RU2704567C1 - Diagnostic method of double-pole rotor with permanent magnets - Google Patents
Diagnostic method of double-pole rotor with permanent magnets Download PDFInfo
- Publication number
- RU2704567C1 RU2704567C1 RU2018136942A RU2018136942A RU2704567C1 RU 2704567 C1 RU2704567 C1 RU 2704567C1 RU 2018136942 A RU2018136942 A RU 2018136942A RU 2018136942 A RU2018136942 A RU 2018136942A RU 2704567 C1 RU2704567 C1 RU 2704567C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- permanent magnets
- rotor
- electromotive force
- electric machine
- sempm
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области энергомашиностроения, в частности к устройствам, используемым для диагностики электрических машин с постоянными магнитами в синхронных машинах (англ. synchronous electrical machines with permanent magnets, сокращенно - SEMPM).The invention relates to the field of power engineering, in particular to devices used for the diagnosis of electric machines with permanent magnets in synchronous machines (English synchronous electrical machines with permanent magnets, in abbreviated form - SEMPM).
Известен способ определения температуры постоянных магнитов в многофазных синхронных машинах переменного тока [патент US №8,222,844 В2 С2, Н02Р 6/00, опубл. 17.07.2012], по которому измеряют температуру постоянных магнитов в электрической машине и определяют их остаточную индукцию. Температуру магнита можно определить, если измерять фазное напряжение и скорость вращения электрической машины.A known method for determining the temperature of permanent magnets in multiphase synchronous AC machines [US patent No. 8.222.844 B2 C2, H2O 6/00, publ. 07/17/2012], which measures the temperature of permanent magnets in an electric machine and determines their residual induction. The temperature of the magnet can be determined by measuring the phase voltage and the rotation speed of an electric machine.
Недостатком данного способа является ограниченные функциональные возможности, обусловленные сложностью конструкции и невозможностью точного определения механических повреждений постоянных магнитов в роторе электрической машины.The disadvantage of this method is the limited functionality due to the complexity of the design and the inability to accurately determine the mechanical damage of permanent magnets in the rotor of an electric machine.
Известен способ диагностики повреждений постоянных магнитов и управления электрической машиной [патент US №9,647,591 В2, Н02Н 7/08, Н02Р 21/14, опубл. 9.05.2017], по которому диагностику повреждений постоянных магнитов осуществляются по току и напряжению. По напряжению определяют форму кривой электродвижущей силы. Полученную информацию о форме используют для оценки состояния постоянных магнитов.A known method for diagnosing damage to permanent magnets and controlling an electric machine [US patent No. 9,647,591 B2, H02H 7/08, H02P 21/14, publ. 05/09/2017], according to which the diagnosis of permanent magnet damage is carried out by current and voltage. The voltage determines the shape of the curve of the electromotive force. The obtained shape information is used to assess the state of permanent magnets.
Недостатком данного способа являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные сложностью конструкции и невозможностью точного определения расположения повреждений постоянных магнитов.The disadvantage of this method is the limited functionality due to the complexity of the design and the inability to accurately determine the location of damage to the permanent magnets.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению является способ диагностики для обнаружения неисправности ротора с постоянными магнитами в синхронных машинах [патент US №2016/0097814 A1, G01R 31/34, опубл. 7.04.2016], по которому диагностику постоянных магнитов осуществляют током q-оси, током d-оси, напряжением на оси q и/или оси d. Полученную информации используют для определения формы потока, в результате чего определяется состояние постоянных магнитов на роторе электрической машины. Оценка может быть использована для идентификации повреждений одного или нескольких магнитов, которые могут возникать в результате повышенных температурных условий, физического или химического разложения.The closest in technical essence and the achieved result to the claimed invention is a diagnostic method for detecting a malfunction of a rotor with permanent magnets in synchronous machines [US patent No. 2016/0097814 A1, G01R 31/34, publ. 04/07/2016], in which the diagnosis of permanent magnets is carried out by the q-axis current, d-axis current, voltage on the q axis and / or d axis. The information obtained is used to determine the shape of the flow, as a result of which the state of permanent magnets on the rotor of an electric machine is determined. The assessment can be used to identify damage to one or more magnets that may occur as a result of elevated temperature conditions, physical or chemical decomposition.
Недостатками ближайшего аналога являются большие массогабаритные показатели, низкая эффективность, ограниченные функциональные возможности, обусловленные сложностью конструкции, а также отсутствие возможности определения расположения повреждения.The disadvantages of the closest analogue are large overall dimensions, low efficiency, limited functionality, due to the complexity of the design, and the lack of the ability to determine the location of the damage.
