 결함 진단 절차에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 탈자기는 모터의 다양한 기계적 및 전기적 매개변수의 고조파 및/또는 저하를 초래할 수 있다. PMSM 내의 PM 탈자기는 높은 동작 온도, 시효 및/또는 부식으로 인한 자석 손상, 또는 부적절한 전기자 전류로부터 초래될 수 있다.
개시 내용의 양태에 따라, 영구 자석 동기화 기계(PMSM)를 모니터링하기 위한 방법이: 정지 조건의 PMSM에서, 위상 전압을 PMSM의 복수의 모터 리드의 각각에 인가하는 단계; 위상 전압을 인가하면서 복수의 모터 리드의 각각에서 전류를 측정하는 단계; 및 복수의 모터 리드 중 적어도 하나에서의 전류의 값을 기초로, 플럭스 링키지, 영구 자석(PM) 강도, PM 건강 상태(SoH), 또는 PM 탈자기 중 적어도 하나를 결정하는 단계를 포함한다.
개시 내용의 양태에 따라, 영구 자석 동기화 기계(PMSM)를 모니터링하기 위한 시스템이: 정지 조건의 PMSM에서, 위상 전압을 PMSM의 복수의 모터 리드의 각각에 인가하도록 구성된 인버터; 위상 전압을 인가하면서 복수의 모터 리드의 각각에서 전류를 측정하도록 구성된 하나 이상의 전류 센서; 및 복수의 모터 리드 중 적어도 하나에서의 전류의 값을 기초로, PMSM의 플럭스 링키지, 영구 자석(PM) 강도, PM 건강 상태, 또는 PM 탈자기 중 적어도 하나를 결정하도록 구성된 제어기를 포함한다.
관련 도면을 참조한 실시형태의 예에 관한 이하의 설명으로부터, 본 발명의 추가적인 상세 내용, 특징 및 장점이 확인된다.
도 1은 본 개시 내용에 따른 시스템의 블록도를 도시한다.
도 2는 제1 PMSM의 절취 단면도를 도시한다.
도 3은 제2 PMSM의 절취 단면도를 도시한다.
도 4는 피크 플럭스 대 전류의 플롯(plot), 및 플럭스 대 인덕턴스의 플롯을 포함하는 조합 그래프를 도시한다.
도 5는 θ=0°일 때 인가된 3-상 전압의 그래프를 도시한다.
도 6은 θ=0°일 때 위상 A 전압 및 위상 A 전류의 그래프를 도시한다.
도 7은 θ=0°일 때 초기 위치(α)에서 위상 A 평균제곱근 전류 및 피크-피크 토크의 변동을 보여주는 그래프를 도시한다.
도 8은 θ=0°일 때, α=0° 및 α=15°에 대한 토크들을 비교하는 플롯들을 갖는 그래프를 도시한다.
도 9는 θ=0°및 α=15°일 때, 위상 A, B, 및 C의 플럭스 링키지의 플롯을 갖는 그래프를 도시한다.
도 10은 θ=0°및 α=15°일 때, d-축 전류 및 q-축 전류의 플롯을 갖는 그래프를 도시한다.
도 11은 θ=0°및 α=15°일 때, d-축 플럭스 및 q-축 플럭스의 플롯을 갖는 그래프를 도시한다.
도 12는 건강한 그리고 탈자기 조건 하에서의 위상 A 전류의 RMS 값들을 비교하는 플롯을 갖는 그래프를 도시한다.
도 13은 건강한 그리고 탈자기 조건 하에서의 위상 B 전류의 RMS 값들을 비교하는 플롯을 갖는 그래프를 도시한다.
도 14는 건강한 그리고 탈자기 조건 하에서의 위상 C 전류의 RMS 값들을 비교하는 플롯을 갖는 그래프를 도시한다.
도 15는 상이한 탈자기 조건들에 대한 RMS 위상 A 전류의 % 변화의 플롯을 갖는 그래프를 도시한다.
도 16은 상이한 탈자기 조건들에 대한 RMS 위상 B 전류의 % 변화의 플롯을 갖는 그래프를 도시한다.
도 17은 상이한 탈자기 조건들에 대한 RMS 위상 B 전류의 % 변화의 플롯을 갖는 그래프를 도시한다.
도 18은 건강한 그리고 탈자기 조건 하에서의 겉보기 인덕턴스 대 d-축 전류의 플롯을 갖는 그래프를 도시한다.
도 19는 건강한 그리고 탈자기 조건 하에서의 증가 인덕턴스 대 d-축 전류의 플롯을 갖는 그래프를 도시한다.
도 20은 θ =0°일 때 그리고 건강한 조건 하에서의 위상 전류의 플롯을 갖는 그래프를 도시한다.
도 21은 θ =0°일 때 그리고 건강한 조건 하에서의 토크의 플롯을 갖는 그래프를 도시한다.
도 22는 2개의 상이한 위상 저항의 값들 하에서의 %PM 플럭스 감소 대 %RMS 전류 감소의 플롯을 갖는 그래프를 도시한다.
도 23은 건강한 조건 하에서의 PM 플럭스 대 온도의 플롯을 갖는 그래프를 도시한다.
도 24는 3개의 상이한 온도들에서 PMSM의 %PM 플럭스 감소 대 %RMS 감소의 플롯을 갖는 그래프를 도시한다.
몇몇 도면 전체를 통해서 유사한 숫자가 상응 부품들을 표시하는 도면들을 참조하여, 전기 모터, 발전기, 또는 모터/발전기와 같은 영구 자석 동기화 기계(PMSM) 유형 전기 기계 내의 영구 자석(PM) 탈자기를 검출하기 위한 방법 및 시스템(10)을 설명한다. 탈자기는 PMSM 내의 하나 이상의 영구 자석에 의해서 생성되는 자기 플럭스 강도의 약화를 포함할 수 있다. 예를 들어, PMSM의 자극(pole)과 연관된 하나 이상의 PM이 10%의 생성 자기 플럭스 강도의 감소를 나타낼 수 있고, 이는 탈자기 결함으로서 특성화될 수 있다.
전류를 이용하여 정지 조건 하에서 PM 탈자기 결함을 진단하기 위한 새로운 방법이 이러한 개시 내용에서 제공된다. 더 구체적으로, 전압이 인버터를 이용하여 정지 조건 하에서 PMSM 내로 주입되고, 국소적이고 균일한 PM 탈자기 결함을 진단하기 위한 분석을 위해서 위상 전류가 측정된다. 전기 차량(EV) 견인 시스템 환경에서의 제약이 특히 고려된다. PM 탈자기 레벨 또는 탈자기 결함에 더하여, 제시된 방법은 또한 PM 플럭스 링키지, PM 강도, PM 건강 상태(SOH)를 결정할 수 있다.