Задачами изобретения являются диагностирование сколов и локальных повреждений двухполюсных роторов, а также своевременное выявление повреждения постоянных магнитов.The objectives of the invention are the diagnosis of chips and local damage to bipolar rotors, as well as the timely detection of damage to permanent magnets.
Техническим результатом является повышение точности и эффективности диагностики двухполюсных роторов с постоянными магнитами.The technical result is to increase the accuracy and efficiency of the diagnosis of bipolar rotors with permanent magnets.
Технический результат достигается за счет того, что по способу диагностики электрической машины с постоянными магнитами в синхронных машинах, по которому определяют неисправность ротора по напряжению, согласно изобретению, в электрическую машину устанавливают дополнительную трехфазную обмотку, катушки каждой фазы расположены относительно друг друга на 120°, затем измеряют электромагнитную силу, наводящую в дополнительной обмотке при вращении ротора, и по измеренной форме кривой электродвижущей силы и ее гармоническому составу судят об исправности электрической машины с постоянными магнитами, если кривая электродвижущей силы искажена в первом либо в четвертом квадранте, то ротор с постоянными магнитами не исправен.The technical result is achieved due to the fact that according to the method for diagnosing an electric machine with permanent magnets in synchronous machines, which determine the rotor malfunction by voltage, according to the invention, an additional three-phase winding is installed in the electric machine, the coils of each phase are 120 ° relative to each other, then measure the electromagnetic force inducing in the additional winding during rotation of the rotor, and judged by the measured shape of the curve of the electromotive force and its harmonic composition b electric machine serviceability with permanent magnets, if the curve is distorted electromotive force in the first or fourth quadrant, the permanent magnet rotor is defective.
Изобретение поясняется следующими чертежами.The invention is illustrated by the following drawings.
На фиг. 1 показана осциллограмма экспериментальных исследований дефектного ротора.In FIG. 1 shows an oscillogram of experimental studies of a defective rotor.
На фиг. 2 показана осциллограмма экспериментальных исследований исправного ротора.In FIG. Figure 2 shows an oscillogram of experimental studies of a working rotor.
На фиг. 3 изображена схема распределения магнитного потока ротором SEMPM с дефектным ротором.In FIG. 3 shows a magnetic flux distribution diagram of a SEMPM rotor with a defective rotor.
Пример конкретной реализации способа.An example of a specific implementation of the method.
Для понимания физической сути данного процесса представляется целесообразным рассмотреть его математическое описание. Расчетная схема с распределением линий магнитной индукции постоянных магнитов ротора приведена на фиг. 3.To understand the physical essence of this process, it seems appropriate to consider its mathematical description. The design diagram with the distribution of the lines of magnetic induction of the permanent magnets of the rotor is shown in FIG. 3.
При математическом анализе процессов локального размагничивания постоянных магнитов используются следующие допущения:In the mathematical analysis of the processes of local demagnetization of permanent magnets, the following assumptions are used:
- так как диагностическая ЭДС получается с дополнительной обмотки и является ЭДС холостого хода, то рассматривается магнитное поле холостого хода;- since the diagnostic EMF is obtained from the additional winding and is the EMF of idling, the magnetic field of idling is considered;
- рассматривается двухполюсная магнитная система ротора;- a bipolar rotor magnetic system is considered;
- магнитная проницаемость стали сердечника, а также стали вала равна бесконечности, магнитная проницаемость воздушного зазора равна магнитной проницаемости вакуума;- the magnetic permeability of the core steel, as well as the shaft steel, is equal to infinity, the magnetic permeability of the air gap is equal to the magnetic permeability of the vacuum;
- аксиальная составляющая напряженности магнитного поля в торцевых поверхностях ротора равна 0, т.е. рассматривается SEMPM бесконечной длины.- the axial component of the magnetic field strength in the end surfaces of the rotor is 0, i.e. SEMPM of infinite length is considered.