개시된 방법 및 시스템의 주 목표는, 전기 기계의 동작을 위해서 사용되는 것과 동일한 시스템 구성을 이용하여 PM 탈자기를 식별하는 것이다. 즉, 동일한 DC 공급원 및 전기 기계에 AC 전력을 제공하기 위해서 사용되는 인버터를 또한 이용하여 전기 기계의 PM 탈자기를 식별할 수 있다. 제시된 방법은 회전자 속력이 0일 때의 정지 조건 하에서 수행된다. 이는, 탈자기 결함 진단에 영향을 미칠 수 있는 온도 변동, 하중 변화, 소음, 편심 결함과 같은 기계적 문제, 및 속력-의존적 매개변수를 제거하거나 감소시키는데 도움을 줄 수 있다.
시스템(10)의 예가 도 1에 도시되어 있다. 시스템(10)은, 교류(AC) 전력을 영구 자석 동기화 기계(PMSM)(26)에 공급할 수 있는 능력으로 인해서 모터 드라이브로도 지칭될 수 있는 인버터(20)를 포함한다. 인버터(20)는, 모터 리드(24)가 PMSM(26)의 고정자 권선에 연결될 때 DC 전원(23)으로부터의 DC 전력을 변환하여 AC 전력을 생성하는 복수의 스위칭 트랜지스터(22)를 포함한다. 스위칭 트랜지스터(22)는 필드 이펙트 트랜지스터(FET)를 포함할 수 있으나, 정크션 트랜지스터와 같은 다른 장치가 사용될 수 있다. DC 전원(23)은 전기화된 차량(EV) 내의 배터리 팩을 포함할 수 있다. 그러나, DC 전원(23)은 정류기 또는 발전기와 같은 다른 장치를 포함할 수 있다.
전류 센서(28)는 각각의 모터 리드(24) 내의 위상 전류(I1, I2, I3)를 모니터링하고 검출된 전류 값을 제어기(30)에 공급하며, 제어기는 인버터(20)의 스위칭 트랜지스터(22)의 동작을 제어하도록 구성된다. 부가적으로 또는 대안적으로, 전류 센서(28)는 제어기(30)로부터의 상이한 전자 제어 유닛에 의해서 모니터링될 수 있다. 임의의 또는 모든 전류 센서(28)가 전류를 감지하기 위한 임의의 알려진 하드웨어 및/또는 소프트웨어를 포함할 수 있다. 예를 들어, 전류 센서(28)는 변류기, 분로 저항, 전압-기반 및/또는 전류-기반 감지, 아날로그-대-디지털(A/D) 변환기 등의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
제어기(30)는, 기계-판독 가능 저장 메모리(34)와 기능적으로 통신하는, 마이크로프로세서 또는 마이크로제어기와 같은 프로세서(32)를 포함한다. 메모리(34)는 프로그램 명령어(36) 및 데이터(38)를 저장한다.
도 2는 제1 회전자(60a)를 둘러싸는 제1 고정자(50a)를 포함하는 제1 PMSM(26a)의 절취 단부도를 도시한다. 제1 고정자(50a)는, 규칙적인 간격으로 이격되어, 반경방향 내측으로 연장되고 제1 고정자 권선(54a)을 유지하는 복수의 제1 슬롯(52a)을 형성하고, 제1 고정자 권선은 모터 리드(24) 중 상응하는 모터 리드에 연결되어 회전 자기장을 생성한다. 제1 고정자(60a)는, 각각이 원주방향으로 연장되고 각각이 제1 영구 자석(64a)을 유지하는 복수의 편평 함몰부(62a)를 포함한다.
도 3은 제2 회전자(60b)를 둘러싸는 제2 고정자(50b)를 포함하는 제2 PMSM(26b)의 절취 단부도를 도시한다. 제2 고정자(50b)는, 규칙적인 간격으로 이격되어, 반경방향 내측으로 연장되고 제2 고정자 권선(54b)을 유지하는 복수의 제2 슬롯(52b)을 형성하고, 제2 고정자 권선은 모터 리드(24) 중 상응하는 모터 리드에 연결되어 회전 자기장을 생성한다. 제2 고정자(60b)는, 각각이 반경방향 및 원주방향으로 연장되고 각각이 제2 영구 자석(64b)을 유지하는 복수의 V-형상 슬롯(62b)을 포함한다.
제1 및 제2 PMSM(26a, 26b)이 단지 예라는 것, 그리고 본 개시 내용의 시스템(10) 및 방법이 내부 회전자 또는 외부 회전자 구성을 포함하는 임의의 PMSM(26)와 함께 그리고 임의의 수의 자극과 함께 사용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
본 개시 내용은, PMSM(26)의 영구 자석(PM) 건강 상태를 모니터링하기 위해서 위상 고정자 전류의 평균제곱근(RMS) 값을 이용하는 전류-기반 방법을 제공한다. 본 개시 내용의 기술을 이용하여, PMSM(26) 내의 모든 자극의 탈자기 그리고 이를 포함하는 몇 가지 상이한 유형의 탈자기 결함 중 임의의 하나를 결정할 수 있다. 결함이 있는 모터 내의 자기 플럭스 분배가 불균일하기 때문에, 이는 모터 인덕턴스 파형에 영향을 미친다. 모터의 등가 회로에 따라, 이러한 경우에 고정자 전류가 영향을 받을 수 있다. 사실상, 건강한 그리고 결함이 있는 모터 모두에 대해서 전류 파형과 그 특성을 비교하는 것에 의해서, 결함이 검출 및 분류될 수 있다. 자기 포화에서의 등가 인덕턴스 변동은 고정자 및 회전자 자기장들 사이의 상대적인 위치에 따라 달라진다.
탈자기의 결과로서, 자석 플럭스가 감소되고, 동작점이 플럭스-전류 곡선의 아래로 이동된다. 도 4는 플럭스(φ) 대 전류(i) 의 플롯(102), 및 플럭스(φ) 대 인덕턴스(L)의 플롯(104)을 포함하는 조합 그래프(100)를 도시한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 탈자기로 인해서, 동작점(a)(건강한 기계)이 동작점(b)으로 이동한다. 이는, 코어 자기 재료가 덜 포화되고 인덕턴스 값이 더 크다는 것(이는 권선을 통과하는 전류의 감소를 초래한다)을 의미한다. 제시된 방법은 고정자 위상 전류의 RMS 값을 이용하고 이를 건강한 모터에 대한 동일한 값과 비교한다.
탈자기 지수(kd)가 탈자기 결함 검출을 위해서 정의된다. 탈자기 지수(kd)는 건강한 기계에 대한 결함 기계 내의 위상 전류의 RMS 값의 상대적인 변화(%)를 나타낸다. 탈자기 결함의 심각도가 이러한 지수(kd)에 의해서 표시된다. 탈자기 지수(kd)는 이하의 수학식(1)에 의해서 계산될 수 있고:
Figure pct00001
(1)
여기에서 Irms(건강함) 및 Irms(결함)는, PMSM(26)이 각각 건강하고 결함이 있을 때의 위상 전류의 RMS 값이다.