- обмотка в исследуемом SEMPM представляется в виде тонкого медного слоя, вектор плотности токов содержит только аксиальную составляющую;- the winding in the studied SEMPM is presented in the form of a thin copper layer, the current density vector contains only the axial component;
- вихревые токи, наводимые пространственными и временными гармониками статора в постоянных магнитах и бандажной оболочке ротора не учитываются. При этом важно отметить, что в ряде случае, поле создаваемое вихревыми токами в обмотки SEMPM, может также являться диагностическим критерием сколов и локального размагничивания. Вопросы исследования полей вихревых токов, наводимых в обмотке SEMPM, раскрыты в работе (Ismagilov, F.R., Vavilov, V.E., Karimov, R.D. Improving the efficiency of electrical high-rpm generators with permanent magnets and tooth winding Progress In Electromagnetics Research M 63, c. 93-105);- eddy currents induced by the spatial and temporal harmonics of the stator in permanent magnets and the retainer of the rotor are not taken into account. It is important to note that in some cases, the field created by eddy currents in the SEMPM windings can also be a diagnostic criterion for chips and local demagnetization. The study of eddy current fields induced in the SEMPM winding is disclosed in (Ismagilov, FR, Vavilov, VE, Karimov, RD Improving the efficiency of electrical high-rpm generators with permanent magnets and tooth winding Progress In Electromagnetics Research M 63, c. 93-105);
- магнитное поле на поверхности постоянного магнита задано в виде гармонического ряда нормальной составляющей магнитной индукции на поверхности постоянного магнита (Ismagilov, F.R., Vavilov, V.Y., Miniyarov, А.Н., Veselov, A.M., Ayguzina, V.V. Design, optimization and initial testing of a high-speed 5-kw permanent magnet generator for aerospace application Progress In Electromagnetics Research С vol. 79, c. 225-240):- the magnetic field on the surface of the permanent magnet is set in the form of a harmonic series of the normal component of the magnetic induction on the surface of the permanent magnet (Ismagilov, FR, Vavilov, VY, Miniyarov, A.N., Veselov, AM, Ayguzina, VV Design, optimization and initial testing of a high-speed 5-kw permanent magnet generator for aerospace application Progress In Electromagnetics Research (vol. 79, p. 225-240):
при 
При анализе магнитного поля в SEMPM мы оперируем уравнениями Максвелла:When analyzing the magnetic field in SEMPM, we use Maxwell's equations:
где 
Так как, локальное размагничивание постоянных магнитов должно проявляться и при режиме нагрузке SEMPM, и при режиме холостого хода, то для обобщенности математического описания целесообразно рассмотреть режим холостого хода SEMPM. Для решения данной задачи рассматривается уравнение Лапласа в цилиндрических координатах с учетом условий непрерывности линий магнитного поля:Since the local demagnetization of permanent magnets should be manifested both under SEMPM load mode and at idle mode, it is advisable to consider the SEMPM idle mode for generalization of the mathematical description. To solve this problem, the Laplace equation in cylindrical coordinates is considered taking into account the continuity conditions of the magnetic field lines:
где Hr, Hϕ радиальная и тангенциальная составляющие напряженности магнитного поля в немагнитном зазоре SEMPM.where H r , H ϕ are the radial and tangential components of the magnetic field strength in the non-magnetic gap SEMPM.
Локальное размагничивание полюса или скол полюса приведет к уменьшению величины индукции на поверхности постоянных магнитов и изменению амплитуды намагниченности постоянных магнитов.Local demagnetization of the pole or cleavage of the pole will lead to a decrease in the magnitude of the induction on the surface of the permanent magnets and a change in the magnetization amplitude of the permanent magnets.
Экспериментальные исследования выполнялись электрической машиной с тремя катушками, расположенными относительно друг друга на 120°. Все испытания производились в генераторном режиме SEMPM при работе на активную нагрузку.Experimental studies were carried out by an electric machine with three coils located 120 ° relative to each other. All tests were performed in SEMPM generator mode during active load operation.
Для минимизации потерь в магнитопроводе статора для всех исследуемых топологий используют аморфный магнитный материал 5БДСР с индукцией насыщения 1,35 Тл и толщиной листа 25 мкм. Статор имеет полную длину 45 мм и состоит из 9 стеков длиной по 5 мм. В качестве магнитов ротора использовались магниты Sm2Co17 остаточной индукцией 1,07 Тл и коэрцитивной силой 756 кА/м. Для минимизации потерь магниты выполнены шихтованными в осевом направлении. Ротор имеет активную длину 50 мм. Обмотка выполнена из провода ПНЭТ-имид с температурным индексом 220°С. Пазовая изоляция выполнена из полиамидной пленки.To minimize losses in the stator magnetic circuit for all the studied topologies, amorphous 5BDSR magnetic material with a saturation induction of 1.35 T and a sheet thickness of 25 μm is used. The stator has a total length of 45 mm and consists of 9 stacks 5 mm long. As the rotor magnets, Sm2Co17 magnets were used with a residual induction of 1.07 T and a coercive force of 756 kA / m. To minimize losses, the magnets are made axially lined. The rotor has an active length of 50 mm. The winding is made of PNET-imide wire with a temperature index of 220 ° C. The slot insulation is made of polyamide film.