제시된 방법에서, 수학식(2)에 기재된 바와 같이 PMSM(26)를 여기시키기 위해서 인버터(20)를 이용하여 인가되는 위상 전압 세트는 다음과 같고:
Figure pct00002
여기에서 Vm, ω 및 θ는 각각 전압 진폭, 여기 주파수, 및 플럭스 벡터 각도이고, 플럭스 벡터 각도(θ)는 0°로부터 180°까지 변화될 수 있다.
인버터(20)를 제어하여, 3-상 전압을 생성하기 위한 사인파 또는 공간 벡터 PWM을 생성할 수 있다. 주입 전압의 진폭 및 주파수는, 모터의 포화를 보장하는 희망 전류 진폭을 달성하기 위한 고정자 저항 및 인덕턴스와 같은 모터의 등가 회로 매개변수를 기초로 계산된다. 모터 내의 결과적인 자기 플럭스가 2개의 지점인 θ와 θ+180°사이에서 맥동한다. 이러한 자기 플럭스로 인해서, θ 및 θ+180°에서 고정자에 의해서 유도되는 전자기 토크는 동일한 진폭 및 반대되는 방향을 가질 것이고, 이는 0의 평균 토크를 초래한다. 따라서, 회전자의 속력은 0을 유지한다.
도 2에 도시된 8-자극 내부-회전자 PMSM(IPMSM)(26a)이 Ansys Maxwell FEA 소프트웨어에서 모델링되었다. IPMSM(26a)의 회전자 및 고정자 코어는 M19 G29 규소 강으로 제조되었다. IPMSM(26a)의 자석은 NdFeB 35이다. 시뮬레이션에서 사용된 IPMSM(26a)의 매개변수가 이하의 표 1에 제공되어 있다.
[표 1]
시뮬레이트된 모터의 정격 및 매개변수
Figure pct00003
시뮬레이션에서, Vm은 80 V이고, ω는 2π×200 라디안/초이며, θ는 30°의 단계로 0°로부터 180°까지 변화된다. 이러한 값의 선택은 코어 포화를 보장한다. 이러한 값들에서, 탈자기 표시자는 상이한 레벨의 결함을 진단할 수 있을 만큼 충분히 크다. 하나의 경우(θ=0°일 때)에 대한 시뮬레이션의 결과를 도 5 및 도 6에 도시하였다. 구체적으로, 도 5는 각각 A, B, 및 C 노드 전압(110, 112, 114)의 플롯을 갖는 그래프를 도시한다. 도 6은 노드 A 전압의 플롯(120) 및 위상 A 전류의 플롯(122)을 갖는 그래프를 도시한다. 주입된 전압 신호의 파형 및 고정자 위상 전류는 다음과 같다: 양 신호 세트들이 사인파형이다. 이러한 특정 경우에, 위상 B 및 C는, 도 5의 중첩 플롯(112, 114)에 의해서 표시된 바와 같이, 동일한 크기 및 위상을 갖는다.
최소 토크 진동을 위한 플럭스 벡터 각도의 결정
시뮬레이션에서의 다른 입력은 초기 위치이다. 무작위적인 초기 위치의 경우, 테스트 중에 토크 진동 문제를 제거하는데 있어서 적절한 플럭스 벡터 각도 선택이 중요하다. 이를 위해서, 최소 토크 리플(minimum torque ripple)을 획득하기 위해, 토크 피크 대 피크 값이 상이한 초기 위치들에서 측정된다.
제시된 결함 검출 방법이 모터의 정지 조건에 대해서 설계되기 때문에, 진동 토크는 주입 전류로부터 초래되고, 이는 테스트 중에 소음 및 떨림을 유발할 수 있다. 토크의 피크-피크 값은, 적절한 플럭스 벡터 각도(θ) 또는 초기 위치(α)의 선택에 의해서 최소화될 수 있다. 초기 위치(α)가 특정 각도로 고정될 때, 적절한 플럭스 벡터 각도(θ)의 선택이 중요한데, 이는 그러한 것이 피크-피크 토크에 영향을 미칠 뿐만 아니라 위상 전류의 RMS 값에도 영향을 미치기 때문이다. 제시된 방법에서 PM 강도를 계산하기 위해서 고정자 전류의 RMS 값이 사용됨에 따라, 이러한 영향을 이해하는 것이 중요하다. 유사하게, 고정된 플럭스 벡터 각도(θ)에서, 초기 위치(α)의 변경은 피크-피크 토크 및 위상 전류의 RMS 값에 영향을 미친다. 대부분의 적용예에서, 모터 초기 위치(α)는 고정되나, 본 조사에서는 플럭스 벡터 각도(θ)가 고정된다. 상세 내용은 다음과 같이 설명된다: 플럭스 벡터 각도(θ)에 대한 초기 위치(α)의 영향을 조사하기 위해서, 초기 위치(α)에 대한 스윕 테스트(sweep test)를 전기 사이클의 절반 동안 실행한다. 도 7은, 각각, 플럭스 벡터 각도(θ) = 0°일 때의 건강한 모터에 대한 초기 위치(α)(도)의 함수로서의, IPMSM(26a)에 의해서 전개된 피크-피크 토크의 플롯(130) 및 평균제곱근(RMS) 위상-A 전류 IArms의 플롯(132)을 갖는 그래프를 도시한다. 초기 위치(α)=15°일 때 피크-피크 토크가 거의 0이라는 것이 명확하다. 이러한 제1 PMSM(26a)가 정지 조건에서 일을 함에 따라, 회전자의 초기 위치는 각각의 위상에 대한 인덕턴스에 영향을 미치고, 결과적으로, 고정자 전류는 상이한 초기 위치들에서 상이하다.
생성된 토크가 0에 근접하는 기계적 각도를 획득하기 위해서, 각각의 플럭스 벡터 각도(θ)에 대한 상이한 초기 위치들로 시뮬레이션을 수행하였다. 도 7에서, 인덕턴스 변화로 인해서 초기 위치가 어떻게 위상 전류(IArms)에 영향을 미치는지를 확인할 수 있다. 또한, 회전자 위치가 변화될 때, 유도되는 토크의 릴럭턴스 성분(reluctance component)이 변화된다.
도 8은 각각 초기 위치(α=0° 및 α=15°)에 대한 플럭스 벡터 각도(θ)가 0°일 때의 토크의 플롯들(140, 142)을 갖는 그래프를 도시한다. 도 8은 플럭스 벡터 각도(θ)가 0°일 때 2개의 상이한 초기 위치들에서 건강한 IPMSM의 토크 파형을 일정 공급 전압과 비교한다. 15°의 초기 위치를 이용함으로써, PMSM(26)은 거의 0의 토크를 생성한다.
도 9는 각각 위상 A, B, 및 C의 플럭스 링키지의 플롯(150, 152, 154)을 갖는 그래프를 도시한다. 도 10은 각각 d-축 전류(Id)(Amp) 및 q-축 전류(Iq)(Amp)의 플롯(156, 158)을 갖는 그래프를 도시한다. 도 11은 각각 d-축 플럭스(Weber) 및 q-축 플럭스(Weber)의 플롯(160, 162)을 갖는 그래프를 도시한다. 도 9 내지 도 11은, 함께, PMSM(26)가 0의 토크를 전개하게 하는 회전자(60a, 60b)의 적절한 초기 위치(α)에서 a,b,c 플럭스, d-q 플럭스, 및 전류가 어떻게 거동하는지를 보여 준다. q-축 전류 및 플럭스 링키지 모두가 거의 0이 되도록, 회전자(60a, 60b)의 초기 위치(α)가 선택된다. 따라서, 이러한 위치에서 d-축 전류 및 플럭스 링키지만이 표시된다. 결과적으로, 이하의 수학식(3)에서 설명된 관계를 기초로, 전개된 전자기 토크의 순간/피크-피크 및 평균 값은 0에 근접한다
Figure pct00004
(3)
플럭스 벡터 각도가 고정자 위상 전류에 미치는 영향
위상 전류의 RMS 값을 연구하기 위해서, 플럭스 벡터 각도를 30°의 단계로 0°로부터 360°까지 변경하였다. 각각의 플럭스 벡터 각도에서, 적절한 초기 위치 각도를 선택하여 토크 피크-피크 값을 최소로 유지하였다. 이러한 섹션에서, 모든 시뮬레이션 결과는 Vm=80 V의 IPMSM에 대한 것이고, ω는 2π×200이고, 토크 피크-피크 값을 최소로 유지하도록 적절한 초기 위치가 선택되었다.
도 12는 각각 건강함, 10% 탈자기 조건, 및 20% 탈자기 조건 하에서 플럭스 벡터 각도(쎄타(θ))의 함수로서 위상 A 전류(Amp)의 RMS 값들을 비교하는 플롯(170, 172, 174)을 갖는 그래프를 도시한다. 도 13은 각각 건강함, 10% 탈자기 조건, 및 20% 탈자기 조건 하에서 플럭스 벡터 각도(쎄타())의 함수로서 위상 B 전류(Amp)의 RMS 값들을 비교하는 플롯(176, 178, 180)을 갖는 그래프를 도시한다. 도 14는 각각 건강함, 10% 탈자기 조건, 및 20% 탈자기 조건 하에서 플럭스 벡터 각도(쎄타(θ))의 함수로서 위상 C 전류(Amp)의 RMS 값들을 비교하는 플롯(182, 184, 186)을 갖는 그래프를 도시한다. 도 12 내지 도 14는, 함께, IPMSM(26a)에 대한 건강함 및 결함 조건에서 위상 A, B 및 C 전류의 RMS의 시뮬레이션 결과를 도시한다. 건강함 및 결함 조건 하의 위상 전류의 RMS는 3개의 위상 모두에서 동일 패턴을 따른다. 예상되는 바와 같이, 탈자기의 레벨의 증가는 더 큰 인덕턴스의 결과로서 더 작은 RMS 값을 초래한다. 시뮬레이션 결과에 따라, 180° 내지 360°의 RMS 값은 0° 내지 180°의 값과 동일하고, 이는 시뮬레이션 및 테스트를 더 용이하게 한다. 또한, 상이한 플럭스 벡터 각도에 대한 결함 표시자 변동이 작다.
3가지 경우를 분석하여, 탈자기 조건 및 탈자기 표시자(건강한 모터, 10% 및 20% 균일 탈자기화 모터)의 변화 하에서 모터 거동을 관찰한다. 균일 탈자기에서, 8개의 자극 모두가 동일한 탈자기 레벨로 탈자기되었다. 이러한 보고서에서, 고정자 위상 전류의 RMS 값을 이용하여 수학식(1)에서와 같이 결함 표시자를 계산하였고, 탈자기의 영향을 조사하였다.
이하의 표 2, 표 3 및 표 4는, 상이한 조건들 사이의 비교를 설명하기 위해서 이용된 시뮬레이션으로부터 획득된 결과를 보여준다.
[표 2]
선택된 초기 위치의 건강한 모터의 결과
Figure pct00005
[표 3]
선택된 초기 위치의 10% 탈자기화 모터의 결과
Figure pct00006
[표 4]
선택된 초기 위치의 20% 탈자기화 모터의 결과
Figure pct00007
건강한 조건 및 탈자기 조건 하에서 위상 A, B 및 C에 대한 고정자 전류의 RMS 값들 사이의 비교가 이하의 표 5에 나열되어 있고, 도 12 내지 도 14에 도시되어 있다.
[표 5]
IPMSM의 위상 전류의 RMS 값
Figure pct00008
결함 조건 하에서 3개의 위상에 대한 결함 표시자(Kd)의 값이 표 6에 기재되어 있고 도 15 내지 도 17에 도시되어 있다.