Испытания выполнялись на пониженной частоте 2800 об/мин. Пониженная частота вращения ротора использовалась в связи с тем, что бандажные оболочки роторов SEMPM были удалены. При испытаниях использовались подшипники SKF 638/8-2Z, способные обеспечить частоту вращения до 90000 об/мин. Приводным двигателем стенда являлся асинхронный двигатель мощностью 4 кВт.Tests were performed at a reduced frequency of 2800 rpm. The reduced rotor speed was used due to the fact that the retaining shells of the SEMPM rotors were removed. In the tests, SKF 638 / 8-2Z bearings were used, capable of providing speeds of up to 90,000 rpm. The stand’s drive motor was a 4 kW induction motor.
Главной задачей при испытаниях макетов была оценка их электродвижущей силы (ЭДС) в зависимости от дефекта ротора. ЭДС измерялась с помощью осциллографа Gwinstek GDS-73154, анализ гармонического спектра напряжения осуществлялся с помощью анализатора гармоник Призма-50. Результаты экспериментальных исследований для исправного и дефектного ротора приведены на фигуре 1 и 2.The main task in testing the models was to evaluate their electromotive force (EMF), depending on the defect of the rotor. EMF was measured using a Gwinstek GDS-73154 oscilloscope; the harmonic voltage spectrum was analyzed using a Prism-50 harmonic analyzer. The results of experimental studies for a working and defective rotor are shown in figure 1 and 2.
Результаты экспериментальных исследований по измерению ЭДС SEMPM при холостом ходе в генераторном режиме. При установке дефектного ротора в SEMPM с зубцовой обмоткой типа alternate teeth wound выходная ЭДС становится ассиметричной относительно оси абцисс. Подобная форма ЭДС практически не встречается в электрических машинах. При этом установка исправного ротора в данный образец SEMPM привела к симметричности выходного ЭДС относительно оси абцисс. Таким образом, диагностическим критерим одностороннего скола или локального размагничивания постоянного магнита при данном типе обмотке, числе полюсов и числе пазов является несимметрчиность выходного напряжения по оси абцисс. Аналогичные результаты были получены и при полной нагрузке, что доказывает: ток в обмотках SEMPM практически не влияет на выявленные диагностические критерии (ассиметричность выходного ЭДС относительно оси абцисс).The results of experimental studies on measuring EMF SEMPM at idle in the generator mode. When a defective rotor is installed in a SEMPM with alternate teeth wound type of tooth winding, the output EMF becomes asymmetric about the abscissa axis. This form of EMF is almost never found in electric cars. In this case, the installation of a working rotor in this SEMPM sample led to the symmetry of the output EMF relative to the abscissa axis. Thus, the diagnostic criteria for a one-sided cleavage or local demagnetization of a permanent magnet for a given type of winding, the number of poles and the number of grooves is the asymmetry of the output voltage along the abscissa axis. Similar results were obtained at full load, which proves that the current in the SEMPM windings practically does not affect the identified diagnostic criteria (asymmetry of the output EMF relative to the abscissa axis).