[표 6]
선택된 초기 위치를 갖는 IPMSM의 위상 A, B 및 C에 대한 Kd의 값
Figure pct00009
결함 분류
탈자기 결함이 균일한 것 또는 부분적인 것으로 분류될 수 있다. 균일 탈자기에서, 모든 자석은 동일 레벨로 균일하게 탈자기된다. 균일 경우 이외의 모든 탈자기는 비-균일 또는 부분적 탈자기로 지칭될 수 있다. 이전 섹션에서 설명된 결함 표시자 및 탈자기 결함 분류를 이용한 탈자기 결함 진단을 본 섹션에서 설명한다. 탈자기가 모터의 자기 플럭스 링키지에 영향을 미치기 때문에, 이러한 결함의 임의의 트레이스(trace) 및 그 균일성 또는 불균일성이 자기 플럭스에서 명확하다. d-축 플럭스(λd)는 수학식(4)에 의해서 추정될 수 있고:
Figure pct00010
(4)
여기에서, λm 및 Ld는 각각 PM 플럭스 링키지 및 d-축 인덕턴스이다. 따라서, "겉보기" d-축 인덕턴스로 지칭되는 d-축 인덕턴스(Ld)가 수학식(5)에서 주어지고:
Figure pct00011
(5)
여기에서, Ld는 λd_id 특성의 기울기이고, 자기 플럭스가 d-축에서 전류와 함께 어떻게 변화되는지를 보여준다. 이는 탈자기 결함의 경우에 자기 플럭스의 변동을 획득하기 위해서 이용될 수 있다. 직접 축(d-축) 차동 인덕턴스(L'd)가 수학식(6)에 의해서 정의된다:
Figure pct00012
(6)
동일한 전체적인 탈자기 비율을 갖는 균일한 그리고 부분적으로 탈자기된 경우를 비교하였다. 도 18 및 도 19는 건강한, 균일한, 및 부분적 결함 조건을 갖는 PMSM(26)에 대한 Ld-id 및 L'd-id 특성을 도시한다. 도 18은 건강한 조건 및 탈자기 조건 하에서의 겉보기 인덕턴스(mH) 대 d-축 전류(Amp)의 플롯(200, 202, 204, 206, 208)을 갖는 그래프를 도시한다. 구체적으로, 플롯(200)은 건강한 조건의 PMSM(26)에 대한 겉보기 인덕턴스 대 d-축 전류를 보여주고; 플롯(202)은 균일 10% 탈자기의 PMSM(26)에 대한 겉보기 인덕턴스 대 d-축 전류를 보여주고; 플롯(204)은 균일 20% 탈자기의 PMSM(26)에 대한 겉보기 인덕턴스 대 d-축 전류를 보여주고; 플롯(206)은 부분적 40% 탈자기의 PMSM(26)에 대한 겉보기 인덕턴스 대 d-축 전류를 보여주고; 플롯(208)은 부분적 80% 탈자기의 PMSM(26)에 대한 겉보기 인덕턴스 대 d-축 전류를 보여준다. 도 19는 건강한 조건 및 탈자기 조건 하에서의 증가 인덕턴스(mH) 대 d-축 전류(Amp)의 플롯(210, 212, 214, 216, 218)을 갖는 그래프를 도시한다. 구체적으로, 플롯(210)은 건강한 조건의 PMSM(26)에 대한 증가 인덕턴스 대 d-축 전류를 보여주고; 플롯(212)은 균일 10% 탈자기의 PMSM(26)에 대한 증가 인덕턴스 대 d-축 전류를 보여주고; 플롯(214)은 균일 20% 탈자기의 PMSM(26)에 대한 증가 인덕턴스 대 d-축 전류를 보여주고; 플롯(216)은 부분적 40% 탈자기의 PMSM(26)에 대한 증가 인덕턴스 대 d-축 전류를 보여주고; 플롯(218)은 부분적 80% 탈자기의 PMSM(26)에 대한 증가 인덕턴스 대 d-축 전류를 보여준다. 예상되는 바와 같이, 겉보기 인덕턴스는 d-축 전류의 변동에 덜 민감하다. 따라서, 탈자기 유형의 분류를 위해서 증가 인덕턴스가 선택된다.
도 18 및 도 19에서 명확한 바와 같이, 부분 탈자기의 레벨을 증가시킴으로써, 곡선의 피크가 좌측으로 이동한다. 부분적 탈자기로 인한 자기 플럭스의 비대칭성은 상이한 L'd-id 패턴을 초래한다. 부분적 탈자기의 경우에, 곡선의 피크점이 좌측으로 이동한다. 그러나, 균일 탈자기 결함은 건강한 경우의 패턴을 따른다.
요지
제시된 결함 진단 방법의 제1 단계는 건강한 PMSM에 대한 위상 전류의 RMS 값을 찾고 그러한 RMS 위상 전류를 기준 값으로서 저장하는 것이다. 이어서, 평가하고자 하는 PMSM 내의 위상 전류의 RMS 값을 그러한 기준 값과 비교할 수 있다.
획득된 결과를 기초로, 각각의 위상이 테스트 중에 평가될 수 있다. 결함 표시자가, 탈자기의 정확한 백분율이 아니라, 탈자기의 심각성만을 보여준다는 것에 주목하여야 한다.
표 6으로부터, IPMSM가 10% 탈자기일 때 최적의 초기 위치를 선택함으로써, kd가 4.4% 내지 4.7% 변화되고, 20% 탈자기화 모터의 경우에, kd는 8% 내지 8.4% 변화된다는 것을 확인할 수 있다. 또한:
- 결함을 진단하기 위해서, 하나의 플럭스 벡터 각도(θ)에 대한 한 번의 테스트만이 필요한 것으로 결론지을 수 있는데, 이는 표시자 값이 다른 플럭스 벡터 각도(θ)에 대해서 급격한 변화를 가지지 않기 때문이다.
- 전류가 0인 플럭스 벡터 각도가 결함 검출을 위한 모터를 여기시키도록 선택되지 않아야 한다는 것에 주목하여야 한다. 예를 들어, 위상 A에서 플럭스 벡터 각도(θ)는 90°이고, 위상 B에서 θ=30°이고, 위상 C에서 θ=150°이다.
- 유일한 고려 사항은 테스트, DC-버스 전압, PWM 캐리어의 주파수, 주입된 전압 및 초기 위치에 대한 동일 조건을 유지하는 것이다.
- L'd-Id 곡선에서, 건강한 경우에 피크점의 특성이 기준으로서 선택된다. 균일 결함에서, 패턴은 건강한 경우와 동일하고, 피크점은 더 큰 Id에서 나타난다. 불균일 결함에서, 패턴은 건강한 경우와 다르고, 피크점은 더 작은 Id에서 나타난다.
제2 PMSM(26b)에 대한 시뮬레이션 결과
이러한 섹션에서, 도 3에 도시된 제2 PMSM(26b) 구성을 가지는 PMSM(26)에 대해서 시뮬레이션을 반복하였다. 제시된 방법은 PMSM(26)의 정지 조건을 위해서 설계되었다. 토크의 피크-피크 값이, 적절한 플럭스 벡터 각도(θ) 또는 초기 회전자 위치(α)의 선택에 의해서 최소화될 수 있다는 것이 확인된다. 그 외에, 플럭스 벡터 각도(θ) 또는 초기 위치(α)의 변화는 피크-피크 토크에 영향을 미치고 위상 전류의 RMS 값에 영향을 미친다.
플럭스 벡터 각도(θ)와 초기 위치(α) 사이의 관계가 수학식(7)과 같이 모든 모터에 대해서 추출될 수 있고:
Figure pct00013
(7)
여기에서, δ는 수학식(8)을 기초로 정의될 수 있고:
δ=(180/(슬롯의 수))*P/2 (8)
여기에서, P는 PMSM(26)의 회전자 내의 자극의 수이다.
희망 플럭스 벡터 각도(θ)를 수학식(7)을 이용하여 계산하여, 피크-피크 토크가 임의의 무작위적인 초기 위치에서 0에 근접하게 보장할 수 있다. 초기 회전자 위치는, d-축 플럭스가 위상 A 플럭스와 정렬되는 위치로 설정된다. 결과적으로, q-축 전류 및 플럭스 링키지 모두가 0에 근접하고, 결과적으로, 이러한 조건에서 전개된 전자기 토크는 대략적으로 0이 된다.
통상적인 3-상 IGBT 인버터(20)가 또한 Ansys Simplorer를 이용하여 모델링되고, 공통-시뮬레이션을 수행하여 인버터(20)로 모터(26a, 26b)를 동작시켰다. 사인파 또는 공간 벡터(PWM)를 이용하여 3-상 전압을 생성할 수 있다.
시뮬레이션 연구에서, DC 버스 전압은 100 V로 설정되었다. 그러나, DC 버스 전압은, 100 V보다 높은 VDC 값으로 설정되었다. Vm은 수학식(9)를 이용하여 계산되었고:
Figure pct00014
(9)
여기에서, ma는 변조 지수이다. 시뮬레이션에서, ma는 1이나, 이는 Vm = 66.7 V를 획득하기 위해서 일부 다른 값으로 설정될 수 있고, ω는 2π×200 라디안/초이다. 이러한 값들에서, 탈자기 표시자는 상이한 레벨의 결함을 진단할 수 있을 만큼 충분히 크다. 제2 PMSM(26b)은 48개의 슬롯을 가지며, 그에 따라 수학식(8)은 이하의 수학식(10)으로 정리될 수 있다:
Figure pct00015
(10)
시뮬레이션에서, 초기 위치(α)는 165°이고, 그에 따라 수학식(7)에 따라, 플럭스 벡터 각도(θ)는 0°이다.
건강한 조건 하의 제2 PMSM(26b)에 대한 전류 및 토크의 플롯이 도 20 및 도 21에 도시되어 있다. 도 20은 플럭스 벡터 각도(θ)가 0°일 때 그리고 건강한 조건 하에서의 위상 전류(Amps)의 플롯(220, 222, 224)을 갖는 그래프를 도시한다. 구체적으로, 플롯(220)은 위상 A 전류를 보여 주고; 플롯(222)은 위상 B 전류를 보여 주고; 플롯(224)은 위상 C 전류를 보여 준다. 도 21은, 플럭스 벡터 각도(θ)가 0°일 때 그리고 건강한 조건 하에서의 토크(뉴튼-미터)의 플롯(226)을 갖는 그래프를 도시한다.
균일 탈자기 결함이 시뮬레이션에서 시뮬레이트되었다. 균일 탈자기의 주요 특징은, 모든 자석(64b)이 균일하게 탈자기되었다는 것이고, 이는 제2 PMSM(26b)에서 전체적인 자기 플럭스 링키지의 균일한 감소를 유발한다.
고정자 위상 저항이 PM 강도에 미치는 영향
위상 저항 값을 2배로 하여, 저항 변동이 PM 플럭스 강도 결정에 미치는 영향을 조사하였다. 자석 및 권선의 온도를 시뮬레이션 중에 22℃에서 일정하게 유지하였다. 이어서, 위상 전류의 RMS 값의 변화의 변화를 보기 위해서 PM 강도를 단계별로 감소시킴으로써, 자석을 탈자기화하였다. 도 22는 시뮬레이션의 결과를 보여주는 플롯(230, 232)을 갖는 그래프를 포함한다. 플롯(230)은 2R의 위상 저항의 제1 값에 대한 %PM 플럭스 감소 대 %RMS 전류 감소를 보여준다. 플롯(232)은, 위상 저항의 제1 값의 절반인 R의 위상 저항의 제2 값에 대한 %PM 플럭스 감소 대 %RMS 전류 감소를 보여준다. 확인될 수 있는 바와 같이, 낮은 레벨의 탈자기에서, 양 그래프들 사이의 차이는 무시할 수 있다. 그러나, 더 심각한 탈자기의 경우에 차이가 더 명확하다.
PM 강도에 미치는 온도의 영향
온도 상승으로 인해서 영구 자석 재료의 탈자기가 일어날 수 있다. 이는 주로 영구 자석 재료의 온도 계수에 관련된다. 온도는, 자석의 인력(引力)을 강화 또는 약화하는 것에 의해서 자성에 영향을 미친다. 열을 받은 자석은, 자석 내의 입자가 점점 더 빠르게 그리고 더 큰 산발적인 비율로 이동함에 따라, 그 자기장의 감소를 나타낸다. 온도 증가는 고정자 저항 및 자석 강도 모두에 영향을 미친다. 이하의 하위 섹션에서, PM 플럭스 감소 및 위상 A 전류의 RMS 값에 미치는 고정자 위상 저항 변화의 영향 그리고 이어서 온도의 영향을 설명한다.
시뮬레이션을 수행하여, 위상 전류의 RMS 값에 미치는 온도의 영향을 분석하였다. 제1 단계에서, 온도가 20℃의 단계로 22℃로부터 120℃까지 변화되었고, 비-하중 테스트를 이용하여 PM 강도를 계산하였다. 시뮬레이션의 각각의 세트에서, 이하의 수학식(12)을 이용하여, 온도에 따라 위상 저항을 채택하였고:
Figure pct00016
(12)
여기에서, T는 섭씨 온도의 전도체 온도이고, Tref는 기준 온도이고, R은 온도(T)에서의 전도체 저항이고, Rref는 기준 온도에서의 전도체 저항이다.
이하의 표 7은 PM 플럭스 강도와 온도 사이의 관계가 거의 선형적이라는 것을 보여 준다.
[표 7]
상이한 온도들에서 건강한 조건 하의 PM 플럭스 값
Figure pct00017
이러한 관계를 도 23에 플롯하였고, 이는 PM 플럭스 강도(Weber) 대 온도(℃)의 플롯(236)을 도시한다.
다음 단계에서, 22℃, 80℃, 및 120℃온도에서 탈자기 심각도가 상이한 결함 모터를 모델링하였다.
[표 8]
Rphase=16.3749 mOhm, 자석 및 권선 온도=22℃
Figure pct00018
[표 9]
Rphase=20.304876 mOhm, 자석 및 권선 온도=80℃
Figure pct00019
[표 10]
Rphase=21.1323 mOhm, 자석 및 권선 온도=120℃
Figure pct00020
전술한 표 8 내지 표 10의 데이터를 도 24에서 요약하였고, 도 24는 %PM 플럭스 감소 대 위상 A RMS 전류의 %감소를 각각 나타내는 플롯(240, 242, 244)을 갖는 그래프를 도시한다. 구체적으로, 플롯(240)은 22℃에서 제2 PMSM(26b)에 대한 경우를 도시하고; 플롯(242)은 80℃에서 제2 PMSM(26b)에 대한 경우를 도시하고; 플롯(244)은 120℃에서 제2 PMSM(26b)에 대한 경우를 도시한다. 이러한 그래프를 이용하여, 탈자기 후의 PM 강도를 획득할 수 있다. 시뮬레이션을 상이한 온도들에 대해서 반복할 수 있고, 결과를 참조 표에 저장할 수 있다. 대안적으로, 결과가 계산될 수 있다. 예를 들어, 곡선 피팅을 이용하여, 실험적으로-얻어진 데이터를 매칭시키는 수학적 관계식을 결정할 수 있고, 그 후에 그러한 수학적 관계식을 이용하여 PM 플럭스를 계산할 수 있다. PM 플럭스는 온도를 아는 것 그리고 위상 전류 RMS를 계산하는 것에 의해서 얻어질 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 인공 신경망(ANN) 기반의 알고리즘을 훈련시켜 PM 플럭스를 추정할 수 있다.