Таким образом, обеспечивается повышение точности и эффективности диагностики двухполюсных роторов с постоянными магнитами.Thus, an increase in the accuracy and efficiency of the diagnosis of bipolar rotors with permanent magnets is provided.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018136942A RU2704567C1 (en) | 2018-10-19 | 2018-10-19 | Diagnostic method of double-pole rotor with permanent magnets |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018136942A RU2704567C1 (en) | 2018-10-19 | 2018-10-19 | Diagnostic method of double-pole rotor with permanent magnets |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2704567C1 true RU2704567C1 (en) | 2019-10-29 |
Family
ID=68500596
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018136942A RU2704567C1 (en) | 2018-10-19 | 2018-10-19 | Diagnostic method of double-pole rotor with permanent magnets |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2704567C1 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2431152C2 (en) * | 2009-11-23 | 2011-10-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный нефтяной технический университет" | Method of diagnostics of electrically driven mechanisms and systems |
| RU2542596C1 (en) * | 2013-11-20 | 2015-02-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Electrical machine diagnosing method |
| US20160097814A1 (en) * | 2014-10-07 | 2016-04-07 | Texas Instruments Incorporated | Method and circuitry for detecting faults in field oriented controlled permanent magnet synchronous machines |
| US9647591B2 (en) * | 2013-01-02 | 2017-05-09 | Trane International Inc. | Magnet degradation and damage controls and diagnostics for permanent magnet motors |
| US20180167010A1 (en) * | 2016-12-13 | 2018-06-14 | Abb Schweiz Ag | Method And Device For Detecting The Presence Of A Permanent Magnet Of A Rotor Of A Synchronous Machine |
-
2018
- 2018-10-19 RU RU2018136942A patent/RU2704567C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2431152C2 (en) * | 2009-11-23 | 2011-10-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный нефтяной технический университет" | Method of diagnostics of electrically driven mechanisms and systems |
| US9647591B2 (en) * | 2013-01-02 | 2017-05-09 | Trane International Inc. | Magnet degradation and damage controls and diagnostics for permanent magnet motors |
| RU2542596C1 (en) * | 2013-11-20 | 2015-02-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Electrical machine diagnosing method |
| US20160097814A1 (en) * | 2014-10-07 | 2016-04-07 | Texas Instruments Incorporated | Method and circuitry for detecting faults in field oriented controlled permanent magnet synchronous machines |
| US20180167010A1 (en) * | 2016-12-13 | 2018-06-14 | Abb Schweiz Ag | Method And Device For Detecting The Presence Of A Permanent Magnet Of A Rotor Of A Synchronous Machine |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Ugale et al. | Rotor configurations for improved starting and synchronous performance of line start permanent-magnet synchronous motor | |
| Zamudio-Ramirez et al. | Magnetic flux analysis for the condition monitoring of electric machines: A review | |
| Hong et al. | Detection of airgap eccentricity for permanent magnet synchronous motors based on the d-axis inductance | |
| Urresty et al. | A back-emf based method to detect magnet failures in PMSMs | |
| Da et al. | A new approach to fault diagnostics for permanent magnet synchronous machines using electromagnetic signature analysis | |
| Gieras et al. | Performance calculation for a high-speed solid-rotor induction motor | |
| Mirimani et al. | Static eccentricity fault detection in single-stator–single-rotor axial-flux permanent-magnet machines | |
| Capolino et al. | State of the art on stray flux analysis in faulted electrical machines | |
| De Bisschop et al. | Demagnetization fault detection in axial flux PM machines by using sensing coils and an analytical model | |
| Duan et al. | A review of condition monitoring and fault diagnosis for permanent magnet machines | |
| Trapanese et al. | Design and performance of a high temperature superconducting axial flux generator | |
| Ullah et al. | Online diagnosis and severity estimation of partial and uniform irreversible demagnetization fault in interior permanent magnet synchronous motor | |
| Ilamparithi et al. | Detection of eccentricity faults in three-phase reluctance synchronous motor | |
| Dmitrievskii et al. | Developing ultra premium efficiency (IE5 class) magnet-free synchronous reluctance motor | |
| JP2016073200A (en) | Method and system for determining core losses in permanent magnet synchronous motor | |
| Gyftakis et al. | The demagnetization harmonics generation mechanism in permanent magnet machines with concentrated windings | |
| CN109342877B (en) | Winding turn-to-turn short circuit fault detection device and method for fractional-slot concentrated winding permanent magnet motor | |
| Haddad et al. | Detection of static eccentricity and turn-to-turn short circuit faults in permanent magnet synchronous AC machines | |
| Yu et al. | Electromagnetic modeling and analysis of can effect of a canned induction electrical machine | |
| Ahsanullah et al. | Detection and analysis of winding and demagnetization faults in PMSM based marine propulsion motors | |
| Jeong et al. | Detection of trailing edge PM demagnetization in surface PM synchronous motors | |
| Lee et al. | A stator-core quality-assessment technique for inverter-fed induction machines | |
| Seghiour et al. | Diagnostic of the simultaneous of dynamic eccentricity and broken rotor bars using the magnetic field spectrum of the air-gap for an induction machine | |
| Djerdir et al. | Faults in permanent magnet traction motors: State of the art and modelling approaches | |
| Virtic et al. | Analysis of coreless stator axial flux permanent magnet synchronous generator characteristics by using equivalent circuit |