본 개시 내용은 영구 자석 동기화 기계(PMSM)의 PM 강도를 모니터링하기 위한 방법을 제공한다. 그러한 방법은: 정지 조건의 PMSM에서, 위상 전압을 PMSM의 복수의 모터 리드의 각각에 인가하는 단계; 위상 전압을 인가하면서 PMSM의 복수의 모터 리드의 각각에서 전류를 측정하는 단계; 및 복수의 모터 리드 중 적어도 하나에서의 전류의 값을 기초로, 플럭스 링키지, 영구 자석(PM) 강도, PM 건강 상태, 또는 PM 탈자기 중 적어도 하나를 결정하는 단계를 포함한다.
일부 실시형태에서, 플럭스 링키지, 영구 자석(PM) 강도, PM 건강 상태, 또는 PM 탈자기 중 적어도 하나를 결정하는 단계는 복수의 모터 리드 중 적어도 하나에서의 전류를 건강 조건의 PMSM의 전류 값과 비교하는 단계를 포함한다. 일부 실시형태에서, 플럭스 링키지, 영구 자석(PM) 강도, PM 건강 상태, 또는 PM 탈자기 중 적어도 하나를 결정하는 단계는 복수의 모터 리드 중 적어도 하나에서의 전류를 미리 결정된 양의 탈자기를 가지는 PMSM의 전류 값과 비교하는 단계를 포함한다. 일부 실시형태에서, 플럭스 링키지, 영구 자석(PM) 강도, PM 건강 상태, 또는 PM 탈자기를 결정하는 단계는 플럭스 벡터 각도를 기초로 한다.
일부 실시형태에서, 방법은 복수의 모터 리드 중 적어도 하나에서의 전류의 평균제곱근(RMS) 값을 계산하는 단계를 더 포함하고; 복수의 모터 리드 중 적어도 하나에서의 전류의 값은 복수의 모터 리드 중 적어도 하나에서의 전류의 RMS 값이다.
일부 실시형태에서, 위상 전압을 PMSM의 복수의 모터 리드의 각각에 인가하는 것은 PMSM가 0의 평균 토크를 생성하게 한다.
일부 실시형태에서, 위상 전압은 이하에 의해서 정의된다:
Figure pct00021
일부 실시형태에서, 복수의 모터 리드 중 적어도 하나에서의 전류의 값을 기초로 플럭스 링키지, 영구 자석(PM) 강도, PM 건강 상태, 또는 PM 탈자기 중 적어도 하나를 결정하는 단계는, 전류의 값을 상이한 양의 탈자기에 상응하는 복수의 미리 결정된 값의 각각에 비교하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시형태에서, 플럭스 링키지, 영구 자석(PM) 강도, PM 건강 상태, 또는 PM 탈자기 중 적어도 하나를 결정하는 단계는 PMSM의 하나의 자극만의 탈자기를 결정하는 단계를 포함한다. 일부 실시형태에서, 플럭스 링키지, 영구 자석(PM) 강도, PM 건강 상태, 또는 PM 탈자기 중 적어도 하나를 결정하는 단계는 PMSM의 둘 이상의 자극의 탈자기를 결정하는 단계를 포함한다.
일부 실시형태에서, 플럭스 링키지, 영구 자석(PM) 강도, PM 건강 상태, 또는 PM 탈자기 중 적어도 하나를 결정하는 단계는 복수의 모터 리드 중 적어도 하나에서의 전류의 감소를 기초로 PM 강도의 감소를 결정하는 단계를 포함한다. 일부 실시형태에서, 복수의 모터 리드 중 적어도 하나에서의 전류의 감소를 기초로 PM 강도의 감소를 결정하는 단계는 PM 강도의 감소를 결정하기 위해서 참조 표를 이용하는 단계를 포함한다. 일부 실시형태에서, 복수의 모터 리드 중 적어도 하나에서의 전류의 감소를 기초로 PM 강도의 감소를 결정하는 단계는 PM 강도의 감소를 계산하기 위해서 수학 모델을 이용하는 단계를 포함한다. 일부 실시형태에서, 복수의 모터 리드 중 적어도 하나에서의 전류의 감소를 기초로 PM 강도의 감소를 결정하는 단계는 PM 강도의 감소를 결정하기 위해서 인공 신경망을 이용하는 단계를 포함한다.
본 개시 내용은 영구 자석 동기화 기계(PMSM)(26)를 모니터링하기 위한 시스템(10)을 제공한다. 시스템(10)은 정지 조건의 PMSM(26)에서 PMSM(26)의 복수의 모터 리드(24)의 각각에 위상 전압을 인가하도록 구성된 인버터(20)를 포함한다. 시스템(10)은 또한 위상 전압을 인가하면서 복수의 모터 리드의 각각에서 전류를 측정하도록 구성된 하나 이상의 전류 센서(28)를 포함한다. 시스템(10)은 또한 복수의 모터 리드(28) 중 적어도 하나에서의 전류의 값을 기초로 PMSM(26)의 플럭스 링키지, 영구 자석(PM) 강도, PM 건강 상태, 또는 PM 탈자기 중 적어도 하나를 결정하도록 구성된 제어기(30)를 포함한다.
제공된 방법은 기존 온라인 및 오프라인 방법보다 우수한 몇몇 장점을 제공한다. 여분의 하드웨어, 또는 진단 중의 모터 분해를 필요로 하지 않는다. 또한, 제공된 방법은 하중 변동, 기계적 문제, 및 다른 모터 매개변수에 의해서 영향을 받지 않는데, 이는 그러한 방법이 정지 중의 PMSM을 이용하여 수행되기 때문이다.
전술한 시스템, 방법 및/또는 프로세스 그리고 그와 연관된 단계가 특별한 적용예에 적합한 하드웨어, 소프트웨어, 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 임의의 조합으로 실현될 수 있다. 하드웨어는 범용 컴퓨터 및/또는 전용 컴퓨팅 디바이스 또는 특정한 컴퓨팅 디바이스 또는 특정한 컴퓨팅 디바이스의 특정한 측면 또는 구성요소를 포함할 수 있다. 프로세스가, 내부 및/또는 외부 메모리와 함께, 하나 이상의 마이크로프로세서, 마이크로제어기, 임베디드 마이크로제어기, 프로그래밍이 가능한 디지털 신호 프로세서 또는 기타 프로그래밍이 가능한 디바이스에서 실현될 수 있다. 프로세스는 추가적으로, 또는 그 대신에, 주문형 집적 회로, 프로그래밍이 가능한 게이트 어레이, 프로그래밍이 가능한 어레이 로직, 또는 전자 신호를 프로세싱하도록 구성될 수 있는 임의의 디바이스 또는 디바이스의 조합에 내장될 수 있다. 하나 이상의 프로세스가 기계 판독가능 매체에서 실행될 수 있는 컴퓨터 실행가능 코드로서 구현될 수 있다는 것이 더 이해될 것이다.
컴퓨터 실행가능 코드는 프로세서, 프로세서 아키텍처의 이종 조합, 또는 상이한 하드웨어와 소프트웨어의 조합, 또는 프로그램 명령어를 실행할 수 있는 기타 기계와 함께 상기 디바이스 중 하나에서 실행하도록 저장, 컴파일 또는 해석될 수 있는 C와 같은 구조적 프로그래밍 언어, C++과 같은 객체 지향 프로그래밍 언어, 또는 임의의 고 레벨 또는 저 레벨 프로그래밍 언어(어셈블리 언어, 하드웨어 디스크립션 언어(hardware description language), 및 데이터베이스 프로그래밍 언어 및 기술을 포함하는)를 이용하여 생성될 수 있을 것이다.
따라서, 하나의 양태에서, 전술한 각각의 방법 그리고 그 조합이, 하나 이상의 컴퓨팅 디바이스 상에서 실행될 때, 그 단계를 수행하는 컴퓨터 실행가능 코드로 구현될 수 있다. 또 다른 양태에서, 방법은 그의 단계를 수행하는 시스템 내에서 구현될 수 있고, 다수의 방식으로 디바이스에 걸쳐서 분산될 수 있고, 또는 그 기능 모두가 전용의 자립형 디바이스 또는 기타 하드웨어에 통합될 수 있다. 다른 양태에서, 전술한 프로세스와 연관된 단계를 수행하기 위한 수단이 전술된 임의의 하드웨어 및/또는 소프트웨어를 포함할 수 있을 것이다. 모든 그러한 치환 및 조합은 본 개시 내용의 범위 내에 포함되도록 의도된 것이다.
전술한 설명은 본 개시 내용을 포괄하거나 제한하는 것으로 의도된 것이 아니다. 특별한 실시형태의 개별적인 요소 또는 특징이 일반적으로 그러한 특별한 실시형태로 제한되지 않으나, 적용 가능한 경우에, 비록 구체적으로 도시되거나 설명되지 않았지만, 선택된 실시형태에서 이용될 수 있고 상호 교환될 수 있다. 동일한 것이 또한 많은 방식으로 변경될 수 있을 것이다. 그러한 변경은 개시 내용으로부터 벗어나는 것으로 간주되지 않고, 모든 그러한 수정이 개시 내용의 범위 내에 포함되도록 의도된다.

Claims (15)

  1. 영구 자석 동기화 기계(PMSM)를 모니터링하기 위한 방법이며:
    정지 조건의 PMSM에서, 위상 전압을 PMSM의 복수의 모터 리드의 각각에 인가하는 단계;
    위상 전압을 인가하면서 복수의 모터 리드의 각각에서 전류를 측정하는 단계; 및
    복수의 모터 리드 중 적어도 하나에서의 전류의 값을 기초로, 플럭스 링키지, 영구 자석(PM) 강도, PM 건강 상태, 또는 PM 탈자기 중 적어도 하나를 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    플럭스 링키지, 영구 자석(PM) 강도, PM 건강 상태, 또는 PM 탈자기 중 적어도 하나를 결정하는 단계는 복수의 모터 리드 중 적어도 하나에서의 전류를 건강 조건의 PMSM의 전류 값과 비교하는 단계를 포함하는, 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    플럭스 링키지, 영구 자석(PM) 강도, PM 건강 상태, 또는 PM 탈자기 중 적어도 하나를 결정하는 단계는 복수의 모터 리드 중 적어도 하나에서의 전류를 미리 결정된 양의 탈자기를 가지는 PMSM의 전류 값과 비교하는 단계를 포함하는, 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    플럭스 링키지, 영구 자석(PM) 강도, PM 건강 상태, 또는 PM 탈자기 중 적어도 하나를 결정하는 단계는 플럭스 벡터 각도를 기초로 하는, 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    복수의 모터 리드 중 적어도 하나에서의 전류의 평균제곱근(RMS) 값을 계산하는 단계를 더 포함하고; 그리고
    복수의 모터 리드 중 적어도 하나에서의 전류의 값은 복수의 모터 리드 중 적어도 하나에서의 전류의 RMS 값인, 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    위상 전압을 PMSM의 복수의 모터 리드의 각각에 인가하는 단계는 PMSM가 0의 평균 토크를 생성하게 하는, 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    위상 전압이:
    Figure pct00022

    에 의해서 정의되는, 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    복수의 모터 리드 중 적어도 하나에서의 전류의 값을 기초로 플럭스 링키지, 영구 자석(PM) 강도, PM 건강 상태, 또는 PM 탈자기 중 적어도 하나를 결정하는 단계는, 전류의 값을 상이한 양의 탈자기에 상응하는 복수의 미리 결정된 값의 각각과 비교하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    플럭스 링키지, 영구 자석(PM) 강도, PM 건강 상태, 또는 PM 탈자기 중 적어도 하나를 결정하는 단계는 PMSM의 단일 자극만의 탈자기를 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    플럭스 링키지, 영구 자석(PM) 강도, PM 건강 상태, 또는 PM 탈자기 중 적어도 하나를 결정하는 단계는 PMSM의 둘 이상의 자극의 탈자기를 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    플럭스 링키지, 영구 자석(PM) 강도, PM 건강 상태, 또는 PM 탈자기 중 적어도 하나를 결정하는 단계는 복수의 모터 리드 중 적어도 하나에서의 전류의 감소를 기초로 PM 강도의 감소를 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    복수의 모터 리드 중 적어도 하나에서의 전류의 감소를 기초로 PM 강도의 감소를 결정하는 단계는 PM 강도의 감소를 결정하기 위해서 참조 표를 이용하는 단계를 포함하는, 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    복수의 모터 리드 중 적어도 하나에서의 전류의 감소를 기초로 PM 강도의 감소를 결정하는 단계는 PM 강도의 감소를 계산하기 위해서 수학 모델을 이용하는 단계를 포함하는, 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    복수의 모터 리드 중 적어도 하나에서의 전류의 감소를 기초로 PM 강도의 감소를 결정하는 단계는 PM 강도의 감소를 결정하기 위해서 인공 신경망을 이용하는 단계를 포함하는, 방법.
  15. 영구 자석 동기화 기계(PMSM)를 모니터링하기 위한 시스템이며:
    정지 조건의 PMSM에서, PMSM의 복수의 모터 리드의 각각에 위상 전압을 인가하도록 구성된 인버터;
    위상 전압을 인가하면서 복수의 모터 리드의 각각에서 전류를 측정하도록 구성된 하나 이상의 전류 센서; 및
    복수의 모터 리드 중 적어도 하나에서의 전류의 값을 기초로 PMSM의 플럭스 링키지, 영구 자석(PM) 강도, PM 건강 상태, 또는 PM 탈자기 중 적어도 하나를 결정하도록 구성된 제어기를 포함하는, 시스템.
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